[发明专利]一种高效低氮排放的熔炼炉燃烧明火加热方法及系统

说明书

本发明属于工业炉窑技术领域，公开了一种高效低氮排放的熔炼炉燃烧明火加热方法及系统，燃烧过程包括炉内较低空气过剩系数条件下的低氮燃烧和炉外烟道区域的催化燃烧，炉内低氮燃烧可以根据炉温的高低进行分级燃烧与无焰燃烧的切换：于窑炉常温、冷态启动和低温炉膛升温阶段中，采用燃料分级、空气分级或者空气燃料双分级燃烧；于窑炉高温加热阶段，采用无焰燃烧。本发明集成了燃料分级、空气分级、无焰燃烧、催化燃烧技术的优点，在炉内燃烧区域形成分级或者无焰燃烧方式抑制氮氧化物生成，在尾部烟道区域形成催化燃烧方式消除烟气中未燃尽CO和碳黑颗粒，通过多种燃烧技术的协同克服了单一技术的缺陷，同时实现了高效、节能、低氮排放。

技术领域

本发明属于工业炉窑技术领域，尤其涉及一种高效低氮排放的熔炼炉燃烧明火加热方法及系统。

背景技术

我国熔炼炉数量居多且分布广泛。多数熔炼炉存在能耗高、污染严重的特点，采用煤改气之后虽然大幅度降低了粉尘、二氧化硫的排放，但是气体燃料如天然气、混合煤气等燃烧时产生的氮氧化物(主要是NO)仍不容忽视。高温熔炼炉的炉膛出口烟气温度通常高达1000℃以上，为了提高热效率，降低排烟热损失，通常采用蓄热体将烟气的热量回收并预热空气，但是形成的高温空气燃烧造成了火焰峰值温度高达1800℃以上，热力NO急剧升高，氮氧化物的原始排放峰值甚至高达1000-3000mg/m³。随着我国生态文明建设的推进，工业炉窑环保标准的日益严格，现有技术要求熔炼炉NO排放浓度不得超过100mg/m³，由此可见，对于高温的工业窑炉来说，氮氧化物的治理问题迫在眉睫。除了氮氧化物排放之外，碳氢燃料的高能耗燃烧也排放了大量的CO₂，在碳中和、碳达峰背景下，如何降低燃料耗量，提升高温熔炼炉热效率，通过节能减少CO₂排放的方法非常值得关注。

氮氧化物的控制技术分为低氮燃烧技术和烟气脱硝技术，包括燃料分级燃烧、空气分级燃烧、烟气再循环燃烧以及无焰燃烧技术以及燃烧后的SNCR及SCR脱硝。分级燃烧可降低NOx排放30％-50％，烟气再循环燃烧降低NO排放15％-40％左右，但是对于分级燃烧来说一旦气流组织不好，往往会造成熄火或者CO排放浓度升高；烟气再循环如循环比例不当同样会带来燃烧不稳定，燃烧和热效率降低；无焰燃烧技术具有峰值温度相对较低、炉内反应区扩大和温度分布均匀的特性，被国际燃烧界誉为21世纪最有发展前景的燃烧技术之一，NO排放较之常规燃烧可降低70％以上，但其着火稳燃条件相对苛刻，要求炉膛壁面温度达到燃气自燃点温度以上；采用尾部SCR脱硝可以高效稳定脱除烟气中的NO，但是其应用条件也有局限，如需要具有合适的温度窗口(一般在350-420℃)、合适的催化剂组分等，同时，尾部脱硝技术还面临催化剂失效更换等运行成本昂贵的难题。

现有技术1公开了一种低NOx排放的无焰燃烧装置及其燃烧方法(申请号201911361988.3)，该装置考虑了工业窑炉常温点火和窑炉低温启动，通过设置一次空气环缝以稳定燃烧火焰，实现常温点火和低温稳定运行；并在空气总管入口处设置空气调节阀，调控一、二次空气的比例以实现燃烧装置高/低温工作模式的自由切换。但是该专利装置在低温启动阶段仅采用空气分级燃烧技术，降NOx能力有限，并且容易产生高浓度的CO和冒黑烟的现象，因此需保持较大的过量空气系数，对窑炉的热效率非常不利。

现有技术2公开了一种富氧无焰燃气燃烧器及其控制方法(申请号CN104266190A)，该装置在普通常规燃烧器上设置纯氧喷管，借助于高速氧气射流对燃烧烟气的卷吸实现无焰燃烧，达到提高温度均匀性、降低NOx排放浓度的目的。但该专利装置需要采用高速高压力的纯氧，设备及管路系统组成复杂，且运行成本较高，难以实现工业窑炉的节能和经济运行。

现有的熔炼炉虽然采用蓄热体回收烟气的大部分热量起到了较好的节能效果，但是面对目前环保日益严格、碳排放严格控制的新形势下，现有的燃烧技术还存在以下缺陷：