CN109489038A - 一种可调节多种燃料进料比例的燃烧器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可调节多种燃料进料比例的燃烧器,该燃烧器包含:耐火单元,金属件,燃料流量控制装置,包含燃料烧嘴及若干第三氧化剂通路的燃料‑第三氧化剂供给系统,包含若干第一氧化剂通路的第一氧化剂供给系统,及,包含若干第二氧化剂通路的第二氧化剂供给系统,该燃料烧嘴内部包含位于中心的第二燃料的喷射管道及由第二燃料的喷射管道外壁和烧嘴内壁所限定的第一燃料的喷射管道。本发明提供的燃烧器能用于多燃料窑炉,能调整多种燃料的进料比例。

Description

一种可调节多种燃料进料比例的燃烧器
本申请请求于2017年11月30日提交的申请号为PCT/CN2017/113872、发明名称为"一种能用于固体燃料和气体燃料的氧化剂-多燃料烧嘴"的PCT专利申请的优先权,其全文经此通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及一种燃烧设备,具体来说,涉及一种可以调整多种燃料进料比例的多燃料(第一燃料和第二燃料)燃烧器,该燃烧器可以通过调整第一燃料和第二燃料的进料比例来控制燃烧效果,通过调节氧化剂的分配来调整火焰方向及燃烧效果,可以应用于玻璃、冶金、水泥、陶瓷等制造领域。
背景技术
在玻璃、冶金、水泥、陶瓷等制造领域,长期以来广泛采用火焰辐射能对被加热介质进行传热的方式。火焰的辐射率特性对辐射传热效果有重要影响。
实际物体的光谱辐射率,是指其光谱辐射能与同温下黑体光谱辐射能的比值。
火焰的发射率ε,习惯上又称黑度,用于表征辐射传热效率。
按照Stefan-Boltzmann公式,辐射热流量Ф与发射率ε关系如下:
Ф=εAσT4
其中,T代表物体的绝对温度(K);σ代表斯忒藩-玻耳兹曼常数,σ=5.67×10-8W/(m-2·K-4);A代表辐射表面积(m2)。
气体燃料中,氢气、氧气、氮气等分子结构对称的双原子分子,基本上无发射和吸收辐射的能力,认为是辐射的透明体。二氧化碳、水蒸汽等三原子分子、多原子分子以及不对称双原子气体分子如一氧化碳,具有较大辐射本领。
多数燃料燃烧包括无灰分的燃料在氧化剂供应不足时的不完全燃烧所形成的发光火焰或者观察煤油灯的火焰,往往是淡红或者橙黄色的,这种颜色来自碳氢物质(烃)燃烧过程中粒径大约只是0.2μm、炽热的极细碳粒,能使气体辐射热成倍增加。
固体燃料石油焦粉或煤粉燃烧时,粒径大得多(平均达到40微米左右)的大量碳成分为主的颗粒被逐渐燃烧。这些较大的悬浮颗粒,对辐射射线是不透明体,相当于在火焰中存在着许多小黑体而进一步增强火焰黑度,明显地接近黑体的辐射能力。这种火焰有时被称为“火炬”。
气体夹带大量灰粒、液滴(如重油雾化)等颗粒悬浮体时,能够吸收更多波带的射线、包括可见射线的能量,整个吸收波谱和能谱趋近于连续。火炬的辐射要比气体的辐射更接近于固体的辐射。
固体燃料,如石油焦粉和煤粉等,作为廉价的燃料,已经在玻璃窑炉、冶金、水泥、陶瓷等制造领域广泛应用。
石油焦粉相比重油、天然气等传统燃料,硫成分所占比例较高,而且石油焦包含大量粒径不等的固体颗粒。如果吹入蓄热室,将加重蓄热室格子体的堵塞;如果火焰长度和刚性不理想,火焰直接传热效果不佳,可能直接冲击耐火材料、炉衬或产品;如果火焰覆盖面不理想,会影响热量分布和产品性能;尤其是大颗粒直接吹入窑内散落在产品(如玻璃液)表面时,它们可对在产品形成污染、产生多种缺陷。
一些燃料,如发生炉煤气、高炉煤气、焦炉煤气、水煤气、以及其他煤制气,生物质燃料或其产生的可燃气体燃料的热值不稳定,如果不能及时调整燃烧参数,会严重影响火焰传热效果和燃烧效率的稳定性;这些气体燃料中有些种类如高炉煤气等热值偏低,升高其热值可以使其获得更加广泛的应用。
此外,当使用氢气作为气体燃料时,在高温窑炉内火焰几乎看不见,且火焰直接传热效果不佳,燃烧废气中水分含量较高,不利于调控燃烧效果。
以上因素,可能对产量、质量以及燃烧工艺设备使用寿命造成较严重的影响。
目前市场上已经存在成熟的纯氧-气体燃料燃烧器以及与其匹配的烧嘴砖,但同时兼容多种燃料的多燃料燃烧器,仍旧存在许多不足之处。
产品品种质量柔性化设计的生产线,对产品种类、产能、产品品质等提出不同的要求,为适应这些需求,生产线需要对燃料进行选择性更换。市场上已有的纯氧-多燃料(气体和固体)燃烧解决方案存在操作不灵活、可调范围小、难以适应工艺变化需要等问题。如:
1.火焰刚性、长度、火焰覆盖面、火焰黑度、火焰直接传热效果调整范围小;
2.火焰燃烧位置、燃烧速度不可调整;
3.局部燃烧气氛调整范围小;
4.纯氧浓度调整不方便;
5.不同燃料进料比例调整不方便;
6.火焰方向(水平或垂直)调整困难;
7.燃料热值大幅度波动时火焰难以稳定;
8.低热值气体燃料纯氧/富氧燃烧应用受到限制。
发明内容
本发明的目的包括解决纯氧/富氧-多种燃料燃烧的技术问题,设计一种可调节多燃料进料比例的多燃料燃烧器,其能调整火焰长度和方向、面积、刚度、黑度、局部气氛和传热效果,还可以控制燃烧效果、降低NOx(氮氧化物)生成物。
特别是对于玻璃窑炉,本发明可以通过调控两种不同燃料的进料比例,调节玻璃液面上的泡界线位置,达到良好的燃烧效果,提高玻璃质量。
特别当使用氢气作为气态燃料时,本发明可以通过在氢燃料的中心可控量地引入固态或液体燃料,极大改变火焰的黑度,明显提高火焰对玻璃液的直接传热效果且降低燃烧废气中的水含量。
本发明的再一个发明目的是改善热值不稳定的燃料的燃烧效果,通过热值检测仪监测热值不稳定的燃料的热值,根据燃料流热值的变化,及时修正燃料流的流量,调整不同燃料的进料比例。实现由两种燃料组成的燃料整体流速相对稳定的同时,保证总燃料流单位时间的发热量稳定。燃料整体流速的稳定有利于控制火焰长度以及传热稳定;由于燃料总体流量的稳定,避免废气总量随燃料热值变化产生的波动。
气体燃料中的中热值(<15.07MJ/Nm3)或者低热值(<6.28MJ/Nm3)气体燃料如高炉煤气等,升高其热值可以使其获得更加广泛的应用。
为了达到上述目的,本发明提供了一种可调节多种燃料进料比例的燃烧器,所述的燃烧器包含:
耐火单元;
金属件;
燃料流量控制装置;及
由耐火单元及金属件限定的燃料-第三氧化剂供给系统、第一氧化剂供给系统、第二氧化剂供给系统,所述的第一氧化剂供给系统、第二氧化剂供给系统分别位于燃料-第三氧化剂供给系统的上部和下部;
所述的第一氧化剂供给系统包含若干第一氧化剂通路,所述的第二氧化剂供给系统包含若干第二氧化剂通路;
所述的燃料-第三氧化剂供给系统包含:若干第三氧化剂通路,及,设置在第三氧化剂通路中的多燃料烧嘴,该多燃料烧嘴具有第一燃料连接部及至少两个第一燃料的喷射管道,每条第一燃料的喷射管道内包含一条第二燃料的喷射管道,第二燃料的喷射管道通过第二燃料连接部相连,第一燃料流由第一燃料连接部的入口端进入,经第一燃料的喷射管道的出口端流出,第二燃料流由第二燃料连接部的入口端进入,经第二燃料的喷射管道的出口端流出,所述第一燃料和第二燃料热值不同或着火点不同;
所述的第三氧化剂通路的内径大于第一燃料的喷射管道的外径;
所述第一燃料的喷射管道的内径大于第二燃料的喷射管道的外径;
所述第一氧化剂通路的出口端具有第一转向结构,该第一转向结构使得该第一氧化剂通路的出口端向下,并与第一氧化剂通路的本体延长线具有第一偏置角度,该第一偏置角度小于90°;和/或所述第二氧化剂通路的出口端具有第二转向结构,该第二转向结构使得该第二氧化剂通路的出口端向上,并与第二氧化剂通路的本体延长线具有第二偏置角度,该第二偏置角度小于90°;
所述的燃料流量控制装置配置成用于调节所述第二燃料的喷射管道和第一燃料的喷射管道中的流体流量。
在一些实施例中,第一燃料的喷射管道的有效截面积为第二燃料的喷射管道的有效截面积的1-10倍。
在一些优选实施例中,第一燃料的喷射管道的有效截面积为第二燃料的喷射管道的有效截面积的3-5倍。
在一些实施例中,所述的第一偏置角度为1-15°。
在一些优选实施例中,所述的第一偏置角度为1.5-8°。
在一些实施例中,所述的第二偏置角度为0-15°。
在一些优选实施例中,所述的第二偏置角度为0-4°。
在一些包括上述燃烧器的实施例中,第一偏置角度与第二偏置角度配置成使第一氧化剂流和第二氧化剂流分别与燃料-第三氧化剂流的接触点位置不同。
在一些实施例中,所述第一燃料的喷射管道和/或第二燃料的喷射管道的入口端前设置有热值检测仪。
在一些优选实施例中,还包括与所述热值检测仪通信连接的控制装置,所述控制装置配置成根据来自所述热值检测仪的热值相关信息计算并发出调节第一燃料和第二燃料的流量的信号。
在一些实施例中,所述的燃烧器还包含若干氧化剂流量控制单元,所述氧化剂流量控制单元配置成调整控制第一氧化剂供给系统、第二氧化剂供给系统及燃料-第三氧化剂供给系统中对应的氧化剂的流量。
在一些优选实施例中,还包括与所述燃料流量控制装置和/或若干氧化剂流量控制单元通信连接的控制装置,所述控制装置发出燃料流控制信号和/或氧化剂流控制信号调控所述燃料流量控制装置和/或若干氧化剂流量控制单元。
在一些实施例中,所述的第一氧化剂系统的氧化剂选择氧气、空气或富氧空气,所述的第二氧化剂系统的氧化剂选择氧气、空气或富氧空气;所述燃料-第三氧化剂供给系统的氧化剂选择氧气、空气或富氧空气。
在一些实施例中,所述第一燃料为气体燃料。
在一些实施例中,所述第二燃料可以是固体燃料、气体燃料或液体燃料。
在一些优选实施例中,所述燃料-第三氧化剂供给系统中的第二固体燃料的载气为空气、CO2、烟道气或燃烧废气。
本发明提供的能调节多种不同燃料进料比例的多燃料(第一燃料和第二燃料)燃烧器及燃烧方法,能实现调整火焰长度和方向、控制燃烧速度、等燃烧效果,具体来说包括:
1.可调整火焰长度、火焰刚性、火焰黑度或垂直角度;
2.窑炉局部氧化和还原气氛可调整,避免局部高温;
3.调节不同燃料的进料比例、调控燃烧效果;
4.提高火焰直接传热效果;
5.增强燃烧器对燃料种类适应能力;
6.降低NOx生成量。
附图说明
图1示出了包括本发明的一个实施例的可调节多种燃料进料比例的燃烧器的剖面结构示意图。
图2示出了包括本发明的另一个实施例的可调节多种燃料进料比例的燃烧器的氧化剂通路的偏置角度的示意图。
图3示出了包括根据本发明的一个实施例的由耐火单元及金属件限定的燃料-第三氧化剂供给系统11、第一氧化剂供给系统12、第二氧化剂供给系统13的结构示意左视图(从燃料或氧化剂出口方向观察)。
图4示出了包括本法明的一个实施例的可调节多种燃料进料比例的燃烧器的一种燃料喷嘴112的俯视结构示意图。
图5示出了包括本发明的再一个实施例的可调节多种燃料进料比例的燃烧器的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
如图1所示,本发明的一种可调节多种燃料进料比例的燃烧器包含:
耐火单元10;
金属件20;及
分别由耐火单元及金属件限定的燃料-第三氧化剂供给系统11、第一氧化剂供给系统12、第二氧化剂供给系统13。
所述的第一氧化剂供给系统12、第二氧化剂供给系统13分别位于燃料-第三氧化剂供给系统11的上部和下部。
所述的第一氧化剂供给系统12包含若干第一氧化剂通路,优选至少2个,左右对称设置,具有第一对称中心线,如图1所示,该第一氧化剂通路具有第一入口端1211及第一出口端1212。
所述的第二氧化剂供给系统13包含若干第二氧化剂通路;优选至少2个,左右对称设置,具有第二对称中心线,如图1所示,第二氧化剂通路具有第二入口端1311和第二出口端1312。
所述的燃料-第三氧化剂供给系统11包含:至少两个第三氧化剂通路,及,设置在燃料第三氧化剂通路中的多燃料烧嘴112(详见图4)。第三氧化剂通路具有第三出口端1112,及燃料出口端1124。如图4的多燃料喷嘴112所示,该燃料喷嘴112具有第一燃料连接部1121及至少两个平行对称设置的第一燃料的喷射管道1122,每个第一燃料的喷射管道1122设置在一个第三氧化剂通路内,每一个第一燃料的喷射管道1122内还设置有一条第二燃料的喷射管道1125,两条第二燃料的喷射管道通过第二燃料连接部1123连接,第二燃料连接部1123套置在第一燃料连接部1121内,第二燃料由第二燃料入口端1127进入,经由燃料出口端1124-2(详见图3)喷出,第一燃料由第一燃料入口端1126进入,经由燃料出口端1124-1(详见图3)喷出,气体和第二燃料在各自管路中流动,在出口端1124接触,第一燃料是在第二燃料的喷射管道外壁和第一燃料的喷射管道内壁所限定的环形管道中流动。所述的第三氧化剂通路的内径大于第一燃料的喷射管道1122的外径,使得第三氧化剂通路的内壁与燃料喷射管道1122外壁之间具有空隙,便于第三氧化剂通过。而且,所述的燃料喷嘴的燃料出口端1124位于第三氧化剂通路内,即第三氧化剂通路的第三出口端1112位于燃料烧嘴的出口端1124的外部,燃料流在燃料烧嘴的燃料出口端1124即与第三氧化剂通路内的第三氧化剂流混合,以提前燃烧开始的点。
所述第二燃料的喷射管道1125中的第二燃料流的流量和第一燃料的喷射管道1122中的第一燃料流的流量由燃料流量控制装置,可以是流量控制阀1130和1140调节,第一燃料和第二燃料的热值不同或着火点不同。
所述第一燃料流是在第二燃料的喷射管道外壁和第一燃料的喷射管道内壁所限定的环形管道中流动,该环形管道的截面积为第一燃料的喷射管道的有效截面积,为第二燃料的喷射管道的有效截面剂的1-10倍,优选地为3-5倍。
如图2所示,该烧嘴的所述第一氧化剂通路的第一出口端1212具有第一转向结构。该第一转向结构使得第一出口端1212向下(即,朝着第三氧化剂通路向下)转向,并与第一氧化剂通路的本体延长线具有第一偏置角度,该第一偏置角度小于90°(优选1-15°,更优地选择1.5-8°),可使得第一氧化剂通路喷出的氧化剂与第三氧化剂通路喷出的燃料在相交处混合,本实施例中该第一偏置角度选择2-8°。
所述第二氧化剂通路的第二出口端1312具有第二转向结构,该第二转向结构使得该第二出口端1312向上(朝着第三氧化剂通路向上)转向,并与第二氧化剂通路的本体延长线具有第二偏置角度,该第二偏置角度小于90°(优选0-15°,更优地选择0-4°),本实施例中该第二偏置角度选择1-5°。
一些实施例中,第一转向结构中,所述第一氧化剂通路的第一出口端还朝向第一对称中心线设置,即第一出口端同时朝下、朝内。
一些实施例中,第二转向结构中,所述第二氧化剂通路的第二出口端还朝向第二对称中心线设置,即第二出口端同时朝上、朝内。
一些实施例中,如图5所示,第一燃料的喷射管道和/或第二燃料的喷射管道的入口端前设置有热值检测仪1141和1131,所述热值检测仪可以通过有线或无线网络将热值数据传输至计算机或可编程逻辑控制系统40。
一些实施例中,所述的燃烧器还包含若干氧化剂流量控制单元,以调整控制第一氧化剂供给系统、第二氧化剂供给系统及燃料-第三氧化剂供给系统中氧化剂的流量或流速,使得第一氧化剂供给系统、第二氧化剂供给系统及燃料-第三氧化剂供给系统中氧化剂保持需要的比例。
一些实施例中,所述的烧嘴还包含控制第一氧化剂供给系统中各路第一氧化剂通路的氧化剂比例的控制单元。
一些实施例中,所述的烧嘴还包含控制第二氧化剂供给系统中各路第二氧化剂通路的氧化剂比例的控制单元。
一些实施例中,氧化剂流量控制单元或氧化剂比例控制单元,和/或调节第二燃料及第一燃料流量的燃料流量控制装置通过有线或无线网络与计算机或可编程逻辑控制系统相连,由计算机或可编程逻辑控制系统控制。
一些实施例中,燃料-第三氧化剂供给系统11、第一氧化剂供给系统12、第二氧化剂供给系统13中的氧化剂在各自的氧化剂通路出口端前均相互独立,不相混合。
燃料-第三氧化剂供给系统11中的第二燃料流和第一燃料流在喷出出口端1124前相互独立,不相混合。
本发明的一些实施例中,控制第一氧化剂供给系统12中氧化剂比例为60%(体积比),第二氧化剂供给系统13中氧化剂比例为30%(体积比),燃料-第三氧化剂供给系统11中氧化剂比例为10%(体积比)。
为了使得氧化剂更均匀有序地与燃料混合,第一偏置角度不等于第二偏置角度,使得第一氧化剂通路的氧化剂、第二氧化剂通路的氧化剂与燃料的混合位置、时间不同。优选地,第一氧化剂流先于第二氧化剂流接触燃料-第三氧化剂流。
通过计算机系统模拟玻璃熔制燃烧空间,对相同玻璃熔制工艺条件下的烧嘴(该烧嘴具有第一转向结构和第二转向结构,其中,第一转向结构具有第一偏置角度,第二转向结构具有第二偏置角度)燃烧效果进行评估,达到预期效果:增加上部第一氧化剂通路中氧化剂比例可实现火焰更贴近玻璃液面;增加下部第二氧化剂通路中氧化剂比例可实现火焰更远离玻璃液面。
所述的第一氧化剂通路的横截面形状为圆形、椭圆形、方形或不规则形状;所述的第二氧化剂通路的横截面形状为圆形、椭圆形、方形或不规则形状;所述的第三氧化剂通路的横截面形状为圆形、椭圆形、方形或不规则形状。第一氧化剂通路、第二氧化剂通路及第三氧化剂通路的有效截面积可以相同或不同。
所述的第一氧化剂系统的氧化剂选择氧气、空气或富氧空气,所述的第二氧化剂系统的氧化剂选择氧气、空气或富氧空气;所述燃料-第三氧化剂供给系统的氧化剂选择氧气、空气或富氧空气。所述的氧化剂可以是常温,也可以经过加热处理,温度范围5℃到700℃。
所述第一燃料为气体燃料。可以选自天然气、氢气或其他烃类气体。当使用氢气作为第一燃料时,由于氢火焰的特性,在高温窑炉内火焰几乎看不见,当使用固态或液体燃料作为位于中心的第二燃料的情况下,火焰的黑度会发生极大变化,火焰对玻璃液的直接传热效果明显提高。
所述第二燃料可以是固体燃料、气体燃料或液体燃料。固体燃料可选自石油焦、煤粉、生物质颗粒或其他化石燃料,固体燃料一般需要载气形成风粉输送。液体燃料可以选自液态烃类或煤焦油,液态燃料输送管需要配置一个雾化装置,一般采用压缩空气来雾化液态燃料。在固体燃料流外环形包围气体燃料流,可以是火焰的亮度更高,燃烧效果更好。一般将着火点低或热值高的燃料作为第二燃料。当使用生物质制气或煤制气时,倾向于将这种热值偏低且不稳定的燃料作为第一燃料,选择热值高的天然气作为第二燃料。
所述燃料-第三氧化剂供给系统中的第二固体燃料的载气(即,输送风)为空气、CO2或者二者的混合气或其他气体(如窑炉排出的燃烧废气或烟道气)。该输送风可以是常温,也可以经过加热处理,温度范围5℃到700℃。对于第二燃料,输送风配比系数范围:100Kg燃料用风20~80标准立方米。
本发明还提供一种可调节多种燃料进料比例的方法如下:
从位于烧嘴中部的燃料-第三氧化剂供给系统的第二燃料入口端1127和第一燃料入口端1126分别输送第二燃料流和第一燃料流,通过燃料流量控制装置调节所述第二燃料流和第一燃料流的流量,使其分别经过其内部的第二燃料的喷射管道1125和第一燃料的喷射管道1122,到达燃料出口1124;通过第三控制单元控制燃料喷射管道外壁与第三氧化剂通路之间氧化剂的流量或流速,从而控制燃烧的开始点;通过第一控制单元和第二控制单元分别调整第一氧化剂通路、第二氧化剂通路中的氧化剂流量或流速,使第一氧化剂和第二氧化剂分别以第一偏置角度和第二偏置角度注入炉中,与燃料按照需要的时间和位置混合,并保持需要的火焰方向;并控制供应向燃料流方向向上的氧化剂,使氧化剂与燃料按照需要的时间和位置混合,保持需要的火焰方向和水平角度。
本发明的燃烧器及燃烧方法通过对氧化剂分布、方向以及氧化剂-燃料方向、第二燃料和第一燃料的进料比例等进行调整,可按实际操作要求,调整火焰长度、火焰覆盖面积、刚性以及火焰的局部气氛等应用场景。以下通过具体实施例说明其应用。
实施例1
在玻璃熔制工艺过程中,采用图1所示的燃烧器,该烧嘴的第一氧化剂通路的第一出口端具有第一偏置角度,该第一偏置角度选择2-8°,该烧嘴的第二氧化剂通路的第二出口端具有第二偏置角度,该第二偏置角度选择1-5°,喷嘴选择图4所示的喷嘴结构,即喷嘴的出口端不具有转向结构。氧化剂采用纯氧,从总入口30输入,通过第一控制单元1215、第二控制单元1315、第三控制单元1115分别控制第一氧化剂供给系统12、第二氧化剂供给系统13及燃料-第三氧化剂供给系统11中的氧化剂流量分配,使氧化剂与燃料按照需要的时间和位置混合,并保持需要的火焰方向。第二燃料采用煤粉,载气为空气,从第二燃料入口端1127进入,第一燃料采用天然气从第一燃料入口端1126进入,通过燃料流量控制装置调节两股流体的流速,以调控第二燃料和第一燃料的进料比例,控制燃烧效果。第一燃料天然气是在第二燃料的喷射管道外壁和第一燃料的喷射管道内壁所限定的环形管道中流动,该环形管道的截面积为第一燃料的喷射管道的有效截面积,是第二燃料的喷射管道的有效截面剂的3倍。第二固体燃料输载气的流速一般和第二燃料的进料量有关,例如,当第二固体燃料进料量为100kg/h时,载气流量为20m3/h。
实施例2
以下结合实施例对本发明中可调节第二燃料和第一燃料进料比例的燃烧器及燃烧方法进行详细描述。
在本发明的一个实施例中,一个日产550T/D的平板玻璃窑炉,采用典型的含硫酸盐钠钙硅玻璃配方。在窑炉每侧间隔设置了11个燃烧器,采用纯氧/天然气横火焰燃烧。窑炉中在热点上游约1800mm处设置有一排鼓泡器,在设计的目标生产条件下,目标泡界线位置在鼓泡器的上游约1800mm左右,目标料山线位置在目标泡界线位置上游约2500mm左右。
由于热点与加料端之间存在的温度差,热点处表层玻璃液向加料端方向存在回流,两种力量共同作用,在热点之前气泡逐渐消失变为玻璃液镜面的部位,形成一条明显的界限,即泡界线。
为了监测控制玻璃熔体表面泡界线位置,设置了三个泡沫位置传感器,分别监测目标泡界线附近,热点附近及两者中点处的泡沫状况。
本实施例中玻璃窑炉使用的燃料以天然气为主,同时以石油焦粉为备用辅助燃料,载气为空气。
当由于原材料粒度、水分等因素变化,泡界线向下游延伸,系统自动判断泡界线超过目标泡界线500mm且向下游扩展。此时通过燃料流量控制装置,本实施例中为天然气流量控制阀组和第二燃料流量控制阀组,将气体/第二燃料的配比中第二燃料的比例增加,以拟制泡沫的扩散。
调整过程是在计算机系统中设置好流量比例,通过计算机连接控制燃料进料控制装置来调节两种燃料的流量配比实现的。在该实施例中,初始条件下燃料为天然气,天然气消耗量为Q0(m3/h)(石油焦粉的量为0(kg/h)),天然气与石油焦粉的低位发热值分别是8450kcal/m3和8350kcal/kg(分别以符号A和B表示),天然气:石油焦粉的比例由Q0(m3/h):0(kg/h)调整为0.8*Q0(m3/h):(0.2*Q0)*A/B(kg/h)。第一燃料和第二燃料流量分别由第一燃料流量控制阀组和第二燃料流量控制阀组(图1中未示出)来调控,所述阀组的开关及开度及相应比例通过有线或无线网络由计算机系统控制。
其它情况下第一燃料/第二燃料的配比的调整原理与此类似。
本实施例用以简要说明本发明的核心内容,注意以上简单示范计算中,没有计入输送风自身对火焰温度和加热效果的影响,以及天然气和石油焦粉火焰对玻璃液传热的影响等因素的计算。实际生产过程可编程逻辑控制系统或计算机的自动计算过程中,可以对以上影响因素进行了补偿调节。
当泡沫已经继续向目标泡界线下游扩展,计算机系统判定判断泡界线过长,将继续调节第一燃料与第二燃料的进料比例,以快速阻止泡沫扩散。
当泡沫已经向下游扩散接近热点,计算机系统发出警报,与其相连的燃料流量控制装置将进一步增加第二燃料在总燃料中所占的比例,将第二燃料比例量增加到80%以上(例如天然气:石油焦粉的比例调整为0.2*Q0(m3/h):(0.8*Q0)*A/B(kg/h)来控制泡界线的移动。
实施例3
以下结合实施例对本发明中可调节多燃料进料比例的燃烧器及燃烧方法进行详细描述。在本实施例中,本发明可以用来调控热值不稳定的燃料的燃烧效果:
采用图5所示的燃烧器,该烧嘴的第一氧化剂通路的第一出口端具有第一偏置角度,该第一偏置角度选择6°,该烧嘴的第二氧化剂通路的第二出口端具有第二偏置角度,该第二偏置角度选择3°,喷嘴选择图4所示的喷嘴结构,即喷嘴的出口端不具有转向结构。氧化剂采用纯氧,从总入口输入,通过第一控制单元1215、第二控制单元1315、第三控制单元1115分别控制第一氧化剂供给系统12、第二氧化剂供给系统13及燃料-第三氧化剂供给系统11中的氧化剂流量分配,使氧化剂与燃料按照需要的时间和位置混合,并保持需要的火焰方向。其中第一控制单元1215、第二控制单元1315、第三控制单元1115分别与过程控制计算机系统40相连,并由其通过网络进行调控。
其中第一燃料为煤制气,第二燃料采用天然气,分别由燃料流量控制装置1140和1130调节两股流体的流速,以调控第二燃料和第一燃料的进料比例,控制燃烧效果。其中燃料流量控制装置1140和1130与过程控制计算机系统40通过网络相连,并由其控制。
第一燃料煤制气是在第二燃料的喷射管道外壁和第一燃料的喷射管道内壁所限定的环形管道中流动,该环形管道的截面积为第一燃料的喷射管道的有效截面积,是第二燃料天然气的喷射管道的有效截面剂的3倍。其中在进入燃料-第三氧化剂供给系统11之前,还设置有热值检测仪1131和1141,分别监测第二燃料和第一燃料的热值。其中热值检测仪1131和1141与过程控制计算机系统40通过网络相连,并将热值结果传输至过程控制计算机系统40。过程控制计算机系统40根据燃料的热值,计算燃料的进料流量和比例,并通过燃料流量控制装置1140和1130对燃料流量进行调整。
本实施例中天然气的热值8500kcal/m3,相对比较稳定;煤制气的热值受到原材料煤以及制气/供气过程的影响,热值在2500~4500kcal/m3波动,由于热值偏低且波动较大,单独使用煤制气-纯氧燃烧,无法满足熔制高质量玻璃制品的条件。
初始条件第一燃料煤制气热值3200kcal/m3,使用量100m3/h;第二燃料天然气使用量50m3/h,总氧气用量184m3/h。氧气在第一氧化剂供给系统12、第二氧化剂供给系统13及燃料-第三氧化剂供给系统11中的氧化剂流量分配分别是92m3/h、65m3/h、27m3/h。热值检测仪1131监测第二燃料天然气热值稳定,热值检测仪1141监测发现煤制气热值由3200kcal/m3降低到2200kcal/m3,超出煤制气热值设定的波动范围;燃料流量控制系统降低煤制气流量到84.13m3/h,天然气流量调整到65.87m3/h。本次自动调整中,氧化剂流量保持不变。
本实施例实现在煤制气热值大幅度波动的情况下,实现两种燃料组成的燃料整体流速相对稳定的同时,保证总燃料流单位时间的发热量稳定。有利于火焰长度以及传热效果的稳定;同时避免废气总量随燃料热值变化产生的波动,有利于整个加热工艺制度的稳定。
实施例4
在本实施例中,本发明可以用来加强氢气-纯氧燃烧火焰对被加热介质(玻璃熔体)的辐射传热效果。以下结合实施例对本发明中调节氢火焰的辐射传热效果进行详细描述。
氢气与氧气燃烧反应后得到大量的热能,反应物是水,是典型的清洁能源。但是氢气与氧气、氮气等分子结构对称的双原子分子一样,基本上无发射和吸收辐射的能力,认为是辐射的透明体。其反应生成物水是三原子分子,具备一定的辐射能力,但是与传统的天然气、石油焦粉、重油等燃料相比,氢气-纯氧燃烧产生火焰的辐射率明显降低。
采用图5所示的燃烧器,其中第一燃料为氢气,第二燃料采用天然气,系统基本设置同实施例3,氢气和天然气分别由燃料流量控制装置1140和1130调节两股流体的流速,以调控第二燃料和第一燃料的进料比例,控制燃烧效果。其中燃料流量控制装置1140和1130与过程控制计算机系统40通过网络相连,并由其控制。
在实施过程中,为了增加氢气-纯氧燃烧时火焰的黑度以提高火焰对被加热介质的辐射传热效果,按燃料单位时间的总发热量的30%配比天然气。
2H2+O2=2H2O
CH4+2O2=2H2O+CO2
本实施例中的氢气热值2574kcal/m3,天然气热值8500kcal/m3
采用了第一燃料氢气流量400m3/h,第二燃料天然气流量36.3m3/h。
若遇燃料热值有波动,或者要求对燃料发热量进行调节时,实现的具体原理和过程,与实施例3类似。
综上所述,本发明公开的可调节第二燃料和第一燃料进料比例的燃烧器由多个功能模块组合构成,所述多个功能模块包含为分别位于燃料流上方和燃料流下方的多个氧化剂通路,氧化剂以一定角度注入炉中,和中心包含第二燃料(气体、固体、液体)流的第一燃料流通路,及可以调控第一和第二燃料流的模块;实现对氧化剂、第一燃料和第二燃料比例等燃烧要素条件不同组合选择;通过模块化组合,实现调整火焰长度、火焰刚性、火焰黑度、火焰水平或垂直角度;调节不同燃料的进料比例、稳定总燃料单位时间的发热量;提高火焰直接传热效果;增强燃烧器对燃料种类适应能力;提高产量,改善产品质量;降低废气排放以及NOx生成。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍,但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后,对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此,本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (16)

1.一种可调节多种燃料进料比例的燃烧器,其特征在于,所述的燃烧器包含:
耐火单元;
金属件;
燃料流量控制装置;及
由耐火单元及金属件限定的燃料-第三氧化剂供给系统、第一氧化剂供给系统、第二氧化剂供给系统,所述的第一氧化剂供给系统、第二氧化剂供给系统分别位于燃料-第三氧化剂供给系统的上部和下部;
所述的第一氧化剂供给系统包含若干第一氧化剂通路,所述的第二氧化剂供给系统包含若干第二氧化剂通路;
所述的燃料-第三氧化剂供给系统包含:若干第三氧化剂通路,及,设置在第三氧化剂通路中的多燃料烧嘴,该多燃料烧嘴具有第一燃料连接部及至少两个第一燃料的喷射管道,每条第一燃料的喷射管道内包含一条第二燃料的喷射管道,第二燃料的喷射管道通过第二燃料连接部相连,第一燃料流由第一燃料连接部的入口端进入,经第一燃料的喷射管道的出口端流出,第二燃料流由第二燃料连接部的入口端进入,经第二燃料的喷射管道的出口端流出,所述第一燃料和第二燃料热值不同或着火点不同;
所述的第三氧化剂通路的内径大于第一燃料的喷射管道的外径;
所述第一燃料的喷射管道的内径大于第二燃料的喷射管道的外径;
所述第一氧化剂通路的出口端具有第一转向结构,该第一转向结构使得该第一氧化剂通路的出口端向下,并与第一氧化剂通路的本体延长线具有第一偏置角度,该第一偏置角度小于90°;和/或所述第二氧化剂通路的出口端具有第二转向结构,该第二转向结构使得该第二氧化剂通路的出口端向上,并与第二氧化剂通路的本体延长线具有第二偏置角度,该第二偏置角度小于90°;
所述的燃料流量控制装置配置成用于调节所述第二燃料的喷射管道和第一燃料的喷射管道中的流体流量。
2.如权利要求1所述燃烧器,其特征在于,所述第一燃料的喷射管道的有效截面积为第二燃料的喷射管道的有效截面积的1-10倍。
3.如权利要求2所述燃烧器,其特征在于,所述第一燃料的喷射管道的有效截面积为第二燃料的喷射管道的有效截面积的3-5倍。
4.如权利要求1所述燃烧器,其特征在于,所述的第一偏置角度为1-15°。
5.如权利要求4所述燃烧器,其特征在于,所述的第一偏置角度为1.5-8°。
6.如权利要求1所述燃烧器,其特征在于,所述的第二偏置角度为0-15°。
7.如权利要求6所述燃烧器,其特征在于,所述的第二偏置角度为0-4°。
8.如权利要求1-7中任意一项所述燃烧器,其特征在于,第一偏置角度与第二偏置角度配置成使第一氧化剂流和第二氧化剂流分别与燃料-第三氧化剂流的接触点位置不同。
9.如权利要求1所述燃烧器,其特征在于,所述第一燃料的喷射管道和/或第二燃料的喷射管道的入口端前设置有热值检测仪。
10.如权利要求9所述燃烧器,其特征在于,还包括与所述热值检测仪通信连接的控制装置,所述控制装置配置成根据来自所述热值检测仪的热值相关信息计算并发出调节第一燃料和第二燃料的流量的信号。
11.如权利要求1所述的燃烧器,其特征在于,所述的燃烧器还包含若干氧化剂流量控制单元,所述氧化剂流量控制单元配置成调整控制第一氧化剂供给系统、第二氧化剂供给系统及燃料-第三氧化剂供给系统中对应的氧化剂的流量。
12.如权利要求1或11所述燃烧器,其特征在于,还包括与所述燃料流量控制装置和/或若干氧化剂流量控制单元通信连接的控制装置,所述控制装置发出燃料流控制信号和/或氧化剂流控制信号调控所述燃料流量控制装置和/或若干氧化剂流量控制单元。
13.如权利要求1所述的燃烧器,其特征在于,所述的第一氧化剂系统的氧化剂选择氧气、空气或富氧空气,所述的第二氧化剂系统的氧化剂选择氧气、空气或富氧空气;所述燃料-第三氧化剂供给系统的氧化剂选择氧气、空气或富氧空气。
14.如权利要求1所述的燃烧器,其特征在于,所述第一燃料为气体燃料。
15.如权利要求1所述的燃烧器,其特征在于,所述第二燃料可以是固体燃料、气体燃料或液体燃料。
16.如权利要求15所述的燃烧器,其特征在于,所述燃料-第三氧化剂供给系统中的第二固体燃料的载气为空气、CO2、烟道气或燃烧废气。
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