CN103486572B - 一种基于文丘里管的低NOx燃气燃烧器 - Google Patents

一种基于文丘里管的低NOx燃气燃烧器 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于文丘里管的低NOx燃气燃烧器，包括燃烧器本体、第一级燃烧器、第二级燃烧器、隔热瓦以及文丘里管；隔热瓦上设有第一通道以及第二通道，隔热瓦与燃烧器本体连接，第一通道与燃烧器本体的空腔相通；第一通道上设有缩口；第一级燃烧器以及第二级燃烧器的顶端分别设有第一级燃料喷嘴以及第二级燃料喷嘴；文丘里管以及第一级燃烧器设在第一通道内；第二级燃烧器设在第二通道内；第一级燃料喷嘴的顶端面与文丘里管的顶端面平行，且均设置在所述第一通道内。本发明采用文丘里管、缩口以及燃烧器分级布置的设计能克服当前燃气燃烧器因燃气与助燃空气炉膛内混合不均而产生的局部高温，同时提高燃烧器的火焰稳定性，降低NOx生成。

Description

一种基于文丘里管的低NOx燃气燃烧器
技术领域
本发明属于工业炉窑的燃烧设备领域，尤其是一种基于文丘里管的低NOx燃气燃烧器。
背景技术
燃烧器是工业炉窑燃烧设备的主要组成部件，其燃烧产生的NOx是造成环境污染的主要因素之一，随着国家对环境保护的日益重视，NOx生成量的高低已成为衡量燃烧器燃烧性能的重要指标之一。
根据燃料和燃烧条件不同，在燃烧过程中生成的NOx主要分为三种，即燃料型NOx、热力型NOx和快速型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。
在NOx排放对环境的影响日益得到人们关心之前，通常所有类型的工业燃气炉窑均是采用单级燃烧器，同目前使用的低NOx燃烧器相比，这种简单的单级燃烧器会产生很高水平的NOx排放，无法满足当前环保标准的要求。另外，当前一些工程上实际使用的低NOx燃烧器也难以满足日益严格的环保标准，这些都要求我们设计出更高水平的低NOx燃烧器。
目前使用的低NOx燃烧技术主要有三种：第一种是空气分级，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；第二种是燃料分级，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，进行贫燃料燃烧以降低火焰温度减少NOx生成，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。第三种是烟气再循环，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，减少NOx生成。此三方法虽然能一定程度上降低NOx的生成，但是当燃烧器出口气流混合不完全均匀时会存在局部高温现象，且火焰的稳定性不好，从而对降低NOx的生成受到很大的限制。
因此，发明一种能克服当前燃气燃烧器因燃气与助燃空气炉膛内混合不均而产生的局部高温且能提高火焰稳定性，从而达到降低NOx生成的燃烧器具有很重要的意义。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于文丘里管的低NOx燃气燃烧器，它能克服当前燃气燃烧器因燃气与助燃空气炉膛内混合不均而产生的局部高温，同时提高燃烧器的火焰稳定性，降低NOx生成，本发明采用的具体技术方案如下：
一种基于文丘里管的低NOx燃气燃烧器，包括带有空腔的燃烧器本体、第一级燃烧器、第二级燃烧器、隔热瓦以及文丘里管；
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燃烧器本体的上端连接，且所述第一通道与燃烧器本体的空腔相通；
所述第一通道的上端设有横截面逐渐缩小的缩口；
所述第一级燃烧器的顶端设有第一级燃料喷嘴，所述第二级燃烧器的顶端设有第二级燃料喷嘴；
所述文丘里管以及第一级燃烧器纵向并列设置在所述燃烧器本体的空腔以及第一通道内，所述第一级燃烧器等间距设置在所述文丘里管的外围；
所述第二级燃烧器设置在所述第二通道内。
以上技术方案中优选的，所述缩口的斜面与水平面的夹角为40°～70°。
以上技术方案中优选的，所述第一级燃料喷嘴的顶端面与所述文丘里管的顶端面平行，且均设置在所述第一通道内。
以上技术方案中优选的，所述第二级燃料喷嘴的顶端面高于所述第一级燃料喷嘴的顶端面。
以上技术方案中优选的，所述第一级燃烧器的数量为4～12个；所述文丘里管的数量为4～8个；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，所述第一级燃烧器的末端与第一分燃料分配管连通，所述第二级燃烧器的末端与第二分燃料分配管连通。
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%。
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20%，所述第二级燃烧器的燃烧负荷占总燃料的80%。
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外壁面之间平行。
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水平线夹角为50°～80°。
本发明具有以下有益效果：
（1）本发明中第一级燃烧器、第二级燃烧器以及文丘里管之间的位置的设计，使得一级燃料经第一级燃烧器的第一级燃料喷嘴喷出后，与经文丘里管喷出的高速助燃空气进行最大程度的混合，形成第一燃烧区，进行贫燃料燃烧；二级燃料自第二级燃料喷嘴喷出在第一燃烧区外侧形成第二燃烧区。一二级燃烧器的布置实现燃料的分级燃烧，降低NOx的生成。
（2）本发明中第一通道的上端设有横截面逐渐缩小的缩口，形成收缩流道，强化燃气与助燃空气的混合，同时增加混合气的均匀性和刚性。
（3）本发明中第一级燃料喷嘴的顶端面与所述文丘里管的顶端面平行，充分运用高速射流的卷吸作用使得从文丘里管流出的高速助燃空气与经第一级燃料喷嘴喷出的低速一级燃料能充分地混合。
（4）本发明中第二级燃料喷嘴的喷孔中心线与隔热瓦的外壁面平行，从而吸引烟气沿二级燃料喷射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。
（5）本发明中第一级燃烧器和第二级燃烧器布置数量以及所占燃烧负荷的选取，使得本发明燃烧器的最大负荷与最小负荷之比可达10：1，允许操作者在优化和稳定的热通量条件下进行操作。
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是本发明基于文丘里管的低NOx燃气燃烧器的剖面结构示意图；
图2是图1的俯视图；
图3是图1中的A-A剖视图；
图4是图1中的B-B剖视图；
1-第一级燃料分配管，2-助燃空气入口，3-第一级燃料入口，4-第二级燃料分配管，5-第二级燃料入口，6-第一级燃烧器，7-第二级燃烧器，8-隔热瓦，81-第一通道，82-第二通道，811-缩口，9-文丘里管，10-第一级燃料喷嘴，11-燃烧器本体，12-第二级燃料喷嘴，13-第二级燃料进气管，14-第一级燃料进气管。
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：
一种基于文丘里管的低NOx燃气燃烧器，详见图1、图2、图3以及图4，包括带有空腔的燃烧器本体11、第一级燃烧器6、第二级燃烧器7、隔热瓦8以及文丘里管9。
所述隔热瓦8的纵向中心轴上设有第一通道81，所述第一通道81的外围等间距设有第二通道82，所述隔热瓦8的下端与所述燃烧器本体11的上端连接，且所述第一通道81与燃烧器本体11的空腔相通。
所述第一通道81的上端设有横截面逐渐缩小的缩口811，所述缩口811的斜面与水平面的夹角a为40°～70°，形成收缩流道，强化燃气与助燃空气的混合，同时增加混合气的均匀性和刚性。
所述第一级燃烧器6的顶端设有第一级燃料喷嘴10，所述第二级燃烧器7的顶端设有第二级燃料喷嘴12，分别用于喷出第一级燃料和第二级燃料；所述第二级燃料喷嘴12的喷孔中心线与所述隔热瓦8的外壁面之间平行，且所述第二级燃料喷嘴12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，减少NOx生成。
所述文丘里管9以及第一级燃烧器6纵向并列设置在所述燃烧器本体11的空腔以及第一通道81内，所述第一级燃烧器6等间距设置在所述文丘里管9的外围；所述第一级燃料喷嘴10的顶端面与所述文丘里管9的顶端面平行，且均设置在所述第一通道81内。第一级燃料从第一级燃料入口3进入第一级燃料分配管1分配，再经第一级燃料进气管14进入各个第一级燃烧器6，经第一级燃烧器6的第一级燃料喷嘴10喷出后，与经文丘里管9喷出的高速助燃空气在高速射流的卷吸作用下进行最大程度的混合，形成第一燃烧区，进行贫燃料燃烧，降低NOx的生成。助燃空气从助燃空气入口2进入文丘里管9，在文丘里管9内加速后经文丘里管顶端面喷出。
所述第二级燃烧器7设置在所述第二通道82内，所述第二级燃料喷嘴12的顶端面高于所述第一级燃料喷嘴10的顶端面。第二级燃料经第二级燃料入口5进入第二级燃料分配管4后进行分配，再经第二级燃料进气管13进入第二级燃烧器7，最后经第二级燃烧器7的第二燃料喷嘴12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12喷出时将吸引烟气沿二级燃料喷射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。
其中，所述第一级燃烧器6的数量为4～12个，所述文丘里管9的数量为4～8个，所述第二级燃烧器7的数量为6～10个，使得燃料和助燃气能充分地混合且燃烧具有较宽的负荷调节范围。
所述第一级燃烧器6的末端与第一级燃料分配管1通过第一级燃料进气管14连通，所述第二级燃烧器7的末端与第二级燃料分配管4通过第二级燃料进气管13连通，第一级燃料分配管1将第一级燃料均匀分配到第一级燃烧器6中，第二级燃料分配管4将第二级燃料均匀分配到第二级燃烧器7中，有利于维持各燃烧器中火焰的稳定性。
所述第一级燃烧器6的燃烧负荷占总燃料的10%～40%，所述第二级燃烧器7的燃烧负荷占总燃料的60%～90%，优选的，所述第一级燃烧器6的燃烧负荷占总燃料的20%，所述第二级燃烧器7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的最大负荷与最小负荷之比可达10：1，允许操作者在优化和稳定的热通量条件下进行操作。
本发明通过采用一、二级燃烧器的布置，实现燃料的分级燃烧；通过采用文丘里管9、缩口811来强化燃气与助燃空气混合，从而达到使燃气与空气混合均匀；通过二级燃料喷嘴的喷孔中心线倾斜设计吸引烟气沿二级燃料喷射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，这些都显著地降低了NOx的生成。在不采用其它额外技术措施的条件下，本发明燃烧器的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NOx的生成。
图1、图2中，隔热瓦8中第一通道81、第二通道82以及缩口811的设计均采用计算流体动力学方法（CFD）确定；第一级燃料喷嘴10以及第二级燃料喷嘴12的设计、布置、数量和方位均采用计算流体动力学方法（CFD）确定。
图1、图2、图3、图4中，文丘里管9的布置、数量和方位均采用计算流体动力学方法（CFD）确定。
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 (10)

1.一种基于文丘里管的低NOx燃气燃烧器，其特征在于：包括带有空腔的燃烧器本体(11)、第一级燃烧器(6)、第二级燃烧器(7)、隔热瓦(8)以及文丘里管(9)；
所述隔热瓦(8)的纵向中心轴上设有第一通道(81)，所述第一通道(81)的外围等间距设有第二通道(82)，所述隔热瓦(8)的下端与所述燃烧器本体(11)的上端连接，且所述第一通道(81)与燃烧器本体(11)的空腔相通；
所述第一通道(81)的上端设有横截面逐渐缩小的缩口(811)；
所述第一级燃烧器(6)的顶端设有第一级燃料喷嘴(10)，所述第二级燃烧器(7)的顶端设有第二级燃料喷嘴(12)；
所述文丘里管(9)以及第一级燃烧器(6)均纵向设置在所述燃烧器本体(11)的空腔以及第一通道(81)内，且所述文丘里管(9)的中心轴线与所述第一级燃烧器(6)的中心轴线相互平行；所述第一级燃烧器(6)等间距设置在所述文丘里管(9)的外围；
所述第二级燃烧器(7)设置在所述第二通道(82)内。
2.根据权利要求1所述的基于文丘里管的低NOx燃气燃烧器，其特征在于：所述缩口(811)的斜面与水平面的夹角(a)为40°～70°。
3.根据权利要求1所述的基于文丘里管的低NOx燃气燃烧器，其特征在于：所述第一级燃料喷嘴(10)的顶端面与所述文丘里管(9)的顶端面平行，且均设置在所述第一通道(81)内。
4.根据权利要求1所述的基于文丘里管的低NOx燃气燃烧器，其特征在于：所述第二级燃料喷嘴(12)的顶端面高于所述第一级燃料喷嘴(10)的顶端面。
5.根据权利要求1所述的基于文丘里管的低NOx燃气燃烧器，其特征在于：所述第一级燃烧器(6)的数量为4～12个；所述文丘里管(9)的数量为4～8个；所述第二级燃烧器(7)的数量为6～10个。
6.根据权利要求1所述的基于文丘里管的低NOx燃气燃烧器，其特征在于：所述第一级燃烧器(6)的末端与第一级燃料分配管(1)连通，所述第二级燃烧器(7)的末端与第二级燃料分配管(4)连通。
7.根据权利要求1所述的基于文丘里管的低NOx燃气燃烧器，其特征在于：所述第一级燃烧器(6)的燃烧负荷占总燃料的10％～40％，所述第二级燃烧器(7)的燃烧负荷占总燃料的60％～90％。
8.根据权利要求7所述的基于文丘里管的低NOx燃气燃烧器，其特征在于：所述第一级燃烧器(6)的燃烧负荷占总燃料的20％，所述第二级燃烧器(7)的燃烧负荷占总燃料的80％。
9.根据权利要求1-8任意一项所述的基于文丘里管的低NOx燃气燃烧器，其特征在于：所述第二级燃料喷嘴(12)的喷孔中心线与所述隔热瓦(8)中与水平线成一定角度设置的外壁面相互平行。
10.根据权利要求9所述的基于文丘里管的低NOx燃气燃烧器，其特征在于：所述第二级燃料喷嘴(12)的喷孔中心线与水平线的夹角(b)为50°～80°。
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