一种基于高粘度生物质燃油的工业炉窑高效雾化燃烧系统及其方法

摘要

本发明涉及一种基于高粘度生物质燃油的工业炉窑高效雾化燃烧系统及其方法，属于能源与环境技术领域。本发明利用制氧后废弃氮气作为辅助雾化气体介质，在利用氮气一级雾化后，形成了大约5cm的非燃烧隔离区，解决了喷嘴出口烧结和积碳问题。同时由于雾化氮气引入量是根据实际生产需要进行调节，这就保证氮氧化物的产生量在人为可控调节范围之内，保证烟气排放达标。本发明不仅实现生物质燃油高效应用于工业炉窑燃烧，还对制氧废弃氮气进行再利用，起到节能减排与环境保护的作用，同时也解决了喷嘴烧结和积碳问题。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于高粘度生物质燃油的工业炉窑高效雾化燃烧系统及其方法，属于能源与环境技术领域。

背景技术

在钢铁冶炼、玻璃炉窑熔炼等生产实际中，需要大量的燃用0#柴油和重油，而当前的能源形势，化石能源的日趋枯竭、燃烧后各种有害污染物排放等是非常严峻的事实，给企业带来较高的生产和环保成本，迫切需要寻求可替代能源，生物质燃油作为石化燃油的重要补充甚至替代燃料，近几年迅速进入了人们的视野。生物质燃油具有很大的发展潜力，致力于工业炉窑内燃用生物质燃油来替代传统的石化燃油具有非常重要的现实意义。然而生物质燃油的密度和运动粘度等要比石化燃油高，雾化质量差的问题被凸显出来，而燃油雾化质量的好坏直接影响到炉窑燃烧室能否点火、稳定燃烧以及能否满足燃烧后的排放标准要求。所以本设计采用两级辅助雾化，有效解决了高粘度生物质燃油的雾化难问题。

全氧燃烧作为新型燃烧技术被率先应用于熔块行业，进入九十年代以后，由于国外对环保和能耗的严格要求，全氧燃烧技术得到了生产企业的广泛重视。全氧燃烧技术被称为玻璃熔化技术发展的第二次革命，而在钢铁冶炼行业，则被称为四大发明之一。所以近几年这一技术在国内的迅速发展特别是在玻璃行业产生了非常大的影响，其次在金属冶炼和水泥行业也得到了广泛的研究和应用。本发明为了能够实现生物质燃油的高效、清洁利用，引入了全氧燃烧技术，实现节能减排目标。

在工业生产应用时，燃烧器喷嘴出口烧结和积碳问题突出，严重影响了生产效率。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题及不足，本发明提供一种基于高粘度生物质燃油的工业炉窑高效雾化燃烧系统及其方法。本发明利用制氧后废弃氮气作为辅助雾化气体介质，在利用氮气一级雾化后，形成了大约5cm的非燃烧隔离区，解决了喷嘴出口烧结和积碳问题。同时由于雾化氮气引入量是根据实际生产需要进行调节，这就保证氮氧化物的产生量在人为可控调节范围之内，保证烟气排放达标。本发明不仅实现生物质燃油高效应用于工业炉窑燃烧，还对制氧废弃氮气进行再利用，起到节能减排与环境保护的作用，同时也解决了喷嘴烧结和积碳问题。本发明通过以下技术方案实现。

一种基于高粘度生物质燃油的工业炉窑高效雾化燃烧系统，包括制氧机1、氮气储罐2、氧气储罐3、压力调节阀Ⅰ4、压力调节阀Ⅱ5、数字式气体流量计Ⅰ6、气压表Ⅰ7、数字式气体流量计Ⅱ8、气压表Ⅱ9、油压表10、燃烧器组11、过滤器12、循环油阀13、压力调节阀Ⅲ14、数字式液体流量计15、油泵16、油箱17、电机18和蒸汽加热装置19，燃烧器组11包括燃油通道20、高压氮气通道21、高压氧气通道22、电子点火针23、燃油喷嘴24、一级氮气雾化旋流片25、安装法兰26、二级氧气雾化旋流片27、氮气入口28和氧气入口29；

燃油通道20、高压氮气通道21、高压氧气通道22为同心、从内至外的三层腔体，燃油通道20一端设有燃油入口，另一端设有燃油喷嘴24，高压氮气通道21一端顶部设有氮气入口28，高压氮气通道21另一端端部设有一级氮气雾化旋流片25，高压氧气通道22一端顶部设有氧气入口29，另一端上设有二级氧气雾化旋流片27，高压氧气通道22上设有与工业炉窑连接的安装法兰26，高压氧气通道22设有穿过高压氧气通道22的电子点火针23；

燃油通道20的燃油入口依次通过压力调节阀Ⅲ14、油压表10管道连接过滤器12，过滤器12依次通过数字式液体流量计15、油泵16与油箱17管道连接，油箱17上设有蒸汽加热装置19，油泵16与电机18连接，油箱17还通过循环油阀13与数字式液体流量计15管道连接；

高压氮气通道21的氮气入口28依次通过气压表Ⅰ7、数字式气体流量计Ⅰ6、压力调节阀Ⅰ4管道连接氮气储罐2；

高压氧气通道22的氧气入口29依次通过气压表Ⅱ9、数字式气体流量计Ⅱ8、压力调节阀Ⅱ5与氧气储罐3连接，氧气储罐3与制氧机1连接。

所述一级氮气雾化旋流片25呈圆环状，外圆直径等于高压氮气通道21直径，内圆直径等于燃油通道20直径，一级氮气雾化旋流片25包括旋流斜口和油气通道，一级氮气雾化旋流片25上的旋流斜口均匀分布在圆环面上，旋流斜口上的喷孔呈涡轮式，旋流斜口向内倾斜，与高压氮气通道25中心轴线呈45°。

所述二级氧气雾化旋流片27呈圆环状，外圆直径等于高压氧气通道22直径，内圆直径等于高压氮气通道21直径，一级氮气雾化旋流片25包括旋流斜口和油气通道，一级氮气雾化旋流片25上的旋流斜口均匀分布在圆环面上，旋流斜口上的喷孔呈涡轮式，旋流斜口向内倾斜，与高压氮气通道21中心轴线呈45°，一级氮气雾化旋流片25与二级氧气雾化旋流片27相距5cm。

所述电子点火针23距离二级氧气雾化旋流片27油气雾化出口2cm。

一种基于高粘度生物质燃油的工业炉窑高效雾化燃烧系统的应用方法，其具体步骤如下：

步骤1、首先将油箱17中的生物质燃油通过蒸汽加热装置19加热到60～75℃；

步骤2、打开压力调节阀Ⅰ4控制氮气流量为3.2～6.4>3/h，打开压力调节阀Ⅱ5控制氧气或富氧空气流量为32～64>3/h，直到气流稳定，打开电子点火针23点火；

步骤3、打开压力调节阀Ⅲ14，将经步骤1加热到60～75℃的生物质燃油控制油压为0.9～1.8MPa，流量为15～30kg/h从燃油喷嘴24中喷出，经一级氮气雾化旋流片25的氮气雾化，然后再经二级氧气雾化旋流片27雾化，最终在工业炉窑内雾化燃烧。

本发明的有益效果是：

1、该燃烧系统及方法氮气一级雾化克服了燃烧器喷嘴出口烧结、积碳问题；

2、该燃烧系统及方法氧气二级雾化不仅保证了高粘度生物质燃油雾化质量，同时全氧燃烧可以提高燃烧温度、提高燃油燃烧效率、减少烟气量，节油同时又降低排烟热损失，是节能减排的有效途径；

3、该燃烧系统及方法燃料适用范围广泛，适用于不同地区、不同品质生物质燃油的燃烧应用；

4、制氧过程中，氮气为生产废料，应用于一级雾化不仅可以资源再利用，还能起到对燃烧器的保护作用，生产过程中维护成本较低，对后续大规模工业化推广意义重大；

5、本发明成功实现工业炉窑内燃用生物质燃油替代石化燃油。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明燃烧组件结构示意图。

图中：1-制氧机，2-氮气储罐，3-氧气储罐，4-压力调节阀Ⅰ，5-压力调节阀Ⅱ，6-数字式气体流量计Ⅰ，7-气压表Ⅰ，8-数字式气体流量计Ⅱ，9-气压表Ⅱ，10-油压表，11-燃烧器组，12-过滤器，13-循环油阀，14-压力调节阀Ⅲ，15-数字式液体流量计，16-油泵，17-油箱，18-电机，19-蒸汽加热装置，20-燃油通道，21-高压氮气通道，22-高压氧气通道，23-电子点火针，24-燃油喷嘴，25-一级氮气雾化旋流片，26-安装法兰，27-二级氧气雾化旋流片，28-氮气入口，29-氧气入口，30-旋流斜口，31-油气通道。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。

实施例1

如图1和2所示，该基于高粘度生物质燃油的工业炉窑高效雾化燃烧系统，包括制氧机1、氮气储罐2、氧气储罐3、压力调节阀Ⅰ4、压力调节阀Ⅱ5、数字式气体流量计Ⅰ6、气压表Ⅰ7、数字式气体流量计Ⅱ8、气压表Ⅱ9、油压表10、燃烧器组11、过滤器12、循环油阀13、压力调节阀Ⅲ14、数字式液体流量计15、油泵16、油箱17、电机18和蒸汽加热装置19，燃烧器组11包括燃油通道20、高压氮气通道21、高压氧气通道22、电子点火针23、燃油喷嘴24、一级氮气雾化旋流片25、安装法兰26、二级氧气雾化旋流片27、氮气入口28和氧气入口29；

燃油通道20、高压氮气通道21、高压氧气通道22为同心、从内至外的三层腔体，燃油通道20一端设有燃油入口，另一端设有燃油喷嘴24，高压氮气通道21一端顶部设有氮气入口28，高压氮气通道21另一端端部设有一级氮气雾化旋流片25，高压氧气通道22一端顶部设有氧气入口29，另一端上设有二级氧气雾化旋流片27，高压氧气通道22上设有与工业炉窑连接的安装法兰26，高压氧气通道22设有穿过高压氧气通道22的电子点火针23；

燃油通道20的燃油入口依次通过压力调节阀Ⅲ14、油压表10管道连接过滤器12，过滤器12依次通过数字式液体流量计15、油泵16与油箱17管道连接，油箱17上设有蒸汽加热装置19，油泵16与电机18连接，油箱17还通过循环油阀13与数字式液体流量计15管道连接；

高压氮气通道21的氮气入口28依次通过气压表Ⅰ7、数字式气体流量计Ⅰ6、压力调节阀Ⅰ4管道连接氮气储罐2；

高压氧气通道22的氧气入口29依次通过气压表Ⅱ9、数字式气体流量计Ⅱ8、压力调节阀Ⅱ5与氧气储罐3连接，氧气储罐3与制氧机1连接。

其中所述一级氮气雾化旋流片25呈圆环状，外圆直径等于高压氮气通道21直径，内圆直径等于燃油通道20直径，一级氮气雾化旋流片25包括旋流斜口和油气通道，一级氮气雾化旋流片25上的旋流斜口均匀分布在圆环面上，旋流斜口上的喷孔呈涡轮式，旋流斜口向内倾斜，与高压氮气通道25中心轴线呈45°；所述二级氧气雾化旋流片27呈圆环状，外圆直径等于高压氧气通道22直径，内圆直径等于高压氮气通道21直径，一级氮气雾化旋流片25包括旋流斜口和油气通道，一级氮气雾化旋流片25上的旋流斜口均匀分布在圆环面上，旋流斜口上的喷孔呈涡轮式，旋流斜口向内倾斜，与高压氮气通道21中心轴线呈45°，一级氮气雾化旋流片25与二级氧气雾化旋流片27相距5cm；所述电子点火针23距离二级氧气雾化旋流片27油气雾化出口2cm。

该基于高粘度生物质燃油的工业炉窑高效雾化燃烧系统的应用方法，其具体步骤如下：

步骤1、首先将油箱17中的生物质燃油（地沟油，运动粘度为68.3mm²/s）通过蒸汽加热装置19加热到75℃；

步骤2、打开压力调节阀Ⅰ4控制氮气流量为3.2m³/h，打开压力调节阀Ⅱ5控制氧气流量为32>3/h，直到气流稳定，打开电子点火针23点火；

步骤3、打开压力调节阀Ⅲ14，将经步骤1加热到75℃的生物质燃油控制油压为0.9～1.0MPa，流量为15kg/h从燃油喷嘴24中喷出，经一级氮气雾化旋流片25的氮气雾化，然后再经二级氧气雾化旋流片27雾化，最终在工业炉窑内雾化燃烧。

为了对本系统的有效性进行研究，首先研究了地沟油的雾化特性，利用激光粒度仪测定该系统雾化后油束中燃油颗粒索特平均直径为10.6µm，油束雾化锥角为35°，雾化颗粒直径均匀，说明本发明对高粘度的地沟油雾化效果较好。在连续燃烧十个小时后观察燃烧器出口，未发现积碳问题，并且燃烧器出口仅有轻微碳黑附着，说明氮气一级雾化对火焰隔离效果明显，油束在燃烧器出口没有燃烧，对燃烧器起到了很好的保护作用。工业炉窑内高温区温度在1810K左右，温度分布均匀，炉内入射辐射强度在29160W/m²左右，能够满足熔炼、冶金的能量需求。燃烧后排放烟气中NO_X含量为0.00019%，减排效果非常突出。

实施例2

如图1和2所示，该基于高粘度生物质燃油的工业炉窑高效雾化燃烧系统，包括制氧机1、氮气储罐2、氧气储罐3、压力调节阀Ⅰ4、压力调节阀Ⅱ5、数字式气体流量计Ⅰ6、气压表Ⅰ7、数字式气体流量计Ⅱ8、气压表Ⅱ9、油压表10、燃烧器组11、过滤器12、循环油阀13、压力调节阀Ⅲ14、数字式液体流量计15、油泵16、油箱17、电机18和蒸汽加热装置19，燃烧器组11包括燃油通道20、高压氮气通道21、高压氧气通道22、电子点火针23、燃油喷嘴24、一级氮气雾化旋流片25、安装法兰26、二级氧气雾化旋流片27、氮气入口28和氧气入口29；

燃油通道20、高压氮气通道21、高压氧气通道22为同心、从内至外的三层腔体，燃油通道20一端设有燃油入口，另一端设有燃油喷嘴24，高压氮气通道21一端顶部设有氮气入口28，高压氮气通道21另一端端部设有一级氮气雾化旋流片25，高压氧气通道22一端顶部设有氧气入口29，另一端上设有二级氧气雾化旋流片27，高压氧气通道22上设有与工业炉窑连接的安装法兰26，高压氧气通道22设有穿过高压氧气通道22的电子点火针23；

燃油通道20的燃油入口依次通过压力调节阀Ⅲ14、油压表10管道连接过滤器12，过滤器12依次通过数字式液体流量计15、油泵16与油箱17管道连接，油箱17上设有蒸汽加热装置19，油泵16与电机18连接，油箱17还通过循环油阀13与数字式液体流量计15管道连接；

高压氮气通道21的氮气入口28依次通过气压表Ⅰ7、数字式气体流量计Ⅰ6、压力调节阀Ⅰ4管道连接氮气储罐2；

高压氧气通道22的氧气入口29依次通过气压表Ⅱ9、数字式气体流量计Ⅱ8、压力调节阀Ⅱ5与氧气储罐3连接，氧气储罐3与制氧机1连接。

其中所述一级氮气雾化旋流片25呈圆环状，外圆直径等于高压氮气通道21直径，内圆直径等于燃油通道20直径，一级氮气雾化旋流片25包括旋流斜口和油气通道，一级氮气雾化旋流片25上的旋流斜口均匀分布在圆环面上，旋流斜口上的喷孔呈涡轮式，旋流斜口向内倾斜，与高压氮气通道25中心轴线呈45°；所述二级氧气雾化旋流片27呈圆环状，外圆直径等于高压氧气通道22直径，内圆直径等于高压氮气通道21直径，一级氮气雾化旋流片25包括旋流斜口和油气通道，一级氮气雾化旋流片25上的旋流斜口均匀分布在圆环面上，旋流斜口上的喷孔呈涡轮式，旋流斜口向内倾斜，与高压氮气通道21中心轴线呈45°，一级氮气雾化旋流片25与二级氧气雾化旋流片27相距5cm；所述电子点火针23距离二级氧气雾化旋流片27油气雾化出口2cm。

该基于高粘度生物质燃油的工业炉窑高效雾化燃烧系统的应用方法，其具体步骤如下：

步骤1、首先将油箱17中的生物质燃油（橡胶籽油，运动粘度为56.5mm²/s）通过蒸汽加热装置19加热到70℃；

步骤2、打开压力调节阀Ⅰ4控制氮气流量为6.4m³/h，打开压力调节阀Ⅱ5控制氧气流量为64>3/h，直到气流稳定，打开电子点火针23点火；

步骤3、打开压力调节阀Ⅲ14，将经步骤1加热到70℃的生物质燃油控制油压为1.7～1.8MPa，流量为30kg/h从燃油喷嘴24中喷出，经一级氮气雾化旋流片25的氮气雾化，然后再经二级氧气雾化旋流片27雾化，最终在工业炉窑内雾化燃烧。

首先对雾化油束进行了分析，实验测得燃油颗粒索特平均直径为9µm，油束雾化锥角为38°，雾化质量略有提高，这是由于橡胶籽油的运动粘度比地沟油小，雾化难度降低，通过本系统获得了非常好的雾化效果。在连续燃烧十个小时后观察燃烧器出口，同样未发现燃烧器积碳和烧灼问题。工业炉窑内高温区温度在1850K左右，温度分布均匀，炉内入射辐射强度在29250W/m²左右。燃烧后排放烟气中NO_X含量为0.00022%。

实施例3

如图1和2所示，该基于高粘度生物质燃油的工业炉窑高效雾化燃烧系统，包括制氧机1、氮气储罐2、氧气储罐3、压力调节阀Ⅰ4、压力调节阀Ⅱ5、数字式气体流量计Ⅰ6、气压表Ⅰ7、数字式气体流量计Ⅱ8、气压表Ⅱ9、油压表10、燃烧器组11、过滤器12、循环油阀13、压力调节阀Ⅲ14、数字式液体流量计15、油泵16、油箱17、电机18和蒸汽加热装置19，燃烧器组11包括燃油通道20、高压氮气通道21、高压氧气通道22、电子点火针23、燃油喷嘴24、一级氮气雾化旋流片25、安装法兰26、二级氧气雾化旋流片27、氮气入口28和氧气入口29；

燃油通道20、高压氮气通道21、高压氧气通道22为同心、从内至外的三层腔体，燃油通道20一端设有燃油入口，另一端设有燃油喷嘴24，高压氮气通道21一端顶部设有氮气入口28，高压氮气通道21另一端端部设有一级氮气雾化旋流片25，高压氧气通道22一端顶部设有氧气入口29，另一端上设有二级氧气雾化旋流片27，高压氧气通道22上设有与工业炉窑连接的安装法兰26，高压氧气通道22设有穿过高压氧气通道22的电子点火针23；

燃油通道20的燃油入口依次通过压力调节阀Ⅲ14、油压表10管道连接过滤器12，过滤器12依次通过数字式液体流量计15、油泵16与油箱17管道连接，油箱17上设有蒸汽加热装置19，油泵16与电机18连接，油箱17还通过循环油阀13与数字式液体流量计15管道连接；

高压氮气通道21的氮气入口28依次通过气压表Ⅰ7、数字式气体流量计Ⅰ6、压力调节阀Ⅰ4管道连接氮气储罐2；

高压氧气通道22的氧气入口29依次通过气压表Ⅱ9、数字式气体流量计Ⅱ8、压力调节阀Ⅱ5与氧气储罐3连接，氧气储罐3与制氧机1连接。

其中所述一级氮气雾化旋流片25呈圆环状，外圆直径等于高压氮气通道21直径，内圆直径等于燃油通道20直径，一级氮气雾化旋流片25包括旋流斜口和油气通道，一级氮气雾化旋流片25上的旋流斜口均匀分布在圆环面上，旋流斜口上的喷孔呈涡轮式，旋流斜口向内倾斜，与高压氮气通道25中心轴线呈45°；所述二级氧气雾化旋流片27呈圆环状，外圆直径等于高压氧气通道22直径，内圆直径等于高压氮气通道21直径，一级氮气雾化旋流片25包括旋流斜口和油气通道，一级氮气雾化旋流片25上的旋流斜口均匀分布在圆环面上，旋流斜口上的喷孔呈涡轮式，旋流斜口向内倾斜，与高压氮气通道21中心轴线呈45°，一级氮气雾化旋流片25与二级氧气雾化旋流片27相距5cm；所述电子点火针23距离二级氧气雾化旋流片27油气雾化出口2cm。

该基于高粘度生物质燃油的工业炉窑高效雾化燃烧系统的应用方法，其具体步骤如下：

步骤1、首先将油箱17中的生物质燃油（小桐子油，运动粘度为43.72mm²/s）通过蒸汽加热装置19加热到60℃；

步骤2、打开压力调节阀Ⅰ4控制氮气流量为4.8>3/h，打开压力调节阀Ⅱ5控制氧气流量为48>3/h，直到气流稳定，打开电子点火针23点火；

步骤3、打开压力调节阀Ⅲ14，将经步骤1加热到60℃的生物质燃油控制油压为1.3～1.4MPa，流量为23kg/h从燃油喷嘴24中喷出，经一级氮气雾化旋流片25的氮气雾化，然后再经二级氧气雾化旋流片27雾化，最终在工业炉窑内雾化燃烧。

首先对雾化油束进行了分析，实验测得燃油颗粒索特平均直径为8.6µm，油束雾化锥角为39°，雾化质量较高，雾化效果明显。在连续燃烧十个小时后观察燃烧器出口，同样未发现燃烧器积碳和烧灼问题。工业炉窑内高温区温度在1860K左右，温度分布均匀，炉内入射辐射强度在29310W/m²左右。燃烧后排放烟气中NO_X含量为0.00031%。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。