CN1959206A

CN1959206A - 一种低氧高温空气燃烧方法及其装置

Info

Publication number: CN1959206A
Application number: CNA2006100323893A
Authority: CN
Inventors: 艾元方; 蒋绍坚; 蒋受宝; 孙英文; 张灿; 韦启告; 陈玉琴; 黄文静
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2006-10-11
Filing date: 2006-10-11
Publication date: 2007-05-09
Anticipated expiration: 2026-10-11
Also published as: CN100513871C

Abstract

本发明公开一种应用于冶金、机械石化、玻璃陶瓷、锅炉和垃圾焚烧炉窑的低氧高温空气燃烧方法。发明主要由间壁式热交换器(1)、陶瓷止回阀(2)、燃气管(3)、炉膛(4)、冷却管(5)和烟气流量调节阀(6)组成。空气进入间壁式换热器(1)被预热，再和由陶瓷止回阀(2)送来的高温烟气混合，变成低氧高温空气后进炉膛(4)，并发生反应速度可控的体积式燃烧。部分烟气在换热器(1)释放显热后经烟气流量调节阀(6)排入环境。空气和烟气混合可降低空气含氧浓度，并使助燃气流升温到燃气自燃点。炉外循环利用烟气比率由烟气流量调节阀控制。炉内火焰位置固定，火焰体积和峰值温度可人工调节，炉内温度均匀、高温烧损减弱、节能和NO_x排放极低。燃料可是液体或固体燃料。

Description

一种低氧高温空气燃烧方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种高效节能和极低NO_x排放的低氧高温空气燃烧方法，本发明还包括实现这种燃烧方法的装置。

技术背景

能源是人类生活不可缺少的重要资源。我国工业部门能源的消耗占全国能源总消耗量的70％以上，而各类工业炉所耗能源约占其中的三分之一。如果全国的工业炉热效率平均提高10％的话，则相当于节约一亿吨标准煤。为了提高热效率，通常的做法是提高助燃空气预热温度和采用富氧(甚至纯氧)燃烧。但是这些常规的手段会造成NO_x排放量的增加。另一方面，人们日益关注燃料燃烧过程产生的环境污染。发达国家已将燃烧污染从限制酸雨的生成扩大到限制CO_x、NO_x的排放。1997年底联合国气候变化框架公约缔约各方在日本京都签订的“京都议定书”，通过了减少温室气体排放规定。这样，燃烧要求既低NO_x排放又高效节能。近年来燃烧界兴起的低氧(含氧低于15％)高温(助燃空气预热温度高于800～1000℃)空气燃烧，具有不再出现局部高温高氧区，燃烧室内温度分布更均匀，炉内高温烧损减弱、CO₂排放大幅度减少，NO_x生成受到明显抑制等技术优势，较好地缓解了当今社会发展对燃烧技术发展的压力。我国在上世纪末吸收引进低氧高温空气燃烧技术，但目前国内主要是应用它的高温蓄热体加热助燃空气(或燃气)实现余热回收的功能，未能良好组织低氧燃烧而收到良好的环保效益。因此，低氧高温空气燃烧工程应用报道也只针对它的节能率，不提及或回避NO_x排放问题。目前国内外工业炉窑应用的低氧高温空气燃烧装置(见学术论文：“周怀春，盛锋，姚洪等。高温空气燃烧技术-21世纪关键技术之一.工业炉，1998，(1)：19-31.”和“祁海鹰，李宇红，由长福等.高温空气燃烧技术的国际发展动态。工业加热，2003，(1)：1-7.”)如图2所示。燃烧装置主要由四通换向阀、两个蜂窝陶瓷蓄热式烧嘴、炉膛、冷却管和控制柜组成。

通常成对地选用结构相同的两个蓄热式烧嘴。当第一烧嘴工作时，高温烟气经由另一第二烧嘴排出，与第二烧嘴的蓄热体换热后大幅度降低温度，最终被排入大气。普通空气(含氧体积浓度为21％)经四通换热向阀进入第一烧嘴吸热，温度升到燃料自燃点后喷入炉膛。在炉膛内经燃气管喷入的燃气和高温低浓度的氧气分子混合接触发生体积燃烧。一定的时间间隔后，由控制柜发出指令使得四通换向阀动作，空气进入第二烧嘴，经过第二烧嘴的高温蓄热体时被加热，在极短时间内被加热到接近炉膛的温度水平。第二烧嘴启动的同时，第一烧嘴停止工作，而转换为排烟和蓄热装置。燃气管可设位置固定的一组(见图2)，也可分别围绕两蓄热式烧嘴设置。在两蓄热式烧嘴都设有燃气管时，燃气的周期性通断需要由控制柜发出信号控制，实现和四通换向阀同步协调工作。

由图2可知，蓄热式高温空气燃烧技术关键有：

A、炉膛内助燃空气射流要卷吸大量燃烧烟气，才能在较大空间范围内形成均匀的低氧气流。此过程需要优化经过第一烧嘴或第二烧嘴射入炉膛的高温助燃空气速度和射入方向。此速度和射入方向随炉膛结构的不同而不同，无疑加大了燃烧系统的建设投资。另外并卷吸的烟气量和位置难于准确控制，使得燃烧反应速率难于定量确定，决定燃烧节能和NO_x排放特征的炉内燃烧火焰行为不可调控。

B、借助蓄热式燃烧来高效率回收高温烟气显热和预热助燃空气。在烟气通过蓄热体的一段很短的时间内，烟气需降温到常温水平，这就要求有大的换热强度和高的换热频率。

目前是设置比表面积大的蜂窝陶瓷蓄热体来实现大的换热强度，基于PLC控制技术设置快速动作的四通换向阀来实现高频率换热。蜂窝蓄热体气流通道过小，易积灰被堵塞，这就限制了它只能以气体为燃料，而且通道内部压力变化过大，必须加大动力机的功率，才能保证气流的稳定，从而增加了运行费用。要求蓄热体高温性能好，能耐大温差和高频变换时无脆裂剥落变形。另外，蜂窝蓄热体还需要抗氧化和腐蚀，有一定的使用寿命。

快速切换导致炉膛内燃烧火焰不稳定和传热不稳定。四通换向阀易烧损，需要高压气源。要求配置控制柜，增加了燃烧系统对自动控制技术和设备要求。气流切换还导致炉膛的压力不稳定，在炉内微负压控制上存在一定的难度。增加了运动部件而产生噪音污染。

分析可知，蓄热式低氧高温空气燃烧关键技术是制约其工程应用的关键。绝大多数工业炉窑没有注意到优化炉内气流组织的重要性。蜂窝陶瓷蓄热体和四通换热阀的设计生产制作很大程度上受制于国外垄断。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种炉膛内燃烧火焰稳定、传热稳定、炉膛内的压力稳定且燃烧系统结构简单、性能可靠的低氧高温空气燃烧方法。

本发明要解决的另一个技术问题是提供一种结构简单、性能可靠的能实现上述燃烧方法的装置。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：助燃空气进入换热器，被从炉膛内出来的烟气预热后再与从炉膛内出来的部分烟气混合，使混合助燃空气含氧浓度降低到8％～15％，进一步提高燃烧气流温度使其超过燃气自燃点温度，然后混合助燃空气进入炉膛，混合助燃空气在炉膛内与燃料发生燃烧反应速度可控的低氧高温空气燃烧，产生的高温烟气一部分流经换热器预热助燃空气后降到接近环境温度水平，再排入环境，剩余部分和已被预热的助燃空气混合再进入炉膛燃烧。

燃烧所要求的燃烧气流温度条件和含氧浓度条件皆在炉外建立，由燃烧气流温度和含氧浓度决定的炉内燃烧反应速度，由炉内燃烧反应速度决定的燃烧火焰体积和温度都可人为、定量调节和控制。

用高效间壁式热交换器预热助燃空气，部分烟气在炉外循环利用以稀释燃烧气流含氧浓度；助燃空气经换热器预热后温度能达到燃气自燃点温度以上，换热器内助燃空气和烟气不混合；离炉烟气一部分流进换热器以预热助燃空气，剩余部分和助燃空气混合以降低助燃空气含氧浓度；烟气旁通管上的止回阀可防止空气逆向流进烟气管道；位于低温管道上的烟气流量调节阀可调节炉外烟气循环利用比率，从而控制入炉燃烧气流含氧浓度和空气预热温度。

燃用烷烃类燃料如CH₄、C₂H₆或C₃H₈时，入炉燃烧气流含氧浓度控制在8％～13％之间；燃用H₂时，入炉燃烧气流含氧浓度控制在10％～12％之间；燃用CO时，入炉燃烧气流含氧浓度不在11％～15％范围内。

实施上述低氧高温空气燃烧方法的装置，包括炉膛和助燃空气管，所述的助燃空气管通过热交换器相连通所述的炉膛，所述的炉膛的烟气排放管与所述的热交换器相连通并设有烟气流量调节阀，在所述的炉膛和所述的热交换器之间的助燃空气管和烟气排放管之间设有从所述的烟气排放管流向所述的助燃空气管的止回阀。

所述的热交换器为间壁式热交换器。

所述的止回阀为陶瓷止回阀。

采用上述技术方案的方法和装置，新鲜助燃空气进入热交换器，并高温烟气预热后和经止回阀过来的高温烟气混合，送入炉膛，空气和烟气混合后，一方面使空气含氧浓度降低到8％～15％，另一方面助燃空气温度进一步升高，使得低氧助燃混合气流温度达到超过燃气自燃点温度水平。在炉膛内和经燃气管送过来的燃气相遇而发生低氧高温空气燃烧，部分燃烧热量经冷却管里的冷却介质吸收。从炉膛出来的烟气一部分烟气流经热交换器预热助燃空气并降温到接近环境温度水平，经过烟气流量调节阀进入环境；剩余部分烟气流经止回阀和被预热的空气混合，以定量调节空气含氧浓度。调节烟气流量调节阀开启度，可调节炉外循环利用烟气比率，调节空气预热温度和入炉助燃混合气流含氧浓度，满足低氧高温空气燃烧所要求的含氧浓度和预热温度双重要求。

综上所述，本发明是一种炉膛内燃烧火焰稳定、传热稳定、炉膛内的压力稳定且燃烧系统结构简单、性能可靠的低氧高温空气燃烧方法其装置结构简单、性能可靠、制造方便。

附图说明

图1为发明所涉及的低氧高温空气燃烧装置结构示意图；

图2为常规的蓄热式低氧高温空气燃烧装置结构示意图。

具体实施方式

如图1，发明主要由高效间壁式热交换器1、陶瓷止回阀2、燃气管3、炉膛4、助燃空气管11、烟气排放管12、冷却管5和烟气流量调节阀6组成，在炉膛4上设有冷却管5、燃气管3和烟气排放管12，助燃空气管11经过高效间壁式热交换器1后和炉膛4相连通，炉膛4的烟气排放管12经过高效间壁式热交换器1并设有烟气流量调节阀6，在炉膛4和高效间壁式热交换器1之间的助燃空气管11和烟气排放管12之间设有从烟气排放管12流向助燃空气管11的止回阀2。

参见图1，新鲜空气从助燃空气管11进入高效间壁式换热器1，并被高温烟气预热后和经陶瓷止回阀2过来的高温烟气混合，进入炉膛4。预热后的空气和高温烟气混合后，一方面使空气含氧浓度降低，另一方面助燃空气温度进一步升高，使得低氧助燃混合气流温度达到超过燃气自燃点温度水平。低氧高温助燃气流在炉膛4内和经燃气管3送过来的燃气相遇而发生容积式低氧高温空气燃烧。燃料燃烧热量一部分被冷却管5里的冷却介质吸收，剩余热量变成烟气显热从经烟气排放管12离开炉膛4。从炉膛4经烟气排放管12出来的高温烟气一部分流经高效间壁式换热器1，预热助燃空气后降温到接近环境温度水平，再经过烟气流量调节阀6排入环境；剩余部分流经陶瓷止回阀2和已被预热的助燃空气混合，以稀释助燃空气，并进一步提高燃烧气流温度。

参见图1，发明的炉膛4上装有冷却管5，以调节燃烧温度。冷却管5可以是水冷壁或空气冷却壁，也可以是固体或液体受热件。用于回收高温烟气显热和预热助燃空气使用的间壁式热交换器1，可以是顺流、逆流或叉流布置。炉膛4和间壁式热交换器1之间的助燃空气管11和烟气排放管12需保温。和炉膛4相连接的助燃空气管11和烟气排放管12可集中设置，也可分散设置。低温烟气经过烟气流量调节阀6可调节炉外循环利用的烟气比率，调节助燃空气预热温度和入炉助燃混合气流含氧浓度，满足低氧高温空气燃烧所要求的含氧浓度和预热温度双重要求。陶瓷止回阀2是一个单向阀，可有效地防止预热空气逆向流进烟气排放管12。陶瓷止回阀2热膨胀小，高温时无脆裂、剥落和变形。炉膛4具有一定的密封性能。

本发明在燃用烷烃类燃料如CH₄、C₂H₆或C₃H₈时，调节燃烧气流含氧浓度在8％～13％之间，有效能效率可达到最大值，如入炉燃烧气流温度为630℃，含氧浓度为13％时，最大有效能效率达到57％；入炉燃烧气流温度为650℃，含氧浓度为13％时，最高热效率达到95％。

本发明在燃用H₂时，调节燃烧气流含氧浓度在10％～13％之间，热效率和有效能效率都达到最大值。如入炉助燃气流温度为650℃，含氧浓度为10％时，最大热效率达到96.5％，最高有效能效率达到68％。

本发明避免燃用CO。在燃用CO时，有效能效率和热效率出现最小值。如入炉燃烧气流温度为1200℃，含氧浓度为11％～13％之间时，最小有效能效率只有28％。入炉燃烧气流温度位置1350℃，含氧浓度为13％～15％之间时，最小热效率只有75％。

参见图1和图2，本发明创新在于：

a、用烟气与空气之间的高效间壁式换热替换快速切换的蜂窝蓄热式换热。图2中，两蓄热式烧嘴9和10、四通换向阀8和基于PLC原理的控制柜7被简化为发明的高效间壁式换热器1。发明去掉了两蓄热式烧嘴9和10，根本上解决了烟气粉尘堵塞气流通道难题，使低氧高温空气燃烧可燃用液体甚至固体燃料。发明去掉了快速动作的四通换向阀8，消除了机械噪音。和受国外技术封锁的图2相比，发明所用的高效间壁式换热设备简单，相关设计和操作运行经验丰富，而且投资大幅度降低。

b、建立低氧浓度燃烧的途径发生了根本性变化。在图2中，大量烟气在炉膛4内循环，不可能定量调节燃烧气流流量和温度，不可能控制空气和烟气混合位置和混合程度。由于燃烧时的燃烧气流温度和燃烧气流含氧浓度不能准确地调节，燃烧反应速度也就不能准确调节，炉内燃烧火焰体积、火焰温度和燃烧传热等都不能准确调节。发明调节处于低温管道上的烟气流量调节阀6的开度可改变旁通烟气的流量，从而可方便调节助燃气流含氧浓度。设计高效间壁式换热器1的换热面积可保证低氧燃烧必需的烟气余热回收和空气预热效果，加上旁通烟气流量的控制可方便控制入炉燃烧气流温度。由于燃烧气流温度和燃烧气流含氧浓度在炉外能准确调节，燃烧反应速度也就可准确地调节，从而实现燃烧反应速度可调，燃烧行为可控的低氧高温空气燃烧。

c、由于低氧高温燃烧气流送入炉内的位置固定，可固定燃气送入位置。燃气管3位置固定，发明可实现固定型单火焰式燃烧，炉内燃烧和传热稳定，燃烧控制方便。

在以温度均匀，高温烧损减弱、高效节能和低NO_x排放为主要使用目的的锻造炉，加热炉，保护气氛热处理炉，钢包烘烤炉，反射熔炼炉和玻璃熔炉，以及机械、石油化工、玻璃陶瓷、锅炉和垃圾焚烧领域的工业炉窑上，均可实施本发明。

Claims

1、一种低氧高温空气燃烧方法，其特征是：助燃空气进入换热器，被从炉膛内出来的烟气预热后再与从炉膛内出来的部分烟气混合，使混合助燃空气含氧浓度降低，进一步提高燃烧气流温度使其超过燃气自燃点温度，然后混合助燃空气进入炉膛，混合助燃空气在炉膛内与燃料发生燃烧反应速度可控的低氧高温空气燃烧，产生的高温烟气一部分流经换热器预热助燃空气后降到接近环境温度水平，再排入环境，剩余部分和已被预热的助燃空气混合再进入炉膛燃烧。

2、根据权利要求1所述的低氧高温空气燃烧方法，其特征是：燃烧所要求的燃烧气流温度条件和含氧浓度条件皆在炉外建立，由燃烧气流温度和含氧浓度决定的炉内燃烧反应速度，由炉内燃烧反应速度决定的燃烧火焰体积和温度都可人工定量地调节和控制。

3、根据权利要求1或2的低氧高温空气燃烧方法，其特征是：用高效间壁式热交换器预热助燃空气，部分烟气在炉外循环利用以稀释燃烧气流含氧浓度；助燃空气经换热器预热后温度能达到燃气自燃点温度以上，换热器内助燃空气和烟气不混合；离炉烟气一部分流进换热器以预热助燃空气，剩余部分和助燃空气混合以降低助燃空气含氧浓度；烟气旁通管上的止回阀可防止空气逆向流进烟气管道；位于低温管道上的烟气流量调节阀可调节炉外烟气循环利用比率，从而控制入炉燃烧气流含氧浓度和空气预热温度。

4、根据权利要求1或2的低氧高温空气燃烧方法，其特征是：燃用烷烃类燃料时，入炉燃烧气流含氧浓度控制在8％～13％之间；燃用H₂时，入炉燃烧气流含氧浓度控制在10％～12％之间；燃用CO时，入炉燃烧气流含氧浓度在11％～15％范围之外。

5、实施权利要求1所述的低氧高温空气燃烧方法的装置，包括炉膛(4)和助燃空气管(11)，其特征是：所述的助燃空气管(11)通过热交换器和所述的炉膛(4)相连通，所述的炉膛(4)的烟气排放管(12)和所述的热交换器相连通并在所述的热交换器后设有烟气流量调节阀(6)，在所述的炉膛(4)和所述的热交换器之间的助燃空气管(11)和烟气排放管(12)之间设有从所述的烟气排放管(12)流向所述的助燃空气管(11)的止回阀。

6、根据权利要求5所述的低氧高温空气燃烧装置，其特征是：所述的热交换器为间壁式热交换器(1)。

7、根据权利要求5或6所述的低氧高温空气燃烧装置，其特征是：所述的止回阀为陶瓷止回阀(2)。