CN103471101B

CN103471101B - 一种多喷嘴分散燃烧的低NOx燃气燃烧器

Info

Publication number: CN103471101B
Application number: CN201310445243.1A
Authority: CN
Inventors: 陈冬林; 杨建波; 吴雪晴
Original assignee: Changsha University of Science and Technology
Current assignee: Changsha University of Science and Technology
Priority date: 2013-09-26
Filing date: 2013-09-26
Publication date: 2017-01-18
Anticipated expiration: 2033-09-26
Also published as: CN103471101A

Abstract

本发明提供了一种多喷嘴分散燃烧的低NOx燃气燃烧器，包括隔热瓦、第一级燃烧器、第二级燃烧器、第一级燃料分配管以及风箱；隔热瓦上设有第一通道以及第二通道，隔热瓦的下端与风箱的上端连接，且第一通道与风箱的空腔相通；第一级燃料分配管设置在风箱的空腔以及第一通道内，第二级燃烧器设置在第二通道内；第一级燃料分配管的顶端设有半球形封闭面，第一级燃烧器的末端设置在半球形封闭面上，且第一级燃料分配管的内部与第一级燃烧器的内部相通。本发明技术综合了燃料分级、烟气再循环和多点分散燃烧控制技术，具有可形成多点分散燃烧的长火焰、降低燃烧火焰峰值温度、均匀炉内热负荷分布、超低NOx生成的特点。

Description

一种多喷嘴分散燃烧的低NOx燃气燃烧器

技术领域

本发明涉及工业炉窑的燃烧设备领域，具体公开了一种多喷嘴分散燃烧的低NOx燃气燃烧器。

背景技术

工业炉窑燃烧设备中燃烧器是主要部件之一，燃烧过程中生成的NOx是造成环境污染的主要因素之一，NOx生成量的高低成为衡量燃烧器燃烧性能的重要指标之一。

现有的工业技术中，NOx的生成主要有三种：燃料型NOx、热力型NOx以及快速型NOx。气体燃料燃烧过程中生成的NOx主要是燃料型NOx和热力型NOx，因此，对于燃烧气体燃料控制NOx生成主要是控制热力型NOx和燃料型NOx的生成或将已生成的NOx还原。温度对热力型NOx的生成具有决定性作用，不同的燃烧器在燃烧室内产生不同的热强度分布，不同的热强度分布产生不同的温度分布，因此设计一款新型燃烧器使其既能满足燃料着火和燃烧的需要又能减少NOx的生成成为实现低NOx排放的关键。

现有的工业燃气炉窑均是采用单级燃烧器，这种简单的单级燃烧器会产生很高水平的NOx排放，无法满足相关环保标准的要求。

目前使用的低NOx燃烧技术主要有三种：（1）空气分级燃烧技术，它使助燃空气分流以建立贫氧的第一燃烧区，从而减少NOx的生成，在第二燃烧区将剩余的部分空气引入，从而完成整个燃烧过程；（2）燃料分级燃烧技术，助燃空气一次全部引入第一燃烧区，但在第一燃烧区只供应部分燃料，剩余燃料被引入第二燃烧区，利用第一燃烧区过剩的氧进行燃烧；（3）烟气再循环燃烧技术，利用助燃空气或燃料气流产生的低压区促使接近于惰性的烟气回流到燃烧气流中，降低局部燃烧温度及形成局部还原性气氛，从而减少NOx的生成。

现有的三种低NOx燃烧技术都存在局部高温和/或燃烧不稳定的问题，因此，设计一种适合工业应用的低NOx燃烧器具有重要的意义。

发明内容

本发明目的在于提供一种以燃料气为燃料的大功率、长火焰、热负荷分布均匀、操作便捷、宽调节比、超低NOx排放的多喷嘴分散燃烧的低NOx燃气燃烧器，本发明的技术方案具体是：

一种多喷嘴分散燃烧的低NOx燃气燃烧器，包括隔热瓦、第一级燃烧器、第二级燃烧器、第一级燃料分配管以及风箱；

所述隔热瓦的纵向中心轴上设有第一通道，所述第一通道的外围等间距设有第二通道，所述隔热瓦的下端与所述风箱的上端连接，且所述第一通道与所述风箱的空腔相通；

所述风箱上设有进风口；

所述第一级燃料分配管纵向设置在所述风箱的空腔以及第一通道内，所述第二级燃烧器设置在所述第二通道内，且所述第二级燃烧器的顶端设有第二级燃料喷嘴；

所述第一级燃料分配管的顶端设有半球形封闭面，所述第一级燃烧器的末端设置在所述半球形封闭面上，且所述第一级燃料分配管的内部与所述第一级燃烧器的内部相通；所述第一级燃烧器的顶端设有第一级燃料喷嘴。

以上技术方案中优选的，所述半球形封闭面的半径为第一级燃料分配管的横截面半径的1～1.5倍。

以上技术方案中优选的，所述第一级燃料喷嘴的喷孔中心线与所述第一级燃烧器的中心线在同一直线上，所述第一级燃料喷嘴的喷孔中心线与水平线的夹角为20°～60°。

以上技术方案中优选的，所述第一级燃烧器的数量为6～10个，且所述第一级燃烧器均匀分布在所述半球形封闭面圆周上。

以上技术方案中优选的，所述第二级燃料喷嘴的喷孔中心线与所述隔热瓦的斜面相平行，所述第二级燃料喷嘴的喷孔中心线与水平线的夹角为50°～80°。

以上技术方案中优选的，所述第二级燃烧器的数量为6～10个。

以上技术方案中优选的，所述第二级燃烧器的末端与第二级燃料分配管连通。

以上技术方案中优选的，所述进风口内设有调风挡板，所述调风挡板与水平线的夹角为0°～90°。

以上技术方案中优选的，所述第一级燃烧器的燃烧负荷占总燃料的10%～40%，所述第二级燃烧器的燃烧负荷占总燃料的60%～90%。

为了达到更好的技术效果，还包括辅助燃烧器，所述辅助燃烧器与所述第一级燃料分配管纵向并列设置在所述风箱的空腔以及第一通道内。

本发明具有以下有益效果：

（1）本发明中半球形封闭面的半径为第一级燃料分配管横截面半径的1～1.5倍，同时可以设计多个第一级燃烧器，且各第一级燃烧器沿半球形封闭面的圆周均匀布置，能够更好地均匀分配一级燃料，通过火焰面的分散来降低燃烧温度，达到低NOx燃烧。

（2）本发明中第一级燃料喷嘴的喷孔中心线与第一级燃烧器的中心线在同一直线上，第一级燃料喷嘴的喷孔中心线与水平线的夹角为20°～60°,倾斜布置燃料喷嘴的喷孔中心线使得其出口射流具有切向速度，可以产生旋流气流，促进燃气与助燃空气的良好混合。

（3）本发明中第二级燃料喷嘴的喷孔中心线与隔热瓦的斜面相平行，第二级燃料喷嘴的喷孔中心线与水平线的夹角为50°～80°，从而吸引烟气沿喷孔中心线方向进入第二燃烧区，降低局部燃烧温度及形成局部还原性气氛，减少NOx生成。

（4）本发明中第二级燃烧器的末端与第二级燃料分配管连通，其作用也是能将第二级燃料均匀分配，有利于后续的燃烧。

（5）本发明中进风口内设有调风挡板，调风挡板与水平线的夹角为0°～90°，可以通过调风挡板根据实际的需求调节空气的量。

（6）本发明中第一级燃烧器的燃烧负荷占总燃料的10%～40%，第二级燃烧器的燃烧负荷占总燃料的60%～90%；第一、二级燃烧器布置数量及燃烧负荷的选取使得本发明燃烧器具有较宽的负荷调节，最高可达10：1，允许操作者在优化和稳定的热通量条件下进行操作。

（7）本发明中辅助燃烧器的设计，它的作用是当炉窑处于低负荷或燃烧不稳定等工况时来维持炉内燃烧火焰稳定，维持炉膛温度水平，避免炉膛温度大幅波动。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明实施例1的整体结构示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是图1中的A-A视图；

1-调风挡板，2-风箱，21-进风口，3-第一级燃料入口，4-第一级燃料分配管，5-辅助燃料入口，6-第二级燃料入口，7-第二级燃料分配管，8-第二级燃烧器，9-第二级燃料喷嘴，10-隔热瓦，101-第一通道，102-第二通道，11-辅助燃烧器，12-第一级燃烧器，13-半球形封闭面，14-第一级燃料喷嘴，15-耐火墙，16-第二级燃料进气管。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例1：

一种多喷嘴分散燃烧的低NOx燃气燃烧器，详见图1、图2以及图3，包括隔热瓦10、第一级燃烧器12、第二级燃烧器8、第一级燃料分配管4、辅助燃烧器11以及风箱2。

所述隔热瓦10的纵向中心轴上设有第一通道101，所述第一通道101的外围等间距设有第二通道102，所述隔热瓦10的下端与所述风箱2的上端连接，且所述第一通道101与所述风箱2的空腔相通，能够强化燃气与助燃空气的混合；第二级燃烧器8沿隔热瓦10外侧圆周均匀布置，可强化炉内热负荷分布的均匀性。

所述风箱2下端设有进风口21，所述进风口21内设有调风挡板1，所述调风挡板1与水平线的夹角c为0°～90°，根据实际的需求，调节空气流量等，实用性强。助燃空气在风箱2上端的均匀分布是通过加高风箱高度、在风箱中添加多孔填料等方式实现。

所述第一级燃料分配管4以及辅助燃烧器11纵向并列设置在所述风箱2的空腔以及第一通道101内。第一级燃料经第一级燃料入口3后进入第一级燃料分配管4再通过第一级燃烧器12的第一级燃料喷嘴14喷出后，与全部助燃空气混合形成第一燃烧区，进行贫燃料燃烧，降低NOx生成；辅助燃气从辅助燃料入口5进入辅助燃烧器11，它的作用是当炉窑处于低负荷或燃烧不稳定等工况时来维持炉内燃烧火焰稳定，维持炉膛温度水平，避免炉膛温度大幅波动。

所述第二级燃烧器8设置在所述第二通道102内，所述第二级燃烧器8的顶端设有第二级燃料喷嘴9，所述第二级燃烧器8的末端与第二级燃料分配管7连通；所述第二级燃料喷嘴9的喷孔中心线与所述隔热瓦10的斜面相平行，所述第二级燃料喷嘴9的喷孔中心线与水平线的夹角b为50°～80°，从而吸引烟气沿喷孔中心线方向进入第二燃烧区，降低局部燃烧温度及形成局部还原性气氛，减少NOx生成。使用时，第二级燃料经第二级燃料入口6进入第二级燃料分配管7再经过第二级燃料进气管16进入第二级燃烧器8，最后经第二级燃烧器8上端的第二级燃料喷嘴9喷出，在第一燃烧区外侧形成第二燃烧区。在第二级燃料经第二级燃料喷嘴喷出时将吸引烟气沿喷孔中心线方向进入第二燃烧区，烟气再循环形成的局部还原性气氛可将在第一燃烧区生成的NOx还原成N2，且此时第二燃烧区最高火焰温度不会达到常规燃烧器的火焰温度，这些都大大降低了NOx的生成。

所述第一级燃料分配管4的顶端设有半球形封闭面13，所述第一级燃烧器12的末端设置在所述半球形封闭面13圆周上，且所述第一级燃料分配管4的内部与所述第一级燃烧器12的内部相通，所述半球形封闭面13的半径为第一级燃料分配管4的横截面半径的1～1.5倍；所述第一级燃烧器12的顶端设有第一级燃料喷嘴14，所述第一级燃料喷嘴14的喷孔中心线与所述第一级燃烧器12的中心线在同一直线上，所述第一级燃料喷嘴14的喷孔中心线与水平线的夹角为20°～60°，倾斜布置燃料喷嘴的喷孔中心线使得其出口射流具有切向速度，可以产生旋流气流，促进燃气与助燃空气的良好混合；第一级燃烧器12沿半球形封闭面13的表面均匀布置，半球形封闭面13相当于一个联箱，起到将第一级燃料集中并均匀分配给各个第一级燃烧器12的作用，且所述第一级燃烧器12均匀分布在所述半球形封闭面13的圆周上，用于均匀分配第一级燃料，通过火焰面的分散燃烧来降低燃烧温度，达到低NOx燃烧。

所述第一级燃烧器12的数量为6～10个，所述第二级燃烧器8的数量为6～10个，由于在不同负荷工况下从各第一级燃烧器12以及第二级燃烧器8喷出的燃气量均相同，加上辅助燃烧器11具有维持燃烧稳定和保持炉膛温度水平作用，因此，本发明燃烧器的燃烧火焰极为稳定。

所述第一级燃烧器12的燃烧负荷占总燃料的10%～40%，所述第二级燃烧器8的燃烧负荷占总燃料的60%～90%，优选的，所述第一级燃烧器12的燃烧负荷占总燃料的20%，所述第二级燃烧器8的燃烧负荷占总燃料的80%；第一、二级燃烧器布置数量及燃烧负荷的选取使得本发明燃烧器具有较宽的负荷调节，最高可达10：1，允许操作者在优化和稳定的热通量条件下进行操作。

本发明低NOx燃气燃烧器综合了燃料分级、烟气再循环和多点分散燃烧控制技术，具有可形成多点分散燃烧的长火焰、降低燃烧火焰峰值温度、均匀炉内热负荷分布、超低NOx生成的特点。由于第二级燃烧器8承担了超过70%的燃烧负荷，其燃烧形成的长火焰可有效降低火焰尖端温度，加上第二级燃烧器8沿隔热瓦10外侧圆周均匀布置，可强化炉内热负荷分布的均匀性，这两者都可减少炉内NOx的生成，在不采用其它额外技术条件下，NOx排放水平能达到15～20ppmv，与目前工业炉窑常用低NOx燃烧器相比，有效地降低了更多热力型NOx的生成。

由于本发明燃烧器的第一级燃料喷嘴14远离炉内燃烧过程并且不断被冷空气流冷却，因此可以保证第一级燃料喷嘴14不被烧坏；第二级燃料喷嘴9的外围可以设有耐火墙15进行保护，同样可以保证其不会被烧坏，因此本发明燃烧器具有维护简单可靠、维修率低的特点。

在使用本发明时，最好采用计算流体动力学（CFD）方法进行隔热瓦空气流道的设计；采用计算流体动力学（CFD）方法确定第一级燃料喷嘴、第二级燃料喷嘴的数量、方位，从而获得满意的火焰形状和热流分布。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种多喷嘴分散燃烧的低NOx燃气燃烧器，其特征在于：包括隔热瓦(10)、第一级燃烧器(12)、第二级燃烧器(8)、第一级燃料分配管(4)、风箱(2)以及辅助燃烧器(11)；

所述隔热瓦(10)的纵向中心轴上设有第一通道(101)，所述第一通道(101)的外围等间距设有第二通道(102)，所述隔热瓦(10)的下端与所述风箱(2)的上端连接，且所述第一通道(101)与所述风箱(2)的空腔相通；

所述风箱(2)上设有进风口(21)；

所述第一级燃料分配管(4)纵向设置在所述风箱(2)的空腔以及第一通道(101)内，所述第二级燃烧器(8)设置在所述第二通道(102)内，且所述第二级燃烧器(8)的顶端设有第二级燃料喷嘴(9)；

所述第一级燃料分配管(4)的顶端设有半球形封闭面(13)，所述第一级燃烧器(12)

的末端设置在所述半球形封闭面(13)上，且所述第一级燃料分配管(4)的内部与所述第一级燃烧器(12)的内部相通；所述第一级燃烧器(12)的顶端设有第一级燃料喷嘴(14)；所述第一级燃料喷嘴(14)的喷孔中心线与所述第一级燃烧器(12)的中心线在同一直线上，所述第一级燃料喷嘴(14)的喷孔中心线与水平线的夹角(a)为20°～60°；

所述半球形封闭面(13)的半径为第一级燃料分配管(4)的横截面半径的1～1.5倍；

所述辅助燃烧器(11)与所述第一级燃料分配管(4)纵向并列设置在所述风箱(2)的空腔以及第一通道(101)内。

2.根据权利要求1所述的多喷嘴分散燃烧的低NOx燃气燃烧器，其特征在于：所述第一级燃烧器(12)的数量为6～10个，且所述第一级燃烧器(12)均匀分布在所述半球形封闭面圆周(13)上。

3.根据权利要求1所述的多喷嘴分散燃烧的低NOx燃气燃烧器，其特征在于：所述第二级燃料喷嘴(9)的喷孔中心线与所述隔热瓦(10)的斜面相平行，所述第二级燃料喷嘴(9)的喷孔中心线与水平线的夹角(b)为50°～80°。

4.根据权利要求1或3所述的多喷嘴分散燃烧的低NOx燃气燃烧器，其特征在于：所述第二级燃烧器(8)的数量为6～10个。

5.根据权利要求1所述的多喷嘴分散燃烧的低NOx燃气燃烧器，其特征在于：所述第二级燃烧器(8)的末端与第二级燃料分配管(7)连通。

6.根据权利要求1所述的多喷嘴分散燃烧的低NOx燃气燃烧器，其特征在于：所述进风口(21)内设有调风挡板(1)，所述调风挡板(1)与水平线的夹角(c)为0°～90°。

7.根据权利要求1所述的多喷嘴分散燃烧的低NOx燃气燃烧器，其特征在于：所述第一级燃烧器(12)的燃烧负荷占总燃料的10％～40％，所述第二级燃烧器(8)的燃烧负荷占总燃料的60％～90％。