CN106152500B - 一种换热式的无焰燃烧炉膛及其控制方法 - Google Patents

一种换热式的无焰燃烧炉膛及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种换热式的无焰燃烧炉膛及其控制方法。本发明的耐火材料炉胆具有渐扩角，并且对于耐火材料炉胆内的不同区域采用多个独立的区域水冷套管进行热交换控制，使得对无焰燃烧的速度和稀释要求降低，并且可以实现更高体积功率的无焰燃烧；燃烧后的高温烟气能更加迅速的回流至前混合区，达到了增强炉内混合的效果；实验结果表明，采用渐扩式的炉胆设计后，实现无焰燃烧的燃气和氧化剂的速度可降低20％，有效降低了送气的动力要求；同时，独立的水冷套管热交换后，可将耐火材料炉胆内产生的热量及时有效地带走，从而将耐火材料炉胆内的体积功率和温度控制在无焰燃烧的最佳范围。

Description

一种换热式的无焰燃烧炉膛及其控制方法
技术领域
本发明涉及燃烧设备炉膛，具体涉及一种换热式的无焰燃烧炉膛及其控制方法。
背景技术
无焰燃烧(MILD Combustion，Flameless Combustion)具备高效低污染的特性，属于新型的低NOx燃烧技术，在目前能源和环境问题越来越严重的情况下，具有很大的发展潜力。相比于传统燃烧，实现无焰燃烧需要更精准的调节炉膛进口条件、炉内流场和炉胆壁面的多个条件。目前针对无焰燃烧的实现方式，大部分集中于通过控制进口反应物的速度、温度和稀释程度来使得炉内产生均匀的反应区，从而实现无焰燃烧。仅通过高速射流来实无焰燃烧相比于传统有焰燃烧需要消耗更多的动力，间接的降低了无焰燃烧的热效率。而且当炉膛内体积功率过大时，由于湍流的不稳定性，容易导致火焰锋面的闪现，增加了NOx的生成。发明人通过实验发现，改变炉壁的条件，能促进无焰燃烧的实现，降低反应物进口的速度、温度和稀释度的要求。申请号为200520071611.1的实用新型通过添加炉内燃烧搅拌器的方式来促进无焰燃烧的建立，并内置蓄热体来增强炉内的换热。该发明的炉壁包含了部分水管，形成水冷壁，然而，这样的设计导致炉壁四周受热不一致，会影响无焰燃烧的进行和***的稳定性。申请号为200510022667.2的发明中无焰燃烧锅炉的炉膛采用水冷套的方式进行传热，但主要是依靠炉膛前端的预燃罩产生高温预燃烟气再与二次风混合燃烧的方式实现无焰燃烧，并没有考虑水冷套对于炉内无焰燃烧状态的影响，此时也容易发生冷水壁面的过冷沸腾现象，从而导致水垢的产生。申请号为200910185582.4的发明采用冷水管环绕于炉胆和炉膛之间，来吸取无焰燃烧放出的热量，产生热水或者蒸汽。该设计由于炉胆尺寸偏小，当燃烧功率很大时，炉壁温度过高反而不容易实现无焰燃烧。
发明内容
针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种换热式的无焰燃烧炉膛及其控制方法，通过改变炉胆壁面的换热和几何设计来促进无焰燃烧形成。
本发明的一个目的在于提出一种换热式的无焰燃烧炉膛。
本发明的换热式的无焰燃烧炉膛包括：耐火材料炉胆、水冷套管、保温层、炉体结构外壳、无焰燃烧机和烟气出口；其中，耐火材料炉胆内从前至后依次为前混合区、主反应区和烟气回流区，耐火材料炉胆的内壁从前至后具有渐扩角；水冷套管环绕在耐火材料炉胆的外侧壁，水冷套管包括多个独立的区域水冷套管，每个独立的区域水冷套管分别具有各自的进水口和出水口，独立的区域水冷套管分别控制各自所环绕的耐火材料炉胆的区域的热交换量，或者相邻的进水口和出水口相连串联起来作为一个整体的水冷套管；与多个独立的区域水冷套管相对应，在耐火材料炉胆上连接多个温度传感器；保温层包裹耐火材料炉胆和水冷套管；炉体结构外壳设置在保温层外；无焰燃烧机依次穿过炉体结构外壳和保温层，连接至耐火材料炉胆的前端；耐火材料炉胆的后端连接烟气出口，烟气出口依次穿过保温层和炉体结构外壳连接至外部；无焰燃烧机将燃料和氧化剂输送至耐火材料炉胆内部，燃料和氧化剂先在前混合区与耐火材料炉胆内高温烟气混合，稀释并升温，到达主反应区后，发生燃烧反应并且释放热量，所产生的高温烟气到达烟气回流区后，一部分从烟道排出，另一部分则由于流动的作用回流至前混合区，与输送进来的燃料和氧化剂继续混合，如此反复进行；耐火材料炉胆内壁的渐扩角使得烟气速度降低，烟气回流区的静压高于前混合区，促进烟气回流区中的高温烟气迅速回流至前混合区，增强炉胆内混合效果，从而高温烟气回流量达到实现无焰燃烧的要求；独立的区域水冷套管根据对应的温度传感器的测温结果，对各自所环绕的耐火材料炉胆的区域进行独立热交换，及时带走耐火材料炉胆内的热量，从而将耐火材料炉胆内的体积功率和温度控制在无焰燃烧的最佳范围。
水冷套管包括2～7个独立的区域水冷套管，耐火材料炉胆较长时，耐火材料炉胆的一个区域可设置多个区域水冷套管，而火材料炉胆较短时，耐火材料炉胆的两个区域可共用一个区域水冷套管；每个独立的区域水冷套管分别具有各自的进水口和出水口，利用进水量的大小来独立控制不同耐火材料炉胆区域的热交换量；或者将相邻的进水口和出水口还可以串联起来作为一个整体的水冷套管。与耐火材料炉胆内的前混合区、主反应区和烟气回流区相对应，水冷套管分为三个独立的区域水冷套管，分别环绕在各所自对应的耐火材料炉胆区域的外侧壁，分别为前混合区水冷套管、主反应区水冷套管和烟气回流区水冷套管，分别独立地控制耐火材料炉胆内各个区域的热交换；并且具有各自独立的进水口和出水口，前混合区水冷套管具有前混合区冷却水进口和前混合区冷却水出口，主反应区水冷套管包括主反应区冷却水进口和主反应区冷却水出口，烟气回流区水冷套管具有烟气回流区冷却水进口和烟气回流区冷却水出口。
在耐火材料炉胆的外侧壁表面具有与水冷套管的外壁形状一致的凹陷，从而水冷套管半嵌入耐火材料炉胆的外侧壁，以增强热交换。
水冷套管与保温层之间的缝隙用保温棉或耐火水泥填充，以减少热量损失。
燃烧的燃料采用气体燃料、燃油、燃煤和生物质燃料中的一种或多种；生物质燃料为木屑或秸秆粉末。
耐火材料炉胆的形状为圆柱形或方柱形。耐火材料炉胆主体的轴剖面长宽比在1.5：1～7：1之间。耐火材料炉胆的渐扩角在0～15度之间，用于增强炉内烟气混合。耐火材料炉胆的厚度在3cm～30cm之间；采用耐火温度不低于1600℃的刚玉材料，或者采用多晶莫来石、硅酸铝、氧化铝、氧化镁和氧化锆材质中的一种。耐火材料炉胆内的温度维持在800℃～1500℃之间。其中，主反应区和烟气回流区的温度相近，温度差小于20℃，而前混合区温度应比主反应区和烟气回流区的最低温度低50℃以上，但仍处于800℃～1500℃之间。
水冷套管采用钢材或铝材，冷却液采用水或有机酸冷却液。水冷套管的直径在10mm～200mm之间。
保温层采用多晶莫来石、矿物棉、硅酸铝和玻璃棉中的一种或多种。
烟气出口的面积占耐火材料炉胆的后端内底面面积的10％～70％之间。
采用燃气或者燃油时耐火材料炉胆为卧式，采用固体燃料时耐火材料炉胆为立式，上方进料下方排出烟气和灰渣。
氧化剂为空气，或者为氧气和惰性气体的混合气体。例如富氧燃烧里采用氧浓度为30％的氧化剂。
本发明在促进无焰燃烧实现的原理上，与传统耐火材料炉胆有明显区别。由于无焰燃烧需要在高温低氧的环境下实现，因此传统的耐火材料炉胆在预热至800℃后，需要将燃气和氧化剂的速度提升至20m/s以上，或者加以大量的惰性气体作为稀释剂，才能实现无焰燃烧。本发明通过实验发现，炉胆内烟气回流量越大，越有利于实现无焰燃烧。本发明的耐火材料炉胆具有渐扩角，渐扩角将会使得流体速度降低，根据伯努利方程可知，炉胆的烟气回流区静压比前混合区稍高，此压差将促进烟气回流区中的高温烟气回流至前混合区中，此时炉胆内的烟气回流量将更容易实现高温低氧环境来促进无焰燃烧的建立。实验结果表明，采用渐扩式的炉胆设计后，实现无焰燃烧的燃气和氧化剂的速度可降低20％，有效降低了送气的动力要求。本发明通过实验还发现，建立空气助燃的无焰燃烧的最佳体积功率和最佳炉内温度范围分别是100kW/m3～700kW/m3，800℃～1500℃。这是因为当体积功率或炉内温度过低时，会发生熄火的现象；而体积功率或炉内温度过高时，火焰传播速度会明显增大，从而产生火焰锋面，无法实现无焰燃烧，并且会导致氮氧化物的大幅度增加。而对于耐火材料炉胆内的不同区域采用多个独立的区域水冷套管进行热交换控制后，可将燃烧产生的热量及时有效地带走，从而将耐火材料炉胆内的体积功率和温度都控制在实现无焰燃烧的最佳范围。
本发明的另一个目的在于提供一种换热式的无焰燃烧炉膛的控制方法。
本发明的换热式的无焰燃烧炉膛的控制方法，包括以下步骤：
1)预热耐火材料炉胆至800℃以上，水冷套管的多个独立的区域水冷套管中，相邻的进水口和出水口相连串联起来作为一个整体的水冷套管，控制水流量所带走的热量小于总燃烧功率的10％；
2)将无焰燃烧机切换至无焰燃烧状态；
3)断开区域水冷套管中相邻的进水口和出水口，多个区域水冷套管互相独立；
4)无焰燃烧机将燃料和氧化剂输送至耐火材料炉胆内部，控制燃料速度在5m/s以上，以及氧化剂的速度在20m/s以上；
5)燃料和空气进入耐火材料炉胆内，燃料和氧化剂先在前混合区与耐火材料炉胆内高温烟气混合，稀释并升温，到达主反应区后，发生燃烧反应并且释放热量，所产生的高温烟气到达烟气回流区后，一部分从烟道排出，另一部分则由于流动的作用回流至前混合区，与输送进来的燃料和氧化剂继续混合，如此反复进行；耐火材料炉胆内壁的渐扩角使得流体速度降低，烟气回流区的静压高于前混合区，促进烟气回流区中的高温烟气迅速回流至前混合区，增强炉胆内混合效果，从而高温烟气回流量达到实现无焰燃烧的要求；独立的区域水冷套管根据对应的温度传感器的测温结果，对各自所环绕的耐火材料炉胆的区域进行实时独立热交换，及时带走耐火材料炉胆内的热量，从而将耐火材料炉胆内的体积功率和温度控制在空气助燃的无焰燃烧的最佳范围。
其中，在步骤5)中，耐火材料炉胆内的温度维持在800℃～1500℃之间；其中，主反应区和烟气回流区的温度相近，温度差小于20℃，而前混合区温度应比主反应区和烟气回流区的最低温度低50℃以上，但仍处于800℃～1500℃之间。
本发明的优点：
本发明的耐火材料炉胆具有渐扩角，并且对于耐火材料炉胆内的不同区域采用多个独立的区域水冷套管进行热交换控制，使得对无焰燃烧的速度和稀释要求降低，并且可以实现更高体积功率的无焰燃烧；燃烧后的高温烟气能更加迅速的回流至前混合区，达到了增强炉内混合的效果。实验结果表明，采用渐扩式的炉胆设计后，实现无焰燃烧的燃气和氧化剂的速度可降低20％，有效降低了送气的动力要求；同时，独立的水冷套管热交换后，可将耐火材料炉胆内产生的热量及时有效地带走，从而将耐火材料炉胆内的体积功率和温度控制在无焰燃烧的最佳范围，最佳体积功率和最佳炉内温度范围分别是100kW/m3～700kW/m3，800℃～1500℃。
附图说明
图1为本发明的换热式的无焰燃烧炉膛的一个实施例的示意图；
图2为本发明的换热式的无焰燃烧炉膛的用于工业锅炉的示意图；
图3为本发明的换热式的无焰燃烧炉膛的用于轧钢加热炉的示意图。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
如图1所示，本实施例的换热式的无焰燃烧炉膛包括：耐火材料炉胆2、水冷套管3、保温层4、炉体结构外壳5、无焰燃烧机1和烟气出口6；其中，耐火材料炉胆2内从前至后依次为前混合区21、主反应区22和烟气回流区23，耐火材料炉胆的内壁从前至后具有渐扩角；水冷套管3环绕在耐火材料炉胆的外侧壁，对应着耐火材料炉胆的三个区域，水冷套管包括三个独立的区域水冷套管，分别为前混合区水冷套管、主反应区水冷套管和烟气回流区水冷套管，具有前混合区水冷套管的进水口31和出水口32、主反应区水冷套管的进水口33和出水口34，烟气回流区水冷套管的进水口35和出水口36；在耐火材料炉胆上连接三个热电偶24，用来监测耐火材料炉胆的壁面温度，以实时调节对应的区域水冷套管的进水量；保温层4包裹耐火材料炉胆和水冷套管；炉体结构外壳5设置在保温层外；无焰燃烧机1依次穿过炉体结构外壳和保温层，连接至耐火材料炉胆的前端；耐火材料炉胆的后端连接烟气出口6，烟气出口依次穿过保温层和炉体结构外壳连接至外部。
在本实施例中，耐火材料炉胆2的形状为圆柱形，轴剖面长宽比为3：1；耐火材料炉胆的渐扩角α为5度；耐火材料炉胆的厚度为8cm；采用耐火温度不低于1600℃的刚玉材料；耐火材料炉胆内的温度维持在1000℃左右。水冷套管3采用钢材，冷却液采用水；水冷套管的直径为25mm；烟气出口6的面积占耐火材料炉胆的后端内底面面积的20％。
实施例一
本实施例的换热式的无焰燃烧炉膛用于无焰燃烧工业锅炉，如图2所示。首先将耐火材料炉胆的壁面利用有焰燃烧的方式预热至800℃，此时水冷套管3的水流量少，基本不带走预热耐火材料炉胆的热量。此后，将无焰燃烧机1切换至无焰燃烧状态，同时水冷套管3对于三个区域进行独立热交换，根据热电偶24的测温结果动态调节进水量，使耐火材料炉胆的壁面温度在1000℃左右。实现无焰燃烧后，产生的高温低污染烟气通过烟气出口6进入到两回程的换热管束13中与水进行热交换。同时，水冷套管中产生的热水可输入换热管束13的水槽中，有效利用冷却水和热量。持续加热，即可产生所需的供暖热水或者动力蒸汽。当耐火材料炉胆需要提高输出功率时，水冷套管的水量也相应加大，使得耐火材料炉胆内产生的热量能及时转移一部分而不影响炉内无焰燃烧的状态，避免由于高温产生的NOx；同时也使炉胆壁面温度不超过1500℃。
实施例二
本实施例的换热式的无焰燃烧炉膛用于无焰燃烧轧钢加热炉，如图3所示。首先将耐火材料炉胆的壁面利用有焰燃烧的方式预热至800℃，此时水冷套管3的水流量少，基本不带走预热耐火材料炉胆的热量。此后，将无焰燃烧机1切换至无焰燃烧状态，由于轧钢加热需要大量的热量，同时耐火材料炉胆长宽比较小，因此水冷套管采用一体化水冷的方式，对整个耐火材料炉胆进行热交换。炉胆壁面在此应用实例中保持在1200℃左右。耐火材料炉胆产生的高温烟气通过烟道进入加热炉炉膛15，温度可达1250℃，可满足轧钢加热的要求。此实施例中，水冷套管的热交换量相比工业锅炉的情况小，产生的热水可用作生活供暖用。
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种换热式的无焰燃烧炉膛，其特征在于，所述无焰燃烧炉膛包括：耐火材料炉胆、水冷套管、保温层、炉体结构外壳、无焰燃烧机和烟气出口；其中，所述耐火材料炉胆内从前至后依次为前混合区、主反应区和烟气回流区，耐火材料炉胆的内壁从前至后具有渐扩角；所述水冷套管环绕在耐火材料炉胆的外侧壁，水冷套管包括多个独立的区域水冷套管，每个独立的区域水冷套管分别具有各自的进水口和出水口，在无焰燃烧状态，独立的区域水冷套管分别控制各自所环绕的耐火材料炉胆的区域的热交换量，在预热阶段，相邻的进水口和出水口相连串联起来作为一个整体的水冷套管；与多个独立的区域水冷套管相对应，在耐火材料炉胆上连接多个温度传感器；所述保温层包裹耐火材料炉胆和水冷套管；所述炉体结构外壳设置在保温层外；所述无焰燃烧机依次穿过炉体结构外壳和保温层，连接至耐火材料炉胆的前端；耐火材料炉胆的后端连接烟气出口，所述烟气出口依次穿过保温层和炉体结构外壳连接至外部；无焰燃烧机将燃料和氧化剂输送至耐火材料炉胆内部，燃料和氧化剂先在前混合区与耐火材料炉胆内高温烟气混合，稀释并升温，到达主反应区后，发生燃烧反应并且释放热量，所产生的高温烟气到达烟气回流区后，一部分从烟道排出，另一部分则由于流动的作用回流至前混合区，与输送进来的燃料和氧化剂继续混合，如此反复进行；耐火材料炉胆内壁的渐扩角使得烟气速度降低，烟气回流区的静压高于前混合区，促进烟气回流区中的高温烟气迅速回流至前混合区，增强炉胆内混合效果，从而高温烟气回流量达到实现无焰燃烧的要求；独立的区域水冷套管根据对应的温度传感器的测温结果，对各自所环绕的耐火材料炉胆的区域进行独立热交换，及时带走耐火材料炉胆内的热量，从而将耐火材料炉胆内的体积功率和温度控制在无焰燃烧的最佳范围。
2.如权利要求1所述的换热式的无焰燃烧炉膛，其特征在于，在耐火材料炉胆的外侧壁表面具有与水冷套管的外壁形状一致的凹陷，从而水冷套管半嵌入耐火材料炉胆的外侧壁。
3.如权利要求1所述的换热式的无焰燃烧炉膛，其特征在于，所述水冷套管与保温层之间的缝隙用保温棉或耐火水泥填充。
4.如权利要求1所述的换热式的无焰燃烧炉膛，其特征在于，所述燃料采用气体燃料、燃油、燃煤和生物质燃料中的一种或多种。
5.如权利要求1所述的换热式的无焰燃烧炉膛，其特征在于，所述耐火材料炉胆的渐扩角在0～15度之间。
6.如权利要求1所述的换热式的无焰燃烧炉膛，其特征在于，所述耐火材料炉胆的形状为圆柱形或方柱形；耐火材料炉胆主体的轴剖面长宽比在1.5：1～7：1之间；耐火材料炉胆的厚度在3cm～30cm之间；采用耐火温度不低于1600℃的刚玉材料，或者采用多晶莫来石、硅酸铝、氧化铝、氧化镁和氧化锆材质中的一种。
7.如权利要求1所述的换热式的无焰燃烧炉膛，其特征在于，所述保温层采用多晶莫来石、矿物棉、硅酸铝和玻璃棉中的一种或多种。
8.如权利要求1所述的换热式的无焰燃烧炉膛，其特征在于，烟气出口的面积占耐火材料炉胆的后端内底面面积的10％～70％之间。
9.一种换热式的无焰燃烧炉膛的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：
1)预热耐火材料炉胆至800℃以上，水冷套管的多个独立的区域水冷套管中，相邻的进水口和出水口相连串联起来作为一个整体的水冷套管，控制水流量所带走的热量小于总燃烧功率的10％；
2)将无焰燃烧机切换至无焰燃烧状态；
3)断开区域水冷套管中相邻的进水口和出水口，多个区域水冷套管互相独立；
4)无焰燃烧机将燃料和氧化剂输送至耐火材料炉胆内部，控制燃料速度在5m/s以上，以及氧化剂的速度在20m/s以上；
5)燃料和空气进入耐火材料炉胆内，燃料和氧化剂先在前混合区与耐火材料炉胆内高温烟气混合，稀释并升温，到达主反应区后，发生燃烧反应并且释放热量，所产生的高温烟气到达烟气回流区后，一部分从烟道排出，另一部分则由于流动的作用回流至前混合区，与输送进来的燃料和氧化剂继续混合，如此反复进行；耐火材料炉胆内壁的渐扩角使得流体速度降低，烟气回流区的静压高于前混合区，促进烟气回流区中的高温烟气迅速回流至前混合区，增强炉胆内混合效果，从而高温烟气回流量达到实现无焰燃烧的要求；独立的区域水冷套管根据对应的温度传感器的测温结果，对各自所环绕的耐火材料炉胆的区域进行实时独立热交换，及时带走耐火材料炉胆内的热量，从而将耐火材料炉胆内的体积功率和温度控制在空气助燃的无焰燃烧的最佳范围。
10.如权利要求9所述的控制方法，其特征在于，在步骤5)中，耐火材料炉胆内的温度维持在800℃～1500℃之间；其中，主反应区和烟气回流区的温度差小于20℃；前混合区温度应比主反应区和烟气回流区的最低温度低50℃以上。
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