CN113339793A - 一种火焰脱硝燃烧器装置及火焰脱硝系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种火焰脱硝燃烧器装置，包括火焰腔、燃烧头、以及物料喷嘴，其中：燃烧头与火焰腔相连通，用于向火焰腔内通入燃料气与空气的混合气；混合气在火焰腔内点火燃烧并产生高温气体，火焰腔设有燃烧气出口，燃料气出口设于远离燃烧头的一端端部，火焰腔中心具有贯穿内孔，物料喷嘴设于火焰腔的贯穿内孔中并贯穿所述火焰腔，用于流通硝酸铀酰，物料喷嘴的出口位置与燃料气出口的位置为火焰腔的同一端，以使得物料喷嘴喷出的硝酸铀酰能够与燃烧气出口排出的高温气体接触而进行脱硝反应。本发明还公开一种包含以上火焰脱硝燃烧器装置的火焰脱硝系统。本发明可确保硝酸铀酰脱硝反应稳定进行。
Description
技术领域
本发明属于核工程技术领域，具体涉及一种火焰脱硝燃烧器装置、以及含有该火焰脱硝燃烧器装置的火焰脱硝系统。
背景技术
在核燃料循环体系中，经过萃取纯化后，得到硝酸铀酰溶液，为便于将硝酸铀酰溶液加工成金属铀或其他的铀化合物形式，可以先将硝酸铀酰转化为铀的氧化物。由于干法脱硝工艺在试剂消耗、废液产生、运行费用、尾气处理等方面都有明显的优势，因此，国内外都采用干法脱硝工艺将硝酸铀酰转化为UO3产品。
目前，国内最为典型的干法脱硝工艺是流化床脱硝法，但是流化床脱硝法制得的UO3的比表面较小(一般低于1m2/g)，反应活性较差，为了增加UO3产品的比表面积，提高其反应活性，通常需在流化床的进料溶液中加入硫酸盐(硫酸铵)，但加硫酸盐活化的效果非常有限，且硫酸根的存在会加剧对设备和管道的腐蚀。国外目前较为先进的脱硝技术是火焰脱硝法，通过燃料气与助燃空气在燃烧器内燃烧形成高温气体，再将硝酸铀酰料液与高温气体接触，在立式反应器中进行脱硝反应，经过脱水、分解制得UO3产品，火焰脱硝法的优点是设备结构简单，生产过程比较经济，能够实现自动控制，且UO3颗粒的比表面积较大，有较高的反应活性。
燃烧器是进行火焰脱硝法的核心部件，但是目前这类产品较少，且现有的产品难以保证反应的稳定进行。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种火焰脱硝燃烧器装置、以及含有该火焰脱硝燃烧器装置的火焰脱硝系统，可确保火焰脱硝法脱硝工艺中硝酸铀酰脱硝反应的稳定进行。
根据本发明的一个方面，提供一种火焰脱硝燃烧器装置，其技术方案如下：
一种火焰脱硝燃烧器装置，包括火焰腔、燃烧头、以及物料喷嘴，
所述燃烧头与所述火焰腔相连通，用于向火焰腔内通入燃料气与空气的混合气；
所述混合气在所述火焰腔内点火燃烧并产生高温气体，所述火焰腔设有燃烧气出口，所述燃料气出口设于远离所述燃烧头的一端端部，
所述火焰腔中心具有贯穿内孔，所述物料喷嘴设于火焰腔的贯穿内孔中并贯穿所述火焰腔，用于流通硝酸铀酰，所述物料喷嘴的出口位置与所述燃料气出口的位置为火焰腔的同一端，以使得物料喷嘴喷出的硝酸铀酰能够与燃烧气出口排出的所述高温气体接触而进行脱硝反应。
优选的是，本装置还包括空气腔，所述空气腔环绕在所述火焰腔的外部，空气腔的外壁上设有空气入口，用于向空气腔内通入空气；
所述燃烧头包括燃料喷嘴、旋流器、以及火焰导管，
所述燃料喷嘴，用于输入燃料；
所述旋流器的入口分别与所述燃料喷嘴、所述空气腔相连通，用于将燃料喷嘴进入的燃料和空气腔进入的空气进行预混合，旋流器的出口与所述火焰导管的入口相连通，
火焰导管的出口与所述火焰腔相连通，以将预混合后的混合气通入到火焰腔，
所述火焰导管的出口处设有点火器，以使所述混合气在火焰腔中进行燃烧。
优选的是，所述火焰腔、所述空气腔的横截面均为圆环状，
所述空气入口与所述空气腔的外壁切向连接，以使空气腔内产生旋转气流；
所述火焰导管与所述火焰腔的外壁切向连接，以使火焰腔内产生旋转气流。
优选的是，所述火焰腔的上部外形为圆柱形，火焰腔的下部外形为倒立的圆台形，所述火焰导管设于所述火焰腔的上部，所述燃烧气出口设于火焰腔的下部底端。
优选的是，所述燃烧头的数量为多个，多个燃烧头沿所述火焰腔外壁的圆周方向均匀分布。
优选的是，本装置还包括掺混孔，所述掺混孔设于所述火焰腔的外壁上，所述掺混孔与所述空气腔连通，且处于所述火焰导管的下方；所述掺混孔的数量为多个，多个掺混孔沿所述火焰腔的圆周方向均匀分布，每个掺混孔沿火焰腔的切向方向设置。
优选的是，本装置还包括冷却腔，所述冷却腔包括第一冷却环腔和第二冷却环腔，
所述第一冷却环腔设于所述火焰腔与所述空气腔之间，其内设有第一冷却介质，用于对火焰腔进行冷却，
所述第二冷却环腔设于火焰腔与所述燃料喷嘴之间，其内设有第二冷却介质，用于对火焰腔进行冷却。
优选的是，本装置还包括伴热管，所述伴热管套设于所述物料喷嘴外，伴热管内设有保温介质，以防止物料喷嘴内的硝酸铀酰结晶。
优选的是，所述物料喷嘴为双流体气流式雾化喷嘴或压力雾化喷嘴。
根据本发明的另一个方面，提供一种火焰脱硝系统，其技术方案如下：
一种火焰脱硝系统，包括以上所述的火焰脱硝燃烧器装置。
本发明的火焰脱硝燃烧器装置及火焰脱硝系统，用于火焰脱硝法脱硝工艺，可确保硝酸铀酰脱硝反应稳定进行。进一步的，通过设置燃烧头和掺混孔，可实现空气分级进入火焰腔，不仅可确保燃料充分、稳定燃烧，产生均匀温度，还可以对燃烧产生的高温气体进行较大范围的温度调节，具有较大的温度条件范围，此外，通过设置冷却腔，可具有较大的负荷调节范围，从而保证了燃烧火焰的稳定性，确保了硝酸铀酰料液喷出后的雾化效果，促进了干燥脱硝反应的进行，提高装置的稳定性。
附图说明
图1为本发明实施例的火焰脱硝燃烧器装置的结构示意图；
图2为图1的A-A剖视图；
图3为图2的B-B剖视图；
图4为图2的C-C剖视图；
图5为本发明实施例中燃烧头的结构示意图。
图中：1-外筒；2-空气腔；3-空气入口；4-燃烧头；5-物料喷嘴；6-伴热管；7-点火器；8-火焰腔；9-燃料喷嘴；10-旋流器；11-火焰导管；12-第一腔壁；13-第二腔壁；141-第一冷却环腔；142-第二冷却环腔；15-燃烧气出口；16-掺混孔。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，属于“上”等指示方位或位置关系是基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了便于和简化描述，而并不是指示或者暗示所指的装置或者元件必须设有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或者暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“设置”、“安装”、“固定”等应做广义理解，例如可以是固定连接也可以是可拆卸地连接，或者一体地连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
如图1-图5所示，本实施例公开一种火焰脱硝燃烧器装置，包括火焰腔8、燃烧头4、以及物料喷嘴5，其中：燃烧头4与火焰腔8相连通，用于向火焰腔8内通入燃料与空气的混合气；混合气在火焰腔内点火燃料并产生高温气体；火焰腔8设有燃烧气出口15，燃料气出口15设于远离燃烧头4的一端端部，火焰腔8中心具有贯穿内孔，物料喷嘴5设于火焰腔8的贯穿内孔中并贯穿火焰腔8，物料喷嘴5用于流通硝酸铀酰，物料喷嘴5的出口位置与燃料气出口15的位置为火焰腔8的同一端，以使物料喷嘴5喷出的硝酸铀酰与燃烧气出口15排出的高温气体接触后被雾化、干燥，并进行脱硝反应，从而将硝酸铀酰转化为UO3。
在一些实施方式中，本装置还包括空气腔2，空气腔2环绕在火焰腔8的外部，空气腔2由外筒1围成，空气腔2的外壁(即外筒1)上设有空气入口3，用于向空气腔2内通入空气。
如图5所示，燃烧头4包括燃料喷嘴9、旋流器10、以及火焰导管11，其中：燃料喷嘴9用于输入燃料；旋流器10的入口分别与燃料喷嘴9、空气腔2相连通，用于将燃料喷嘴5进入的燃料和空气腔2进入的空气进行预混合，旋流器10的出口与火焰导管11的入口相连通，火焰导管11的出口与火焰腔8相连通，火焰导管11的出口处设有点火器7，以使预混合后的混合气在火焰腔8中进行燃烧。
本实施例中，燃料喷嘴9可拆卸地设于空气腔2的腔壁上，点火器7可拆卸地设于火焰腔8的腔壁(火焰腔8的顶部)上，点火器7的点火端延伸到火焰导管11的出口处，以便检修更换。
在一些实施方式中，火焰腔8、空气腔2的横截面均为圆环形。并且，空气入口3与空气腔2的外壁(即外筒1)切向连接，以使空气在空气腔2内产生旋转气流；火焰导管11与火焰腔8的外壁切向连接，以使燃料和空气的混合气在火焰腔8内产生旋转气流。
本实施例中，火焰腔8的上部外形为圆柱形，空气腔2包围在火焰腔8的上部，空气入口3设于空气腔2的高处，空气从空气腔2的高处沿切向方向进入空气腔2。火焰腔8的下部外形为倒立的圆台形，火焰导管11设于火焰腔8上部，燃烧气出口15设于火焰腔8的下部的底端，燃料和空气在火焰导管11内沿切向方向进入火焰腔8，并在火焰腔8内旋转形成旋转气流，火焰腔8内的旋转气流的方向与空气腔2内的旋转气流的方向一致，同时，燃料在旋转过程中进行燃烧(即旋转燃烧)，并向火焰腔8的中心收缩，最后，由燃烧气出口15排出。
由于本实施例装置可产生旋转气流，使燃料在火焰腔8内进行旋转燃烧，从而可产生均匀的温度场，进而提高对硝酸铀酰的雾化、干燥效果，可促进脱硝反应的进行。
在一些实施方式中，燃烧头4的数量为多个，如3-10个，多个燃烧头4沿火焰腔8的圆周方向均匀分布。本实施例中，燃烧头4的数量优选为4个，如图1所示。
在一些实施方式中，如2、图4所示，本装置还包括掺混孔16，掺混孔16设于火焰腔8的外壁上，其连通空气腔2与火焰腔8，且处于火焰导管11的下方，用于向火焰腔8内补充空气，不仅可以补燃火焰腔8内未完全燃烧的燃料，从而确保燃料燃烧充分、稳定燃烧，并且，由于掺混孔16补充的空气的温度(常温)低于火焰腔8内的气体的温度，由掺混孔16进入的低温空气与火焰腔8内的高温气体混合后，还可以对火焰腔8内的高温气体进行降温，使燃烧气出口15排出的高温气体降至设计温度。
在一些实施方式中，掺混孔16的数量为多个，如12-36个，多个掺混孔16沿火焰腔8的圆周方向均匀分布，并沿火焰腔8的切向方向设置，形成掺混孔环，并且，掺混孔16还可以沿火焰腔8的轴向(高度方向)设置形成多个掺混孔环，而不限于全部沿火焰腔8的圆周方向均匀分布。本实施例中，如图4所示，掺混孔16优选为12个，12个掺混孔16沿火焰腔8的圆周方向均匀分布。
在一些实施方式中，本装置还包括冷却腔，冷却腔包括第一冷却环腔141和第二冷却环腔142，其中：第一冷却环腔141设于火焰腔8与空气腔2之间，其内设有第一冷却介质，用于对火焰腔8进行冷却；第二冷却环腔142设于火焰腔8与燃料喷嘴5之间，其内设有第二冷却介质，用于对火焰腔8进行冷却降温。
具体来说，如图2、图3所示，火焰腔8的腔壁包括第一腔壁12、第二腔壁13，第一腔壁12设于第二腔壁13的外侧，火焰腔8由第一腔壁12和第二腔壁13合围而成，火焰导管11切向设置于第一腔壁12上。第一冷却环腔141设于第一腔壁12内，即第一腔壁12为中空结构，第二冷却腔设于第二腔壁13内，即第二腔壁13为中空结构。本实施例中，第一冷却介质和第二冷却介质均优选为水或空气。
在一些实施方式中，本装置还包括伴热管6，伴热管6设于火焰腔8的贯穿内孔中，并套设于物料喷嘴5外，伴热管6内设有保温介质，以防止物料喷嘴5内的硝酸铀酰结晶。本实施例中，保温介质为蒸汽或热水。
在一些实施方式中，物料喷嘴5为双流体气流式雾化喷嘴或压力雾化喷嘴，以使硝酸铀酰以喷雾的形式喷出，从而与燃烧气出口15排出的高温气体充分接触，提高高温气体对硝酸铀酰的加热效果。
本实施例的火焰脱硝燃烧器装置，用于火焰脱硝法脱硝工艺，可确保硝酸铀酰脱硝反应稳定进行。并且，通过设置燃烧头和掺混孔，可实现空气分级进入火焰腔，不仅可确保燃料充分、稳定燃烧，产生均匀温度，还可以对燃烧产生的高温气体进行较大范围的温度调节，具有较大的温度条件范围，此外，通过设置冷却腔，可具有较大的负荷调节范围，从而保证了燃烧火焰的稳定性，确保了硝酸铀酰料液喷出后的雾化效果，促进了干燥脱硝反应的进行，提高装置的先进性与稳定性。
实施例2
本实施例公开一种火焰脱硝燃料装置，其与实施例1中所述的火焰脱硝燃烧器装置的区别在于：还包括加压机构，
加压机构，用于在空气通入到空气腔2之前对空气进行加压，使空气具有较大的压力，加压后的空气进入火焰腔8后，会促使火焰腔8内的气体形成高速旋转的高压高温气体，该高压高温气体与物料喷嘴5喷出的硝酸铀酰接触后，不仅会对硝酸铀酰起到加热的作用，还会起到使硝酸铀酰雾化的功能。
并且，由于本装置设置了加压机构，从而使得物料喷嘴5可采用普通的物料喷嘴5，即物料喷嘴5不具备使硝酸铀酰雾化的功能，只起到输送硝酸铀酰的作用。
实施例3
本实施例公开一种火焰脱硝系统，其包括实施例1或2中所述的火焰脱硝燃烧器装置。
可以理解的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，然而本发明并不局限于此。对于本领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变形和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种火焰脱硝燃烧器装置，其特征在于，包括火焰腔(8)、燃烧头(4)、以及物料喷嘴(5)，
所述燃烧头与所述火焰腔相连通，用于向火焰腔内通入燃料气与空气的混合气；
所述混合气在所述火焰腔内点火燃烧并产生高温气体，所述火焰腔设有燃烧气出口(15)，所述燃料气出口设于远离所述燃烧头的一端端部，
所述火焰腔中心具有贯穿内孔，所述物料喷嘴设于火焰腔的贯穿内孔中并贯穿所述火焰腔，用于流通硝酸铀酰，所述物料喷嘴的出口位置与所述燃料气出口的位置为火焰腔的同一端，以使得物料喷嘴喷出的硝酸铀酰能够与燃烧气出口排出的所述高温气体接触而进行脱硝反应。
2.根据权利要求1所述的火焰脱硝燃烧器装置，其特征在于，还包括空气腔(2)，
所述空气腔环绕在所述火焰腔的外部，空气腔的外壁上设有空气入口，用于向空气腔内通入空气；
所述燃烧头包括燃料喷嘴(9)、旋流器(10)、以及火焰导管(11)，
所述燃料喷嘴，用于输入燃料；
所述旋流器的入口分别与所述燃料喷嘴、所述空气腔相连通，用于将燃料喷嘴进入的燃料和空气腔进入的空气进行预混合，旋流器的出口与所述火焰导管的入口相连通，
火焰导管的出口与所述火焰腔相连通，以将预混合后的混合气通入到火焰腔，
所述火焰导管的出口处设有点火器(7)，以使所述混合气在火焰腔中进行燃烧。
3.根据权利要求2所述的火焰脱硝燃烧器装置，其特征在于，所述火焰腔、所述空气腔的横截面均为圆环状，
所述空气入口与所述空气腔的外壁切向连接，以使空气腔内产生旋转气流；
所述火焰导管与所述火焰腔的外壁切向连接，以使火焰腔内产生旋转气流。
4.根据权利要求3所述的火焰脱硝燃烧器装置，其特征在于，所述火焰腔的上部外形为圆柱形，火焰腔的下部外形为倒立的圆台形，所述火焰导管设于所述火焰腔的上部，所述燃烧气出口设于火焰腔的下部底端。
5.根据权利要求3所述的火焰脱硝燃烧器装置，其特征在于，所述燃烧头的数量为多个，多个燃烧头沿所述火焰腔外壁的圆周方向均匀分布。
6.根据权利要求3所述的火焰脱硝燃烧器装置，其特征在于，还包括掺混孔(16)，
所述掺混孔设于所述火焰腔的外壁上，其连通所述空气腔与所述火焰腔，且处于所述火焰导管的下方；
所述掺混孔的数量为多个，多个掺混孔沿所述火焰腔的圆周方向均匀分布，每个掺混孔沿火焰腔的切向方向设置。
7.根据权利要求6所述的火焰脱硝燃烧器装置，其特征在于，还包括冷却腔，所述冷却腔包括第一冷却环腔(141)和第二冷却环腔(142)，
所述第一冷却环腔设于所述火焰腔与所述空气腔之间，其内设有第一冷却介质，用于对火焰腔进行冷却，
所述第二冷却环腔设于火焰腔与所述燃料喷嘴之间，其内设有第二冷却介质，用于对火焰腔进行冷却。
8.根据权利要求1-7任一项所述的火焰脱硝燃烧器装置，其特征在于，还包括伴热管(6)，
所述伴热管套设于所述物料喷嘴外，伴热管内设有保温介质，以防止物料喷嘴内的硝酸铀酰结晶。
9.根据权利要求1-7任一项所述的火焰脱硝燃烧器装置，其特征在于，所述物料喷嘴为双流体气流式雾化喷嘴或压力雾化喷嘴。
10.一种火焰脱硝系统，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的火焰脱硝燃烧器装置。
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