专利名称：一种含高浓度co尾气燃烧特性检测装置及其方法
技术领域：
本发明属于热能的回收与利用技术领域，涉及一种含高浓度CO尾气燃烧特性检测装置，以及含高浓度CO尾气燃烧特性检测方法。
背景技术：
我国钢铁冶金行业和化工行业发展较快，生产工艺中大多数采用电炉、高炉、转炉等能耗较高的生产设备，其产生大量的废气、废热资源，尾气中含有大量的CO成分另外还有二氧化碳、硫化氢、氟化氢、磷化氢等有毒有害物质，这类型废气的任意排放给环境造成了严重的污染，影响企业生产的正常运行。随着我国加强对污染物达标排放和节能降耗的要求，废气、废热资源的再利用必将成为实现污染达标排放和节能降耗的重要手段。含高浓度CO尾气因其热值具有利用价值，企业倾向于利用其做燃料，加热锅炉、窑体等工艺设备， 要使尾气燃烧达到最佳效果，得到最佳工艺条件，必须对含高浓度CO尾气的燃烧特性就行研究。以黄磷尾气利用为例，黄磷生产工艺中采用电炉为冶炼设备，生产过程中每生产一吨黄磷，就同时产生约2500 3000立方米黄磷尾气，其中含有75% 90%的一氧化碳， 其热值到达11723 kj / m3。现今中国黄磷产能为230万t/a，近年来产量约70万t/a，尾气产生量约2. lX109m3/a，而黄磷尾气的利用率不足40%，多余尾气点火放空，对环境造成极大污染。尾气中的一氧化碳资源没有得到合理利用，造成黄磷生产能耗大、成本高，大量的资源浪费和严重的环境污染，已成为制约磷化工发展的主要因素，同时每年超过15亿m3 的CO资源被白白浪费掉。随着我国加强对污染物达标排放和节能降耗的要求，废气、废热资源的再利用必将成为实现污染达标排放和节能降耗的重要手段。近年来各地颁布了《黄磷行业准入条件》，将严格控制黄磷企业的投资建设，对现有规模小，污染大的小型黄磷企业进行限期淘汰、关闭、拆除。2010年云南省颁布的《云南省黄磷行业准入条件》规定黄磷企业必须建设黄磷尾气、炉渣等资源综合利用设施，黄磷生产企业面临着生存的挑战。为了充分利用黄磷尾气，降低当前尾气净化成本，减少对周边环境的污染，现有的黄磷企业面临准入条件的限制，已积极探寻多种方式对黄磷尾气资源化的利用，很多学者也对黄磷尾气的资源化利用提出了多种方式。由于黄磷企业分散，尾气量因产能规模而定， 对黄磷尾气资源化利用的主导方式仍然是燃料利用，多数用于替代煤烧锅炉，或燃气发电。 黄磷生产过程中，由于不同地点、不同海拔的矿石原料成分不同，黄磷生产企业原料供应是多渠道的，导致所产生的黄磷尾气燃气成分多变，所以探寻用于锅炉或发电机组黄磷尾气燃气的燃烧特性，得到其最佳燃烧方法和燃烧结构，是提高其热效率和利用率最有效的方法，也是确保锅炉或发电系统稳定、安全运行的必要。20世纪90年代以来，国内许多黄磷企业或研究单位对利用黄磷尾气作为锅炉燃料进行过一些尝试，主要是将黄磷尾气用作为中低压锅炉的燃料，如用于干燥原料、生产热水蒸汽等，近年某些黄磷企业尝试黄磷尾气燃气发电，但对于黄磷尾气的燃烧特性的研究还未见相关的报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种含高浓度CO尾气燃烧特性检测方法和装置，即在实验室或工业现场利用本发明设备，检测尾气燃烧特性数据，并通过本数据对实际尾气燃烧过程进行合理的工艺控制调整，控制不同CO浓度、不同空燃比，得到不同生产工艺情况下含高浓度CO尾气的燃烧特性和排烟浓度。对不同生产工艺条件下的含高浓度CO尾气成分进行在线监测，取若干不同成分组成的尾气样本，再与不同空气过量系数的空气在燃烧室内进行燃烧。检测过程中定期记录不同测样点试验数据，特别是烟气成分和燃烧温度，观察两者之间的相关关系。从尾气燃烧的动力学和热力学两方面展开，控制不同的燃烧原料气成分和空气配给量，然后对检测数据进行对比研究，结合相关的动力学热力学规律，最后得出含高浓度CO尾气燃烧的动力学和热力学规律。为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种含高浓度CO尾气燃烧特性检测装置，它由配气进气系统、燃烧系统、数据采集处理系统、排烟系统组成，配气进气系统与燃烧系统连通，数据采集系统和排烟系统设置于燃烧系统上。本发明中所述的配气进气系统包括燃气供给部分和助燃空气供给部分，配气进气系统包括燃气供给部分和助燃空气供给部分，其中燃气供给部分包括气源1、压力调节阀 2、水封池3，流量调节阀4和流量计5，气源1与压力调节阀2相通，压力调节阀2与水封池 3相通，水封池3通过流量调节阀4与流量计5相通，流量计5 —端接入燃烧系统的燃烧器 9上的尾气接口 22 ；助燃空气供给部分包括风机6、流量调节阀7和流量计8，流量调节阀7 将风机6与流量计8连通，流量计8接入燃烧系统的燃烧器9上的空气接口 23，空气过剩系数取值范围为0.7 1.5。本发明中所述的流量计5和8为玻璃转子流量计。本发明中所述燃烧系统包括燃烧系统包括燃烧器9和燃烧室10，燃烧器9通入燃烧室内10，其中燃烧器包括尾气接口 22、空气接口 23和燃烧嘴M ；燃烧室上设置有点火孔 16、热电偶插口 20和烟气成分采集仪插口 21，烟气成分采集仪插口 21位置与热电偶插口 20位置相对应，可按实际检测或生产检测要求设置不同的检测点位置。绝缘燃烧室由内衬刚玉体17、轻质硅酸铝纤维保温层18和钢结构体19组成，硅酸铝纤维保温层18位于钢结构体和内衬刚玉体间，厚度为5-lOcm。本发明中所述热电偶插孔与燃烧室底端的距离分别为100mm，300 mm,650 mm, 1100 mm。本发明中所述数据采集处理系统是针对温度数据进行采集处理和燃烧后烟气成分数据进行采集处理，数据采集处理系统包括烟气成分测量仪12、烟气成分显示仪13、热电偶14和温度数字显示仪15，热电偶14插入燃烧室10上的热电偶插口 20，温度数字显示仪15与热电偶相连，烟气成分测量仪12插入燃烧室10上的烟气成分采集仪插口 21，烟气成分显示仪13与烟气成分测量仪12相连。本发明中所述排烟系统是设在燃烧室10上端的烟囱11，能燃烧后烟气引出燃烧室，排放到空气中。本发明另一目的是提供一种含高浓度CO尾气燃烧特性检测方法，将20 300°C 的含高浓度CO尾气经过密闭的管道由气源1通过压力调节阀2减压后引入水封池3，在通过水封池3保证试验安全进行的前提下，经流量调节阀4调节尾气流量为0. 5 2. 5m3/h, 最后经过流量计5进入燃烧器9中；助燃空气由风机6引出后由密闭的管道接入流量计8 后，进入燃烧器9，调节流量调节阀7控制空气过剩系数α =0. 7 1. 5，把电子点火枪伸入点火孔16点燃分别引入燃烧器9的尾气和助燃空气，点燃后点火孔16用隔热材料堵塞，燃气点燃后火焰在燃烧室10内绝热燃烧，将热电偶14插入燃烧室上的热电偶插口 20中，温度数据传输到温度数字显示仪15上，同时烟气成分测量仪12探头插入烟气成分采集仪插口 21中，检测烟气成分，测定后的数据传送到烟气成分显示仪13上，燃烧后的尾气经燃烧室上方的排烟系统11排入空气中。本发明涉及的含高浓度CO尾气燃烧特性检测方法的原理如下
本发明的气体燃烧方式采用扩散式燃烧，通过试验检测含高浓度CO尾气燃烧特性数据，将含高浓度CO尾气成分的原料气和空压机压缩后的助燃空气，通过密闭管道和气体流量计调节到合适流量后，分别输送到燃烧器中，用电子点火枪点燃燃气，燃气在燃烧室中燃烧，通过预留在燃烧室上的热电偶插口，测量燃气燃烧产生的温度，同时利用烟气分析仪测定燃气燃烧过程中的烟气成分。对比燃烧温度与烟气成分之间的关系，寻求其函数关系，以此研究尾气燃烧时的热力学和动力学规律，为含高浓度CO尾气做热源资源化利用提供精确可靠的数据和理论。本发明有益效果
一种含高浓度CO尾气燃烧特性检测装置及其方法，是解决含高浓度CO尾气综合利用中，尾气燃气发电、锅炉运用或做热源用于窑体时的燃气燃烧特性的一种可操作的方法和装置。本方法和装置，可以在实验室和生产实践中对尾气燃烧特性进行检测研究，具有能控制进气量、空气配比、测样可行性高、检测方式灵活等优点。本发明较精确的对含高浓度CO尾气的燃烧特性进行检测研究，并且可以根据需要设定不同的尾气进样量和空气配给量来检测研究尾气在燃气发电和锅炉燃烧中的燃烧特性，有利于尾气作燃料综合利用的研究。本发明涉及的燃烧特性检测装置为常压状态，使用稳定性好、安全性能高。试验方法工艺比较简明，设备简易。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，但不以此来限定本发明。图1是含高浓度CO尾气燃烧特性检测方法流程图。图2是是含高浓度CO尾气燃烧特性检测装置结构示意图。图3是是含高浓度CO尾气燃烧特性检测装置中燃烧室和排烟系统的结构示意图。图4是是含高浓度CO尾气燃烧特性检测装置中燃烧器结构示意图。图5是煤气流量为1. 0 m3/h,四个不同空气过剩系数下燃烧温度(Δ L=Omm)0图6是空气过程系数为1. 3时对应煤气流量下的燃烧温度(Δ L=20mm)。图7是煤气流量为1. OmVh时不同空气过剩系数下烟气中02，CO, CO2含量。图中1气源，2压力调节阀，3是水封池，4是流量调节阀，5是流量计，6是风机，7是流量调节阀，8是流量计，9是燃烧器，10是燃烧室，11是烟囱，12是烟气成分测量仪，13是烟气成分显示仪，14是热电偶，15是温度数字显示仪，16是点火孔，17是内衬刚玉结构体， 18是硅酸铝纤维保温层，19钢结构体，20是热电偶插口，21是烟气成分采集仪插口，22是尾气接口，23是空气接口，对燃烧嘴。
具体实施例方式图2中，将配气进气系统、燃烧系统、数据采集处理系统、排烟系统四部分依次安装；配气进气系统包括燃气供给部分和助燃空气供给部分，其中燃气供给部分包括气源1、 压力调节阀2、水封池3，流量调节阀4和玻璃转子流量计5，气源1与压力调节阀2相通，压力调节阀2与水封池3相通，水封池3通过流量调节阀4与流量计5相通，流量计5 —端接入燃烧系统的燃烧器9上的尾气接口 22 ；助燃空气供给部分包括风机6、流量调节阀7和玻璃转子流量计8，流量调节阀7将风机6与流量计8连通，流量计8接入燃烧系统的燃烧器 9上的空气接口 23。燃烧系统包括燃烧系统包括燃烧器9和燃烧室10，燃烧器9通入燃烧室内10，其中燃烧器包括尾气接口 22、空气接口 23和燃烧嘴M ；燃烧室上设置有点火孔16、热电偶插口 20和烟气成分采集仪插口 21，烟气成分采集仪插口 20位置与热电偶插口 20位置相对应。燃烧室由内衬刚玉体17、轻质硅酸铝纤维保温层18和钢结构体19组成，硅酸铝纤维保温层18位于钢结构体和内衬刚玉体间，厚度为5cm。数据采集处理系统包括烟气成分测量仪12、烟气成分显示仪13、热电偶14和温度数字显示仪15，热电偶14插入燃烧室10上的热电偶插口 20，温度数字显示仪15与热电偶相连，烟气成分测量仪12插入燃烧室10上的烟气成分采集仪插口 21，烟气成分显示仪13 与烟气成分测量仪12相连，烟囱11设在燃烧室10上端。实施例1
黄磷尾气燃烧特性试验将电子点火枪伸入点火孔中，打开电子点火枪，同时打开黄磷尾气流量调节阀，黄磷尾气初始温度是106°C，点燃黄磷尾气，通过流量调节阀调节流量为 1.0m3/h，用隔热保温材料塞住点火孔，防止空气由点火孔进入；打开空气流量调节阀，调节空气流量为过剩空气系数为1. 00，1. 10，1. 20，1. 30 ；点燃后的燃气在燃烧室中进行燃烧， 用热电偶伸入四个燃烧室上的热电偶插口，分别采集温度数据，四个热电偶接口距燃烧室底部的位置分别为100mm，300 mm, 650 mm, 1100 mm ；利用烟气成分分析仪探头伸入燃烧室上预留的烟气成分采集仪插口中，检测烟气成分数据，四个烟气成分分析仪接口距燃烧室底部的位置分别为100mm，300 mm,650 mm, 1100 mm。热电偶和烟气分析仪探头距燃烧室中心点距离为0mm，检测温度数据见图5。燃烧过程中，当空气过剩系数为1. 00时，第一个接口处CO浓度为18%，第二个接口处CO浓度为15%，第二个接口处CO浓度为13%，第四个接口处CO浓度为9%，表明尾气燃烧不充分，未燃成分相对较多，空气过剩系数不合理，燃烧后的烟气通过燃烧室上端的烟囱排入空气中。从图5中我们能看到黄磷尾气燃烧温度最高能达到920°C左右，当尾气流量一定的时候，相同位置燃烧温度随空气过剩系数的增加而提高；在本实验过程中，温度最高位置在300mm处，此煤气流量下燃烧火焰焰头出现在300mm处。在实际运用过程中，可利用本实验结果，根据实际工况中煤气成分和流量计算燃烧火焰焰头，能更加有效的利用热能资源， 实现资源高效利用。实施例2将电子点火枪伸入点火空中，打开电子点火枪，同时打开黄磷尾气流量调节阀，黄磷尾气温度是110°c，点燃黄磷尾气，通过流量调节阀调节流量为1. 0，1. 1，1. 2，1. 3，1. 4m3/h。用隔热保温材料塞住点火孔，防止空气由点火孔进入。打开空气流量调节阀，调节空气过剩系数为相应煤气流量时1. 3时。点燃后的燃气在燃烧室中进行，用热电偶伸入四个燃烧室上的热电偶插口，采集温度数据。四个热电偶接口距燃烧室底部的位置分别为100mm，300 mm, 650 mm, 1100 mm，距燃烧室中心线距离为20mm，温度数据通过数字显示仪显示，数据见图6。图6中，调节不同的煤气流量，调节空气过剩系数为相应煤气流量时的1. 3，热电偶触头距离燃烧室中心线20mm。我们能看出相同空气过剩系数下，不同煤气流量下的煤气燃烧温度变化范围不大，特别是在燃尽点650mm处的温度数据尤为突出。实际工业操作中， 当在需要节约资源实现稳定燃烧的时候，可利用本实验结论，寻找最合适的操作控制点，节约资源。实施例3
将电子点火枪伸入点火空中，打开电子点火枪，同时打开黄磷尾气流量调节阀，黄磷尾气温度是78°C，点燃黄磷尾气，通过流量调节阀调节流量为1.0m3/h。用隔热保温材料塞住点火孔，防止空气由点火孔进入。打开空气流量调节阀，分别调节空气流量过剩空气系数为 0. 8,0. 9，1. 0，1. 1，1. 2，1. 3，1. 4。点燃后的燃气在燃烧室中进行，用烟气成分采集器深入 IlOOmm高处的烟气成分采集孔中，检测烟气成分，烟气成分数据见图7。图7为黄磷尾气燃烧排烟成分中02，CO, CO2的变化情况，当煤气流量为1. 0m3/h时， 在不同的空气过剩系数下，从02和CO的变化趋势来看，在过剩系数为1. 3时，两者趋势出现明显变化，CO量减少到最好，而&含量有所增加，说明在此条件下，尾气燃烧完全，达到最佳燃烧条件。在实际工况中，要做到燃烧最完全，达到最佳目的，控制空气过剩系数是最主要的因素，因此本实验结果对指导实际工艺生产有一定的意义。
权利要求
1.一种含高浓度CO尾气燃烧特性检测装置，其特征在于包括配气进气系统、燃烧系统、数据采集处理系统和排烟系统，配气进气系统与燃烧系统连通，数据采集系统和排烟系统设置于燃烧系统上。
2.按照权利要求1所述含高浓度CO尾气燃烧特性检测装置，其特征在于配气进气系统包括燃气供给部分和助燃空气供给部分，其中燃气供给部分包括气源(1 )、压力调节阀 (2 )、水封池(3 )，流量调节阀(4)和流量计(5 )，气源(1)与压力调节阀(2 )相通，压力调节阀(2 )与水封池(3 )相通，水封池(3 )通过流量调节阀(4)与流量计(5 )相通，流量计(5 ) — 端接入燃烧系统的燃烧器(9)上的尾气接口(22)；助燃空气供给部分包括风机(6)、流量调节阀(7 )和流量计(8 )，流量调节阀(7 )将风机(6 )与流量计(8 )连通，流量计(8 )接入燃烧系统的燃烧器(9)上的空气接口(23)。
3.按照权利要求1所述含高浓度CO尾气燃烧特性检测装置，其特征在于燃烧系统包括燃烧器(9)和燃烧室(10)，燃烧器(9)通入燃烧室内(10)，其中燃烧器包括尾气接口 (22)、空气接口(23)和燃烧喷嘴(24)；燃烧室上设置有点火孔(16)、热电偶插口(20)和烟气成分采集仪插口(21)，烟气成分采集仪插口(21)位置与热电偶插口(20)位置相对应。
4.按照权利要求2所述含高浓度CO尾气燃烧特性检测装置，其特征在于流量计(5；8) 为玻璃转子流量计。
5.按照权利要求3所述含高浓度CO尾气燃烧特性检测装置，其特征在于热电偶插孔与燃烧室底端的距离分别为100mm，300 mm,650 mm, 1100 mm。
6.按照权利要求3所述含高浓度CO尾气燃烧特性检测装置，其特征在于绝热燃烧室包括钢结构体(19)、内衬刚玉结构体(17)，钢结构体和内衬刚玉结构体中间包裹厚度为 5-10cm的硅酸铝纤维保温层(18)。
7.按照权利要求1所述含高浓度CO尾气燃烧特性检测装置，其特征在于数据采集处理系统包括烟气成分测量仪(12)、烟气成分显示仪(13)、热电偶(14)和温度数字显示仪 (15)，热电偶(14)插入燃烧室(10)上的热电偶插口(20)，温度数字显示仪(15)与热电偶相连，烟气成分测量仪(12)插入燃烧室(10)上的烟气成分采集仪插口( 21 )，烟气成分显示仪 (13)与烟气成分测量仪(12)相连。
8.按照权利要求1所述含高浓度CO尾气燃烧特性检测装置，其特征在于排烟系统为烟囱(11)。
9.采用权利要求1所述装置进行含高浓度CO尾气燃烧特性试验的方法，其特征在于 将20 300°C的含高浓度CO尾气经过密闭的管道由气源(1)通过压力调节阀(2)减压后引入水封池(3)，在通过水封池(3)保证试验安全进行的前提下，经流量调节阀(4)调节尾气流量为为不同数值，最后经过流量计(5)进入燃烧器(9)中；助燃空气由风机(6)引出后由密闭的管道接入流量计(8)后，进入燃烧器(9)，调节流量调节阀(7)控制空气过剩系数 α =0. 7 1. 5，把电子点火枪伸入点火孔(16)点燃引入燃烧器(9)的尾气和助燃空气，点燃后点火孔(16)用隔热材料堵塞，燃气点燃后火焰在燃烧室(10)内绝热燃烧，将热电偶(14) 插入燃烧室上的热电偶插口(20)中，温度数据传输到温度数字显示仪(15)上，同时烟气成分测量仪(12)探头插入烟气成分采集仪插口( 21)中，检测烟气成分，测定后的数据传送到烟气成分显示仪(13)上，燃烧后的尾气经燃烧室上方的排烟系统(11)排入空气中。
全文摘要
本发明公开了一种含高浓度CO尾气燃烧特性检测装置及其方法，该装置由配气进气系统、燃烧系统、数据采集处理系统、排烟系统四部分组成，本发明中燃烧系统的燃烧室采用绝热燃烧方式，具有良好的绝热效果，系统均匀稳定，装置中设有排烟系统，保证检测安全进行，可进行不同CO组分下的尾气燃烧特性研究，可以在实验室和生产实践中对尾气燃烧特性进行检测研究，具有能控制进气量、空气配比、可行性高、检测方式灵活、工艺简单，安全性高，稳定性好等优点。
文档编号G01N25/32GK102393403SQ20111030082
公开日2012年3月28日 申请日期2011年10月9日 优先权日2011年10月9日
发明者周洲, 宁平, 郜华萍, 郜烨 申请人:昆明理工大学
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