CN110793025A - 带低温引射器的辐射管烧嘴及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及带有稳定火焰装置的燃烧气体燃料的燃烧器领域，具体为一种带低温引射器的辐射管烧嘴及其使用方法。一种带低温引射器的辐射管烧嘴，包括烧嘴本体(4)和烧嘴喷头(5)，其特征是：还包括辐射管(1)、换热器(2)和低温引射器(3)，换热器(2)包括空气管(21)和烟气管(22)；低温引射器(3)包括空气喷管(31)和烟气引射管(32)，烟气引射管(32)的进气端和烟气管(22)的内腔贯通连接，烟气引射管(32)的排气端和空气喷管(31)贯通连接。一种带低温引射器的辐射管烧嘴的使用方法，其特征是：按如下步骤依次实施：①燃烧；②热交换；③引射。本发明燃烧充分，温度分布均匀，氮氧化物排放减少。
Description
技术领域
本发明涉及带有稳定火焰装置的燃烧气体燃料的燃烧器领域，具体为一种带低温引射器的辐射管烧嘴及其使用方法。
背景技术
随着国家环保要求的提高，对加热炉烟气排放的NOx排放指标也越来越得到重视，在冶金加热炉领域，用来加热的主要设备是燃烧器，在钢厂主要燃烧能介为钢厂的副产气，包括高炉煤气、焦炉煤气、转炉煤气，其中焦炉煤气或混合煤气应用最多，烧嘴燃烧产物烟气中的NOx（即氮氧化物，因是N元素各种化合价状态下多种氧化物的混合物，一般统称NOx）为主要的环保控制指标之一。
在辐射管烧嘴类型中，由于其燃烧全部在辐射管中，燃烧热强度非常高，产生的NOx也最高，同时，由于在有限空间的燃烧也造成辐射管容易烧漏、烧弯，目前采取的措施包括，将辐射管材质整体提升或者将靠近烧嘴部分材质提升，受耐热钢材质提升限制，其长期使用温度也都低于1250℃。还有些烧嘴在换热器的出口部位增加空气引射，但烟气引射回流率都不高，一般在30%以下，因为燃烧随着烟气回流率增加变得不稳定甚至析出大量CO（即一氧化碳），生产中为了不析出CO，会加大空气量，从而造成更加的不节能。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，提供一种燃烧充分、温度分布均匀、氮氧化物排放减少的气体燃烧设备，本发明公开了一种带低温引射器的辐射管烧嘴及其使用方法。
本发明通过如下技术方案达到发明目的：
一种带低温引射器的辐射管烧嘴，包括烧嘴本体和烧嘴喷头，烧嘴本体的前端设有烧嘴喷头，其特征是：还包括辐射管、换热器和低温引射器，烧嘴喷头的喷射端正对辐射管的进口端，
换热器包括空气管和烟气管，空气管套设在烟气管内，换热器空气管的进气端和外界大气贯通，空气管的排气端正对烧嘴本体的进气端，换热器烟气管的进气端连接辐射管的排气端，烟气管的排气端和外界大气贯通；
低温引射器包括空气喷管和烟气引射管，空气喷管的进气端连接空气管的排气端，空气喷管的排气端正对烧嘴本体的进气端使空气管喷出的高温空气经空气喷管喷入烧嘴本体，烟气引射管的进气端和烟气管的内腔贯通连接，烟气引射管的排气端和空气喷管贯通连接。
所述的带低温引射器的辐射管烧嘴，其特征是：低温引射器烟气引射管的进气端连接换热器烟气管的侧壁，从而构成侧引型。
所述的带低温引射器的辐射管烧嘴，其特征是：低温引射器烟气引射管的进气端环绕在空气喷管的四周，从而构成环引型。
所述的带低温引射器的辐射管烧嘴，其特征是：
辐射管为U型或W型；
低温引射器的空气喷管由引射入口段、引射收缩管和引射扩口段依次连接构成，引射入口段和引射扩口段这两者的内径都大于引射收缩管的内径。
所述的带低温引射器的辐射管烧嘴的使用方法，其特征是：按如下步骤依次实施：
① 燃烧：烧嘴本体将燃气和空气混合后喷入烧嘴喷头点燃，燃气和空气中的氧气发生剧烈的氧化-还原反应，并放出热量；
② 热交换：氧化-还原反应生成的高温烟气从辐射管的进口端进入并从辐射管的排气端排入换热器烟气管，外界大气的低温空气进入换热器空气管，在换热器内高温烟气和低温空气发生热交换，低温空气被高温烟气预热，高温烟气被低温空气冷却；
③ 引射：预热后的空气经空气管进入空气喷管并高速喷入烧嘴本体，空气喷射过程中，冷却后的烟气有部分被引射从烟气管经烟气引射管吸入空气喷管，和预热后的空气混合后共同喷入烧嘴喷头，其余烟气经烟气管的排气端排入外界大气。
本发明通过在换热器和烧嘴之间增加一个高效的低温引射器，使混合燃烧的过程比较缓慢，但流速很快，此时火焰观测不到明显的火苗，即“无焰燃烧”状态，此时整个辐射管1中的温度场非常均匀，排放烟气中NOx（氮氧化物）含量很低。
本发明的设计思路如下：
1. 提高燃尽率，减少CO产生：
目前在烧嘴燃烧过程中，为了使燃烧产物中少产生有毒有害的CO，不得已增大了空气过剩系数K，目前生产中，一般设置K值为1.2～1.4，对应烟气中O2含量在3%～5%。如果烟气成分中O2含量低的情况下，也能完全燃烧，不产生CO，也就意味着可以降低空气过剩系数，从而达到节能目的，以焦炉煤气为例，其燃点温度在650℃左右，如烧嘴的空气、焦炉煤气输入温度都在650℃以上，即可以实现安全燃烧，大幅降低CO的产生。按照650℃的排烟温度计算，空气过剩系数每增加0.1，约增加能耗0.5%。
2. 降低火焰强度，抑制NOx的产生：
燃烧产生NOx的主要原因为燃烧空间有限，燃烧局部热强度高，温度集中，这也是辐射管容易出现局部损坏的根本原因，如果能够将火焰尽量拉长，最大限度的充满整根辐射管，其热强度将大幅下降，同时整个辐射管内都充满火焰，其表面均匀性更好，有利于产品加热的均匀性和延长辐射管寿命。煤气有一定的燃烧速度，如提高空煤气的平均流速，即可有效地延长火焰长度。
3. 降低助燃空气中氧浓度，降低燃烧化学反应速度：
烟气再循环的本质是通过将燃烧产出的烟气重新引入燃烧区域，实现对燃烧温度氧化物浓度的控制，从而实现降低氮氧化物的排放和节约能源的效果
烟气再循环技术降低了火焰区域的最高温度，降低火焰就可以降低NOx的形成。同时烟气再循环降低了氧和氮的浓度，同样起到降低NOx的作用。烟气再循环技术中高温烟气对氧化剂和燃料起到预热的作用，有明显节能效果。
在辐射管烧嘴中引入烟气回流技术后，降低了燃料的燃烧反应速度。助燃空气体积量大幅增加，也有利于火焰长度的拓展。
4. 火焰驻留技术，使根部火焰更稳定：
经过双预热的空煤气热态下体积量成倍增加，在相同截面积的辐射管内流速也快速增加，如果没有好的火焰驻留结构，将会出现脱火甚至熄灭的危险。采用分级燃烧可以有效地实现火焰驻留。同时如采用长明火点火烧嘴伴烧也可以实现火焰稳定驻留。
低温引射器可以采用侧引低温引射器和环引低温引射器，侧引低温引射器可以根据机组情况灵活选择烟气引射的位置，控制引射烟气的温度，可以利用原有换热器的引射口或者在烟道上新增烟气引射口，以实现不改变原换热器的情况下进行项目改造。环引低温引射器则具有结构紧凑、气体输送阻力小的特点。
附图说明
图1是低温引射器采用侧引型时的本发明的结构示意图；
图2是侧引型低温引射器的结构示意图；
图3是低温引射器采用环引型时的本发明的结构示意图；
图4是环引型低温引射器的结构示意图。
具体实施方式
以下通过具体实施例进一步说明本发明。
实施例1
一种带低温引射器的辐射管烧嘴，包括辐射管1、换热器2、低温引射器3、烧嘴本体4和烧嘴喷头5，如图1和图2所示，具体结构是：
烧嘴本体4的前端设有烧嘴喷头5，烧嘴喷头5的喷射端正对辐射管1的进口端；
换热器2包括空气管21和烟气管22，空气管21套设在烟气管22内，换热器2空气管21的进气端和外界大气贯通，空气管21的排气端正对烧嘴本体4的进气端，换热器2烟气管22的进气端连接辐射管1的排气端，烟气管22的排气端和外界大气贯通；
低温引射器3包括空气喷管31和烟气引射管32，空气喷管31的进气端连接空气管21的排气端，空气喷管31的排气端正对烧嘴本体4的进气端使空气管21喷出的高温空气经空气喷管31喷入烧嘴本体4，烟气引射管32的进气端和烟气管22的内腔贯通连接，烟气引射管32的排气端和空气喷管31贯通连接。
图1中，箭头a为空气流动方向，箭头b为燃气流动方向，箭头c为烟气流动方向。
本实施例中，如图2所示：低温引射器3烟气引射管32的进气端连接换热器2烟气管22的侧壁，从而构成侧引型。
辐射管1为U型或W型，本实施例选用W型
低温引射器3的空气喷管31如图2所示：空气喷管31由引射入口段311、引射收缩管312和引射扩口段313依次连接构成，引射入口段311和引射扩口段313这两者的内径都大于引射收缩管312的内径。
本实施例中，以低温引射器3空气喷管31引射入口段311的喷射内径即图2中A所示为单位长度L，L取15mm～45mm，，优选25mm～35mm，图2中B～H分别代表的含义如下：
B：空气喷管31引射入口段311贯穿烟气引射管32处的间距，
C：引射入口段311进气端的孔径，
D：引射收缩管312末端的孔径，
E：引射扩口段313排气端的孔径，
F：引射入口段311伸入烟气引射管处至引射入口段311和引射收缩管312连接处的间距，
G：引射收缩管312的长度，
H：引射扩口段313的长度；
B～H的尺寸如表1所示：
表1：
同时，空气管21排气端的空气喷速在50m/s～90m/s。
本实施例使用时，按如下步骤依次实施：
① 燃烧：烧嘴本体4将燃气和空气混合后喷入烧嘴喷头5点燃，燃气和空气中的氧气发生剧烈的氧化-还原反应，并放出热量；
② 热交换：氧化-还原反应生成的高温烟气从辐射管1的进口端进入并从辐射管1的排气端排入换热器2烟气管22，外界大气的低温空气进入换热器2空气管21，在换热器2内高温烟气和低温空气发生热交换，低温空气被高温烟气预热，高温烟气被低温空气冷却；
③ 引射：预热后的空气经空气管21进入空气喷管31并高速喷入烧嘴本体4，空气喷射过程中，冷却后的烟气有部分被引射从烟气管22经烟气引射管32吸入空气喷管31，和预热后的空气混合后共同喷入烧嘴喷头5，其余烟气经烟气管22的排气端排入外界大气。
本实施例经实验验证，当以焦炉煤气为燃气时，在“无焰燃烧”状态下的效果如表2所示：
表2：
实施例2
一种带低温引射器的辐射管烧嘴，包括辐射管1、换热器2、低温引射器3、烧嘴本体4和烧嘴喷头5，如图3和图4所示，具体结构是：
烧嘴本体4的前端设有烧嘴喷头5，烧嘴喷头5的喷射端正对辐射管1的进口端；
换热器2包括空气管21和烟气管22，空气管21套设在烟气管22内，换热器2空气管21的进气端和外界大气贯通，空气管21的排气端正对烧嘴本体4的进气端，换热器2烟气管22的进气端连接辐射管1的排气端，烟气管22的排气端和外界大气贯通；
低温引射器3包括空气喷管31和烟气引射管32，空气喷管31的进气端连接空气管21的排气端，空气喷管31的排气端正对烧嘴本体4的进气端使空气管21喷出的高温空气经空气喷管31喷入烧嘴本体4，烟气引射管32的进气端和烟气管22的内腔贯通连接，烟气引射管32的排气端和空气喷管31贯通连接。
图3中，箭头a为空气流动方向，箭头b为燃气流动方向，箭头c为烟气流动方向。
本实施例中，如图4所示：低温引射器3烟气引射管32的进气端环绕在空气喷管31的四周，从而构成环引型。
辐射管1为U型或W型，本实施例选用W型
低温引射器3的空气喷管31如图4所示：空气喷管31由引射入口段311、引射收缩管312和引射扩口段313依次连接构成，引射入口段311和引射扩口段313这两者的内径都大于引射收缩管312的内径。
本实施例中，以低温引射器3空气喷管31引射入口段311的喷射内径即图4中A所示为单位长度L，L取15mm～45mm，优选25mm～35mm，图4中D～H和K分别代表的含义如下：
D：引射收缩管312末端的孔径，
E：引射扩口段313排气端的孔径，
F：引射入口段311排气端至引射入口段311和引射收缩管312连接处的间距，
G：引射收缩管312的长度，
H：引射扩口段313的长度，
K：空气喷管31进气端的外径；
D～H和K的尺寸如表3所示：
表3：
同时，空气管21排气端的空气喷速在50m/s～90m/s。。
本实施例的使用方法和实施例1同。
Claims (6)
1.一种带低温引射器的辐射管烧嘴，包括烧嘴本体(4)和烧嘴喷头(5)，烧嘴本体(4)的前端设有烧嘴喷头(5)，其特征是：还包括辐射管(1)、换热器(2)和低温引射器(3)，烧嘴喷头(5)的喷射端正对辐射管(1)的进口端，
换热器(2)包括空气管(21)和烟气管(22)，空气管(21)套设在烟气管(22)内，换热器(2)空气管(21)的进气端和外界大气贯通，空气管(21)的排气端正对烧嘴本体(4)的进气端，换热器(2)烟气管(22)的进气端连接辐射管(1)的排气端，烟气管(22)的排气端和外界大气贯通；
低温引射器(3)包括空气喷管(31)和烟气引射管(32)，空气喷管(31)的进气端连接空气管(21)的排气端，空气喷管(31)的排气端正对烧嘴本体(4)的进气端使空气管(21)喷出的高温空气经空气喷管(31)喷入烧嘴本体(4)，烟气引射管(32)的进气端和烟气管(22)的内腔贯通连接，烟气引射管(32)的排气端和空气喷管(31)贯通连接。
2.如权利要求1所述的带低温引射器的辐射管烧嘴，其特征是：低温引射器(3)烟气引射管(32)的进气端连接换热器(2)烟气管(22)的侧壁。
3.如权利要求1所述的带低温引射器的辐射管烧嘴，其特征是：低温引射器(3)烟气引射管(32)的进气端环绕在空气喷管(31)的四周。
4.如权利要求1至3中任意一项所述的带低温引射器的辐射管烧嘴，其特征是：
辐射管(1)为U型或W型；
低温引射器(3)的空气喷管(31)由引射入口段(311)、引射收缩管(312)和引射扩口段(313)依次连接构成，引射入口段(311)和引射扩口段(313)这两者的内径都大于引射收缩管(312)的内径。
5.如权利要求1至3中任意一项所述的带低温引射器的辐射管烧嘴的使用方法，其特征是：按如下步骤依次实施：
① 燃烧：烧嘴本体(4)将燃气和空气混合后喷入烧嘴喷头(5)点燃，燃气和空气中的氧气发生剧烈的氧化-还原反应，并放出热量；
② 热交换：氧化-还原反应生成的高温烟气从辐射管(1)的进口端进入并从辐射管(1)的排气端排入换热器(2)烟气管(22)，外界大气的低温空气进入换热器(2)空气管(21)，在换热器(2)内高温烟气和低温空气发生热交换，低温空气被高温烟气预热，高温烟气被低温空气冷却；
③ 引射：预热后的空气经空气管(21)进入空气喷管(31)并高速喷入烧嘴本体(4)，空气喷射过程中，冷却后的烟气有部分被引射从烟气管(22)经烟气引射管(32)吸入空气喷管(31)，和预热后的空气混合后共同喷入烧嘴喷头(5)，其余烟气经烟气管(22)的排气端排入外界大气。
6.如权利要求4所述的带低温引射器的辐射管烧嘴的使用方法，其特征是：按如下步骤依次实施：
① 燃烧：烧嘴本体(4)将燃气和空气混合后喷入烧嘴喷头(5)点燃，燃气和空气中的氧气发生剧烈的氧化-还原反应，并放出热量；
② 热交换：氧化-还原反应生成的高温烟气从辐射管(1)的进口端进入并从辐射管(1)的排气端排入换热器(2)烟气管(22)，外界大气的低温空气进入换热器(2)空气管(21)，在换热器(2)内高温烟气和低温空气发生热交换，低温空气被高温烟气预热，高温烟气被低温空气冷却；
③ 引射：预热后的空气经空气管(21)进入空气喷管(31)并高速喷入烧嘴本体(4)，空气喷射过程中，冷却后的烟气有部分被引射从烟气管(22)经烟气引射管(32)吸入空气喷管(31)，和预热后的空气混合后共同喷入烧嘴喷头(5)，其余烟气经烟气管(22)的排气端排入外界大气。
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