洪 濤

(天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司)

無(wú)水氯化鈣和氯化鈣的水合物是重要的工業(yè)產(chǎn)品，無(wú)水氯化鈣及其水合物的制備工藝種類較多，核心部分均為氯化鈣溶液的濃縮單元。加拿大埃德蒙頓Tiger Calcium Service公司采用向凈化后的氯化鈣溶液噴射高溫?zé)煔獾姆椒ǎ谷芤涸?72～174℃蒸發(fā)，經(jīng)結(jié)晶、過(guò)濾、分離后于200～240℃下干燥脫水，得到二水氯化鈣，再將二水氯化鈣加熱至260～300℃，干燥脫水，即得到白色的無(wú)水氯化鈣。該裝置共設(shè)兩臺(tái)燃燒器，每臺(tái)燃燒器的燃燒反應(yīng)將在一個(gè)長(zhǎng)約3 600mm，φ910mm的燃燒室內(nèi)完成，燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔馔ㄟ^(guò)12個(gè)φ25.4mm的孔噴向溶液，使溶液在燃燒室與蒸發(fā)皿的夾套內(nèi)受熱蒸發(fā)以達(dá)到濃縮稀溶液的效果。

由于現(xiàn)有燃燒器性能和燃燒產(chǎn)物排放指標(biāo)不能達(dá)到當(dāng)?shù)丨h(huán)保要求，Tiger Calcium Service公司委托天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司(以下簡(jiǎn)稱天華院)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)新型CaCl2濃縮單元用浸沒(méi)式燃燒器對(duì)現(xiàn)有燃燒系統(tǒng)進(jìn)行改造。

1 技術(shù)要求

新型CaCl2濃縮單元用浸沒(méi)式燃燒器主要具有以下特點(diǎn):

a.燃燒火焰短而細(xì)且具有可調(diào)性，為保護(hù)燃燒室不被火焰直接沖刷，在滿足熱負(fù)荷要求的前提下需有效控制火焰的長(zhǎng)度和直徑；

b.燃燒迅速，燃燒強(qiáng)度大，燃燒室空間有限,要求燃燒器能在短時(shí)間內(nèi)迅速完全燃燒；

c.低NOx燃燒，滿足加拿大NOx排放標(biāo)準(zhǔn)；

d.必須具有較高調(diào)節(jié)比性能，燃燒器可以在較大的空氣/燃?xì)獗嚷史秶路€(wěn)定工作，需要根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)要求調(diào)節(jié)煙氣溫度和流量；

e.燃燒室處于正壓燃燒狀態(tài)，燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔庥缮隙聡娙肴芤?，需要足夠的?dòng)力克服CaCl2溶液的阻力；

f.采用成套自動(dòng)化控制系統(tǒng)，燃燒器自動(dòng)檢測(cè)火焰情況，意外情況自動(dòng)關(guān)閉燃?xì)忾y門(mén)，保證安全。

2 燃燒器基本設(shè)計(jì)參數(shù)

燃料氣特性參數(shù)為：

燃料種類 天然氣

溫度 常溫

流量 680Nm3/h

熱值 33.858MJ/h

管道壓力 225kPa

燃燒器前壓力(G) 60～80kPa

助燃空氣特性參數(shù)為：

空氣性質(zhì) 環(huán)境空氣

送風(fēng)類型 鼓風(fēng)

溫度 常溫

燃燒器前壓力(G) 30～35kPa

流量 9 000Nm3/h

燃燒器參數(shù)為：

燃燒器型號(hào)QJW-60

設(shè)計(jì)熱負(fù)荷 24.24GJ/h

正常熱負(fù)荷 19.23GJ/h

最小熱負(fù)荷 4.84 GJ/h

調(diào)節(jié)比 5∶1

過(guò)?？諝庀禂?shù) 1.2～1.3

通過(guò)燒嘴的最大阻力降(G) 5kPa

火焰形狀 整體圓柱形

火焰直徑 0.5～0.8m

火焰長(zhǎng)度 2.0～2.5m

燃燒室參數(shù)為：

長(zhǎng)度 3 600mm

直徑 910mm

開(kāi)孔孔徑 25.4mm

開(kāi)孔數(shù) 12個(gè)

開(kāi)孔面積 506mm2

3 燃燒原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)燃燒室空間小，燃燒負(fù)荷大，燃燒要求迅速、完全的特點(diǎn)，在參考國(guó)外同類型燃燒器特點(diǎn)和運(yùn)行情況的基礎(chǔ)上，天華院在燃燒器設(shè)計(jì)過(guò)程中采用了多種先進(jìn)的燃燒技術(shù),并設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了獨(dú)特的燃燒結(jié)構(gòu)。

3.1 采用紊流擴(kuò)散燃燒形式

擴(kuò)散燃燒指燃料氣未與空氣混合，與空氣邊混合邊燃燒。擴(kuò)散燃燒由于沒(méi)有預(yù)先混入空氣，所以不會(huì)發(fā)生回火現(xiàn)象，這是擴(kuò)散燃燒的最大優(yōu)點(diǎn)，擴(kuò)散燃燒火焰穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以較大范圍改變?nèi)剂蠚獬龌鹂椎乃俣?，使?fù)荷變化范圍大,具有較大的調(diào)節(jié)比性能，因此在工業(yè)爐上被廣泛使用。燃燒過(guò)程處于擴(kuò)散區(qū)域內(nèi)，由于燃?xì)馀c空氣的混合過(guò)程要比燃燒反應(yīng)慢的多，所以燃燒速度與燃燒完全程度主要取決于燃?xì)馀c空氣的混合速度和混合完全程度，即取決于燃?xì)赓|(zhì)量與空氣質(zhì)量之間的擴(kuò)散作用，因此燃燒速度取決于擴(kuò)散速度。紊流擴(kuò)散時(shí)已經(jīng)由燃料氣與空氣分子之間的擴(kuò)散轉(zhuǎn)變?yōu)槿剂蠚夥肿訄F(tuán)與空氣分子團(tuán)之間的轉(zhuǎn)移，渦流增加了擴(kuò)散速度，火焰表面被破壞，氣體混合物分裂成許多微小的分子團(tuán)散布在燃燒產(chǎn)物中燃燒，使得火焰面積增大，并顯著加快了燃燒速度，相應(yīng)的火焰長(zhǎng)度便縮短,適合CaCl2濃縮單元的燃燒特點(diǎn)。

3.2 采用群組式燒嘴結(jié)構(gòu)

燃燒器的燒嘴部分由主燒嘴和環(huán)形輔助燒嘴構(gòu)成，每個(gè)燒嘴均為擴(kuò)散燃燒型，主燒嘴布置在燃燒器的中心,環(huán)形燒嘴共20個(gè)(其中一個(gè)為長(zhǎng)明燈)，均勻布置在兩個(gè)以燃燒器中心線為軸線的同心圓上。由于擴(kuò)散燃燒是邊混合邊燃燒，相對(duì)預(yù)混燃燒其燃燒火焰相對(duì)較長(zhǎng)。如果采用單個(gè)噴嘴，在保證熱負(fù)荷的情況下難以實(shí)現(xiàn)對(duì)火焰尺寸的控制。采用群組式燒嘴結(jié)構(gòu)則很好地解決了這個(gè)矛盾，由于多燒嘴結(jié)構(gòu)使每個(gè)燒嘴產(chǎn)生的火焰尺寸大幅度縮小，整個(gè)燃燒器的火焰也得到了有效控制。

普通單燒嘴結(jié)構(gòu)的擴(kuò)散式燃燒器產(chǎn)生24.24GJ/h的熱量，所需要的燃燒空間遠(yuǎn)大于現(xiàn)有燃燒室。通過(guò)合理的工藝計(jì)算，設(shè)計(jì)時(shí)將燃燒器產(chǎn)生熱量合理分解為3個(gè)部分。

3.2.1主燒嘴

主燒嘴產(chǎn)生的能量占燃燒器總體熱負(fù)荷的23%，約為5.56GJ/h。在主燒嘴的設(shè)計(jì)中，燃料氣噴孔分為3層環(huán)狀同軸射流，這樣的噴孔布置將燃料氣分成多股不同方向的射流(圖1)。徑向燃料射流(與錐形穩(wěn)焰器匹配)成放射狀，在穩(wěn)焰器下游與空氣一次預(yù)混合，由于產(chǎn)生的是徑向火焰，有效縮短了主燒嘴火焰長(zhǎng)度; 在錐型穩(wěn)焰器的配合下，徑向射流首先與助燃空氣混合，且配風(fēng)充足可形成穩(wěn)定火焰，有利于整個(gè)主燒嘴的穩(wěn)定燃燒。其余兩排噴孔設(shè)計(jì)為110°的噴射角，其中第二層環(huán)狀燃料氣射流(主射流)與燒嘴磚內(nèi)流道形成匹配，與助燃空氣完成二次混合，形成穩(wěn)定的主火焰。第三層環(huán)狀燃料氣射流與一、二層燃料氣與助燃空氣混合氣體完成三次混合。通過(guò)合理布置燃料氣與助燃空氣的混合結(jié)構(gòu)，使整個(gè)主燒嘴在充分滿足負(fù)荷要求的情況下，獲得良好的火焰尺寸和燃燒效果。

圖1 主燒嘴噴頭示意圖

3.2.2內(nèi)圈環(huán)形燒嘴

內(nèi)圈環(huán)形燒嘴由9支獨(dú)立的輔助燒嘴和一個(gè)長(zhǎng)明燈共同組成(圖2)。每個(gè)燒嘴設(shè)計(jì)負(fù)荷為1.05GJ/h，噴頭配有旋流葉片并設(shè)置一圈噴射角為50°的噴孔，燃料氣、助燃空氣形成的混合射流與燒嘴磚內(nèi)流道匹配，形成短而細(xì)的火焰。

圖2 輔助燒嘴噴頭示意圖

3.2.3外圈環(huán)形燒嘴

外圈環(huán)形燒嘴由10支獨(dú)立的輔助燒嘴組成，單個(gè)燒嘴結(jié)構(gòu)與內(nèi)圈相似，設(shè)計(jì)負(fù)荷較內(nèi)圈略小約為0.92GJ/h，同時(shí)也配有旋流葉片。

各燒嘴噴孔面積和熱負(fù)荷比例見(jiàn)表1。

表1 燒嘴噴孔面積和熱負(fù)荷

3.3 主、輔燒嘴構(gòu)成濃淡燃燒結(jié)構(gòu)

燃燒中產(chǎn)生的環(huán)境污染物質(zhì)主要包括氮氧化物、硫氧化物、一氧化碳、碳?xì)浠衔锛胺蹓m等，其中氮氧化物的排放量較大。燃燒生成的氮氧化物按氮的來(lái)源分為由燃料氮為起源的燃料型NOx和起源于空氣氮的熱力型NOx。以天然氣燃燒而言，燃料本身含N量很少，燃燒產(chǎn)生的氮氧化物中熱力型NOx占絕大多數(shù)。根據(jù)熱力型NOx的生成機(jī)理，有以下4種抑制原理：降低氧濃度；降低火焰峰值溫度；縮短在熱力型NOx生成的高溫燃燒區(qū)域的停留時(shí)間；降低氮濃度。濃淡燃燒是指一種通過(guò)在燃燒器內(nèi)形成燃料過(guò)濃燃燒和燃料稀薄燃燒，避開(kāi)在極易生成熱力型NOx的理論混合比附近燃燒的抑制方法。

為了達(dá)到顯著降低NOx排放的效果，將主燒嘴和內(nèi)外兩圈環(huán)形輔助燒嘴設(shè)計(jì)成各不相同的燃燒狀態(tài)。在主燒嘴處提供過(guò)量的助燃空氣，使中心氧氣過(guò)剩，發(fā)生富氧燃燒；在內(nèi)圈環(huán)形燒嘴處提供相對(duì)較大的燃料氣流通面積，使這一圈燒嘴主要發(fā)生貧氧燃燒；在最外圈燒嘴處，提供相對(duì)較小的燃料氣流通面積，使空氣過(guò)量，并發(fā)生富氧燃燒。這樣的燃燒分布首先可以在燃燒室內(nèi)形成濃淡燃燒結(jié)構(gòu)，可以有效抑制熱力型NOx的產(chǎn)生，與一般燃燒相比，NOx生成量可降低20%～40%；與此同時(shí)，最外圈燒嘴處燃料過(guò)剩，降低了最外圈火焰的溫度和多余的空氣沿內(nèi)壁流動(dòng)，可以起到冷卻、保護(hù)燃燒室內(nèi)表面的作用。

3.4 單個(gè)燒嘴噴頭設(shè)置旋流葉片和穩(wěn)焰罩

主燒嘴噴頭處設(shè)置帶有外罩的環(huán)狀多孔圓錐型火焰穩(wěn)焰器(圖3)。主燒嘴燃料氣在排出燃燒嘴之后，其中徑向射流部分與經(jīng)袖孔進(jìn)入的助燃空氣首先混合，形成環(huán)狀多孔袖火作為穩(wěn)定火源，來(lái)點(diǎn)燃中心主氣流并保證中心火焰穩(wěn)定燃燒。由于合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，盡管在主燒嘴處過(guò)剩空氣系數(shù)高達(dá)1.7，火焰穩(wěn)定性仍不會(huì)因氣流紊流度和熱負(fù)荷變化而受太大影響。

圖3 主燒嘴噴頭及穩(wěn)焰器

在單個(gè)輔助燒嘴的設(shè)計(jì)中，在噴頭部位增設(shè)旋流葉片(圖4)，加強(qiáng)噴頭處的空氣擾動(dòng)，促進(jìn)助燃空氣與燃料氣的混合，以達(dá)到改善燃燒效果的目的。

圖4 輔助燒嘴噴頭及旋流葉片

燒嘴磚采用整體澆注成型。由于磚體處結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，整體燒結(jié)的效果不好，采用莫來(lái)石和耐火水泥一次澆注成型，有利于燒嘴磚的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和延長(zhǎng)其使用壽命。

4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

QJW-60型浸沒(méi)式燃燒器的工藝控制系統(tǒng)主要包括燃燒器進(jìn)氣管路控制系統(tǒng)和長(zhǎng)明燈進(jìn)氣管路控制系統(tǒng)兩部分。長(zhǎng)明燈進(jìn)氣管路設(shè)有電磁閥、手動(dòng)球閥和阻火器。燃燒器進(jìn)氣管路設(shè)有電磁閥、手動(dòng)球閥、阻火器、蝶閥和止回閥。燃料氣總管設(shè)有手動(dòng)球閥。點(diǎn)火裝置由點(diǎn)火程序控制器、點(diǎn)火變壓器、點(diǎn)火電極以及紫外線(UV)火焰監(jiān)測(cè)器等組成。

主要控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)如下：

a.開(kāi)啟羅茨風(fēng)機(jī)，向燃燒室供入助燃空氣。

b.點(diǎn)火時(shí)，打開(kāi)燃?xì)饪偣苌系氖謩?dòng)球閥，然后打開(kāi)兩個(gè)進(jìn)氣管路上的手動(dòng)球閥。按下就地控制箱上“點(diǎn)火啟動(dòng)” 按鈕，點(diǎn)火程序控制器控制點(diǎn)火變壓器通過(guò)點(diǎn)火電極放電，3～5s后長(zhǎng)明燈進(jìn)氣管路上電磁閥開(kāi)啟，燃料氣通入長(zhǎng)明燈，同時(shí)引燃長(zhǎng)明燈。

c.長(zhǎng)明燈點(diǎn)燃后，紫外線(UV)火焰監(jiān)測(cè)器檢測(cè)到長(zhǎng)明燈火焰并持續(xù)2～3s后，在就地控制箱上“滅火”指示燈滅，“工作” 指示燈亮；如長(zhǎng)明燈未點(diǎn)燃，即紫外線(UV)火焰監(jiān)測(cè)器未能檢測(cè)到長(zhǎng)明燈火焰，控制箱顯示“報(bào)警”， 長(zhǎng)明燈電磁閥關(guān)閉。

d.長(zhǎng)明燈正常工作2～3s，就地控制箱上“工作” 指示燈亮，同時(shí)燃燒器進(jìn)氣管路上兩個(gè)電磁閥開(kāi)啟，燃?xì)膺M(jìn)入燃燒器的各個(gè)燒嘴，開(kāi)始燃燒，燃燒過(guò)程中可以通過(guò)手動(dòng)蝶閥進(jìn)行燃料氣量調(diào)節(jié)。

e.使用過(guò)程中，如紫外線(UV)火焰監(jiān)測(cè)器未能檢測(cè)到長(zhǎng)明燈火焰，控制箱報(bào)警幷立刻關(guān)閉所有電磁閥，切斷燃料氣。

5 應(yīng)用效果

QJW-60型浸沒(méi)式燃燒器自2008年底投入運(yùn)行至今，運(yùn)行情況良好，完全滿足氯化鈣溶液濃縮單元對(duì)熱負(fù)荷和操作的要求。燃燒器在設(shè)計(jì)負(fù)荷下，火焰尺寸(直徑0.5～0.8m，長(zhǎng)度2.5～3.2m，整體圓柱形)具有良好的可調(diào)性能，燃燒空間滿足實(shí)際工況要求。

NOx和CO抑制效果明顯，燃燒器燃燒排放物指標(biāo)遠(yuǎn)低于國(guó)外同類燃燒器水平并滿足當(dāng)?shù)丨h(huán)保要求(也滿足了GB16297-1996《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)要求)。

針對(duì)燃燒控制系統(tǒng)體積小、安全要求高的特點(diǎn)，將控制系統(tǒng)整體模塊供貨，出廠前已完成整體水壓試驗(yàn)及試運(yùn)行，現(xiàn)場(chǎng)只需與燃料氣管線連接即可，減少了現(xiàn)場(chǎng)工作量，為順利開(kāi)車提供了必要的保證。這種供貨模式得到了用戶的充分認(rèn)可。

燃燒器沒(méi)有脫火、回火現(xiàn)象，燃燒效果良好。各進(jìn)氣管路無(wú)泄漏，就地控制箱操作簡(jiǎn)便、各控制原件運(yùn)作靈活，控制系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求。

6 問(wèn)題及改進(jìn)

由于燃燒器的燒嘴磚與CaCl2液面非常接近，燒嘴磚表面較為潮濕，在高溫燃燒情況下，容易出現(xiàn)澆注料爆裂的情況。通過(guò)將燒嘴磚整體去除，并加大過(guò)?？諝饬?，降低燃燒峰值溫度的方法，很好地解決了這個(gè)問(wèn)題。

燃燒器內(nèi)助燃空氣碳鋼擋板因燃燒器頻繁開(kāi)停車操作，水汽上升已經(jīng)出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象。檢修時(shí)，將碳鋼擋板更換為不銹鋼擋板即可滿足要求。

7 結(jié)束語(yǔ)

QJW-60型燃燒器是天華院設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的一種新型用于CaCl2濃縮單元的浸沒(méi)式燃燒器，通過(guò)采用多種先進(jìn)的燃燒技術(shù)和特殊燃燒結(jié)構(gòu)，很好的滿足了用戶對(duì)燃燒器燃燒性能和環(huán)保指標(biāo)的要求，為同類型燃燒器的設(shè)計(jì)提供了新的設(shè)計(jì)思路和寶貴的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。