CN114935144B - 一种烟气循环的旋流富氧燃烧器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种烟气循环的旋流富氧燃烧器，包括燃料通道，所述燃料通道为中空管道，一端连接燃料管道，另一端为封闭的盲端，该燃料通道的侧壁上设有燃料出口；所述燃料通道外套设有内通道，所述内通道一端封闭，另一端设有喷头，该内通道通过燃料出口与燃料通道贯通，所述内通道的侧壁上设有烟气‑氧气混合进气口；所述内通道外套设有外通道，该外通道连接氧气输送管道；所述外通道外套设有烟气通道，该烟气通道连接烟气输送管道；所述外通道及烟气通道在气流方向的下游处交汇，形成外通道‑烟气通道交汇区；所述外通道‑烟气通道交汇区通过烟气‑氧气混合进气口与内通道贯通。本发明通过烟气再循环的富氧燃烧技术，提高了加热炉内热效率。
Description
技术领域
本发明属于加热炉燃烧器技术领域，具体涉及一种烟气循环的旋流富氧燃烧器。
背景技术
钢铁行业是31个制造业门类中碳排放量最大的行业，在控制CO2排放的措施中，碳捕集、利用与封存技术被认为是一种最具前途的减缓CO2排放的措施与方法。该技术目前分作三种：燃烧前捕集、燃烧中捕集和燃烧后捕集。富氧燃烧技术是燃烧中捕集最具代表性的一种，可以有效控制钢铁行业二氧化碳排放。
富氧燃烧技术是指将由空气分离出的纯氧与再循环烟气混合，进而作为氧化剂代替空气的一种燃烧方式。目前钢铁行业的加热炉对富氧燃烧技术的应用尚未成熟，燃烧系统助燃料普遍使用空气，空气中含有约79％的氮气，因此加热炉内高温环境会生成大量热力型氮氧化合物，排放至大气严重污染环境，且烟气中的CO2无法直接进行捕集。如采用富氧燃烧技术则可以使高浓度的CO2富集，便于后续对其进行分离与捕集，同时极大地降低了加热炉内氮氧化合物的排放。燃烧器又是加热炉的核心组件，其性能直接影响到炉窑能耗水平、加热炉内温度均匀性和污染物排放等各项技术经济指标。且由于富氧燃烧技术与空气助燃技术不同，对加热炉内热工特性及流动工况产生的影响也不相同，因此，开发一种新型富氧燃烧器是钢铁行业加热炉领域的迫切需求。
针对这一工程背景，本发明提供了一种烟气再循环的旋流富氧燃烧器，通过烟气再循环的富氧燃烧技术，使烟气预热燃料并使其充分燃烧，有利于对CO2的捕集并降低氮氧化物的排放；同时，因燃烧产物CO2及H2O均为三原子气体，其增大了炉内气体发射率及换热强度，提高了加热炉内热效率。
发明内容
本发明提供一种烟气循环的旋流富氧燃烧器，利用烟气再循环的富氧燃烧技术，使高温烟气对燃料进行预热，减少烟气带走的余热，提高炉内换热系数。本发明通过燃烧器各个组成部分的联合工作，提高加热炉内温度均匀性，对高温烟气进行余热利用，更好地实现节能减排。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种烟气循环的旋流富氧燃烧器，包括燃料通道、内通道、外通道及烟气通道，所述燃料通道为中空管道，一端连接燃料管道，另一端为封闭的盲端，该燃料通道的侧壁上设有燃料出口；所述燃料通道外套设有内通道，所述内通道一端封闭，另一端设有喷头，该内通道通过燃料出口与燃料通道贯通，所述内通道的侧壁上设有烟气-氧气混合进气口；所述内通道外套设有外通道，该外通道连接氧气输送管道；所述外通道外套设有烟气通道，该烟气通道连接烟气输送管道；所述外通道及烟气通道在气流方向的下游处交汇，形成外通道-烟气通道交汇区；所述外通道-烟气通道交汇区通过烟气-氧气混合进气口与内通道贯通。
进一步地，所述燃料通道、内通道、外通道及烟气通道由内至外同轴设置，所述燃料通道的盲端呈锥形。
进一步地，所述内通道的设有喷头的一端靠近燃料通道盲端设置，封闭端远离盲端设置，所述燃料出口设置在靠近盲端的燃料通道侧壁上，所述烟气-氧气混合进气口设置在靠近内通道封闭端的内通道侧壁上，且该烟气-氧气混合进气口设置在外通道-烟气通道交汇区下方。
进一步地，所述外通道呈拉瓦尔管结构，按照气流方向外通道分为拉瓦尔管入口段、拉瓦尔管渐缩段、最小直径的喉颈、拉瓦尔管扩张段、拉瓦尔管出口段以及烟气氧气交汇段；所述拉瓦尔管入口段直径d1＝(3～5)d2，d2为喉颈处直径，拉瓦尔管出口段直径d3＝0.66d2×(2.07)lgB，B为拉瓦尔喷管进出口压力比，拉瓦尔管渐缩段锥度为1:4～1:3，拉瓦尔管扩张段锥度为1:1.2。
进一步地，在拉瓦尔管入口段的外通道侧壁上设有用于连接氧气输送管道的氧气喷管；烟气通道侧壁上设有用于连接烟气输送管道的烟气导管。
进一步地，所述燃料出口、烟气-氧气混合进气口、烟气导管及氧气喷管各为两个，其中一个和另一个相对于燃烧器中心轴对称设置，或者所述述燃料出口、烟气-氧气混合进气口、烟气导管及氧气喷管各有对称设置的两个，所述烟气-氧气混合进气口呈环形设置。
进一步地，所述氧气输送管道用于输送氧气，氧气流速u＞60m/s；所述烟气输送管道，用于通入加热炉内燃烧所产生的烟气；所述燃料管道通入的燃料为气体燃料，具体为天然气、混合煤体或低热值燃气中的一种或多种。
进一步地，所述内通道内设有旋流叶片，所述旋流叶片为弧形面叶片，旋流叶片沿周向均匀布置，内通道旋流数为0.5～3，旋流叶片与气流方向的夹角为15°～60°。
进一步地，所述燃烧器工作时，过量空气系数为1.05～1.2。
进一步地，所述喷头穿过加热炉炉墙设置在炉腔内，将混合的燃料、氧气与烟气通入加热炉内进行燃烧。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明将富氧燃烧技术及烟气循环技术的结合使用，从燃烧器进入加热炉的助燃料由以往的空气变为纯氧气，因此在加热炉内形成的烟气成分皆为CO2及H2O，有利于CO2的直接捕集，减缓钢铁行业CO2排放。同时，由于助燃剂用氧气代替空气，减少了空气中氮气的通入，因此极大降低了NOx的排放，降低了环境污染程度；烟气再循环使得烟气可以直接与助燃剂及燃料进行充分混合，进而对燃料进行预热，促使后续燃烧过程更加充分，且由于烟气发射率大、换热强度大，再次通入加热炉可以进一步提高加热炉热效率。
(2)本发明通过旋流叶片使燃烧器产生旋流火焰，扩大了火焰径向高温区，使加热炉内温度更均匀；同时旋流叶片的存在促进了燃料与助燃剂的混合，其混合速率为简单射流的5倍，有效地防止了燃烧器脱火现象的发生，提高了本设计燃烧器的火焰稳定性。不仅如此，旋流叶片的存在使氧气-烟气混合气与燃料气体在内通道中提前达到充分混合，因此相比扩散火焰，本设计燃烧器缩短了燃烧火焰的长度，为加热炉整体设计节省了空间。
(3)本发明外通道内设置的拉瓦尔喷管结构使得氧气通入外通道后流速增加，在外通道与烟气通道交汇处形成负压区，负压区的存在使烟气被卷吸从烟气导管流经烟气通道进入外通道与氧气混合，该设计节省了燃烧器生产成本及加热炉整体运行成本。
附图说明
图1是本发明所述的烟气循环的旋流富氧燃烧器结构截面图；
图2是图1燃烧器右视内通道内旋流叶片设置图；
附图标记：1-燃料通道、2-盲端、3-燃料出口、4-外通道、5-喉颈、6-烟气导管、7-烟气-氧气混合进气口、8-旋流叶片、9-内通道、10-喷头、11-加热炉炉墙、12-氧气喷管、13-烟气通道。
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，以下结合附图及实施例，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用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种烟气循环的旋流富氧燃烧器，包括由内至外同轴设置的燃料通道、内通道、外通道及烟气通道，所述燃料通道1为中空管道，一端连接燃料管道，另一端为封闭的盲端2，该燃料通道靠近盲端的侧壁上设有燃料出口3；所述燃料通道外套设有内通道9，所述内通道远离燃料通道盲端的一端封闭，靠近盲端的一端设有喷头10，该内通道通过燃料出口与燃料通道贯通，所述内通道的侧壁上设有烟气-氧气混合进气口7；所述内通道外套设有外通道4，该外通道连接氧气输送管道；所述外通道外套设有烟气通道13，该烟气通道连接烟气输送管道；所述外通道及烟气通道在气流方向的下游处交汇，形成外通道-烟气通道交汇区；所述外通道-烟气通道交汇区通过烟气-氧气混合进气口与内通道贯通。
其中，所述烟气-氧气混合进气口具体设置在靠近内通道封闭端的内通道侧壁上，且该烟气-氧气混合进气口设置在外通道-烟气通道交汇区下方。
其中，所述外通道呈拉瓦尔管结构，具有一最小直径的喉颈5，以便增大喷射系数；按照气流方向外通道分为拉瓦尔管入口段A、拉瓦尔管渐缩段B、最小直径的喉颈、拉瓦尔管扩张段C、拉瓦尔管出口段D以及烟气氧气交汇段；所述拉瓦尔管入口段直径d1＝(3～5)d2，d2为喉颈处直径，喉颈处直径d2取决于氧气流量等参数，拉瓦尔管出口段直径d3＝0.66d2×(2.07)lgB，B为拉瓦尔喷管进出口压力比(即A/B交界与C/D交界处压力)，进出口的压力值取决于氧气流速，并可通过金属弹簧压力表测量所得。本实施例喉颈处直径d2设置为20mm，拉瓦尔管入口段直径d1设置为80mm，拉瓦尔管出口段直径d3设置为30mm，拉瓦尔管渐缩段锥度为1：4，拉瓦尔管扩张段锥度为1：1.2。
其中，在拉瓦尔管入口段的外通道侧壁上设有用于连接氧气输送管道的氧气喷管12；烟气通道侧壁上设有用于连接烟气输送管道的烟气导管6；所述燃料出口、烟气导管及氧气喷管各为两个，其中一个和另一个相对于燃烧器中心轴对称设置，所述烟气-氧气混合进气口呈环形设置。
其中，燃料通道一端外接燃料管道并通入燃料，燃料通道直径设置为100mm，燃料为气体燃料，是天然气、混合煤体或低热值燃气中的一种或多种；另一端为封闭的盲端，盲端为圆锥形，以减小燃料对盲端的冲击，燃料气体从侧面的燃料出口通入内通道与后续所述的氧气-烟气混合气进行充分混合。
其中，所述氧气输送管道用于输送氧气，氧气经过外通道喉颈时流速增加，为了在外通道与烟气通道交汇处形成负压区并保持稳定工作，氧气流速正常工作速度u＞60m/s，氧气与烟气在负压区处进行混合；所述烟气输送管道，用于通入加热炉内燃烧所产生的烟气，由于负压区的存在，使得烟气被卷吸从烟气导管进入外通道与氧气进行混合。
其中，如图2所示，所述外通道与燃料通道之间的内通道内设置有多个旋流叶片8，其形状为弧形面叶片，旋流叶片沿内通道周向均匀布置，使烟气与氧气的混合气产生旋流流动；为了使燃料与氧气及烟气进行充分混合，并提高燃烧区域温度均匀性，内通道旋流数为1.5；为了保证燃烧器燃烧火焰有足够的射流长度及中心回流率，旋流叶片与气流方向的夹角为45°。
其中，内通道使从燃料出口通入的燃料与经过旋流叶片的烟气-氧气混合气进行混合，内通道直径设置为70mm，工作时，过量空气系数设置为1.1。
其中，所述喷头穿过加热炉炉墙11设置在炉腔内，将在内通道中充分混合的燃料、氧气与烟气通入加热炉内进行燃烧。
以上技术方案阐述了本发明的技术思路，不能以此限定本发明的保护范围，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上技术方案所作的任何改动及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (9)
1.一种烟气循环的旋流富氧燃烧器，其特征在于：包括燃料通道、内通道、外通道及烟气通道，所述燃料通道为中空管道，一端连接燃料管道，另一端为封闭的盲端，该燃料通道的侧壁上设有燃料出口；所述燃料通道外套设有内通道，所述内通道一端封闭，另一端设有喷头，该内通道通过燃料出口与燃料通道贯通，所述内通道的侧壁上设有烟气-氧气混合进气口；所述内通道外套设有外通道，该外通道连接氧气输送管道；所述外通道外套设有烟气通道，该烟气通道连接烟气输送管道；所述外通道及烟气通道在气流方向的下游处交汇，形成外通道-烟气通道交汇区；所述外通道-烟气通道交汇区通过烟气-氧气混合进气口与内通道贯通；
所述外通道呈拉瓦尔管结构，按照气流方向外通道分为拉瓦尔管入口段、拉瓦尔管渐缩段、最小直径的喉颈、拉瓦尔管扩张段、拉瓦尔管出口段以及烟气氧气交汇段；所述拉瓦尔管入口段直径d1＝(3～5)d2，d2为喉颈处直径，拉瓦尔管出口段直径d3＝0.66d2×(2.07)lgB，B为拉瓦尔喷管进出口压力比，拉瓦尔管渐缩段锥度为1:4～1:3，拉瓦尔管扩张段锥度为1:1.2。
2.根据权利要求1所述的一种烟气循环的旋流富氧燃烧器，其特征在于：所述燃料通道、内通道、外通道及烟气通道由内至外同轴设置，所述燃料通道的盲端呈锥形。
3.根据权利要求2所述的一种烟气循环的旋流富氧燃烧器，其特征在于：所述内通道的设有喷头的一端靠近燃料通道盲端设置，封闭端远离盲端设置，所述燃料出口设置在靠近盲端的燃料通道侧壁上，所述烟气-氧气混合进气口设置在靠近内通道封闭端的内通道侧壁上，且该烟气-氧气混合进气口设置在外通道-烟气通道交汇区下方。
4.根据权利要求1所述的一种烟气循环的旋流富氧燃烧器，其特征在于：在拉瓦尔管入口段的外通道侧壁上设有用于连接氧气输送管道的氧气喷管；烟气通道侧壁上设有用于连接烟气输送管道的烟气导管。
5.根据权利要求4所述的一种烟气循环的旋流富氧燃烧器，其特征在于：所述燃料出口、烟气-氧气混合进气口、烟气导管及氧气喷管各为两个，其中一个和另一个相对于燃烧器中心轴对称设置，或者所述述燃料出口、烟气-氧气混合进气口、烟气导管及氧气喷管各有对称设置的两个，所述烟气-氧气混合进气口呈环形设置。
6.根据权利要求1所述的一种烟气循环的旋流富氧燃烧器，其特征在于：所述氧气输送管道用于输送氧气，氧气流速u＞60m/s；所述烟气输送管道，用于通入加热炉内燃烧所产生的烟气；所述燃料管道通入的燃料为气体燃料，具体为天然气、混合煤体或低热值燃气中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的一种烟气循环的旋流富氧燃烧器，其特征在于：所述内通道内设有旋流叶片，所述旋流叶片为弧形面叶片，旋流叶片沿周向均匀布置，内通道旋流数为0.5～3，旋流叶片与气流方向的夹角为15°～60°。
8.根据权利要求1所述的一种烟气循环的旋流富氧燃烧器，其特征在于：所述燃烧器工作时，过量空气系数为1.05～1.2。
9.根据权利要求1所述的一种烟气循环的旋流富氧燃烧器，其特征在于：所述喷头穿过加热炉炉墙设置在炉腔内，将混合的燃料、氧气与烟气通入加热炉内进行燃烧。
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