CN107702117B - 一种通过次化学当量燃烧制取还原性气体的燃烧器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种通过次化学当量燃烧制取还原性气体的燃烧器。该燃气喷枪为可拆卸的扩散式喷枪，布置于燃烧器壳体头部喉道的中心位置，两个蒸汽喷枪设置于燃烧器壳体靠近出口处，沿燃烧器壳体的切向方向对称布置；所述的助燃风管布置于燃烧器壳体头部中心位置，在助燃风管内部及出口处沿助燃风流动方向依次布置空气寄存器和空气旋流器；所述的长明灯布置于燃烧器隔热衬里内部靠近喉口的位置；所述的隔热衬里布置在燃烧器壳体内，形成一个稳燃室。本发明采用模块化结构设计，具有操作方便弹性大，燃烧稳定效率高，在燃用设计燃料和操作负荷范围内不析碳、不结焦、不堵塞、寿命长等优点。
Description
技术领域
本发明适用于燃气与助燃空气在反应炉内进行次化学当量燃烧，分解或反应生成含氢气的还原性气体的含硫尾气处理装置用燃烧器。
背景技术
硫回收尾气处理装置中，还原气发生炉燃烧器承担着制取还原性气体--氢气的工艺任务，同时携带燃烧热，与进入炉内混合室的含硫及硫化物的尾气混合，并发生还原反应，尽可能多的回收尾气中的硫，最终使混合烟气的温度提高至加氢及水解反应所需的温度。通过在燃烧室的尾部沿切向对称喷入一定量的水蒸汽，既可以适当降低燃烧温度，保护衬里，又为制取氢气提供反应物，提高氢气的产量和硫回收的效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种通过次化学当量燃烧，以制取还原性气体氢气为目的的气体燃烧器。
实现本发明的目的技术方案：一种通过次化学当量燃烧制取还原性气体的燃烧器，该燃烧器包括燃烧器壳体、燃气喷枪、蒸汽喷枪、助燃风管、空气寄存器、空气旋流器、长明灯、隔热衬；所述的燃气喷枪为可拆卸的扩散式喷枪，布置于燃烧器壳体头部喉道的中心位置，两个蒸汽喷枪设置于燃烧器壳体靠近出口处，沿燃烧器壳体的切向方向对称布置；所述的助燃风管布置于燃烧器壳体头部中心位置，在助燃风管内部及出口处沿助燃风流动方向依次布置空气寄存器和空气旋流器；所述的长明灯布置于燃烧器隔热衬里内部靠近喉口的位置，兼做点火枪用；所述的隔热衬里布置在燃烧器壳体内，形成一个稳燃室。
如上所述的一种通过次化学当量燃烧制取还原性气体的燃烧器，其所述的整个燃烧器壳体内部均设置耐火及隔热衬里；所述的燃烧器上还有两个视镜和两个火焰检测器，分别设置在燃烧器壳体头部易于观察和检测的位置；按照次化学当量控制流量的助燃风进入助燃风管后，首先通过空气寄存器，一部分沿空气寄存器外壁上行，折返后沿空气寄存器内筒体下行，出空气寄存器，另一部分沿空气寄存器外壁下行，与另一部分混合，使助燃风沿助燃风管出口截面上均匀分布。
如上所述的一种通过次化学当量燃烧制取还原性气体的燃烧器，其中心视镜通过法兰安装在燃气喷枪的中心套管上，燃气喷枪通过法兰安装在助燃风管上，燃气喷枪的燃气喷头伸到燃烧器壳体的混合室处，助燃风管和空气旋流器通过法兰连接，依次固定在燃烧器壳体上部，空气寄存器通过将导流叶片点焊在燃气喷枪的燃气管路外壁上来固定，衬里通过锚固钉安装在燃烧器壳体上，并外套在混合室外部，形成热防护结构，附件接口焊接在燃烧器壳体上并贯穿衬里用于安装点火器、视镜及火焰检测器。
如上所述的一种通过次化学当量燃烧制取还原性气体的燃烧器，其所述的中心视镜包括视镜密封压盖、视镜玻璃和不锈钢球阀；视镜玻璃固定在视镜压盖和不锈钢球阀之间，便于观察中心火焰和在线拆卸。
如上所述的一种通过次化学当量燃烧制取还原性气体的燃烧器，其所述的燃气喷枪的包括视镜冷却风入口、燃气入口、安装法兰、燃气管路、中心套管和燃气喷头；其中，燃气喷枪为环套式结构，中心套管为视镜通道，前端设置有视镜冷却风入口，当开启中心视镜的球阀观察火焰时，可防止高温烟气烫伤；燃气入口安装在燃气管路的前部，燃气喷头设置在燃气管路的尾部，安装法兰用于将燃气喷枪固定在助燃风管上；在燃气喷头的前端锥面上开有多个切向燃气喷孔，使燃气射流呈旋流状态喷出，旋向与空气旋流器叶片旋向保持一致。
如上所述的一种通过次化学当量燃烧制取还原性气体的燃烧器，其所述的助燃风管的包括助燃空气入口和助燃空气管路；助燃空气入口安装在助燃空气管路中部，燃气喷枪和空气寄存器安装在助燃空气管路内。
如上所述的一种通过次化学当量燃烧制取还原性气体的燃烧器，其所述的空气寄存器包括两个寄存器盖板、空气流道、导流叶片；其中，两个寄存器盖板分别设置于空气流道的前端和后端，导流叶片分别设置于空气流道内部的前端和后端，且呈交错布置，使助燃空气通过空气流道后能沿轴线均匀流出，进入空气旋流器，在设计上寄存器的内外径比n/N取0.4～0.6之间；所述的空气旋流器包括助燃空气流道、旋流叶片；其中，旋流叶片为弯曲叶片，安装在助燃空气流道内。
如上所述的一种通过次化学当量燃烧制取还原性气体的燃烧器，其所述的燃烧器壳体包括壳体、燃烧器安装法兰、混合室和混合室出口；其中，壳体前端设有用于固定空气旋流器和助燃风管的内螺纹法兰，壳体末端连接燃烧器安装法兰，混合室焊接在前端内螺纹上，为收缩型结构，收缩角β，β选取60°～90°。
如上所述的一种通过次化学当量燃烧制取还原性气体的燃烧器，其所述的衬里的包括锚固钉、隔热浇注料和耐火浇注料；所述的隔热浇注料和耐火浇注料通过交错布置的锚固钉浇筑在燃烧器壳体壁面内。
如上所述的一种通过次化学当量燃烧制取还原性气体的燃烧器，其所述的蒸汽喷枪包括蒸汽入口、安装法兰、蒸汽管路和蒸汽喷头；其中，蒸汽入口设置于蒸汽管路前端，蒸汽喷头设置于蒸汽管路末端，蒸汽喷头上开有一个蒸汽喷孔，开孔方向为斜向下，蒸汽射流张角为δ，通常取15°～30°；两根蒸汽喷枪切向对称布置在燃烧器壳体上，使两股蒸汽射流呈旋流状态与高温烟气充分混合，并为制氢反应提供必要的水蒸汽；两根蒸汽喷枪的切圆半径为L，为了达到较好的混合效果，设计L/D取0.25～0.35之间。
本发明的效果在于：
本发明的基本结构包括：燃气喷枪、蒸汽喷枪、风管、空气寄存器、空气旋流器、长明灯、壳体、衬里及附件接口等部件。燃气喷枪为可拆卸的扩散式喷枪，布置于燃烧器喉口的中心位置，两个蒸汽喷枪沿壳体的切向方向对称布置，助燃空气经由风管、寄存器以及旋流器进入燃烧器喉口，长明灯布置于喉口边易于点火的位置，兼做点火枪用，衬里通过锚固钉安装在燃烧器壳体内，形成一个小型燃烧室，同时起到热防护的作用，燃烧器上还有两个视镜和两个火检，分别设置在易于观察和检测的位置。
本发明的主要功能有两个：
功能一燃气与空气富氧燃烧进行烘炉和炉体升温；这是进行工艺生产的先决条件，具体过程为：燃气进入燃气喷枪经喷枪尾部的喷嘴喷出，形成多股分散射流；助燃空气经过风管进入，通过寄存器对助燃空气进行合理分级分配，再经喉口前端的旋流器产生旋转射流，形成稳定的回流区，空气旋转射流与燃气分散射流在小燃烧室内混合经点火器点燃，产生旋流火焰对加热炉进行烘炉和升温。
功能二燃气与空气欠氧燃烧进行工艺生产；这是该燃烧器的主要功能，具体过程为：燃气进入燃气喷枪经喷枪尾部的喷嘴喷出，形成多股分散射流；为了满足氢气产率，助燃空气按照过量空气系数0.7～0.75，经风管进入，依次通过寄存器、旋流器，空气旋转射流与燃气分散射流充分混合并燃烧，喷入蒸汽的量取燃气量的0.25～0.35倍，分别进入两根蒸汽喷枪，经喷枪尾部的喷孔喷出，蒸汽喷枪设置于壳体内小燃烧室中后部，由于两根喷枪呈切向对称布置，两股蒸汽射流在小燃烧内呈旋流状态并与部分燃气混合反应，生成氢气，同时喷入的蒸汽还起到降低火焰温度，从而保护衬里的作用。
本发明燃烧器采用模块化结构设计，具有操作方便弹性大，燃烧稳定效率高，在燃用设计燃料和操作负荷范围内不析碳、不结焦、不堵塞、寿命长等优点。
本发明燃烧器可通过改变旋流强度与蒸汽掺混位置、角度等措施，达到控制火焰造型与温度场的目的，使天然气在欠氧状态下发生氧化还原反应，制取还原性气体，满足工艺***需要。
本发明燃烧器工作过程中，天然气、助燃空气与蒸汽设置比例调节控制，可调节范围较广，其中过量空气系数的可调节范围为0.6～1.2之间，蒸汽与燃气的比例调节范围为0.25～0.5之间。经现场运行实测，本燃烧器在燃用天然气时的析碳点为6.5，且火焰保持稳定不熄灭。
附图说明
图1：本发明的燃烧器装配图；
图2：本发明的中心视镜结构图；
图3：本发明的燃气喷枪结构图；
图4：本发明的助燃风管结构图；
图5：本发明的空气寄存器结构图；
图6：本发明的空气旋流器结构图；
图7：本发明的燃烧器壳体结构图；
图8：本发明的衬里结构图；
图9：本发明的蒸汽喷枪结构图；
图10：本发明的燃气喷头开孔示意图；
图11：本发明的蒸汽喷枪布置图；
图中：1.中心视镜、2.燃气喷枪、3.助燃风管、4.空气寄存器、5.附件接口、6.空气旋流器、7.燃烧器壳体、8.隔热衬里、9.蒸汽喷枪、11.视镜密封压盖、12.视镜玻璃、13.不锈钢球阀、14.视镜冷却风入口、15.燃气入口、16.安装法兰、17.燃气管路、18.中心套管、19.燃气喷头、20.助燃空气入口、21.助燃空气管路、22.寄存器盖板、23.空气流道、24.导流叶片、25.助燃空气流道、26.旋流叶片、27.壳体、28.燃烧器安装法兰、29.混合室、30.混合室出口、31.锚固钉、32.隔热浇注料、33.耐火浇注料、34.蒸汽入口、35.安装法兰、36.蒸汽管路、37.蒸汽喷头；
其中：α为燃气射流轴向张角；β为混合室收缩角；d为混合室出口直径；n为寄存器内径，即燃气管路外径；N为寄存器外径；γ为耐火衬里扩张角；H为燃烧室轴向长度；D为燃烧室出口直径；δ为蒸汽射流张角；θ为喷孔切向偏转角度；L为喷枪轴线偏离中心线距离，即喷枪的切圆半径。
具体实施方式
下面结合附图和具体实例对本发明所述的一种通过次化学当量燃烧制取还原性气体的燃烧器作进一步描述。
如图1所示，本发明所述的一种通过次化学当量燃烧制取还原性气体的燃烧器，其包括燃烧器壳体7、燃气喷枪2、蒸汽喷枪9、助燃风管3、空气寄存器4、空气旋流器6、长明灯、衬里8。所述的燃气喷枪2为可拆卸的扩散式喷枪，布置于燃烧器壳体7头部喉道的中心位置，两个蒸汽喷枪9设置于燃烧器壳体7靠近出口处，沿燃烧器壳体7的切向方向对称布置；所述的助燃风管3布置于燃烧器壳体7头部中心位置，在助燃风管3内部及出口处沿助燃风流动方向依次布置空气寄存器4和空气旋流器6；所述的长明灯布置于燃烧器隔热衬里8内部靠近喉口的位置，兼做点火枪用；所述的衬里8布置在燃烧器壳体7内，形成一个稳燃室。
整个燃烧器壳体7内部均设置耐火及隔热衬里8；所述的燃烧器上还有两个视镜和两个火焰检测器，分别设置在燃烧器壳体7头部易于观察和检测的位置；按照次化学当量控制流量的助燃风进入助燃风管3后，首先通过空气寄存器4，一部分沿空气寄存器4外壁上行，折返后沿空气寄存器4内筒体下行，出空气寄存器4，另一部分沿空气寄存器4外壁下行，与另一部分混合，使助燃风沿助燃风管3出口截面上均匀分布。
如图2所示，本发明的中心视镜1的主要结构包括：视镜密封压盖11、视镜玻璃12和不锈钢球阀13。视镜玻璃12固定在视镜压盖11和不锈钢球阀13之间，便于观察中心火焰和在线拆卸。本发明中心视镜1通过法兰安装在燃气喷枪2的中心套管18上。
如图3所示，本发明的燃气喷枪2的主要结构包括：视镜冷却风入口14、燃气入口15、安装法兰16、燃气管路17、中心套管18和燃气喷头19。燃气喷枪2为环套式结构，中心套管18为视镜通道，前端设置有视镜冷却风入口14，当开启中心视镜1的球阀观察火焰时，可防止高温烟气烫伤。燃气入口15安装在燃气管路17的前部，燃气喷头19设置在燃气管路17的尾部，安装法兰16用于将燃气喷枪2固定在风管3上。燃气喷枪2的燃气喷头19伸到燃烧器壳体7的混合室29处。在燃气喷头19的前端锥面上开有多个切向燃气喷孔，使燃气射流呈旋流状态喷出，旋向与空气旋流器叶片旋向保持一致，参见图10。燃气射流的轴向张角为α，切向偏转角度为θ，通过调整α和θ，可以控制旋流强度和中心回流区的大小，以取得稳定燃气燃烧的作用，α越大则回流区越大，θ越大则旋流强度越大。
如图4所示，本发明的助燃风管3的主要结构包括：助燃空气入口20和助燃空气管路21。助燃空气入口20安装在助燃空气管路21中部。燃气喷枪2和空气寄存器4安装在助燃空气管路21内。
如图5所示，本发明的空气寄存器4的主要结构包括：寄存器盖板22、空气流道23、导流叶片24。两个寄存器盖板22分别设置于空气流道23的前端和后端，导流叶片24分别设置于空气流道23内部的前端和后端，且呈交错布置，使助燃空气通过空气流道23后能沿轴线均匀流出，进入空气旋流器6。寄存器的内径n取决于燃气管路17的直径，外径N的大小决定了进入寄存器的空气的量，同时外径N过大也会使助燃风管3的阻力增大，在设计上n/N取0.4～0.6之间(例如：n/N取0.4、0.5或0.6)。助燃风管3和空气旋流器6通过法兰连接，依次固定在壳体7上部，空气寄存器4通过将导流叶片24点焊在燃气喷枪2的燃气管路17外壁上来固定，
如图6所示，本发明的空气旋流器6的主要结构包括：助燃空气流道25、旋流叶片26。旋流叶片26为弯曲叶片，安装在助燃空气流道25内，助燃空气的旋流强度可以通过调整旋流叶片26的叶形和数量来实现，增大旋流强度可以加强根部送风，使火焰变得粗短明亮。
如图7所示，本发明的燃烧器壳体7的主要结构包括：壳体27、燃烧器安装法兰28、混合室29和混合室出口30。壳体27前端设有用于固定空气旋流器6和风管3的内螺纹法兰，壳体27末端连接燃烧器安装法兰28，混合室29焊接在前端内螺纹法兰上，为收缩型结构，收缩角β，混合室出口30截面最小，直径为d。收缩角β一般选取60°～90°(例如：60°、75°或90°)。混合室出口30直径d决定着火焰直径、长度和燃烧器的压降，混合室出口直径d越小，混合室出口的旋流强度越低，燃烧器压降越大，火焰直径越小，火焰增长。直径d的大小可通过混合室出口气流的轴向速度设计，设计选取30m/s，对于易燃的工艺气应适当增大气速，对于难燃的工艺气应适当减小气速。
如图8所示，本发明的衬里8的主要结构包括：锚固钉31、隔热浇注料32和耐火浇注料33。隔热浇注料32和耐火浇注料33通过交错布置的锚固钉31浇筑在燃烧器壳体27与混合室29外壁面内，并且形成一个直径为D，长度为H的内燃烧室，γ为混合室出口30至燃烧室的扩张角。内燃烧室的主要作用是确保燃气与次当量助燃空气在稳定的回流区内燃烧，并为蒸汽掺混降温提供空间。内燃烧室的直径D主要与燃气喷头的轴向射流扩张角α有关，长度H主要与回流区大小以及蒸汽掺混位置有关。衬里8通过锚固钉31安装在燃烧器壳体7上，并外套在混合室29外部，形成热防护结构，附件接口5焊接在燃烧器壳体7上并贯穿衬里8用于安装点火器、视镜及火焰检测器等辅助部件。
如图9所示，本发明的蒸汽喷枪9的主要结构包括：蒸汽入口34、安装法兰35、蒸汽管路36和蒸汽喷头37。蒸汽入口34设置于蒸汽管路36前端，蒸汽喷头37设置于蒸汽管路36末端，蒸汽喷头37上开有一个蒸汽喷孔，开孔方向为斜向下，蒸汽射流张角为δ，通常取15°～30°(例如：15°、25°或30°)。参见图11，两根蒸汽喷枪9切向对称布置在内燃烧室的中后部，使两股蒸汽射流呈旋流状态与高温烟气充分混合，并为制氢反应提供必要的水蒸汽。两根蒸汽喷枪的切圆半径为L，为了达到较好的混合效果，L/D通常取0.25～0.35(例如：0.25、0.30或0.35)。
Claims (7)
1.一种通过次化学当量燃烧制取还原性气体的燃烧器，其特征在于：该燃烧器包括燃烧器壳体(7)、燃气喷枪(2)、蒸汽喷枪(9)、助燃风管(3)、空气寄存器(4)、空气旋流器(6)、长明灯、隔热衬里(8)；
所述的燃气喷枪(2)为可拆卸的扩散式喷枪，布置于燃烧器壳体(7)头部喉道的中心位置，两个蒸汽喷枪(9)设置于燃烧器壳体(7)靠近出口处，沿燃烧器壳体(7)的切向方向对称布置；
所述的助燃风管(3)布置于燃烧器壳体(7)头部中心位置，在助燃风管(3)内部及出口处沿助燃风流动方向依次布置空气寄存器(4)和空气旋流器(6)；
所述的长明灯布置于燃烧器隔热衬里(8)内部靠近喉口的位置，兼做点火枪用；
所述的隔热衬里(8)布置在燃烧器壳体(7)内，形成一个稳燃室；
整个燃烧器壳体(7)内部均设置耐火及隔热衬里(8)；所述的燃烧器上还有两个视镜和两个火焰检测器，分别设置在燃烧器壳体(7)头部易于观察和检测的位置；按照次化学当量控制流量的助燃风进入助燃风管(3)后，首先通过空气寄存器(4)，一部分沿空气寄存器(4)外壁上行，折返后沿空气寄存器(4)内筒体下行，出空气寄存器(4)，另一部分沿空气寄存器(4)外壁下行，与另一部分混合，使助燃风沿助燃风管(3)出口截面上均匀分布；
所述的空气寄存器(4)包括两个寄存器盖板(22)、空气流道(23)、导流叶片(24)；其中，两个寄存器盖板(22)分别设置于空气流道(23)的前端和后端，导流叶片(24)分别设置于空气流道(23)内部的前端和后端，且呈交错布置，使助燃空气通过空气流道(23)后能沿轴线均匀流出，进入空气旋流器(6)，在设计上寄存器的内外径比n/N取0.4～0.6之间；
所述的空气旋流器(6)包括助燃空气流道(25)、旋流叶片(26)；其中，旋流叶片(26)为弯曲叶片，安装在助燃空气流道(25)内。
2.根据权利要求1所述的一种通过次化学当量燃烧制取还原性气体的燃烧器，其特征在于：所述的燃烧器壳体(7)包括壳体(27)、燃烧器安装法兰(28)、混合室(29)和混合室出口(30)；其中，壳体(27)前端设有用于固定空气旋流器(6)和助燃风管(3)的内螺纹法兰，壳体(27)末端连接燃烧器安装法兰(28)，混合室(29)焊接在前端内螺纹上，为收缩型结构，收缩角β，β选取60°～90°。
3.根据权利要求2所述的一种通过次化学当量燃烧制取还原性气体的燃烧器，其特征在于：中心视镜(1)通过法兰安装在燃气喷枪(2)的中心套管(18)上，燃气喷枪(2)通过法兰安装在助燃风管(3)上，燃气喷枪(2)的燃气喷头(19)伸到燃烧器壳体(7)的混合室(29)处，助燃风管(3)和空气旋流器(6)通过法兰连接，依次固定在燃烧器壳体(7)上部，空气寄存器(4)通过将导流叶片(24)点焊在燃气喷枪(2)的燃气管路(17)外壁上来固定，隔热衬里(8)通过锚固钉(31)安装在燃烧器壳体(7)上，并外套在混合室(29)外部，形成热防护结构，附件接口(5)焊接在燃烧器壳体(7)上并贯穿隔热衬里(8)用于安装点火器、视镜及火焰检测器。
4.根据权利要求3所述的一种通过次化学当量燃烧制取还原性气体的燃烧器，其特征在于：所述的中心视镜(1)包括视镜密封压盖(11)、视镜玻璃(12)和不锈钢球阀(13)；视镜玻璃(12)固定在视镜密封压盖(11)和不锈钢球阀(13)之间，便于观察中心火焰和在线拆卸。
5.根据权利要求1所述的一种通过次化学当量燃烧制取还原性气体的燃烧器，其特征在于：所述的燃气喷枪(2)的包括视镜冷却风入口(14)、燃气入口(15)、安装法兰(16)、燃气管路(17)、中心套管(18)和燃气喷头(19)；其中，燃气喷枪(2)为环套式结构，中心套管(18)为视镜通道，前端设置有视镜冷却风入口(14)，当开启中心视镜(1)的球阀观察火焰时，可防止高温烟气烫伤；燃气入口(15)安装在燃气管路(17)的前部，燃气喷头(19)设置在燃气管路(17)的尾部，安装法兰(16)用于将燃气喷枪(2)固定在助燃风管(3)上；在燃气喷头(19)的前端锥面上开有多个切向燃气喷孔，使燃气射流呈旋流状态喷出，旋向与空气旋流器叶片旋向保持一致。
6.根据权利要求1所述的一种通过次化学当量燃烧制取还原性气体的燃烧器，其特征在于：所述的助燃风管(3)的包括助燃空气入口(20)和助燃空气管路(21)；助燃空气入口(20)安装在助燃空气管路(21)中部，燃气喷枪(2)和空气寄存器(4)安装在助燃空气管路(21)内。
7.根据权利要求1所述的一种通过次化学当量燃烧制取还原性气体的燃烧器，其特征在于：所述的隔热衬里(8)的包括锚固钉(31)、隔热浇注料(32)和耐火浇注料(33)；所述的隔热浇注料(32)和耐火浇注料(33)通过交错布置的锚固钉(31)浇筑在燃烧器壳体(7)壁面内。
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