低NOx燃烧套筒窑的制作方法

技术领域：

本实用新型涉及一种煅烧石灰石的工业窑炉，特别涉及一种低nox燃烧套筒窑。

背景技术：
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电石炉气主要成分为co，炉气中一般还含有焦油、粉尘、少量的氰化物（hcn）等，使用其作为燃气进行二次利用不但节约生产成本，而且减少电石炉co排放对环境的危害，还能锻烧出品质优良的石灰。电石炉气的回收利用主要是作为燃料用于煅烧石灰,而环形套筒石灰窑成为利用密闭电石炉尾气煅烧高品质活性生石灰生产的首选窑型。

但与冶金及其他行业相比，由于电石炉气自身较高的热值及含有hcn等含氮化合物，采用电石炉气为燃料，使得环形套筒窑最终排放的烟气中的nox普遍偏高（一般＞300mg/nm3@8%基准氧含量），已不能满足日益严苛的环保排放要求。

正如《工业炉》第34卷第5期（2012年9月）中公开的“500t/d套筒石灰窑的工业设计”（赵义琴）中所介绍的那样，套筒窑的主体结构包括内筒和外筒，内筒和外筒同心布置，形成一个环形煅烧空间。在套筒窑的中部设置有上下两层燃烧室，即上燃烧室和下燃烧室。石灰石从套筒窑顶部经过窑内的预热带、逆流煅烧带、并流煅烧带、冷却带，最后进入窑底料仓。套筒窑的燃烧系统由燃气系统、内套筒冷却风系统、驱动风系统、石灰冷却风系统及排烟系统组成。

在上述现有的套筒窑中，驱动风系统通过罗茨风机经换热器和驱动风环管供给到喷射管的驱动风是环境空气；石灰冷却风系统将石灰冷却空气从套筒窑底部吸入窑底料仓的上部来对烧成的石灰进行冷却。这种方式存在以下隐患：

1）现有套筒窑的驱动风和石灰冷却空气都来自空气，造成窑内的空气系数增加，致使烟气中的nox失控，具体地，过量的石灰冷却空气对nox的不利影响表现为两个方面：①燃烧环境中的o2增加，滋生了nox生成的活跃氧化环境，造成燃烧烟气中nox增加；②最终烟气中的o2增加，折算成基准氧含量的nox含量也相应增加；

2）由于石灰冷却空气仅通入窑底料仓上部对石灰进行冷却，虽然石灰表面已冷却至较低温度，但进入窑底料仓后，石灰内部的热量持续向表面传递，此时无冷却空气进入，导致在窑底料仓内的石灰整体温度持续上升，最终达到内部与表面的新平衡温度。

针对上述第2）点问题，现有技术中通常采取通入大量的石灰冷却空气，以期降低出灰温度，提高窑底胶带机的使用寿命，但这种方式却带来了显而易见的弊端：

a）石灰冷却空气的利用效率低，石灰冷却空气的流量与石灰的温度降不成比例。进一步导致：①大量的石灰冷却空气导致热耗增加；②完成石灰冷却后的热空气温度偏低，此部分热空气参与到循环气体中，还造成循环气体温度的降低。

b）过量的石灰冷却空气进入窑内，造成窑内空气系数增加，造成烟气中的nox失控，具体地，过量的石灰冷却空气对nox的不利影响表现为两个方面：①燃烧环境中的o2增加，滋生了nox生成的活跃氧化环境，造成燃烧烟气中nox增加；②最终烟气中的o2增加，折算成基准氧含量的nox含量也相应增加。

技术实现要素：
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为克服上述问题，本实用新型提供一种低nox燃烧套筒窑将是有利的。

为此，本实用新型提供的低nox燃烧套筒窑包括内筒、外筒、位于内筒和外筒之间的环形煅烧空间、上燃烧室、下燃烧室、窑底料仓、驱动风系统以及石灰冷却风系统，其中，上燃烧室装设有分级燃烧低nox烧嘴；驱动风系统包括加长喷射器、与下燃烧室相连通并承载加长喷射器的引射通道，该引射通道具有与加长喷射器相适配的加长引射口；石灰冷却风系统包括通入窑底料仓上部的自吸冷却风管以及通入窑底料仓料层的冷却风环管。

在本实用新型中，由于上燃烧室采用了分级燃烧低nox烧嘴，能够使上燃烧室燃料燃烧更充分、高温燃烧区外侧形成很强的还原性气氛，防止燃烧室温度过高造成耐材损坏，同时可显著提高燃料燃尽率，减少燃料消耗，有效抑氮氧化物nox的生成；由于驱动风系统采用了加长喷射器，且其引射通道采用了加长引射口，使得驱动风喷出位置下行，送风距离远，从而能够以更少的驱动风量为循环气体带来更强的动力源，使得循环参与套筒窑内煅烧的循环气体量增加，促成了下燃烧室无焰燃烧的形成，即同时创造了更高的燃烧前混合物温度、更低的燃烧前混合物氧含量的无焰状态的低nox燃烧热力学条件，这不仅能提高燃烧品质，且窑顶及出灰温度能够降低，从而使系统热耗更低；并且，该结构带来的高效喷射还有利于延缓引射通道中加长引射口周围的粉尘结垢，延长结垢清理周期；在控制较低的总石灰冷却风量的前提下，一部分石灰冷却风可以经由自吸冷却风管进入窑底料仓上部，另一部分石灰冷却风可以经由冷却风环管进入窑底料仓料层，继续对窑底料仓内的石灰进行冷却，然后进入窑内冷却带，这样相当于整个冷却带加长，冷却效率增加，石灰从进入窑底料仓开始至通过电振排到窑底大倾角胶带机为止的整个过程，一直都有冷却风对其冷却，使得进入窑底大倾角胶带机时的石灰至少表面温度是较低的，可有效保护窑下胶带机。

进一步,冷却风环管经由冷却风分管与自吸冷却风管相连接，并且在该冷却风分管上装设有离心风机。

通过离心风机的设置，使得来自自吸冷却风管的部分石灰冷却风以主动供风的方式通过冷却风环管进入窑底料仓料层。

再进一步，驱动风系统还包括与加长喷射器相连接的驱动风环管；并且,低nox燃烧套筒窑还包括烟气外循环系统，该烟气外循环系统包括循环烟气总管、第一循环烟气支管、第二循环烟气支管，其中，循环烟气总管一端连接低nox燃烧套筒窑的除尘风机和排放烟囱之间的排烟管道，另一端分别连接第一循环烟气支管和第二循环烟气支管，第一循环烟气支管经混合烟气管、混合烟气管上的驱动风机以及换热器与驱动风环管相连接，其中，混合烟气管设置成在连接第一循环烟气支管的同时还连接第一环境空气管,从而使得循环烟气和环境空气按比例混合构成的驱动风在驱动风机的驱动下经换热器升温后进入加长喷射器；自吸冷却风管设置成与第二循环烟气支管和第二环境空气管同时连接从而使得循环烟气和环境空气按比例混合构成的石灰冷却风自吸进入自吸冷却风管。

通过上述结构设置，除尘后排出到套筒窑外的部分烟气分成两路循环烟气送回套筒窑：一路循环烟气与环境空气掺混后最终进入加长喷射器作为驱动风，另一路循环烟气与环境空气掺混后作为石灰冷却风，从而实现了更多的燃烧烟气通过驱动风和冷却风的方式参与循环来煅烧石灰，由于烟气中的含氧量较低，从而降低燃烧区的氧浓度，实现下燃烧室的无焰燃烧，抑制氮氧化物nox的生成，且使得炉内温度分布均匀，为耐火材料创造了健康的使用环境，极大地提高了下燃烧室、下拱桥的使用寿命及整个环形套筒窑内衬的大修周期。

又进一步，在该循环烟气总管上设置有多管冷却器和循环风机；在第一循环烟气支管和第二循环烟气支管上都装设有流量调节阀和流量检测装置。

通过多管冷却器的设置，使得循环烟气的温度得到降低，从而为更好地去冷却石灰做准备，循环风机能够帮助循环烟气在管道中的输送；流量调节阀和流量检测装置的设置使得能够调节驱动风和石灰冷却风中的循环烟气和环境空气的比例，从而能够更好地进行nox排放量的控制。

还进一步，流量调节阀为电动调节蝶阀；流量检测装置为流量孔板或涡街流量计或电磁流量计。

进一步，第一环境空气管上设置有进口过滤器和流量调节阀。

通过上述结构设置，使得进入混合烟气管的环境空气受到过滤并进行了流量控制，以更好地调节循环烟气和环境空气的比例。

进一步，冷却风环管通过冷却风分管连接至自吸冷却风管的弯部，并且其上设置有多个冷却风入口从而将来自自吸冷却风管的部分石灰冷却风通入窑底料仓料层。

通过这些冷却风入口的设置，使得部分石灰冷却风能够均匀地进入窑底料仓料层。

加长喷射器具有加长喷射管，该加长喷射管具有小口径喷射口。

通过加长喷射管和小口径喷射口的设置，驱动风能够进一步得以高效喷射，从而以更少的驱动风量带来更强的循环气体动力源，循环气体量的增加不仅提高了燃烧品质，窑顶及出灰温度降低，从而使系统热耗更低。

进一步，分级燃烧低nox烧嘴包括向上燃烧室通入一部分燃气并通入用于上燃烧室的全部助燃空气的中心烧嘴、以及向上燃烧室通入另一部分燃气的行星烧嘴。

通过上述结构，使得上燃烧室的燃烧分为中心一次燃烧区、外围二次燃烧区和燃尽区，其中，中心一次燃烧区是氧化性或弱还原性气氛；外围第二燃烧区可称为还原区或再燃烧区，呈还原性气氛，在高温和还原气氛下，生成碳氢原子团，该原子团与一次燃烧区生成的nox反应，主要生成n2；燃尽区在还原区即外围第二燃烧区的上方，从下燃烧室自下而上的烟气中多余的o2，使上燃烧室的再燃燃料燃烧完全，燃尽过程中虽然会重新生成少量的no，但总的来看，上燃烧室最终nox排放量会大大降低。

通过参考下面所描述的实施例，本实用新型的上述这些方面和其他方面将会得到更清晰地阐述。

附图说明：

本实用新型的结构以及进一步的目的和优点将通过下面结合附图的描述得到更好地理解，其中，相同的参考标记标识相同的元件：

图1是根据本实用新型的一个具体实施方式的低nox燃烧套筒窑的烟气外循环系统的结构示意图；

图2是根据本实用新型的一个具体实施方式的低nox燃烧套筒窑的石灰冷却风系统的结构示意图；

图3是沿着图2中a-a线的剖面图；

图4是沿着图3中b-b线看过去部分结构示意图；

图5是沿着图3中c-c线的剖面图；

图6是根据本实用新型的一个具体实施方式的低nox燃烧套筒窑的驱动风系统的部分结构示意图；

图7是现有套筒窑的类似图6所示位置的结构图以与图6中本实用新型的结构相对比；

图8是根据本实用新型的一个具体实施方式的低nox燃烧套筒窑的上燃烧室的结构示意图。

具体实施方式：

下面将结合附图描述本实用新型的具体实施方式。

如图1和图2所示，并参考图3至图8，根据本实用新型一个具体实施方式的低nox燃烧套筒窑包括内筒1、外筒2、位于内筒1和外筒2之间的环形煅烧空间12、上燃烧室3（见图8）、下燃烧室（图未示）、窑底料仓5、驱动风系统6以及石灰冷却风系统7，其中，上燃烧室3装设有分级燃烧低nox烧嘴4；驱动风系统6包括加长喷射器60、与下燃烧室相连通并承载加长喷射器60的引射通道62，该引射通道62具有与加长喷射器60相适配的加长引射口620；石灰冷却风系统7包括通入窑底料仓5上部的自吸冷却风管70以及通入窑底料仓5料层的冷却风环管72。应当理解的是，驱动风系统6还包括与加长喷射器60相连接的驱动风环管（图未示）以为加长喷射器60提供驱动风。

如图1所示，在本实施方式中，低nox燃烧套筒窑还包括烟气外循环系统8，该烟气外循环系统8包括循环烟气总管80、第一循环烟气支管81、第二循环烟气支管82。循环烟气总管80一端连接低nox燃烧套筒窑的除尘风机和排放烟囱之间的排烟管道（图未示），另一端分别连接第一循环烟气支管81和第二循环烟气支管82。第一循环烟气支管81经混合烟气管83、混合烟气管83上的驱动风机85以及换热器与驱动风环管相连接。混合烟气管83设置成在连接第一循环烟气支管81的同时还连接第一环境空气管89,从而使得循环烟气和环境空气按比例混合构成的驱动风在驱动风机85的驱动下、经换热器升温后、由驱动风环管进入加长喷射器60。

再如图1所示，在该循环烟气总管80上设置有多管冷却器86和循环风机87；在第一循环烟气支管81和第二循环烟气支管82上都装设有流量调节阀91和流量检测装置93。其中，在本实施方式中，流量调节阀91为电动调节蝶阀；流量检测装置93为流量孔板，当然在其它的实施方式中也可以是涡街流量计或电磁流量计等。另外，在本实施方式中，第一环境空气管89上设置有进口过滤器92和流量调节阀91。

如图1所示，自吸冷却风管70设置成与第二循环烟气支管82和第二环境空气管84同时连接，从而使得循环烟气和环境空气按比例混合构成的石灰冷却风自吸进入自吸冷却风管70内。如图2至图5所示，冷却风环管72经由冷却风分管71与自吸冷却风管70相连接，并且在该冷却风分管71上装设有离心风机73，该离心风机73装设于安装支架74上。如图4所示，冷却风环管72通过冷却风分管71连接至自吸冷却风管70的弯部701处，并且，冷却风环管72上设置有多个冷却风入口(图未示)，这些冷却风入口优选均布于冷却风环管72上，从而将来自自吸冷却风管70的部分石灰冷却风通入窑底料仓5的料层中。

如图6所示，加长喷射器60具有加长喷射管600，该加长喷射管600具有小口径喷射口601。对比图7所示，本实施方式所采用的加长喷射器60较现有套筒窑内使用的普通喷射器60’在长度上明显加长，即采用了加长喷射管600，而小口径喷射口601的喷射口径设计得较图7中普通喷射器60’的普通喷射管600’的喷射口径小。同时，对比图6和图7，本实施方式的引射通道62具有与加长喷射器60的加长喷射管600相适配的加长引射口620，而现有套筒窑的引射通道62’具有的则是普通喷射口620’，而加长引射口620相较普通喷射口620’的高度加长。如图6所示，套筒窑内的循环气体（如图6箭头所示）经循环气体管63进入引射通道62，经加长喷射器60喷射出的驱动风带动下行进入下燃烧室。

如图8所示，分级燃烧低nox烧嘴4包括中心烧嘴40和行星烧嘴42。通过中心烧嘴40向上燃烧室3通入一部分燃气并通入用于上燃烧室的全部助燃空气，同时通过行星烧嘴42向上燃烧室3通入另一部分燃气，从而在上燃烧室3处形成中心一次燃烧区30（即中心烧嘴40的主燃烧区）、外围二次燃烧区32（即行星烧嘴42的燃烧区）以及燃尽区34（即上拱桥36区域的料层内）。

下面参考图1至图8介绍一下本实施方式的低nox燃烧套筒窑的低nox燃烧工艺，该低nox燃烧工艺包括如下步骤：

下料、石灰石预热、逆流煅烧、并流煅烧以及石灰冷却，其中，在逆流煅烧的步骤中，上燃烧室3采用分级燃烧低nox烧嘴4从而将上燃烧室3的燃烧分为中心一次燃烧区30、外围二次燃烧区32和燃尽区34；在并流煅烧的步骤中，通过加长喷射器60和具有加长引射口620的引射通道62驱动更多循环气体进入下燃烧室；在石灰冷却的步骤中，在控制总石灰冷却风量的前提下，一部分石灰冷却风经由自吸冷却风管70进入窑底料仓5上部，另一部分石灰冷却风以离心风机73主动供风的方式通过冷却风环管72进入窑底料仓5的料层内；

上述低nox燃烧工艺还包括烟气外循环的步骤，在该步骤中，经除尘后排出到套筒窑外的烟气的10～20%在经过多管冷却器86冷却后、通过循环风机87分成两路循环烟气送回套筒窑：一路循环烟气与环境空气按比例掺混后通过驱动风机85鼓入换热器预热后最终进入加长喷射器作为驱动风，另一路循环烟气与环境空气掺混后自吸进入自吸冷却风管70作为石灰冷却风；

上述一路循环烟气和对应的环境空气在进入驱动风机85之前都经过各自对应的流量调节阀91进行流量调节以调节其在驱动风中的比例，所述另一路循环烟气在送至自吸冷却风管70之前也经过与其对应的流量调节阀91进行流量调节以调节其在石灰冷却风中的比例；

上述一路循环烟气以及上述另一路循环烟气在经过各自对应的流量调节阀91之前先经过各自对应的流量检测装置93进行流量检测；

在上述石灰冷却的步骤中，借助于离心风机73将来自自吸冷却风管70的一部分石灰冷却风通过冷却风环管72上设置的多个冷却风入口进入窑底料仓5的料层；

在上述逆流煅烧的步骤中，上燃烧室3的一部分燃气和用于上燃烧室3的全部助燃空气由分级燃烧低nox烧嘴4的中心烧嘴40进入，上燃烧室3的另一部分燃气由分级燃烧低nox烧嘴4的行星烧嘴42进入；

在上述并流煅烧的步骤中，还进一步通过为加长喷射器60提供具有小口径喷射口601的加长喷射管600来驱动更多循环气体进入下燃烧室。

需要说明的是，进入图6所示循环气体管63的循环气体来自内筒1，该循环气体包括来自窑底料仓5的被高温石灰预热后的石灰冷却风以及来自并流煅烧产生的高温烟气这两股气流，也就是说，这两股气流通过内筒1的下内筒入口（图未示）处进入内筒1形成循环气体，从而使得循环气体沿如下路线不断往复：下内筒入口→循环气体管63→加长喷射器60→下燃烧室的料层→下内筒入口。

相对现有技术，本实施方式的实用新型具有如下优势：

1）采用了烟气外循环技术，实现了更多的燃烧烟气参与循环，即采用将除尘后的一部分烟气通过循环风机引回套筒窑的驱动风系统及石灰冷却风系统，促成了下燃烧室无焰燃烧的形成，同时创造了更高的燃烧前混合物温度、更低的燃烧前混合物氧含量的无焰状态的低nox燃烧热力学条件；

2）采用了高效喷射技术，一方面以更少的驱动风量带来更强的循环气体动力源，循环气体量的增加不仅提高了燃烧品的品质，窑顶及出灰温度降低，使系统热耗更低，另一方面有利于延缓喷射口周围的粉尘结垢，延长喷射器清理周期；

3）上燃烧室采用分级燃烧低nox烧嘴，使得上燃烧室燃料燃烧更充分、高温的中心一次燃烧区外侧形成很强的还原性气氛的外围二次燃烧区，防止上燃烧室温度过高同时使得炉内温度分布均匀，为耐火材料创造了健康的使用环境，极大地提高了下燃烧室、下拱桥的使用寿命及整个环形套筒窑内衬的大修周期，降低燃烧区的氧浓度，大大降低nox的排放；

4）石灰冷却风分布方式进行了优化：除了进入窑底料仓上部的一部分石灰冷却风，另一部分石灰冷却风先进入窑底料仓的料层，然后进入窑内冷却带，相当于整个冷却带加长，冷却效率增加。石灰从进入窑底料仓开始至通过电振排到窑底大倾角胶带机为止的整个过程，一直有冷却空气对其冷却，也就是说，进入窑底大倾角胶带机时，至少石灰表面温度是较低的，可有效保护窑下胶带机；

5）实现无焰燃烧：实现无焰燃烧的基本思想是让燃料在高温低氧浓度气氛中燃烧，本实用新型达到这一目的采取的两项基本技术措施：一项是利用热回收技术来提高驱动风（在套筒窑内作为二次助燃空气）和石灰冷却风（在套筒窑内作为三次助燃空气）的显热，具体地说，利用换热器来提高驱动风的显热，并利用石灰冷却风冷却高温的石灰而提高显热；另一项是将燃烧过的气体即循环气体卷入下燃烧室，由于循环气体本身的高温及低氧气氛特征，同时由于通过高效喷射技术产生了更多回流的循环气体，从而为无焰燃烧创造了基本条件；另外，由于采用优化的石灰冷却风分布方式，在整体空气过剩系数保证的前提下，可以减少空气用量，有效提高燃烧前混合物的温度、降低燃烧前混合物的氧含量，从而减少超低nox排放。

本实用新型的技术内容及技术特点已揭示如上，然而可以理解，在本实用新型的创作思想下，本领域的技术人员可以对上述结构作各种变化和改进，包括这里单独披露的或要求保护的技术特征的组合，以及明显地包括这些特征的其它组合。这些变形和/或组合均落入本实用新型所涉及的技术领域内，并落入本实用新型权利要求的保护范围。

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