CN110793048A - 一种新型低压空气助燃火炬燃烧器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型低压空气助燃火炬燃烧器，是一种在筒体内设置火炬气气体分布器的夹套结构形式，通过设计火炬气气体分布器上喷孔的方向、数量、分布和孔径，使火炬气在空间上呈一定角度喷向低压空气，即直流交叉混合，该混合方式能使火炬气与低压空气充分混合，达到无烟燃烧的效果；为防止火焰被吹熄，在火炬气气体分布器合适位置设置翅板结构，翅板上开若干合适的孔。本发明通过对火炬燃烧器结构的设计，使火炬气与低压空气旋流混合，达到消除黑烟的目的。利用对燃烧区域位置的合理控制，达到降低燃烧器表面温度的目的，防止燃烧器烧损。

Description

一种新型低压空气助燃火炬燃烧器

技术领域

本发明属于一种新型低压空气助燃火炬燃烧器，具体涉及低压空气助燃火炬燃烧器的结构。

背景技术

工业火炬在石油化工、煤化工、炼化、焦化、精细化工等能源化工企业中应用广泛，为化工行业处理装置开/停车、正常工况及紧急事故等状态下泄放各类易燃易爆气体提供最后一道安全屏障。现下对化工行业重烃类排放气要求燃烧产物和残留物排放总量以及排放速率落地浓度等在规范允许范围内；易燃和有害物质尽可能充分燃烧分解变为无害和不燃物质，并不产生黑烟。但实际火炬燃烧器在处理高碳烃类废气时经常燃烧不充分，易产生黑烟污染环境。

为了解决火炬在处理废气时不产生黑烟，提出了蒸汽助燃型火炬和空气助燃型火炬，蒸汽和空气助燃型火炬能非常高效的处理火炬燃烧产生的黑烟。专利CN 205191570 U提出了低温燃气用空气消烟燃烧器的结构形式，采用上筒体直径大于下筒体直径、上下筒体之间用变径管连接形式，上筒体内设有空气喷嘴，空气喷嘴的底部通过空气分配器与空气管相连通，其余配套流体封、聚火块等结构。专利CN 206755166 U提出了蒸汽消烟型火炬燃烧器，燃烧器内设有燃气进气管道，燃气进气管道连接燃气混合预热室，燃气混合预热室设有氧气助燃室、引风罩，氧气助燃室设置氧气进气管，增加了与燃气混合的空气量，提高燃气的燃尽率。专利CN 205191570 U将助燃空气结构内置在火炬气通道内，结构较为复杂繁琐，未考虑助燃空气结构一般在尺寸上远大于火炬气结构这一客观事实，其结构设置无法将火炬气与助燃空气进行充分有效的混合，无法达到预想的助燃效果。故其专利仅为理想结构，在实际使用中极易形成闷烧、烧损、黑烟不达标等问题。专利CN 206755166 U所提出的结构为内混式结构，存在较大的爆炸等安全风险，在寒冷地区易于结冰堵塞火炬出口，且现有技术中蒸汽助燃型火炬燃烧器技术已经非常成熟了，如CN201120287259和CN201520563616等专利都采用了蒸汽助燃式消烟原理，消烟效果非常明显。但由于火炬现场环境受限，蒸汽助燃型火炬不适合在水资源短缺或天气寒冷等环境中使用。因此提出了空气助燃型火炬燃烧器，此类火炬燃烧器能非常高效的处理恶劣环境或资源短缺环境中工厂排放气燃烧产生黑烟的问题。

发明内容

本发明解决的技术问题在于提供一种新型低压空气助燃火炬燃烧器，通过对火炬燃烧器结构的设计，使火炬气与低压空气旋流混合，达到非常高效的处理恶劣环境或资源短缺环境中工厂排放气燃烧产生黑烟的问题。

本发明采用的技术方案为：

一种新型低压空气助燃火炬燃烧器，包括：呈夹套结构形式的空气筒体和气体分布器，气体分布器设置在空气筒体内部；气体分布器包括主体通道、支臂和翅板；

主体通道成圆筒结构，与空气筒体同轴，主体通道的上部沿主体通道的径向，均匀分布有多个支臂，支臂的顶部设置有多个喷孔；

低压空气从空气筒体中流出，火炬气从主体通道流入，通过支臂上的喷孔喷出，与低压空气直流交叉混合；支臂的两侧设置有翅板，防止燃烧状态的火炬气被空气吹熄。

进一步的，支臂垂直于主体通道，且支臂的横截面为类长圆形，该截面上部为半圆，截面左右两侧为互相平行的直线段，截面下部为等腰三角形。

进一步的，所述等腰三角形的顶角朝向低压空气来流方向，且该顶角做倒圆角处理，顶角夹角的角度范围为30°～65°

进一步的，翅板垂直于支臂两侧平面，位于靠近支臂上部半圆的位置，翅板上设置有气孔。

进一步的，翅板上的气孔直径5mm～10mm，气孔直列布置，其分布位置与支臂喷孔分布位置一一对应，翅板距离支臂上部半圆的距离是10～30mm。

进一步的，翅板的宽度30mm，长度比支臂喷孔短1～3个孔的尺寸，材料为S31008，径向安装位置靠近外圆，使支臂内侧喷孔留空。

进一步的，支臂的顶部低于空气筒体出口100～300mm。

进一步的，火炬气的喷孔设置在支臂顶部的半圆结构上，火炬气喷孔直径1mm～15mm，喷孔为4排直列喷孔，在支臂顶部半圆结构上左右对称分布，单侧的两排喷孔之间夹角为20～40°，孔间距为1.5～4倍喷孔直径。

进一步的，火炬气在空间上呈一定角度喷向低压空气，其喷入空气角度与水平方向夹角在0～75°之间。

进一步的，支臂的数量为4～36个。

进一步的，支臂与主体通道为分件组合焊接成型，非整体铸造。

进一步的，支臂由上壳体与下壳体焊接成型，焊接点位置靠下部，非整体铸造成型。

本发明与现有技术相比带来的有益效果为：

(1)本发明相对于现有通行的高架火炬蒸汽助燃技术，具有条件要求低、环境适应性更强的特点。特别是在缺水、干旱、低温的地区，蒸汽助燃技术需水量大、易出现冰冻等恶劣情况均导致了严重的使用问题。本发明以低压空气作为助燃介质，摒弃水蒸汽的使用，从根本上解决了现有通行助燃技术在使用中出现的问题。

(2)本发明给出的低压空气助燃火炬燃烧器结构形式，是一种低压空气消烟型火炬燃烧器采用夹套结构，以防止低流速火炬气燃烧时因火炬气与低压空气提前混合燃烧而产生闷烧。

(3)火炬气采用多分支火炬气气体分布器，分布器利用分散的支臂将火炬气分散在空气夹套中，增加混合。同时支臂上合理设置的开孔角度能使火炬气与低压空气充分混合，达到无烟燃烧(林格曼黑度I级)的效果。

(4)支臂在立面上为流线型钝体形状，可有效减小空气绕流阻力，防止绕流导致的边界层分离等情况。支臂开孔角度同时能够消除空气绕流支臂形成的负压区域，使燃烧器区域流场均匀、不紊乱。

(5)气体分布器采用多分支、多角度混合的方法，相对于其他直流射流火炬燃烧器具有更好的混合性能，由此在达到无烟燃烧的前提下，可节省低压空气量10％，进而减少设备运行成本。

(6)在火炬气气体分布器合适位置设置翅板结构，设计翅板开孔的直径、数量和分布，防止低压空气因流速过大致使火炬气在燃烧状态时被吹熄。翅板结构仅设置在径向外侧部分，作为稳焰区区域。径向内侧部分不设置翅板结构，作为低温区域，以防止高温对气体分布器中心筒体结构的烧损，延长寿命。

(7)气体分布器整体设置在夹套结构出口下方100～300mm位置，留出混合区域，使火炬气与空气充分预混合，同时利用低压空气速度控制，使其在本区域少燃烧。将火焰区域向上推移至夹套结构出口后，进而使高温区远离夹套结构，防止高温对夹套结构的烧损，保证火炬燃烧器寿命。

(8)气体分布器采用焊接方式成型，非整体铸造。在应对高架火炬多种工况时具有更灵活的调整空间，分支支臂数量可依据具体情况在4支至38支之间调整。最大限度的满足多种工况的设计。

(9)支臂采用组合焊接成型，将焊缝设置在远离高温区域的位置，使用下方来流空气作焊缝冷却，可最大限度防止在使用过程中热变形导致的焊缝开裂，进而延长燃烧器寿命。

附图说明

图1为本发明低压空气助燃火炬燃烧器立面示意图；

图2为本发明低压空气助燃火炬燃烧器俯视示意图。

图3为本发明低压空气助燃火炬燃烧器支臂剖面图。

具体实施方式

本发明提出的一种新型低压空气助燃火炬燃烧器结构形式是一种在筒体内设置火炬气气体分布器的夹套结构形式，通过设计火炬气气体分布器上喷孔的方向、数量、分布和孔径，使火炬气在空间上呈一定角度喷向低压空气，即直流交叉混合，该混合方式能使火炬气与低压空气充分混合，达到无烟燃烧的效果；为防止火焰被吹熄，在火炬气气体分布器合适位置设置翅板结构，翅板上开若干合适的孔。

本发明相对于现有通行的高架火炬蒸汽助燃技术，具有条件要求低、环境适应性更强的特点。特别是在缺水、干旱、低温的地区，蒸汽助燃技术需水量大、易出现冰冻等恶劣情况均导致了严重的使用问题。本发明以低压空气作为助燃介质，摒弃水蒸汽的使用，从根本上解决了现有通行助燃技术在使用中出现的问题。

如图1、图2、图3所示，本发明提出的一种新型低压空气助燃火炬燃烧器，包括：呈夹套结构形式的空气筒体1和气体分布器2，气体分布器2设置在空气筒体1内部；气体分布器2包括主体通道3、支臂4和翅板5；

主体通道3成圆筒结构，与空气筒体1同轴，主体通道3的上部沿主体通道3的径向，均匀分布有多个支臂4，支臂4的顶部设置有多个喷孔；

低压空气从空气筒体1中流出，火炬气从主体通道3流入，通过支臂4上的喷孔喷出，与低压空气直流交叉混合；支臂4的两侧设置有翅板5，防止燃烧状态的火炬气被空气吹熄。

低压空气消烟型火炬燃烧器采用夹套结构，即在低于空气筒体出口合适位置处设置一个多分支火炬气气体分布器，低压空气在空气筒体内流出，火炬气在火炬分布器内流出，以防止低流速火炬气燃烧时因火炬气与低压空气提前混合燃烧而产生闷烧。

支臂4垂直于主体通道3，且支臂4的横截面为类长圆形，该截面上部为半圆，截面左右两侧为互相平行的直线段，截面下部为等腰三角形。

支臂在立面上为流线型钝体形状，可有效减小空气绕流阻力，防止绕流导致的边界层分离等情况。支臂开孔角度同时能够消除空气绕流支臂形成的负压区域，使燃烧器区域流场均匀、不紊乱。

优选的，所述等腰三角形的顶角朝向低压空气来流方向，且该顶角做倒圆角处理，顶角夹角的角度范围为30°～65°

在火炬气气体分布器合适位置设置翅板结构，设计翅板开孔的直径、数量和分布，防止低压空气因流速过大致使火炬气在燃烧状态时被吹熄。翅板结构仅设置在径向外侧部分，作为稳焰区区域。径向内侧部分不设置翅板结构，作为低温区域，以防止高温对气体分布器中心筒体结构的烧损，延长寿命。

本发明中，翅板5垂直于支臂4两侧平面，位于靠近支臂4上部半圆的位置，翅板5上设置有气孔。

优选的，翅板5上的气孔直径5mm～10mm，气孔直列布置，其分布位置与支臂喷孔分布位置一一对应，翅板5距离支臂4上部半圆的距离是10～30mm。

优选的，翅板5的宽度30mm，长度比支臂喷孔短1～3个孔的尺寸，材料为S31008，径向安装位置靠近外圆，使支臂内侧喷孔留空。

优选的，支臂4的顶部低于空气筒体1出口100～300mm。留出混合区域，使火炬气与空气充分预混合，同时利用低压空气速度控制，使其在本区域少燃烧。将火焰区域向上推移至夹套结构出口后，进而使高温区远离夹套结构，防止高温对夹套结构的烧损，保证火炬燃烧器寿命。

火炬气采用多分支火炬气气体分布器，分布器利用分散的支臂将火炬气分散在空气夹套中，增加混合。同时支臂上合理设置的开孔角度能使火炬气与低压空气充分混合，达到无烟燃烧林格曼黑度I级的效果。

火炬气的喷孔设置在支臂4顶部的半圆结构上，火炬气喷孔直径1mm～15mm，喷孔为4排直列喷孔，在支臂顶部半圆结构上左右对称分布，单侧的两排喷孔之间夹角为20～40°，孔间距为1.5～4倍喷孔直径。火炬气在空间上呈一定角度喷向低压空气，其喷入空气角度与水平方向夹角在0～75°之间。使火炬气与低压空气充分混合。

气体分布器采用多分支、多角度混合的方法，相对于其他直流射流火炬燃烧器具有更好的混合性能，由此在达到无烟燃烧的前提下，可节省低压空气量10％，进而减少设备运行成本。本发明中支臂4的数量为4～36个。

本发明中，支臂4与主体通道3为分件组合焊接成型，非整体铸造。支臂4由上壳体8与下壳体9焊接成型，焊接点位置靠下部，非整体铸造成型。在应对高架火炬多种工况时具有更灵活的调整空间，分支支臂数量可依据具体情况在4支至36支之间调整。最大限度的满足多种工况的设计。支臂采用组合焊接成型，将焊缝设置在远离高温区域的位置，使用下方来流空气作焊缝冷却，可最大限度防止在使用过程中热变形导致的焊缝开裂，进而延长燃烧器寿命。

本发明实施例1：

本发明涉及的一种新型低压空气助燃火炬燃烧器，具有消烟效果好，杜绝烧损、闷烧等优点。现以实例说明如下。

本燃烧器在某高架火炬项目应用，火炬气为油田伴生气。火炬燃烧器的设置如下：空气筒体采用DN900，火炬头筒体采用DN300，气体分布器设置8个支臂，每个支臂打孔4列，每列的孔均对齐分布(非交错式)，每列12个孔，共计48个孔。翅板距离支臂上部半圆的距离为10mm,具体的，是距离上部半圆与侧面直线段交点处距离为10mm，翅板比支臂长度短3个孔的间距，即保留8孔作为稳焰区。气体分布器比夹套出口低150mm。

火炬使用过程中，全程烟气林格曼黑度达到零级。实测火炬燃烧器出口处(燃烧区)温度为890℃～950℃之间，实测气体分布器处温度为200～300℃之间，远低于S31008材料耐受温度。说明本燃烧器能够完全消除火炬黑烟，并将燃烧区域推移至火炬出口外，有效的降低夹套结构温度，防止燃烧器烧损。

本发明实施例2：

本发明涉及的一种新型低压空气助燃火炬燃烧器，具有消烟效果好，助燃介质利用率高，节省公用工程消耗的优点。现以实例说明如下。

本燃烧器在实验室中与直流式无气体分布器夹套结构对比，本试验以丙烯等为主要火炬气成分。在达到同等消烟效果(林格曼黑度零级)时所消耗的低压空气量，具有本发明结构的燃烧器可节省10％的空气消耗。

Claims (12)

1.一种新型低压空气助燃火炬燃烧器，其特征在于包括：呈夹套结构形式的空气筒体(1)和气体分布器(2)，气体分布器(2)设置在空气筒体(1)内部；气体分布器(2)包括主体通道(3)、支臂(4)和翅板(5)；

主体通道(3)成圆筒结构，与空气筒体(1)同轴，主体通道(3)的上部沿主体通道(3)的径向，均匀分布有多个支臂(4)，支臂(4)的顶部设置有多个喷孔；

低压空气从空气筒体(1)中流出，火炬气从主体通道(3)流入，通过支臂(4)上的喷孔喷出，与低压空气直流交叉混合；支臂(4)的两侧设置有翅板(5)，防止燃烧状态的火炬气被空气吹熄。

2.根据权利要求1所述的一种新型低压空气助燃火炬燃烧器，其特征在于：支臂(4)垂直于主体通道(3)，且支臂(4)的横截面为类长圆形，该截面上部为半圆，截面左右两侧为互相平行的直线段，截面下部为等腰三角形。

3.根据权利要求2所述的一种新型低压空气助燃火炬燃烧器，其特征在于：所述等腰三角形的顶角朝向低压空气来流方向，且该顶角做倒圆角处理，顶角夹角的角度范围为30°～65°。

4.根据权利要求2所述的一种新型低压空气助燃火炬燃烧器，其特征在于：翅板(5)垂直于支臂(4)两侧平面，位于靠近支臂(4)上部半圆的位置，翅板(5)上设置有气孔。

5.根据权利要求4所述的一种新型低压空气助燃火炬燃烧器，其特征在于：翅板(5)上的气孔直径5mm～10mm，气孔直列布置，其分布位置与支臂喷孔分布位置一一对应，翅板(5)距离支臂(4)上部半圆的距离是10～30mm。

6.根据权利要求4所述的一种新型低压空气助燃火炬燃烧器，其特征在于：翅板(5)的宽度30mm，长度比支臂喷孔短1～3个孔的尺寸，材料为S31008，径向安装位置靠近外圆，使支臂内侧喷孔留空。

7.根据权利要求2所述的一种新型低压空气助燃火炬燃烧器，其特征在于：支臂(4)的顶部低于空气筒体(1)出口100～300mm。

8.根据权利要求2所述的一种新型低压空气助燃火炬燃烧器，其特征在于：火炬气的喷孔设置在支臂(4)顶部的半圆结构上，火炬气喷孔直径1mm～15mm，喷孔为4排直列喷孔，在支臂顶部半圆结构上左右对称分布，单侧的两排喷孔之间夹角为20～40°，孔间距为1.5～4倍喷孔直径。

9.根据权利要求8所述的一种新型低压空气助燃火炬燃烧器，其特征在于：火炬气在空间上呈一定角度喷向低压空气，其喷入空气角度与水平方向夹角在0～75°之间。

10.根据权利要求2所述的一种新型低压空气助燃火炬燃烧器，其特征在于：支臂(4)的数量为4～36个。

11.根据权利要求2所述的一种新型低压空气助燃火炬燃烧器，其特征在于：支臂(4)与主体通道(3)为分件组合焊接成型，非整体铸造。

12.根据权利要求2所述的一种新型低压空气助燃火炬燃烧器，其特征在于：支臂(4)由上壳体(8)与下壳体(9)焊接成型，焊接点位置靠下部，非整体铸造成型。

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