CN102563626B - 一种无焰燃烧装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种采用无焰燃烧技术的燃烧装置，适用于液体燃料，该燃烧室包括前盖板、后盖板、前壁、后壁、上壁、下壁、隔板、耐火涂层、燃料喷嘴、点火器、进气管I、进气管II、进气管III和保温层，其特征是燃烧室为长方形，空气分为多股喷入，除A1外，其他三股空气分别由安装在不同位置的进气管管壁上的进气孔喷出，在燃烧室内形成环形回流结构，利于引射高温烟气回流和稳定燃烧过程，提供了形成液体燃料稳定无焰燃烧的条件，燃烧室的中下部水平置一隔板，排烟口设在后盖板的中下部。该无焰燃烧装置既能在接近当量比的贫燃料状态形成有少许火焰的稀薄燃烧，又可能在较高过剩空气系数时形成无焰燃烧，从而保持低NOx污染物排放。
Description
技术领域
本发明属于燃烧设备技术领域，特别涉及一种采用无焰燃烧方式的燃烧装置。
背景技术
燃烧化石燃料获取热能和动力，在很长一段时期内仍然是能源利用的主要方式，提高燃烧效率、降低污染物排放成为能源利用的重要研究方向之一。无焰燃烧技术以其高效低污染的特点被称为新世纪最有前景的燃烧技术之一，该技术有望解决多种燃烧设备的污染排放问题。
无焰燃烧(Flameless combustion)是一种反应物被稀释后在低氧氛围下的空间分布式燃烧模式，根据火焰形态、反应强度、燃烧条件或者排放情况亦被称为无焰氧化(Flameless oxidation，简写为FLOX)、柔和燃烧(Moderate&intense low oxygen dilutioncombustion，MILD combustion)、高温空气燃烧(High temperature air combustion，简写为HiTAC)和低NOx喷射(Low NOx injection)。无焰燃烧起源于Weinberg的超焓思想，由于高温循环烟气对反应物的稀释和预热，升高了反应物温度，降低了反应区的氧浓度，一旦反应物温度达到着火点便发生慢速氧化反应。大量的烟气循环为燃料提供了高温低氧环境，较大的喷射动量使燃烧室内各处反应物处于亚当量比条件，整个燃烧室类似一个良搅拌反应器，氧化反应发生在整个燃烧空间，并呈现透明的无火焰状态。整个反应区温度均匀，消除了局部高温，故降低了热力NOx的生成量。因此本发明采用无焰燃烧技术，旨在提高液体燃料的燃烧效率，降低污染物排放，满足生活环境的要求。
中国专利申请号200510039296.9提出的“一种燃气或燃油锅炉”在炉膛内部增设了燃烧搅拌反应器，实现了燃料在炉膛内部的无焰燃烧，还增设了蓄热体，而中国专利申请号200510022667.2提出的“采用稀薄-无焰燃烧方式的燃气或燃油锅炉”增设预燃罩，在预燃罩内部实现稀薄燃烧，炉膛内发生二次燃烧，呈现无火焰状态，这两个发明均在炉膛内增设罩体结构，促进燃料、空气和燃烧产物的混合。
国际专利US005899269A“Flameless combustor”提供了一种采用无焰燃烧技术的燃烧室装置，该燃烧室内置套管，并使用催化剂，仅应用于气体燃料。
国际专利US20020069648A1“Novel design of adiabatic combustors”提出一种绝热燃烧室，包括主燃区、燃料入口、主要空气入口和次要空气入口，在燃气轮机燃烧室内形成环形涡，能够维持稳定无焰状态，该发明将燃料直接喷入高温烟气环形涡中遍布整个燃烧区，其燃烧室运行压力比较高，为0.4bar～40bar。
目前的无焰燃烧装置主要采用预热空气、内置搅拌反应器、蓄热体或者使用催化剂等方式，势必提高设备成本。
发明内容
本发明提出一种采用无焰燃烧技术的燃烧装置，适用于液体燃料，无需使用催化剂，无需内置罩体结构和蓄热体，无需专门预热空气，整个燃烧室类似一个大的搅拌反应器，能够在比较大的过剩空气系数范围内达到低NOx排放的目的。
本发明的无焰燃烧装置，适用于液体燃料，燃烧稳定运行的过剩空气系数范围为1.05～3.8，燃烧室内平均温度及排烟低于1600K。既在可以较低过剩空气系数的贫燃料状态形成有少许稀薄火焰的柔和燃烧，又可以在较高过剩空气系数时形成无火焰燃烧，达到低污染排放的目的。本发明的无焰燃烧装置包括前盖板(3)、后盖板(8)、上壁(5)、下壁(11)、前壁(14)、后壁(15)、耐火涂层(8)、隔板(9)、燃料喷嘴(1)、进气管I(4)、进气管II(6)、进气管III(10)、点火器(2)和保温层(12)，其特征在于：燃烧室为长方形，空气分为多股喷入，由进气管壁上的进气孔(16)喷出，每股空气的喷射方向各不相同，进气管均受耐火涂层(8)保护，隔板(9)水平安装在燃烧室的下半部，后部埋入后盖板(3)侧的耐火涂层(8)中，隔板(9)长度小于燃烧室内部空间长度，排烟口(13)设在后盖板(3)的中下部，上缘低于隔板(9)底面，排烟口(13)尺寸根据排烟压力而变。
本发明的技术方案是：燃烧室长320mm、宽160mm、高200mm；燃料喷嘴(1)位于后盖板(3)的中心偏上20～25mm，点火器(2)高度与燃料喷嘴(1)相同，与喷孔出口平面轴向距离85～95mm，所述点火器(2)安装在后壁(15)上，可以沿安装孔前后移动，点火部位偏离燃料喷嘴(1)的轴线25～35mm；每股空气可单独控制，第一股空气(A1)由燃料喷嘴(1)的外围旋流喷出，第二股空气(A2)经过进气管I(4)管壁上的进气孔(16)喷入，第三股空气(A3)经过进气管II(6)管壁上的进气孔(16)喷入，第四股空气(A4)经过进气管III(10)管壁上的进气孔(16)喷入；进气管I(4)、进气管II(6)和进气管III(10)均水平对中安装且管轴与后壁(15)垂直，管壁上的进气孔(16)数量和间距相同，朝向不同，第二股空气(A2)的进气管I(4)安装在后盖板(3)上方，位于后盖板(3)和上壁(5)的相接处，第二股空气(A2)的进气孔(16)与燃料喷嘴(1)的方向相同，第三股空气(A3)的进气管II(6)和第四股空气(A4)的进气管III(10)都水平安装在后壁(15)上，其中第三股空气(A3)的进气管II(6)位于燃烧室的后上方，该股空气的进气孔(16)方向朝下，第四股空气(A4)的进气管III(10)位于燃烧室的后中部，竖直方向高出隔板(9)20mm，所述第四股空气(A4)的进气孔(16)朝向燃料喷射的反方向；第三股空气(A3)的进气管II(6)和第四股空气(A4)的进气管III(10)直径不小于第二股空气(A2)的进气管I(4)，这三股空气的进气管均埋入耐火涂层(8)内部，仅露出所有进气孔(16)，管径和进气孔(16)的尺寸对运行压力和点火过程影响，所述管径、孔径越小点火越困难，运行压力越高；隔板(9)水平安装在燃烧室的下半部，隔板(9)下面空间高度占燃烧室总高度的10～15％，隔板(9)的两侧埋入耐火涂层(8)内部，后部埋入后盖板(3)内表面所涂的耐火涂层(8)中，隔板(9)的前部与前盖板(7)方向的耐火涂层(8)之间有排烟空隙，该空隙的轴向宽度占燃烧室内部轴向长度的15～20％，隔板(9)下面为排烟通道；排烟口(13)设在后盖板(3)的中下部，长方形的排烟口(13)上缘低于隔板(9)底面；整个燃烧室的前壁(14)、后壁(15)、上壁(5)和下壁(11)均为碳钢，壁厚不少于5mm，前盖板(7)和后盖板(3)不小于15mm，燃烧室外加保温层(12)，保温层(12)为50mm厚的岩棉或石棉，外部增加保温砖。
隔板(9)为耐火材料，如刚玉或碳化硅，耐火涂层(8)为耐火泥、耐火水泥或耐火涂料，前盖板(7)和后盖板(3)分别与上壁(5)和下壁(11)相接的直边都用耐火涂层(8)涂抹为圆弧形以减少结构阻力，进气管I(4)、进气管II(6)和进气管III(10)均为耐火材料，如耐热钢、刚玉或碳化硅。
根据操作条件不同，本发明的排烟温度在1000～1550K之间变化，排烟中未发现未燃碳氢化合物UHO，较低排烟温度抑制了热力NOx的生成，NOx排放低于68ppm15％O2，反应过程平稳而安静，燃烧噪声明显降低。
附图说明
图1为本发明无焰燃烧装置的半剖视图。
1为燃料喷嘴，2为点火器，3为后盖板，4为进气管I，5为上壁，6为进气管II，7为前盖板，8为耐火涂层，9为隔板，10为进气管III，11为下壁，12为保温层，13为排烟口。
图2为图1中所示无焰燃烧装置的A-A剖面视图。
14为前壁，15为后壁。
图3为图1中所示无焰燃烧装置的B-B剖面视图。
图4为进气管I(4)、进气管II(6)或进气管III(10)上的进气孔示意图。
16为进气管I(4)、进气管II(6)或进气管III(10)的进气孔。
图5为无焰燃烧装置内进气位置分布进气方向和燃烧室内气流方向示意图。
A1为第一股空气，A2为第二股空气，A3为第三股空气，A4为第四股空气。
17为稀释混合区，主要包括燃料雾化并与第一股空气A1、高温烟气、第二股空气(A2)的稀释混合，18为混合物传热区，燃料温度达到着火点即燃，19为主要反应区，该区反应放热占主体，20为混合反应区，第三股空气(A3)与已燃组分及未燃组分边混合边反应；21为初步混合区，大量空气A4与高温烟气初步混合，22混合动力区，在该区内第四股空气(A4)对高温组分提供回流动力，并完成组分间的传热传质，23为烟气混合区，部分空气与高温烟气初步混合，24为稳定排烟区，25为回流涡，26为备用入口。
图6为本发明无焰燃烧装置的扩展简图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例进行说明。
实施例1：
在本实施例中，该燃烧装置可以应用于燃气轮机。首先供以化学当量比的空气，然后打开点火器(2)，由燃料喷嘴(1)喷入燃料，液体燃料不低于1.0MPa，待着火后关闭点火器(2)并后撤至耐火涂层(8)内，稍微增大气量，第一股空气(A1)卷吸周围的高温气体并辅助燃料雾化，在点火时可以稳定火焰，着火后的油气混合物受空气动力作用边燃烧边行进，此时增加第四股空气(A4)气量，反应物与生成物的混合物沿第四股空气(A4)方向回流至燃料入口处与新进料反应物进行稀释掺混并对其预热；第二股空气(A2)可以降低燃烧室上方的耐火涂层(8)的温度；第三股空气(A3)可以控制气流在燃烧室内的滞留时间，该股气体的流量越大，排烟温度越高，烟气循环率越小；第四股空气(A4)气量越大，卷吸的循环烟气量就越高，在燃烧室内部形成一个较大的环形涡，该涡具有在高湍流度下维持和稳定燃烧过程的作用；第二股空气(A2)、第三股空气(A3)和第四股空气(A4)在环形涡的外部流动可以尽量减少热量的壁面损失；燃烧产物最后流经隔板(9)下面的排烟口(13)排出；隔板(9)上方为高温气体与第四股空气(A4)的混合气体所经之处，隔板(9)下方为高温排烟通道，故在运行过程中隔板(9)根据上下表面的温差将热量由高温面传至低温面。
燃料喷嘴(1)可更换，得到不同的燃料流量和燃烧室热密度；为了保持燃烧室的正常稳定运行，燃料流量不能低于一定值；根据排烟温度的要求，过剩空气系数的上限可以达到5.0，原有空气流量不变的情况下可以在图5中所示的备用入口(26)处增加一股空气，来细微调节出口温度，进气方式同第四股空气(A4)；停工时必须用空气吹扫燃料喷嘴(1)，同时减小各股空气气量；该燃气轮机燃烧室可以在常压下运行，也可用于高压情况。
根据燃气轮机使用场合不同，燃烧室内壁面的耐火涂层(8)厚度酌情减薄，前壁(14)、后壁(15)、上壁(5)、下壁(11)、前盖板(7)和后盖板(3)的厚度酌情减薄，耐火涂层(8)及外壁的材料根据更严格的温度条件和负重要求而改为耐高温轻质合金钢，保温层(12)可改为进气通道，冷却外壁并对空气进行预热。
本发明传质传热的过程为：高速喷射动量引射大量高温烟气循环至稀释混合区(17)处，稀释燃料和第一股空气(A1)、第二股空气(A2)，并将混合物组分混合均匀，经过混合传热区(18)，待组分温度达到着火点即在体积较大的主要反应区(19)发生亚当量比的氧化反应释放热量，随后在混合反应区(20)一边反应放热一边掺入第三股空气(A3)，又被第四股空气(A4)引射回流至初步混合区(21)，在混合动力区(22)在一边反应一边快速传热传质，热量和组分均匀的低氧混合物被卷吸至稀释混合区(17)，为燃料提供了高温低氧环境，还有一部分高温烟气和空气的混合物经由烟气混合区(23)和隔板下方的稳定排烟区(24)从排烟口(13)排出温度均匀的高温烟气，同时隔板上方形成了一个稳定的回流涡(25)，不停地将燃烧室内的温度均匀化，这样就形成了燃烧室内的无焰燃烧。
实施例2：
在本实施例中，该燃烧装置也可以应用于工业窑炉，启动、运行过程、停工均同上；根据煅烧件厚度增加燃烧室的高度，保持隔板(9)下方的空间高度不变，只增加隔板(9)上方的空间高度，燃料喷嘴(1)、第二股空气(A2)和第三股空气气(A3)的竖直位置均相对于上壁(5)不变；由于在平行于原燃烧室竖直轴面的平面内流场结构相似，故将燃烧室内部宽度延长数倍，相应成倍增加燃料喷嘴(1)数目；可保持第四股空气(A4)与下壁(11)的竖直距离不变，将煅烧件沿燃烧室宽度方向水平置于隔板(9)上方的回流涡(25)内，高温气体通过对流和辐射从四周对煅烧件进行加温，此时整个燃烧室内的传热传质过程同实施例1；在前壁(14)和后壁(15)上对应煅烧件的位置预留窗口以便送入和移出工件，待煅烧结束后沿工件方向进行煅烧件更换。
运行过程中根据煅烧温度的需要控制过剩空气系数在1.05～3.8之间；排出的烟气余热进行回收利用，比如预热空气或者煅烧件；该窑炉适宜常压运行。燃烧室外部的保温砖厚度要求大于200mm。
如果以下壁(11)位置为中心上下对称布置上述燃烧空间，将两个隔板之间的壁面去掉，两个隔板(9)之间的部分作为排烟通道，其他燃料喷嘴(1)和每股气的进气位置都不变，这样就有两个上下对称的回流涡结构如图6所示，在两个回流涡(25)内同时煅烧两排工件，可以提高热效率和工作效率。
其他同实施例1。
Claims (6)
1.一种采用无焰燃烧技术的燃烧装置，包括前盖板(3)、后盖板(8)、上壁(5)、下壁(11)、前壁(14)、后壁(15)、耐火涂层(8)、隔板(9)、燃料喷嘴(1)、进气管I(4)、进气管II(6)、进气管III(10)、点火器(2)和保温层(12)，其特征在于：燃烧室为长方形，适用于液体燃料，燃料由安装在后盖板(8)上的喷嘴喷入，空气分为多股喷入，除第一股空气A1外其余空气均由进气管壁上的进气孔(16)喷出，每股空气的喷射方向各不相同，隔板(9)水平安装在燃烧室的下半部，后部埋入后盖板(3)侧的耐火涂层(8)中，隔板(9)长度小于燃烧室长度，排烟口(13)设在后盖板(3)的中下部，上缘低于隔板(9)底面。
2.如权利要求1所述的燃烧装置，其特征在于：第一股空气(A1)由燃料喷嘴(1)的外围旋流喷出，第二股空气(A2)经过进气管I(4)管壁上的进气孔(16)喷入，第三股空气(A3)经过进气管II(6)管壁上的进气孔(16)喷入，第四股空气(A4)经过进气管III(10)管壁上的进气孔(16)喷入，进气管I(4)、进气管II(6)和进气管III(10)均水平安装且管轴与后壁(15)垂直，所有进气孔(16)分别在燃烧室水平轴面上对称分布，数量和间距相同，朝向不同，第三股空气(A3)的进气管II(6)和第四股空气(A4)的进气管III(10)直径不小于第二股空气(A2)的进气管I(4)，第二股空气(A2)的进气管I(4)安装在后盖板(3)上方，位于后盖板(3)和上壁(5)的相接处，第二股空气(A2)的进气孔(16)水平朝前，其中第三股空气(A3)的进气管II(6)位于燃烧室的后上方，该股空气的进气孔(16)方向朝下，第四股空气(A4)的进气管III(10)位于燃烧室的后中部，竖直方向高出隔板(9)20mm，第四股空气(A4)的进气孔(16)朝向燃料喷射的反方向，后三股空气的进气管均埋入耐火涂层(8)内部，仅露出所有进气孔(16)。
3.如权利要求2所述的燃烧装置，其特征在于：第四股空气(A4)沿垂直于前盖板(7)的方向向燃烧室内喷入高温烟气中并强迫烟气转向回流，第二股空气(A2)和燃料喷嘴(1)卷吸高温气流并提供循环动力，第三股空气(A3)则为高温气流提供转向性剪切动力。
4.如权利要求1所述的燃烧装置，其特征在于：燃料喷嘴(1)位于后盖板(3)的中心偏上20～25mm，点火器(2)高度与燃料喷嘴(1)相同，与燃料喷嘴(1)喷孔平面轴向距离85～95mm，所述点火器(2)安装在后壁(15)上，可以沿安装孔前后移动，点火部位偏离燃料喷嘴(1)的轴线25～35mm。
5.如权利要求1所述的燃烧装置，其特征在于：隔板(9)下面为排烟通道，该通道空间高度占燃烧室总高度的10～15％，隔板(9)的两侧埋入耐火涂层(8)内部，后部埋入后盖板(3)内表面所涂的耐火涂层(8)中，隔板(9)的前部与前盖板(7)方向的耐火涂层(8)之间有排烟空隙，该空隙宽度占燃烧室内部轴向长度的15～20％，所述隔板(9)为耐火材料。
6.如权利要求1所述的燃烧装置，其特征在于：燃烧室在常压下稳定运行，过剩空气系数范围在1.05～3.8之间，既可以在较低过剩空气系数的贫燃料状态形成有少许火焰的稀薄燃烧，又可以在较高过剩空气系数时形成无焰燃烧，NOx污染物排放很低。
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