固体燃料燃烧装置及其使用方法与流程

本发明涉及一种固体燃料燃烧装置及其使用方法。

背景技术：

高温火焰窑炉广泛应用于玻璃、有色金属冶炼、锅炉、石化等行业，高温火焰窑炉使用各种天然气、煤制气、液化石油气、混合煤气等气体燃料，各种重油、生物柴油、煤焦油等液态燃料以及各类煤、生物质、石油焦等固体燃料。各种气体、液体或固体燃料燃烧不仅产生大量的污染物，而且燃料燃烧的成本也成为企业的沉重负担。寻求低污染、价格低廉的替代燃料以及相关的燃烧解决方案是降低成本、减少污染的重要措施。煤储量丰富，价格低廉，在可以预见的将来，仍将是主要的一次能源来源；生物质燃料具有绿色、再生特性，被视为绿色能源；作为石油行业延迟焦化副产品的石油焦，具有热值高，价格低的特点，在许多行业作为一种替代燃料。

中国专利cn204574021u披露了一种流态化固体燃料的喷枪，可以对流态化固体燃料流进行浓淡分离，并使用雾化介质进行雾化，向燃烧炉膛内注入一定长度和形状的燃料流。但该专利没有包括燃料完全燃烧所需的氧化剂，不能支持燃料完全充分的燃烧，而必须在实际使用时，由安装在炉膛上的其它装置注入相应的氧化剂（空气和/或富氧空气，氧气等），因此该喷枪不能单独使用，更不能在常温的环境温度下进行固体燃料的点火及稳定燃烧。

中国专利cn201555217u披露一种石油焦粉固体燃料专用燃烧器，该燃烧器以空气为雾化气并与流化态石油焦粉在枪头进行混合，喷入炉内与空气进行燃烧。该燃烧器没有对雾化气进行选择甄别，也没有研究各种雾化气对固体燃料燃烧产生的潜在影响，以及对产品品质和后续尾气处理的影响；同时，由于固体燃料难以燃烧及控制，燃烧产生的污染大，会对产品品质造成不良影响。该专利披露的燃烧器在实际使用中存在固体燃料难以着火、火焰黑区长，固体燃料燃烧不充分等缺陷，并对产品品质产生影响。

中国专利cn203052700u披露一种少油或无油点火的加氧装置，由等离子体发生器产生高温的等离子体，并喷入氧气以辅助固体燃料进行点火或低负荷稳燃。使用高温等离子体点火及稳燃不仅使整体设备一次性投资高，而且在使用中维护量大，不适合经常启停炉的周期性作业的炉窑。在冶金、有色金属、化工等行业中，存在大量的频繁点火启动的工业窑炉，由于点火温度低，固体燃料难以点火及稳定燃烧；同时，燃尽率低，未燃尽的固体燃料会对加热物料造成污染，且烟气中颗粒浓度大。这些原因导致固体燃料的使用范围受到限制。

各种固体燃料点火温度高，在常温环境下难以点火并稳定燃烧。常规的固体燃料使用大量的燃油、或气体燃料将窑炉温度烘烤到至少800度左右以上，才喷入固体燃料。窑炉的冷炉启动不仅消耗大量高价值的燃料，同时限制了固体燃料的使用范围。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种固体燃料燃烧装置及其使用方法，本装置实现在常温环境对固体燃料进行点火，并形成稳定火焰，本方法采用气体燃料作为雾化介质，在窑炉预燃室及热态工作面外侧形成可以常温点火、稳定燃烧的固体燃料火焰，有效提高固体燃料的使用范围。

为解决上述技术问题，本发明固体燃料燃烧装置包括烧嘴砖、内管、中间管、雾化气输入管、雾化气喷头和钝体，所述烧嘴砖开设通孔，所述内管同轴套合于所述中间管内，所述内管与中间管之间形成雾化气通道，所述雾化气通道末端采用封板封口，所述雾化气输入管设于所述中间管管壁并且连通所述雾化气通道，所述雾化气喷头为环形并且设于所述雾化气通道的前端部，所述钝体设于所述内管的喷口端部并且位于内管的轴线，本装置还包括外管、富氧空气或纯氧入口管，所述中间管同轴套合于所述外管内并且伸出外管，所述中间管与所述外管之间形成富氧空气或纯氧通道并且末端采用封板封口，所述外管伸入所述烧嘴砖的通孔并且外管端面缩进烧嘴砖的工作端面，所述外管端面与烧嘴砖的工作端面之间形成雾化空腔，所述富氧空气或纯氧入口管设于所述外管管壁并且连通所述富氧空气或纯氧通道。

进一步，所述雾化气喷头的环形截面设有环形喷口、间隔布置的通孔喷口或间隔布置的u形槽喷口，所述通孔喷口包括阶梯圆孔和/或等径圆孔，所述阶梯圆孔和/或等径圆孔间隔布置，所述阶梯圆孔和等径圆孔在所述雾化气喷头的环形截面上按1～3:1间隔布置，所述u形槽喷口的u形槽设于所述雾化气喷头的外圈。

进一步，所述阶梯圆孔的大孔直径与小孔直径的比值为1.01～100，所述阶梯圆孔的小孔直径与所述等径圆孔直径的比值为0.1～10。

进一步，所述雾化气喷头的通孔喷口或u形槽喷口至少为一个。

进一步，所述雾化气喷头的通孔喷口以轴线为基准倾斜60°～-60°角。

进一步，所述内管的喷口端部为等径直通口、收缩口、扩展口、矩形口或椭圆口。

进一步，所述雾化气通道的前端部与所述内管的喷口端部齐平、所述雾化气通道的前端部突出于所述内管的喷口端部或所述雾化气通道的前端部位于所述内管的喷口端部后侧。

进一步，所述钝体与所述内管的喷口端部齐平、所述钝体突出于所述内管的喷口端部或所述钝体位于所述内管的喷口端部后侧，所述钝体的形状为锥形、锥形与圆柱形组合或锥形与圆柱形、圆台形组合，所述锥形与圆柱形组合的圆柱形底端倒角。

进一步，所述锥形与圆柱形组合的钝体在所述圆柱形的圆周面沿轴线间隔设有弧形凹槽。

进一步，所述雾化空腔的长度在0.01至100倍内管的喷口端部直径之间，所述雾化空腔的形状为等径圆柱形、圆锥缩口形或圆锥扩展形。

一种上述固体燃料燃烧装置的使用方法，流态化固体燃料进入内管由喷口端部喷出，雾化气通过雾化气输入管进入内管与中间管之间的雾化气通道后经雾化气喷头喷出，富氧空气或纯氧经入口管和富氧空气或纯氧通道进入雾化空腔并且与雾化气介质和流态化固体燃料相互充分混合，经初步点火后在预燃室形成稳定的、不受外界干扰的以流态化固体燃料为主的稳定火焰。

进一步，所述雾化气包括焦炉煤气、液化天然气、丙烷、转炉煤气或煤制气，或上述气态燃料的混合气态燃料。

进一步，在无需进行常温点火时，所述雾化气包括空气、各种氧气浓度的富氧空气、纯氧或水蒸气。

进一步，所述雾化气的流速为0～300m/s、温度为常温或预热温度。

进一步，所述流态化固体燃料包括煤粉、石油焦粉或生物质颗粒燃料，并且以气力流态化输送到内管入口。

进一步，所述气力流态化输送的气体介质为空气、氮气、各种氧气浓度的富氧空气、co2、各种气固液体燃料燃烧后产生的尾气、纯氧与co2燃烧后的尾气混合而成的氧气浓度在5～100%的气体或成分包括o2/co2/n2组成的混合气体。

进一步，所述气力流态化输送的气体介质温度为-10℃～1300℃，所述流态化固体燃料处于气力流态化输送的浓相流态或稀相流态，纯固体燃料与流态化输送气体介质的质量比在600至0.1范围内，流态化固体燃料的流速在2～300m/s之间的范围内。

由于本发明固体燃料燃烧装置及其使用方法采用了上述技术方案，即本装置的内管、中间管、外管依次套合，内管与中间管之间形成雾化气通道并末端采用封板封口，雾化气输入管设于中间管管壁并连通雾化气通道，雾化气喷头设于雾化气通道的前端部，钝体设于内管的喷口端部，中间管与外管之间形成富氧空气或纯氧通道，外管伸入烧嘴砖的通孔，外管端面与烧嘴砖的工作端面之间形成雾化空腔，富氧空气或纯氧入口管设于外管管壁并且连通富氧空气或纯氧通道。本方法流态化固体燃料进入内管由喷口端部喷出，雾化气通过雾化气输入管进入雾化气通道后经雾化气喷头喷出，富氧空气或纯氧经入口管进入雾化空腔并且与雾化气介质和流态化固体燃料相互充分混合，经初步点火后在预燃室形成稳定的、不受外界干扰的以流态化固体燃料为主的稳定火焰。本装置实现在常温环境对固体燃料进行点火，并形成稳定火焰，本方法采用气体燃料作为雾化介质结合富氧空气或纯氧，在窑炉预燃室及热态工作面外侧形成可以常温点火、稳定燃烧的固体燃料火焰，有效提高固体燃料的使用范围。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：

图1为本发明固体燃料燃烧装置的结构示意图；

图2为本装置中雾化气喷头设有环形喷口的示意图；

图3为本装置中雾化气喷头设有通孔喷口的示意图；

图4为本装置中雾化气喷头设有u形槽喷口的示意图；

图5为本装置中雾化气喷头的阶梯圆孔与等径圆孔间隔布置的示意图；

图6为本装置中雾化气喷头的等径圆孔间隔布置的示意图；

图7为本装置中雾化气喷头的阶梯圆孔与等径圆孔间隔布置剖面示意图；

图8为本装置中雾化气喷头一个等径圆孔布置示意图；

图9为本喷枪中雾化气喷头的通孔喷口倾斜设置的示意图；

图10为图9的剖面示意图；

图11为本装置中内管的喷口端部为等径直通口的示意图；

图12为本装置中内管的喷口端部为收缩口的示意图；

图13为本装置中内管的喷口端部为扩展口的示意图；

图14为本装置中内管的喷口端部为矩形口的示意图；

图15为本装置中内管的喷口端部为椭圆口的示意图；

图16为本装置中钝体与内管的喷口端部齐平的示意图；

图17为本装置中钝体缩进内管的喷口端部的示意图；

图18为本装置中钝体突出内管的喷口端部的示意图；

图19为本装置中钝体形状为锥形的示意图；

图20为本装置中钝体形状为锥形与圆柱形组合的示意图；

图21为本装置中钝体形状为锥形与圆柱形、圆台形组合的示意图；

图22为本装置中锥形与圆柱形组合的钝体表面设有弧形凹槽的示意图；

图23为图22的剖面示意图。

具体实施方式

实施例如图1所示，本发明固体燃料燃烧装置包括烧嘴砖12、内管1、中间管2、雾化气输入管3、雾化气喷头6和钝体7，所述烧嘴砖12开设通孔，所述内管1同轴套合于所述中间管2内，所述内管1与中间管2之间形成雾化气通道4，所述雾化气通道4末端采用封板5封口，所述雾化气输入管3设于所述中间管2管壁并且连通所述雾化气通道4，所述雾化气喷头6为环形并且设于所述雾化气通道4的前端部，所述钝体7设于所述内管1的喷口端部并且位于内管1的轴线，本装置还包括外管8、富氧空气或纯氧入口管9，所述中间管2同轴套合于所述外管8内并且伸出外管8，所述中间管2与所述外管8之间形成富氧空气或纯氧通道10并且末端采用封板11封口，所述外管8伸入所述烧嘴砖12的通孔并且外管8端面缩进烧嘴砖12的工作端面14，所述外管8端面与烧嘴砖12的工作端面14之间形成雾化空腔13，所述富氧空气或纯氧入口管9设于所述外管8管壁并且连通所述富氧空气或纯氧通道10。通过本装置，并合理选择流化气介质种类、雾化气介质种类和富氧空气或纯氧种类及氧气浓度，以及上述各种介质的喷射流速等，以实现固体燃料高效、清洁燃烧，特别是固体燃料在常温环境下的点火和稳定燃烧。

如图2、图3、图4、图5和图6所示，优选的，所述雾化气喷头6的环形截面设有环形喷口61、间隔布置的通孔喷口62或间隔布置的u形槽喷口63，所述通孔喷口62包括阶梯圆孔621和/或等径圆孔622，所述阶梯圆孔621和/或等径圆孔622间隔布置，所述阶梯圆孔621和等径圆孔622在所述雾化气喷头6的环形截面上按1～3:1间隔布置，所述u形槽喷口63的u形槽设于所述雾化气喷头6的外圈。

雾化气喷头设置各种形状的喷口作为雾化气介质的通道，如雾化气介质从等径圆孔高速喷出时，其速度远大于流态化固体燃料的速度；在阶梯圆孔内，高速的雾化气介质逐渐减速，在出口处速度接近或低于流态化固体燃料的速度；从而形成高/低两类大速度差的雾化气介质流，高速的雾化气介质保证了火焰的长度和刚性，速度较底的雾化气介质在喷口附近与流态化固体燃料形成强烈的混合。与现有技术相比，该结构的优点是可以同时现实火焰黑区和长度的控制和调节。

雾化气喷头上通孔喷口的布置可以进行选择，可以均布或局部加密布置，局部加密布置的通孔喷口可以是阶梯圆孔，也可以是等径圆孔；该结构可以保证固体燃料更加充分燃烧，避免没有来得及燃烧的固体燃料颗粒污染炉内物料，并在靠近炉内物料的地方形成一个温度更高的区域。

如图7所示，优选的，所述阶梯圆孔621的大孔直径d2与小孔直径d1的比值为1.01～100，所述阶梯圆孔621的小孔直径d1与所述等径圆孔622直径d3的比值为0.1～10。

如图8所示，优选的，所述雾化气喷头6的通孔喷口62或u形槽喷口至少为一个。

如图9和图10所示，优选的，所述雾化气喷头6的通孔喷口62以轴线为基准倾斜60°～-60°角。通孔喷口与轴线成一定角度设置，使得射向流态化固体燃料的雾化气介质将固体燃料打散，促进混合和燃烧。

如图11至图15所示，优选的，所述内管1的喷口端部为等径直通口11、收缩口12、扩展口13、矩形口14或椭圆口15。燃料喷口选择等径直通口、收缩口或扩展口，可以控制固体燃料流股射流的喷射距离，从而控制火焰长度。矩形或者椭圆形的喷口，形成宽/高比大于1的扁平状火焰，其加热均匀性能优于普通圆柱形的火焰，从而改善加热的均匀性，提高产品品质。

如图1所示，优选的，所述雾化气通道4的前端部与所述内管1的喷口端部齐平、所述雾化气通道4的前端部突出于所述内管1的喷口端部或所述雾化气通道4的前端部位于所述内管1的喷口端部后侧。选择和优化雾化气通道前端部与内管喷口的相对位置，可以进一步控制雾化气与燃料的混合，以及火焰黑区的位置。

如图16至图21所示，优选的，所述钝体7与所述内管1的喷口端部齐平、所述钝体7突出于所述内管1的喷口端部或所述钝体7位于所述内管1的喷口端部后侧，所述钝体7的形状为锥形71、锥形71与圆柱形72组合或锥形71与圆柱形72、圆台形73组合，所述锥形71与圆柱形72组合的圆柱形72底端倒角。钝体的放置位置以及形状的不同，形成的固体燃料喷射角度和回流区域位置、区域大小不一样。

如图22和图23所示，优选的，所述锥形71与圆柱形72组合的钝体7在所述圆柱形72的圆周面沿轴线间隔设有弧形凹槽74。弧形凹槽扩大了固体燃料流股与雾化气和高温燃烧尾气接触的表面积，有助于固体燃料的点火，并提高了固体燃料颗粒的燃尽率。

优选的，所述雾化空腔13的长度在0.01至100倍内管1的喷口端部直径之间，所述雾化空腔13的形状为等径圆柱形、圆锥缩口形或圆锥扩展形。

一种上述固体燃料燃烧装置的使用方法，流态化固体燃料进入内管由喷口端部喷出，雾化气通过雾化气输入管进入内管与中间管之间的雾化气通道后经雾化气喷头喷出，富氧空气或纯氧经入口管和富氧空气或纯氧通道进入雾化空腔并且与雾化气介质和流态化固体燃料相互充分混合，经初步点火后在预燃室形成稳定的、不受外界干扰的以流态化固体燃料为主的稳定火焰。

优选的，所述雾化气包括焦炉煤气、液化天然气、丙烷、转炉煤气或煤制气，或上述气态燃料的混合气态燃料。

优选的，在无需进行常温点火时，所述雾化气包括空气、各种氧气浓度的富氧空气、纯氧或水蒸气。

优选的，所述雾化气的流速为0～300m/s、温度为常温或预热温度。

优选的，所述流态化固体燃料包括煤粉、石油焦粉或生物质颗粒燃料，并且以气力流态化输送到内管入口。

优选的，所述气力流态化输送的气体介质为空气、氮气、各种氧气浓度的富氧空气、co2、各种气固液体燃料燃烧后产生的尾气、纯氧与co2燃烧后的尾气混合而成的氧气浓度在5～100%的气体或成分包括o2/co2/n2组成的混合气体。

优选的，所述气力流态化输送的气体介质温度为-10℃～1300℃，所述流态化固体燃料处于气力流态化输送的浓相流态或稀相流态，纯固体燃料与流态化输送气体介质的质量比在600至0.1范围内，流态化固体燃料的流速在2～300m/s之间的范围内。

通常富氧空气为氧气浓度高于20.9%的空气，特别是氧气浓度高于80%以上的来自变压吸附装置和深冷制氧装置的富氧空气或纯氧等，统称为氧气。本方法中固体燃料、雾化气介质、富氧空气或纯氧首先喷入炉窑的预燃室，预燃室的扩展角在0~60°之间、长度是流态化固体燃料喷出口直径的1~100倍。

气体燃料不仅易于点火，还具有雾化作用，将流态化固体燃料经雾化气介质成特定的流动区域、速度和颗粒分布，进行混合燃烧，不同流速的雾化气介质喷出与流态化固体燃料混合燃烧时，雾化气介质在控制固体燃料火焰长度的同时，强化雾化气介质与固体燃料的混合，帮助固体燃料在高温下着火和稳焰。

通过本技术方法，并选择易于点火的气体燃料作为雾化气，辅以具有强烈氧化特性的富氧空气或纯氧，可以大大降低固体燃料的着火点，有助于着火和稳焰，提高燃烧效率和控制火焰形态。通常气体燃料着火点较固体燃料低许多，且可以在常温环境下进行安全稳定点火，也有助于固体燃料的点火、稳焰，以及在环境温度下点火启动。

本装置中的钝体在固体燃料喷口处形成一定的喷射角度、回流区、固体燃料颗粒局部聚集浓区域和相对稀疏区域，根据固体燃料燃烧的着火理论，这些特殊的流态和颗粒分布降低了固体燃料颗粒着火温度，并可控制着火后的火焰特性。固体燃料着火性能以及火焰长度和温度分布等形态的改善，可以提高燃烧效率和燃尽率，降低能耗和成本，改善产品质量，增加窑炉寿命。

本方法采用特殊选择的雾化气介质、固体燃料气力输送的流化介质，结合富氧或全氧燃烧时，燃烧后的尾气中氮气浓度大大降低，从而可以进行co2的捕积和提纯，开展co2的地质封存和其它应用，实现大气污染物排放接近零或完全零排放，有利于环境保护。

本装置通过特殊设计的雾化气喷头强化了喷口附近的雾化气介质、固体燃料以及高温尾气的混合，固体燃料通道内设置钝体形成的固体燃料回流，两者的共同作用，并通过选择特殊特性的雾化气介质、强烈氧化性的纯氧或点火性能优良的富氧空气等，解决固体燃料难以着火和稳定燃烧的问题。同时雾化气喷头上各种形状及数量的喷口布置进行特殊设计，将更多的喷口布置在靠近炉内被加热物料的位置，借助于雾化气介质的特殊性能，如强烈氧化性或气体燃料低着火性等，将固体燃料更加充分燃烧，提高物料的产品品质。