一种适用于含氧尾气的双重旋流燃烧器和热氧化装置

技术领域

本发明属于化工废弃物环保处理领域，具体涉及一种适用于含氧尾气的双重旋流燃烧器和热氧化装置。

背景技术

化工行业新型HCN生产工艺和正丁烷氧化法顺酐生产工艺会产生大量含氧尾气，其中氧气体积分数在13％～16％，具有一定助燃作用；同时尾气中还含有乙酸、丙烯酸、正丁醇以及HCN和CO等物质，具有一定热值和毒性，因此通过热氧化方式进行焚烧处理和热量回收最为经济有效。为此工业领域对于该类尾气的有效利用进行了持续的探索。

申请号为202110074486.3的专利《含HCN废气的热氧化焚烧处理燃烧器、装置及工艺》介绍了一种通过焚烧方式处理HCN废气的装置，其主要采用提高燃烧器操作弹性的方式适应HCN废气大流量、高波动等复杂工况的调节需求，但其HCN装置排出废气几乎不含氧，且废气热值较高，其废气采用对冲掺混方式，燃烧效果有待改进，与本发明的应用场景存在明显不同。另一申请号为202211620540.0的专利《一种顺酐装置RTO炉尾气处理的工艺方法》，介绍了一种通过TO炉和RTO炉联合处理顺酐尾气和液态燃料的焚烧装置，其顺酐尾气主要在RTO炉内氧化分解，TO炉主要用于处理高热值液态燃料，系统节能高效，但操作复杂，系统稳定性欠佳，且存在尾气燃烧不充分的问题。

发明内容

本申请解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种适用于含氧尾气的双重旋流燃烧器和热氧化装置，通过燃烧器的双旋流设计和物料合理配置，提高了系统的操作弹性和节能效果；同时应用梯度强化旋流燃烧技术，提高热氧化炉大流量含氧尾气的掺混和燃烧效果，实现低氮充分燃烧，最后烟气达标排放。

本申请提供的技术方案如下：

第一方面，提供了一种适用于含氧尾气的双重旋流燃烧器，包括燃烧器壳体、空气旋流器、尾气旋流器、液枪和燃气枪；

燃烧器壳体包括前端盖、后端盖、内壳体、外壳体和隔板，外壳体套设在内壳体外部，外壳体和内壳体的两端分别连接前端盖和后端盖，隔板连接于内壳体和外壳体之间，并将内壳体和外壳体之间的空间分隔为空气腔体和含氧尾气腔体，外壳体设置有空气入口和含氧尾气入口，空气入口与空气腔体连通，含氧尾气入口与含氧尾气腔体连通；内壳体内部形成混合涵道，内壳体远离前壳体的一端穿出后壳体形成燃烧器出口；空气旋流器和尾气旋流器设置于内壳体，并分别位于隔板的两侧，空气旋流器连通空气腔体和混合涵道，尾气旋流器联通含氧尾气腔体和混合涵道；

液枪和燃气枪与前端盖连接，并从内壳体内部穿出到燃烧器出口位置。

所述空气旋流器和尾气旋流器使气流的旋转方向一致；空气旋流器和尾气旋流器均包括设置在外壳体上的通孔和倾斜叶片，通孔位于相邻的倾斜叶片之间；气流从倾斜叶片之间经过后从通孔进入混合涵道，形成旋转气流。

所述液枪和燃气枪包括中心液枪、环形燃气枪、中心燃气枪和周围液枪，中心液枪和中心燃气枪为同轴组合结构，中心燃气枪套设于中心液枪外部，中心燃气枪和周围液枪均呈同心圆结构布置于中心燃气枪外部；中心液枪和周围液枪用于向燃烧器出口喷射液态燃料，中心燃气枪和环形燃气枪用于向燃烧器出口喷射气态燃料。

所述中心燃气枪靠近燃烧器出口的端部套设有稳焰器，周围液枪布置于稳焰器外侧，环形燃气枪布置于周围液枪外侧。

所述液态燃料提供燃烧热源时，空气入口通入空气且含氧尾气入口通入含氧尾气，采用空气和含氧尾气双重助燃；当利用燃气提供燃烧热源时，含氧尾气入口通入含氧尾气且空气入口关闭，采用含氧尾气单独助燃。

第二方面，提供了一种适用于含氧尾气的热氧化装置，包括氧化炉入口、一级尾气腔体、二级尾气腔体、热氧化炉出口和上述任一项所述的一种适用于含氧尾气的双重旋流燃烧器，燃烧器壳体的燃烧器出口与氧化炉入口连通，氧化炉入口、一级尾气腔体、二级尾气腔体和热氧化炉出口依次连接，一级尾气腔体设置有用于向一级尾气腔体内喷入含氧尾气的一级尾气喷管，二级尾气腔体设置有用于向二级尾气腔体内喷入含氧尾气的二级尾气喷管；一级尾气喷管和二级尾气喷管均包括至少两层尾气喷管。

所述一级尾气喷管包括A1层尾气喷管和A2层尾气喷管，A2层尾气喷管位于A1层尾气喷管远离燃烧器壳体的一侧，一级尾气腔体外壁设置有一级环形部，一级环形部与一级尾气腔体外壁之间形成一级环形腔室，A1层尾气喷管和A2层尾气喷管均周向布置于一级尾气腔体上，并连通一级环形腔室和一级尾气腔体的内部空间，一级环形部设置有用于向一级环形腔室内通入尾气的一级尾气入口；

二级尾气喷管包括B1层尾气喷管和B2层尾气喷管，B2层尾气喷管位于B1层尾气喷管远离燃烧器壳体的一侧，二级尾气腔体外壁设置有二级环形部，二级环形部与二级尾气腔体外壁之间形成二级环形腔室，B1层尾气喷管和B2层尾气喷管均周向布置于二级尾气腔体上，并连通二级环形腔室和二级尾气腔体的内部空间，二级环形部设置有用于向二级环形腔室内通入尾气的二级尾气入口。

所述A1层尾气喷管和A2层尾气喷管均呈切向旋流布置，A1层尾气喷管切向夹角A1≈30°～45°，A2层尾气喷管切向夹角A2≈25°～40°；

B1层尾气喷管和B2层尾气喷管均呈切向旋流布置，B1层尾气喷管切向夹角B1≈20°～35°，B2层尾气喷管切向夹角B2≈15°～30°。

所述A1层尾气喷管、A2层尾气喷管、B1层尾气喷管和B2层尾气喷管的切向旋流方向一致，其旋流方向的几何切圆直径ΦA1＞ΦA2＞ΦB1＞ΦB2；

一级尾气腔体的内径为ΦA，二级尾气腔体的内径为ΦB，热氧化炉出口的内径为ΦK，ΦA＜ΦB＜ΦK。

所述含氧气尾气负荷量≥30万Nm

综上所述，本申请至少包括以下有益技术效果：

(1)本发明涉及的适用于含氧尾气的双重旋流燃烧器和热氧化装置，燃烧器采用双旋流设计结构，液态燃料单烧工况或气液混烧工况采用助燃风和含氧尾气双重助燃，燃气单烧工况采用含氧尾气单独助燃，通过优化空气和含氧尾气配置，提高了系统的操作弹性和节能效果。

(2)本发明涉及的适用于含氧尾气的双重旋流燃烧器和热氧化装置，采用梯度强化旋流燃烧，大流量含氧尾气分级逐层进入炉膛，配合上游双重旋流燃烧器，保证旋流强度在炉膛烟气流向的有效延续和扩张，实现物料的有序掺混和逐级引燃，并结合物料热量的梯度释放规律和烟气容积变化，优化炉膛结构，最终实现燃气、废液和含氧尾气在有限空间和设定温度下的充分燃烬。

附图说明

图1为本申请适用于含氧尾气的双重旋流燃烧器示意图；

图2为本申请旨在体现燃烧器出口15的双重旋流燃烧器示意图；

图3为本申请适用于含氧尾气的热氧化装置示意图；

图4为A1层尾气喷管222和A2层尾气喷管223的分布示意图；

图5为B1层尾气喷管232和B2层尾气喷管223的分布示意图；

图6为适用于超大流量含氧尾气的热氧化装置示意图。

附图标号说明：1、燃烧器壳体；2、稳焰器；3、空气旋流器；4、尾气旋流器；5、中心液枪；6、环形燃气枪；7、中心燃气枪；8、周围液枪；9、耐火衬里；10、空气入口；11、含氧尾气入口；12、空气腔体；13、含氧尾气腔体；14、混合涵道；15、燃烧器出口；16、内壳体；17、外壳体；18、隔板；

210、热氧化炉入口；220、一级尾气腔体；221、一级尾气入口；222、A1层尾气喷管；223、A2层尾气喷管；230、二级尾气腔体；231、二级尾气入口；232、B1层尾气喷管；233、B2层尾气喷管；240、三级尾气腔体；241、三级尾气入口；242、C1层尾气喷管；243、C2层尾气喷管；244、C3层尾气喷管；245、C4层尾气喷管；250、热氧化炉出口。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。

本申请实施例公开一种适用于含氧尾气的双重旋流燃烧器和热氧化装置，适合焚烧处理大流量含氧尾气焚烧环保处理，特别适用于采用新工艺的HCN行业和正丁烷氧化法顺酐行业。本发明专利所采用的双重旋流燃烧器和梯度强化旋流燃烧技术在技术原理上具有普遍的适用性。应当理解为本发明所描述的具体实施案例仅为本发明的部分实施案例，其仅用于解释本发明，并不构成对本发明的限定，在不冲突的情况下，本发明中的实施案例及所涉及的技术特征可以相互组合。

本申请解决的技术问题是：于限定空间内通过燃烧组织和助燃风、含氧尾气的配置实现含氧尾气、液态燃料和燃气的低能耗彻底分解。

为方便说明，首先对本发明进行简要概述，如图1～5所示，上游装置排除的含氧尾气进入界区，首先经气液分离罐分离凝液，气液分离罐的尾气再经过预热，最后进入分多路进入双重旋流燃烧器和热氧化炉。双重旋流燃烧器安装于热氧化炉一侧。

如图1～2所示，双重旋流燃烧器包括：燃烧器壳体1、稳焰器2、空气旋流器3、尾气旋流器4、中心液枪5、环形燃气枪6、中心燃气枪7、周围液枪8、耐火材料9、空气入口10、含氧尾气入口11、空气腔体12、含氧尾气腔体13、混合涵道14和燃烧器出口15。助燃空气和含氧尾气分别经过空气旋流器3和尾气旋流器4，产生旋转气流进入同一混合涵道14，实现液态燃料和燃气的充分掺混和燃烧。

燃烧器壳体1包括前端盖、后端盖、内壳体16、外壳体17和隔板18，外壳体套设在内壳体外部，外壳体和内壳体的两端分别连接前端盖和后端盖，隔板连接于内壳体和外壳体之间，空气旋流器3和尾气旋流器4均包括设置在外壳体上的通孔和倾斜叶片，通孔位于相邻的倾斜叶片之间，空气旋流器3和尾气旋流器4分别位于隔板的两侧，空气入口10和含氧尾气入口11均设置于外壳体。中心液枪5、环形燃气枪6、中心燃气枪7和周围液枪8均与前端盖连接、并插入内壳体中，内壳体远离前壳体的一端穿出后壳体形成燃烧器出口15，内壳体的内部空间形成混合涵道14。位于隔板两侧的、并内壳体和外壳体之间的两个空间分别为空气腔体12和含氧尾气腔体13。空气入口10、空气腔体12与混合涵道14和燃烧器出口15相连通；含氧尾气入口11、含氧尾气腔体13与混合涵道14和燃烧器出口15相连通；其中混合涵道14和燃烧器出口15为空气和含氧尾气的共同流通空间，混合涵道14和燃烧器出口15同轴。

空气旋流器3位于燃烧器壳体1内部，连通空气入口10、空气腔体12和混合涵道14，用于使助燃风产生旋流作用，与待处理的废液和燃气充分混合。

尾气旋流器4位于燃烧器壳体1内部，连通含氧尾气入口11、含氧尾气腔体13和混合涵道14，用于使含氧尾气产生旋流作用，与待处理的废液和燃气充分混合。

空气旋流器3和尾气旋流器4旋转方向一致，且旋转角度均可调。

混合涵道14内呈同心圆结构布置有中心液枪5、中心燃气枪7、周围液枪8和环形燃气枪6，其中中心液枪5和中心燃气枪7为同轴组合结构，布置于双重旋流燃烧器中心轴；其中中心燃气枪7靠近燃烧器出口15侧布置有稳焰器2；其中周围液枪8布置于稳焰器2外侧，由2～6支液态喷枪组成，用于向燃烧器出口15喷射液态燃料；其中环形燃气枪6布置于周围液枪8外侧，由4～24支燃气枪组成，用于向燃烧器出口15喷射气态燃料。

如图3所示，热氧化炉包括热氧化炉入口210、一级尾气腔体220、二级尾气腔体230和热氧化炉出口250。

如图3和图4所示，一级尾气腔体220设置有两层尾气喷管，具体包括连通的一级尾气入口221、A1层尾气喷管222和A2层尾气喷管223，一级尾气腔体220外壁设置有一级环形部，一级环形部与一级尾气腔体220外壁之间形成一级环形腔室，A1层尾气喷管222和A2层尾气喷管223均周向布置于一级尾气腔体220上，并连通一级环形腔室和一级尾气腔体220的内部空间，一级尾气入口221设置于一级环形部，用于向一级环形腔室内通入尾气；其中A1层尾气喷管222和A2层尾气喷管223均呈切向旋流布置，A1层尾气喷管222切向夹角A1≈30°～45°，A2层尾气喷管223切向夹角A2≈25°～40°。其中，A1层尾气喷管222的切向夹角即：A1层尾气喷管222的喷出方向与过该A1层尾气喷管222的径向方向之间的夹角。

如图3和图5所示，二级尾气腔体230设置有两层尾气喷管，具体包括连通的二级尾气入口231、B1层尾气喷管232和B2层尾气喷管233，二级尾气腔体230外壁设置有二级环形部，二级环形部与二级尾气腔体230外壁之间形成二级环形腔室，B1层尾气喷管232和B2层尾气喷管233均周向布置于二级尾气腔体230上，并连通二级环形腔室和二级尾气腔体230的内部空间，二级尾气入口231设置于二级环形部，用于向二级环形腔室内通入尾气；其中B1层尾气喷管232和B2层尾气喷管233均呈切向旋流布置，B1层尾气喷管232切向夹角B1≈20°～35°，B2层尾气喷管233切向夹角B2≈15°～30°。

其中，A1层尾气喷管222、A2层尾气喷管223、B1层尾气喷管232和B2层尾气喷管233的切向旋流方向一致，其旋流方向的几何切圆直径ΦA1＞ΦA2＞ΦB1＞ΦB2。热氧化炉喷射而出的高速动能射流，与上游燃烧器旋流火焰配合，确保含氧尾气与燃烧器出口火焰的良好配合和掺混，最终实现液态燃料单烧或燃气单烧或液态燃料和燃气混烧工况下含氧尾气的彻底氧化分解，烟气达标排放。

双重旋流燃烧器所产生的空气和含氧尾气旋流方向与热氧化炉含氧尾气旋流方向一致。

热氧化炉从热氧化炉入口210至热氧化炉出口250，随着尾气的逐级掺混，热氧化炉直径逐渐增加，其中ΦA＜ΦB＜ΦK，ΦA为一级尾气腔体220的内径，ΦB为二级尾气腔体230的内径，ΦK为二级尾气腔体230的下一级的内径，具体包括：当二级尾气腔体230连接三级尾气腔体240时，ΦK为三级尾气腔体240的内径，当二级尾气腔体230连接热氧化炉出口250时，ΦK为热氧化炉出口250的内径。

如图6所示，该热氧化炉适用于含氧气尾气负荷量≤30万Nm

A1层尾气喷管222、A2层尾气喷管223、B1层尾气喷管232、B2层尾气喷管233、C1层尾气喷管242、C2层尾气喷管243、C3层尾气喷管244和C4层尾气喷管245喷出高速含氧尾气射流，流速范围40～70m/s，为液态燃料、燃气和含氧尾气、助燃空气掺混燃烧提供动能和旋流强度。

进一步的，一级尾气腔体220还可以含有三层及以上尾气喷管；进一步的，二级尾气腔体230还可以含有三层及以上尾气喷管；进一步的，三级尾气腔体240还可以含有五层及以上尾气喷管。

A1层尾气喷管222、A2层尾气喷管223、B1层尾气喷管232、B2层尾气喷管233、C1层尾气喷管242、C2层尾气喷管243、C3层尾气喷管244和C4层尾气喷管245材质可以是耐热钢，也可以是耐热陶瓷。

双重旋流燃烧器通过两种旋流器实现空气和含氧尾气的强劲旋流，空气和含氧尾气均可为物料燃烧提供氧气，满足燃气和液态燃料单烧工况或混烧工况，尤其，当利用液态燃料提供燃烧热源时，采用空气和含氧尾气双重助燃；当利用燃气提供燃烧热源时，采用含氧尾气单独助燃；通过优化燃烧组织尽量减少空气的掺烧量，实现节能燃烧，并为热氧化炉大流量含氧尾气的燃烧分解提供热源。热氧化炉采用两级或三级尾气旋流掺混结构，与上游燃烧器旋流火焰配合，确保含氧尾气与燃烧器火焰的良好配合和掺混，最终实现液态燃料单烧或燃气单烧或液态燃料和燃气混烧工况下含氧尾气的彻底氧化分解，烟气达标排放。

实施例1

本实施例中，气液分离罐的尾气为HCN尾气。待处理HCN尾气组分及状态参数见表1，该含氧尾气热值较低，采用废液和天然气助燃，双重旋流燃烧器可满足单独废液助燃、单独天然气助燃或气液混烧助燃三种工况。由于气液混烧工况与实施例2类似，本例仅介绍单烧天然气工况。如图1～5所示，本发明提供了一种适用于含氧尾气的双重旋流燃烧器和热氧化装置，采用天然气提供热量完成含氧尾气热分解。

表1HCN尾气组分及状态参数表

双重旋流燃烧器采用分级燃烧，约2700Nm

双重旋流燃烧器采用低氧燃烧，完全采用含氧尾气为天然气提供氧气。含氧气尾气通过含氧尾气入口11进入含氧尾气腔体13，然后再流经尾气旋流器4，产生强劲旋流进入混合涵道14，实现天然气与含氧尾气的充分掺混，通过低氧燃烧实现低氮燃烧；完全采用含氧尾气助燃，停止空气引入，降低燃料消耗，实现节能高效燃烧。燃烧器采用自适应控制方式，控制回路实现含氧尾气供给量与天然气流量的自动比例控制。

大部分含氧尾气分两级分别进入热氧化炉的一级尾气腔体220和二级尾气腔体230。进入一级尾气腔体220和二级尾气腔体230的含氧尾气比例约为4:6；一级尾气腔体220含有A1层尾气喷管222和A2层尾气喷管223两层喷管；二级尾气腔体230含有B1层尾气喷管232和B2层尾气喷管233两层喷管。A1层尾气喷管222、A2层尾气喷管223、B1层尾气喷管232和B2层尾气喷管233均呈切向旋流布置，且旋流方向一致，A1层尾气喷管222切向夹角A1＝40°，A2层尾气喷管223切向夹角A2＝30°，B1层尾气喷管232切向夹角B1＝20°，B2层尾气喷管233切向夹角B2＝10°。四层尾气喷管尾气喷射流速约40m/s，其几何切圆直径逐级缩小，如图4～5所示，ΦA1＞ΦA2＞ΦB1＞ΦB2。

热氧化炉出口温度约900℃。本发明采用梯度强化旋流燃烧，大部分含氧尾气分两级逐层进入热氧化炉，配合上游双重旋流燃烧器，实现物料的有序掺混和逐级引燃，最终确保天燃气和含氧尾气在有限空间和设定温度下的充分燃烬。

实施例2

本实施例中，气液分离罐的尾气为顺酐尾气。待处理顺酐尾气组分及状态参数见表3，该含氧尾气热值较低，采用废液和天然气助燃，双重旋流燃烧器可满足单独废液助燃、单独天然气助燃或气液混烧助燃三种工况，本例仅介绍气液混烧工况。如图1、图2和图6所示，本发明提供了一种适用于含氧尾气的双重旋流燃烧器和热氧化装置。

表2顺酐尾气组分及状态参数表

双重旋流燃烧器采用多火焰燃烧，约3000kg/h高热值废液分两路供给至该燃烧器，其中约0kg/h通入中心液枪5，约0kg/h通入四支周围液枪8；同时约0Nm

双重旋流燃烧器采用低氧燃烧，同时采用助燃风和顺酐尾气为废液和天然气燃烧提供氧气。助燃风通过空气入口10进入空气腔体12，然后再流经空气旋流器3，产生强劲旋流进入混合涵道14；含氧气尾气通过含氧尾气入口11进入含氧尾气腔体13，然后再流经尾气旋流器4。助燃风和顺酐尾气在同一混合涵道14形成双重旋流风，相互卷吸和强化，实现废液、天然气与空气和顺酐尾气的充分掺混，通过低氧燃烧实现低氮燃烧；同时采用部分含氧的顺酐尾气助燃的低氧燃烧技术，通过减少空气引入，降低燃料消耗，实现节能高效燃烧。燃烧器采用自适应控制，控制回路实现含氧尾气供给量与天然气流量的自动比例控制，控制回路实现废液供给量与空气流量的自动比例控制。

如图6所示，大部分含氧尾气分三级分别进入热氧化炉的一级尾气腔体220、二级尾气腔体230和三级尾气腔体240。进入一级尾气腔体220、二级尾气腔体230和三级尾气腔体240的顺酐尾气比例约为2:3:5；一级尾气腔体220含有A1层尾气喷管222和A2层尾气喷管223两层喷管；二级尾气腔体230含有B1层尾气喷管232和B2层尾气喷管233两层喷管；三级尾气腔体240含有C1层尾气喷管242、C2层尾气喷管243、C3层尾气喷管244和C4层尾气喷管245四层喷管。A1层尾气喷管222、A2层尾气喷管223、B1层尾气喷管232和B2层尾气喷管233均呈切向旋流布置，且旋流方向一致，A1层尾气喷管222切向夹角A1＝35°，A2层尾气喷管223切向夹角A2＝30°，B1层尾气喷管232切向夹角B1＝25°，B2层尾气喷管233切向夹角B2＝20°。前四层尾气喷管几何切圆直径逐级缩小，如图4～5所示，ΦA1＞ΦA2＞ΦB1＞ΦB2。三级尾气腔体240所包括的C1层尾气喷管242、C2层尾气喷管243和C3层尾气喷管244采用切向旋流，且旋流方向一致，C4层尾气喷管245采用向心对冲。

热氧化炉出口温度约800℃。本发明采用梯度强化旋流燃烧，大部分顺酐尾气分三级逐层进入热氧化炉，配合上游双重旋流燃烧器，实现物料的有序掺混和逐级引燃，最终确保废液、天燃气与顺酐尾气和助燃风在有限空间和设定温度下的充分燃烬。

本申请说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本申请进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本申请的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本申请精神和范围的情况下，可以对本申请技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本申请的范围内。本申请的保护范围以所附权利要求为准。