CaCl2浓缩单元浸没式燃烧器的开发应用

洪 涛

(天华化工机械及自动化研究设计院有限公司)

无水氯化钙和氯化钙的水合物是重要的工业产品，无水氯化钙及其水合物的制备工艺种类较多，核心部分均为氯化钙溶液的浓缩单元。加拿大埃德蒙顿Tiger Calcium Service公司采用向净化后的氯化钙溶液喷射高温烟气的方法，使溶液在172～174℃蒸发，经结晶、过滤、分离后于200～240℃下干燥脱水，得到二水氯化钙，再将二水氯化钙加热至260～300℃，干燥脱水，即得到白色的无水氯化钙。该装置共设两台燃烧器，每台燃烧器的燃烧反应将在一个长约3 600mm，φ910mm的燃烧室内完成，燃烧产生的高温烟气通过12个φ25.4mm的孔喷向溶液，使溶液在燃烧室与蒸发皿的夹套内受热蒸发以达到浓缩稀溶液的效果。

由于现有燃烧器性能和燃烧产物排放指标不能达到当地环保要求，Tiger Calcium Service公司委托天华化工机械及自动化研究设计院有限公司(以下简称天华院)设计开发新型CaCl2浓缩单元用浸没式燃烧器对现有燃烧系统进行改造。

1 技术要求

新型CaCl2浓缩单元用浸没式燃烧器主要具有以下特点:

a.燃烧火焰短而细且具有可调性，为保护燃烧室不被火焰直接冲刷，在满足热负荷要求的前提下需有效控制火焰的长度和直径；

b.燃烧迅速，燃烧强度大，燃烧室空间有限,要求燃烧器能在短时间内迅速完全燃烧；

c.低NOx燃烧，满足加拿大NOx排放标准；

d.必须具有较高调节比性能，燃烧器可以在较大的空气/燃气比率范围下稳定工作，需要根据实际生产要求调节烟气温度和流量；

e.燃烧室处于正压燃烧状态，燃烧产生的高温烟气由上而下喷入溶液，需要足够的动力克服CaCl2溶液的阻力；

f.采用成套自动化控制系统，燃烧器自动检测火焰情况，意外情况自动关闭燃气阀门，保证安全。

2 燃烧器基本设计参数

燃料气特性参数为：

燃料种类 天然气

温度 常温

流量 680Nm3/h

热值 33.858MJ/h

管道压力 225kPa

燃烧器前压力(G) 60～80kPa

助燃空气特性参数为：

空气性质 环境空气

送风类型 鼓风

温度 常温

燃烧器前压力(G) 30～35kPa

流量 9 000Nm3/h

燃烧器参数为：

燃烧器型号QJW-60

设计热负荷 24.24GJ/h

正常热负荷 19.23GJ/h

最小热负荷 4.84 GJ/h

调节比 5∶1

过剩空气系数 1.2～1.3

通过烧嘴的最大阻力降(G) 5kPa

火焰形状 整体圆柱形

火焰直径 0.5～0.8m

火焰长度 2.0～2.5m

燃烧室参数为：

长度 3 600mm

直径 910mm

开孔孔径 25.4mm

开孔数 12个

开孔面积 506mm2

3 燃烧原理及结构设计

针对燃烧室空间小，燃烧负荷大，燃烧要求迅速、完全的特点，在参考国外同类型燃烧器特点和运行情况的基础上，天华院在燃烧器设计过程中采用了多种先进的燃烧技术,并设计开发了独特的燃烧结构。

3.1 采用紊流扩散燃烧形式

扩散燃烧指燃料气未与空气混合，与空气边混合边燃烧。扩散燃烧由于没有预先混入空气，所以不会发生回火现象，这是扩散燃烧的最大优点，扩散燃烧火焰稳定、结构简单，可以较大范围改变燃料气出火孔的速度，使负荷变化范围大,具有较大的调节比性能，因此在工业炉上被广泛使用。燃烧过程处于扩散区域内，由于燃气与空气的混合过程要比燃烧反应慢的多，所以燃烧速度与燃烧完全程度主要取决于燃气与空气的混合速度和混合完全程度，即取决于燃气质量与空气质量之间的扩散作用，因此燃烧速度取决于扩散速度。紊流扩散时已经由燃料气与空气分子之间的扩散转变为燃料气分子团与空气分子团之间的转移，涡流增加了扩散速度，火焰表面被破坏，气体混合物分裂成许多微小的分子团散布在燃烧产物中燃烧，使得火焰面积增大，并显著加快了燃烧速度，相应的火焰长度便缩短,适合CaCl2浓缩单元的燃烧特点。

3.2 采用群组式烧嘴结构

燃烧器的烧嘴部分由主烧嘴和环形辅助烧嘴构成，每个烧嘴均为扩散燃烧型，主烧嘴布置在燃烧器的中心,环形烧嘴共20个(其中一个为长明灯)，均匀布置在两个以燃烧器中心线为轴线的同心圆上。由于扩散燃烧是边混合边燃烧，相对预混燃烧其燃烧火焰相对较长。如果采用单个喷嘴，在保证热负荷的情况下难以实现对火焰尺寸的控制。采用群组式烧嘴结构则很好地解决了这个矛盾，由于多烧嘴结构使每个烧嘴产生的火焰尺寸大幅度缩小，整个燃烧器的火焰也得到了有效控制。

普通单烧嘴结构的扩散式燃烧器产生24.24GJ/h的热量，所需要的燃烧空间远大于现有燃烧室。通过合理的工艺计算，设计时将燃烧器产生热量合理分解为3个部分。

3.2.1主烧嘴

主烧嘴产生的能量占燃烧器总体热负荷的23%，约为5.56GJ/h。在主烧嘴的设计中，燃料气喷孔分为3层环状同轴射流，这样的喷孔布置将燃料气分成多股不同方向的射流(图1)。径向燃料射流(与锥形稳焰器匹配)成放射状，在稳焰器下游与空气一次预混合，由于产生的是径向火焰，有效缩短了主烧嘴火焰长度; 在锥型稳焰器的配合下，径向射流首先与助燃空气混合，且配风充足可形成稳定火焰，有利于整个主烧嘴的稳定燃烧。其余两排喷孔设计为110°的喷射角，其中第二层环状燃料气射流(主射流)与烧嘴砖内流道形成匹配，与助燃空气完成二次混合，形成稳定的主火焰。第三层环状燃料气射流与一、二层燃料气与助燃空气混合气体完成三次混合。通过合理布置燃料气与助燃空气的混合结构，使整个主烧嘴在充分满足负荷要求的情况下，获得良好的火焰尺寸和燃烧效果。

图1 主烧嘴喷头示意图

3.2.2内圈环形烧嘴

内圈环形烧嘴由9支独立的辅助烧嘴和一个长明灯共同组成(图2)。每个烧嘴设计负荷为1.05GJ/h，喷头配有旋流叶片并设置一圈喷射角为50°的喷孔，燃料气、助燃空气形成的混合射流与烧嘴砖内流道匹配，形成短而细的火焰。

图2 辅助烧嘴喷头示意图

3.2.3外圈环形烧嘴

外圈环形烧嘴由10支独立的辅助烧嘴组成，单个烧嘴结构与内圈相似，设计负荷较内圈略小约为0.92GJ/h，同时也配有旋流叶片。

各烧嘴喷孔面积和热负荷比例见表1。

表1 烧嘴喷孔面积和热负荷

3.3 主、辅烧嘴构成浓淡燃烧结构

燃烧中产生的环境污染物质主要包括氮氧化物、硫氧化物、一氧化碳、碳氢化合物及粉尘等，其中氮氧化物的排放量较大。燃烧生成的氮氧化物按氮的来源分为由燃料氮为起源的燃料型NOx和起源于空气氮的热力型NOx。以天然气燃烧而言，燃料本身含N量很少，燃烧产生的氮氧化物中热力型NOx占绝大多数。根据热力型NOx的生成机理，有以下4种抑制原理：降低氧浓度；降低火焰峰值温度；缩短在热力型NOx生成的高温燃烧区域的停留时间；降低氮浓度。浓淡燃烧是指一种通过在燃烧器内形成燃料过浓燃烧和燃料稀薄燃烧，避开在极易生成热力型NOx的理论混合比附近燃烧的抑制方法。

为了达到显著降低NOx排放的效果，将主烧嘴和内外两圈环形辅助烧嘴设计成各不相同的燃烧状态。在主烧嘴处提供过量的助燃空气，使中心氧气过剩，发生富氧燃烧；在内圈环形烧嘴处提供相对较大的燃料气流通面积，使这一圈烧嘴主要发生贫氧燃烧；在最外圈烧嘴处，提供相对较小的燃料气流通面积，使空气过量，并发生富氧燃烧。这样的燃烧分布首先可以在燃烧室内形成浓淡燃烧结构，可以有效抑制热力型NOx的产生，与一般燃烧相比，NOx生成量可降低20%～40%；与此同时，最外圈烧嘴处燃料过剩，降低了最外圈火焰的温度和多余的空气沿内壁流动，可以起到冷却、保护燃烧室内表面的作用。

3.4 单个烧嘴喷头设置旋流叶片和稳焰罩

主烧嘴喷头处设置带有外罩的环状多孔圆锥型火焰稳焰器(图3)。主烧嘴燃料气在排出燃烧嘴之后，其中径向射流部分与经袖孔进入的助燃空气首先混合，形成环状多孔袖火作为稳定火源，来点燃中心主气流并保证中心火焰稳定燃烧。由于合理的结构设计，尽管在主烧嘴处过剩空气系数高达1.7，火焰稳定性仍不会因气流紊流度和热负荷变化而受太大影响。

图3 主烧嘴喷头及稳焰器

在单个辅助烧嘴的设计中，在喷头部位增设旋流叶片(图4)，加强喷头处的空气扰动，促进助燃空气与燃料气的混合，以达到改善燃烧效果的目的。

图4 辅助烧嘴喷头及旋流叶片

烧嘴砖采用整体浇注成型。由于砖体处结构较为复杂，整体烧结的效果不好，采用莫来石和耐火水泥一次浇注成型，有利于烧嘴砖的结构稳定和延长其使用寿命。

4 控制系统设计

QJW-60型浸没式燃烧器的工艺控制系统主要包括燃烧器进气管路控制系统和长明灯进气管路控制系统两部分。长明灯进气管路设有电磁阀、手动球阀和阻火器。燃烧器进气管路设有电磁阀、手动球阀、阻火器、蝶阀和止回阀。燃料气总管设有手动球阀。点火装置由点火程序控制器、点火变压器、点火电极以及紫外线(UV)火焰监测器等组成。

主要控制系统设计如下：

a.开启罗茨风机，向燃烧室供入助燃空气。

b.点火时，打开燃气总管上的手动球阀，然后打开两个进气管路上的手动球阀。按下就地控制箱上“点火启动” 按钮，点火程序控制器控制点火变压器通过点火电极放电，3～5s后长明灯进气管路上电磁阀开启，燃料气通入长明灯，同时引燃长明灯。

c.长明灯点燃后，紫外线(UV)火焰监测器检测到长明灯火焰并持续2～3s后，在就地控制箱上“灭火”指示灯灭，“工作” 指示灯亮；如长明灯未点燃，即紫外线(UV)火焰监测器未能检测到长明灯火焰，控制箱显示“报警”， 长明灯电磁阀关闭。

d.长明灯正常工作2～3s，就地控制箱上“工作” 指示灯亮，同时燃烧器进气管路上两个电磁阀开启，燃气进入燃烧器的各个烧嘴，开始燃烧，燃烧过程中可以通过手动蝶阀进行燃料气量调节。

e.使用过程中，如紫外线(UV)火焰监测器未能检测到长明灯火焰，控制箱报警幷立刻关闭所有电磁阀，切断燃料气。

5 应用效果

QJW-60型浸没式燃烧器自2008年底投入运行至今，运行情况良好，完全满足氯化钙溶液浓缩单元对热负荷和操作的要求。燃烧器在设计负荷下，火焰尺寸(直径0.5～0.8m，长度2.5～3.2m，整体圆柱形)具有良好的可调性能，燃烧空间满足实际工况要求。

NOx和CO抑制效果明显，燃烧器燃烧排放物指标远低于国外同类燃烧器水平并满足当地环保要求(也满足了GB16297-1996《大气污染物综合排放标准》的相关要求)。

针对燃烧控制系统体积小、安全要求高的特点，将控制系统整体模块供货，出厂前已完成整体水压试验及试运行，现场只需与燃料气管线连接即可，减少了现场工作量，为顺利开车提供了必要的保证。这种供货模式得到了用户的充分认可。

燃烧器没有脱火、回火现象，燃烧效果良好。各进气管路无泄漏，就地控制箱操作简便、各控制原件运作灵活，控制系统满足设计要求。

6 问题及改进

由于燃烧器的烧嘴砖与CaCl2液面非常接近，烧嘴砖表面较为潮湿，在高温燃烧情况下，容易出现浇注料爆裂的情况。通过将烧嘴砖整体去除，并加大过剩空气量，降低燃烧峰值温度的方法，很好地解决了这个问题。

燃烧器内助燃空气碳钢挡板因燃烧器频繁开停车操作，水汽上升已经出现锈蚀现象。检修时，将碳钢挡板更换为不锈钢挡板即可满足要求。

7 结束语

QJW-60型燃烧器是天华院设计开发的一种新型用于CaCl2浓缩单元的浸没式燃烧器，通过采用多种先进的燃烧技术和特殊燃烧结构，很好的满足了用户对燃烧器燃烧性能和环保指标的要求，为同类型燃烧器的设计提供了新的设计思路和宝贵的应用经验。