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CN111457377A - 一种大速差烟气循环超低氮氧化物高速烧嘴及其控制方法 - Google Patents

一种大速差烟气循环超低氮氧化物高速烧嘴及其控制方法 Download PDF

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CN111457377A CN202010318521.7A CN202010318521A CN111457377A CN 111457377 A CN111457377 A CN 111457377A CN 202010318521 A CN202010318521 A CN 202010318521A CN 111457377 A CN111457377 A CN 111457377A
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Abstract

本发明涉及一种大速差烟气循环超低氮氧化物高速烧嘴及其控制方法，烧嘴设有烧嘴砖，空气、燃气、循环烟气进气管，烧嘴壳体和预燃室；烧嘴砖的内腔为燃烧室，在预燃室的燃气进气端设有一次进风通道，预燃室出口设有配风盘，配风盘上有二次进风通道。烧嘴工作时空燃气、烟气在预燃室内预混及燃烧。通过两级配风方式使预燃室喷出的混合气与经二次进风通道喷出的助燃空气的流速形成大速差，在预燃室出口区域造出气流回流区，气流回流区保证了炉窑内燃气稳定和完全燃烧。本控制方法为当炉温低于900℃时循环烟气不输入烧嘴；炉温高于900℃时，循环烟气输入烧嘴参与燃烧，循环烟气降低燃气热值和燃烧火焰的高温点，实现超低NOX排放。

Description

一种大速差烟气循环超低氮氧化物高速烧嘴及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种大速差烟气循环超低氮氧化物高速烧嘴及其控制方法，具体地说是涉及一种用于以燃气作为燃料的冶金炉窑的燃烧装置及其控制技术，如用于热处理炉、加热炉等燃烧装置的大速差烟气循环超低氮氧化物高速烧嘴及其控制方法。
背景技术
我国对钢铁行业的氮氧化物排放标准日趋严格，要求全国新建(含搬迁)钢铁项目原则上都要达到超低排放水平，同时要大力推动现有钢铁企业进行超低排放改造。目前，我国冶金炉窑中热处理炉和加热炉主要以燃气作为燃料，其在燃烧过程中会产生大量的NOx影响环境。因此，开发超低NOx烧嘴的设计及其控制方法对冶金炉窑的节能减排至关重要。
对于以天然气为燃料的炉窑来说，由于天然气中氮及化合物含量较少，燃烧生成的NOx产物主要为热力型NOx；对于以焦炉、高炉、转炉煤气为燃料的炉窑来说，燃烧生成的NOx产物主要为燃料型和热力型NOx。由于焦炉、高炉、转炉煤气热值较低，燃烧高温区温度较低，因此热力型NOx产物较容易控制；而天然气热值远高于上述冶金附加值煤气，燃烧高温区热力型NOx难以控制。目前国内应用的天然气烧嘴NOx排放量普遍较高。以某地区锻造加热炉为例，NOx排放量为2000mg/m3(8％含氧量)以上，是其行业标准规定的150mg/m3(8％含氧量)排放量的13倍以上。
目前，国内已公开有部分预混交叉射流、助燃空气与烟气预混等结构的低NOx烧嘴专利技术，但NOx实际排放量仍远大于国家标准，无法满足NOx排放进一步降低的要求。因此，很有必要开发一种大速差烟气循环超低氮氧化物烧嘴及其控制方法，使燃烧天然气时的NOx排放量小于150mg/m3(8％含氧量，1350℃以上炉温)，达到窑炉节能降耗，NOx排放满足国家、行业标准的目的。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术存在的冶金炉窑的燃烧装置NOX排放量高的问题，尤其是在使用天然气时NOX排放量高的问题，而提供一种结构简单，能保证燃料稳定燃烧和完全燃烧的大速差烟气循环超低氮氧化物高速烧嘴，及能实现炉窑运行时超低氮氧化物排放的控制方法。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：提供一种大速差烟气循环超低氮氧化物高速烧嘴，设有烧嘴砖，烧嘴砖外筒，烧嘴安装法兰，点火枪管，烧嘴壳体，空气进气管，燃气进气管，循环烟气进气管，预燃室和配风盘；所述的烧嘴砖的内腔作为燃烧室，烧嘴砖的后端部包有烧嘴砖外筒，烧嘴安装法兰固定在烧嘴砖外筒上，点火枪管穿过烧嘴砖外筒、烧嘴砖与燃烧室连通；所述的烧嘴壳体内衬有保温耐火材料，烧嘴壳体一端通过烧嘴壳体法兰B固定在烧嘴砖外筒上，且与烧嘴砖及燃烧室连接，烧嘴壳体的另一端与烧嘴壳体法兰A连接，烧嘴壳体法兰A与固定进气管法兰固定在一起；所述的空气进气管设在烧嘴壳体一侧，空气进气管端部带有空气进气管法兰；所述的燃气进气管与循环烟气进气管同轴，燃气进气管安装在循环烟气进气管的中心位置，燃气进气管和循环烟气进气管一起插入烧嘴壳体内并与预燃室连接，循环烟气进气管的另一端带有循环烟气进气管法兰，预燃室的燃气进气端的圆周处均匀布置有一次进风通道；助燃空气通过一次进风通道进入预燃室，助燃空气、燃气及循环烟气在预燃室混合及预燃烧，预燃室的出口处安装有配风盘，在配风盘上均匀布置有二次进风通道，二次进风通道与燃烧室连通。
所述的燃气进气管、循环烟气进气管、预燃室、配风盘、烧嘴壳体与燃烧室同轴安装，燃气进气管与烟气进气管采用套管结构实现燃气与烟气在预燃室内的充分预混。
所述的烧嘴壳体内衬有的保温耐火材料用于减少预热后助燃空气的热量损失和循环烟气余热的热量损失。
所述的燃气进气管和循环烟气进气管一起插入烧嘴壳体内并与预燃室连接，燃气通过燃气进气管进入预燃室，循环烟气通过循环烟气进气管进入预燃室；所述的空气进气管与烧嘴壳体连接，助燃空气通过空气进气管进入烧嘴壳体内，其中有30％以下的助燃空气经一次进风通道进入预燃室，烧嘴壳体内剩余的助燃空气经配风盘的二次进风通道进入燃烧室；所述的燃气与循环烟气在预燃室混合，并与经一次进风通道进入的助燃空气在预燃室内发生不完全燃烧，预燃室中空气、燃气与不完全燃烧产生的烟气混合气喷出速度为1～5m/s，经配风盘的二次进风通道喷出的助燃空气速度为15～50m/s，预燃室喷出的混合气和二次进风通道喷出的助燃空气存在流速差，在预燃室出口区域形成气流回流区，气流回流区保证了燃气在烧嘴内完全燃烧和稳定燃烧。
使用所述的高速烧嘴控制炉窑超低氮氧化物排放的方法为通过控制输入循环烟气的方法对炉窑NOX排放量进行控制：其中在炉膛温度低于900℃时，循环烟气进气管关闭不向烧嘴输入烟气，使烧嘴中燃烧的火焰快速提高炉温；当炉膛温度高于900℃时，炉膛排出的烟气经循环烟气进气管送入烧嘴参与燃烧，用于降低燃气燃烧时的火焰局部高温点，输入循环烟气量为燃气体积量的0.3～2倍，燃气热值越高、炉温越高，输入的循环烟气量越大。
本发明中所述的高速烧嘴通过烧嘴安装法兰固定在炉窑的外部结构上，点火枪通过点火枪管点燃燃烧室内的燃料。
本发明的高速烧嘴及其控制方法与现有的技术相比具有的优点是：
⑴、本发明的大速差烟气循环超低氮氧化物高速烧嘴设计了两次进风通道的结构，助燃空气采用了两级配风方式，第一级是部分助燃空气经一次进风通道进入预燃室内与燃气、循环烟气在预燃室内发生不完全燃烧，第二级是烧嘴壳体中的剩余空气经配风盘中的二次进风通道进入燃烧室，由于预燃室内不完全燃烧后喷出的混合气与经配风盘的二次进风通道喷出的助燃空气存在大流速差，使空、燃、烟气流在预燃室出口区域形成气流回流区，空、燃、烟气在该回流区实现了更均匀混合，使燃气能稳定燃烧，同时保证燃气完全燃烧，大大降低了NOX排放量。
⑵、本发明的高速烧嘴通过控制输入循环烟气的方法对炉窑NOX排放量进行控制，其中在炉温低于900℃时，由于炉温低NOX排放量很少，采用关闭循环烟气进气管，不向烧嘴输入烟气的方法使烧嘴中燃烧的火焰快速提高炉温；在炉温高于900℃时，则将炉膛排出的烟气经循环烟气进气管将循环烟气送入烧嘴参与燃烧，且采用燃气热值越高、炉温越高，输入的循环烟气量越大的方法控制NOX排放量；本方法一方面由于循环烟气的加入，稀释了燃气，降低了燃气热值，也降低了烟气、空气、燃气在预燃室内混合燃烧的温度和速度，再通过二级配风方式，在预燃室前端区域形成气流回流区，进一步降低了空燃气、烟气在混合燃烧过程中火焰的最高温度点，从而实现烧嘴的超低氮氧化物排放，使NOx排放满足国家、行业标准。
⑶、本发明的高速烧嘴结构简单，控制方法易操作，适合在各种以燃气为燃料的炉窑上使用，尤其适合在使用以天然气为燃料的炉窑上使用，可使炉窑即使在炉温达到1350℃时NOX排放量大大低于150mg/Nm3(8％含氧量)。
附图说明
图1为本发明大速差烟气循环超低氮氧化物高速烧嘴结构示意图。
图中：1—烧嘴砖；2—烧嘴安装法兰；3—点火枪管；4—空气进气管；5—空气进气管法兰；6—固定进气管法兰；7—燃气进气管；8—循环烟气进气管；9—循环烟气进气管法兰；10—烧嘴壳体法兰A；11—烧嘴壳体；12—一次进风通道；13—保温耐火材料；14—预燃室；15—烧嘴壳体法兰B；16—配风盘；17—二次进风通道；18—烧嘴砖外筒；19—燃烧室。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的大速差烟气循环超低氮氧化物高速烧嘴及其控制方法作进一步详细的描述，但本发明的实施不限于此。
实施例1：本发明提供一种大速差烟气循环超低氮氧化物高速烧嘴及其控制方法，本实施例的高速烧嘴用于取向硅钢高温隧道式退火炉，以天然气为燃料，退火炉的最高炉温达到1320℃。
本高速烧嘴的结构如图1所示，设有烧嘴砖1、烧嘴安装法兰2、点火枪管3、空气进气管4、空气进气管法兰5、固定进气管法兰6、燃气进气管7、循环烟气进气管8、循环烟气进气管法兰9、烧嘴壳体法兰A10、烧嘴壳体11、预燃室14、烧嘴壳体法兰B15、配风盘16和烧嘴砖外筒18；所述烧嘴砖1的内腔作为燃烧室19，烧嘴砖外筒包住烧嘴砖的后部，烧嘴安装法兰固定在烧嘴砖外筒上，点火枪管穿过烧嘴砖外筒、烧嘴砖与燃烧室连通；所述的烧嘴壳体11内衬有保温耐火材料13，烧嘴壳体一端通过烧嘴砖外筒法兰B15固定在烧嘴砖外筒上，且与烧嘴砖1及燃烧室19连接，烧嘴壳体的另一端与烧嘴壳体法兰A10连接，烧嘴壳体法兰A与固定进气管法兰6固定在一起；空气进气管4设在烧嘴壳体一侧，空气进气管端部带有空气进气管法兰5；所述燃气进气管7安装在循环烟气进气管8的中心位置，燃气进气管与循环烟气进气管采用套管结构与预燃室14连接，靠燃气进气端的预燃室圆周处均匀布置有一次进风通道12，烧嘴壳体11中，其中有15％的助燃空气通过一次进风通道进入预燃室；在预燃室14内实现燃气与助燃空气、循环烟气的预混和燃烧。在预燃室出口端设有配风盘16，配风盘中均匀布置有二次进风通道17，二次进风通道与燃烧室19连通。
所述的高速烧嘴通过烧嘴安装法兰2固定在炉窑的外部结构上，点火枪通过点火枪管3点燃燃烧室19内的燃气。
所述的空气进气管法兰5与烧嘴外助燃空气管道相连，循环烟气进气管法兰9与烧嘴外烟气循环管道相连。
使用本实施例的高速烧嘴，通过控制燃气燃烧的火焰温度实现炉窑NOX排放量的控制，控制方法为：将高速烧嘴通过烧嘴安装法兰2安装在炉窑结构上，当炉膛温度低于900℃时，不向烧嘴内输入循环烟气；当炉膛温度高于900℃时，将循环烟气送入烧嘴内参与燃烧。
具体为：当炉膛温度低于900℃时，烧嘴工作过程是循环烟气进气管8关闭。所述的天然气从燃气进气管内进入预燃室14，助燃空气经空气进气管4进入烧嘴壳体11，其中有15％的助燃空气经过一次进风通道12进入预燃室，与通过燃气进气管7进入的天然气到达预燃室预混并燃烧，燃烧后产生的不完全燃烧的高温烟气以1～2.5m/s的流速喷出进入烧嘴砖内腔的燃烧室19，烧嘴壳体11中的剩余助燃空气经配风盘16以15～28m/s的流速从二次进风通道17喷出进入燃烧室，上述流速范围随烧嘴负荷变化而变化，不完全燃烧的高温烟气与从二次进风通道喷出的助燃空气存在14～25.5m/s的大流速差，在预燃室出口区域形成气流回流区，保证燃气的稳定着火和燃烧。
当炉膛温度高于900℃时，烧嘴工作过程是将回收的循环烟气送入烧嘴内参与燃烧；助燃空气依然通过空气进气管4进入烧嘴壳体11，同样有15％的助燃空气通过均匀布置的一次进风通道12进入预燃室14；天然气依然通过燃气进气管7进入预燃室；打开循环烟气进气管8，输入为1～2倍天然气体积量的循环烟气进入预燃室，循环烟气的加入降低了天然气的热值；循环烟气与天然气、助燃空气在预燃室发生不完全燃烧，并以1.5～3.5m/s的流速喷出，进入烧嘴砖内腔的燃烧室19，烧嘴壳体11中的剩余的助燃空气经配风盘16均布的二次进风通道17喷进燃烧室，流速为15～28m/s，预燃室喷出不完全燃烧产生的混合气与经配风盘的二次进风通道的助燃空气存在13.5～24.5m/s的流速差，使其在预燃室与燃烧室19相接区域形成气流回流区。该气流回流区实现了烧嘴的稳定燃烧，同时保证燃料完全燃烧。
由于循环烟气的加入，降低了空气/天然气在预燃室内的混合速度，降低了天然气的热值，降低了烧嘴燃烧过程中火焰的最高温度点，再通过两级配风方式，使预燃室排出的未完全燃烧的混合气与助燃空气在燃烧室前端形成大速差，再次降低了空气、天然气在混合燃烧过程中火焰的最高温度点。
本实施例中当炉窑温度升高时，加入使用的循环烟气的比例随温度升高而加大，使用本实施例的高速烧嘴及其控制方法，在炉温达到1320℃时，仍可实现烧嘴的70mg/Nm3超低氮氧化物排放。
实施例2：本发明提供一种大速差烟气循环超低氮氧化物高速烧嘴及其控制方法，本实施例的高速烧嘴用于无缝钢管热处理炉，以焦炉煤气为燃料，本热处理炉最高炉温达到1050℃。
其中高速烧嘴的结构与实施例1的结构相同，不同的只是使用烧嘴的控制方法，当炉膛温度低于900℃时，烧嘴壳体内有26％的助燃空气经过一次进风通道12进入预燃室14，与通过燃气进气管7进入的焦炉煤气到达预燃室预混并燃烧，燃烧后产生的不完全燃烧的高温烟气以2～5m/s的流速喷出进入烧嘴砖内腔的燃烧室19，烧嘴壳体11中的剩余助燃空气经配风盘16的以25～50m/s的流速从二次进风通道17喷出进入燃烧室，流速范围随烧嘴负荷变化而变化，从预燃室喷出的不完全燃烧的混合气与从二次进风通道17喷出的助燃空气存在23～45m/s的大流速差，在预燃室出口区域形成气流回流区，使不完全燃烧的高温烟气继续与助燃空气混匀完全燃烧，使炉膛温度升高。
当炉膛温度高于900℃时，烧嘴工作过程也是将循环烟气输入烧嘴内参与燃烧；循环烟气量为燃料体积量的0.3～1倍，燃气热值越高、炉温越高，使用的循环烟气量越大。
使用本实施例的高速烧嘴在炉温达到1050℃时，仍可实现烧嘴的50mg/Nm3(8％含氧量)，达到窑炉节能降耗和符合国家、行业标准的低NOx排放量要求。

Claims (5)

1.一种大速差烟气循环超低氮氧化物高速烧嘴，设有烧嘴砖，烧嘴砖外筒，烧嘴安装法兰，点火枪管，烧嘴壳体，空气进气管，燃气进气管，循环烟气进气管和配风盘；其特征在于：所述的烧嘴砖的内腔作为燃烧室，烧嘴砖的后端部包有烧嘴砖外筒，烧嘴安装法兰固定在烧嘴砖外筒上，点火枪管穿过烧嘴砖外筒、烧嘴砖与燃烧室连通；所述的烧嘴壳体内衬有保温耐火材料，烧嘴壳体一端通过烧嘴壳体法兰B固定在烧嘴砖外筒上，且与烧嘴砖及燃烧室连接，烧嘴壳体的另一端与烧嘴壳体法兰A连接，烧嘴壳体法兰A与固定进气管法兰固定在一起；所述的空气进气管设在烧嘴壳体一侧，空气进气管端部带有空气进气管法兰；所述的燃气进气管与循环烟气进气管同轴，燃气进气管安装在循环烟气进气管的中心位置，燃气进气管和循环烟气进气管一起插入烧嘴壳体内并与预燃室连接，循环烟气进气管的另一端带有循环烟气进气管法兰，预燃室的燃气进气端的圆周处均匀布置有一次进风通道；助燃空气通过一次进风通道进入预燃室，助燃空气、燃气及循环烟气在预燃室混合及预燃烧，预燃室的出口处安装有配风盘，在配风盘上均匀布置有二次进风通道，二次进风通道与燃烧室连通。
2.根据权利要求1所述的大速差烟气循环超低氮氧化物高速烧嘴，其特征在于：所述的燃气进气管、循环烟气进气管、预燃室、配风盘、烧嘴壳体与燃烧室同轴安装，燃气进气管与烟气进气管采用套管结构实现燃气与烟气在预燃室内的充分预混。
3.根据权利要求1所述的大速差烟气循环超低氮氧化物高速烧嘴，其特征在于：所述的烧嘴壳体内衬有的保温耐火材料用于减少预热后助燃空气的热量损失和循环烟气余热的热量损失。
4.根据权利要求1所述的大速差烟气循环超低氮氧化物高速烧嘴，其特征在于：所述的燃气进气管和循环烟气进气管一起插入烧嘴壳体内并与预燃室连接，燃气通过燃气进气管进入预燃室，循环烟气通过循环烟气进气管进入预燃室；所述的空气进气管与烧嘴壳体连接，助燃空气通过空气进气管进入烧嘴壳体内，其中有30％以下的助燃空气经一次进风通道进入预燃室，烧嘴壳体内剩余的助燃空气经配风盘的二次进风通道进入燃烧室；所述的燃气与循环烟气在预燃室混合，并与经一次进风通道进入的助燃空气在预燃室内发生不完全燃烧，预燃室中空气、燃气与不完全燃烧产生的烟气混合气喷出速度为1～5m/s，经配风盘的二次进风通道喷出的助燃空气速度为15～50m/s，预燃室喷出的混合气和二次进风通道喷出的助燃空气存在流速差，在预燃室出口区域形成气流回流区，气流回流区保证了燃气在烧嘴内完全燃烧和稳定燃烧。
5.根据权利要求1所述的大速差烟气循环超低氮氧化物高速烧嘴，其特征在于，使用所述的高速烧嘴控制炉窑超低氮氧化物排放的方法为通过控制输入循环烟气的方法对炉窑NOX排放量进行控制：其中在炉膛温度低于900℃时，循环烟气进气管关闭不向烧嘴输入烟气，使烧嘴中燃烧的火焰快速提高炉温；当炉膛温度高于900℃时，炉膛排出的烟气经循环烟气进气管送入烧嘴参与燃烧，用于降低燃气燃烧时的火焰局部高温点，输入循环烟气量为燃气体积量的0.3～2倍，燃气热值越高、炉温越高，输入的循环烟气量越大。
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