CaCl2濃縮單元浸沒式燃燒器的開發應用

洪 濤

(天華化工機械及自動化研究設計院有限公司)

無水氯化鈣和氯化鈣的水合物是重要的工業產品，無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煙氣的方法，使溶液在172～174℃蒸發，經結晶、過濾、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，即得到白色的無水氯化鈣。該裝置共設兩臺燃燒器，每臺燃燒器的燃燒反應將在一個長約3 600mm，φ910mm的燃燒室內完成，燃燒產生的高溫煙氣通過12個φ25.4mm的孔噴向溶液，使溶液在燃燒室與蒸發皿的夾套內受熱蒸發以達到濃縮稀溶液的效果。

由于現有燃燒器性能和燃燒產物排放指標不能達到當地環保要求，Tiger Calcium Service公司委托天華化工機械及自動化研究設計院有限公司(以下簡稱天華院)設計開發新型CaCl2濃縮單元用浸沒式燃燒器對現有燃燒系統進行改造。

1 技術要求

新型CaCl2濃縮單元用浸沒式燃燒器主要具有以下特點:

a.燃燒火焰短而細且具有可調性，為保護燃燒室不被火焰直接沖刷，在滿足熱負荷要求的前提下需有效控制火焰的長度和直徑；

b.燃燒迅速，燃燒強度大，燃燒室空間有限,要求燃燒器能在短時間內迅速完全燃燒；

c.低NOx燃燒，滿足加拿大NOx排放標準；

d.必須具有較高調節比性能，燃燒器可以在較大的空氣/燃氣比率范圍下穩定工作，需要根據實際生產要求調節煙氣溫度和流量；

e.燃燒室處于正壓燃燒狀態，燃燒產生的高溫煙氣由上而下噴入溶液，需要足夠的動力克服CaCl2溶液的阻力；

f.采用成套自動化控制系統，燃燒器自動檢測火焰情況，意外情況自動關閉燃氣閥門，保證安全。

2 燃燒器基本設計參數

燃料氣特性參數為：

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

助燃空氣特性參數為：

空氣性質 環境空氣

送風類型 鼓風

溫度 常溫

燃燒器前壓力(G) 30～35kPa

流量 9 000Nm3/h

燃燒器參數為：

燃燒器型號QJW-60

設計熱負荷 24.24GJ/h

正常熱負荷 19.23GJ/h

最小熱負荷 4.84 GJ/h

調節比 5∶1

過剩空氣系數 1.2～1.3

通過燒嘴的最大阻力降(G) 5kPa

火焰形狀 整體圓柱形

火焰直徑 0.5～0.8m

火焰長度 2.0～2.5m

燃燒室參數為：

長度 3 600mm

直徑 910mm

開孔孔徑 25.4mm

開孔數 12個

開孔面積 506mm2

3 燃燒原理及結構設計

針對燃燒室空間小，燃燒負荷大，燃燒要求迅速、完全的特點，在參考國外同類型燃燒器特點和運行情況的基礎上，天華院在燃燒器設計過程中采用了多種先進的燃燒技術,并設計開發了獨特的燃燒結構。

3.1 采用紊流擴散燃燒形式

擴散燃燒指燃料氣未與空氣混合，與空氣邊混合邊燃燒。擴散燃燒由于沒有預先混入空氣，所以不會發生回火現象，這是擴散燃燒的最大優點，擴散燃燒火焰穩定、結構簡單，可以較大范圍改變燃料氣出火孔的速度，使負荷變化范圍大,具有較大的調節比性能，因此在工業爐上被廣泛使用。燃燒過程處于擴散區域內，由于燃氣與空氣的混合過程要比燃燒反應慢的多，所以燃燒速度與燃燒完全程度主要取決于燃氣與空氣的混合速度和混合完全程度，即取決于燃氣質量與空氣質量之間的擴散作用，因此燃燒速度取決于擴散速度。紊流擴散時已經由燃料氣與空氣分子之間的擴散轉變為燃料氣分子團與空氣分子團之間的轉移，渦流增加了擴散速度，火焰表面被破壞，氣體混合物分裂成許多微小的分子團散布在燃燒產物中燃燒，使得火焰面積增大，并顯著加快了燃燒速度，相應的火焰長度便縮短,適合CaCl2濃縮單元的燃燒特點。

3.2 采用群組式燒嘴結構

燃燒器的燒嘴部分由主燒嘴和環形輔助燒嘴構成，每個燒嘴均為擴散燃燒型，主燒嘴布置在燃燒器的中心,環形燒嘴共20個(其中一個為長明燈)，均勻布置在兩個以燃燒器中心線為軸線的同心圓上。由于擴散燃燒是邊混合邊燃燒，相對預混燃燒其燃燒火焰相對較長。如果采用單個噴嘴，在保證熱負荷的情況下難以實現對火焰尺寸的控制。采用群組式燒嘴結構則很好地解決了這個矛盾，由于多燒嘴結構使每個燒嘴產生的火焰尺寸大幅度縮小，整個燃燒器的火焰也得到了有效控制。

普通單燒嘴結構的擴散式燃燒器產生24.24GJ/h的熱量，所需要的燃燒空間遠大于現有燃燒室。通過合理的工藝計算，設計時將燃燒器產生熱量合理分解為3個部分。

3.2.1主燒嘴

主燒嘴產生的能量占燃燒器總體熱負荷的23%，約為5.56GJ/h。在主燒嘴的設計中，燃料氣噴孔分為3層環狀同軸射流，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(與錐形穩焰器匹配)成放射狀，在穩焰器下游與空氣一次預混合，由于產生的是徑向火焰，有效縮短了主燒嘴火焰長度; 在錐型穩焰器的配合下，徑向射流首先與助燃空氣混合，且配風充足可形成穩定火焰，有利于整個主燒嘴的穩定燃燒。其余兩排噴孔設計為110°的噴射角，其中第二層環狀燃料氣射流(主射流)與燒嘴磚內流道形成匹配，與助燃空氣完成二次混合，形成穩定的主火焰。第三層環狀燃料氣射流與一、二層燃料氣與助燃空氣混合氣體完成三次混合。通過合理布置燃料氣與助燃空氣的混合結構，使整個主燒嘴在充分滿足負荷要求的情況下，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內圈環形燒嘴

內圈環形燒嘴由9支獨立的輔助燒嘴和一個長明燈共同組成(圖2)。每個燒嘴設計負荷為1.05GJ/h，噴頭配有旋流葉片并設置一圈噴射角為50°的噴孔，燃料氣、助燃空氣形成的混合射流與燒嘴磚內流道匹配，形成短而細的火焰。

圖2 輔助燒嘴噴頭示意圖

3.2.3外圈環形燒嘴

外圈環形燒嘴由10支獨立的輔助燒嘴組成，單個燒嘴結構與內圈相似，設計負荷較內圈略小約為0.92GJ/h，同時也配有旋流葉片。

各燒嘴噴孔面積和熱負荷比例見表1。

表1 燒嘴噴孔面積和熱負荷

3.3 主、輔燒嘴構成濃淡燃燒結構

燃燒中產生的環境污染物質主要包括氮氧化物、硫氧化物、一氧化碳、碳氫化合物及粉塵等，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，燃燒產生的氮氧化物中熱力型NOx占絕大多數。根據熱力型NOx的生成機理，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生成的高溫燃燒區域的停留時間；降低氮濃度。濃淡燃燒是指一種通過在燃燒器內形成燃料過濃燃燒和燃料稀薄燃燒，避開在極易生成熱力型NOx的理論混合比附近燃燒的抑制方法。

為了達到顯著降低NOx排放的效果，將主燒嘴和內外兩圈環形輔助燒嘴設計成各不相同的燃燒狀態。在主燒嘴處提供過量的助燃空氣，使中心氧氣過剩，發生富氧燃燒；在內圈環形燒嘴處提供相對較大的燃料氣流通面積，使這一圈燒嘴主要發生貧氧燃燒；在最外圈燒嘴處，提供相對較小的燃料氣流通面積，使空氣過量，并發生富氧燃燒。這樣的燃燒分布首先可以在燃燒室內形成濃淡燃燒結構，可以有效抑制熱力型NOx的產生，與一般燃燒相比，NOx生成量可降低20%～40%；與此同時，最外圈燒嘴處燃料過剩，降低了最外圈火焰的溫度和多余的空氣沿內壁流動，可以起到冷卻、保護燃燒室內表面的作用。

3.4 單個燒嘴噴頭設置旋流葉片和穩焰罩

主燒嘴噴頭處設置帶有外罩的環狀多孔圓錐型火焰穩焰器(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袖孔進入的助燃空氣首先混合，形成環狀多孔袖火作為穩定火源，來點燃中心主氣流并保證中心火焰穩定燃燒。由于合理的結構設計，盡管在主燒嘴處過剩空氣系數高達1.7，火焰穩定性仍不會因氣流紊流度和熱負荷變化而受太大影響。

圖3 主燒嘴噴頭及穩焰器

在單個輔助燒嘴的設計中，在噴頭部位增設旋流葉片(圖4)，加強噴頭處的空氣擾動，促進助燃空氣與燃料氣的混合，以達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。由于磚體處結構較為復雜，整體燒結的效果不好，采用莫來石和耐火水泥一次澆注成型，有利于燒嘴磚的結構穩定和延長其使用壽命。

4 控制系統設計

QJW-60型浸沒式燃燒器的工藝控制系統主要包括燃燒器進氣管路控制系統和長明燈進氣管路控制系統兩部分。長明燈進氣管路設有電磁閥、手動球閥和阻火器。燃燒器進氣管路設有電磁閥、手動球閥、阻火器、蝶閥和止回閥。燃料氣總管設有手動球閥。點火裝置由點火程序控制器、點火變壓器、點火電極以及紫外線(UV)火焰監測器等組成。

主要控制系統設計如下：

a.開啟羅茨風機，向燃燒室供入助燃空氣。

b.點火時，打開燃氣總管上的手動球閥，然后打開兩個進氣管路上的手動球閥。按下就地控制箱上“點火啟動” 按鈕，點火程序控制器控制點火變壓器通過點火電極放電，3～5s后長明燈進氣管路上電磁閥開啟，燃料氣通入長明燈，同時引燃長明燈。

c.長明燈點燃后，紫外線(UV)火焰監測器檢測到長明燈火焰并持續2～3s后，在就地控制箱上“滅火”指示燈滅，“工作” 指示燈亮；如長明燈未點燃，即紫外線(UV)火焰監測器未能檢測到長明燈火焰，控制箱顯示“報警”， 長明燈電磁閥關閉。

d.長明燈正常工作2～3s，就地控制箱上“工作” 指示燈亮，同時燃燒器進氣管路上兩個電磁閥開啟，燃氣進入燃燒器的各個燒嘴，開始燃燒，燃燒過程中可以通過手動蝶閥進行燃料氣量調節。

e.使用過程中，如紫外線(UV)火焰監測器未能檢測到長明燈火焰，控制箱報警幷立刻關閉所有電磁閥，切斷燃料氣。

5 應用效果

QJW-60型浸沒式燃燒器自2008年底投入運行至今，運行情況良好，完全滿足氯化鈣溶液濃縮單元對熱負荷和操作的要求。燃燒器在設計負荷下，火焰尺寸(直徑0.5～0.8m，長度2.5～3.2m，整體圓柱形)具有良好的可調性能，燃燒空間滿足實際工況要求。

NOx和CO抑制效果明顯，燃燒器燃燒排放物指標遠低于國外同類燃燒器水平并滿足當地環保要求(也滿足了GB16297-1996《大氣污染物綜合排放標準》的相關要求)。

針對燃燒控制系統體積小、安全要求高的特點，將控制系統整體模塊供貨，出廠前已完成整體水壓試驗及試運行，現場只需與燃料氣管線連接即可，減少了現場工作量，為順利開車提供了必要的保證。這種供貨模式得到了用戶的充分認可。

燃燒器沒有脫火、回火現象，燃燒效果良好。各進氣管路無泄漏，就地控制箱操作簡便、各控制原件運作靈活，控制系統滿足設計要求。

6 問題及改進

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，容易出現澆注料爆裂的情況。通過將燒嘴磚整體去除，并加大過剩空氣量，降低燃燒峰值溫度的方法，很好地解決了這個問題。

燃燒器內助燃空氣碳鋼擋板因燃燒器頻繁開停車操作，水汽上升已經出現銹蝕現象。檢修時，將碳鋼擋板更換為不銹鋼擋板即可滿足要求。

7 結束語

QJW-60型燃燒器是天華院設計開發的一種新型用于CaCl2濃縮單元的浸沒式燃燒器，通過采用多種先進的燃燒技術和特殊燃燒結構，很好的滿足了用戶對燃燒器燃燒性能和環保指標的要求，為同類型燃燒器的設計提供了新的設計思路和寶貴的應用經驗。