共模同步型工業煙氣復燃循環處理模塊、裝置及方法與流程
2023-05-14 01:46:31
本發明涉及工業煙氣處理裝置，特別涉及氣體燃料燃燒系統的低氮、voc(揮發性有機物)處理裝置及方法。
背景技術：
現有天然氣燃燒器、燃燒機中所採用的燃燒方式多為等壓型—擴散、半預混、預混式燃燒。由於環保排放標準的提高，要求燃燒系統大幅降低高溫型氮氧化物(nox)、工藝型voc排放，使具有低nox工作特性的全預混式金屬絲網燃燒器得以逐步普及。但同時其比功率低、效率低、調節比低、易回火……等特點也顯露出來。
當前流行的低氮燃燒器(低nox燃燒器)是一種「金屬纖維網燃燒器」。為了得到穩定的低氮排放指標，需要以金屬網反應區設定的低nox生成溫度為基準，對燃氣當量比放大並進行精確調節，以控制通過單位介質面積的火焰溫度及火焰穩定度。其設定的低氮火焰溫度一般在850℃—950℃時。高於此溫度，燃燒過程當中的氮氧化物生成量開始線性增加。為了得到較大的功率，就必須加大金屬絲網的面積，致其比功率下降、火焰輻射能力下降，導致系統整體加熱能力的下降。
多孔介質燃燒的低nox排放，是因為其結構特性可以對較大過剩空氣係數的預混燃氣產生穩定(火焰駐定)控制。也因此在同等加熱工況下，多孔介質燃燒方式將產生較多的含氧煙氣，或者說需要更大的燃燒空間，設備體積加大；反之則功率下降。
voc一般定義為：熔點低於室溫，沸點在50℃—260℃之間的、能夠參與大氣光化學反應的揮發性有機物的總稱。以目前成熟技術對voc進行處理主要有兩種方法。吸收催化法和燃燒去除法。對於大型工業生產來說，吸收催化法需要較大設備結構及很高的後處理費用，對生產成本壓力較大。故，燃燒去除法在實際voc處理工程中應用較多。燃燒去除法的缺陷主要是需要額外的能源消耗，如何降低系統能耗(或者說如何充分利用額外能耗)是voc燃燒去除法的關鍵。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種共模同步型工業煙氣復燃循環處理模塊、裝置及方法，它們能夠實現低nox、低voc排放，且能夠節約能源。
發明構思為：將煙氣voc燃燒處理器與燃燒器主燃燒室共型設計，形成「共模同步型工業煙氣voc復燃循環處理器。即，低氮燃燒+煙氣多重循環復燃＝低nox、voc排放。煙氣多重循環復燃通過強化主燃燒器火焰熱輻射、創新多孔介質型輻射吸收體結構，形成獨立的強化熱輻射voc反應區，即二次燃燒空間。回流煙氣從第一多孔介質進入二次燃燒空間，減速擴壓；從第二多孔介質噴出，減壓增速；這一過程的時隙，即為voc反應時段。通過調節兩個多孔介質間隙，即為煙氣voc反應溫度/時間的控制點。使煙氣顯熱和「可燃成分完全反應」後形成「超焓」參與工況加熱，並達到極低nox、voc排放。
為達上述目的，本發明採用的技術方案如下：
一種共模同步型工業煙氣復燃循環處理模塊，該處理模塊包括筒狀燃燒器1和兩個錐筒形多孔介質芯體2、5，所述筒狀燃燒器1包括筒體11和套設在筒體11內的環狀輻射屏12，筒體11和輻射屏12之間構成燃氣混合室13，筒體11的外側部設置與所述燃氣混合室13連通的徑向進氣蝸管6，所述筒狀燃燒器1的中心設置中心軸4；所述兩個錐筒形多孔介質芯體2、5錐頂相對、對稱套裝於筒狀燃燒器1的所述中心軸4上可軸向滑動，兩個錐筒形多孔介質芯體2、5與所述環狀輻射屏12之間構成二次燃燒空間3，兩個錐底部分別構成進氣口7和出氣口8。
優選地，從外層到內層，所述環狀輻射屏依次包括混合氣整流腔、毛細管噴嘴層、十字鈍體層和多孔介質輻射層。
優選地，所述錐筒形多孔介質芯體2、5由正圓形平面多孔介質沿軸心凸起拉長製成，其中的毛細孔的軸線與筒狀燃燒器1的所述中心軸4平行。
一種共模同步型工業煙氣復燃循環處理裝置，所述處理裝置包括若干個共模同步型工業煙氣復燃循環處理模塊串聯、並聯或串並聯構成，所述若干個共模同步型工業煙氣復燃循環處理模塊為上述任意一項所述的共模同步型工業煙氣復燃循環處理模塊。
一種共模同步型工業煙氣復燃循環處理方法，所述處理方法包括：
配置上述任意一項所述的共模同步型工業煙氣復燃循環處理模塊；
從徑向進氣蝸管6向所述燃氣混合室13輸入燃氣，燃氣在所述環狀輻射屏12的內壁面低氮燃燒，產生的含氧煙氣經環狀輻射屏12排入所述二次燃燒空間3，且環狀輻射屏12向所述二次燃燒空間3輻射熱；
同時，另一路回流煙氣從進氣口7經一個錐筒形多孔介質芯體2進入所述二次燃燒空間3，經另一個錐筒形多孔介質芯體5從出氣口8噴出；
調節兩個錐筒形多孔介質芯體2、5之間的間隙，以控制二次燃燒空間3內煙氣反應溫度和時間，使煙氣中的可燃成分完全反應。
優選地，煙氣在二次燃燒空間3內的復燃控制方式包括下述方式中的至少一種：
低氮燃燒產生的含氧煙氣沿著與所述中心軸4垂直的方向排入所述二次燃燒空間3，且排煙壓力大於從錐筒形多孔介質芯體2輸入的煙氣的壓力，使兩路煙氣形成切向流湍混傳熱；
兩個錐筒形多孔介質芯體2、5吸收環狀輻射屏12的輻射熱使其介質孔升溫，煙氣流經高溫介質孔時獲得熱量發生反應；
調節兩個錐筒形多孔介質芯體2、5之間的間隙，使二次燃燒空間3的氣動參數發生線性變化，最大限度的將火焰的輻射能傳遞給被處理煙氣。
與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：
通過對燃氣型低nox燃燒器與多孔介質voc復燃處理器的創新設計，構建了燃燒/復燃共型燃燒室，使燃燒從矢量單循環變為標量多循環，提高煙氣顯熱對系統熱貢獻率，節能效果明顯、確切。由於本發明結構緊湊，將多種機器功能合成為一體。以致其同時具有高效、節材、環保及節省生產空間的優點。
附圖說明
圖1為一個實施例共模同步型工業煙氣復燃循環處理模塊的結構示意圖；
圖2為其平面圖；
圖3為另一個實施例共模同步型工業煙氣復燃循環處理裝置的結構示意圖，圖中局部被剖開；
圖4為另一個實施例中錐筒形多孔介質芯體的立體結構示意圖；
圖5為另一個實施例中錐筒形多孔介質芯體的平面結構示意圖；
圖6為另一個實施例中錐筒形多孔介質芯體的側視圖，圖中局部被剖開。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明做進一步說明。
參照圖1和圖2，本共模同步型工業煙氣復燃循環處理模塊包括筒狀燃燒器1和兩個錐筒形多孔介質芯體2、5，所述筒狀燃燒器1包括筒體11和套設在筒體11內的環狀輻射屏12，筒體11和輻射屏12之間構成燃氣混合室13，筒體11的外側部設置與所述燃氣混合室13連通的徑向進氣蝸管6，所述筒狀燃燒器1的中心設置中心軸4；所述兩個錐筒形多孔介質芯體2、5錐頂相對、對稱套裝於筒狀燃燒器1的所述中心軸4上可軸向滑動，兩個錐筒形多孔介質芯體2、5與所述環狀輻射屏12之間構成二次燃燒空間3，兩個錐底部分別構成進氣口7和出氣口8。
進一步地，環狀輻射屏12採用以下結構：從外層到內層，所述環狀輻射屏12依次包括混合氣整流腔、毛細管噴嘴層、十字鈍體層和多孔介質輻射層。混合氣整流腔用於恆壓、恆流，毛細管噴嘴層用於防回火，十字鈍體層作為火焰駐定器，多孔介質輻射層用於火焰展開。通過這樣的結構，使火焰在900℃的工況下燃燒並駐定在十字鈍體層與多孔介質黑體層之間，隨著燃燒進程，黑體材質多孔介質達到設定溫度，在開始向外產生熱輻射的同時，還起到了恆定點火源的作用。故，二次燃燒空間3內形成900—1000℃、含氧量約為11％的工作環境，使二次燃燒空間3上遊進入的含氧量不低於5％的重複回流煙氣中的可燃成份(含voc)復燃、燃盡，而後從二次燃燒空間3下遊排出。
進一步地，所述錐筒形多孔介質芯體2、5由正圓形平面多孔介質沿軸心凸起拉長製成，其中的毛細孔的軸線與筒狀燃燒器1的所述中心軸4平行。具體應用中，可以根據煙氣成份、工藝流量、氣流壓降及voc除盡率等參數來設計多孔介質的厚度(毛細孔深度)。將多孔介質芯體2、5做成錐筒形，主要是為了使毛細孔群的孔壁面展開，直接吸收來自於徑向的環形輻射屏12的輻射熱，毛細管吸收輻射傳熱後，將熱直接傳遞給流過的煙氣，即，使煙氣流經高溫介質孔時獲得熱量發生反應。而平板型多孔介質對應於徑向輻射熱的吸收極小，其傳熱大多為對流傳熱和介質板端面四周極小面積的熱傳導。從傳熱原理上講，火焰的輻射傳熱佔其總能的70％以上。
從受熱性能看：以直徑100㎜，厚度10㎜的多空介質板與底徑100㎜，頂徑30㎜，高80㎜，厚度10㎜的多孔介質錐筒對比，對應於燃燒室直徑100㎜，長80㎜壁面的熱輻射徑向投影面積為：3140mm2∶17977mm2，錐筒側面積是正圓平板面積的5.72倍，也可以說錐筒形多孔介質比正圓板型多孔介質的受熱能力高5.72倍；
再從傳熱能力上看：正圓多空介質板毛細孔水利面積為7389mm2，錐筒形多孔介質的水利面積為21733mm2，錐筒散熱面積是正圓平板散熱面積的2.94倍。
從以上簡單數據的對比可以看出，本發明的一個核心即為——低氮燃燒狀態下極高的整體「熱效率」——共模同步煙氣voc處理結構。
多孔介質材質可以是：310s、sic、25lv5、27lv7m2。
參照圖3，該共模同步型工業煙氣復燃循環處理裝置由兩個共模同步型工業煙氣復燃循環處理模塊串聯組成。其中的共模同步型工業煙氣復燃循環處理模塊與圖1所示處理模塊基本相同，區別在於，錐筒形多孔介質芯體2、5的毛細孔不同。前述實施例中為圓孔。本實施例中為三角孔，參照圖4至圖6,圖中箭頭a1、a2表示氣流方向。
在實際應用中，根據需要可以用多個共模同步型工業煙氣復燃循環處理模塊串聯、並聯或串並聯組成共模同步型工業煙氣復燃循環處理裝置。
上述共模同步型工業煙氣復燃循環處理模塊適用於所有氣體燃料燃燒系統的低氮、voc處理。
煙氣處理過程主要分為：煙/空氣混合形成燃氣、燃氣燃燒傳熱、煙氣多孔介質內復燃、混合煙氣輸出四個工作過程。更具體的煙氣處理方法包括：
燃料/空氣混合(燃氣)從徑向進氣蝸管6輸入所述燃氣混合室13，燃氣通過環狀輻射屏12的孔隙在所述環狀輻射屏12的內壁面低氮燃燒，形成筒狀薄膜火焰，環狀輻射屏12自身也被加熱到900℃左右，低氮燃燒產生的含氧煙氣經環狀輻射屏12排入所述二次燃燒空間3，環狀輻射屏12同時向所述二次燃燒空間3輻射熱；
同時，另一路回流煙氣從進氣口7經一個錐筒形多孔介質芯體2進入所述二次燃燒空間3，經另一個錐筒形多孔介質芯體5從出氣口8噴出，在此過程中煙氣復燃去除voc；
通過調節二次燃燒空間3內的燃氣壓力，調節兩個錐筒形多孔介質芯體2、5之間的間隙，可以控制二次燃燒空間3內煙氣反應溫度和時間，使煙氣中的可燃成分完全反應。
較佳方式中，煙氣在二次燃燒空間3內的復燃控制方式包括：
低氮燃燒產生的含氧煙氣沿著與所述中心軸4垂直的方向排入所述二次燃燒空間3，且排煙壓力大於從錐筒形多孔介質芯體2輸入的煙氣的壓力，使兩路煙氣形成切向流湍混傳熱；
兩個錐筒形多孔介質芯體2、5吸收環狀輻射屏12的輻射熱使其介質孔升溫，煙氣流經高溫介質孔時獲得熱量發生反應；
調節兩個錐筒形多孔介質芯體2、5之間的間隙，使二次燃燒空間3的氣動參數發生線性變化，最大限度的將火焰的輻射能傳遞給被處理煙氣。
至少一些實施例具備以下優點：
(1)高效率：在設定的低氮燃燒溫度下，通過創新燃燒室多孔介質結構及氣動力學優化，使燃氣在駐定反應區(環狀輻射屏)低氮式燃燒。同時，建立高過剩空氣係數燃燒後的高溫煙氣回流復燃流程，使煙氣顯熱及其中未盡氧氣重複參與後續燃燒反應，這樣既可回用煙氣餘熱，而低氮燃燒較大過剩空氣係數中的氧，可為其復燃過程提供有益支持。
(2)高傳熱：筒狀燃燒器內壁面構成低氮燃燒的同時，對上遊流過來的煙氣以三種方式組織其復燃。首先是筒狀燃燒器通過多孔介質環狀輻射屏排煙，其方向與燃燒器軸心垂直，又由於其環狀輻射屏的煙氣出口壓力大於軸向循環的回流煙氣，因此形成了切向流湍混傳熱；其次是軸向引進的回流煙氣要通過兩個對稱安裝的錐筒形多孔介質芯體，這一對多孔介質芯體又被其外套環形輻射屏同步輻射加熱，含有可燃成份的湍流煙氣在高溫介質孔內獲得更多的熱量並充分反應。調節兩個錐筒形多孔介質芯體的錐頂距，可使兩錐筒與外套環裝輻射屏間的voc中心反應區(二次燃燒空間)的氣動參數發生線性變化，最大限度的將火焰的輻射能傳遞給被處理煙氣，完成voc消除。
(3)低nox：在特殊構型的多孔介質組合體內，隨流量變化，燃氣當量比加大並在設定的伺服區間自動調節，使反應區溫度恆定在設計點(950℃±50℃)上，形成穩定的低氮排放。環狀輻射屏利用其波紋結構，為從其網面噴出的火焰提供單向流動的軸向力。
(4)低耗：煙氣復燃可將煙氣顯熱帶回燃燒區，其中voc的可燃成份將參與反應，燃燒反應區便形成了「超焓」狀態——即：反應區總熱量超過一次燃料供應所含熱量。等溫輸出即形成低耗狀態。從燃燒原理看，低氮由降低火焰溫度始，方法為加大過剩空氣量，摻雜冷風多，致燃燒反應變慢。如果不考慮延長反應區(加大燃燒空間)則燃燒效率降低，煙氣中未盡燃料、氧氣均會有升高。建立煙氣多重循環復燃模式，則可有效地榨乾燃氣中的可燃成份並煙氣餘熱回用，形成給定溫度段的「超焓」現象，使整體加熱工藝流程「低耗」。
(5)voc消除：針對加熱系統工況，voc是由於被加熱物受熱(加熱溫度低於500℃)而產生的。特別是在無焰加熱狀態下，被加熱物產生的voc隨煙氣外排。本發明利用煙氣在特殊構型多孔介質中的復燃，來消除煙氣中voc。結果，voc耗盡，同時貢獻熱量。
(6)燃燒與煙氣處理一體化，整機效率高、外用能源低。本發明通過對燃氣型低nox燃燒器與多孔介質voc復燃處理器的創新設計，構建了燃燒/復燃共型燃燒室——使燃燒從矢量單循環變為標量多循環，提高煙氣顯熱對系統熱貢獻率，節能效果明顯、確切。
(7)緊湊：由於本發明結構緊湊，將多種機器功能合成為一體。以致其同時具有高效、節材、環保及節省生產空間的優點。
上述通過具體實施例對本發明進行了詳細的說明，這些詳細的說明僅僅限於幫助本領域技術人員理解本發明的內容，並不能理解為對本發明保護範圍的限制。本領域技術人員在本發明構思下對上述方案進行的各種潤飾、等效變換等均應包含在本發明的保護範圍內。