可控火焰式的组合型天然气燃烧系统及方法

技术领域

本发明属于能源燃气技术领域，尤其是涉及一种可控火焰式的组合型天然气燃烧系统及方法。

背景技术

现阶段能源利用与环境污染的平衡问题已严重威胁社会的高速发展，各行业需向高效化、低碳化、绿色化发展转型。回转窑作为工业领域的核心设备，合理控制并延长回转窑内部的燃烧火焰长度将对节能降耗起到关键作用，将直接影响钢铁、水泥、石灰等企业的能效与环境指标。受流程的复杂工艺及燃烧器结构的影响，实际生产过程中燃气与助燃气体燃烧后的火焰长度难以控制，不足以充分焙烧物料。因此，合理设计并布置燃烧器，有利于控制并延长燃烧火焰的长度。这成为燃烧技术研究的一项重要任务。

然而，现有的天然气回转窑燃烧器，设计者仅对燃烧器的自身结构作出单点式优化，并没有结合流程特点对燃烧器进行整体改进，因此其火焰长度较短，且难以控制，导致焙烧效果较差。

专利号为CN202210276957.3的中国专利公开了“一种新型燃烧器”，包括缸体、护火筒等结构，具有火焰稳定、热效率高等特点。其本质上使得天然气与空气混合后形成涡流，达到延长燃烧火焰，效率更高的目的。但本专利并没有合理设计并布置燃烧器。此外，本专利并没有区分一次助燃空气和二次助燃空气，因此并不能结合助燃空气有效控制并延长燃烧火焰。

专利号为CN201911267929.X的中国专利公开了“一种天然气燃烧器火焰分层燃烧控制方法”，该燃烧器由烘干筒、鼓风机和旋流扇等结构组成。其主要通过调节鼓风机的转速，和外层喷嘴的伸出距离，使燃烧火焰达到预定长度。但本专利并没有对冷却机产生的高温废气进行利用。此外，在燃烧器的设计过程中，未对燃烧火焰的长度进行科学解释，进而达到控制燃烧火焰长度的目的。因此火焰尺寸不明确。

发明内容

本发明的目的是提供一种可控火焰式的组合型天然气燃烧系统及方法，利用冷却回转窑焙烧物产生的高温气体，合理控制并延长火焰长度。

本发明的目的是通过下述技术方案来实现的：

本发明的可控火焰式的组合型天然气燃烧系统，其特征在于包括基础燃烧器和助燃燃烧器，所述的基础燃烧器由最外层套筒、中间套筒和最内层套筒组成三层套筒式结构，所述的最外层套筒由外圆环的内壁和次外圆环的外壁构成天然气通道，所述的中间套筒由所述次外圆环的内壁和点火喷枪的外壁构成一次助燃空气通道，所述的最内层套筒设有引燃气通道，通过点火喷枪，通入引燃天然气，用于点火。

所述的助燃燃烧器主要由设置在回转窑炉体外壁上的燃烧器Ⅰ和燃烧器Ⅱ组成，回转窑炉体设有二次助燃空气通道。

组合型天然气燃烧系统火焰长度的主要因素影响关系可表示为：

式中，L为组合型燃烧器的火焰长度；v为天然气和助燃空气的流速；d为天然气通道的内径；D为助燃空气的内径。

所述的基础燃烧器水平火焰长度的具体控制方程可表示为：

L

式中，L

所述的助燃燃烧器水平火焰长度的具体控制方程可表示为：

L

式中，L

所述的二次助燃空气通道中二次风占助燃空气总量的70％～90％。

所述的燃烧器Ⅰ和燃烧器Ⅱ与所述的回转窑炉体外壁的夹角为15°～45°，所述的燃烧器Ⅰ和燃烧器Ⅱ与所述的回转窑炉体外壁的连接处装有滑轨和转动组件。

所述的滑轨长度与回转窑炉体的长度保持一致，燃烧器Ⅰ和燃烧器Ⅱ可在水平方向自由滑动，可调节火焰的喷入位置及喷入深度。

所述的转动组件装于滑轨上，具有调节刻度，并带有固定螺丝，可调节燃烧器Ⅰ和燃烧器Ⅱ火焰的倾斜角度。

所述的天然气通道的外径为二次助燃空气通道外径的1/3～1/5。

一种可控火焰式的组合型天然气燃烧系统的燃烧方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)对燃烧器进行安装；连接基础燃烧器和助燃燃烧器以及相关检测设备，基础燃烧器通过焊接件将最外层套筒与中间套筒连接起来，二者中间形成天然气通道；中间套筒通过焊接件与最内层套筒连接起来，二者中间形成一次助燃空气通道；最内层套筒设有引燃气通道，通过点火喷枪，通入引燃天然气；燃烧器Ⅰ和燃烧器Ⅱ通过连接件安装在回转窑炉体上下外壁；

(2)检查燃烧器，燃烧器壳体表面涂覆与工作条件相适应的防护装饰面漆，漆层应完整、均匀、光洁；

(3)对燃气系统进行打压或鼓风试漏，对漏点及时处理，保证燃气系统密闭性良好，泄露率为零；

(4)确保设备无故障以及系统通过安全性检查后，依次开启一次助燃空气阀门与点火喷枪11阀门，进行点火操作，基础燃烧器中点火喷枪喷出的引燃天然气与一次助燃空气充分混合；

(5)待引燃天然气燃烧后，停止点火喷枪引燃天然气的供应，同时开启天然气阀门，通过天然气通道通入天然气；

(6)调整燃烧器Ⅰ和燃烧器Ⅱ的气流喷入角度和喷入位置，开启助燃燃烧器，最大化延长回转窑炉体内部燃烧火焰的长度；

(7)开启回转窑炉体前端的二次助燃空气阀门，使二次助燃空气通过二次助燃空气通道通入回转窑内部；

(8)检验燃烧的充分性，待燃料炉负荷达到额定负荷的80％～100％且烟气温度变化不超过±5℃时，每隔5min～10min用烟气分析仪测试一次烟气成分，共进行不少于3次的测试，分别取其算术平均值，作为各测试项目的实测值；燃烧烟气中的O

(9)进一步地，检验NO

(10)检测火焰尺寸，按烟气中CO

在燃烧过程中，若发现火焰熄灭或不稳定，要立即关闭天然气，控制箱上关闭转换开关，天然气关闭手动阀，打开引风机及烟道阀，确认天然气散尽(约2～3分钟)后，再重新点火。

本发明的优点：

(1)本发明的可控火焰式的组合型天然气燃烧系统及方法，由基础燃烧器和助燃燃烧器组成，通过基础燃烧器产生的基础火焰，以及回转窑炉体上下外壁的助燃燃烧器，增加了火焰动能，合理控制并延长了燃烧火焰长度；

(2)本发明的可控火焰式的组合型天然气燃烧系统及方法，合理利用环冷机中用于冷却回转窑焙烧物的高温废气，将其作为二次助燃气体通入回转窑中。

有效提高了能源利用效率；

(3)本发明的可控火焰式的组合型天然气燃烧系统及方法，由于结构合理、科学性强，实现了燃气的高效燃烧利用，此外，为提高燃烧能效提供设计方案，提高了生产率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明图1的左视图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的具体实施方式。

如图1、2所示，本发明的可控火焰式的组合型天然气燃烧系统及方法，其特征在于包括基础燃烧器2和助燃燃烧器，所述的基础燃烧器2由最外层套筒、中间套筒和最内层套筒组成三层套筒式结构，所述的最外层套筒由外圆环10的内壁和次外圆环8的外壁构成天然气通道9，通入天然气，所述的中间套筒由所述次外圆环8的内壁和点火喷枪11的外壁构成一次助燃空气通道13，通入一次助燃空气，所述的最内层套筒设有引燃气通道12，通过点火喷枪11，通入引燃天然气，助力炉体内部4燃烧反应的进行，

所述的助燃燃烧器主要由设置在回转窑炉体外壁5上的燃烧器Ⅰ3和燃烧器Ⅱ6组成，回转窑炉体设有二次助燃空气通道1。二次助燃空气通道1和基础燃烧器2的设置使气体在炉体内部4充分混合，为回转窑提供所需热量，可有效延长燃烧火焰长度。

所述的燃烧器Ⅰ3和燃烧器Ⅱ6与所述的回转窑炉体外壁5的夹角为15°～45°，所述的燃烧器Ⅰ3和燃烧器Ⅱ6与所述的回转窑炉体外壁5的连接处装有转动组件和滑道，可灵活调节所述的燃烧器Ⅰ3和燃烧器Ⅱ6的倾斜角度和喷入位置。

回转窑产生的高温炉料经出料口7排出回转窑，高温炉料经冷却装置冷却后产生高温废气，回收此过程产生的高温废气，将其通过二次助燃空气通道1通入回转窑中，实现高温废气的回收利用。

所述组合型燃烧器的燃烧能力为100万kcal/h，其参数如表1所示。对于工业用大型回转窑，燃烧能力一般在3000万kcal/h以上。

表1组合型燃烧器参数

天然气燃烧所需的助燃空气主要分为一次风和二次风，控制一次风占比在0.1～0.3之间浮动。当一次风占比为0.1时，火焰长度控制在3.06m～3.18m之间，火焰半径控制在0.17m～0.22m之间，波动程度较大，且火焰长度和半径偏小；当一次风占比为0.25时，火焰长度控制在4.36m～4.76m之间，火焰半径控制在0.28m～0.48m之间，火焰长度和半径增大，波动性减小；当一次风占比为0.3时，火焰长度和半径持续减小，波动性较大。

引燃天然气与一次助燃空气压力控制在0.5kPa～1.0kPa。天然气通道9内的天然气压力为1.0kPa～1.5kPa。一次助燃空气的流量为二次助燃空气流量的1/4。

所述的天然气通道的外径为二次助燃空气通道外径的1/3～1/5。

一种可控火焰式的组合型天然气燃烧系统的燃烧方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)对燃烧器进行安装；连接基础燃烧器2和助燃燃烧器以及相关检测设备，基础燃烧器2通过焊接件将最外层套筒与中间套筒连接起来，二者中间形成天然气通道9；中间套筒通过焊接件与最内层套筒连接起来，二者中间形成一次助燃空气通道13；最内层套筒设有引燃气通道12，通过点火喷枪11，通入引燃天然气；燃烧器Ⅰ3和燃烧器Ⅱ6通过连接件安装在回转窑炉体上下外壁；

(2)检查燃烧器，燃烧器壳体表面涂覆与工作条件相适应的防护装饰面漆，漆层应完整、均匀、光洁；不应有划伤；

(3)对燃气系统进行打压或鼓风试漏，对漏点及时处理，保证燃气系统密闭性良好，泄露率为零；

(4)确保设备无故障以及系统通过安全性检查后，依次开启一次助燃空气阀门与点火喷枪11阀门，进行点火操作，基础燃烧器2中点火喷枪11喷出的引燃天然气与一次助燃空气充分混合；

(5)待引燃天然气燃烧后，停止点火喷枪11引燃天然气的供应，同时开启天然气阀门，通过天然气通道9通入天然气；

(6)调整燃烧器Ⅰ3和燃烧器Ⅱ6的气流喷入角度和喷入位置，开启助燃燃烧器，最大化延长回转窑炉体内部4燃烧火焰的长度；

(7)开启回转窑炉体前端的二次助燃空气阀门，使二次助燃空气通过二次助燃空气通道1通入回转窑内部；

(8)检验燃烧的充分性，待燃料炉负荷达到额定负荷的80％～100％且烟气温度变化不超过±5℃时，每隔5min～10min用烟气分析仪测试一次烟气成分，共进行不少于3次的测试，分别取其算术平均值，作为各测试项目的实测值；燃烧烟气中的O

(9)进一步地，检验NO

(10)检测火焰尺寸，按烟气中CO

在燃烧过程中，若发现火焰熄灭或不稳定，要立即关闭天然气，控制箱上关闭转换开关，天然气关闭手动阀，打开引风机及烟道阀，确认天然气散尽(约2～3分钟)后，再重新点火。

为此，本发明提出可控火焰式的组合型天然气燃烧系统及方法，本燃烧器将基础燃烧器与助燃燃烧器进行组合，合理控制了燃烧火焰长度。此外，将环冷机中用于冷却回转窑焙烧物的高温废气作为二次助燃气体，通入回转窑炉体中，有效延长了火焰长度。