CN114234187A - 一种用于加热炉高速低氮燃烧器及其燃烧方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于加热炉的高速低氮燃烧器，其包括下直筒，下直筒的内部设置有中心枪，中心枪的内部设置有中心燃料枪和点火枪，中心燃料枪和点火枪的前端均设置在火焰稳定装置上，火焰稳定装置设置在中心枪前端的开口处，中心枪的侧面上设置有第一进风口，下直筒的侧面上设置有第二进风口，下直筒内设置有若干第一燃料枪，且若干第一燃料枪均匀环布在中心枪的四周，下直筒、中心枪、中心燃料枪和若干第一燃料枪的端口均位于同侧；本方案采用分级燃烧的降氮策略，把燃烧的混合气体沿轴向分为三级燃烧，形成中心向外层发散的火焰，使本方案的燃烧器具有降低氧化烧损率、降低热力型氮氧化物的生成、提高钢坯成材率的作用。
Description
技术领域
本发明涉及燃烧器技术领域，具体涉及一种用于加热炉高速低氮燃烧器及其燃烧方法。
背景技术
在冶金行业生产过程中，热轧加热炉是耗能大户，目前步进加热炉精细化控制还存在很大提升空间，提高加热炉控制精度，减少能源浪费和产品损耗，对整个冶金行业降碳和降氮都具有十分重要的意义；常规步进加热炉是指形状基本一致的板坯，在加热炉内部不断移动，从加热炉入口在滚轮的带动下移动到出口处，再次过程中加热炉底部，顶部特定位置布置的燃烧器燃烧产的的火焰加热炉钢坯，达到特定的工艺要求温度。
目前，国内冶金行业步进加热炉主要采用的是常规燃烧器，该类燃烧器结构简单，组织燃烧技术较低，其表现为主要靠辐射形式换热，能源利用率较低，绝大多数热量随着烟气排放，炉内热效率基本在50％左右；此外，加热炉加热钢坯过程中由于燃烧温度大于1800℃，不同燃烧器产品燃烧温度可能更高，这就造成钢坯加热过程中表面会跟加热炉未参与燃烧反应的氧气发生反应，生成氧化铁类产物，造成钢坯产品的损耗。而控制氧化烧损的程度，燃烧器的精确组织燃烧技术是关键。
现提出一种高速低氮燃烧器解决冶金常规步进加热炉工艺存在的能耗高，碳排放高，氮氧化物排放高，钢坯氧化烧损率高的问题，通过对步进加热炉核心设备燃烧器进行技术开发，通过提升核心燃烧设备和系统技术水平，从而提高整个步进加热炉的工艺水平，实现冶金钢铁生产过程中大幅度降碳，降氮和提高产品成材率。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种分级燃烧的用于加热炉的高速低氮燃烧器及其燃烧方法。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：
提供一种用于加热炉的高速低氮燃烧器，其包括下直筒，下直筒的内部设置有中心枪，中心枪的内部设置有中心燃料枪和点火枪，中心燃料枪和点火枪的前端均设置在火焰稳定装置上，火焰稳定装置设置在中心枪前端的开口处，中心枪的侧面上设置有第一进风口，下直筒的侧面上设置有第二进风口，下直筒内设置有若干第一燃料枪，且若干第一燃料枪均匀环布在中心枪的四周，下直筒、中心枪、中心燃料枪和若干第一燃料枪的端口均与下直筒的端口同侧，下直筒的端口处设置有收缩流道，下直筒的端口处套设有罩筒，罩筒与下直筒之间的间隙处设置有若干第二燃料枪，且若干第二燃料枪均匀环布在下直筒的四周。
进一步地，下直筒呈一端开口的圆柱状，收缩流道为两端开口的圆台状。
进一步地，中心燃料枪和第一燃料枪的端头均为半球状，且中心燃料枪和第一燃料枪的端头上均设置有若干沿周向均匀排布的第一喷孔，若干第一喷孔的喷射方向均呈伞状扩散分布。
进一步地，第二燃料枪的前端设置有第二喷孔，第二喷孔向收缩流道的端口倾斜设置，若干第二喷孔均匀环布在收缩流道的四周。
进一步地，第二燃料枪上设置有第三喷孔，第三喷孔与第二燃料枪垂直，收缩流道上的周向上设置有若干均匀排布的通孔，若干第三喷孔的喷射方向分别贯穿若干通孔。
进一步地，火焰稳定装置呈圆台状，火焰稳定装置上设置有点火枪避让孔和若干通气孔，若干通气孔在火焰稳定装置的周向上均匀排布。
进一步地，中心燃料枪设置在中心枪内部的中心处，中心枪设置在下直筒内部的中心处。
提供一种用于加热炉的高速低氮燃烧器的燃烧方法，其包括以下步骤：
S1：打开第一进风口，引入空气至中心枪内；
S2：中心燃料枪将燃气喷至中心枪的端口处，使燃气与空气在火焰稳定装置处进行混合；
S3：控制第一进风口的空气引入量，在中心枪的端口处形成空气过剩系数为1.05-1.4的混合燃气；
S4：通过点火枪进行点火，使混合燃气在中心枪的端口处形成一次燃烧；
S5：打开第二进风口引入助燃空气至下直筒内；
S6：第一燃料枪将燃气喷至下直筒的端口处，使第一燃料枪喷出的燃气与助燃空气以及中心枪端口处进行一次燃烧的烟气进行混合，形成二次燃烧；
S7：第二燃料枪将燃气喷至收缩流道的端口处，使第二燃料枪喷出的燃气与下直筒内喷出的一次燃烧和二次燃烧的烟气混合，形成三次燃烧，最终喷出高稳定性、高刚度的火焰。
本发明的有益效果为：
1.本方案采用分级燃烧的降氮策略，把燃烧的混合气体沿轴向分为三级燃烧，由内而外分别为中心燃料枪喷出燃气形成的一次燃烧区、第一燃料枪喷出燃气形成的二次燃烧区以及第二燃料枪喷出燃气形成的三次燃烧区，形成中心向外层发散的火焰，每一级混合气体中燃气与空气的混合都偏离化学当量比，使得各部分火焰都处于贫燃或者富燃状态，降低燃烧温度，从而达到降低热力型氮氧化物的目的。
2.第一燃料枪确保的火焰温度和形状的稳定，防止回火，保证了整个火焰的刚性；第一燃料枪上的若干第一喷孔的喷射方向呈伞状扩散分布，保证了火焰在设计的形状下充分燃烧，二次燃烧区作为主要燃料的燃烧部位，第二燃料枪的第二喷孔向收缩流道的端口倾斜设置，使第二燃料枪喷出的燃气与收缩流道端口处的二次燃烧的烟气混合，并形成三次燃烧；同时为了提高火焰刚性的工艺要求，可以向内侧延长第二燃料枪的长度，确保径向和轴向的火焰尺寸，提高火焰在加热过程中温度分布更为均匀；采用本方案的多级燃烧组织方式，可以有效控制火焰内部温度分布均匀，避免产生局部过热点；另外，本方案的燃烧方式中还原性燃料气在外侧，将助燃氧气包裹在火焰内侧，这种燃烧组织方式，最大幅度减小氧气与钢坯材料接触，减小高温过程中产生的氧化损耗。提高钢坯加热工艺的成材率。
3.中心燃料枪和第一燃料枪上的若干第一喷孔将燃气由单股分散为多股，形成伞状扩散分布，且若干第一燃料枪和若干第二燃料枪均沿周向均匀分布，将燃气进行分级、分散的喷出，从而增大了火焰与空气的接触面积，也增大了加热面积，降低了局部火焰温度，使得燃烧区域的热负荷分布均匀。
4.本方案针对冶金行业步进加热炉工艺对燃烧器的要求，进行了针对性的开发，采用高速射流方式，提高火焰和高温烟气流速，强化步进加热炉炉内对流传热强度；本方案采用燃料分级和贫燃部分预混等技术，降低了氮氧化物的生成；本方案通过燃料枪和空气流量控制，可以协同控制步进加热炉炉内温度，从而可以调控氧化铁皮产生过程，从而降低氧化烧损率，提高钢坯成材率，从降碳、降氮和提高产量的方面创造价值。
5.混合气体在下直筒内燃烧并剧烈膨胀，之后经过下直筒端口的收缩流道，喷出的烟气为高速烟气，烟气在加热炉内可形成强烈的回流以及搅拌作用，强烈换热使得加热炉内的温度分布均匀，由于强烈的混合可以控制燃料中氧气浓度最小，加之烟气在高温区停留时间较短，因此可以抑制氮氧化物的生成。
6.第二燃料枪通过第三喷孔将燃气喷出，燃气通过收缩流道上的通孔，进入收缩流道内进行助燃，增强了收缩流道内火焰的延展性、稳定性和刚性。
附图说明
图1为本方案的结构示意图。
图2为图1的立体剖视图。
图3为图1的平面剖视图。
图4为图1的端面图。
其中，1、下直筒，2、中心枪，3、中心燃料枪，4、点火枪，5、火焰稳定装置，6、第一进风口，7、第二进风口，8、第一燃料枪，9、第二燃料枪，10、收缩流道，11、罩筒，12、第一喷孔，13、第二喷孔，14、第三喷孔，15、通孔，16、通气孔，17、点火枪避让孔。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，本方案的用于加热炉的高速低氮燃烧器包括下直筒1，下直筒1的内部的中心处设置有中心枪2，中心枪2的内部设置有中心燃料枪3和点火枪4，且中心燃料枪3设置在中心枪2内部的中心处，中心燃料枪3和点火枪4的前端均设置在火焰稳定装置5上，火焰稳定装置5设置在中心枪2前端的开口处，中心枪2的周向上设置有第一进风口6，第一进风口6引入的空气与中心燃料枪3喷出的燃气混合后，经点火枪4点火燃烧，形成一次燃烧，其中中心枪2使整个燃烧器中有稳定的火源，防止高速空气和燃气吹熄火焰导致出现安全事故的发生，火焰稳定装置5可进一步提高火焰的稳定性。
下直筒1的周向上设置有第二进风口7，下直筒1内设置有若干第一燃料枪8，且若干第一燃料枪8均匀环布在中心枪2的四周，下直筒1、中心枪2、中心燃料枪3和若干第一燃料枪8的端口均与下直筒1的端口同侧，第一燃料枪8喷出的燃气与从第二进风口7引入的空气混合，并进行二次燃烧，形成二次燃烧，其中通过控制空气的引入量，使空气的引入量大于反应需要的空气量，使二次燃烧时火焰峰值温度降低，从而降低氮氧化物排放。
下直筒1的开口端的套设有罩筒11，罩筒11与下直筒1之间间隙处均匀环布有若干第二燃料枪9，第二燃料枪9的前端设置有第二喷孔13，第二喷孔13向收缩流道10的端口倾斜设置，若干第二喷孔13均匀环布在收缩流道10的四周，其中第二燃料枪9喷出的燃气与二次燃烧的烟气混合并形成三次燃烧，三次燃烧可将烟气中的氧气完全消耗，由于燃气的分级燃烧，使三次燃烧时的火焰峰值温度降低，从而降低了氮氧化物的排放。
下直筒1呈一端开口的圆柱状，下直筒1的开口处设置有收缩流道10，收缩流道10为两端开口的圆台状，其中混合气体在下直筒1内燃烧并剧烈膨胀，经过下直筒1端口的收缩流道10后，喷出的烟气为高速烟气，烟气在换热炉内可形成强烈的回流和搅拌，强烈的换热使得换热炉内的温度分布均匀，由于强烈的混合可以控制燃料中氧气浓度最小，加之烟气在高温区停留时间较短，因此可以抑制氮氧化物的生成。
中心燃料枪3和若干第一燃料枪8的端头均为半球状，且中心燃料枪3和若干第一燃料枪8的端头上均设置有若干均匀排布的第一喷孔12，第一喷孔12的喷射方向与中心燃料枪3和第一燃料枪8的轴向成10-20度夹角，使若干第一喷孔12的喷射方向呈伞状扩散分布；中心燃料枪3和第一燃料枪8上的若干第一喷孔12将燃气由单股分散为多股，且若干第一燃料枪8和若干第二燃料枪9均沿周向均匀分布，将燃气进行分级、分散的喷出，从而增大了火焰与空气的接触面积，也增大了加热面积，降低了局部火焰温度，使得燃烧区域的热负荷分布均匀。
第二燃料枪9上设置有第三喷孔14，所述第三喷孔14与第二燃料枪9垂直，所述收缩流道10上的周向上设置有若干均匀排布的通孔15，若干所述第三喷孔14的喷射方向分别贯穿若干通孔15；第二燃料枪9通过第三喷孔14将燃气喷出，燃气通过收缩流道10上的通孔15，进入收缩流道10内进行助燃，增强了收缩流道10内火焰的延展性、稳定性和刚性。
火焰稳定装置5呈漏斗状，火焰稳定装置5上设置有点火枪避让孔17和若干周向上均匀排布的通气孔16，火焰稳定装置5的直径和中心枪2内壁直径接近，可以配合安装在中心枪2端口的内壁，通气孔16的开设长度为12mm，用于通过空气并于中心燃料枪3中喷出的燃气混合，点火枪避让孔17用于穿设点火枪4。
第一燃料枪8、第二燃料枪9的前端之间的距离为350-550mm，为了提高火焰刚性的要求，第二燃料枪9的长度可以根据实际情况作出调整，确保径向和轴向的火焰尺寸，保证火焰宽度尺寸，提高火焰在加热过程中温度分布更为均匀。
提供一种用于加热炉的高速低氮燃烧器的燃烧方法，其包括以下步骤：
S1：打开第一进风口6，引入空气至中心枪2内；
S2：中心燃料枪3将燃气喷至中心枪2的端口处，使燃气与空气在火焰稳定装置5处进行混合；
S3：控制第一进风口6的空气引入量，在中心枪2的端口处形成空气过剩系数为1.05-1.4的混合燃气；
S4：通过点火枪4进行点火，使混合燃气在中心枪2的端口处形成一次燃烧；
S5：打开第二进风口7引入助燃空气至下直筒1内；
S6：第一燃料枪8将燃气喷至下直筒1的端口处，使第一燃料枪8喷出的燃气与助燃空气以及中心枪2端口处进行一次燃烧的烟气进行混合，形成二次燃烧；
S7：第二燃料枪9将燃气喷至收缩流道10的端口处，使第二燃料枪9喷出的燃气与下直筒1内喷出的一次燃烧和二次燃烧的烟气混合，形成三次燃烧，最终喷出高稳定性、高刚度的火焰。
本方案采用分级燃烧的降氮策略，把燃烧的混合气体沿轴向分为三级燃烧，由内而外分别为中心火焰燃烧区、一级燃料燃烧区、二级燃料燃烧区，形成中心向外层发散的火焰，每一级混合气体中燃气与空气的混合都偏离化学当量比，使得各部分火焰都处于贫燃或者富燃状态，降低燃烧温度，从而达到降低热力型氮氧化物的目的。
本方案采用燃料分级燃烧的方式，第一燃料枪8确保火焰温度和形状稳定，防止回火，以及保证整个火焰的刚性；第一燃料枪8上的若干第一喷孔12的喷射方向呈伞状扩散分布，保证了火焰在设计的形状下充分燃烧，二次燃烧区作为主要燃料的燃烧部位，第二燃料枪9的第二喷孔13向内侧倾斜设置，同时为了提高火焰刚性的工艺要求，可以向内侧延长第二燃料枪9的长度，确保径向和轴向的火焰尺寸，提高火焰在加热过程中温度分布更为均匀；采用本方案的多级燃烧组织方式，可以有效控制火焰内部温度分布均匀，避免产生局部过热点；另外，本方案的燃烧方式中还原性燃料气在外侧，将助燃氧气包裹在火焰内侧，这种燃烧组织方式，最大幅度减小氧气与钢坯材料接触，减小高温过程中产生的氧化损耗，提高钢坯加热工艺的成材率。
Claims (8)
1.一种用于加热炉的高速低氮燃烧器，其特征在于，包括下直筒(1)，所述下直筒(1)的内部设置有中心枪(2)，所述中心枪(2)的内部设置有中心燃料枪(3)和点火枪(4)，所述中心燃料枪(3)和点火枪(4)的前端均设置在火焰稳定装置(5)上，所述火焰稳定装置(5)设置在中心枪(2)前端的开口处，所述中心枪(2)的侧面上设置有第一进风口(6)，所述下直筒(1)的侧面上设置有第二进风口(7)，所述下直筒(1)内设置有若干第一燃料枪(8)，且若干第一燃料枪(8)均匀环布在中心枪(2)的四周，所述下直筒(1)、中心枪(2)、中心燃料枪(3)和若干第一燃料枪(8)的端口均与下直筒(1)的端口同侧，所述下直筒(1)的端口处设置有收缩流道(10)，所述下直筒(1)的端口处套设有罩筒(11)，所述罩筒(11)与下直筒(1)之间的间隙处设置有若干第二燃料枪(9)，且若干第二燃料枪(9)均匀环布在下直筒(1)的四周。
2.根据权利要求1所述的用于加热炉的高速低氮燃烧器，其特征在于，所述下直筒(1)呈一端开口的圆柱状，所述收缩流道(10)为两端开口的圆台状。
3.根据权利要求1所述的用于加热炉的高速低氮燃烧器，其特征在于，所述中心燃料枪(3)和第一燃料枪(8)的端头均为半球状，且中心燃料枪(3)和第一燃料枪(8)的端头上均设置有若干沿周向均匀排布的第一喷孔(12)，若干所述第一喷孔(12)的喷射方向均呈伞状扩散分布。
4.根据权利要求1所述的用于加热炉的高速低氮燃烧器，其特征在于，所述第二燃料枪(9)的前端设置有第二喷孔(13)，所述第二喷孔(13)向收缩流道(10)的端口倾斜设置，若干所述第二喷孔(13)均匀环布在收缩流道(10)的四周。
5.根据权利要求1所述的用于加热炉的高速低氮燃烧器，其特征在于，所述第二燃料枪(9)上设置有第三喷孔(14)，所述第三喷孔(14)与第二燃料枪(9)垂直，所述收缩流道(10)上的周向上设置有若干均匀排布的通孔(15)，若干所述第三喷孔(14)的喷射方向分别贯穿若干通孔(15)。
6.根据权利要求1所述的用于加热炉的高速低氮燃烧器，其特征在于，所述火焰稳定装置(5)呈圆台状，所述火焰稳定装置(5)上设置有点火枪避让孔(17)和若干通气孔(16)，若干所述通气孔(16)在火焰稳定装置(5)的周向上均匀排布。
7.根据权利要求1所述的用于加热炉的高速低氮燃烧器，其特征在于，所述中心燃料枪(3)设置在中心枪(2)内部的中心处，所述中心枪(2)设置在下直筒(1)内部的中心处。
8.一种采用权利要求1所述的用于加热炉的高速低氮燃烧器的燃烧方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：打开第一进风口(6)，引入空气至中心枪(2)内；
S2：中心燃料枪(3)将燃气喷至中心枪(2)的端口处，使燃气与空气在火焰稳定装置(5)处进行混合；
S3：控制第一进风口(6)的空气引入量，在中心枪(2)的端口处形成空气过剩系数为1.05-1.4的混合燃气；
S4：通过点火枪(4)进行点火，使混合燃气在中心枪(2)的端口处形成一次燃烧；
S5：打开第二进风口(7)引入助燃空气至下直筒(1)内；
S6：第一燃料枪(8)将燃气喷至下直筒(1)的端口处，使第一燃料枪(8)喷出的燃气与助燃空气以及中心枪(2)端口处进行一次燃烧的烟气进行混合，形成二次燃烧；
S7：第二燃料枪(9)将燃气喷至收缩流道(10)的端口处，使第二燃料枪(9)喷出的燃气与下直筒(1)内喷出的一次燃烧和二次燃烧的烟气混合，形成三次燃烧，最终喷出高稳定性、高刚度的火焰。
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