CN116026163A - 气电混合燃烧器、工业窑炉和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了气电混合燃烧器、工业窑炉和控制方法。所述气电混合燃烧器（100）用于工业窑炉，所述气电混合燃烧器（100）包括用于输送燃气的燃气枪（1）以及电加热器（2），其中，所述电加热器（2）构造成用于提供热量，以调节所述工业窑炉的炉温。

Description

气电混合燃烧器、工业窑炉和控制方法

技术领域

本发明涉及燃烧器领域，具体而言，涉及一种气电混合燃烧器、工业窑炉和控制方法。

背景技术

来自燃烧系统的NOx排放是环境保护考虑的重点领域之一。燃烧器是燃烧系统的关键部分，故需要不断努力去寻找方法，使得在没有对能源效率进行折中的情况下，减少其NOx排放。在炼油和石化行业，现有的燃烧器NOx减排技术，如燃料/空气分级燃烧和外部烟气再循环等技术已经成熟，换句话说，其几乎达到了进一步NOx减排的瓶颈。

一氧化碳（CO）是另一种受管制的污染物，较高的CO排放量也意味着较低的能源效率。随着燃烧系统温度的升高，NOx含量增加，而CO降低，反之亦然。关键问题是如何平衡启动阶段中低温期间的高CO排放和正常运行阶段中高温期间的高NOx排放。

除了NOx和CO控制之外，碳排放是燃烧系统需要考虑的另一个关键点。中国已宣布计划在2030年前达到碳排放峰值，并力争在2060年前实现碳中和。如何在不影响炉正常运行的情况下进一步减少来自燃烧系统的碳排放成了另一个关键问题。

发明内容

本发明的目的在于实现较低NOx排放以及NOx/CO平衡的较高操作灵活性，同时减少碳排放。

此外，本发明还旨在解决或者缓解现有技术中存在的其它技术问题。

本发明通过提供一种气电混合燃烧器、工业窑炉和控制方法来解决上述问题，具体而言，根据本发明的一方面，提供了：

一种气电混合燃烧器，其中，其用于工业窑炉，所述气电混合燃烧器包括用于输送燃气的燃气枪以及电加热器，其中，所述电加热器构造成用于提供热量，以调节所述工业窑炉的炉温。

可选地，根据本发明的一种实施方式，所述电加热器包括电加热丝、电加热盘、电加热陶瓷、电阻丝加热棒、电阻线圈、玻璃电阻膜加热管和/或电磁加热器。

可选地，根据本发明的一种实施方式，所述气电混合燃烧器还包括风箱、风门和耐火构件，所述风门与所述风箱连通并且用于引入空气和调节风量，所述耐火构件沿着空气流动方向布置在所述风箱的下游。

可选地，根据本发明的一种实施方式，所述气电混合燃烧器还包括支架，所述支架布置于所述风箱的顶板上并且支撑所述耐火构件，所述耐火构件内开设有用于生成和引导火焰的多个气孔，所述电加热器布置于所述耐火构件处。

可选地，根据本发明的一种实施方式，所述电加热器构造在所述风箱和所述耐火构件之内，用于对经所述风门引入的、并流经所述电加热器的空气进行加热。

可选地，根据本发明的一种实施方式，所述电加热器镶嵌入所述耐火构件中。

可选地，根据本发明的一种实施方式，所述电加热器还包括耐火支架，所述耐火支架沿着空气流动方向构造在所述耐火构件的下游，从而所述电加热器用于提供热量并且能够用于辅助所述燃气枪提供的燃气在所述电加热器表面的燃烧。

可选地，根据本发明的一种实施方式，所述电加热器构造在所述风门的内壁、所述风箱处和/或所述风门的入风口处。

根据本发明的另一方面，本发明提供了一种工业窑炉，其中，其具有上述任一种气电混合燃烧器，其中，所述气电混合燃烧器布置于所述工业窑炉内。

根据本发明的再一方面，本发明提供了一种用于上述任一种气电混合燃烧器的控制方法，其中，通过使用所述燃气枪和/或所述电加热器来调节所述工业窑炉的炉温。

可选地，根据本发明的一种实施方式，在所述气电混合燃烧器的起动阶段使用所述电加热器，在所述起动阶段之后的工作阶段再使用所述燃气枪，在所述工作阶段中，所述电加热器的加热功率可以设置成与其在所述起动阶段中不同，或断开所述电加热器。

可选地，根据本发明的一种实施方式，在所述气电混合燃烧器的起动阶段使用所述燃气枪，在所述起动阶段之后的工作阶段再使用所述电加热器。

所提供的气电混合燃烧器、工业窑炉和控制方法的有益之处包括：本发明提出了气电混合燃烧器的技术构思，包括燃烧器的整体结构和燃烧器操作方法，在燃烧器设计中加入电力，以实现更低的NOx排放和NOx/CO平衡的更高的操作灵活性，同时减少碳排放。除了更好的运行性能外，还可以通过整体结构和耐火材料的优化来降低成本。这种新技术还可以帮助客户实现碳减排目标。

附图说明

参考附图，本发明的上述以及其它的特征将变得显而易见，其中，

图1示出了根据本发明的一种气电混合燃烧器及其电加热器的结构和布局示意图；

图2示出了根据本发明的另一种气电混合燃烧器及其电加热器的结构和布局示意图；

图3示出了根据本发明的又一种气电混合燃烧器及其电加热器的结构和布局示意图；以及

图4示出了根据本发明的还一种气电混合燃烧器及其耐火构件和电加热器的结构和布局示意图。

具体实施方式

容易理解，根据本发明的技术方案，在不变更本发明实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出可相互替换的多种结构方式以及实现方式。因此，以下具体实施方式以及附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限定或限制。

在本说明书中提到或者可能提到的上、下、左、右、前、后、正面、背面、顶部、底部等方位用语是相对于各附图中所示的构造进行定义的，它们是相对的概念，因此有可能会根据其所处不同位置、不同使用状态而进行相应地变化。所以，也不应当将这些或者其他的方位用语解释为限制性用语。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等或类似表述仅用于描述与区分目的，而不能理解为指示或暗示相应的构件的相对重要性。

参考图1，其示出了根据本发明的一种气电混合燃烧器及其电加热器的结构和布局示意图。

所述气电混合燃烧器100用于工业窑炉，所述气电混合燃烧器100包括用于输送燃气的燃气枪1以及电加热器2，其中，所述电加热器2构造成用于提供热量，以调节所述工业窑炉的炉温。

应当理解，燃烧器用于将空气与燃料按一定方式混合并燃烧，通过燃烧这一化学手段转化为热能，所述气电混合燃烧器100可以为用于炼油、石化或化工生产的供热设备。根据上述技术方案可知，除了传统的燃气枪1之外，本燃烧器还采用了电加热器2，所述电加热器2被规定成用于调节所述工业窑炉的炉温，也就是说，电加热器可以取代或者部分地承担原来由燃气枪承担的炉温调节目的。采用这种技术方案的优势包括减少了碳排放和NOx排放，并且电的控制更加容易和精确，因此对于NOx/CO的平衡管控更加灵活。此外，特别是在低炉温的情况下的CO排放能够得到降低。

除了燃气枪1和电加热器2之外，所述气电混合燃烧器100还包括风箱3、风门4和耐火构件5，所述风门4与所述风箱3连通并且用于引入空气和调节风量，所述耐火构件5沿着空气流动方向布置在所述风箱3的下游。风箱为燃烧器提供空气流道，进而空气能够与燃料混合并燃烧。所述耐火构件5由耐火材料构成，其中图1至图3的耐火构件5以耐火砖的形式呈现，图4的耐火构件5以扁平的长方体的形式呈现。所述耐火构件5主要起到耐火功能，在高温下经受各种物理化学变化和机械作用，其次也能够起到一定的约束和承托火焰的稳焰作用。除此之外，燃烧器还可以包括长明灯7，其长期稳定燃烧，一方面用于输送燃气来进行燃烧，另一方面也可以引燃燃气枪，辅助燃气枪稳定燃烧，从而具有较高的安全系数。

从图1至图3还可以看出的是，所述耐火构件5被构造成中空的回转体，并且布置于所述风箱3的顶板上。由此，所述耐火构件5以内可以被称为内腔，所述耐火构件5以外被称为外腔，所述燃气枪1可以相应地构造于所述内腔和/或所述外腔内，用这种方式将燃烧器构造成一种分级燃烧器，所述长明灯7示例性地布置于所述内腔。当然单级燃烧器也是适用的。由于本发明的重点在于电加热器的设计，因此燃烧器的其它构件不多做介绍。此外，下文所述的电加热器的形状、数量、布置方式等特征可以进行组合或混用，而不仅限于图中所示出的实施例。

从图1还可以看出的是，所述电加热器2构造在所述风箱3和所述耐火构件5之内，用于对经所述风门4引入的、并流经所述电加热器2的空气进行加热。由此一来，从所述风门4（或者说其入风口）进来的空气流经所述风箱3，在其与来自所述燃气枪1的燃气混合之前已经由所述电加热器2所预热，相对于传统的燃烧器具有更高的空气温度，故在燃气枪方面所需的燃气就可以相对较少。另外，受到加热的空气也在一定程度上起到了炉温的辅助调节的作用。

关于电加热器的布置方式、数量和形状，可以在不脱离本发明的范围内根据实际情况和要求（例如燃烧器可提供的容纳空间情况）灵活处理，并不限于图中具体示例的几种方式。例如，所述电加热器2可包括电加热丝、电加热盘、电加热陶瓷、电阻丝加热棒、电阻线圈、玻璃电阻膜加热管和/或电磁加热器，其中，图1为多组电加热丝的形式，它们均匀间隔开地在燃烧器的纵向方向上延伸，并且下端用支柱8支撑于风箱3内。在支柱8处同时可以构造管线，以实现所述电加热器2的通电。电加热器的其它实施方式也是可行的，例如其可以布置在所述风门4的内壁、所述风箱3处（包括风箱3的内壁）和/或所述风门4的入风口处，都可以起到对流进的空气进行加热的作用。此外，电加热陶瓷的优点包括高效、热分部均匀、热导性佳、机械性能强、耐腐蚀、抗磁场。

参考图2，其示出了根据本发明的另一种气电混合燃烧器及其电加热器的结构和布局示意图。其中，所述电加热器2构造为电加热盘，具体为电加热网。另外，所述电加热器2还包括耐火支架21，所述耐火支架21沿着空气流动方向构造在所述耐火构件5的下游，从而所述电加热器2用于提供热量并且能够用于辅助所述燃气枪1提供的燃气在所述电加热器2表面的燃烧。具体来说，电加热器的加热本体由所述耐火支架21的主体包围，并且该主体通过支撑圆柱211连接至所述耐火构件5的上端面。在这种布置形式的情况下，由于所述电加热器直接在外腔暴露于炉内环境，因此可以更加直接地提供热量以起到炉温的调节作用。并且从外腔和内腔的燃气枪的燃气均可以和由电加热器2加热过的空气混合并燃烧，因此电加热器还起到了辅助燃烧的作用。与此同时，耐火支架21还能够起到火焰稳定的作用。这种作用通过耐火支架21的形状来实现，其例如可以构造成环形。

参考图3，其示出了根据本发明的又一种气电混合燃烧器及其电加热器的结构和布局示意图。其中，所述电加热器2镶嵌入所述耐火构件5中。这种实施方式相对于之前所述的实施方式具有相类似的优点，并且同时节约了燃烧器内的布置空间。具体的镶嵌方式可以是在所述耐火构件5内开设通孔，进而所述电加热器2以加热丝的形式穿过这些通孔，或者所述电加热器2以加热片等方式嵌入所述耐火构件5。

参考图4，其示出了根据本发明的还一种气电混合燃烧器及其耐火构件和电加热器的结构和布局示意图。

所述气电混合燃烧器100还包括支架6，所述支架6布置于所述风箱3的顶板上并且支撑所述耐火构件5，所述耐火构件5内开设有用于生成和引导火焰的多个气孔9，所述电加热器2布置于所述耐火构件5处。

在本技术方案中，所述耐火构件5构造成扁平的长方体形式，并且所述电加热器2布置于其处，具体可以以前述方式镶嵌于所述耐火构件5内，或以电加热丝的形式缠绕于所述耐火构件5。所述支架6处还可以布置用于对所述电加热器2通电的管线。可以注意到的是，所述耐火构件5不再如前几个实施例那样构造于所述风箱3的顶板上，而是与其间隔开地位于其下游。也就是说，从所述燃气枪1的燃气与空气在所述耐火构件5所处的平面上混合并燃烧，这种燃烧器也被称为表面燃烧器。为了支持这种混合和燃烧，在所述耐火构件5内构造有多个气孔9，所述气孔9示例性地是彼此均匀间隔开的竖孔，截面形状例如为圆形、方形、梯形、斜坡形等。其数量、彼此之间的间隔以及形状、尺寸可以根据对火焰形态的实际需要进行设计。由此，混合燃烧所产生的火焰被各气孔9平均分为了较小的火苗，而总量不变，由此降低了中心火焰温度，NO排放降低。同时，与之前的技术方案类似的，由于所述电加热器直接暴露于炉内环境，因此可以更加直接地提供热量以起到炉温的调节作用。

根据本发明的另一方面，本发明涉及一种工业窑炉，其中，其具有上述任一种气电混合燃烧器100，其中，所述气电混合燃烧器100布置于所述工业窑炉内。有关工业窑炉的具体方案和特点，请见上文有关气电混合燃烧器的内容进行解读，在此不再赘述。所述工业窑炉具体可以是工业窑炉加热窑炉、锅炉、焚烧炉，等。

下面介绍一下本燃烧器的运行方式，即，一种用于上述任一种气电混合燃烧器100的控制方法，其中，通过使用所述燃气枪1和/或所述电加热器2来调节所述工业窑炉的炉温。也就是说，所述电加热器2不仅仅可以辅助所述燃气枪1进行炉温的调节，而且可以在需要时对其进行替代。通过对所述燃气枪1与所述电加热器2的使用时机进行控制，来控制NOx/CO的平衡。

一种例子是，在低炉温的情况下更多地使用所述电加热器2，而降低所述燃气枪1的功率；在高炉温的情况下降低所述电加热器2的功率，而更多地使用所述燃气枪1。比如，具体来说，在所述气电混合燃烧器100的起动阶段使用所述电加热器2以提供热量，在所述起动阶段之后的工作阶段再使用所述燃气枪1，在所述工作阶段中，所述电加热器2的加热功率可以设置成与其在所述起动阶段中不同，或断开所述电加热器2。在低炉温时或者说起动阶段使用所述电加热器2，使得CO排放比传统燃烧器得到降低，在高炉温或者说工作阶段再使用所述燃气枪1，而调整所述电加热器2的功率（或甚至关闭所述电加热器2），来平衡CO与NOx的排放。

另一种例子是，在所述气电混合燃烧器100的起动阶段使用所述燃气枪1，在所述起动阶段之后的工作阶段再使用所述电加热器2。

此外，需要说明的是，例如在图4所示出的表面燃烧器的情况下，在起动阶段中，所述电加热器2应当将所述耐火构件5提升至可以点燃燃气的温度，以便在之后启动所述燃气枪1时，燃气与空气混合后可以进行燃烧过程。

应当理解的是，所有以上的优选实施例都是示例性而非限制性的，本领域技术人员在本发明的构思下对以上描述的具体实施例做出的各种改型或变形都应在本发明的法律保护范围内。

Claims (12)

1.一种气电混合燃烧器（100），其特征在于，其用于工业窑炉，所述气电混合燃烧器（100）包括用于输送燃气的燃气枪（1）以及电加热器（2），其中，所述电加热器（2）构造成用于提供热量，以调节所述工业窑炉的炉温。

2.根据权利要求1所述的气电混合燃烧器（100），其特征在于，所述电加热器（2）包括电加热丝、电加热盘、电加热陶瓷、电阻丝加热棒、电阻线圈、玻璃电阻膜加热管和/或电磁加热器。

3.根据权利要求1或2所述的气电混合燃烧器（100），其特征在于，其还包括风箱（3）、风门（4）和耐火构件（5），所述风门（4）与所述风箱（3）连通并且用于引入空气和调节风量，所述耐火构件（5）沿着空气流动方向布置在所述风箱（3）的下游。

4.根据权利要求3所述的气电混合燃烧器（100），其特征在于，其还包括支架（6），所述支架（6）布置于所述风箱（3）的顶板上并且支撑所述耐火构件（5），所述耐火构件（5）内开设有用于生成和引导火焰的多个气孔（9），所述电加热器（2）布置于所述耐火构件（5）处。

5.根据权利要求3所述的气电混合燃烧器（100），其特征在于，所述电加热器（2）构造在所述风箱（3）和所述耐火构件（5）之内，用于对经所述风门（4）引入的、并流经所述电加热器（2）的空气进行加热。

6.根据权利要求3或4所述的气电混合燃烧器（100），其特征在于，所述电加热器（2）镶嵌入所述耐火构件（5）中。

7.根据权利要求3所述的气电混合燃烧器（100），其特征在于，所述电加热器（2）还包括耐火支架（21），所述耐火支架（21）沿着空气流动方向构造在所述耐火构件（5）的下游，从而所述电加热器（2）用于提供热量并且能够用于辅助所述燃气枪（1）提供的燃气在所述电加热器（2）表面的燃烧。

8.根据权利要求3所述的气电混合燃烧器（100），其特征在于，所述电加热器（2）构造在所述风门（4）的内壁、所述风箱（3）处和/或所述风门（4）的入风口处。

9.一种工业窑炉，其特征在于，其具有根据权利要求1至8中任一项所述的气电混合燃烧器（100），其中，所述气电混合燃烧器（100）布置于所述工业窑炉内。

10.一种用于根据权利要求1至8中任一项所述的气电混合燃烧器（100）的控制方法，其中，通过使用所述燃气枪（1）和/或所述电加热器（2）来调节所述工业窑炉的炉温。

11.根据权利要求10所述的控制方法，其特征在于，在所述气电混合燃烧器（100）的起动阶段使用所述电加热器（2），在所述起动阶段之后的工作阶段再使用所述燃气枪（1），在所述工作阶段中，所述电加热器（2）的加热功率可以设置成与其在所述起动阶段中不同，或断开所述电加热器（2）。

12.根据权利要求10所述的控制方法，其特征在于，在所述气电混合燃烧器（100）的起动阶段使用所述燃气枪（1），在所述起动阶段之后的工作阶段再使用所述电加热器（2）。

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