CN110486722A - 一种低氧低NOx的底部气体燃烧器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低氧低NOx的底部气体燃烧器，烧嘴砖贴于加热炉底部的内壁面上，且加热炉内壁面上烧嘴砖所围成的内部空间形成中心空气流道，中心空气流道包括入口段和出口段，入口段为一段横截面积不变的流道，出口段的横截面积逐渐变小并形成空气收缩流道；风箱密封固定于加热炉的底面上，调风器和蒸汽枪均连接在风箱上，一级燃料喷头和二级燃料喷头设于所述烧嘴砖外壁面的周围，一级燃烧器和二级燃烧器分别对应与一级燃料喷头和二级燃料喷头相连。本发明能力更大、火焰更长、热流分布更加合理、更适应低氧燃烧、操作更加稳定；而且，在维护和控制上更加简单，允许操作者在优化和稳定的热通量特性下操作，特别适用于乙烯裂解炉上。

Description

一种低氧低NOx的底部气体燃烧器

技术领域：

本发明涉及一种低氧低NOx的底部气体燃烧器，属于化工设备技术领域。

背景技术：

燃料气与空气混合后进行燃烧，空气中的氧气与燃料气中的碳氢化合物进行燃烧反应并放出大量的热。但是在高温、氧过剩的条件下燃烧时，空气中的氮气将和空气中的氧气发生反应生成NOx。众所周知，在其它条件相同的情况下，NOx的生成量随着燃烧温度的升高而增大。NOx是对环境有危害的物质，通常认为NOx的排放与臭氧的减少及其他环境问题有关。

在NOx排放对环境的影响日益得到人们关心之前，通常所有类型的火焰加热炉都采用单级燃烧器，同目前使用的低NOx燃烧器相比，这种简单的单级燃烧器会产生很高水平的NOx排放，无法满足当前环保标准和规章的要求。为了减少NOx排放，就需要设计出低NOx燃烧器。

CN200720032397.8公开了一种长火焰低NOx排放的气体燃烧器，该气体燃烧器主要由消音罩、风道、调风挡板、风箱、折流板、一级燃烧器、二级燃烧器、烧嘴砖、长明灯组成，其特征在于烧嘴砖置于炉子底部，内部空心处为空气流道，在其入口段是一个横截面积不变的平直流道，出口段的横截面积逐渐变小形成空气收缩流道，此时横截面与内壁面形成角度β；烧嘴砖空气流道的入口段靠近内壁处设置有一级燃烧器，一级燃料喷孔向内倾斜，角度α与β 相同，二级燃料喷头上有二级燃料喷孔和三级燃料喷孔。该气体燃烧器可形成扁平长火焰，实现大能力燃烧和超低NOx排放。

循环烟气温度较高，在一定程度上抵消了烟气循环带来的好处。为此，限制了NOx减少量的完成。目前需要一个有效的、改良的利用烟气再循环的低NOx燃烧器和方法，其中循环烟气在进入燃烧器火焰之前温度被充分降低，并且燃烧系统中没有任何热能损失。特别需要一种这种类型的改进的低NOx燃烧器和方法，它在设计上是不复杂的，并且在宽泛的操作范围内提供稳定的性能。另外，需要这种类型的燃烧器和方法能够在增加烟气再循环量时能有效地操作。

CN201010296302.X公开了一种多点燃烧的长火焰超低NOx排放的气体燃烧器，该气体燃烧器主要由消音罩、风道、调风挡板、风箱、一级燃烧器、二级燃烧器、烧嘴砖、长明灯组成，其特征在于烧嘴砖的空气流道内设置有一级燃烧器，一级燃烧器为预混式燃烧器，采用烟气再循环技术，进一步降低NOx排放；还设置有二级燃烧器，二级燃烧器为扩散式燃烧器，由二级燃料进气管、二级燃料喷嘴组成。该气体燃烧器，采用了分级燃料燃烧技术、烟气再循环技术和多点分散燃烧技术，以降低燃料燃烧温度，以利于裂解炉内热场的均匀分布，并实现大能力燃烧和超低NOx排放，特别适合在裂解炉内作为底部燃烧器使用。

CN202328232U公开了一种扁平火焰的裂解炉用底部气体燃烧器，主要由调风器、风箱、长明、燃料分配管、一级燃烧器、二级燃烧器、烧嘴砖组成，其特征在于烧嘴砖置于炉子底部，内部空心处为中心空气流道，在其入口段是一个横截面积不变、横截面为椭圆形的流道，出口段的横截面积逐渐变小，形成空气收缩流道，此时横截面与内壁面形成角度α，横截面与外壁面形成角度β；一级燃料喷头和二级燃料喷头置于烧嘴砖外部，在烧嘴砖变截面处周围，并且靠近外壁面。烧嘴砖上开有侧向通道，使炉膛与中心空气流连通，该侧向通道的一端靠近一级燃烧器的一级燃料喷头。一级燃料喷头喷出的燃料气被喷入烧嘴砖的侧向通道中，从而吸引炉膛内的烟气进入烧嘴砖的中心空气流道，燃料气和烟气的混合物在混合区呈旋流状，与全部助燃空气混合形成一次燃烧区，进行贫燃料燃烧，降低了NOx生成量。二级燃料喷头喷出的燃料气进入一次燃烧区下游，与燃烧剩余的助燃空气和烟气混合，形成二次燃烧区，同样降低了NOx生成量。该燃烧器，适合在乙烯裂解炉内作为底部燃烧器使用，可形成扁平火焰，实现大能力燃烧和低NOx排放。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种的低氧、低Nox的底部气体燃烧器，它不仅可以满足环保要求，而且可以获得良好的底部燃烧器火焰形状、火焰长度、火焰刚性以及热流密度分布，且非常适用于大能力间距小的燃烧器布置，特别适合用于乙烯裂解炉上。

本发明所采用的技术方案有：一种低氧低NOx的底部气体燃烧器，所述燃烧器设置在加热炉上，包括调风器、蒸汽枪、二级燃烧器、一级燃烧器、风箱、烧嘴砖、一级燃料喷头和二级燃料喷头，所述烧嘴砖贴于加热炉底部的内壁面上，且加热炉内壁面上烧嘴砖所围成的内部空间形成中心空气流道，中心空气流道包括入口段和出口段，所述入口段为一段横截面积不变的流道，出口段的横截面积逐渐变小并形成空气收缩流道；风箱密封固定于加热炉的底面上，且风箱的内腔与中心空气流道相连通，调风器和蒸汽枪均连接在风箱上，一级燃料喷头和二级燃料喷头设于所述空气收缩流道中外壁面的周围，一级燃烧器和二级燃烧器分别对应与一级燃料喷头和二级燃料喷头相连，在一级燃料喷头上与二级燃料喷头上均设有一级喷孔、二级喷孔和三级喷孔，一级燃料喷头与二级燃料喷头上的一级喷孔喷出的第一股燃料气进入烧嘴砖内壁上的侧向通道中，并吸引加热炉炉膛内的烟气进入中心空气流道与全部助燃空气混合，形成一次燃烧区；一级燃料喷头与二级燃料喷头上的二级喷孔喷出的第二股燃料气喷向烧嘴砖中所述外壁面的出口处，进入一次燃烧区的下游，并与一次燃烧区剩余的助燃空气和烟气混合，形成二次燃烧区；一级燃料喷头与二级燃料喷头上的三级喷孔喷出的第三股燃料气喷向加热炉炉膛，进入二次燃烧区下游，与燃烧剩余的助燃空气和烟气混合，形成三次燃烧区。

进一步地，所述烧嘴砖的中心空气流道的横截面为圆形，一级燃料喷头与二级燃料喷头沿烧嘴砖外部四周间隔均布。

进一步地，所述烧嘴砖内壁上的侧向通道使加热炉炉膛与中心空气流道连通，侧向通道设置在与烧嘴砖中空气收缩流道的内壁面相切的位置。

进一步地，所述一级燃料喷头和二级燃料喷头上用于喷出第一股燃料气的一级喷孔的方向与侧向通道的轴向方向一致。

进一步地，所述中心空气流道中空气收缩流道的内壁面与水平线之间的夹角为α，空气收缩流道的外壁面与水平线之间的夹角为β。

进一步地，所述α的范围为45°～85°，β的范围为105°～140°。

进一步地，所述一级燃料喷头和二级燃料喷头上用于喷出第二股燃料气的二级喷孔的方向与夹角β相近，与竖直线之间角度范围为15°～50°。

进一步地，所述一级燃料喷头和二级燃料喷头上用于喷出第三股燃料气的三级喷孔的方向与竖直线之间角度范围为3°～40°。

进一步地，所述一级燃料喷头设有1～5个，二级燃料喷头设有2～5个。

进一步地，所述烧嘴砖中中心空气流道的出口处设置稳焰结构，在相邻的各级燃料喷头之间周向布置隔筋。

本发明具有如下有益效果：

本发明提供了一个大能力、低氧、低Nox、长火焰燃烧器，与目前低NOx燃烧器相比，能力更大、火焰更长、热流分布更加合理、更适应低氧燃烧、操作更加稳定；而且，本发明的燃烧器在维护和控制上更加简单，允许操作者在优化和稳定的热通量特性下操作，特别适用于乙烯裂解炉上。

附图说明：

图 1 为本发明主视图。

图 2 为本发明俯视图。

图3为本发明中一级燃料喷头与二级燃料喷头上的三级喷孔示意图。

图中：1－调风器，2－蒸汽枪，3－长明灯，4－二级燃烧器，5－一级燃烧器，6－风箱，7－烧嘴砖，8－中心空气流道，9-一级燃料喷头，10-二级燃料喷头，11-侧向通道，12-内壁面，13-外壁面，14-稳焰结构，15-隔筋。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1、图2和图3，本发明一种低氧低NOx的底部气体燃烧器，燃烧器设置在加热炉上，包括调风器1、蒸汽枪2、长明灯3、二级燃烧器4、一级燃烧器5、风箱6、烧嘴砖7、一级燃料喷头9和二级燃料喷头10。

烧嘴砖7贴于加热炉底部的内壁面上，且加热炉内壁面上烧嘴砖7所围成的内部空间形成中心空气流道8，中心空气流道8包括入口段和出口段，入口段为一段横截面积不变的流道，出口段的横截面积逐渐变小并形成空气收缩流道；风箱6密封固定于加热炉的底面上，且风箱6的内腔与中心空气流道8相连通，调风器1、蒸汽枪2和长明灯3均连接在风箱6上。

一级燃料喷头9和二级燃料喷头10设于所述空气收缩流道中外壁面13的周围，一级燃烧器5和二级燃烧器4分别对应与一级燃料喷头9和二级燃料喷头10相连，在一级燃料喷头9上与二级燃料喷头10上均设有一级喷孔、二级喷孔和三级喷孔，一级燃料喷头9与二级燃料喷头10上的一级喷孔喷出的第一股燃料气进入烧嘴砖7内壁上的侧向通道11中，并吸引加热炉炉膛内的烟气进入中心空气流道8与全部助燃空气混合，形成一次燃烧区；一级燃料喷头9与二级燃料喷头10上的二级喷孔喷出的第二股燃料气喷向烧嘴砖7中所述外壁面13的出口处，进入一次燃烧区的下游，并与一次燃烧区剩余的助燃空气和烟气混合，形成二次燃烧区；一级燃料喷头9与二级燃料喷头10上的三级喷孔喷出的第三股燃料气喷向加热炉炉膛，进入二次燃烧区下游，与燃烧剩余的助燃空气和烟气混合，形成三次燃烧区。

实施例一：

以下对本发明中对应部件的功能进行详细说明：

助燃空气通过调风器1，进入风箱2，然后进入烧嘴砖7中心空气流道8的入口段和出口段，最后进入炉膛，燃料和助燃空气在炉膛内进行分级扩散混合燃烧。燃烧器烧嘴砖7中心空气流道8的入口段是一个横截面积不变的流道，其横截面为圆形。出口段是一个逐渐收缩的流道，圆形截面逐渐缩小，使助燃空气不断增速，以便形成长火焰。

烧嘴砖安装在炉子底部，并靠近炉子侧墙的内壁面，燃烧火焰由于壁面效应而贴近炉墙内壁面，并顺着炉墙内壁面向上流动和燃烧。侧向通道11可连通炉膛与中心空气流道8，每个侧向通道11放置在与烧嘴砖7内侧壁面12相切的位置，以利于燃料、烟气和助燃空气沿着内壁面12的旋流混合，并在出口稳焰装置14处燃烧，火焰稳定。

一级燃料喷头9、二级燃料喷头10放置于烧嘴砖7的外部，在烧嘴砖7变截面处周围，并且靠近外壁面13，燃料喷头的第一股燃料气喷孔的方向与侧向通道11的轴向一致，燃料喷头的第二股燃料气喷孔的方向与烧嘴砖7横截面及外壁面13形成的角度β匹配，燃料喷头的第三股燃料气喷孔方向高于第二股燃料气，用以分散火焰的集中区和控制火焰的高度，以获得燃烧器的大能力、低Nox排放和长火焰特点。

蒸汽枪2在烧嘴砖7中心空气流道8的中心，需要时可以通入蒸汽来进一步降低燃烧器的NOX排放。第一股燃料气沿着内壁面12的旋流混合、第二股燃料气沿着外壁面13的喷射、以及烧嘴砖7上的稳焰结构14和隔筋15的布置，有利于稳定燃烧器的火焰，以便于燃烧器在低氧状态下的稳定充分燃烧。

烧嘴砖7的中心空气流道8的截面形状为圆形，对减小燃烧器的布置间距有益，非常适用于大能力间距小的燃烧器布置。

烧嘴砖空气流道的设计采用计算流体动力学方法进行。

本发明中的一级燃料喷头9、二级燃料喷头10的设计、布置、数量和方位采用计算流体动力学(CFD)方法进行设计。

实施例二：

以下对本发明中对应部件的具体结构进行详细说明：

烧嘴砖7的中心空气流道8的横截面为圆形，烧嘴砖7内壁上的侧向通道11使加热炉炉膛与中心空气流道8连通， 侧向通道11设置在与烧嘴砖7中空气收缩流道的内壁面12相切的位置。

一级燃料喷头9和二级燃料喷头10上用于喷出第一股燃料气的一级喷孔的方向与侧向通道11的轴向方向一致。

中心空气流道8中空气收缩流道的内壁面12与水平线之间的夹角为α，空气收缩流道的外壁面13与水平线之间的夹角为β。

一级燃料喷头9和二级燃料喷头10上用于喷出第二股燃料气的二级喷孔的方向与夹角β相匹配。一级燃料喷头9和二级燃料喷头10上用于喷出第三股燃料气的三级喷孔的方向与水平线之间角度角度高于第二股燃料气。

烧嘴砖7置于炉子底部，内部空心处为中心空气流道8，在其入口段是一个横截面积不变、横截面为圆形的流道，出口段的横截面积逐渐变小，形成空气收缩流道，此时横截面与内壁面12形成角度α，横截面与外壁面13形成角度β；一级燃料喷头9和二级燃料喷头10置于烧嘴砖7外部，在烧嘴砖7变截面处周围，并且靠近外壁面13；烧嘴砖7上开有侧向通道11，使炉膛与中心空气流道8连通，该侧向通道的一端靠近一级燃烧器5的一级燃料喷头9和二级燃烧器4的二级燃料喷头10；烧嘴砖7的出口处有稳焰结构14（稳焰结构14的结构是内壁面12有一条凹槽，槽的上部有纵向延伸要烧嘴砖顶部的齿状通道，槽上有多个水平的通孔连接到外壁面13）；在烧嘴砖7的外壁面13处，在各燃料喷头之间周向布置隔筋15。

本发明的底部气体燃烧器采用分级燃料燃烧和烟气再循环技术，燃料分三级进行燃烧。一级燃烧器5的一级燃料喷头9和二级燃烧器4的二级燃料喷头10各喷出三股燃料气，第一股燃料气被喷入烧嘴砖7的侧向通道11中，从而吸引炉膛内的烟气进入烧嘴砖7的中心空气流道8，燃料气和烟气的混合物在混合区呈旋流状，沿着内壁面12与全部助燃空气混合形成一次燃烧区，进行贫燃料燃烧，降低了NOx生成量；第二股燃料气喷向烧嘴砖7的外壁面13出口处，进入一次燃烧区下游，与一次燃烧区剩余的助燃空气和烟气混合，形成二次燃烧区；第三股燃料气喷向炉膛，进入二次燃烧区下游，与燃烧剩余的助燃空气和烟气混合，形成三次燃烧区，燃料多次分级使得火焰最高温度不会达到传统燃烧器的火焰温度，降低了NOx生成量。多次燃料气和燃烧区的布置可实现大能力燃烧。

烧嘴砖7的出口段是一个逐渐收缩的空气流道，横截面为圆形，在空气收缩流道内，圆形截面逐渐缩小，使助燃空气被不断增速，以便形成长火焰，烧嘴砖的出口段与炉膛相连。

侧向通道11使炉膛与中心空气流道8连通，每个侧向通道11放置在与烧嘴砖7内壁面12相切的位置，以利于燃料、烟气和助燃空气沿着内壁面12的旋流混合，并在出口稳焰装置14处燃烧，火焰稳定。一级燃料喷头9和二级燃料喷头10的第一股燃料气喷孔方向与侧向通道11的轴向一致。

一级燃料喷头9和二级燃料喷头10的第二股燃料气喷孔方向与烧嘴砖7横截面及外壁面13形成的角度β相匹配，喷孔轴线贴近外壁面13，以增强燃料与烟气的混合以及燃烧火焰的稳定。

一级燃料喷头9和二级燃料喷头10的第三股燃料气喷孔方向高于第二股燃料气，用以分散火焰的集中区和控制火焰的高度。

第一股燃料气沿着内壁面12的旋流混合、第二股燃料气沿着外壁面13的喷射、以及烧嘴砖7上的稳焰结构14和隔筋15的布置，增加了火焰和烧嘴砖的接触面积，有利于稳定燃烧器的火焰，以便于燃烧器在低氧状态下的稳定充分燃烧。

烧嘴砖7安装在炉子底部，并靠近炉子侧墙的内壁面，燃烧火焰由于壁面效应而贴近炉墙内壁面，并顺着炉墙内壁面流动和燃烧，因此在炉墙内壁面产生一个较均匀的热流分布。

燃烧器分成一级燃烧器5和二级燃烧器6，便于燃烧器的分级控制，有利于燃烧器多种能力的调节和稳定燃烧。

实施例三：

以下对本发明中对应部件涉及的参数进行详细说明：

本发明中的一级燃料喷头9和二级燃料喷头10分布于烧嘴砖7外部，在烧嘴砖7变截面处周围，并且靠近外壁面13，α的范围为45°～85°，β的范围为105°～140°；第三股燃料气与燃烧器竖直方向的夹角范围为3 °～40°。

本发明中设置1～5个一级燃料喷头9和2～5个二级燃料喷头10。一级燃烧器5的燃烧负荷占总燃料的10%～40%；二级燃烧器4的燃烧负荷占总燃料的90%～60%。

在使用本发明时，采用计算流体动力学（CFD）方法进行烧嘴砖空气流道的设计；采用计算流体动力学（CFD）方法确定一级燃料喷孔、二级燃料喷孔的数量、布置和方位，从而获得令人满意的火焰形状和热流分布。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种低氧低NOx的底部气体燃烧器，所述燃烧器设置在加热炉上，包括调风器（1）、蒸汽枪（2）和风箱（6），所述风箱（6）密封固定于加热炉的底面上，调风器（1）和蒸汽枪（2）均连接在风箱（6）上，其特征在于：还包括二级燃烧器（4）、一级燃烧器（5）、烧嘴砖（7）、一级燃料喷头（9）和二级燃料喷头（10），所述烧嘴砖（7）贴于加热炉底部的内壁面上，且加热炉内壁面上烧嘴砖（7）所围成的内部空间形成中心空气流道（8），风箱（6）的内腔与中心空气流道（8）的下端入口段相连通，中心空气流道（8）的上端出口段向内收缩并形成锥形状的空气收缩流道，在空气收缩流道的圆周方向设有若干个侧向通道（11），且侧向通道（11）与中心空气流道（8）相连通，在每个侧向通道（11）的外端口处设置一个一级燃料喷头（9）或一个二级燃料喷头（10），一级燃烧器（5）和二级燃烧器（4）分别对应与一级燃料喷头（9）和二级燃料喷头（10）相连，在一级燃料喷头（9）上和二级燃料喷头（10）上均设有一级喷孔、二级喷孔和三级喷孔，一级燃料喷头（9）与二级燃料喷头（10）上的一级喷孔喷出的第一股燃料气进入所述侧向通道（11）中，并吸引加热炉炉膛内的烟气进入中心空气流道（8）与全部助燃空气混合，形成一次燃烧区；一级燃料喷头（9）与二级燃料喷头（10）上的二级喷孔喷出的第二股燃料气喷向烧嘴砖（7）中所述外壁面(13)的上端出口处，进入一次燃烧区的下游，并与一次燃烧区剩余的助燃空气和烟气混合，形成二次燃烧区；一级燃料喷头（9）与二级燃料喷头（10）上的三级喷孔喷出的第三股燃料气喷向加热炉炉膛，进入二次燃烧区下游，与燃烧剩余的助燃空气和烟气混合，形成三次燃烧区。

2.如权利要求1所述的低氧低NOx的底部气体燃烧器，其特征在于：所述烧嘴砖（7）的中心空气流道（8）的横截面为圆形。

3.如权利要求2所述的低氧低NOx的底部气体燃烧器，其特征在于：所述烧嘴砖（7）内壁上的侧向通道（11）使加热炉炉膛与中心空气流道（8）连通，侧向通道（11）设置在与烧嘴砖（7）中空气收缩流道的内壁面（12）相切的位置。

4.如权利要求2所述的低氧低NOx的底部气体燃烧器，其特征在于：所述一级燃料喷头（9）和二级燃料喷头（10）上用于喷出第一股燃料气的一级喷孔的方向与侧向通道（11）的轴向方向一致。

5.如权利要求1所述的低氧低NOx的底部气体燃烧器，其特征在于：所述中心空气流道（8）中空气收缩流道的内壁面（12）与水平线之间的夹角为α，空气收缩流道的外壁面（13）与水平线之间的夹角为β。

6.如权利要求5所述的低氧低NOx的底部气体燃烧器，其特征在于：所述α的范围为45°～85°，β的范围为105°～140°。

7.如权利要求5所述的低氧低NOx的底部气体燃烧器，其特征在于：所述一级燃料喷头（9）和二级燃料喷头（10）上用于喷出第二股燃料气的二级喷孔的方向与竖直线之间角度范围为15°～50°。

8.如权利要求5所述的低氧低NOx的底部气体燃烧器，其特征在于：所述一级燃料喷头（9）和二级燃料喷头（10）上用于喷出第三股燃料气的三级喷孔的方向与竖直线之间角度范围为3°～40°。

9.如权利要求1所述的低氧低NOx的底部气体燃烧器，其特征在于：所述一级燃料喷头（9）设有1～5个，二级燃料喷头（10）设有2～5个。

10.如权利要求1所述的低氧低NOx的底部气体燃烧器，其特征在于：所述烧嘴砖（7）中中心空气流道（8）的出口处设置稳焰结构（14），在相邻的各级燃料喷头之间周向布置隔筋（15）。