CN114060843A - 一种分布式多型面烟气注入分级低氮燃烧设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种分布式多型面烟气注入分级低氮燃烧设备，包括：裂解炉、烟囱、外循环烟气回流总管、调节阀、引风机、烟气分配总管、若干个烟气支管调节风门、若干个烟气分配支管、多型面烟气分级注入器和底部分级燃烧器；其中，烟囱安装在裂解炉的顶部；外循环烟气回流总管与烟囱相连接，调节阀和引风机均安装在外循环烟气回流总管上；烟气分配总管的一端连接到外循环烟气回流总管的末端，烟气分配总管的另一端与每个烟气分配支管的一端相连接；每个烟气支管调节风门安装在与每个烟气支管调节风门相对应的烟气分配支管上；每个烟气分配支管的另一端与每个烟气分配支管相对应的多型面烟气分级注入器相连接。本发明实现了高效降低NOx排放。
Description
技术领域
本发明属于热能技术领域，尤其涉及一种分布式多型面烟气注入分级低氮燃烧设备。
背景技术
氮氧化物(NOx)是造成大气污染的主要污染源之一，对人体及动植物具有致毒作用，是形成雾霾(PM2.5)、酸雨、酸雾的重要因素。NOx生成主要三种类型，分别是热力型NOx、瞬时型NOx、燃料型NOx。热力型NOx是由于燃烧空气中的氮气，在高温下氧化而产生。NO的生成速率与氧分子浓度的0.5次方成正比，随着反应温度的升高热力型NO的生成根据Arrhenius定律，呈指数规律增加。快速型NOx是空气中的氮在高温下与氧化合而成。它产生在火焰面内，是富碳氢类燃料在过剩空气系数小于1时燃烧特有的现象。快速型NOx的生成受温度的影响不是很大。在一定的温度下，快速型NOx主要取决于过剩空气系数。燃料型NOx是燃料中本身含有的NH3、HCN等含氮物质，或者燃料中含氮的有机化合物在燃料燃烧过程中直接裂解产生N、CN、HCN等中间产物，经过氧化而生成的，也有部分NOx是热解直接产生的。
裂解炉等高温炉膛石化工艺加热炉采用多台燃烧器供热方式，由于其炉膛温度高，是产生NOx排放的主要大型石化设备。由于裂解炉等高温石化加热炉多采用燃气作为燃料。NOx产生的源头是热力型的NOx与快速型NOx，其中最主要的是热力型NOx。之前多采用低氮燃烧器的方式降低NOx排放。随着NOx排放指标要求更加严格，仅仅采用低氮燃烧器降低NOx排放已经难以满足要求。为了实现超低NOx排放，在裂解炉等高温炉膛石化工艺加热炉采用烟气脱硝的方式，但是烟气脱硝投资成本和运行成本均很高。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种分布式多型面烟气注入分级低氮燃烧设备，实现了高效降低NOx排放。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种分布式多型面烟气注入分级低氮燃烧设备，包括：裂解炉、烟囱、外循环烟气回流总管、调节阀、引风机、烟气分配总管、若干个烟气支管调节风门、若干个烟气分配支管、若干个多型面烟气分级注入器和若干个底部分级燃烧器；其中，所述烟囱安装在裂解炉的顶部；所述外循环烟气回流总管与所述烟囱相连接，所述调节阀和所述引风机均安装在外循环烟气回流总管上；所述烟气分配总管的一端连接到外循环烟气回流总管的末端，所述烟气分配总管的另一端与每个烟气分配支管的一端相连接；每个烟气支管调节风门安装在与每个烟气支管调节风门相对应的烟气分配支管上；每个烟气分配支管的另一端与每个烟气分配支管相对应的多型面烟气分级注入器相连接；所述多型面烟气分级注入器安装在裂解炉的底部；所述底部分级燃烧器安装在裂解炉的底部。
上述分布式多型面烟气注入分级低氮燃烧设备中，外循环烟气回流总管的流通面积和烟气分配支管的流通面积的关系为：
s1≥2ns2；
其中，s1为外循环烟气回流总管流通面积，s2为烟气分配支管流通面积，n为烟气分配支管的个数。
上述分布式多型面烟气注入分级低氮燃烧设备中，所述多型面烟气分级注入器包括回流烟气进口、烟气一级喷口、烟气二级喷口和管群式整流器；其中，所述回流烟气进口的一端和所述烟气分配支管的末端相连接，所述回流烟气进口另一端和所述管群式整流器相连接；所述烟气一级喷口和所述烟气二级喷口安装在多型面烟气分级注入器上端。
上述分布式多型面烟气注入分级低氮燃烧设备中，一部分烟气从烟气一级喷口喷出，角度为水平；其余烟气从烟气二级喷口喷出，喷出角度为α为15°到45°。
上述分布式多型面烟气注入分级低氮燃烧设备中，烟气支管调节风门、烟气分配支管、多型面烟气分级注入器和底部分级燃烧器的数量均相等。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明通过引风机将裂解炉为代表的高温炉膛工艺加热炉的烟气从烟囱出抽出，烟气流经外循环烟气回流总管，引到炉底部。利用调节阀调节回流烟气总流量。烟气分配到各个烟气分配支管，并通过烟气支管调节风门调节进入每个支管的烟气量。之后，支管烟气流经多型面烟气分级注入器内部的管群式整流器，进行整流，进一步提高分布均匀性。烟气分成两级或多级注入炉膛参与底部燃烧器燃烧。每台烟气分级注入器均对应一台底部燃烧器。这些设备相结合实现了分布式烟气注入循环，由于外循环烟气参与的燃烧反应在底部燃烧器出口外，对底部燃烧器决定火焰稳定性的中心燃气枪和长明灯燃烧反应没有影响，因此该方式烟气外循环降低NOx排放不影响底部燃烧器的燃烧稳定性和调节比。达到了在不影响燃烧调节比、稳定性前提下，实现了低氮排放的效果。
(2)本发明通过多型面烟气分级注入器的烟气一级喷口和烟气二级喷口的面积和喷射角度，达到了烟气能够按照不同的比例不同角度分成两级或多级进入底部燃烧区域，通过调整烟气一级喷口和烟气二级喷口的喷射角度，可以使得底部火焰更加贴近炉墙，避免因低氮燃烧带来的火焰发飘炉管超温等情况。同时烟气一级喷口和烟气二级喷口喷出的外循环烟气也会卷吸部分炉膛内部烟气进入底部燃烧火焰区域，从而大大提高烟气量，进一步降低燃烧反应速度，降低底部燃烧区域氧浓度，从而显著降低底部燃烧NOx的生成。通过多型面烟气分级注入器的结构设计可以控制每级注入的比例、喷射角度，从而调节燃烧进程，在降低NOx排放同时保证燃烧稳定性和火焰刚性。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1是本发明实施例提供的分布式多型面烟气注入分级低氮燃烧设备的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的分布式烟气管线炉底俯视图；
图3是本发明实施例提供的分布式烟气管线炉底侧视图；
图4是本发明实施例提供的多型面烟气分级注入器的一个结构图；
图5是本发明实施例提供的多型面烟气分级注入器的又一结构图；
图6是本发明实施例提供的多型面烟气分级注入器的另一结构图；
图7是本发明实施例提供的多型面烟气分级注入器的另一结构图；
图8是本发明实施例提供的分级烟气注入参与燃烧原理图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
图1是本发明实施例提供的分布式多型面烟气注入分级低氮燃烧设备的结构示意图；图2是本发明实施例提供的分布式烟气管线炉底俯视图；图3是本发明实施例提供的分布式烟气管线炉底侧视图。如图1、图2和图3所示，该设备包括裂解炉(或其他高温工艺加热炉)1、烟囱2、外循环烟气回流总管3、调节阀4、引风机5、烟气分配总管6、若干个烟气支管调节风门7、若干个烟气分配支管8、若干个多型面烟气分级注入器9和若干个底部分级燃烧器10；其中，
所述烟囱2安装在裂解炉1的顶部；所述外循环烟气回流总管3与所述烟囱2相连接，所述调节阀4和所述引风机5均安装在外循环烟气回流总管3上；所述烟气分配总管6的一端连接到外循环烟气回流总管3的末端，所述烟气分配总管6的另一端与每个烟气分配支管8的一端相连接；烟气支管调节风门7、烟气分配支管8、多型面烟气分级注入器9和底部分级燃烧器10的数量均相等；每个烟气支管调节风门7安装在与每个烟气支管调节风门7相对应的烟气分配支管8上；每个烟气分配支管8的另一端与每个烟气分配支管8相对应的多型面烟气分级注入器9相连接；所述多型面烟气分级注入器9安装在裂解炉1的底部；所述底部分级燃烧器10安装在裂解炉1的底部。每台烟气分级注入器9均对应一台底部燃烧器10。
外循环烟气回流总管3和烟气分配管8之间约束条件，从而提高烟气分布均匀性。
s1≥2Ns2
其中，s1外循环烟气回流总管流通面积，s2烟气分配管流通面积，N烟气分配管个数。
如图4、图5、图6和图7所示，多型面烟气分级注入器9包括回流烟气进口11，烟气一级喷口12，烟气二级喷口13，管群式整流器14。其中回流烟气进口11一端和烟气分配支管8末端相连。回流烟气进口11另一端和管群式整流器14相连。烟气一级喷口12和烟气二级喷口13安装在多型面烟气分级注入器9上端。一部分烟气从烟气一级喷口12喷出，角度为水平或者角度接近水平。其余烟气从烟气二级喷口13喷出，喷出角度为α，其中较优角度为15°到45°。
引风机5通过外循环烟气回流总管3抽取烟囱2中的烟气，并通过调节阀4调节烟气流量，再由烟气分配总管6将烟气分配到各个8烟气分配支管8，并通过烟气支管调节风门7调节进入每个支管的烟气量。烟气分配总管6流通面积是所连接的烟气分配支管8面积总和的2倍以上，进一步确保烟气分配均匀。之后，支管烟气通过多型面烟气分级注入器9分成两级或多级注入炉膛参与底部燃烧器燃烧。每台烟气分级注入器9均对应一台底部燃烧器10。
烟气由回流烟气进口11进入后通过管群式整流器14进行整流。通过整流进一步确保进入每台烟气分级注入器9的烟气流量基本一致。一部分烟气从烟气一级喷口12喷出，角度为水平或者角度接近水平。其余烟气从烟气二级喷口13喷出，喷出角度为α，其中较优角度为15°到45°。烟气一级喷口12面积和烟气二级喷口13面积根据对火焰刚性和低氮燃烧效果可以进行分配调整。烟气一级喷口12正对底部燃烧器外围燃气喷枪，烟气二级喷口13与烟气一级喷口12位置不重叠。
如图8所示，外循环注入烟气通过多型面烟气分级注入器分成两级或者多级分别注入底部燃烧器燃烧火焰区域参与燃烧反应。由于外循环烟气参与的燃烧反应在底部燃烧器出口外，对底部燃烧器决定火焰稳定性的中心燃气枪和长明灯燃烧反应没有影响，因此该方式烟气外循环降低NOx排放不影响底部燃烧器的燃烧稳定性和调节比。通过调整烟气一级喷口和烟气二级喷口的喷射角度，可以使得底部火焰更加贴近炉墙，避免因低氮燃烧带来的火焰发飘炉管超温等情况。同时烟气一级喷口和烟气二级喷口喷出的外循环烟气也会卷吸部分炉膛内部烟气进入底部燃烧火焰区域，从而大大提高烟气量，进一步降低燃烧反应速度，降低底部燃烧区域氧浓度，从而显著降低底部燃烧NOx的生成。
通过多型面注入结构将烟气再循环和分级燃烧技术相结合。通过引风机将部分烟气引入到烟气循环管道，通过多型面烧嘴砖注入炉膛，引射部分炉膛烟气，进入底部燃烧区域，参与燃烧，通过降低火焰温度，减缓燃烧反应进程，降低参与NOx反应的氧气浓度实现在原有基础上进一步降低NOx排放的目的。
本发明通过引风机将裂解炉为代表的高温炉膛工艺加热炉的烟气从烟囱出抽出，烟气流经外循环烟气回流总管，引到炉底部。利用调节阀调节回流烟气总流量。烟气分配到各个烟气分配支管，并通过烟气支管调节风门调节进入每个支管的烟气量。之后，支管烟气流经多型面烟气分级注入器内部的管群式整流器，进行整流，进一步提高分布均匀性。烟气分成两级或多级注入炉膛参与底部燃烧器燃烧。每台烟气分级注入器均对应一台底部燃烧器。这些设备相结合实现了分布式烟气注入循环，由于外循环烟气参与的燃烧反应在底部燃烧器出口外，对底部燃烧器决定火焰稳定性的中心燃气枪和长明灯燃烧反应没有影响，因此该方式烟气外循环降低NOx排放不影响底部燃烧器的燃烧稳定性和调节比。达到了在不影响燃烧调节比、稳定性前提下，实现了低氮排放的效果。
本发明通过多型面烟气分级注入器的烟气一级喷口和烟气二级喷口的面积和喷射角度，达到了烟气能够按照不同的比例不同角度分成两级或多级进入底部燃烧区域，通过调整烟气一级喷口和烟气二级喷口的喷射角度，可以使得底部火焰更加贴近炉墙，避免因低氮燃烧带来的火焰发飘炉管超温等情况。同时烟气一级喷口和烟气二级喷口喷出的外循环烟气也会卷吸部分炉膛内部烟气进入底部燃烧火焰区域，从而大大提高烟气量，进一步降低燃烧反应速度，降低底部燃烧区域氧浓度，从而显著降低底部燃烧NOx的生成。通过多型面烟气分级注入器的结构设计可以控制每级注入的比例、喷射角度，从而调节燃烧进程，在降低NOx排放同时保证燃烧稳定性和火焰刚性。
在相同的工况下，采用此设备的裂解炉可以实现在正常工况扩能型裂解炉实现NOx排放≤65mg/Nm3，烧焦特殊工况下，实现NOx排放≤75mg/Nm3，以上工况均不注入蒸汽。同时燃烧稳定性和调节比和原来未增加烟气外循环时保持一致。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (5)
1.一种分布式多型面烟气注入分级低氮燃烧设备，其特征在于包括：裂解炉(1)、烟囱(2)、外循环烟气回流总管(3)、调节阀(4)、引风机(5)、烟气分配总管(6)、若干个烟气支管调节风门(7)、若干个烟气分配支管(8)、若干个多型面烟气分级注入器(9)和若干个底部分级燃烧器(10)；其中，
所述烟囱(2)安装在裂解炉(1)的顶部；
所述外循环烟气回流总管(3)与所述烟囱(2)相连接，所述调节阀(4)和所述引风机(5)均安装在外循环烟气回流总管(3)上；
所述烟气分配总管(6)的一端连接到外循环烟气回流总管(3)的末端，所述烟气分配总管(6)的另一端与每个烟气分配支管(8)的一端相连接；
每个烟气支管调节风门(7)安装在与每个烟气支管调节风门(7)相对应的烟气分配支管(8)上；
每个烟气分配支管(8)的另一端与每个烟气分配支管(8)相对应的多型面烟气分级注入器(9)相连接；
所述多型面烟气分级注入器(9)安装在裂解炉(1)的底部；
所述底部分级燃烧器(10)安装在裂解炉(1)的底部。
2.根据权利要求1所述的分布式多型面烟气注入分级低氮燃烧设备，其特征在于：外循环烟气回流总管(3)的流通面积和烟气分配支管(8)的流通面积的关系为：
s1≥2ns2；
其中，s1为外循环烟气回流总管流通面积，s2为烟气分配支管流通面积，n为烟气分配支管的个数。
3.根据权利要求1所述的分布式多型面烟气注入分级低氮燃烧设备，其特征在于：所述多型面烟气分级注入器(9)包括回流烟气进口(11)、烟气一级喷口(12)、烟气二级喷口(13)和管群式整流器(14)；其中，
所述回流烟气进口(11)的一端和所述烟气分配支管(8)的末端相连接，所述回流烟气进口(11)另一端和所述管群式整流器(14)相连接；
所述烟气一级喷口(12)和所述烟气二级喷口(13)安装在多型面烟气分级注入器(9)上端。
4.根据权利要求3所述的分布式多型面烟气注入分级低氮燃烧设备，其特征在于：一部分烟气从烟气一级喷口(12)喷出，角度为水平；其余烟气从烟气二级喷口(13)喷出，喷出角度为α为15°到45°。
5.根据权利要求1所述的分布式多型面烟气注入分级低氮燃烧设备，其特征在于：烟气支管调节风门(7)、烟气分配支管(8)、多型面烟气分级注入器(9)和底部分级燃烧器(10)的数量均相等。
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