CN111442276A - 一种低氮氧化物蓄热式烧嘴及其控制系统和控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种低氮氧化物蓄热式烧嘴及其控制系统和控制方法，烧嘴设有烧嘴壳体，烧嘴砖，低、高温段燃气进气管，蓄热室和助燃空气进气管/烟气排气管。控制系统中设有两个结构相同的烧嘴成对使用，燃气支管上连接有循环烟气支管；两烧嘴的高、低温段燃气进气管及循环烟气支管上均装有切断阀和调节阀；两烧嘴的助燃空气进气管/烟气排气管连接有两路支管，为安装有切断阀和调节阀的助燃空气支管和排烟支管；炉窑运行时两烧嘴的工作为在燃烧状态与排烟状态相互切换。控制方法分为炉温900℃前的低温段和900℃后的高温段燃烧方式，在高温段加入占燃气体积量0.5～2倍的循环烟气参与燃烧，以抑制火焰高温区温度，减少NOX的排放。

Description

一种低氮氧化物蓄热式烧嘴及其控制系统和控制方法
技术领域
本发明涉及一种低氮氧化物蓄热式烧嘴及其控制系统和控制方法，具体地说是一种以燃气作为燃料的冶金炉窑，如热处理炉，加热炉等的燃烧装置中用的低氮氧化物蓄热式烧嘴及其控制系统和控制方法，属于燃料燃烧技术领域。
背景技术
随着对环保要求的日益提高，我国对钢铁行业工业炉窑的NOx、SO2、粉尘等的排放标准日趋严格，要求全国新建(含搬迁)钢铁项目原则上要达到超低排放水平，同时要推动现有钢铁企业进行超低排放改造。因此，低NOX烧嘴的设计及其控制系统和控制方法对冶金炉窑的节能减排至关重要。
燃料燃烧生成的NOx产物主要有三种：⑴燃料型，由燃料中的氮及化合物在燃烧中氧化生成，生成温度一般为600～800℃；⑵快速型，燃料挥发物中碳氢化合物高温分解生成的CH自由基与空气中的氮气和氧气反应生成；⑶热力型，助燃空气中的氮在高温下氧化产生，在1350℃以下生成量很少，随着温度的上升，其产量呈指数型增长。
对于以天然气为燃料的炉窑来说，由于天然气中氮及化合物含量较少，燃烧生成的NOx产物主要为热力型NOx；对于以焦炉、高炉、转炉煤气为燃料的炉窑来说，燃烧生成的NOx产物主要为燃料型和热力型NOx。由于焦炉、高炉、转炉煤气热值较低，燃烧高温区温度较低，因此热力型NOx生成量较容易控制；而天然气热值远高于上述冶金附加值燃气，燃烧高温区热力型NOx难以控制。因此，目前国内应用的天然气烧嘴NOx 排放量普遍较高。以江苏省某地区锻造加热炉为例，NOx排放量为2000mg/m3(8％含氧量) 以上，远远超过行业标准规定的150mg/m3(8％含氧量)的排标准。
目前，低能耗与低NOx排放是钢铁行业工业炉窑需要满足的两大必要条件。为了降低炉窑能耗，能够充分利用烟气余热的蓄热式烧嘴应运而生，并在国内外普遍运用，其通过利用烟气余热加热蓄热体储存热量，再由蓄热体加热燃气/助燃空气，燃气/助燃空气的预热温度理论上可以达到烟气温度的90％，蓄热式烧嘴燃烧烟气余热回收量大、燃气燃烧温度高；但由于燃烧火焰温度较普通燃烧方式高很多，热力型NOx生成量也成指数型增长，造成采用蓄热式燃烧方式的加热炉的NOx排放严重超标，成为蓄热式燃烧技术发展的限制性因素。
因此，很有必要开发一种低氮氧化物蓄热式烧嘴及其控制系统和控制方法，不仅能使燃烧燃气时的NOx排放量小于150mg/m3(8％含氧量，1350℃以上炉温)，还能充分利用烟气余热，达到窑炉节能降耗，NOx排放满足国家、行业标准的要求。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中应用燃气为燃料的炉窑生产运行时存在的NOx排放量大的问题，尤其是蓄热式燃烧的高NOx排放问题，而提供一种低氮氧化物蓄热式烧嘴，以及提供一种在炉窑中使用所述蓄热式烧嘴实现低氮氧化物排放的控制系统和控制方法，且在使用所述的控制系统和控制方法时，炉窑生产运行能达到NOx排放满足国家、行业标准要求的前提下，同时能充分利用烟气余热实现节能降耗的目的。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：提供一种低氮氧化物蓄热式烧嘴，设有烧嘴壳体、蓄热室、烧嘴砖、烧嘴砖法兰、点火枪管、低温段燃气进气管、高温段燃气进气管和助燃空气进气管/烟气排气管；所述的烧嘴壳体内衬有保温耐火材料层，保温耐火材料层围起的空间作为蓄热室；蓄热室一端连接助燃空气进气管/烟气排气管，另一端与烧嘴砖内腔连接，与助燃空气进气管/烟气排气管连接的蓄热室部分填充有蓄热体，与烧嘴砖内腔连接的蓄热室部分为保温腔部分；所述的低温段燃气进气管从蓄热室保温腔顶部进入到烧嘴砖的内腔，低温段燃气进气管和烧嘴砖喷口同轴，所述的高温段燃气进气管有两根，两根高温段燃气进气管与低温段燃气进气管平行，安装在蓄热室两侧的保温耐火材料层中或安装在烧嘴砖钢结构外两侧，两根高温段燃气进气管与低温段燃气进气管分别连接有进气管法兰；烧嘴砖与蓄热室连接处外侧安装有烧嘴砖法兰，点火枪管从烧嘴壳体、保温耐火材料层前侧进入烧嘴砖；所述的助燃空气进气管/烟气排气管与法兰盘连接，助燃空气进气管/烟气排气管用作为助燃空气进气管或烟气排气管。
所述蓄热体为陶瓷小球或蜂窝体。
本发明还提供一种使用上述低氮氧化物蓄热式烧嘴的控制系统，所述的控制系统设有两个蓄热式烧嘴、排烟总管、助燃空气总管、燃气总管、燃气支管和循环烟气总管；所述的两个蓄热式烧嘴结构相同，成对使用，两个烧嘴均通过烧嘴砖法兰固定在炉窑的结构上；
所述的两个烧嘴的低温段燃气进气管经低温段燃气进气管切断阀和低温段燃气进气管调节阀通过燃气支管与燃气总管连接；
所述的两个烧嘴，每个烧嘴中的两根高温段燃气进气管连通，并经高温段燃气进气管调节阀和高温段燃气进气管切断阀通过燃气支管与燃气总管连接；
所述的两个烧嘴的燃气支管与循环烟气支管相连，循环烟气支管上安装有循环烟气切断阀和循环烟气调节阀；
所述的两个烧嘴的循环烟气支管均与循环烟气总管连接，循环烟气总管从排烟总管中引出；
所述的两个蓄热式烧嘴的助燃空气进气管/烟气排气管均通过法兰盘连接两路支管，其中一路支管为助燃空气支管，通过安装的空气支管切断阀和空气支管调节阀连接助燃空气总管；另一路为排烟支管，通过安装的排烟支管切断阀和排烟支管调节阀连接排烟总管。
所述的两个结构相同蓄热式烧嘴，工作时其中一个烧嘴为燃烧状态，其助燃空气进气管/烟气排气管作为助燃空气进气管，助燃空气在经过蓄热室时被高温蓄热体加热后进入烧嘴砖内腔与由低温段燃气进气管进入的燃气混合燃烧；另一个烧嘴为排烟状态，其助燃空气进气管/烟气排气管作为烟气排气管，烟气在经过蓄热室时对蓄热体进行加热，然后排出。
所述的两个烧嘴上的循环烟气切断阀用于在烧嘴处于排烟状态时，切断循环烟气进入排烟状态的烧嘴。
所述的循环烟气总管从排烟总管中引出，循环烟气总管前端设有一台引风机用于增大循环烟气支管的管道压力，并通过循环烟气调节阀的阀门控制循环烟气量。
本发明还提供一种应用所述的蓄热式烧嘴的控制系统的控制方法，控制系统中的两个烧嘴工作时在燃烧状态与排烟状态相互切换，控制方法分为采用低温段燃烧方式和高温段循环烟气混合燃烧方式；按如下步骤操作：
1)、低温段燃烧方式：为炉窑开始加热并升温到900℃阶段，蓄热式烧嘴开始工作，当1#烧嘴为燃烧状态，则2#烧嘴为排烟状态；此时：
①、1#烧嘴的助燃空气进气管/烟气排气管管道中，助燃空气支管中的空气支管切断阀打开，2#烧嘴的助燃空气进气管/烟气排气管管道中空气支管切断阀关闭；
②、1#烧嘴的低温段燃气进气管切断阀打开、高温段燃气进气管切断阀和循环烟气切断阀关闭，2#烧嘴的低温段燃气进气管切断阀、高温段燃气进气管切断阀和循环烟气切断阀关闭；
③、1#烧嘴的排烟支管切断阀关闭、2#烧嘴的排烟支管切断阀打开；
④、助燃空气总管中助燃空气进入1#烧嘴的蓄热室，被蓄热体加热，燃气总管中燃气通过低温段燃气进气管进入到烧嘴砖内腔并高速喷出，与经过蓄热体换热后的高温助燃空气混合后燃烧，燃烧产生的高温烟气通过烧嘴砖出口高速喷入炉膛，对炉膛内物料进行加热；1#烧嘴处于低温段燃烧工作状态，2#烧嘴处于蓄热体蓄热、排烟状态，烟气通过2#烧嘴加热蓄热室中的蓄热体，烟气被蓄热体吸热降温，然后经助燃空气进气管/烟气排气管收集到排烟总管中并最终排出厂房；整个工作过程持续0.5～3min后，两个烧嘴切换工作状态；
⑤、2#烧嘴切换为处于低温段燃烧工作状态，1#烧嘴处于蓄热体蓄热、排烟状态；此工作状态持续0.5～3min后，两个烧嘴再次切换工作状态；
⑥、重复循环上述①～⑤过程，且排烟温度不超过180℃，否则，两个烧嘴再次切换工作状态；此过程中助燃空气经过蓄热室，被蓄热体加热温度升高，烟气经过蓄热室被蓄热体吸热降温，利用蓄热体回收烟气余热；燃气燃烧使炉膛升温到900℃；
2)、高温段循环烟气混合燃烧方式，为炉温900℃后升温到1400℃并进入保温阶段，依然是两个烧嘴切换工作状态；
⑴、处于燃烧状态的烧嘴的低温段燃气进气管切断阀关闭，而高温段燃气进气管切断阀、循环烟气切断阀打开；
⑵、循环烟气从循环烟气总管通过燃烧状态烧嘴的循环烟气支管，进入高温段燃气进气管，与经高温段燃气进气管进入的燃气混合以稀释燃气热值；
⑶、稀释后的燃气混合气喷入炉内与炉膛内的烟气进一步混合，然后在高速流动的过程中逐渐与助燃空气边混合边燃烧，抑制了火焰中高温区域的温度，同时火焰在炉内形成一个均匀的温度场，实现炉内燃料的完全燃烧，减少NOX的生成。
所述的炉温900℃后升温到1400℃并进入保温阶段，燃气先与循环烟气混合，循环烟气用量为燃气体积量的0.5～2倍，炉温升高循环烟气占比跟随升高。
本发明中的燃气包括天然气、煤气等。
本发明的低氮氧化物蓄热式烧嘴及其控制系统和控制方法与现有的技术相比具有的优点是：
⑴、本发明的低氮氧化物蓄热式烧嘴中设计有一部分蓄热室内填充有蓄热体，采用陶瓷小球或蜂窝体蓄热体，使蓄热室蓄热性能好，且维修方便，使用寿命长，运行费用低。
⑵、本发明的低氮氧化物蓄热式烧嘴结构简单，其控制系统的结构也便于对旧炉窑进行改造，控制方法易于自动控制操作，且节能率可达30％左右。
⑶、本发明的低氮氧化物蓄热式烧嘴及控制系统采用了两阶段燃烧的控制方法，其一在炉窑温度低于900℃阶段采用低温燃烧方式时，燃气通过一个低温段燃气进气管输入，可以保持燃气在较高速度输入，与助燃空气在烧嘴砖内混合燃烧后喷入炉膛，燃烧效率高，同时燃烧的高温烟气具有较大的速度和冲击力，可以增强烟气与炉膛内物料之间的换热能力，提高炉膛热效率和工作效率。其二，在炉窑温度高于900℃阶段采用高温燃烧方式时，燃气切换为从高温段燃气进气管输入，而且在进入烧嘴前与0.5～2倍燃气体积量的循环烟气混合稀释燃气；稀释后的燃气喷入炉膛后，在炉膛内与助燃空气进一步边混合边燃烧，由于燃气被稀释后，减缓了的燃气与助燃空气的混合速度，从而抑制了火焰中高温区域的温度，进而减少了高温NOx的生成；且由于高温燃气进气管设在助燃空气两侧，可以在炉内形成一个均匀的温度场，有利于炉内燃料的完全燃烧。
⑷、使用本发明的低氮氧化物蓄热式烧嘴的控制系统和控制方法，使用效果显著，以天然气等高热值燃气为燃料燃烧时，能实现低NOx燃烧，在从1300℃升温至1400℃的过程中，烟气中NOx含量约为100mg/m3(8％含氧量)；在1400℃保温过程中，烟气中NOx含量＜150mg/m3(8％含氧量)，NOx排放满足国家、行业标准。
附图说明
图1为本发明的低氮氧化物蓄热式烧嘴结构俯视示意图。
图2为图1的A-A向视图。
图3为图1的B-B向剖视图。
图4为本发明的低氮氧化物蓄热式烧嘴及控制系统结构示意图。
图5为图4的C-C向视图。
图6为图4的D-D向视图。
图7为本发明处于高温段工作时稀释后的燃气进入炉窑内燃烧机理示意图。
图8为本发明实施例2中烧嘴的两根高温段燃气进气管及循环烟气支管安装结构示意图。
图9为本发明的烧嘴应用于某锻造加热炉炉顶的俯视结构示意图。
图10为本发明的烧嘴应用于某钢坯加热炉侧墙的单侧结构示意图。
图11为图10的E-E向视图。
上述图中：1—烧嘴砖；2—烧嘴砖法兰；3—点火枪管；4—低温段燃气进气管；5 —高温段燃气进气管；6—进气管法兰；7—烧嘴壳体；8—助燃空气进气管/烟气排气管； 9—法兰盘；10—蓄热体；11—燃气；12—助燃空气；13—循环烟气；14—炉内烟气； 15—保温耐火材料层；16—保温腔；
21—1#烧嘴；22—排烟支管切断阀；23—排烟支管调节阀；24—空气支管切断阀；25—空气支管调节阀；26—燃气支管；27—低温段燃气进气管切断阀；28—低温段燃气进气管调节阀；29—高温段燃气进气管切断阀；30—循环烟气切断阀；31—高温段燃气进气管调节阀；32—循环烟气调节阀；33—循环烟气支管；
41—2#烧嘴；60—排烟支管；61—排烟总管；62—助燃空气总管；63—助燃空气支管；64—燃气总管；65—循环烟气总管；66—炉膛；67—炉窑。
具体实施方式
下面结合附图对本发明低氮氧化物蓄热式烧嘴及其控制系统和控制方法作进一步详细的描述，但本发明的实施不限于此。
实施例1：本发明提供的一种低氮氧化物蓄热式烧嘴，其结构如图1、2、3所示。本发明的蓄热式烧嘴设有烧嘴壳体7、蓄热室、烧嘴砖1、烧嘴砖法兰2、点火枪管3、低温段燃气进气管4、高温段燃气进气管5和助燃空气进气管/烟气排气管8；所述的烧嘴壳体内衬有保温耐火材料层15；保温耐火材料层围起的空间作为蓄热室；蓄热室一端连接助燃空气进气管/烟气排气管8，另一端与烧嘴砖1内腔连接，蓄热室内有两部分不同的结构，与助燃空气进气管/烟气排气管连接的蓄热室部分其内填充有蓄热体10，与烧嘴砖内腔连接的蓄热室部分其内不填充蓄热体，为保温腔16部分；所述的低温段燃气进气管4从蓄热室保温腔顶部进入到烧嘴砖的内腔，低温段燃气进气管和烧嘴砖喷口同轴，所述的高温段燃气进气管5有两根，与低温段燃气进气管平行地安装在蓄热室两侧的保温耐火材料层中，两根高温段燃气进气管5和低温段燃气进气管4分别连接有进气管法兰6；烧嘴砖与蓄热体连接处外侧安装有烧嘴砖法兰2，点火枪管3从烧嘴壳体7、保温耐火材料层15前侧进入烧嘴砖1内腔；助燃空气进气管/烟气排气管8与法兰盘9 连接，助燃空气进气管/烟气排气管用作为助燃空气进气管或烟气排气管。
本实施例的蓄热体10为直径13毫米的陶瓷小球。
本发明为使用上述低氮氧化物蓄热式烧嘴提供了控制系统，参见图4、5、6。本控制系统应用于锻造加热炉，蓄热式烧嘴布置于加热炉上，燃气为天然气；所述的控制系统设有两个蓄热式烧嘴，排烟支管60；排烟总管61、助燃空气总管62、燃气总管64、循环烟气总管65、助燃空气支管63、燃气支管26和循环烟气支管33；所述的两个蓄热式烧嘴结构相同，为1#烧嘴21和2#烧嘴41，在控制系统中成对使用，两个烧嘴均通过烧嘴砖法兰2固定在炉窑67的炉墙结构上。
所述的两个烧嘴的低温段燃气进气管4均经低温段燃气进气管切断阀27和低温段燃气进气管调节阀28通过燃气支管26与燃气总管64连接；
所述的1#烧嘴的两根高温段燃气进气管5连通，同样2#烧嘴的两根高温段燃气进气管5连通。两个烧嘴中的两根高温段燃气进气管5均经高温段燃气进气管调节阀31 和高温段燃气进气管切断阀29通过燃气支管26与燃气总管64连接；
所述的两个烧嘴的燃气支管26与循环烟气支管33相连，循环烟气支管上安装有循环烟气切断阀30和循环烟气调节阀32；所述的两个烧嘴的循环烟气支管均与循环烟气总管65连接，循环烟气总管从排烟总管61中引出；循环烟气总管65前端设置一台循环风机用于增大循环烟气支管33的管道压力，并通过循环烟气调节阀32的阀门控制循环烟气量。
所述的两个蓄热式烧嘴的助燃空气进气管/烟气排气管8均通过法兰盘9连接两路支管，其中一路支管为助燃空气支管63，通过安装的空气支管切断阀24和空气支管调节阀25连接助燃空气总管62；另一路为排烟支管60，通过安装的排烟支管切断阀22 和排烟支管调节阀23连接排烟总管61。
在控制系统中两个结构相同蓄热式烧嘴工作时，当其中1#烧嘴21为燃烧状态，其助燃空气进气管/烟气排气管8作为助燃空气进气管，助燃空气在经过蓄热室时被高温蓄热体10加热后到达蓄热室保温腔16的出口，与由低温段燃气进气管4进入的燃气在烧嘴砖1的喷口处混合燃烧；另一侧的2#烧嘴41为排烟状态，其助燃空气进气管/烟气排气管8作为烟气排气管。
对上述的蓄热式烧嘴及其控制系统的控制方法，分为采用低温段燃烧方式和高温段循环烟气混合燃烧方式；具体按如下步骤操作：
1)、低温段燃烧方式：为炉窑67开始加热并升温到900℃阶段，蓄热式烧嘴开始工作，当1#烧嘴21为燃烧状态，则2#烧嘴41为排烟状态；此时：
①、1#烧嘴21的助燃空气进气管/烟气排气管8管道中助燃空气支管63中的空气支管切断阀24打开，2#烧嘴41的助燃空气进气管/烟气排气管8管道中空气支管切断阀24关闭；
②、1#烧嘴的低温段燃气进气管切断阀27打开、高温段燃气进气管切断阀29和循环烟气切断阀30关闭，2#烧嘴的低温段燃气进气管切断阀27、高温段燃气进气管切断阀29和循环烟气切断阀30关闭；
③、1#烧嘴的排烟支管切断阀22关闭、2#烧嘴的排烟支管切断阀22打开；
④、助燃空气总管62中助燃空气进入1#烧嘴的蓄热室，被蓄热体10加热，燃气总管64中燃气通过1#烧嘴的低温段燃气进气管4到烧嘴砖1的喷口处并高速喷出，与经过蓄热体换热后的高温助燃空气在烧嘴砖1的喷口处混合燃烧，燃烧产生的高温燃烧烟气、火焰通过烧嘴砖出口高速喷入炉膛66，对炉膛内物料进行加热；1#烧嘴21处于低温段燃烧工作状态；2#烧嘴41处于蓄热体蓄热、排烟状态，高温烟气通过蓄热体时，烟气热量被吸收储存在蓄热体中，烟气温度降低，然后经助燃空气进气管/烟气排气管8 收集到排烟总管61中并排出厂房；整个工作过程持续1min后，两个烧嘴切换工作状态；
⑤、2#烧嘴41切换为处于低温段燃烧工作状态，1#烧嘴21处于蓄热体蓄热、排烟状态；两个烧嘴切换工作状态后各管道中的切断阀、调节阀工作状态也跟随相应切换；同样两个烧嘴整个工作过程持续1min后，两个烧嘴再次切换工作状态；
⑥、重复循环上述①～⑤状态，且烧嘴排烟温度不超过180℃，否则，两个烧嘴再次自动切换工作状态；此过程中助燃空气经过蓄热室被蓄热体加热后温度升高，烟气经过蓄热室被蓄热体吸热后温度降低；高温烟气余热被充分利用；燃气燃烧使炉膛66升温到900℃；
2)、高温段循环烟气混合燃烧方式，为炉温900℃后升温到1400℃并进入保温阶段：依然是两个烧嘴工作过程持续1min后切换工作；
⑴、处于燃烧状态的烧嘴的低温段燃气进气管切断阀27关闭，而高温段燃气进气管切断阀29、循环烟气切断阀30打开；
⑵、循环烟气13从循环烟气总管65通过燃烧状态烧嘴的循环烟气支管33、燃气支管26进入高温段燃气进气管5，与经高温段燃气进气管进入的燃气11混合稀释燃气；
⑶、稀释后的燃气11喷入炉内与炉内烟气14进一步混合，燃气与循环烟气在高速流动的过程中逐渐与助燃空气12边混合边燃烧，由于燃气、循环烟气的混合气与高温助燃空气混合速度降低，抑制了火焰中高温区域的温度，同时火焰在炉内形成一个均匀的温度场，实现炉内燃料的完全燃烧，减少NOx的生成。
上述，在炉膛温度900℃以下低温燃烧过程中，燃气通过低温段燃气进气管4进入蓄热室，与经过蓄热体10换热后的高温助燃空气在烧嘴砖1的内腔混合燃烧，燃烧产生的高温烟气通过烧嘴砖1出口喷入炉膛，对炉膛内物料进行加热。由于900℃以下尚未达到热力型NOx产物生成温度，因此生成的NOx产物很少。
在900～1400℃高温燃烧过程中，尤其是炉温超过1200℃以后，天然气高热值燃料燃烧时热力型NOx产物将大量生成。本发明在高温段时，燃气11、助燃空气12与循环烟气13、炉内烟气14在炉窑内混合燃烧时状态，如图7所示。也即当炉温超过900℃以后，燃气11与循环烟气13混合后从高温段燃气进气管5进入烧嘴，而且进入烧嘴的循环烟气13为燃气体积量的0.5～2倍，炉温升高循环烟气占比跟随升高，当炉温达到 1400℃时循环烟气占比可达到燃气体积量的2倍，这样可更好稀释燃气及大幅降低燃料的热值；由于高温燃气通道在助燃空气两侧，可以在炉内形成一个均匀的温度场，有利于炉内燃料的完全燃烧。稀释后的混合气喷入炉膛，与炉膛内的炉内烟气14进一步混合，然后在高速流动的过程中逐渐与助燃空气12边混合边燃烧，抑制了火焰中高温区域的温度，进而减少了NOx的生成。
本实施例以高热值的天然气为燃料，燃烧时能实现低NOx燃烧，在900℃以下燃烧时，烟气中NOx含量未检出，在900～1400℃(1400℃以下)燃烧时，烟气中NOx含量＜50mg/m3(8％含氧量)，在1400℃保温过程中，烟气中NOX含量＜150mg/m3(8％含氧量)， NOx排放满足国家、行业标准。
实施例2：将本发明提供的一种低氮氧化物蓄热式烧嘴及其控制系统和控制方法应用于某锻造加热炉。本实施例中低氮氧化物蓄热式烧嘴的结构和控制方法与实施例1基本相同,本实施例中同样为两个相同结构的烧嘴循环切换工作状态，燃气为天然气；不同的只是所述的蓄热体10为4X4mm蜂窝蓄热体；两根高温段燃气进气管5安装在烧嘴砖钢结构外两侧，如图8所示，且其控制系统中循环烟气支管33设在高温燃气进气管切断阀29与高温段燃气进气管调节阀31之间，循环烟气支管33同样与循环烟气总管 65连接，两个烧嘴工作过程持续0.5min后切换工作状态。
本实施例的烧嘴及其控制系统在900℃以下燃烧时，烟气中NOx含量未检出，在900～1300℃燃烧时，烟气中NOx含量＜50mg/m3(8％含氧量)，在1300～1400℃及1400℃保温过程中，烟气中NOX含量＜150mg/m3(8％含氧量)，NOx排放满足国家、行业标准。本蓄热式烧嘴结构简单，维修方便，使用寿命长，运行费用低。
实施例3：将本发明提供的一种低氮氧化物蓄热式烧嘴及其控制系统和控制方法应用于某锻造加热炉，低氮氧化物蓄热式烧嘴结构如实施例1，燃气为天然气。控制系统共采用4套共8个蓄热式烧嘴，8个烧嘴固定于炉窑67的炉顶，炉顶布设的结构如图9 所示。工作时，同一侧4个烧嘴都为1#烧嘴21同时处于燃烧状态，另一侧4个烧嘴都为2#烧嘴41，为排烟及烟气余热回收状态，3min进行工作状态切换，排烟温度达到180℃时自动强制切换；燃烧高温烟气、火焰向炉膛66喷射，烟气喷射到炉底后向上流动并从炉顶排出，对炉膛内炉气进行搅动，增强换热效果。烧嘴工作状态切换时，燃烧状态的烧嘴逐一熄灭，且每熄灭一个，另一侧对应的排烟状态烧嘴立即打开，直至四套烧嘴完全实现切换。如此循环。
通过对现场锻造加热炉测试显示，在900℃以下燃烧时，烟气中NOx含量未检出；在900～1400℃高温燃烧阶段，尤其是炉温超过1200℃以后，若不采取控制措施，采用天然气作为燃料的炉窑，热力型NOx产物将大量生成，NOx产物将超过2000mg/m3；因此本发明在炉温超过900℃以后，就将燃烧状态烧嘴循环烟气支管33上的循环烟气切断阀 30打开，使循环烟气13与经燃气总管64进入的天然气混合后，通过高温段燃气进气管 5进入烧嘴，循环烟气的用量为燃气体积量的0.5～2倍，随炉温升高循环烟气量逐渐增大，以便更好地稀释天然气，降低其热值，烟气中NOx含量＜50mg/m3(8％含氧量)；在 1400℃保温过程中，由于烧嘴工作成对切换频繁，切换过程中导致炉内含氧量增加，导致烟气中NOx含量增大，但依然能使排放的NOx含量＜150mg/m3(8％含氧量)。本蓄热式烧嘴结构简单，使用寿命长；控制系统维护方便，运行费用低；控制方法能很明显地改善炉温分布的均匀性，利于炉内燃料的完全燃烧；且实现高效率地余热回收，节能降耗。
实施例4：将本发明提供的一种低氮氧化物蓄热式烧嘴及其控制系统和控制方法，用于某钢坯加热炉，燃气为焦炉煤气，本实施例中低氮氧化物蓄热式烧嘴的结构、控制系统和控制方法与实施例3基本相同，控制系统也采用4套共8个蓄热式烧嘴，不同的只是8个烧嘴固定于炉窑67的两个侧墙，侧墙布设的结构如图10和图11所示。
工作时，同一侧的4个烧嘴都为1#烧嘴21同时处燃烧状态，另一侧4个烧嘴都为 2#烧嘴41为排烟及烟气余热回收状态，2min进行一次切换，排烟温度达到180℃自动强制切换；燃烧时高温火焰、烟气向炉膛66喷射，烟气对炉膛内炉气进行搅动，增强换热效果。烧嘴工作状态切换时，燃烧状态的烧嘴也是逐一熄灭，且每熄灭一个，另一侧对应的排烟状态烧嘴立即打开，直至四套烧嘴完全实现切换。如此循环。
本实例烧嘴在900℃以下燃烧时，烟气中NOx含量未检出；在炉温超过900℃以后，根据烟气中NOx含量情况，自动将燃烧状态烧嘴循环烟气支管33上的循环烟气切断阀 30打开，使循环烟气与焦炉煤气混合后经高温段燃气进气管5进入烧嘴，循环烟气13 用量为燃气体积量的0.5～1倍，随炉温升高循环烟气量逐渐增大，通过稀释焦炉煤气来降低其热值，使烟气中NOx含量＜150mg/m3(8％含氧量)。
本发明的低氮氧化物蓄热式烧嘴结构简单，使用寿命长；控制系统和控制方法中采用了成对烧嘴布设、相互切换工作状态和高温燃烧火焰高速喷入炉膛及循环烟气等技术，改善了炉温分布的均匀性，利于炉内燃料的完全燃烧；同时通过循环烟气抑制了火焰中高温区域的温度，进而减少了NOx的生成，使NOx排放满足国家、行业标准。

Claims (8)

1.一种低氮氧化物蓄热式烧嘴，设有烧嘴壳体、蓄热室、烧嘴砖、烧嘴砖法兰、点火枪管、低温段燃气进气管、高温段燃气进气管和助燃空气进气管/烟气排气管；其特征在于：所述的烧嘴壳体内衬有保温耐火材料层，保温耐火材料层围起的空间作为蓄热室；蓄热室一端连接助燃空气进气管/烟气排气管，另一端与烧嘴砖内腔连接，与助燃空气进气管/烟气排气管连接的蓄热室部分填充有蓄热体，与烧嘴砖内腔连接的蓄热室部分为保温腔部分；所述的低温段燃气进气管从蓄热室保温腔顶部进入到烧嘴砖的内腔，低温段燃气进气管和烧嘴砖喷口同轴，所述的高温段燃气进气管有两根，两根高温段燃气进气管与低温段燃气进气管平行，安装在蓄热室两侧的保温耐火材料层中或安装在烧嘴砖钢结构外两侧，两根高温段燃气进气管与低温段燃气进气管分别连接有进气管法兰；烧嘴砖与蓄热室连接处外侧安装有烧嘴砖法兰，点火枪管从烧嘴壳体、保温耐火材料层前侧进入烧嘴砖；所述的助燃空气进气管/烟气排气管与法兰盘连接，助燃空气进气管/烟气排气管用作为助燃空气进气管或烟气排气管。
2.根据权利要求1所述的低氮氧化物蓄热式烧嘴，其特征在于：所述蓄热体为陶瓷小球或蜂窝体。
3.一种使用权利要求1所述的低氮氧化物蓄热式烧嘴的控制系统，其特征在于：所述的控制系统设有两个蓄热式烧嘴、排烟总管、助燃空气总管、燃气总管、燃气支管和循环烟气总管；所述的两个蓄热式烧嘴结构相同，成对使用，两个烧嘴均通过烧嘴砖法兰固定在炉窑的结构上；
所述的两个烧嘴的低温段燃气进气管经低温段燃气进气管切断阀和低温段燃气进气管调节阀通过燃气支管与燃气总管连接；
所述的两个烧嘴，每个烧嘴中的两根高温段燃气进气管连通，并经高温段燃气进气管调节阀和高温段燃气进气管切断阀通过燃气支管与燃气总管连接；
所述的两个烧嘴的燃气支管与循环烟气支管相连，循环烟气支管上安装有循环烟气切断阀和循环烟气调节阀；
所述的两个烧嘴的循环烟气支管均与循环烟气总管连接，循环烟气总管从排烟总管中引出；
所述的两个蓄热式烧嘴的助燃空气进气管/烟气排气管均通过法兰盘连接两路支管，其中一路支管为助燃空气支管，通过安装的空气支管切断阀和空气支管调节阀连接助燃空气总管；另一路为排烟支管，通过安装的排烟支管切断阀和排烟支管调节阀连接排烟总管。
4.根据权利要求3所述的使用低氮氧化物蓄热式烧嘴的控制系统，其特征在于：所述的两个结构相同蓄热式烧嘴，工作时其中一个烧嘴为燃烧状态，其助燃空气进气管/烟气排气管作为助燃空气进气管，助燃空气在经过蓄热室时被高温蓄热体加热后进入烧嘴砖内腔与由低温段燃气进气管进入的燃气混合燃烧；另一个烧嘴为排烟状态，其助燃空气进气管/烟气排气管作为烟气排气管，烟气在经过蓄热室时对蓄热体进行加热，然后排出。
5.根据权利要求3所述的使用低氮氧化物蓄热式烧嘴的控制系统，其特征在于：所述的两个烧嘴上的循环烟气切断阀用于在烧嘴处于排烟状态时，切断循环烟气进入排烟状态的烧嘴。
6.根据权利要求3所述的使用低氮氧化物蓄热式烧嘴的控制系统，其特征在于：所述的循环烟气总管从排烟总管中引出，循环烟气总管前端设有一台风机用于增大循环烟气支管的管道压力，并通过循环烟气调节阀的阀门控制循环烟气量。
7.一种应用权利要求3所述的蓄热式烧嘴控制系统的控制方法，控制系统中的两个烧嘴工作时在燃烧状态与排烟状态相互切换，控制方法分为采用低温段燃烧方式和高温段循环烟气混合燃烧方式；其特征在于，按如下步骤操作：
1)、低温段燃烧方式：为炉窑开始加热并升温到900℃阶段，蓄热式烧嘴开始工作，当1#烧嘴为燃烧状态，则2#烧嘴为排烟状态；此时：
①、1#烧嘴的助燃空气进气管/烟气排气管管道中，助燃空气支管中的空气支管切断阀打开，2#烧嘴的助燃空气进气管/烟气排气管管道中空气支管切断阀关闭；
②、1#烧嘴的低温段燃气进气管切断阀打开、高温段燃气进气管切断阀和循环烟气切断阀关闭，2#烧嘴的低温段燃气进气管切断阀、高温段燃气进气管切断阀和循环烟气切断阀关闭；
③、1#烧嘴的排烟支管切断阀关闭、2#烧嘴的排烟支管切断阀打开；
④、助燃空气总管中助燃空气进入1#烧嘴的蓄热室，被蓄热体加热，燃气总管中燃气通过低温段燃气进气管进入到烧嘴砖内腔并高速喷出，与经过蓄热体换热后的高温助燃空气混合后燃烧，燃烧产生的高温烟气通过烧嘴砖出口高速喷入炉膛，对炉膛内物料进行加热；1#烧嘴处于低温段燃烧工作状态，2#烧嘴处于蓄热体蓄热、排烟状态，烟气通过2#烧嘴加热蓄热室中的蓄热体，烟气被蓄热体吸热降温，然后经助燃空气进气管/烟气排气管收集到排烟总管中并最终排出厂房；整个工作过程持续0.5～3min后，两个烧嘴切换工作状态；
⑤、2#烧嘴切换为处于低温段燃烧工作状态，1#烧嘴处于蓄热体蓄热、排烟状态；此工作状态持续0.5～3min后，两个烧嘴再次切换工作状态；
⑥、重复循环上述①～⑤过程，且排烟温度不超过180℃，否则，两个烧嘴再次切换工作状态；此过程中助燃空气经过蓄热室，被蓄热体加热温度升高，烟气经过蓄热室被蓄热体吸热降温，利用蓄热体回收烟气余热；燃气燃烧使炉膛升温到900℃；
2)、高温段循环烟气混合燃烧方式，为炉温900℃后升温到1400℃并进入保温阶段，依然是两个烧嘴切换工作状态；
⑴、处于燃烧状态的烧嘴的低温段燃气进气管切断阀关闭，而高温段燃气进气管切断阀、循环烟气切断阀打开；
⑵、循环烟气从循环烟气总管通过燃烧状态烧嘴的循环烟气支管，进入高温段燃气进气管，与经高温段燃气进气管进入的燃气混合以稀释燃气热值；
⑶、稀释后的燃气混合气喷入炉内与炉膛内的烟气进一步混合，然后在高速流动的过程中逐渐与助燃空气边混合边燃烧，抑制了火焰中高温区域的温度，同时火焰在炉内形成一个均匀的温度场，实现炉内燃料的完全燃烧，减少NOX的生成。
8.根据权利要求7所述应用蓄热式烧嘴的控制系统的控制方法，其特征在于：所述的炉温900℃后升温到1400℃并进入保温阶段，燃气先与循环烟气混合，循环烟气用量为燃气体积量的0.5～2倍，炉温升高循环烟气占比跟随升高。
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