CN111961780A

CN111961780A - 一种降低顶燃式热风炉NOx生成量的改进方法

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Publication number: CN111961780A
Application number: CN202010898350.XA
Authority: CN
Inventors: 王贤; 颜新; 罗志红; 徐灿; 唐耀; 杨艳; 张少魁
Original assignee: CISDI Engineering Co Ltd
Current assignee: CISDI Engineering Co Ltd
Priority date: 2020-08-31
Filing date: 2020-08-31
Publication date: 2020-11-20
Anticipated expiration: 2040-08-31
Also published as: CN111961780B

Abstract

本发明涉及一种降低顶燃式热风炉NOx生成量的改进方法，属于燃烧领域。该方法包括(1)改变煤气分流道的截面积大小以及各层的煤气喷口数量，以使每层的煤气流量不同；改变空气分流道的截面积大小以及各层的空气喷口数量，以使每层的空气流量不同；(2)空煤混合层中，流经煤气喷口的煤气总量与流经空气喷口的空气总量按照非化学当量比进行配比。该方法通过调整燃烧器的空煤气喷口的数量、截面大小等，可改变每层空煤气喷口的流量分配量；同时通过局部的空煤气非化学当量配比，在不影响整体燃料能充分燃烧的前提下，采用浓淡燃烧技术，改变浓淡燃烧的比例，可获得较低的NOx生成量。

Description

一种降低顶燃式热风炉NOx生成量的改进方法

技术领域

本发明属于燃烧领域，具体涉及一种降低顶燃式热风炉NOx生成量的改进方法。

背景技术

20世纪80年代末，首钢型顶燃式热风炉在大型高炉中开始投入运行，同时期，以俄罗斯卡卢金型为代表的顶燃式热风炉逐步在俄罗斯、乌克兰和中国等地得到推广应用；其中以我国曹妃甸5000m³以及日本JFE3200m³等特大型高炉上的应用为代表，标志着顶燃式热风炉在特大型高炉中应用实现了突破。

随着高炉冶炼技术的不断发展，对高风温的要求也越发迫切，高风温是降本增效的重要举措，为了获取高风温，燃烧器的燃烧温度也要随之不断提高，因此高燃烧效率也是顶燃式热风炉燃烧器发展的需求。但高风温需求随之带来了环保问题，因燃烧烟气中的NOx排放会相应增加，一方面，高NOx排放无法满足国家日益严格的排放标准，另一方面，热风炉燃烧烟气中的NOx还会对高温区炉壳产生应力腐蚀、以及换热器后产生低温露点腐蚀，从而影响了热风炉及其设备的使用寿命。故现有顶燃式热风炉无法在高风温及高环保要求下实现两全。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种降低顶燃式热风炉NOx生成量的改进方法，以解决现有顶燃式热风炉所存在的NOx排放量较高的问题。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种降低顶燃式热风炉NOx生成量的改进方法，包括以下步骤：

(1)优化顶燃式热风炉中的陶瓷燃烧器结构：沿燃烧器的轴线方向，穿过陶瓷内衬的煤气分流道在陶瓷内衬的内壁面上形成多层煤气喷口，穿过陶瓷内衬的空气分流道在陶瓷内衬的内壁面上形成多层空气喷口，部分空气喷口与煤气喷口同层设置以形成空煤混合层；改变煤气分流道的截面积大小以及各层的煤气喷口数量，以使每层的煤气流量不同；改变空气分流道的截面积大小以及各层的空气喷口数量，以使每层的空气流量不同；在燃烧器的周向方向上，各煤气喷口与各空气喷口独立间隔设置，并使煤气喷口与空气喷口以交替形式布设；

(2)从各煤气喷口流出的煤气总量与从各空气喷口流出的空气总量按照化学当量比进行配比；空煤混合层中，流经煤气喷口的煤气总量与流经空气喷口的空气总量按照非化学当量比进行配比。

进一步，同层设置的各煤气喷口的截面积相同，同层设置的各煤气分流道的截面积相同；同层设置的各空气喷口的截面积相同，同层设置的各空气分流道的截面积相同。

进一步，各煤气喷口的截面积与其所对应的煤气分流道的截面积不同，各空气喷口的截面积与其所对应的空气分流道的截面积不同。

进一步，非同层设置的若干煤气喷口间，各煤气喷口的截面积不相同，非同层设置的若干煤气分流道间，各煤气分流道的截面积不相同；非同层设置的若干空气喷口间，各空气喷口的截面积不相同，非同层设置的若干空气分流道间，各空气分流道的截面积不相同。

进一步，同一空煤混合层中，煤气喷口数量与空气喷口数量相同。

进一步，陶瓷燃烧器具有四层喷口层，其中最上层为煤气喷口层，最下层为空气喷口层，其他层均为空气喷口与煤气喷口同层设置的空煤混合层。

进一步，同层设置的空气喷口和/或煤气喷口的轴线的倾斜方向以及倾斜角度相同。

进一步，多层空煤混合层中，部分层采用燃气过剩燃烧，部分层采用空气过剩燃烧。

本发明的有益效果在于：

通过调整燃烧器的空煤气喷口的数量、截面大小等，可改变每层空煤气喷口的流量分配量；同时通过局部的空煤气非化学当量配比，在不影响整体燃料能充分燃烧的前提下，采用浓淡燃烧技术，改变浓淡燃烧的比例，可获得较低的NOx生成量。

该方案可减少燃烧烟气中NOx的排放，可以降低高温区炉壳的应力腐蚀、以及换热器低温段的露点腐蚀，从而提高热风炉及其设备的使用寿命；满足国家环保及热风炉技术发展的要求。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为陶瓷燃烧器的结构示意图；

图2为图1的局部放大图；

图3为图1的A-A剖视图；

附图标记：

陶瓷燃烧器1、混合室2；陶瓷内衬101、煤气引入管102、煤气环道103、空气引入管104、空气环道105、煤气分流道106、空气分流道107、煤气喷口108、空气喷口109；

第一层煤气分流道106a、第二层煤气分流道106b、第三层煤气分流道106c；

第一层空气分流道107a、第二层空气分流道107b、第三层空气分流道107c；

陶瓷燃烧器轴线OO＇、陶瓷燃烧器对称轴PP＇、煤气分流道轴线MM＇、空气分流道轴线NN＇。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

实施例一

该降低顶燃式热风炉NOx生成量的改进方法，主要包括以下步骤：

(1)优化顶燃式热风炉中的陶瓷燃烧器结构：如图1至图3所示，沿燃烧器的轴线OO＇方向，穿过陶瓷内衬101的煤气分流道106在陶瓷内衬101的内壁面上形成多层煤气喷口108，穿过陶瓷内衬101的空气分流道107在陶瓷内衬101的内壁面上形成多层空气喷口109，部分空气喷口109与煤气喷口108同层设置以形成空煤混合层；改变煤气分流道106的截面积大小以及各层的煤气喷口108数量，以使每层的煤气流量不同；改变空气分流道107的截面积大小以及各层的空气喷口109数量，以使每层的空气流量不同；在燃烧器1的周向方向上，各煤气喷口108与各空气喷口109独立间隔设置，并使煤气喷口108与空气喷口109以交替形式布设。

具体的，陶瓷燃烧器1包括外壳以及设置在外壳内的陶瓷内衬101，陶瓷内衬101中设有与煤气引入管102相接的煤气环道103、以及与空气引入管104相接的空气环道105，煤气环道103上接有将煤气环道内煤气引入混合室2内的煤气分流道106，空气环道105上接有将空气环道内空气引入混合室2内的空气分流道107；沿燃烧器的轴线OO＇方向，穿过陶瓷内衬101的煤气分流道106在陶瓷内衬101的内壁面上形成多层煤气喷口108，穿过陶瓷内衬101的空气分流道107在陶瓷内衬的内壁面上形成多层空气喷口109。

煤气环道103中的煤气通过煤气分流道106引入混合室2内，位于同一标高层中的煤气喷口108有多个，即煤气喷口108既以环绕混合室2壁面的形式设置，又以沿着燃烧器轴线OO＇高低布设的形式设置成了多层，使得煤气能均匀分布在混合室各处而不发生聚集。对应的，空气也以同样的方式引入混合室2。

(2)从各煤气喷口流出的煤气总量与从各空气喷口流出的空气总量按照化学当量比进行配比；空煤混合层中，流经煤气喷口108的煤气总量与流经空气喷口109的空气总量按照非化学当量比进行配比。

“当量比”是指可燃混合气中理论上可完全燃烧的实际含有的燃料量与空气量之比，是表示可燃混合气中燃料量与空气量配合比例的一个参数。燃料与空气刚好完全燃烧时，空气与燃料的质量比即为“化学当量比”。采用“化学当量比”进行配比时，燃烧速度快，燃烧效率较高，故输送进陶瓷燃烧器1内的煤气总量与空气总量符合化学当量比，可保证燃烧器内燃料的燃烧充分且完全。而采用“非化学当量比”进行配比，即使得局部某些区域进行的是“空气过剩、燃料过淡”的淡燃烧，另局部某些区域进行的是“燃气过剩、空气过淡”的浓燃烧，通过以上燃料的浓淡燃烧则可降低了燃烧烟气中NOx的生成量。

本改进方案中，首先根据煤气量确定煤气喷口108的数量，假设煤气喷口108总数量为36个，煤气喷口从上至下布设有三层，第一层煤气喷口数量为18个，第二层煤气喷口数量为9个，第三层煤气喷口数量也为9个。

根据数值仿真获得从每层煤气喷口喷出的总煤气量之和比例分别约为60％、30％、10％，三层中各煤气喷口的开口大小相同。

根据空气量确定空气喷口109的数量，空气喷口109总数量与煤气喷口108相同也为36个，空气喷口从下至上共布设有三层，期中最下一层的空气喷口数量为18个，中间一层的空气喷口109数量为9个，最上一层的空气喷口数量也为9个。

根据数值仿真获得从每层空气喷口喷出的空气总量的比例分别约为60％、30％、10％，三层各空气喷口的开口大小相同，单个空气喷口的截面积可以和单个煤气喷口的截面积不同。

所有空气喷口109的总面积是煤气喷口总面积的0.63倍(跟具体煤气成分有关)，和空煤气的完全燃烧反应需要的化学当量比0.63(跟具体煤气成分有关)基本相同，这样不仅可以保证总的煤气能按化学当量比完全燃烧，而不影响燃烧温度，还能局部区域的空煤气非化学当量配比，实现浓淡燃烧，从而降低燃烧烟气中NOx的含量。

在燃烧器的轴线OO＇方向上，共形成了四层喷口层，最上层为煤气喷口层，最下层为空气喷口层，其他两层均为空气喷口与煤气喷口同层设置的空—煤混合层。空气喷口109与煤气喷口108在层间有重叠，而在燃烧器的周向方向上，各煤气喷口与各空气喷口独立间隔设置，即在一个空煤混合层(空气喷口与煤气喷口位于同一标高层)上，各空气喷口109两侧对应为煤气喷口108，而各煤气喷口108的两侧则对应为空气喷口109。

从上至下，第一层的空煤混合层是30％的煤气总量和10％的空气总量混合燃烧，此时是燃气过剩燃烧，属燃气偏浓燃烧，第二层的空煤混合层是10％的煤气总量和30％的空气总量混合燃烧，此时是空气过剩燃烧，属燃气偏淡燃烧，利用了燃气的浓淡燃烧，避免出现局部高温，从而降低了燃烧烟气中NOx的生成量，降低了NOx的排放。

浓淡燃烧比例的不同，对NOx的生成量控制效果也有所不同，因此可以在保证喷口数量不变的条件下，调整单个空/煤气喷口的面积，从而改变了每层空煤气喷口的流量分配量，相应的改变浓淡燃烧的比例，以获得较低的NOx生成量。

为获得较好的旋流效果，同时可靠保证局部能进行浓淡燃烧，同层设置的空气喷口和/或煤气喷口的轴线的倾斜方向以及倾斜角度相同。

具体的，在垂直于轴线OO＇方向的水平面上，一端口为空气喷口109的空气分流道107的(空间)轴线NN＇(同时也为该空气喷口轴线)与该水平面上的陶瓷燃烧器的对称轴PP＇间的夹角α₁为0～45°。而在竖直面上，一端口为空气喷口109的空气分流道107的轴线NN＇与陶瓷燃烧器轴线OO＇间的夹角β₁为45°～90°。此处轴线NN＇可对应投影在水平面与竖直面上，而对称轴PP＇是在垂直于陶瓷燃烧器轴线OO＇的水平面上的任意直径所在直线。

同样的，在垂直于轴线OO＇的水平面上，一端口为煤气喷口108的煤气分流道106的(空间)轴线MM＇(同时也为煤气喷口轴线)与该水平面上的陶瓷燃烧器对称轴PP＇间的夹角α₂为0～45°。而在竖直面上，一端口为煤气喷口的煤气分流道的轴线MM＇与燃烧器轴线OO＇间的夹角β₂为45°～90°。

实施例二

1)首先根据煤气量确定煤气喷口的数量，假设煤气喷口总数量为36个，煤气喷口从上至下设有三层，第一层煤气喷口数量为18个，第二层煤气喷口数量为9个，第三层煤气喷口数量为9个。根据数值仿真获得每层煤气喷口喷出的煤气量总和占比分别约为60％、30％、10％，三层各煤气喷口的开口大小相同。

2)然后根据空气量确定空气喷口的数量，空煤气的化学当量比约为0.63，可得到空气喷口总数量为24个，空气喷口从下至上也设有三层，其中最下一层空气喷口数量为12个，中间一层空气喷口数量为6个，最上一层的空气喷口数量为6个。根据数值仿真获得每层空气喷口喷出的空气总和占比分别约为60％、30％、10％，三层各空气喷口的开口大小相同，单个空气喷口的截面积可以和单个煤气喷口的截面积相同。

3)所有空气喷口的总面积是煤气喷口总面积的(约)0.63倍(跟具体煤气成分有关)，这和空煤气的完全燃烧反应需要的化学当量比约0.63(跟具体煤气成分有关)基本相同，可以保证总的煤气按化学当量比完全燃烧，保证不影响燃烧温度。

4)从上至下共四层，中间两层为空煤混合层，其中第一层空煤混合层是30％的煤气总量和10％的空气总量混合燃烧，此时是燃气过剩燃烧，属燃气偏浓燃烧，第二层空煤混合层是10％的煤气总量和30％的空气总量混合燃烧，此时是空气过剩燃烧，属燃气偏淡燃烧，这样利用了燃气的浓淡燃烧，避免出现局部高温，从而降低了燃烧烟气中NOx的生成量，降低了NOx的排放。

需要说明的是：浓淡燃烧比例的不同，对NOx的生成量控制效果也有所不同，因此可以在保证单个空煤气喷口的面积相同的条件下，调整空煤气喷口的数量，从而改变了每层空煤气喷口的流量分配量，相应的改变浓淡燃烧的比例，以获得较低的NOx生成量。当然也可以同时采用空煤气喷口面积和喷口数量的不同，来改变了每层空煤气喷口的流量分配量，相应的改变浓淡燃烧的比例，以获得较低的NOx生成量。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种降低顶燃式热风炉NOx生成量的改进方法，其特征在于包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的降低顶燃式热风炉NOx生成量的改进方法，其特征在于：同层设置的各煤气喷口的截面积相同，同层设置的各煤气分流道的截面积相同；同层设置的各空气喷口的截面积相同，同层设置的各空气分流道的截面积相同。

3.根据权利要求2所述的降低顶燃式热风炉NOx生成量的改进方法，其特征在于：各煤气喷口的截面积与其所对应的煤气分流道的截面积不同，各空气喷口的截面积与其所对应的空气分流道的截面积不同。

4.根据权利要求1所述的降低顶燃式热风炉NOx生成量的改进方法，其特征在于：非同层设置的若干煤气喷口间，各煤气喷口的截面积不相同，非同层设置的若干煤气分流道间，各煤气分流道的截面积不相同；非同层设置的若干空气喷口间，各空气喷口的截面积不相同，非同层设置的若干空气分流道间，各空气分流道的截面积不相同。

5.根据权利要求1所述的降低顶燃式热风炉NOx生成量的改进方法，其特征在于：同一空煤混合层中，煤气喷口数量与空气喷口数量相同。

6.根据权利要求1所述的降低顶燃式热风炉NOx生成量的改进方法，其特征在于：陶瓷燃烧器具有四层喷口层，其中最上层为煤气喷口层，最下层为空气喷口层，其他层均为空气喷口与煤气喷口同层设置的空煤混合层。

7.根据权利要求1所述的降低顶燃式热风炉NOx生成量的改进方法，其特征在于：同层设置的空气喷口和/或煤气喷口的轴线的倾斜方向以及倾斜角度相同。

8.根据权利要求1所述的降低顶燃式热风炉NOx生成量的改进方法，其特征在于：多层空煤混合层中，部分层采用燃气过剩燃烧，部分层采用空气过剩燃烧。