CN114234180B - 一种高效低氮排放的熔炼炉燃烧明火加热方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于工业炉窑技术领域，公开了一种高效低氮排放的熔炼炉燃烧明火加热方法及系统，燃烧过程包括炉内较低空气过剩系数条件下的低氮燃烧和炉外烟道区域的催化燃烧，炉内低氮燃烧可以根据炉温的高低进行分级燃烧与无焰燃烧的切换：于窑炉常温、冷态启动和低温炉膛升温阶段中，采用燃料分级、空气分级或者空气燃料双分级燃烧；于窑炉高温加热阶段，采用无焰燃烧。本发明集成了燃料分级、空气分级、无焰燃烧、催化燃烧技术的优点，在炉内燃烧区域形成分级或者无焰燃烧方式抑制氮氧化物生成，在尾部烟道区域形成催化燃烧方式消除烟气中未燃尽CO和碳黑颗粒，通过多种燃烧技术的协同克服了单一技术的缺陷，同时实现了高效、节能、低氮排放。

Description

一种高效低氮排放的熔炼炉燃烧明火加热方法及系统

技术领域

本发明属于工业炉窑技术领域，尤其涉及一种高效低氮排放的熔炼炉燃烧明火加热方法及系统。

背景技术

我国熔炼炉数量居多且分布广泛。多数熔炼炉存在能耗高、污染严重的特点，采用煤改气之后虽然大幅度降低了粉尘、二氧化硫的排放，但是气体燃料如天然气、混合煤气等燃烧时产生的氮氧化物(主要是NO)仍不容忽视。高温熔炼炉的炉膛出口烟气温度通常高达1000℃以上，为了提高热效率，降低排烟热损失，通常采用蓄热体将烟气的热量回收并预热空气，但是形成的高温空气燃烧造成了火焰峰值温度高达1800℃以上，热力NO急剧升高，氮氧化物的原始排放峰值甚至高达1000-3000mg/m³。随着我国生态文明建设的推进，工业炉窑环保标准的日益严格，现有技术要求熔炼炉NO排放浓度不得超过100mg/m³，由此可见，对于高温的工业窑炉来说，氮氧化物的治理问题迫在眉睫。除了氮氧化物排放之外，碳氢燃料的高能耗燃烧也排放了大量的CO₂，在碳中和、碳达峰背景下，如何降低燃料耗量，提升高温熔炼炉热效率，通过节能减少CO₂排放的方法非常值得关注。

氮氧化物的控制技术分为低氮燃烧技术和烟气脱硝技术，包括燃料分级燃烧、空气分级燃烧、烟气再循环燃烧以及无焰燃烧技术以及燃烧后的SNCR及SCR脱硝。分级燃烧可降低NOx排放30％-50％，烟气再循环燃烧降低NO排放15％-40％左右，但是对于分级燃烧来说一旦气流组织不好，往往会造成熄火或者CO排放浓度升高；烟气再循环如循环比例不当同样会带来燃烧不稳定，燃烧和热效率降低；无焰燃烧技术具有峰值温度相对较低、炉内反应区扩大和温度分布均匀的特性，被国际燃烧界誉为21世纪最有发展前景的燃烧技术之一，NO排放较之常规燃烧可降低70％以上，但其着火稳燃条件相对苛刻，要求炉膛壁面温度达到燃气自燃点温度以上；采用尾部SCR脱硝可以高效稳定脱除烟气中的NO，但是其应用条件也有局限，如需要具有合适的温度窗口(一般在350-420℃)、合适的催化剂组分等，同时，尾部脱硝技术还面临催化剂失效更换等运行成本昂贵的难题。

现有技术1公开了一种低NOx排放的无焰燃烧装置及其燃烧方法(申请号201911361988.3)，该装置考虑了工业窑炉常温点火和窑炉低温启动，通过设置一次空气环缝以稳定燃烧火焰，实现常温点火和低温稳定运行；并在空气总管入口处设置空气调节阀，调控一、二次空气的比例以实现燃烧装置高/低温工作模式的自由切换。但是该专利装置在低温启动阶段仅采用空气分级燃烧技术，降NOx能力有限，并且容易产生高浓度的CO和冒黑烟的现象，因此需保持较大的过量空气系数，对窑炉的热效率非常不利。

现有技术2公开了一种富氧无焰燃气燃烧器及其控制方法(申请号CN104266190A)，该装置在普通常规燃烧器上设置纯氧喷管，借助于高速氧气射流对燃烧烟气的卷吸实现无焰燃烧，达到提高温度均匀性、降低NOx排放浓度的目的。但该专利装置需要采用高速高压力的纯氧，设备及管路系统组成复杂，且运行成本较高，难以实现工业窑炉的节能和经济运行。

现有的熔炼炉虽然采用蓄热体回收烟气的大部分热量起到了较好的节能效果，但是面对目前环保日益严格、碳排放严格控制的新形势下，现有的燃烧技术还存在以下缺陷：

(1)对于蓄热式烧嘴来说，熔炼炉蓄热体仅仅回收了烟气的热焓，提升了助燃空气的预热温度，在炉内形成了高温空气燃烧，有助于提升火焰温度、炉膛平均温度以及实现低热值气体燃料的高效燃烧和利用，但是高温燃烧造成了氮氧化物的急速增长；烟气从炉膛出来，经过蓄热体吸热后的低温烟气温度通常在200～300℃之间，该部分的烟气余热通常直接散失，未加以回收利用，造成了一部分能源浪费；且由于烟气温度相对较低，工业炉窑的尾部SCR所处烟气温度区域不理想，造成SCR效率不高，且高浓度的NO经SCR进行脱除其运行成本也相对较高；同时由于工业炉窑现场空间有限，没有合适的空间喷氨和喷尿素区域，因此燃烧后加SNCR也难以实施。

(2)目前常规低氮燃烧技术主要是分级燃烧和烟气再循环燃烧及二者的结合，在蓄热式窑炉上实施的空气分级燃烧技术，降低NOx程度有限，同时窑炉往往炉内体积较之锅炉来说相对较小，如果空气和燃料的混合效果不好，还会造成烟气中CO浓度升高，降低燃烧效率且难以满足未来的严格排放要求；在蓄热式燃烧的过程中加装烟气再循环会增加燃烧器管路的复杂性，运行成本提高，同时还会带来燃烧器风机喘振、燃烧不稳定、火焰温度降低、燃烧效率降低等多种不良影响，且NOx降低程度有限。

(3)无焰燃烧虽能有效降低NOx的排放，但其形成条件相对苛刻，在窑炉常温、冷态启动以及炉膛低温升温阶段都无法稳定燃烧，仅当炉膛壁面温度达到或者超过燃气自燃点以上时，才能实现无焰燃烧。

(4)对于有色金属熔炼炉，为了保证燃烧充分，通常采用较高的空气过剩系数，炉内氧浓度将会相应上升，炉内熔融工质氧化烧损增加，产生大量的炉渣及飞灰，降低了熔融工质的产出率，使得窑炉的热经济性降低、能耗增加。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)现有蓄热式加热方法或系统仅仅回收了烟气的热焓，烟气的余热没有得到充分的利用，造成了能源浪费，燃烧过程会产生非常多的氮氧化物；SCR效率不高，且高浓度的NO经SCR进行脱除其运行成本高；同时燃烧后加SNCR难以实施。

(2)目前常规低氮燃烧技术如果要达到较低的氮氧化物排放，容易牺牲燃烧效率，在实际运行过程中难以保证空气和燃料的充分混合，且烟气中CO浓度高，燃烧效率低，难以满足未来的严格排放要求；燃烧器管路的复杂性高，运行成本高，同时还会带来燃烧器风机喘振、燃烧不稳定、火焰温度降低、燃烧效率降低等多种不良影响，且NOx降低程度有限。

(3)现有的无焰燃烧技术形成条件相对苛刻，在窑炉常温、冷态启动以及炉膛低温升温阶段都无法稳定燃烧；同时有色金属熔炼炉会产生大量的炉渣及飞灰，熔融工质的产出率低，窑炉的热经济性低、能耗大。

解决以上问题及缺陷的难度为：熔炼炉通常采用蓄热装置回收烟气携带的大部分热量，同时大幅度提升助燃空气的温度(甚至高达1000℃以上)，这将使得火焰锋面温度急剧上升和热力氧化氮大量生成。采用烟气脱硝技术存在场地受限、温度窗口不合适、经济性差等问题。在燃烧中解决并最大程度的抑制氮氧化物的生成是最经济有效方法，但是单一的低氮燃烧技术在脱硝上往往存在诸多不足：例如，不能同时兼顾高效燃烧和低氮排放；不能在整个工作周期和工艺条件下满足低氮排放的要求；在低氮燃烧过程中产生的化学不完全燃烧热损失没有得到有效控制，且不能达到对烟气余热的深度回收；

鉴于上述分析，从源头上控制氮氧化的生成是治理氮氧化物污染的首选，然而，现有的方法和技术比较单一，未能将多种低氮方法和技术进行协同，因此，无法同时解决好高效燃烧、节能和低氮排放的难题。

解决以上问题及缺陷的意义为：我国熔炼炉具有能耗高、污染物排放高的特点。从节能的角度降低熔炼炉的能耗，降低碳氢燃料的使用量，有利于我国早日实现“碳达峰”和“碳中和”，同时降低企业的生产成本；另一方面，生态文明建设也是我国的一项基本国策，随着国家及地方更加严格的大气污染物标准的出台，熔炼行业必须大力实施节能减排技术改造。本发明针对单一脱氮技术的缺陷，提出将多种燃烧技术如燃料分级、空气分级、无焰燃烧、催化燃烧进行耦合，克服了单一技术的缺陷，同时实现熔炼炉的节能和低氮排放。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种高效低氮排放的熔炼炉燃烧明火加热方法及系统。

本发明是这样实现的，一种高效低氮排放的熔炼炉燃烧明火加热方法包括：

炉内低氮燃烧和炉外烟道区域催化燃烧；其中，炉内低氮燃烧可以根据炉温的高低进行分级燃烧与无焰燃烧的切换：于窑炉常温、冷态启动和低温炉膛升温阶段中，采用分级燃烧；于窑炉高温加热阶段，采用无焰燃烧。

进一步，所述高效低氮排放的熔炼炉燃烧明火加热方法包括以下步骤：

步骤一，在窑炉常温、冷态启动和低温炉膛升温阶段中，采用燃料分级、空气分级、燃料与空气双分级燃烧进行窑炉的点火和炉膛的升温；并采用催化燃烧方式进行烟气中CO、炭烟颗粒的燃烧及脱除；

步骤二，计算入炉燃料和助燃剂的混合物的自燃着火温度，并实时监测窑炉内壁面的温度；

步骤三，判断监测的窑炉内壁面的温度是否达到所述炉燃料和助燃剂的混合物的自燃着火温度，若达到，则将分级燃烧切换为无焰燃烧；同时采用催化燃烧方式进行烟气中CO、炭烟颗粒的燃烧及脱除。

进一步，所述分级燃烧包括：空燃比或者空气过剩系数在1.1-1.15之间；

所述无焰燃烧包括：空燃比或者空气过剩系数在1.05-1.1之间。

进一步，所述燃料为天然气、管道煤气、高炉煤气、焦炉煤气、混合煤气、含氢燃气、液化石油气以及碳氢燃料；

所述助燃剂或者助燃风包括：空气、氧含量高于21％的富氧空气、氧气、氧气与稀释介质，所述稀释介质由氮气、二氧化碳、水蒸气组成的混合物。

本发明另一目的在于提供一种高效低氮排放的熔炼炉燃烧明火加热系统包括：

高效低氮排放的熔炼炉燃烧明火加热装置与监测控制模块；

高效低氮排放的熔炼炉燃烧明火加热装置，包括：熔炼炉本体、分级无焰耦合燃烧器、蓄热装置、催化燃烧装置、烟气余热回收装置、送风机、引风机、烟囱；用于进行燃气的分级燃烧与无焰燃烧；

监测控制模块，用于监测炉内壁面温度、燃烧系统尾部氧量；同时用于控制调节分级无焰燃烧器各燃气管道上的阀门开度与切换。

进一步，所述高效低氮排放的熔炼炉燃烧明火加热装置设置有：

熔炼炉本体；

所述熔炼炉本体一端连接有分级无焰耦合燃烧器；所述分级无焰耦合燃烧器用于根据炉内温度进行燃烧状态切换；

所述熔炼炉本体另一端连接有蓄热装置的一端；

所述蓄热装置的另一端连接有用于燃烧脱除CO和未燃尽的碳烟颗粒的催化燃烧装置；

所述催化燃烧装置的另一端与烟气余热回收装置的一端连接；所述催化燃烧装置设置有烟气进口、烟气出口；

所述烟气余热回收装置，用于利用相变换热器、间壁式换热器、翅片管换热器、真空热管式换热器将催化燃烧后的烟气冷却至105℃-120℃，同时回收烟气的余热并用于预热来自送风机的助燃剂或助燃风；

所述烟气余热回收装置设置有烟气入口和出口、助燃剂或者助燃风的入口和出口；

所述烟气余热回收装置的另一端与所述引风机的一端相连接；所述引风机的另一端连接有烟囱。

进一步，所述熔炼炉包括：加热炉、熔铝炉、焙烧炉、热处理炉、煅烧炉。

进一步，所述分级无焰耦合燃烧器包括：

分级燃烧燃气管道、分级燃烧燃气阀、一次风通道、二次风通道、预燃室、无焰燃烧燃气管道、无焰燃烧燃气阀；

分级燃烧燃气管道包括空气分级燃烧中心燃气管道和燃料分级燃烧燃气管道；所述空气分级燃烧中心燃气管道位于所述分级无焰耦合燃烧器中心；所述燃料分级燃烧燃气管道位于二次风通道内部；所述分级燃烧燃气管道上设置有分级燃烧燃气阀；

所述空气分级燃烧中心燃气管道用于将燃气站的燃气输送至预燃室；

一次风通道，用于将来自蓄热装置的一次风输送至预燃室；

预燃室，用于进行燃气与一次风的燃烧；

二次风通道，位于所述预燃室的外侧；所述二次风通道外部设置有无焰燃烧燃气管道；

所述无焰燃烧燃气管道上设置有无焰燃烧燃气阀。

进一步，将分级燃烧切换为无焰燃烧的方法和手段为：关闭分级燃烧燃气阀，打开无焰燃烧燃气阀。

进一步，所述蓄热装置一端与熔炼炉本体的炉膛出口烟道相连接，所述蓄热装置另一端与所述催化燃烧装置相连；

所述蓄热装置，用于将炉膛流出的高温烟气的物理显热进行短暂储存；

所述蓄热装置包括蓄热体材料；

所述蓄热体材料包括粘土质、刚玉质、莫来石质、锆英石质、钛酸铝质和堇青石质以及其他陶瓷材料；

所述蓄热体形状包括但不限于八字形、蜂窝状、球状；

所述催化燃烧装置中填充有催化剂；

所述催化剂由催化剂载体与催化剂活性成分组成；

所述催化剂载体包括但不限于氧化铝、活性炭、分子筛、碳化硅；

催化剂的活性组分包括：非贵金属Cu、Cr、Co、Ni、Mo、Fe、V、Ti、Zr和贵金属Au、Pt、Pd、Rh及稀土元素Ce、La、Y、Nd中的一种或者几种。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：

本发明的核心在于将各种技术通过提出的方法进行组合实现节能高效低氮燃烧，该技术包括2个部分，炉内和炉外，炉内可以分为2种燃烧方式。

本发明提供了一种高效低氮排放的熔炼炉燃烧明火加热方法及系统，能够实现高温熔炼炉的高效燃烧、低氮排放，同时提高整个熔炼炉加热系统的效率，达到降低燃料消耗、节约能源以及降低氮氧化物和二氧化碳的排放目的。

采用本发明所提供的技术改造后，与原熔炼炉相比，技术效果如下：窑炉的整体热效率提高5％以上，排烟温度下降50-150℃，氧化烧损降低5％以上，一氧化氮(NO)的排放浓度降低60％以上，一氧化碳的排放浓度降低50％以上。

本发明集成了燃料分级燃烧、空气分级燃烧、无焰燃烧、催化燃烧技术的优点，在炉内燃烧区域形成分级或者无焰燃烧方式抑制氮氧化物生成，在尾部烟道区域形成催化燃烧方式消除烟气中未燃尽CO和碳黑颗粒，通过多种燃烧技术的协同克服了单一技术的缺陷，可以实现熔炼炉的高效燃烧，同时大幅度降低氮氧化物的排放，实现了高效、节能、低氮排放。

本发明克服了单一低氮燃烧技术存在的局限和不足，将燃料分级、空气分级燃烧、无焰燃烧和催化燃烧有机结合在一起，形成炉内的预混、扩散燃烧区(分级、无焰燃烧方式)和尾部烟道的低温燃烧区(催化燃烧方式)，不需要脱硝装置即可实现氮氧化物的低排放，整个熔炼周期氮氧化物排放浓度不超过200mg/m³。

本发明在整个燃烧过程中采取低的空气过剩系数，通常工业窑炉的空气过剩系数在1.2以上，目的是保证燃料的充分燃烧。本发明提出采用低过剩系数1.05-1.15进行燃烧，同时在烟道中布置催化剂实施催化燃烧，一方面低过剩空气系数可以降低氮氧化物的生成，与此同时，空气过剩系数降低后由此造成的炉内未完全燃烧的CO、碳氢物质等在尾部烟道区域催化剂、烟气中残余氧共同作用下发生氧化反应，保证了燃烧高效，有利于节省燃料，使尾部烟气中CO排放浓度不超过10mg/m³。

本发明在点火启动、升温过程采用分级燃烧方式，结合图4，其降氮原理可以简述如下：分级燃烧燃气管道包括空气分级燃烧中心燃气管道和燃料分级燃烧燃气管道，助燃剂或者助燃风通道包括一次风通道和二次风通道，中心燃气和一次风在预燃室混合燃烧，其余燃料和供风从二次风通道进入炉膛燃烧，从而使得燃料和氧化剂处于偏离理论空燃比状态下燃烧，使反应区分散，火焰温度降低，同时在炉内贫氧区形成弱还原性气氛，使部分已经产生的NO还原为N₂，从而在总量上控制NO的生成和排放浓度。该种空气和燃料同时分级的燃烧方式在低过剩空气系数下降氮效果更为明显。

本发明当窑炉壁温达到或超过燃料自燃着火温度时，切换为无焰燃烧方式，结合图5，其降氮原理可以简述如下：助燃风、燃料高速进入炉膛，导致炉膛下游的热烟气向上游流动，即形成烟气内循环。回流至上游的热烟气迅速将助燃风、燃料进行稀释并预热，燃料的氧化将发生在低氧的氛围下，燃烧温度峰值将被显著抑制，同时炉膛整体温度分布均匀性将提高，热力型NO大幅度下降，并且低过剩空气系数进一步抑制了NO的生成，实现氮氧化物排放浓度低于100mg/m³。

本发明的尾部催化燃烧装置，不仅能实现烟气中CO、未燃尽碳颗粒的高效燃烧脱除，同时对NO也能起到脱除作用，通过改变催化剂的活性组分还可以达到同时高效脱除CO和NO的效果。

本发明采用低空气过剩系数有助于减少烟气量，进而减少排烟热损失，与此同时，通过蓄热装置一级吸收并存储烟气热量，同时在烟道上设置二级换热器，进一步深度回收烟气余热以及催化燃烧后的放热，将烟气温度降低到120℃以下。

本发明采用的无焰燃烧具有火焰面峰值温度降低、炉内平均温度略有升高，炉内温度分布均匀，同时采用低空气过剩系数，炉内形成低氧状态，提升工质加热质量，进而减少了熔渣的产生量，氧化烧损量降低5％以上。

本发明整套系统耦合分级燃烧、无焰燃烧和催化燃烧三种燃烧方式，并且炉内燃烧方式可以根据炉膛壁温进行自动控制和切换，实现窑炉运行全过程氮氧化物排放始终控制在较低范围内。

本发明和单纯的降低空气过剩系数来控制NOx的系统相比，造成不完全燃烧热损失得到避免，和简单的燃烧器分级燃烧相比，可以在高温加热阶段更好的控制NO的生成，和单纯的无焰燃烧器相比，避免了常温启动的不稳定和熄火问题。

附图说明

图1是本发明实施例提供的高效低氮排放的熔炼炉燃烧明火加热方法流程图。

图2是本发明实施例提供的高效低氮排放的熔炼炉燃烧明火加热系统组成图。

图中：1、分级燃烧燃气管道；2、分级燃烧燃气阀；3、无焰燃烧燃气管道4、无焰燃烧燃气阀；5、分级无焰耦合燃烧器；6、熔炼炉本体；7、蓄热装置；8、催化燃烧装置；9、烟气余热回收装置；10、监测控制装置；11、燃气站12、送风机；13、引风机；14、烟囱。

图3是本发明实施例提供的分级与无焰耦合燃烧器结构图。

图中：5-1、空气分级燃烧中心燃气管道；5-2、燃料分级燃烧燃气管道；5-3、无焰燃烧燃气管道；5-4、一次风通道；5-5、二次风通道；5-6、预燃室。

图4是本发明实施例提供的分级燃烧降氮原理图。

图5是本发明实施例提供的无焰燃烧降氮原理图。

图6是本发明实施例提供的高效低氮排放的熔铝炉燃烧明火加热系统示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种高效低氮排放的熔炼炉燃烧明火加热方法及系统，下面结合附图对本发明作详细的描述。

本发明提供一种高效低氮排放的熔炼炉燃烧明火加热方法包括：

炉内低氮燃烧和炉外烟道区域催化燃烧；其中，炉内低氮燃烧可以根据炉温的高低进行分级燃烧与无焰燃烧的切换：于窑炉常温、冷态启动和低温炉膛升温阶段中，采用分级燃烧；于窑炉高温加热阶段，采用无焰燃烧。

如图1所示，高效低氮排放的熔炼炉燃烧明火加热方法包括以下步骤：

S101，在窑炉常温、冷态启动和低温炉膛升温阶段中，采用燃料分级、空气分级、燃料与空气双分级燃烧进行窑炉的点火和炉膛的升温；并采用催化燃烧方式进行烟气中CO、炭烟颗粒的燃烧及脱除；

S102，计算入炉燃料和助燃剂的混合物的自燃着火温度，并实时监测窑炉内壁面的温度；

S103，判断监测的窑炉内壁面的温度是否达到所述炉燃料和助燃剂的混合物的自燃着火温度，若达到，则将分级燃烧切换为无焰燃烧；同时采用催化燃烧方式进行烟气中CO、炭烟颗粒的燃烧及脱除。

本发明实施例提供的分级燃烧包括：空燃比或者空气过剩系数在1.1-1.15之间。

本发明实施例提供的无焰燃烧包括：空燃比或者空气过剩系数在1.05-1.1之间。

本发明实施例提供的燃料为天然气、管道煤气、高炉煤气、焦炉煤气、混合煤气、含氢燃气、液化石油气以及碳氢燃料；

所述助燃剂或者助燃风包括但不限于：空气、氧含量高于21％的富氧空气、氧气、氧气与稀释介质，所述稀释介质由氮气、二氧化碳、水蒸气组成的混合物。

如图2至图6所示，本发明实施例提供的高效低氮排放的熔炼炉燃烧明火加热系统设置有：

高效低氮排放的熔炼炉燃烧明火加热装置与监测控制模块；

高效低氮排放的熔炼炉燃烧明火加热装置，包括：熔炼炉本体、分级无焰耦合燃烧器、蓄热装置、催化燃烧装置、烟气余热回收装置、引风机、烟囱；用于进行燃气的分级燃烧与无焰燃烧；

监测控制模块，用于监测炉内壁面温度、燃烧系统尾部氧量；同时用于控制调节分级无焰燃烧器各燃气管道上的阀门开度与切换。

本发明实施例提供的高效低氮排放的熔炼炉燃烧明火加热装置设置有：

熔炼炉本体6；

熔炼炉本体6一端连接有分级无焰耦合燃烧器5；分级无焰耦合燃烧器5用于根据炉内温度进行燃烧状态切换；

熔炼炉本体6另一端连接有蓄热装置7的一端；

蓄热装置7的另一端连接有用于燃烧脱除CO和未燃尽的碳烟颗粒的催化燃烧装置8；

催化燃烧装置8的另一端与烟气余热回收装置9的一端连接；催化燃烧装置8设置有烟气进口、烟气出口；

烟气余热回收装置9，用于利用相变换热器、间壁式换热器、翅片管换热器、真空热管式换热器将催化燃烧后的烟气冷却至105℃-120℃，同时回收烟气的余热并用于预热来自送风机的助燃剂或助燃风；烟气余热回收器9设置有烟气入口和出口、助燃剂或者助燃风的入口和出口；

烟气余热回收装置9的另一端与引风机13的一端相连接；引风机13的另一端连接有烟囱14。

本发明实施例提供的熔炼炉包括但不限于：加热炉、熔铝炉、焙烧炉、热处理炉、煅烧炉。

本发明实施例提供的分级无焰耦合燃烧器5包括：

与分级燃烧燃气管道1、分级燃烧燃气阀2相连接的空气分级燃烧中心燃气喷管5-1和燃料分级燃烧燃气喷管5-2；

与无焰燃烧燃气管道3、无焰燃烧燃气阀4相连接的无焰燃烧燃气喷管5-3；

与蓄热装置7相连的助燃风通过一次风通道5-4、二次风通道5-5进入预燃室5-6和熔炼炉6；

空气分级燃烧中心燃气喷管5-1位于分级无焰耦合燃烧器5中心；燃料分级燃烧燃气喷管5-2位于二次风通道5-5内部；

空气分级燃烧中心燃气喷管5-1用于将燃气站的燃气输送至预燃室5-6；

一次风通道5-4，用于将来自蓄热装置的一次风输送至预燃室5-6；

预燃室5-6，用于进行燃气与一次风的燃烧；

二次风通道5-5，位于预燃室5-6的外侧；二次风通道5-5外部设置有无焰燃烧燃气喷管5-3；

本发明实施例提供的蓄热装置一端与熔炼炉本体的炉膛出口烟道相连接，所述蓄热装置另一端与所述催化燃烧装置相连；

本发明实施例提供的蓄热装置7，用于将炉膛流出的高温烟气的物理显热进行短暂储存。

蓄热装置7包括蓄热体材料；蓄热体材料包括粘土质、刚玉质、莫来石质、锆英石质、钛酸铝质和堇青石质以及其他陶瓷材料；蓄热体形状包括但不限于八字形、蜂窝状、球状。

本发明实施例提供的催化燃烧装置8中填充有催化剂；

催化剂由催化剂载体与催化剂活性成分组成；

催化剂载体包括但不限于氧化铝、活性炭、分子筛、碳化硅；

催化剂的活性组分包括但不限于：非贵金属Cu、Cr、Co、Ni、Mo、Fe、V、Ti、Zr和贵金属Au、Pt、Pd、Rh及稀土元素Ce、La、Y、Nd中的一种或者几种。

下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。

实施例1：

进一步地，分级无焰耦合燃烧器如图3所示，包括空气分级燃烧中心燃气喷管、燃料分级燃烧燃气喷管、无焰燃烧燃气喷管、一次风通道、二次风通道、预燃室。所述空气分级燃烧中心燃气喷管位于燃烧器中心，与来自蓄热装置的一次风在预燃室中燃烧；二次风通道布置于预燃室的外侧，燃料分级燃烧燃气喷管位于二次风通道内部；所述无焰燃烧燃气喷管位于二次风通道外部，用于实现无焰燃烧。

进一步地，所述催化燃烧装置为烟气中CO、未燃尽碳颗粒脱除装置，填充有催化剂，催化剂载体包括但不限于氧化铝、活性炭、分子筛、碳化硅等。催化剂的活性组分包括但不限于：非贵金属Cu、Cr、Co、Ni、Mo、Fe、V、Ti、Zr和贵金属Au、Pt、Pd、Rh及稀土元素Ce、La、Y、Nd中的一种或者几种。

实施例2：

分级无焰耦合燃烧器5设有空气分级燃烧中心燃气喷管5-1和燃料分级燃烧燃气喷管5-2，无焰燃烧燃气喷管5-3，一次风通道5-4和二次风通道5-5，预燃室5-6。催化燃烧装置8设有烟气进口、烟气出口，烟气余热回收器9均设有烟气入口、烟气出口、空气入口、空气出口。

采用天然气作为燃料，天然气由燃气站11供应。窑炉常温启动和低温升温阶段，采用分级燃烧，此时分级燃烧燃气调节阀2全开，燃料从空气分级中心燃气喷管5-1送入预燃室，与一次风5-4在预燃室5-6中燃烧，燃料分级燃气喷管5-2与二次风5-5直接送入熔铝炉6，在炉膛内形成空气分级与燃料分级耦合燃烧方式，采用过剩空气系数1.1-1.15，天然气在熔铝炉6内燃烧后经炉膛出口进入蓄热装置7，

当监测控制系统检测到炉膛内壁温度达到天然气的着火点时，监测控制系统关闭分级燃烧燃气阀2，无焰燃气阀4全开，此时燃气全部从无焰燃烧燃气喷管5-3供入炉膛，同时一次风5-4和二次风5-5也直接供入炉膛，在炉膛内形成无焰燃烧，进入高温加热阶段，

送风机12为熔铝炉的供风设备，根据燃烧需要采用监测控制系统控制调节风量；将常温空气送入烟气余热回收装置9中预热，再进入蓄热装置7中被加热为高温空气，然后进入分级无焰耦合燃烧器5，在分级无焰耦合燃烧器5中被隔离形成一次风5-4和二次风5-5，在分级燃烧时一次风与中心燃气在预燃室5-6中燃烧，无焰燃烧时一次风、二次风均在在炉膛内部和燃料混合燃烧。

实施例3：

以熔铝炉为例，如图5-图6所示，一种高效低氮排放的熔铝炉燃烧明火加热系统，包括分级燃烧燃气管道1、分级燃烧燃气阀2、无焰燃烧燃气管道3、无焰燃烧燃气阀4、分级无焰耦合燃烧器5、熔炼炉本体6、蓄热装置7、催化燃烧装置8、烟气余热回收器9、监测控制装置10、燃气站11、送风机12、引风机13、烟囱14。

分级无焰耦合燃烧器5设有空气分级燃烧中心燃气管道5-1和燃料分级燃烧燃气管道5-2，无焰燃烧燃气管道5-3，一次风通道5-4和二次风通道5-5，预燃室5-6。催化燃烧装置8设有烟气进口、烟气出口，烟气余热回收器9均设有烟气入口、烟气出口、空气入口、空气出口。

采用天然气作为燃料，天然气由燃气站11供应。窑炉常温启动和低温升温阶段，采用分级燃烧，此时分级燃烧燃气调节阀2全开，燃料从空气分级中心燃气管道5-1送入预燃室，与一次风5-4在预燃室5-6中燃烧，燃料分级燃气管道5-2与二次风5-5直接送入熔铝炉6，在炉膛内形成空气分级与燃料分级耦合燃烧方式，采用过剩空气系数1.1-1.15，天然气在熔铝炉6内燃烧后经炉膛出口进入蓄热装置7，蓄热装置将烟气中70％-90％的热量进行暂时储存，从蓄热装置7出来的温度为200-300℃的低温烟气进入催化燃烧装置8，烟气中未燃尽的CO、炭黑颗粒在催化燃烧中进行高效燃烧脱除，同时部分NO也在催化剂的作用下得以还原，实现常温点火和低温升温阶段的NOx减排，从催化燃烧装置8出来的烟气进入热管式烟气余热回收装置9，常温空气被预热至85-105℃，烟气温度被冷却至105-120℃。

当监测控制系统检测到炉膛内壁温度达到天然气的着火点时，监测控制系统关闭分级燃烧燃气阀2，无焰燃气阀4全开，此时燃气全部从无焰燃烧燃气管道5-3供入炉膛，同时一次风5-4和二次风5-5也直接供入炉膛，在炉膛内形成无焰燃烧，进入高温加热阶段，高温加热阶段炉膛温度较高、烟气温度较高，空气经蓄热装置7预热温度可达800-1000℃，此时采用过剩空气系数1.05-1.1。选择较低的过量空气系数时，能够保证炉内工质表面氧浓度始终处于较低状态，有效减少加热工质的氧化烧损，同时减少NOx的生成。烟气经真空热管式烟气余热回收器9冷却后经引风机13由烟囱14排空。

采用以铜基金属/氧化物为主要活性物质的CO、碳烟低温燃烧催化剂，从蓄热装置3流出烟气进入催化燃烧装置4，未完全燃烧的CO和碳烟得到高效燃烧脱除。

在熔炼炉加热系统中采用实时监测控制技术，在炉膛内设有温度测点(T_lb)、烟气余热回收器后设有烟气测点(P_O2)，实时测量燃烧温度、烟气组分(O₂、CO和NO)的浓度，以及在线监测燃料、供风、烟气的流量和温度；通过自动反馈控制实现熔铝炉加热系统高效稳定运行。

送风机12为熔铝炉的供风设备，根据燃烧需要采用监测控制系统控制调节风量；将常温空气送入烟气余热回收装置9中预热，再进入蓄热装置7中被加热为高温空气，然后进入分级无焰耦合燃烧器5，在分级无焰耦合燃烧器5中被隔离形成图3中一次风5-4和二次风5-5，在分级燃烧时一次风与中心燃气在预燃室5-6中燃烧，无焰燃烧时一次风、二次风均在炉膛内部和燃料混合燃烧。

当熔铝炉的热负荷升高或者降低时，基于熔铝炉系统的能量平衡模型，以熔炼炉系统的热效率最高、污染物(NO、CO)排放最小来进行优化，保证整套熔铝炉系统的高效稳定运行。

根据GB/T 2587-2009热设备能量平衡通则、GB/T 13338-2018工业炉热平衡测定与计算基本准则，对常规蓄热式熔铝炉和采用本发明高效低氮燃烧方法进行改造后的运行参数进行比较，结果见表1，从表1可以看出，采用本发明之后，热效率从60％提升到65％，排烟温度降低100℃左右，燃烧效率得到明显改善，氮氧化物的浓度减排70％以上。

表1采用本发明后的有益效果

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”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，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高效低氮排放的熔炼炉燃烧明火加热方法，其特征在于，所述高效低氮排放的熔炼炉燃烧明火加热方法包括：

炉内低氮燃烧和炉外烟道区域催化燃烧；其中，炉内低氮燃烧根据炉温的高低进行分级燃烧与无焰燃烧的切换：于窑炉常温、冷态启动和低温炉膛升温阶段中，采用分级燃烧；于窑炉高温加热阶段，采用无焰燃烧；

所述高效低氮排放的熔炼炉燃烧明火加热方法包括以下步骤：

步骤一，在窑炉常温、冷态启动和低温炉膛升温阶段中，采用燃料分级、空气分级、燃料与空气双分级燃烧进行窑炉的点火和炉膛的升温；并采用催化燃烧方式进行烟气中CO、炭烟颗粒的燃烧及脱除；

步骤二，计算入炉燃料和助燃剂的混合物的自燃着火温度，并实时监测窑炉内壁面的温度；

步骤三，判断监测的窑炉内壁面的温度是否达到所述入炉燃料和助燃剂的混合物的自燃着火温度，若达到，则将分级燃烧切换为无焰燃烧；同时采用催化燃烧方式进行烟气中CO、炭烟颗粒的燃烧及脱除。

2.如权利要求1所述高效低氮排放的熔炼炉燃烧明火加热方法，其特征在于，所述分级燃烧包括：空燃比或者空气过剩系数在1.1-1.15；

所述无焰燃烧包括：空燃比或者空气过剩系数在1.05-1.1。

3.如权利要求1所述高效低氮排放的熔炼炉燃烧明火加热方法，其特征在于，所述燃料为天然气、管道煤气、高炉煤气、焦炉煤气、混合煤气、含氢燃气、液化石油气以及碳氢燃料；

所述助燃剂包括：空气、氧含量高于21％的富氧空气、氧气、氧气与稀释介质，所述稀释介质由氮气、二氧化碳、水蒸气组成的混合物。

4.一种实施如权利要求1-3任意一项所述高效低氮排放的熔炼炉燃烧明火加热方法的高效低氮排放的熔炼炉燃烧明火加热系统，其特征在于，所述高效低氮排放的熔炼炉燃烧明火加热系统包括：

高效低氮排放的熔炼炉燃烧明火加热装置与监测控制模块；

高效低氮排放的熔炼炉燃烧明火加热装置，包括：熔炼炉本体、分级无焰耦合燃烧器、蓄热装置、催化燃烧装置、烟气余热回收装置、送风机、引风机、烟囱；用于进行燃气的分级燃烧与无焰燃烧；

监测控制模块，用于监测炉内壁面温度、燃烧系统尾部氧量；同时用于控制调节分级无焰燃烧器各燃气管道上的阀门开度与切换。

5.如权利要求4所述高效低氮排放的熔炼炉燃烧明火加热系统，其特征在于，所述高效低氮排放的熔炼炉燃烧明火加热装置设置有：

熔炼炉本体；

所述熔炼炉本体一端连接有分级无焰耦合燃烧器；所述分级无焰耦合燃烧器用于根据炉内温度进行燃烧状态切换；

所述熔炼炉本体另一端连接有蓄热装置的一端；

所述蓄热装置的另一端连接有用于燃烧脱除CO和未燃尽的碳烟颗粒的催化燃烧装置；

所述催化燃烧装置的另一端与烟气余热回收装置的一端连接；所述催化燃烧装置设置有烟气进口、烟气出口；

所述烟气余热回收装置，用于利用相变换热器、间壁式换热器、翅片管换热器、真空热管式换热器将催化燃烧后的烟气冷却至105℃-120℃，同时回收烟气的余热并用于预热来自送风机的助燃剂或助燃风；

所述烟气余热回收装置设置有烟气入口和出口、助燃剂或者助燃风的入口和出口；

所述烟气余热回收装置的另一端与所述引风机的一端相连接；所述引风机的另一端连接有烟囱。

6.如权利要求5所述高效低氮排放的熔炼炉燃烧明火加热系统，其特征在于，所述熔炼炉包括：加热炉、熔铝炉、焙烧炉、热处理炉、煅烧炉。

7.如权利要求5所述高效低氮排放的熔炼炉燃烧明火加热系统，其特征在于，所述分级无焰耦合燃烧器包括：

分级燃烧燃气管道、分级燃烧燃气阀、一次风通道、二次风通道、预燃室、无焰燃烧燃气管道、无焰燃烧燃气阀；

分级燃烧燃气管道包括空气分级燃烧中心燃气管道和燃料分级燃烧燃气管道；所述空气分级燃烧中心燃气管道位于所述分级无焰耦合燃烧器中心；所述燃料分级燃烧燃气管道位于二次风通道内部；所述分级燃烧燃气管道上设置有分级燃烧燃气阀；

所述空气分级燃烧中心燃气管道用于将燃气站的燃气输送至预燃室；

一次风通道，用于将来自蓄热装置的一次风输送至预燃室；

预燃室，用于进行燃气与一次风的燃烧；

二次风通道，位于所述预燃室的外侧；所述二次风通道外部设置有无焰燃烧燃气管道；

所述无焰燃烧燃气管道上设置有无焰燃烧燃气阀。

8.如权利要求5所述高效低氮排放的熔炼炉燃烧明火加热系统，其特征在于，将分级燃烧切换为无焰燃烧的方法和手段为：关闭分级燃烧燃气阀，打开无焰燃烧燃气阀。

9.如权利要求5所述高效低氮排放的熔炼炉燃烧明火加热系统，其特征在于，所述蓄热装置一端与熔炼炉本体的炉膛出口烟道相连接，所述蓄热装置另一端与所述催化燃烧装置相连；

所述蓄热装置，用于将炉膛流出的高温烟气的物理显热进行短暂储存；

所述蓄热装置包括蓄热体材料；

所述蓄热体材料包括粘土质、刚玉质、莫来石质、锆英石质、钛酸铝质和堇青石质；

所述蓄热体形状包括但不限于八字形、蜂窝状、球状；

所述催化燃烧装置中填充有催化剂；

所述催化剂由催化剂载体与催化剂活性成分组成；

所述催化剂载体包括但不限于氧化铝、活性炭、分子筛、碳化硅；

催化剂的活性组分包括：非贵金属Cu、Cr、Co、Ni、Mo、Fe、V、Ti、Zr和贵金属Au、Pt、Pd、Rh及稀土元素Ce、La、Y、Nd中的一种或者几种。

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