CN206269123U - 用于直接火焰式或可控气氛式再加热炉的气体燃料燃烧器 - Google Patents

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Abstract

一种用于直接火焰式或可控气氛式再加热炉的气体燃料燃烧器，所述直接火焰式或可控气氛式再加热炉用于钢铁产品的再加热或者用于金属带、尤其是钢铁带的连续性涂覆和/或退火，其特征在于，所述气体燃料燃烧器设置用于确保双重稀释，第一稀释通过在燃烧器的上游处或者在燃烧器的主体中实施使燃烧空气与燃烧产物混合而得到，第二稀释通过施行使燃料与火焰再循环部分或者与不完全燃烧产物混合而得到，所述双重稀释引起气体的物理和化学特征改变，以特别是在以减少NOx的产量为目的的经高度稀释的助燃剂具有的氧气含量按体积接近10％的情况下能够使燃烧器稳定运行，这适合于内部进行燃烧的腔室的所有运行温度，并且所述燃烧器包括由圆柱部分组成的燃烧器喷嘴，在所述圆柱部分中与圆柱部分的几何轴线垂直地并且从圆柱部分开口平面退回地固定有打穿有多个孔(19)的盘(25)，所述多个孔的轴线与圆柱部分的轴线基本平行，并且所述多个孔位于接近盘外直径的直径上，并且直径小于圆柱部分直径的管(27)与所述部分同轴固定，所述管的端部中的一个位于所述部分(26)的内部，同时保留所述端部与盘(25)的前表面之间的距离，所述管的另一个端部位于所述圆柱部分的外部。

Description

用于直接火焰式或可控气氛式再加热炉的气体燃料燃烧器
技术领域
本发明主要应用在用于可控气氛式再加热炉的辐射管燃烧器，所述可控气氛式再加热炉例如用于金属带的连续性涂覆和/或退火或者用于产品、例如钢铁产品的直接火焰式加热。
本发明能够通过实施连续的两个再循环步骤得到特别低等级的氮氧化物NOx，同时保持良好的能量效率，这无论是处于内部发生燃烧的腔室的任何温度等级。
背景技术
用于再加热炉、例如钢铁工业炉的燃烧器已被多次改变，以便遵守关于污染物、特别是氮氧化物NOx排放的连续的规章或者标准。
按照现有技术的大量燃烧器使用稀释来减小被排放的NOx的等级，燃烧空气或者火焰由燃烧产物稀释，以使该火焰在更大的体积上进行，因此减小了平均温度从而限制了NOx产物。
稀释提供了满足减少NOx的解决办法。然而该稀释存在界限，所述界限由混合物的点燃界限和火焰不稳定性存在性构成。被提出的本发明提供了对于关于在较大稀释值情况下的点燃和火焰不稳定性的这些问题的解决办法，这能够达到由装配有该类型燃烧器的炉排放的NOx的特别低的值。
关于辐射管的现有技术作为示例示出在图1上。辐射管1安装在炉2的腔室中，所述炉装配有：侧壁4；管状热量回收器6，所述管状热量回收器安装在回收器主体5中或者在辐射管分支12b上；和燃烧器10，所述燃烧器安装在辐射管分支12a上。来自燃烧的烟3穿过辐射管直到交换器一侧的输出端，此处这些烟的一部分8被定向成朝向炉的排泄端，例如烟囱(未示出)，并且烟的一部分9被引导向燃烧器10，以便与回收器6中预先再加热的燃烧空气7混合。经预先加热的燃烧空气7在第一时间与烟9混合然后与来自吹管(canne)11的气体混合，以在辐射管分支12a中产生火焰。还可考虑能够将部分烟引导到能量回收装置(例如6)前方或后方的所有解决办法以使用燃烧空气7来稀释所述烟，这或是在燃烧器10的输入端的前方(例如在燃烧器的上游处通过使流量7和9混合)，或是直接在燃烧器喷嘴处在使用助燃剂7执行燃料11燃烧的区域中。
使用烟来稀释燃烧空气的该稀释能够提高内部进行燃烧的体积，控制反应区域中的氧气含量，并因此减小所述燃烧的温度，这减少了由该燃烧排放的NOx。
按照现有技术已知一些设备，其中对于内部执行燃烧的体积的该稀释由燃料射流和助燃剂直接实施，所述燃料射流和助燃剂被注射到内部发生燃烧的腔室的体积中，这引起与反应气体混合的燃烧产物的再循环。图2示出了该类型的设备，其中燃烧器15产生火焰13，所述火焰生成腔室中燃烧气体沿着轨迹14和16的再循环，以稀释火焰，同时增加火焰体积，并因此减小火焰的平均温度，这因此减少了热NOx的产量。
根据现有技术，在按照由图1和图2示出的要素的在燃料与助燃剂之间的反应区域中再循环烟的体积可从例如助燃剂(通常为空气)体积的20％到100％，甚至超过100％。注意到该再循环大大增加了反应区域的体积，这减小了平均温度并因此减小了被排放的NOx的等级。
注意到燃烧空气的稀释减小了在燃料与助燃剂的反应区域位置处氧气的百分比，这生成关于点火和火焰不稳定性的问题。存在再循环界限，在所述再循环界限之外很难点燃冷或热的燃烧器，并且很难产生受控的稳定火焰，燃烧不能自动维持而且火焰由于缺少氧气而熄灭。
关于混合物点燃和火焰稳定性的界限取决于助燃剂中氧气的百分比和炉腔室的温度，所述界限当前构成对于由于该稀释技术来减少NOx的阻碍。
为了解决关于点火和不稳定性的问题，按照现有技术，经常提出根据不实施稀释的模式启动燃烧器，在该模式中反应区域中氧气的百分比和温度足够产生稳定的火焰。该模式可例如通过为燃烧器提供相对于正常运行减少的燃料和/或助燃剂压强而得到。在这些条件下，NOx的等级极高。当腔室达到足够的温度(例如大于自燃温度)时，可建立使用较高稀释的燃烧模式，例如通过增加有利于得到被减小的NOx的等级的空气供应压强和/或气体供应压强。对于较低的炉温度(例如接近气体的自燃温度)，转换到使用较高稀释的燃烧模式并不系统，并且燃烧器可根据无稀释的模式继续运行，也就是说在运行的同时产生大量NOx，这与所希望得到的目标相反。
发明内容
本发明企图提供对于该问题的解决办法，同时通过较大量的烟来允许燃烧空气的稀释率，以得到污染物、特别是NOx的极低排放率，这适用于炉的所有运行状态和炉的所有运行温度，其中包括小于或等于燃料自燃点温度的较低温度，而不损害火焰稳定性。
根据本发明，提出了一种当气体燃料在燃烧器中燃烧的期间减少氮氧化物NOx排放的方法，所述燃烧器用于直接火焰式或可控气氛式再加热炉，所述直接火焰式或可控气氛式再加热炉用于钢铁产品的再加热或者用于金属带的连续性涂覆和/或退火，根据所述方法，第一稀释通过在燃烧器的上游处或者在燃烧器的主体中使燃烧空气与燃烧产物混合来实施，其特征在于，第二稀释通过使气体燃料与火焰再循环部分或者与不完全(partielle)燃烧产物混合来实施，该第二稀释在气体燃料与火焰再循环部分或者与不完全燃烧产物的汇合点处提供了热能，该双重稀释引起气体燃料的物理和化学特征改变，以使燃烧器稳定运行。
优选地，当气体燃料在燃烧器(所述燃烧器用于直接火焰式或可控气氛式再加热炉(所述直接火焰式或可控气氛式再加热炉用于钢铁产品的再加热或者用于金属带、尤其是钢铁带的连续性涂覆和/或退火))中燃烧的期间减少氮氧化物NOx排放的方法(根据该方法第一稀释通过在燃烧器的上游处或者在燃烧器的主体中使燃烧空气与燃烧产物混合来实施)的特征在于，第二稀释通过使燃料与火焰再循环部分或者与不完全燃烧产物混合来实施，该双重稀释引起气体的物理和化学特征改变，以特别是在以减少NOx的产量为目的的经高度稀释的助燃剂具有的氧气含量按体积接近10％(例如对于天然气直到接近100mg/Nm3@3％O2的值)的情况下使燃烧器稳定运行，这适合于内部进行燃烧的腔室的所有运行温度。
优选地，第二稀释通过注射基本平行并且彼此隔开的至少两束气体燃料射流来实施，所述至少两束气体燃料射流能够促使产生在位于射流之间的区域中的负压，这引起不完全燃烧产物在该区域中的循环，并且确保使气体燃料与火焰再循环部分或者与不完全燃烧产物混合。
优选地，气体燃料射流沿着封闭轮廓、特别是成环形分散，并且负压区域位于封闭轮廓、特别是位于环的内部，同时引起不完全燃烧产物在该区域中的循环。气体燃料射流可沿着直径在80毫米至120毫米之间的圆环分散。
有利地，气体燃料射流的初始速度至少等于对于天然气的120米/秒，以建立足够得到稳定火焰的火焰再循环。
燃烧空气与燃烧产物、特别是与烟的混合物可分布在围绕气体燃料射流的环形区域中。
有利地，第二稀释通过使来自火焰反应区域的产物再循环而实施在燃烧器的喷嘴处，所述产物特别是具有用于发起燃料中热化学反应的自由基。
来自第一稀释的燃烧空气与燃烧产物的混合物的氧气含量可按体积小于15％，特别是按体积接近10％。
本发明还涉及一种用于直接火焰式或可控气氛式再加热炉的气体燃料燃烧器，所述直接火焰式或可控气氛式再加热炉用于钢铁产品的再加热或者用于金属带的连续性涂覆和/或退火，其特征在于，所述气体燃料燃烧器设置用于确保双重稀释，第一稀释通过在燃烧器的上游处或者在燃烧器的主体中实施使燃烧空气与燃烧产物混合而得到，第二稀释通过施行使气体燃料与火焰再循环部分或者与不完全燃烧产物混合而得到，该第二稀释在气体燃料与火焰再循环部分或者与不完全燃烧产物的汇合点处提供了热能，该双重稀释引起气体燃料的物理和化学特征改变，以能够使燃烧器稳定运行。
优选地，用于直接火焰式或可控气氛式再加热炉(所述直接火焰式或可控气氛式再加热炉用于钢铁产品的再加热或者用于金属带、尤其是钢铁带的连续性涂覆和/或退火)的气体燃料燃烧器的特征在于，所述气体燃料燃烧器设置用于确保双重稀释，第一稀释通过在燃烧器的上游处或者在燃烧器的主体中实施使燃烧空气与燃烧产物混合而得到，第二稀释通过施行使燃料与火焰再循环部分混合而得到，该双重稀释引起气体的物理和化学特征改变，以特别是在以减少NOx的产量为目的的经高度稀释的助燃剂具有的氧气含量按体积接近10％的情况下能够使燃烧器稳定运行，这适合于内部进行燃烧的腔室的所有运行温度。
有利地，为了实施第二稀释，所述燃烧器包括用于注射基本平行并且彼此隔开的气体燃料射流的至少两个孔，所述至少两个孔能够促使产生在位于射流之间的区域中的负压。
对于辐射管的应用，燃烧器布置在管道中，所述管道用于燃烧空气与燃烧产物、特别是与烟的混合物，所述混合物分布在围绕燃烧器部分的环形区域中，所述燃烧器部分设置有用于气体燃料射流的孔。
燃烧器可包括由圆柱部分组成的燃烧器喷嘴，在所述圆柱部分中与圆柱部分的几何轴线垂直地并且从圆柱部分开口平面退回地固定有打穿有多个孔的盘，所述多个孔的轴线与圆柱部分的轴线基本平行，并且所述多个孔位于接近盘外直径的直径上，并且直径小于圆柱部分直径的管与该部分同轴固定，所述管的端部中的一个位于所述部分的内部，同时保留该端部与盘的前表面之间的距离，所述管的另一个端部位于所述圆柱部分的外部。
燃烧器可设置用于使燃烧空气与烟的混合物围绕圆柱部分分布，并且来自成环形分散的孔的气体射流促使产生在管的内部的负压，所述负压能够使火焰朝向燃烧器返回。负压能够重新吸入火焰根部的产物以用于使所述产物与燃料混合。
燃料进口可包括具有较小直径(例如对于天然气直径为DN20)的管状部分，所述管状部分后接有与圆柱部分连接的锥形部。
燃烧器可包括管堆积和在分布盘中的成环形分散的孔的堆积，以用于产生在通过助燃剂启动燃料氧化的启动区域中的负压区域。
附图说明
除了在上文中示出的布置，本发明包括在下文中关于使用附图上的附图标记描述但为非限制性的实施例的一定数量其它布置。在这些附图上：
图1为带有根据现有技术的燃烧器的辐射管的示意图。
图2为根据现有技术的带有燃烧器的设备的示意图。
图3为根据本发明的燃烧器的示意性竖直剖视图。
具体实施方式
本发明的解决办法示出在图3上，图3示意性示出了图1上示出的燃烧器10和辐射管第一分支12a。
在图3上示出了对应于再循环烟(例如9)和燃烧空气7(在回收器中预先加热)的进口的供应21，该回收器未示出在图3上但与图1的回收器6相似。使用对于预先建立的再循环烟9与燃烧空气7混合物的进口可得到同一结果。
燃料进口22由管状部分23(例如对于天然气直径为DN20)和锥形部24(后接有与圆柱部分26)组成。在圆柱部分26的内部固定有盘25，所述盘与部分26的几何轴线正交，并且所述盘特别是焊接在所述管的内部，以便存在该盘的前表面与管26的开口平面之间的距离Δ1(例如对于天然气距离在30毫米至60毫米之间)。盘25打穿有用于注射燃料的多个孔19，所述多个孔的轴线与管26的轴线基本平行，并且所述多个孔位于小于盘外直径(特别是比盘外直径小10毫米)的直径上。
管27沿着管26的轴线焊接，管27的一个端部位于管26的内部并且保留该端部与盘25的前表面之间的距离Δ2(特别是对于天然气距离在5毫米至30毫米之间)。管27在距离Δ3(特别是在100毫米至250毫米之间)上延伸而超出管26的端部。
在管道12a中燃烧空气与烟的混合物沿着环形区域20而围绕圆柱26以及围绕来自成环形分散的孔19的气体射流18分布。高速度(大于天然气情况下的120米/秒)的气体的注射18促使产生在管27中的负压，所述负压引起沿着在管27中的简化轨迹28吸入燃烧产物，所述简化轨迹为从位于管27端部附近的区域B朝向位于盘25附近的管27端部与盘之间的区域C。
区域B位于燃料与助燃剂的反应区域中，也就是说在极高温度(尤其大于1500°K)的火焰区域中，并且在燃烧的进行产生被不完全氧化和反应的大量化学物种的区域中，所述化学物种的自由基呈现出这些燃烧产物的等离子体(plasmatique)类型的状态。还注意到，与在传统地实施烟的再循环(在该情况下再循环的增加使火焰稳定性降级)时发生的情况相反，如本发明示出的在助燃剂具有的氧气含量较低(特别是按体积10％)的情况下在燃烧器喷嘴处燃料稀释的实施使火焰的稳定区扩大。由气体在与燃料的汇合点D处在极高温下的该再循环28提供的能量改变了物理化学特征，特别是不完全地实现围绕管27的燃料的不完全热裂化(craquage thermique partiel)，所述不完全热裂化确保了燃烧在区域A中进行。即使烟与空气的混合物20中具有的氧气较弱集中也可得到。通过该办法，可实现点火和反应区域的稳定，还由于地方性提供热能和改变了燃料的热化学性质而具有极低的氧气含量，这能够扩展(repousser)空气/可燃气体混合物的点燃界限，特别在氧气含量按体积为10％的情况下。
相关反应可例如为以下类型：
CH4+H2O＝3H2+CO
CH4→C+2H2
CO+H2O＝CO2+H2
在这些化学式上可注意到氢气的形成，所述氢气的形成将有助于燃料的点燃(即使氧气较弱集中)。
该装置能够维持稳定的火焰，同时氧气含量小于根据现有技术实施的氧气含量，因此，得到的所产生的NOx的等级小于根据现有技术得到的所产生的NOx的等级，这无论是处于内部进行燃烧的腔室的任何温度。
还注意到如本发明示出的在空气与烟的混合物具有的氧气含量较低(特别是按体积为10％)的情况下在燃烧器喷嘴处的燃烧产物再循环的实施通过使燃烧或点燃燃料容易而增加了火焰稳定性。
注意到该燃烧器的运行依靠双重稀释，第一稀释通过在反应区域的上游处使燃烧空气与燃烧产物混合而得到，第二稀释在反应区域位置处通过燃料在燃烧器喷嘴处直接使用高温度火焰反应物的稀释而得到。该第二“稀释”是特别的，这是因为该稀释不是以简单的作用来稀释气体，而且，由于提供的热能大于自然温度，这有助于通过与热解(pyrolyse)相似的复杂现象来改变可燃气体的热化学性质。可燃气体与不完全燃烧产物的混合物发生反应以尤其产生氢气，其中气体的热化学性质改变。
注意到本发明的前述说明被应用在辐射管上，但所示的装置可换位到直接火焰式燃烧器上，为此第一稀释通过在炉中沿着图2的轨迹14和16使燃烧产物混合来实施，并且第二稀释可在燃烧器喷嘴处使用如图3上示出的装置来实施。

Claims (8)

1.一种用于直接火焰式或可控气氛式再加热炉的气体燃料燃烧器，所述直接火焰式或可控气氛式再加热炉用于钢铁产品的再加热或者用于金属带、尤其是钢铁带的连续性涂覆和/或退火，
其特征在于，所述气体燃料燃烧器设置用于确保双重稀释，第一稀释通过在燃烧器的上游处或者在燃烧器的主体中实施使燃烧空气与燃烧产物混合而得到，第二稀释通过施行使燃料与火焰再循环部分或者与不完全燃烧产物混合而得到，所述双重稀释引起气体的物理和化学特征改变，以特别是在以减少NOx的产量为目的的经高度稀释的助燃剂具有的氧气含量按体积接近10％的情况下能够使燃烧器稳定运行，这适合于内部进行燃烧的腔室的所有运行温度，
并且所述燃烧器包括由圆柱部分组成的燃烧器喷嘴，在所述圆柱部分中与圆柱部分的几何轴线垂直地并且从圆柱部分开口平面退回地固定有打穿有多个孔(19)的盘(25)，所述多个孔的轴线与圆柱部分的轴线基本平行，并且所述多个孔位于接近盘外直径的直径上，并且直径小于圆柱部分直径的管(27)与所述部分同轴固定，所述管的端部中的一个位于所述部分(26)的内部，同时保留所述端部与盘(25)的前表面之间的距离，所述管的另一个端部位于所述圆柱部分的外部。
2.根据权利要求1所述的气体燃料燃烧器，其特征在于，为了实施第二稀释，所述燃烧器包括用于注射基本平行并且彼此隔开的气体燃料射流的至少两个孔，所述至少两个孔能够促使产生在位于射流之间的区域中的负压。
3.根据权利要求1或2所述的气体燃料燃烧器，其特征在于，用于注射气体燃料的孔沿着封闭轮廓分散。
4.根据权利要求3所述的气体燃料燃烧器，其中，所述封闭轮廓是成环形的。
5.根据权利要求1或2所述的气体燃料燃烧器，其特征在于，所述燃烧器布置在管道中，所述管道用于燃烧空气与燃烧产物、特别是与烟的混合物，所述混合物分布在围绕燃烧器部分的环形区域中，所述燃烧器部分设置有用于气体燃料射流的孔。
6.根据权利要求1或2所述的气体燃料燃烧器，其特征在于，燃烧空气与烟的混合物围绕圆柱部分(26)分布，并且来自成环形分散的孔(19)的气体射流(18)促使产生在管(27)的内部的负压，所述负压能够使火焰朝向燃烧器返回。
7.根据权利要求1或2所述的气体燃料燃烧器，其特征在于，燃料进口(22)包括具有较小直径的管状部分(23)，所述管状部分后接有与圆柱部分(26)连接的锥形部(24)。
8.根据权利要求1或2所述的气体燃料燃烧器，其特征在于，所述燃烧器包括管堆积(25，26)和在分布盘(25)中的成环形分散的孔(19)的堆积，以用于产生在通过助燃剂启动燃料氧化的启动区域中的负压区域(A)。
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