CN209229759U - 一种高纯度废氨气焚烧炉及焚烧系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种高纯度废氨气焚烧炉，包括炉体，所述炉体被构造为包括前段、中段和后段；还包括布置在炉体前段的燃烧机接口、补风口、氨气管道接口，布置在炉体后段的烟气出口；所述炉体中段被构造为具有与炉体前段连接的收缩部、与炉体后段连接的扩散部、以及位于收缩部和扩散部之间的喉部。进一步，还公开一种采用该焚烧炉的焚烧系统。本实用新型通过对焚烧炉炉体的特别设计，使得在焚烧过程中烟气气流混合更为均匀，燃烧更充分，减少炉膛内的局部高温区域，从而减少氮氧化物的生成。

Description

一种高纯度废氨气焚烧炉及焚烧系统

技术领域

本实用新型涉及一种用于废氨气的专用焚烧炉，尤其涉及于高纯氨生产过程中用于废氨处理的环保节能焚烧设备。

背景技术

高纯氨是一种重要的化工基础材料，它广泛地应用于电子、化工、冶金、能源等工业方面的研究和生产中。电子级高纯氨纯度要求达到99.9999％(体积分数)。

高纯氨在生产过程中，由于杂质分离不完全，导致较高纯度的99.9％(体积分数)的废氨产生。由于氨气是有害气体，不可直接排放，需要对其进行处理然后再排放。目前，通常采取的处理方式主要有：1)将该股气体排至吸收塔被水吸收，加工成为氨水，但由于其工艺复杂，设备投入成本较高，氨水的价格便宜等，因此回收价值并不高；2)采用焚烧法，使得氨气完全燃烧成为无害的N₂和H₂O然后排放，但氨的燃点为651℃，燃烧温度低，氨燃烧不完全，燃烧温度过高，燃烧过程中会产生过量的氮氧化物。因此，如何控制炉温使氮氧化物排放不超标同时使得氨气完全分解也一直是一个难题。

燃烧过程中生成的NO_X可分为三类：燃料型(fuel NO_X)、热力型(thermal NO_X)和瞬时型(prompt NO_X)，其中，热力型NO_X是燃烧过程中空气中的氮气在高温下氧化而生成。根据热力型NO_X的生成机理：温度越高，NO_X的生成量越多；空气含量增加(即助燃比增加)一方面会降低燃烧温度，但也会使得氧气含量增加，最终使得NO_X的生成量增加；局部高温区域的存在会使得NO_X的大幅增加。因此，选择合适的助燃比，控制合理的燃烧温度，尽量避免局部高温区的存在是减少NO_X生成量的关键。

文丘里效应是意大利物理学家文丘里发现的。该效应表现在当气体或液体在文丘里管里面流动，在管道的最窄处，动态压力(速度头)达到最大值.静态压力(静息压力)达到最小值，气体(液体)的速度因为涌流横截面积变化的关系而上升。整个涌流都要在同一时间内经历管道缩小过程，因而压力也在同一时间减小，进而产生压力差，这个压力差用于测量或者给流体提供一个外在吸力。

实用新型内容

本实用新型为了克服上述背景技术的问题，提供一种用于高纯氨气处理的焚烧炉和系统，通过对焚烧炉炉体采用文丘里的结构设计，使得在焚烧过程中烟气气流混合更为均匀，燃烧更充分，减少炉膛内的局部高温区域，从而减少氮氧化物的生成。还可通过特有的防火墙设计，使炉膛温度维持在950℃左右，进一步保证废氨完全燃烧，控制氮氧化物达标排放。

本实用新型的技术方案是：

方案一：一种高纯度废氨气焚烧炉，包括炉体，所述炉体被构造为包括前段、中段和后段；还包括布置在炉体前段的燃烧机接口、补风口、氨气管道接口，布置在炉体后段的烟气出口；所述炉体中段被构造为具有与炉体前段连接的收缩部、与炉体后段连接的扩散部、以及位于收缩部和扩散部之间的喉部。

优选的，该焚烧炉还包括布置在炉体后段的挡火墙，所述挡火墙为耐高温陶瓷蓄热体。

优选的，所述挡火墙为孔隙率为40～45％的耐高温蜂窝陶瓷蓄热体。

优选的，还包括用于连接温度检测装置的第一检测接口和用于连接差压检测装置的第二检测接口，所述第一检测接口和第二检测接口均布置在炉体后段挡火墙之后。

优选的，该焚烧炉还包括用于连接温度检测装置的第一检测接口和用于连接差压检测装置的第二检测接口。

优选的，所述炉体的外壁具有钢板卷制的壳体，内壁设有耐火隔热衬里。

方案二：一种高纯度废氨气焚烧系统，包括方案一所述的高纯度废氨气焚烧炉，燃烧装置、助燃空气管路、氨气管路、燃料管路，以及温度检测装置和差压检测装置；所述燃烧装置的火焰烧嘴为长明灯，并与所述高纯度废氨气焚烧炉的燃烧机接口连接；所述助燃空气管路与所述高纯度废氨气焚烧炉的补风口连接，并配置有补风风机和第一进气控制阀；所述氨气管路与所述高纯度废氨气焚烧炉的氨气管道接口连接，并配置有第二进气控制阀；所述燃料管路与所述燃烧装置的进料口连接，并配置有第三进气控制阀；所述温度检测装置连接所述高纯度废氨气焚烧炉的第一检测接口；所述差压检测装置连接所述高纯度废氨气焚烧炉的第二检测接口。

优选的，该焚烧系统还包括翅片管换热器和排烟风机；所述翅片管换热器的热侧通道分别连接所述高纯度废氨气焚烧炉的烟气出口和排烟风机，冷侧通道连接外部冷介质。

优选的，所述补风风机和排烟风机为变频控制。

优选的，该焚烧系统还包括控制装置，所述温度检测装置、差压检测装置、第一进气控制阀、第二进气控制阀、第三进气控制阀、补风风机和排烟风机均与所述控制装置电连接。

有益效果：

1)本实用新型应用文丘里管的原理，将炉体中段设计为文丘里管结构，当燃烧的烟气流经此处变径结构最窄处时，由于此处的管径减小，流速变快，使得烟气与助燃空气两股气流混合更为均匀，当烟气流过此处变径结构时，文丘里管背部(扩散部)由于文丘里效应产生低压，有吸附作用，使得混合后的烟气均匀扩散，保证流经后段挡火墙残余氨气可以被燃烧完全，使得炉膛内的局部高温区域有效减少，从而减少NO_X的生成。

2)在炉体后段处做耐高温蓄热体结构的挡火墙，保持炉温稳定，且没有燃烧完全的NH₃分子通过挡火墙也会燃烧，另外，还能有效阻挡火焰蔓延燃烧至炉体烟气出口外部，避免火灾安全隐患。

3)通过在炉体内设置压力测点，配备差压检测装置，设置炉内为负压，一方面保证补风门打开后为吸风状态，保证运行安全；另一方面负压与排烟风机做联锁，比较节能。进一步地，将温度和差压检测装置设置在挡火墙之后，能准确测量炉内温度和压力，并且能避免与燃烧火焰直接接触，延长使用寿命。

4)炉内做隔热衬里进行内保温，使得燃烧的热量不至于流失，保证操作人员的安全。

5)燃烧装置的烧嘴设置为长明灯，保证炉内安全。

6)换热器型式选用管翅式，适合氨气制造工艺中通过烟气对液体介质的加热；

7)补风风机与排烟风机可采用变频控制，可改变风机风量，调节炉膛内部压力；

8)将各控制阀门及风机与控制装置连接，可实现自动控制，操作安全稳定。

附图说明

图1为实施例1中的高纯度废气焚烧炉结构示意图；

图2为实施例2中的高纯度废气焚烧系统结构示意图；

附图标注：炉体1、炉体前段1.1、炉体中段1.2、炉体后段1.3、收缩部1.21、扩散部1.22、喉部1.23、燃烧机接口2、补风口3、氨气管道接口4、温度变送器接口5、差压变送器接口6、烟气出口7、温度变送器8、差压变送器9、吊耳10、鞍式支座11、挡火墙12、燃烧机21、高纯度废氨气焚烧炉22、翅片管换热器23、排烟风机24、废氨气管路25、氨气进气控制阀门25.1、助燃空气管路26、补风进气控制阀门26.1、补风风机26.2、燃料管路27、燃料进气控制阀门27.1。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本实用新型作进一步说明：

实施例1公开一种高纯度废氨气焚烧炉(简称焚烧炉)，结合图1和图2所示，焚烧炉主要包括炉体1，炉体1上设置的燃烧机接口2、补风口3、氨气管道接口4、温度变送器接口5、差压变送器接口6、烟气出口7、温度变送器8和差压变送器9，以及用于托起和支撑炉体1的吊耳10和鞍式支座11。燃烧机接口2、补风口3和氨气管道接口4均布置在炉体前段1.1，其中，燃烧机接口2布置在炉体前段1.1的端板处，补风口2和氨气管道接口3分别连接助燃空气管路26和废氨气管路25，温度变送器接口5、差压变送器接口6烟气出口7布置在炉体后段1.3，其中，烟气出口7布置炉体后段1.3的端板处。温度变送器8通过温度变送器接口5检测炉膛温度。差压变送器9通过差压变送器接口6检测炉膛压力。

焚烧炉的炉体1为两端设有端板的近似中空管状结构，被构造为炉体前段1.1、炉体中段1.2和炉体后段1.3，其中，炉体中段1.2采用特殊设计的近似文丘里结构，即包括与炉体前段连接的收缩部1.21、与炉体后段连接的扩散部1.22、以及位于收缩部和扩散部之间的喉部1.23，具体外形结构如图1所示。炉体中段1.2设计为近似文丘里结构，当燃烧的烟气流过此处变径结构时，由于此处的流速变快，产生吸附作用，使得烟气与助燃空气两股气流混合更为均匀，燃烧也更充分。

炉体1的外壁为钢板卷制的壳体，炉膛内壁做耐火隔热衬里，保温材料主要为浇注料，保温厚度约为250mm。

保证废氨气的完全燃烧也是炉子有效运行的关键，氨气在炉膛内停留时间较长会使得氨气燃烧更完全，但也会使得炉子的设备体积变大，成本大为增加。作为一种优选方案，还在炉体后段1.3设置挡火墙12，即一种高温蓄热体结构，以便氨气充分燃烧，由于挡火墙12蓄热内部具有较高温度，没有燃烧的NH₃分子通过挡火墙也会燃烧分解，从而保证氨气的完全燃烧。其中，挡火墙12为大小与炉膛截面相匹配的耐高温陶瓷蓄热体，孔隙率约为40～45％。通过炉内这种蓄热体结构，保证炉温在一定高度稳定，以便氨气充分燃烧。挡火墙12的温度保持在950±30℃，超过氨的燃点651℃，没有燃烧的NH₃分子通过挡火墙12也会燃烧。可见，本实用新型在焚烧炉后段设置挡火墙，一方面采用孔隙率为40～45％的耐高温陶瓷蓄热体，使得少量未完全燃烧的氨气在通挡火墙内的狭小空隙时亦被完全燃烧，另一方面，陶瓷本身在耐火同时还具有性质稳定的优点，使炉温稳定，另外，还能有效阻挡火焰蔓延燃烧至炉体烟气出口外部，避免火灾等安全隐患。

温度变送器8通过温度变送器接口5设置在挡火墙12的下游位置，以测量挡火墙12下游炉膛内的温度。差压变送器9通过差压变送器接口6设置在挡火墙12的下游位置，以测量挡火墙12下游炉膛内的压力变化。挡火墙12的下游位置，由于相对挡火墙12的阻隔，内部温度和气流相对稳定，测量值也会更加真实准确，此外，也可避免与火焰直接接触或局部高温的影响，延长使用寿命。

燃烧机连于炉体一端的燃烧机接口；翅片管换热器连于远离燃烧机的炉体的另一端烟气出口；排烟风机连于翅片管换热器的烟气排出口处。在使用时，可通过监测炉膛内温度、压力，控制废氨气、助燃空气、燃料的输入量，使得焚烧炉安全运行，确保氨气被烧尽且保证尾气中的氮氧化物达标排放。

实施例2公开一种高纯度废氨气焚烧系统，主要包括燃烧机21、高纯度废氨气焚烧炉22、翅片管换热器23、排烟风机24、废氨气管路25、助燃空气管路26、燃料管路27，其中，高纯度废氨气焚烧炉22采用实施1所述的焚烧炉，废氨气管路25上设有氨气进气控制阀门25.1、助燃空气管路26上设有补风进气控制阀门26.1和补风风机26.2、燃料管路27上设有燃料进气控制阀门27.1。

结合图2所示，燃烧机21连于焚烧炉22一端的燃烧机接口2，燃料管路27连于燃烧机11，助燃空气管路26连于补风口3，废氨气管路25连于氨气管道接口4，翅片管换热器23连于烟气出口7，排烟风机24连于翅片管换热器23。

其中，差压变送器9以电信号模式将炉膛内的实测压力值显示于控制装置的控制屏幕上。炉膛内设置为负压系统：一方面保证补风口3打开后为吸风状态，没有安全隐患；另一方面负压与排烟风机做联锁，比较节能。

其中，燃烧机11也可采用烧嘴等其它燃烧装置替换，但需要注意的是，其中的烧嘴必须设置为长明灯，以保证燃烧过程不会熄火，否则氨气没有接触到火焰，释放到炉内且因炉内较高的温度，可能存在爆炸的安全隐患。

其中，翅片管换热器21的热侧通道的进出两端分别连接高纯度废氨气焚烧炉22的烟气出口7和排烟风机24。由于冷热侧流体介质分别为气体和液体，此处出于换热器选型性能考虑，选择翅片管换热器换热性能最佳且价格便宜。其中，冷介质源可以是乙二醇、异丙醇，根据氨气制造工艺流程需要优选乙二醇。优选的，冷侧介质为循环介质，在工艺系统内降温后重新回到换热器内再次加热。

其中，排烟风机24为引风机，优选变频控制，通过变频调节频率可以实现风机风量的调节。补风风机26.2也优选变频控制，可根据工艺需求调节进气量。

作为一种优选方案，还可包括控制装置(图中未示意出)，所有检测测量控制信号与电动阀门控制信号均接入控制装置，并在控制装置的操作台上实现对各电器元件的控制。具体的，温度变送器8、差压变送器9、氨气进气控制阀门25.1、补风进气控制阀门26.1、补风风机26.2、燃料进气控制阀门27.1和排烟风机24均连接至控制装置，实现自动控制。控制装置可以是PLC控制或DCS控制，优选PLC控制。通过控制装置设定的控制程序对补风风机26.2、排烟风机24、补风进气控制阀门26.1、差压变送器9联锁联锁控制，实现内部负压运行；通过控制装置设定的控制程序对燃料进气控制阀门27.1、补风进气控制阀门26.1、氨气进气控制阀门25.1、温度变送器8联锁联锁控制，维持炉温恒定在950±30℃，以避免因炉温过高氮氧化物量产生较多，烟气排放不达标，或者炉温过低，导致氨气燃烧不充分。

基于上述高纯度废氨气焚烧系统，其工作流程如下：

启动前，先检查各组件是否连接正确，检查无误后然后对炉膛内部进行吹扫，以免开机前炉膛内残留上次停车时残留的未被完全燃烧的氨气。通过打开补风进气控制阀门26.1、补风风机26.2、排烟风机24向炉膛内通入空气，对内部进行吹扫，吹扫至少3小时，以保证炉膛不存在可能积存的氨气。

为防止后续操作中氨气外泄以及补风口3高温气体外外泄，应维持炉膛内负压运行，压力维持在-300Pa左右。

通过PLC设定的控制程序对补风风机26.2、排烟风机24、补风进气控制阀门26.1、差压变送器9联锁联锁控制，对两个风机的风量进行调节控制，以实现-300Pa负压。

开启燃烧机21，打开燃料进气控制阀门27.1通入燃料，火花点火在炉膛内形成火焰，此时炉膛内的温度将持续升高，观察温度变送器8监测的对应温度，当炉膛内温度达到约500℃时，翅片管换热器23的冷侧通道内开始通入冷介质，避免换热组件被烧坏。

观察温度变送器8监测的对应温度，当炉膛内温度达到约800℃时，打开氨气进气控制阀门27.1通入氨气。氨气与火焰接触，充分燃烧。

氨气燃烧会产生大量热量，通过控制装置控制减小燃烧机21的燃料输入量，但不能让火焰熄灭，以免有爆炸危险。

通过补风进气控制阀门26.1调节补风风量，使氨气充分燃烧。

通过控制装置控制燃料进气控制阀门27.1、补风进气控制阀门26.1，氨气进气控制阀门25.1、温度变送器8联锁联锁控制，维持炉膛温度950℃±30℃，避免炉膛温度过高。

废氨燃烧产生的烟气流经挡火墙12，烟气中微量未分解的氨气在流经挡火墙12过程中完全分解。

950℃左右的高温烟气经烟气出口7进入翅片管换热器23的热侧通道，加热流经翅片管换热器23的冷侧通道中通入的冷介质，并可将加热后的冷介质用于其它工艺使用，以实现余热回收再利用。

在翅片管换热器23完成热交换后，降温后的烟气通过排烟风机24进入烟囱，最终排放至大气。

需要注意的是，由于氨气中氢含量比较大，炉子燃烧过程中会产生大量水蒸气，每次停车后需要要进行烘炉，以确保炉膛不被燃烧所产生的湿空气因逐渐冷却而产生的冷凝水腐蚀。

应当理解的是，上述具体实施方式为本实用新型的优选实施例，本实用新型的范围不限于该实施例，凡依本实用新型所做的任何更改，皆属于本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高纯度废氨气焚烧炉，其特征在于，包括炉体，所述炉体被构造为包括前段、中段和后段；还包括布置在炉体前段的燃烧机接口、补风口、氨气管道接口，布置在炉体后段的烟气出口；所述炉体中段被构造为具有与炉体前段连接的收缩部、与炉体后段连接的扩散部、以及位于收缩部和扩散部之间的喉部。

2.如权利要求1所述的高纯度废氨气焚烧炉，其特征在于，还包括布置在炉体后段的挡火墙，所述挡火墙为耐高温陶瓷蓄热体。

3.如权利要求2所述的高纯度废氨气焚烧炉，其特征在于，所述挡火墙为孔隙率为40～45％的耐高温蜂窝陶瓷蓄热体。

4.如权利要求2所述的高纯度废氨气焚烧炉，其特征在于，还包括用于连接温度检测装置的第一检测接口和用于连接差压检测装置的第二检测接口，所述第一检测接口和第二检测接口均布置在炉体后段挡火墙之后。

5.如权利要求1所述的高纯度废氨气焚烧炉，其特征在于，还包括用于连接温度检测装置的第一检测接口和用于连接差压检测装置的第二检测接口。

6.如权利要求1所述的高纯度废氨气焚烧炉，其特征在于，所述炉体的外壁具有钢板卷制的壳体，内壁设有耐火隔热衬里。

7.一种高纯度废氨气焚烧系统，其特征在于，包括如权利要求1至6任意一项所述的高纯度废氨气焚烧炉，燃烧装置、助燃空气管路、氨气管路、燃料管路，以及温度检测装置和差压检测装置；所述燃烧装置的火焰烧嘴为长明灯，并与所述高纯度废氨气焚烧炉的燃烧机接口连接；所述助燃空气管路与所述高纯度废氨气焚烧炉的补风口连接，并配置有补风风机和第一进气控制阀；所述氨气管路与所述高纯度废氨气焚烧炉的氨气管道接口连接，并配置有第二进气控制阀；所述燃料管路与所述燃烧装置的进料口连接，并配置有第三进气控制阀；所述温度检测装置连接所述高纯度废氨气焚烧炉的第一检测接口；所述差压检测装置连接所述高纯度废氨气焚烧炉的第二检测接口。

8.如权利要求7所述的高纯度废氨气焚烧系统，其特征在于，还包括翅片管换热器和排烟风机；所述翅片管换热器的热侧通道分别连接所述高纯度废氨气焚烧炉的烟气出口和排烟风机，冷侧通道连接外部冷介质。

9.如权利要求8所述的高纯度废氨气焚烧系统，其特征在于，所述补风风机和排烟风机为变频控制。

10.如权利要求8所述的高纯度废氨气焚烧系统，其特征在于，还包括控制装置，所述温度检测装置、差压检测装置、第一进气控制阀、第二进气控制阀、第三进气控制阀、补风风机和排烟风机均与所述控制装置电连接。