CN105157019B - 一种焦炉荒煤气火焰炉窑系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种焦炉荒煤气火焰炉窑系统，送风鼓风机(1)通过流量监控系统连接水平助燃剂提质器(3)，燃气(18)通过流量监控系统连接初级水平燃烧提质器(16)和二级竖直燃烧提质器(15)，二级竖直燃烧提质器(15)与水平助燃剂提质器(3)汇合并通过手动阀(4)和电动调节阀(5)与燃烧器(6)连接，燃烧器(6)的工作端与燃烧炉(8)连接，燃烧器(6)连接有点火装置(7)，燃烧炉(8)上设有热电偶(9)和观测口(12)，燃烧炉(8)的废气口连接有排烟管道(10)，排烟管道(10)上设有排烟风机(11)，监测控制系统(13)与第一流量监控系统(2)、第二流量监控系统(17)、热电偶(9)、电动调节阀(5)和排烟风机(11)通信连接。本发明是一种燃烧效率高、有效节约能源、降低成本、减少环境污染的焦炉荒煤气火焰炉窑系统。
Description
技术领域
本发明涉及一种火焰炉窑系统，特别是涉及一种焦炉荒煤气火焰炉窑系统。
背景技术
焦炉荒煤气是工业炼焦工程中的副产品，每吨干煤可以产出约300-350m3焦炉煤气。其主要成分为：H2、CH4、CO、CmHn、CO2、N2和O2等，其中可燃组分H2含量约55-60％左右，CH4含量约23-27％左右，CO和CmHn的含量分别占5-8％和2-4％，其余的不可燃组分包括CO2、N2和O2共占约4-10％，热值达到17-19MJ/m3左右，是重要的二次能源。
焦炉荒煤气的产率和组成因炼焦用煤质量和焦化过程条件不同而有所差别，其中的CO2、N2既不参与燃烧产生热量也不能助燃，相反，还吸收燃烧过程中产生的热量，导致焦炉煤气的理论燃烧温度偏低。由于焦炉荒煤气中含有H2S、氰化物，虽然量少但都是含有毒性的气体，而且一般会含有较多的焦油和萘，它们会堵塞管道和管件，给调火工作带来困难，所以必须对焦炉荒煤气作净化处理。另外因为可燃成分多并且H2含量较高，故燃烧速度快、温度高，不稳定的燃烧容易引发爆炸，所以全程要控制安全，以防泄露。
焦炉荒煤气作为工业炼铁过程中的副产品，发热值和可燃成分较高，工业产生的焦炉荒煤气中有一部分会用于企业自身回炉助燃，另外的那一部分必须使用专门的装置进行回收净化处理，否则只能直接排入大气，或者燃烧排放(俗称“点天灯”)，会造成环境的污染和能源的浪费。
将焦炉荒煤气应用于火焰炉燃烧系统是一种有效回收二次能源的方式。火焰炉是利用高温火焰水平流过炉膛并直接对炉料传热的一种高温加热式熔炼炉。广泛用于冶金、化工、有色金属、建筑等行业。它所用的燃料种类众多，有：煤、煤粉、重油、柴油、煤气、天然气等。在有色和黑色金属以及一些非金属冶炼过程中，燃气火焰炉可以完成熔化过程；对于增大金属在轧制、锻造、冲压和拉丝加工中的可塑性，改变金属结晶组织，使它具有所需的机械性能时，可以运用燃气火焰炉完成加热升温过程。根据炉温分类，可以分为：低温炉、中温炉、高温炉。低温炉可以间歇加热，中温炉可以用于物料加热达到回火、淬火、退火和正火等工艺要求，高温炉可以完成物料的熔化过程。
燃气火焰炉内的物理化学过程十分复杂，既有气体流动、燃料燃烧，也有热量传递和物料运动等过程。所以，在燃气火焰炉的实际生产操作中也存在一些问题，特别是利用焦炉荒煤气作燃料。目前，主要存在以下问题：①需要严格控制燃料和助燃空气的流量，以防达到爆炸极限；②燃气杂质较复杂，污染气体需要净化；③单位产品能耗较高、资源耗费量大；④窑炉能源利用效率偏低；⑤可燃组分类别较多，燃烧不稳定。
常规燃气火焰炉燃烧系统中常温燃气和助燃空气往往是一边混合一边喷入炉膛，在炉膛中继续混合，并升温至着火点才开始燃烧，但对于焦炉荒煤气会有爆炸发生的问题。如何最大化地安全利用焦炉荒煤气在火焰炉窑系统中的燃烧，对提高能源利用率、减少环境污染、企业降低生产成本具有重要的意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种燃烧效率高、有效节约能源、降低成本、减少环境污染的焦炉荒煤气火焰炉窑系统。
为了解决上述技术问题，本发明提供的焦炉荒煤气火焰炉窑系统，送风鼓风机的出口通过第一流量监控系统连接水平助燃剂提质器的进口，燃气通过第二流量监控系统连接初级水平燃烧提质器的进口，所述的初级水平燃烧提质器的出口连接有二级竖直燃烧提质器的进口，所述的二级竖直燃烧提质器的出口与所述的水平助燃剂提质器的出口汇合并通过串联的手动阀和电动调节阀与燃烧器的进气口连接，所述的燃烧器的工作端与燃烧炉连接，所述的燃烧器连接有点火装置，所述的燃烧炉上设有热电偶和观测口，所述的燃烧炉的废气口连接有排烟管道，所述的排烟管道上设有排烟风机，监测控制系统与第一流量监控系统、第二流量监控系统、所述的热电偶、所述的电动调节阀和所述的排烟风机通信连接。
所述的燃烧器为旋流燃烧器。
所述的第一流量监控系统和第二流量监控系统均由流量计和流量控制阀门组成。
所述的燃烧器上设有火焰观测口。
所述的燃烧炉的内墙表面涂有纳米增强辐射传热层，所述的燃烧炉的炉面、烟道拐弯处涂有外部纳米保温层。
所述的纳米增强辐射传热层由纳米微颗粒材料、防腐材料和高效粘结剂混合抹涂而成，厚6～8毫米，经干燥烧结后该涂层形成多重聚合体：由气密性好、而且隔热、粘附在炉墙表面涂料的底层、抗热震的中间层、防腐蚀呈颗粒分布的最表面层共同构成。
所述的外部纳米保温层由传热系数小于0.005w/(m2·℃)的隔热保温材料和粘结剂混合抹涂在所述的燃烧炉8的炉墙外表面受热干燥而成，厚度为20～24mm。
所述的手动阀和电动调节阀的排列是：手动阀、电动调节阀、电动调节阀、手动阀四个阀依次串联。
采用上述技术方案的焦炉荒煤气火焰炉窑系统，水平助燃剂提质器具备去除助燃空气中阻燃杂质、提高O2活化能的功能。通过水平助燃剂提质器使助燃空气辅助燃烧的能力增强，充分利用燃料。初级水平燃烧提质器能处理燃气中的焦油和萘，二级竖直燃烧提质器能吸收燃气中的N2、CO2，并去除H2S和氰化物，不但增加了燃烧反应中分子间有效碰撞的几率，同时对燃烧有害物(如SO2、NOx等)的生成起抑制作用。使燃气进一步净化，从而提高整个系统的燃烧效率。通过燃气提质器的预催化和预净化作用提高燃气的利用率和燃烧效率。初级水平燃烧提质器和二级竖直燃烧提质器能促使不同有效燃气的沃泊指数趋于接近，即使得不同燃气的热负荷接近一致，在必要时甚至可以导入惰性气体，以保证燃烧时的稳定。
本发明中，燃烧器为旋流燃烧器，以加强混合，并且通过阀门调节进入燃烧器的空气/燃气比例，具备促进燃气与助燃空气相互混合安全燃烧，并提高燃烧效率的功能。
本发明中，燃烧炉的纳米增强辐射传热层通过增加炉窑内墙的颗粒度从而增强炉窑内墙的辐射率(或称黑度)，以大幅度提高炉内辐射传热效率。
本发明中，燃烧炉的外部纳米保温层被涂在节能炉窑炉面、烟道拐弯处可增强炉面和烟道保温，一般可提高炉膛内的温度30～35℃，炉体外表面温度降低40℃以上，减少散热损失。
本发明中，燃烧炉的观测口、监测控制系统可以观测燃烧炉内燃烧情况，并将实时数据传输至监测控制系统进行监控。监测控制系统依据焦炉荒煤气中的杂质处理情况和燃烧情况对燃气和助燃空气的混合比进行调节，如当荒煤气中的焦油、萘过多时，燃料的可燃组分不够，将适当将燃气的比例调高。一般维持燃气和助燃空气比例为1:4，保证安全燃烧。同样排烟风机也由监测控制系统控制，当荒煤气中S、N的含量过高或高温燃烧产生的烟气量大时，可以控制排烟风机转速加快，以便烟气能及时排出。
本发明的工作原理简述如下：
燃烧炉正常运行时，首先分别在两路管道中通入焦炉荒煤气和空气，管道在进入提质器前设有第一流量监控系统和第二流量监控系统，第一流量监控系统和第二流量监控系统均由流量计和流量控制阀门组成，进行人工监测和调控流量。空气通过助燃剂提质器提质，焦炉荒煤气通过初级水平燃气提质器和二级竖直燃气提质器提质。当空气通过水平助燃提质器时，能减少助燃空气中阻燃杂质(如CO2、N2)、提高O2活化能。当焦炉荒煤气通过初级水平燃烧提质器时能处理焦油和萘，方便后续调火，定期更换还能回收焦油和萘。而当焦炉荒煤气通过二级竖直燃烧提质器时，能吸收N2、CO2，并去除H2S和氰化物，提升高炉荒煤气燃烧能力的同时对燃烧有害物(如SO2、NOx等)的生成起抑制作用。(此处设有旁路管道和阀门，若因检修更换提质器能让其他燃气或空气从旁路通过，不影响正常生产)
提质后燃料和助燃空气在共同进入旋流燃烧器充分混合之前的管道设有4道阀门，其中2套电动调节阀由监测控制系统进行模糊控制，另外两套手动阀用以应对突发状况。燃烧器可以加强燃料和助燃空气的混合，并且能通过阀门调节进入燃烧器的空气/燃气比例，具备促进燃气与助燃空气相互混合安全燃烧，并提高燃烧效率的功能。
燃烧炉设有观测口，实际观测火焰，同时燃烧炉内设有2个热电偶检测温度，传输至监测控制系统显示相关数据，监测控制系统有模糊控制功能，通过调节燃气、空气阀门来对燃烧进行控制，维持燃气和助燃空气比例为1:4，保证安全燃烧。火焰炉燃烧产生的烟气最后通过排烟系统从排烟管道排出；如遇突发状况，监测控制系统出现问题，也设有人工调节阀门进行控制；燃烧系统检修时可拆卸，拆卸和更换方便，检修对炉窑正常运行的影响小。
燃烧炉的纳米增强辐射传热层由被涂在燃烧炉内墙表面的纳米微颗粒材料、防腐材料和高效粘结剂混合抹涂而成，厚约7毫米，经干燥烧结后该涂层形成多重聚合体：由气密性好、而且隔热、粘附在炉墙表面涂料的底层、抗热震的中间层、防腐蚀呈颗粒分布的最表面层共同构成。当炉内温度达到700℃时，热量从高温物体传递给低温物体，传热的方式以辐射传热为主，约占90％以上。该涂层主要通过增加炉窑内墙的颗粒度从而增强炉窑内墙的辐射率(或称黑度)，以大幅度提焦炉内辐射传热效率。
燃烧炉的外部纳米保温层由传热系数小于0.005w/(m2·℃)的隔热保温材料和高效粘结剂混合抹涂在炉墙外表面受热干燥而成，厚度约22mm。外部纳米保温层本身的吸收热量很少，只有耐火材料的1/7，大部分热量被它隔离传递。在节能炉窑炉面、烟道拐弯处使用外部纳米保温层，增强保温,可提高节能炉窑炉膛内的温度，一般可提高30～35℃，炉体外表面温度降低40℃以上，减少散热损失。
本发明在达到所需燃烧的要求下有效降低燃料使用量约10～15％，有效减少近40％的SO2、NOx气体排放，结构简单、操作使用方便、节能清洁效果明显，使用寿命长、运行维护工作量小、运行成本低、经济效益高，适于作为焦炉荒煤气火焰炉窑系统，是提升燃烧效率、有效节约能源、降低成本、减少环境污染的焦炉荒煤气火焰炉窑系统。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的送风系统的结构示意图。
图3是本发明的燃气输送系统的结构示意图。
图4是本发明的燃烧点火系统的结构示意图。
图5是本发明的监测控制系统的结构示意图。
图6是本发明的排烟系统的结构示意图。
图7是本发明的纳米增强辐射传热层、外部纳米保温层的结构示意图。
具体实施方式
本发明的具体实施方式，下面结合附图详细说明。
本发明包括六大部分，送风系统、燃气输送系统、燃烧点火系统、监测和模糊控制系统、排烟系统、纳米增强辐射传热层与外部纳米保温层。
参见图1，焦炉荒煤气火焰炉窑系统，送风鼓风机1的出口通过第一流量监控系统2连接水平助燃剂提质器3的进口，燃气18通过第二流量监控系统17连接初级水平燃烧提质器16的进口，初级水平燃烧提质器16的出口连接有二级竖直燃烧提质器15的进口，二级竖直燃烧提质器15的出口与水平助燃剂提质器3的出口汇合并通过串联的手动阀4和电动调节阀5与燃烧器6的进气口连接，燃烧器6的工作端与燃烧炉8连接，燃烧器6连接有点火装置7，燃烧炉8上设有热电偶9和观测口12，燃烧炉8的废气口连接有排烟管道10，排烟管道10上设有排烟风机11，监测控制系统13与第一流量监控系统2、第二流量监控系统17、热电偶9、电动调节阀5和排烟风机11通信连接。
优选地，燃烧器6为旋流燃烧器。燃烧器6上设有火焰观测口14。
燃烧炉8的内墙表面涂有纳米增强辐射传热层19，燃烧炉8的炉面、烟道拐弯处涂有外部纳米保温层20。
具体地，纳米增强辐射传热层19由纳米微颗粒材料、防腐材料和高效粘结剂混合抹涂而成，厚6～8毫米，经干燥烧结后该涂层形成多重聚合体：由气密性好、而且隔热、粘附在炉墙表面涂料的底层、抗热震的中间层、防腐蚀呈颗粒分布的最表面层共同构成。
具体地，外部纳米保温层20由传热系数小于0.005w/(m2·℃)的隔热保温材料和粘结剂混合抹涂在所述的燃烧炉8的炉墙外表面受热干燥而成，厚度为20～24mm。
具体地，第一流量监控系统2和第二流量监控系统17均由流量计和流量控制阀门组成。
具体地，手动阀4和电动调节阀5的排列是：手动阀、电动调节阀、电动调节阀、手动阀四个阀依次串联。
参见图2，本发明中送风系统包括送风鼓风机1和与其连接的水平助燃剂提质器3，送风系统提供助燃空气的输送，并在水平助燃剂提质器3中进行催化和净化，设有第一流量监控系统2，自动或手动调节流量大小。
参见图3，本发明中燃气输送系统包括第二流量监控系统17、初级水平燃烧提质器16和二级竖直燃烧提质器15。当焦炉荒煤气通过燃气提质器时，可以降低N2和CO2含量，去除少量的H2S、氰化物和净化不完善而遗留的焦油、萘，实现燃料的预净化，提高燃气质量。在经过初级水平燃烧提质器16时，调控焦炉荒煤气组分中H2和CO的流速；而在经过二级竖直燃烧提质器15时，控制焦炉荒煤气组分中CH4和CmHn的流速。借此能促使不同有效燃气的沃泊指数趋于接近，即使得不同燃气的热负荷接近一致，甚至在必要时可以导入惰性气体，以保证燃烧时的稳定。该装置安装简单，检修方便。
参见图4，本发明中燃烧点火系统的燃烧器6采用旋流燃烧器，以加强混合燃料和助燃空气，并且能通过阀门调节进入燃烧器6的空气/燃气比例。燃烧炉8另设有观测口12和热电偶9，观测燃烧现象。
参见图5和图6，本发明中监测控制系统13接收燃烧炉8内热电偶9传输过来的实时数据，并且具备模糊控制调节功能，依据所设参数调节电动调节阀5从而控制焦炉荒煤气的输入量，一般维持燃气和助燃空气比例为1:4，保证安全燃烧。监测控制系统13处设有调节排烟系统的排烟风机11的开关，控制排烟风机11的开度。排烟系统可以将燃烧炉8内燃烧过后的烟气排出，同时可以在过热情况下带走一部分热量。
参见图7，本发明中包括燃烧炉8的纳米增强辐射传热层19与外部纳米保温层20。纳米增强辐射传热层19通过增加炉窑内墙的颗粒度从而增强炉窑内墙的辐射率(或称黑度)，以大幅度提高炉内辐射传热效率。外部纳米保温层20被涂在节能炉窑炉面、烟道拐弯处可增强炉面和烟道保温，一般可提焦炉膛内的温度30～35℃，炉体外表面温度降低40℃以上，减少散热损失。
Claims (7)
1.一种焦炉荒煤气火焰炉窑系统，其特征在于：送风鼓风机(1)的出口通过第一流量监控系统(2)连接水平助燃剂提质器(3)的进口，燃气(18)通过第二流量监控系统(17)连接初级水平燃烧提质器(16)的进口，所述的初级水平燃烧提质器(16)的出口连接有二级竖直燃烧提质器(15)的进口，所述的二级竖直燃烧提质器(15)的出口与所述的水平助燃剂提质器(3)的出口汇合并通过串联的手动阀(4)和电动调节阀(5)与燃烧器(6)的进气口连接，所述的燃烧器(6)的工作端与燃烧炉(8)连接，所述的燃烧器(6)连接有点火装置(7)，所述的燃烧炉(8)上设有热电偶(9)和观测口(12)，所述的燃烧炉(8)的废气口连接有排烟管道(10)，所述的排烟管道(10)上设有排烟风机(11)，监测控制系统(13)与第一流量监控系统(2)、第二流量监控系统(17)、所述的热电偶(9)、所述的电动调节阀(5)和所述的排烟风机(11)通信连接；所述的燃烧器(6)为旋流燃烧器。
2.根据权利要求1所述的焦炉荒煤气火焰炉窑系统，其特征在于：所述的燃烧炉(8)的内墙表面涂有纳米增强辐射传热层(19)，所述的燃烧炉(8)的炉面、烟道拐弯处涂有外部纳米保温层(20)。
3.根据权利要求2所述的焦炉荒煤气火焰炉窑系统，其特征在于：所述的纳米增强辐射传热层(19)由纳米微颗粒材料、防腐材料和高效粘结剂混合抹涂而成，厚6～8毫米，经干燥烧结后该涂层形成多重聚合体：由气密性好、而且隔热、粘附在炉墙表面涂料的底层、抗热震的中间层、防腐蚀呈颗粒分布的最表面层共同构成。
4.根据权利要求2所述的焦炉荒煤气火焰炉窑系统，其特征在于：所述的外部纳米保温层(20)由传热系数小于0.005w/(m2·℃)的隔热保温材料和粘结剂混合抹涂在所述的燃烧炉(8)的炉墙外表面受热干燥而成，厚度为20～24mm。
5.根据权利要求1或2所述的焦炉荒煤气火焰炉窑系统，其特征在于：所述的第一流量监控系统(2)和第二流量监控系统(17)均由流量计和流量控制阀门组成。
6.根据权利要求1或2所述的焦炉荒煤气火焰炉窑系统，其特征在于：所述的燃烧器(6)上设有火焰观测口(14)。
7.根据权利要求1或2所述的焦炉荒煤气火焰炉窑系统，其特征在于：所述的手动阀(4)和电动调节阀(5)的排列是：手动阀、电动调节阀、电动调节阀、手动阀四个阀依次串联。
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