CN110793195B - 一种适用于低热值燃料低氧燃烧的热风炉设备 - Google Patents

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Abstract

一种适用于低热值燃料低氧燃烧的热风炉设备，包括炉头燃烧器、炉头还原反应区、一级还原反应区、二级氧化反应区和混合室；所述炉头还原反应区、一级还原反应区和二级氧化反应区三部分构成设备的燃烧室，燃烧室的前端设置炉头燃烧器，燃烧室的出口连接混合室；所述的混合室设有循环工艺气入口和热风炉出口；所述的炉头燃烧器设有辅助燃料气中心枪入口，辅助燃料气外环枪入口和第一级助燃空气入口。本发明实现大流量低热值低压力气体在低氧条件下完全燃烧，满足出口混合烟气的温度和氧含量要求，NOx和VOC等排放低于国家排放标准，同时兼顾设备良好的操作性能。

Description

一种适用于低热值燃料低氧燃烧的热风炉设备
技术领域
本发明涉及煤化工技术领域，以企业副产低热值气体为主要燃料，加热惰性循环气体至一定温度，用于干燥原料煤中的水分。本发明设备可应用于褐煤提质工艺(如神华CoalRef工艺、五环LCC工艺)为干燥反应炉或热解反应炉提供热介质，也可用于粉煤气化工艺磨煤干燥单元，为磨煤机干燥湿煤粉提供惰性循环热载体。
背景技术
热风炉是煤化工装置的关键设备之一，主要为煤粉干燥、热解等工艺提供热量和惰性干燥载体。常规热风炉系统一般采用柴油或天然气为开车燃料，随着煤气化装置开车运行改为使用装置副产燃料气(合成气、驰放气等)，上述燃料均为高热值清洁能源。
褐煤提质工艺通常副产大量低热值气体，主要成分为H2O和N2，所占比例在75～85vol％，其余为CO2、CO、CH4、CnHm等，可燃成分仅为10vol％左右，热值一般为1～2MJ/Nm3，不能独立燃烧。虽然褐煤提质工艺副产气体热值较低但气体总量很大，约60-100t/h左右，如果加以利用，总的热负荷能达10～60MW。这种装置自产低热值气体如果直接排放，会对环境造成很大污染，去往火炬燃烧掉也是资源的极大浪费，后期处理又会增加设备的投资和运行成本，且经济效益不高，作为热风炉燃料进行回收利用，是一种完美的解决方案。
热风炉设备的主要作用是干燥原料煤中的水分，对于褐煤提质工艺，由于褐煤化学反应性强，因此要求整个干燥系统处于惰性环境下，一般要求热风炉出口烟气的氧含量不超过0.75～1.5wt％，这就对以低热值气体为主要燃料的热风炉设备设计提出了很高的要求，如何在低氧条件下确保大量低热值燃料充分完全的燃烧，是目前研究的重点和难点所在。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种适用于低热值燃料低氧燃烧的热风炉设备，可以实现大流量低热值低压力气体在低氧条件下完全燃烧，满足出口混合烟气的温度和氧含量要求，NOx和VOC等排放低于国家排放标准，同时兼顾设备良好的操作性能，为企业极大的节约了燃料成本，减少了有毒有害气体的后续处理成本，进一步提高了褐煤提质整套工艺装置的循环经济效益。
本发明的技术方案是：一种适用于低热值燃料低氧燃烧的热风炉设备，包括炉头燃烧器、炉头还原反应区、一级还原反应区、二级氧化反应区和混合室；所述炉头还原反应区、一级还原反应区和二级氧化反应区三部分构成设备的燃烧室，燃烧室的前端设置炉头燃烧器，燃烧室的出口连接混合室；所述的混合室设有循环工艺气入口和热风炉出口；所述的炉头燃烧器设有辅助燃料气中心枪入口，辅助燃料气外环枪入口和第一级助燃空气入口。
所述炉头燃烧器仅设置辅助燃料烧嘴，不设置低热值燃料烧嘴；所述辅助燃料烧嘴由中心喷枪和外环喷枪组成，第一级助燃空气入口的空气流量仅供应第一级辅助燃料燃烧使用，使其进行欠氧燃烧。
所述一级还原反应区设置有第一级低热值燃料入口和第二级助燃空气入口，第一级低热值燃料采取旋流方式通过第一级低热值燃料入口进入热风炉，第一级低热值燃料的助燃风由第二级助燃空气入口提供，控制欠氧燃烧。
所述二级氧化反应区设置有第二级辅助燃料入口、第三级助燃空气入口和第二级低热值燃料入口；第二级辅助燃料采用多支喷枪通过第二级辅助燃料入口切向喷入炉内，第二级低热值燃料采取旋流方式通过第二级低热值燃料入口进入热风炉；通过第三级助燃空气入口注入的第三级助燃空气满足第二级辅助燃料和第二级低热值燃料过氧燃烧，发生充分的氧化反应。
所述第二级助燃空气和第三级助燃空气各分两圈以径向方向通入热风炉内。
所述燃烧室出口设计成逐渐收缩型，收缩段的锥度取:。
循环工艺气进入混合室后，依次经过收缩段，水平段然后是扩张段。
所述收缩段的锥度取1:5，扩张段的张角取6°～8°。
低热值燃料分级燃烧，第一级低热值燃料入口和第二级低热值燃料入口之间设置辅助燃料入口和第二级助燃空气入口、第三级助燃空气入口。
整个燃烧室采用分区结构，分为两级还原反应区炉头还原反应区和一级还原反应区，和一级氧化反应区。
本发明与现有技术相比的优点在于：
该热风炉设备采用分级燃烧，交叉配风，分区氧含量控制，燃料和助燃风旋流混合，辅助燃料联合供热，引射加速混合等方法，辅助燃料气和低热值燃料气交叉布置，分级分配，使低热值燃料与高温热烟气充分混合，发生完全燃烧反应，燃烧热烟气引射返回的循环工艺气体，在混合室内加速混合，最终满足烟气的温度、氧含量及排放要求。
交叉配风保证了燃料与空气充分混合均匀，可以有效降低燃料不完全燃烧产生的CO和VOC。
第二级辅助燃料和第三级助燃风均采取旋流方式进入，有效地提高了高温烟气在炉内的雷诺系数，同时增加烟气在整个燃烧室的停留时间，使烟气在炉内混合均匀。
该热风炉装置结构紧凑、功能分区清晰、易于维护，操作弹性大，燃烧稳定，热效率能达到96％以上，燃料燃尽率达到99％以上，出口烟气中的氧含量不超过0.75wt％，NOx生成量可以控制在100ppm以下，满足工艺循环性及环保要求。
附图说明
图1设备结构示意图。
图2第一级低热值燃料入炉方式示意图。
图3第二级助燃空气入炉方式示意图。
图4第二级辅助燃料入炉方式示意图。
图5第三级助燃空气入炉方式示意图。
图6第二级低热值燃料入炉方式示意图。
具体实施方式
图1为本发明的结构示意图，该热风炉设备主要由炉头燃烧器13、炉头还原反应区4、一级还原反应区14、二级氧化反应区15和混合室11构成，其中炉头还原反应区4、一级还原反应区14和二级氧化反应区15三部分构成设备的燃烧室。所述的炉头燃烧器13设有辅助燃料气中心喷枪入口1，辅助燃料气外环喷枪入口2和第一级助燃空气入口3。所述的一级还原反应区14设有第一级低热值燃料入口5和第二级助燃空气入口6。所述的二级氧化反应区15设有第二级辅助燃料入口7、第三级助燃空气入口8和第二级低热值燃料入口9。所述的混合室11设有循环工艺气入口10和热风炉出口12。热风炉炉头仅安装高热值燃料燃烧器，燃烧器设置中心喷枪和外环喷枪，第一级辅助燃料在炉头还原反应区4内进行欠氧燃烧，发生还原反应。一级还原反应区14前端以切向方式通入第一级低热值燃料，如图2所示。与炉头还原反应区4出来的高温烟气充分混合升温，第二级助燃空气分两圈以径向方式通入一级还原反应区14内，如图3所示，进行欠氧燃烧，发生还原反应。二级氧化反应区15前端设置10根第二级辅助燃料喷枪，喷枪呈切向方向布置，如图4所示，第三级助燃空气分两圈以径向方式通入二级氧化反应区15内，如图5所示，第二级低热值燃料以切向方式进入二级氧化反应区15内，如图6所示，控制氧过量，发生氧化反应，由于热风炉出口氧含量低的要求，此处控制过氧系数不超过1.1。所述热风炉设备的混合室11主要由三个区域组成，分别是收缩段、水平段和扩张段。燃烧室二级氧化反应区15内的高温热烟气经过出口渐缩状的喷嘴后，压力势能转化为动能，在喷嘴出口处形成一个低压区，循环工艺气进入混合室11后，被燃烧室出口的高温烟气引射，速度提高，在水平段内与高温烟气充分混合，在扩张段内混合均匀，部分动能转化为压力势能，同时也保证了高温烟气的停留时间和炉体热效率。
图2为第一级低热值燃料入炉方式示意图，第一级低热值燃料以切向方式进入一级还原反应区14内，形成旋流流场，保证低热值燃料充分混合燃烧。其中α为第一级低热值燃料射流中心线与径向中心线之间的夹角，考虑中心火焰的稳定性，α的取值范围为15°～25°。
图3为第二级助燃空气入炉方式示意图，第二级助燃空气分两圈以径向方式通入一级还原反应区14内，两圈开孔交错布置，确保空气在整个圆周方向均匀分布。
图4为第二级辅助燃料入炉方式示意图，第二级辅助燃料通过10根单独的喷枪以切向方式喷入炉内，延长炉内停留时间，确保低热值燃料充分燃尽。其中D为高热值辅助燃料通入的切圆直径，为了充分发挥辅助燃料的伴烧作用，控制D值为二级氧化反应区15内径的40～60％。
图5为第三级助燃空气入炉方式示意图，第三级助燃空气也分两圈以径向方式通入二级氧化反应区15内，两圈开孔交错布置，确保空气在整个圆周方向均匀分布。
图6为第二级低热值燃料入炉方式示意图，第二级低热值燃料也以切向方式进入二级氧化反应区15内，加强扰动，确保低热值燃料与高温烟气充分混合燃烧。其中β为第二级低热值气射流中心线与径向中心线之间的夹角，β的取值范围为30°～45°。
实施案例：某工程项目中需采用一种卧式干燥热风炉，要求总热负荷54.5MW，采用热解产生的不凝气体(低热值)为主要燃料，天然气作为辅助燃料，其中天然气热值36.5MJ/Nm3，总量充足，热解气热值1.458MJ/Nm3，流量69048kg/h，要求热风炉出口温度控制在280℃～310℃之间，含氧量低于0.75Wt％、NOx<240mg/m3、CO<80mg/m3；经过燃烧计算、炉膛热力计算、流场CFD模拟、温度场模拟，
热解气总热负荷：Q1＝1.843MJ/Nm3×69048kg/h÷1.186kg/Nm3÷3600＝29.8MW
天然气消耗量：(54.5-29.8)MW÷36.5MJ/Nm3×3600＝2436Nm3/h
炉头还原反应区4主要燃烧天然气，火焰直径0.8-1.2m，内壁面有效直径取1.6m，长度取1.5m，二级氧化反应区15内壁面有效直径2.6m，长度取4.5m，混合室11总长不小于12m，水平段有效直径3.0m，第一级低热值燃料以15°旋向角度进入炉内，第二级辅助燃料切圆直径取1.6m，第二级低热值燃料以45°旋向角度进入炉内，根据流场及温度场模拟效果，热风炉出口12处没有高温区和低温区的显著划分，说明气体混合充分，低热值不凝气已完全燃烧，出口烟气平均温度约575K，烟气含氧量在0.5～0.75Wt％之间，满足设计要求。
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (4)

1.一种适用于低热值燃料低氧燃烧的热风炉设备，其特征在于：包括炉头燃烧器(13)、炉头还原反应区(4)、一级还原反应区(14)、二级氧化反应区(15)和混合室(11)；所述炉头还原反应区(4)、一级还原反应区(14)和二级氧化反应区(15)三部分构成设备的燃烧室，燃烧室的前端设置炉头燃烧器(13)，燃烧室的出口连接混合室(11)；所述的混合室(11)设有循环工艺气入口(10)和热风炉出口(12)；所述的炉头燃烧器(13)设有辅助燃料气中心枪入口(1)，辅助燃料气外环枪入口(2)和第一级助燃空气入口(3)；
所述炉头燃烧器(13)仅设置辅助燃料烧嘴，不设置低热值燃料烧嘴；所述辅助燃料烧嘴由中心喷枪和外环喷枪组成，第一级助燃空气入口(3)的空气流量仅供应第一级辅助燃料燃烧使用，使其进行欠氧燃烧；
所述一级还原反应区(14)设置有第一级低热值燃料入口(5)和第二级助燃空气入口(6)，第一级低热值燃料采取旋流方式通过第一级低热值燃料入口(5)进入热风炉，第一级低热值燃料的助燃风由第二级助燃空气入口(6)提供，控制欠氧燃烧；
所述二级氧化反应区(15)设置有第二级辅助燃料入口(7)、第三级助燃空气入口(8)和第二级低热值燃料入口(9)；第二级辅助燃料采用多支喷枪通过第二级辅助燃料入口(7)切向喷入炉内，第二级低热值燃料采取旋流方式通过第二级低热值燃料入口(9)进入热风炉；通过第三级助燃空气入口(8)注入的第三级助燃空气满足第二级辅助燃料和第二级低热值燃料过氧燃烧，发生充分的氧化反应；
所述燃烧室出口设计成逐渐收缩型，收缩段的锥度取1:5；
循环工艺气进入混合室(11)后，依次经过收缩段，水平段然后是扩张段；
低热值燃料分级燃烧，第一级低热值燃料入口(5)和第二级低热值燃料入口(9)之间设置辅助燃料入口(7)和第二级助燃空气入口(6)、第三级助燃空气入口(8)。
2.根据权利要求1所述的一种适用于低热值燃料低氧燃烧的热风炉设备，其特征在于：所述第二级助燃空气和第三级助燃空气各分两圈以径向方向通入热风炉内。
3.根据权利要求1所述的一种适用于低热值燃料低氧燃烧的热风炉设备，其特征在于：所述收缩段的锥度取1:5，扩张段的张角取6°～8°。
4.根据权利要求1-3任一所述的一种适用于低热值燃料低氧燃烧的热风炉设备，其特征在于：整个燃烧室采用分区结构，分为两级还原反应区炉头还原反应区(4)和一级还原反应区(14)，和一级氧化反应区(15)。
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