CN102607022A - 节能环保型蓄热式高温空气燃烧器 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种节能环保型蓄热式高温空气燃烧器是专门为采用高温空气燃烧(HTAC)技术的工业窑炉配套的燃烧设备。该燃烧器利用蓄热技术极限回收烟气余热、预热助燃空气，设置的三次燃料可组织各种工况的燃烧以满足加热要求：一次燃料用于点火与稳燃、二次燃料用于低温常规燃烧及短时间高温火焰燃烧(HTFC)；三次燃料布设在蓄热室出口周围，喷出入高温贫氧气流中用于组织真正的HTAC。本发明燃烧器兼有常规燃烧器的低温加热功能和高温空气燃烧器的高温加热功能，一机多能符合我国的国情，用于新建设备和旧设备的技术改造，都能收到高效节能与保护环境的显著效果。该项燃烧技术的运用有利于提高我国工业窑炉的技术水平和能源利用水平。

Description

节能环保型蓄热式高温空气燃烧器

技术领域

本发明涉及一种节能环保型蓄热式高温空气燃烧器，该设备属于工业窑炉领域，燃烧技术与设备。

背景技术

随着工业技术的不断进步，资源(特别是能源)危机与可持续发展是摆在人们面前最紧迫的问题，亟待解决。在我国工业窑炉是能耗大户，能耗约占工业能耗的40％，工业窑炉平均热利用率普遍较低(只有20％左右)，产品的平均能耗比发达国家高出40％。提高我国工业窑炉烟气余热的回收率、燃料的利用率，实现节能减排的目标任务十分艰巨；同时，工业窑炉节能降耗的潜力也是非常巨大。

工业窑炉节能技术的发展经历了以下几个阶段：

第一阶段：烟气余热不利用阶段。早期的(现在也有一部分)工业窑炉废热不利用、烟气直接排放，窑炉尾部的排烟温度很高，烟气带走的热损失很大，窑炉的热利用率在30％以下。以梭式窑炉为例：最高的烧成温度在1,350-1,650℃，烟气出口温度在1,100-1,400℃，造成大量宝贵热能的浪费，严重地阻碍了梭式窑炉的使用与技术发展。

第二阶段：烟气余热初级利用阶段。为减少烟气带走的热量损失，20世纪70年代起人们在窑炉尾部加装热量回收装置(间壁式换热器)回收烟气的部分余热、预热助燃空气。采用这种办法可将助燃空气的温度预热到200℃以上，热风助燃可提高火焰的燃烧温度，窑炉的热利用率也有明显的提高(可达50％)，但经过换热器后烟气的排放温度还在500℃以上。

由于受换热器材料(一般采用金属材料和陶瓷材料，前者寿命短、后者设备庞大、成本高、维修困难)及热风输送管道的限制，预热空气温度很难超过800℃，高温余热的回收难以实现。

第三阶段：蓄热式高温火焰燃烧(HTFC)阶段。为解决预热温度不高的问题，20世纪80年代在燃烧领域出现了一项全新的燃烧技术——蓄热式高温火焰燃烧(HighTemperature Flame Combustion-HTFC)技术(也有称为“第一代高温空气燃烧技术”)，该技术利用成对的蓄热室或蓄热式燃烧器在蓄热与放热状态下交替工作，将烟气的余热进行高效回收的同时预热助燃空气，助燃空气的预热温度高达1,000℃，远高于采用间壁式换热器的预热温度；将燃料喷入高温空气中形成HTFC，强化了炉内换热、缩短加热时间、提高产品的产量；HTFC提高燃料的燃烧效率，解决了燃用低热值燃料时的点火难、脱火等问题。

采用HTFC技术可以将烟气排放温度降低到150℃以下，极大地降低了排烟的热量损失，窑炉的热利用率大幅度提高，节能效果明显。

按照工业窑炉助燃空气的温度平均每升高100℃，可节省燃料约5％；或者排烟温度平均每降低100℃，可节省燃料约5.5％计算，HTFC技术要比换热器回收余热技术节能率提高25％以上。

可是，当助燃空气温度提高以后，高温火焰区的体积越来越小，火焰中心的温度也越来越高，炉膛内存在局部的高温区，极易造成加热制品局部过烧影响产品质量的问题，还影响到工业窑炉耐火材料和炉内金属构件的使用寿命；同时，火焰温度的提高致使NOx的生成量急剧增加(甚至可以达到10³PPM以上)，对大气环境造成了严重的危害。

第四阶段：蓄热式高温空气燃烧(HTAC)阶段。为解决局部过烧和环保排放等问题，20世纪90年代初出现了较为完善的蓄热式高温空气燃烧(High Temperature AirCombustion-HTAC)技术(也有称为“第二代高温空气燃烧技术”)又称无焰燃烧(Flameless Combustion)技术，HTAC技术与HTFC技术的工作原理和工艺流程基本相同，区别在于燃料的喷入时间和喷入位置有所不同：在HTAC技术中，经过蓄热体预热后的高温空气进入炉膛在卷吸大量烟气以后，形成高温贫氧(含氧量可低至2％)气流，向高温贫氧气流中喷入燃料，燃料剧烈燃烧形成与传统扩散火焰、预混火焰完全不同的新型火焰，火焰没有明显的界面如薄雾弥漫在炉膛空间，燃烧强度大大加强，强化了炉内换热、缩短了加热时间；燃烧区无明显的火焰中心，温度场分布均匀，平均燃烧温度较局部高温火焰燃烧的温度要低，有效地提高产品的产量和质量，同时还抑制了NOx及二恶英的生成量；排放烟气时的迅速冷却，能够有效阻止二恶英的再次合成，烟气中NOx及二恶英的排放量大大减少。此外，燃烧器中没有高速燃烧的火焰，燃料是在炉膛空间内燃烧大大降低了燃烧噪音。

HTAC技术较HTFC技术的节能效果更加显著，加热质量更高，保护环境的优点更为突出。

专利号为200420070760.1的实用新型专利，介绍了一种回转式蓄热燃烧器，该燃烧器的燃料喷枪设置在中心轴线上，喷枪周围的蓄热体被均匀分成两部分，这两部分蓄热体通过转盘来选择蓄热与加热的状态，运行时该燃烧器的燃料被其外侧半周的高温空气包围，燃料和高温空气一起喷入炉膛时，燃料与经蓄热体加热后的高温空气一旦相遇就会发生强烈的燃烧，形成HTFC(属富氧燃烧)，由于燃料没有从另外一个通道给入贫氧区，燃料或空气也都没有分级投入，因此NOx的生成量会急剧增加，无法实现发明者所述的HTAC(高温贫氧燃烧)。由该燃烧器组成的“高温空气燃烧系统”也只能是HTFC系统，其节能及环保的总体效果远不如HTAC。

事实上，我国很大一部分有关蓄热式燃烧器、蓄热式工业窑炉的专利都是将燃料与高温空气经同一个喷口、一起送入炉膛的“HTFC技术”，并不是发明者所描述或期望的“HTAC技术”，这里就不再赘述了。

专利号为200420020783.1的实用新型专利，介绍了一种分体式高风温蓄热燃烧器，该发明燃烧器的蓄热室与烧嘴分离设置，燃烧器主机处于常开状态，蓄热室由四通切换阀控制换向工作，系统只需要一套检火装置即可满足安全保障的需要，提高了可靠性，降低了成本。

该专利所述的90年代初期发展起来的能够实现极高的余热回收及低氮化物排放的“高风温蓄热燃烧技术”就是HTAC技术。

烧嘴即燃烧器，“分体式高风温蓄热燃烧器”实际上就是分离设置的“蓄热室”与“燃烧器”，HTAC技术中既然采用了蓄热室就无需再配备燃烧器，否则会使系统更加复杂，还要增加成本。

HTAC技术的蓄热采用蓄热室(配套有燃料喷枪)或蓄热式燃烧器两种方式。

该实用新型类似采用蓄热室(配套有燃料喷枪)的HTAC技术，HTAC技术中的燃料喷枪应设置在蓄热室出口附近，确保所喷出的燃料汇同炉内的烟气一起都能够被高温空气流卷吸带入高温贫氧区燃烧。而该实用新型的燃料喷枪放在两个蓄热室中间，喷枪喷出的燃料不能被相邻任意一个蓄热室出口的高温空气流全部吸走，因而不能组织完全的HTAC；在燃料喷枪出口附近就会出现燃料富集区，随着周围氧气扩散进入燃料富集区，在燃料富集区边缘就会形成扩散火焰(明火燃烧)。同时，燃料富集区未经燃烧的燃料极易被带入另一侧的蓄热室，这部分燃料若在该蓄热室中燃烧则会造成蓄热体过烧而提前损坏，若随烟气直接排出会造成燃料的浪费、给环境带来危害。

发明的内容

本发明节能环保型蓄热式高温空气燃烧器能够组织真正的HTAC(高温贫氧燃烧)，很好地解决了上述的问题；该燃烧器是专门为采用HTAC技术的工业窑炉配套的燃烧设备。

本发明燃烧器由壳体、空气/烟气通道、燃料喷枪、点火及火焰监测装置组成。壳体内置蓄热体用于回收烟气余热、预热助燃空气；空气/烟气通道用于为提供燃烧风和排放烟气；燃料喷枪的设置是本发明的关键技术，燃烧器的燃料分三次供应：即一次燃料、二次燃料和三次燃料；点火及火焰监测装置为确保低温段换向后的燃烧安全。

该燃烧器的一次燃料和二次燃料与常规的预热空气式燃烧器的燃料供应相似：一次燃料用于点火与稳燃，确保低温段换向燃烧的安全；二次燃料用于升温段的低温常规燃烧及短时间的HTFC，以确保炉膛稳定升温。三次燃料(常规燃烧器中很少见)是专门用于组织HTAC，三次燃料的喷枪布置在蓄热室出口周围，三次燃料与周围的烟气一起被高温空气流卷吸，全部带入高温贫氧区燃烧，实现真正的HTAC：弥散式的火焰、均匀的温度场分布、有效地抑制了NOx及二恶英的生成量。真正达到高效节能、保护环境的目标。

节能环保型蓄热式高温空气燃烧器具有常规的低温空气燃烧器、预热空气燃烧器以及高温空气燃烧器等多种功能，“一机多能”符合我国的国情，因而对于各种工业加热窑炉的点火、升温、高温保温、冷却降温等各个阶段完全适用；用于工业窑炉的新建设备和旧设备的技术改造，都能收到节能降耗、保护环境的显著效果。能够为我们带来显著的经济效益和社会效益的同时，还有利于提高我国工业窑炉的技术水平和能源利用水平。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明的一种实施方式示意图

图2为本发明的另一种实施方式示意图

具体实施方式

参见图1、图2，节能环保型蓄热式高温空气燃烧器包括：壳体1、蓄热体2、空气/烟气通道3、燃料喷枪4、点火装置5及火焰监测装置6。

壳体1由钢板制作、内衬砌有耐火及保温材料，以减少燃烧器的散热损失、降低外表面温度；壳体1上设置有蓄热体更换清理的工艺门和火焰观察孔。

蓄热体2是回收高温烟气的余热、预热助燃空气的核心部件。蓄热体2可选用蜂窝陶瓷或耐火小球，也可两者同时使用，当两者同时使用时蓄热体可分为两个部分：低温蓄热段采用蜂窝陶瓷、高温蓄热段采用耐火小球。

燃料喷枪4依据所使用的燃料而定：当使用液体燃料时选用液体雾化喷枪，当使用气体燃料时选用气体喷枪。

燃料喷枪4分三区多枪布置为燃烧加热提供燃料：一次燃料喷枪4-1用于点火与稳燃；二次燃料喷枪4-2用于升温段的低温常规燃烧及短时高温火焰燃烧(HTFC)；三次燃料喷枪4-3用于组织HTAC(高温贫氧燃烧)，能够更好地发挥HTAC的优势。

点火装置5由点火电极和点火器组成；火焰监测装置6由火焰探头和火焰监测器组成。点火器、火焰监测器可选用分立的设备，也可选用点火、火焰监测一体的燃烧器控制设备。在设置有一次燃料喷枪的情况下，火焰监测装置6可选用离子式、或紫外式或火焰脉动式；在没有设置一次燃料喷枪的情况下，火焰监测装置6只能选用离子式，确保加热窑炉低温段的运行安全。

图1、图2为便于对本发明进行详细的说明，并非限制本发明的实施范围。

Claims (4)

1.一种节能环保型蓄热式高温空气燃烧器，包括壳体(1)、蓄热体(2)、空气及烟气通道(3)、燃料喷枪(4)、点火装置(5)及火焰监测装置(6)；其特征在于：所述的壳体(1)由钢板、耐火材料及保温材料制成；所述的蓄热体(2)为回收高温烟气的余热、预热助燃空气的核心部件，由蜂窝陶瓷或耐火小球构成；所述的空气及烟气通道(3)为助燃空气和烟气排放的通道；所述的燃料喷枪(4)因使用的燃料不同而不同，当使用液体燃料时选用液体雾化喷枪，当使用气体燃料时选用气体喷枪；所述的点火装置(5)由点火电极和点火器组成；所述的火焰监测装置(6)由火焰探头和火焰监测器组成。

2.根据权利要求1所述的节能环保型蓄热式高温空气燃烧器，其特征在于：所述的蓄热体(2)选用蜂窝陶瓷、或耐火小球、或蜂窝陶瓷和耐火小球两种材料同时使用，当两种材料同时使用时蓄热体可分成两部分：低温蓄热段采用蜂窝陶瓷、高温蓄热段采用耐火小球。

3.根据权利要求1所述的节能环保型蓄热式高温空气燃烧器，其特征在于：所述的燃料喷枪(4)采用多枪布置的方式分三次供给燃料，一次燃料喷枪(4-1)用于点火与稳燃；二次燃料喷枪(4-2)用于升温段的低温常规燃烧及短时间高温火焰燃烧(HTFC)；三次燃料喷枪(4-3)用于组织高温空气燃烧(HTAC)，更好地发挥HTAC高效节能、保护环境的优势。

4.根据权利要求1所述的节能环保型蓄热式高温空气燃烧器，其特征在于：所述的点火装置(5)及火焰监测装置(6)可选用分立的设备，也可选用点火及火焰监测一体的燃烧器控制设备；在设置有一次燃料喷枪的情况下，可采用离子式、或紫外式、或火焰脉动式火焰探头及火焰探测器；在没有设置一次燃料喷枪的情况下，只能采用离子式火焰探头及火焰探测器，确保窑炉低温加热段的运行安全。

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