CN1044979A - 低氮氧化物锅炉 - Google Patents

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Abstract

炉膛内设有：气体燃料燃烧用喷烧器；内部具有传热管；与该传热管连通的、将该传热管内流动的蒸汽予以贮存的蒸汽罐；以及位于上述炉膛内、将气体燃料燃烧所产生的燃气排放到锅炉外部的废气管道。在该废气管道中间，设置将该管道内流动的燃气中的未燃烧成分予以燃烧的手段；此外还在上述气体燃料燃烧用喷烧器上设置：喷射燃料与燃烧用空气预混合气的喷嘴；以及位于该喷嘴喷口下游侧附近的、阻挡该预混合气的流动并在其尾流侧形成循环流的火焰稳定手段。

Description

本发明涉及一种燃用气体燃料的锅炉，特别是适合于降低燃烧时排放的氮氧化物（以下简称为“NOX”）浓度的锅炉。
NOX是产生光化学烟尘的原因，因而近年来关于限制NOX排放量的法规逐年严格起来，目的在于降低NOX排放量的技术开发工作正在大量进行。燃烧时产生公害成分少的锅炉燃料，有液化天然气（LNG）等。这种含氮少的气体燃料烧时产生的NOX是，燃烧用空气中的氮在高温环境中被氧化而生成的高温NOX高温NOX的生成，受温度的影响很大，随着火焰温度的升高而增加。火焰温度依燃料与燃烧用空气的温合比，即空气过剩比（空气量/理论空气量）的大小而异，在最佳的空气量（理论空气量）下使燃料完全燃烧时，火焰温度最高。
在普通的燃用气体燃料的锅炉中，大多使用扩散燃烧。这种燃烧方法是，将燃料与燃烧用空气用不同的喷咀分别喷入炉内，使两者在炉内混合而形成火焰的一种方法，其特征在于火焰稳定性好。但是，这种方法的缺点是，在燃料与空气的混合过程中，必然存在一个空气过剩比接近1的范围，在此范围内火焰温度升高，NOX成生量增大。
为了通过降低火焰温度来达到减少NOX的生成量的目的，已开发成功的方法有，稀薄气体燃烧、二级燃烧、废气再循环等燃烧方法。二级燃烧和废气再循环法对于降低NOX的效果虽好，但是容易排放未燃烧成分。为了防止这一缺陷须将炉膛加大，因此，这两种燃烧方法在经济方面都是不利的。而稀薄气体燃烧法是提高空气过剩比的燃烧方法。由于这种方法是增加过剩空气，从而燃气从锅炉排放到该系统外部的热量增加，降低了锅炉的热效率。
作为采用预混合火焰的锅炉的一例，有一种将空气不足的扩散火焰与空气过剩的预混合火焰相组合的二级燃烧方法（特公昭52-28251号）。这种方法虽然对降低NOX的效果较好，但是在空气比在1以下时扩散火焰的长度增大，炉膛须加大。另一个问题是，要想用在空气过剩下燃烧的燃气中的氧来燃烧从空气不足的扩散火焰排出的未燃烧的可燃性气体，就需要保证使两者混合所需的时间，这样，就会使锅炉变大。
如上所述，为降低火焰温度而开发的现有燃烧方法，使锅炉体积增大，经济上不合算。而为了使锅炉结构紧凑，即便采用短火焰的预混合火焰的情况下，如果在空气过剩比高的条件下进行燃烧时。则构成锅炉效率下降的一个原因。
本发明的目的在于：提供一种小型化的低NOX排放量的锅炉。本发明的另一个目的是，提供一种即使在空气过剩比为1左右的条件下进行燃烧，NOX的排放量仍少的锅炉。
本发明提出的锅炉，在炉内设有：喷烧器、传热管、蒸汽罐、废气管道、未燃烧成分燃烧装置。燃烧器用于燃烧气体燃料;传热管利用燃烧热对水进行加热以产生蒸汽;蒸汽罐与传热管连通，用于积蓄来自该传热管的蒸汽;废气管道用于排放燃气;未燃烧成分燃烧装置设置在排气管道的一部分结构内。
气体燃料燃烧用喷烧器上设有喷咀，将气体燃料与空气加以预混合的混合气喷入炉内，还在喷咀的喷口附近设有火焰稳定装置，它将混合气分为2股射流，并使射流之间产生循环流。
由于设有带火焰稳定装置的预混合喷烧器，从而能使火焰稳定，并能控制NOX的产生。此外，即使有了未燃烧成分，在废气管道内流动的过程中也会被燃烧，因此，能使整个锅炉实现低NOX排放。
由预混合喷烧器形成的火焰，与扩散燃烧的火焰相比，前者的火焰长度短，因此，不会使锅炉大型化。
向炉内喷射气体燃料与空气混合气的喷咀，最好是设置整流器;其位置设在：燃料流路与燃烧用空气流路两条流路汇合成一个流路的区域，以及燃料与空气混合气汇合成一股流路的区域内。燃料与空气混合气最好以直流方式喷入炉内。
作为火焰稳定器，最好是设置一块与所喷射的燃料与空气混合气主流方向不平行的平板。
作为气体燃料燃烧用喷烧器，非常希望设置两套喷管，一套是分别从不同的喷咀喷射燃料和空气用的扩散火焰用喷管，另一套是喷射燃料与空气混合气的预混合火焰用喷管;在锅炉起动时形成扩散火焰，在锅炉负荷上升的同时，从预混合火焰用喷管喷射混合气。
作为火焰稳定器，最好是在喷咀喷口处设置与混合气主流方向不平行的、面积小于喷咀截面积的平板。由于配置了火焰稳定器，混合气的燃烧从喷射流的中部开始发展，而且在混合气开始燃烧之前，在混合气喷射流外围也有一部分燃气与混合气相混合。
在本发明中，适宜的气体燃料燃烧用喷烧器，最好是设有一种喷咀，在向炉内喷射燃料与空气之前，以直流方式喷射预混合的混合气，在喷咀喷口处，设置一个与混合气主流方向不平行的、且其面积小于喷咀截面积的板，借助于此板使混合气的燃烧从射流的中心大开始发展，且在混合气开始燃烧之前，在混合气射流外围也有一部分燃气与混合气相混合，还设有分别从才同的喷咀喷射燃料与空气用的扩散燃烧用喷烧器。使燃气得以循环的空间大于燃料与空气混合气射流直径，通过这种办法在射流端部附近的混合气燃烧之前，可使燃气从射流外围与混合气相混合。在本发明中，燃烧气体燃料用的喷烧器，能够设计成具有下列构件的喷烧器，即：喷射气体燃料与空气的预混合气的主喷咀;设置在该主喷咀的炉膛侧，在其内部形成1次燃料室的圆筒状或圆锥台状的主燃烧室外壁;以及与该主燃烧室外壁外圆呈同心圆状设置的喷射燃烧用空气的二次喷咀。最好是将从主喷咀喷射的预混合气的空气比设在0.5～0.9的范围，将从二次喷咀喷射的预混合气的空气比设在1.0～1.5的范围，特别是把主喷咀与二次喷咀的总空气比最好设在1.0～1.2的范围。
本发明提出的锅炉的作用如下。为了提高锅炉效率，应以接近于理论空气量的空气量进行燃烧，在减少排放至锅炉系统外部的热量的同时，还要缩小炉膛体积，以减少散失的热量，这是十分重要的。要实现上述目的，首先要采用得以将火焰长度缩短的预混合火焰，以缩小炉膛。在预混合火焰的条件下降低NOX浓度，以往的技术的主流虽然是采用过剩空气燃烧，但经本发明人等的潜心研究，其结果表明，将高温燃气引入燃料空气混合气射流的中心部，在混合气尚未燃烧之前，如果使一部分燃气与混合气相混合，就能降低NOX浓度。引入射流中心部的高温燃气，由于从该处的热迁移而点燃混合气，并使火焰稳定。此外，如果采用这种点火方法，火焰将从射流的中心部向射流外部传播。再者，燃气是在射流外围与混合气混合的，使火焰的高温区缩小，从而使高温NOX的生成得到控制。
为实现上述燃烧方法而采用的一种手段是，设置火焰稳定器。使火焰稳定器与燃料空气混合气主流方向不平行，使混合气能碰撞在火焰稳定器上，在火焰稳定器的尾流处，形成高温燃气的循环流。
作为促进燃气从混合气射流外围混合的一种方法，最好是将燃烧器结构设计成使燃气可以在混合气喷咀喷口附近循环的。为了达到这个目的，将混合气喷出空间的直径设计成大于混合气射流直径即可。
类似的已知技术，例如，美国专利4150539号中所记载的燃烧器（但它是燃气轮机的燃烧器），虽然也在混合气射流的中心部配置了火焰稳定器，但是它没有关于混合气喷咀口径与燃烧器口径方面的记载。还有，美国专利3961475号中所记载的燃烧方法（是燃气轮机的燃烧方法），是使混合气射流沿径向喷射的结构，由于混合气聚集于燃烧器壁面附近，火焰是从燃烧器壁面开始形成的，因而从混合气射流外围掺入的燃气不足。
一般，预混合火焰比扩散火焰更不稳定，稳定燃烧的范围小。并且，负荷变化频繁的锅炉，需要尽快地改变燃烧空气与燃料的供给量。在此情况下，容易造成火焰不稳定，为了防止这种现象的发生，本发明提出，最好是在低负荷时形成扩散火焰，以期达到预混合火焰的稳定。
在采用预混合火焰，且设置一种喷烧器的情况下，为了实现高负荷、低NOX燃烧，最好是在该喷烧器上设置主燃烧室，以0.5～0.9的空气比在其中进行燃烧，从此处产生的未燃烧成分，借助于从二次喷咀喷射的残余氧气来达到完全燃烧。
附图的简要说明如下。图1、图2是低NOX锅炉用喷烧器的概略结构图;图3是低NOX锅炉的概略结构图;图4是锅炉负荷与燃料供给率的关系图;图5、图6与图8是表示低NOX锅炉用喷烧器的燃烧特性图;图7（a）和图7（b）表示在有无火焰稳定器时火焰形状的剖面图;图9（a）表示低NOX锅炉用喷烧器另一例的平面图;图9（b）表示其纵剖面图;图10是表示锅炉负荷与燃料供给率之向的关系的线图;图11表示低NOX锅炉用喷烧器另一例的纵剖面图;图12（a）表示低NOX锅炉用喷烧器又一例的平面图;图12（B）表示其纵剖面图;图13（a）表示低NOX锅炉用喷烧器的另一改型例的平面图;图13（b）表示其纵剖面图;图14（a）和图14（b）表示包括整流装置影响的特性线图;图15是本发明提出的锅炉的一个实施例的剖面图;图16是通过图15ⅩⅥ-ⅩⅥ线的剖面图;图17是通过图15ⅩⅦ-ⅩⅦ线的剖面图;图18是通过图16和图17ⅩⅤ-ⅩⅤ线的水平截面图;图19是表示废气中NOX、CO、O2之向浓度关系的特性曲线;图20是图15所示喷烧器部分详细结构的剖面图。
下面将用附图说明本发明的一个实施例。图1表示本发明提出的低NOX锅炉用喷烧器的概略结构图，图2表示该喷烧器的剖面图。喷烧器系由扩散火焰用喷管6与预混合火焰用喷管1000构成;扩散火焰用喷管6设置在喷烧器中心，是一个圆筒状的;预混合火焰用喷管1000设置在扩散火焰用喷管6的周围，是若干个矩形截面的喷管。在扩散火焰用喷管6的中心部设置一个燃料喷咀11，在其周围设置空气喷咀10。在炉壁999的附近设置多根传热管117。在喷管喉管部配置着水管12和点火器13，以防止喷管的烧毁。在图1中，预混合火焰用喷管1000由6根矩型截面的喷管1000a～1000f构成。各喷管上都设有混合气喷射喷咀2、空气阻尼器7、整流板3、空气供给管5和燃料喷咀4。燃料喷咀4上设有若干个喷射孔，将燃料散布于空气流内，喷咀的下游便是混合区。整流板3是一种蜂窝结构的流路阻尼件，具有使气流形成速度分布均匀的流动的整流作用，同时还具有防止预混合火焰倒火的作用，这是因为，整流板处的流路截面积缩小，流速升高的缘故。在喷咀的喷口附近设置一个与混合气射流主流方向成直角的板状火焰稳定器1。火焰稳定器1各边的长度，小于喷咀的对应各边的长度。这是由于考虑到：火焰稳定器纵向长度，如果大于喷咀对应各边的长度时，一部分混合气射流将会沿与主流成直角的方向弯曲着被喷出，这样会使火焰稳定性变坏。
锅炉起动时，使用设在中心部位的扩散燃烧用喷管6，随着锅炉负荷的增大，便以预混合燃烧用喷管1000喷出燃料-空气混合气来。关于预混合燃烧用喷管的使用方法，本发明提出的方案是：先从6个喷咀中的一个喷咀喷射混合气，随着负荷的上升依次从各喷咀喷出混合气。扩散火用喷咀6用来稳定预混合火焰，在形成了稳定的预混合火焰的条件下，扩散火焰用喷管6就停止燃料和空气的喷射。
从图2的喷烧器剖面图中可以看出，在扩散火焰用喷管上设有燃料喷咀11，其轴线与喷管的中轴线同心，在其周围设有空气喷咀10。在燃料喷咀11的上端设有火焰稳定器9，用它稳定扩散火焰。设置在空气喷咀10上的旋流发生器8，具有促进燃料与空气混合和缩短扩散火焰长度的作用。预混合火焰用喷管上，在预混合气喷咀2的上游设有带有若干个喷射孔的燃料喷咀4。从此喷咀喷出的气体燃料，与从空气供给管5供给的空气，在从预混合气喷咀2喷出之前，得到均匀的混合。燃烧用空气量由空气阻尼器7进行调节。整流板3对空气流进行整流的同时，还是一个火焰制止器，可以防止预混合火焰发生倒火。在预混合喷咀2的下游，设置一个板状的火焰稳定器，用它可以使预混合火焰达到稳定。火焰稳定器1的面积，设计得小于预混合气喷出口的截面积。
图3为设置了图1所示喷烧器的锅炉的一例。该锅炉是自然循环式水管锅炉。储存在水罐131中的水，通过传热管117导入蒸汽罐128。水蒸汽在蒸气罐中分离，水回流到水罐131中，水蒸汽蓄积在蒸汽容器129内。如下面的实施例中所述，最好是使混合气射流喷入直径大于喷管口径的区域内，并将预混合喷管的喷咀出口安排在与燃烧炉壁的壁面为同一平面上。燃气通过废气管道114排放到锅炉外部，在废气管道的中间将未燃烧成分在燃烧装置126中予以燃烧。
燃气在管道114内沿着与预混合气喷射方向相反的方向流动，并在未燃烧成分燃烧装置126的前段和后段，分别由第1空气预热器123和第2空气预热器124进行预热。
本发明由于能使NOX的生成量不依燃烧负荷的变化而变，而且还能将火焰缩短，所以能将燃烧炉的热负荷设在200×104Kcal/m3h以上。火焰长度通常能在50Cm以下。本发明提出的锅炉，在增大锅炉容量时，只要沿水罐和蒸汽罐的纵向加长炉体、增大传热面积即可。如果使用带火焰稳定器的预混合喷管，即使增大喷管容量，火焰长度也几乎不变，从而能够实现上述增大容量的目的。当然，增加预混合喷咀的数量也能增大锅炉容量。
图4的曲线表示锅炉负荷与各喷咀的燃料供给率之间的关系。纵轴的燃料供给率，是用喷咀所用燃料与锅炉负荷为100%时锅炉所用燃料的比值的百分比来表示。锅炉负荷在20%以下时，只使用扩散火焰用喷管，当负荷达到20%时，从喷咀A（带火焰稳定器的预混合喷管1000a）喷射燃料与空气。此时，为了防止火焰返回喷咀里（即发生倒火），将预混合气的喷出速度保持在20m/s以上是安全的。因此，要在喷咀A的喷出速度为20m/s的情况下，喷出空气比为1.1的预混合气，就要从扩散火焰用喷管减少描当于上述量值的燃料与空气，而减少的这部分燃料与空气侧由喷咀A喷出。然后，增加从喷咀A喷出的燃料与空气，直至锅炉负荷达到30%为止，当达到30%时，从喷咀B（带火焰稳定器的预混合喷管1000b）以20m/s的喷射速度喷射出空气比为1.1的预混合气。此时，喷咀A减少的预混合气的量，相当于从喷咀B喷出的预混合气的量。在负荷达到40%、50%、60%、70%时，均重复与此相同的操作，从喷咀C（带火焰稳定器的预混合喷管1000C）、喷咀D（带火焰稳定器的预混合喷管1000D）、喷咀E（带火焰稳定器的预温合喷管1000E）、喷咀F（带火焰稳定器的预混合喷管1000F）喷射预混合气。负荷从70%变到90%的时候，通过改变从喷咀A、B、C、D喷射的预混合气的量来满足需要。当负荷达到90%时，停止使用扩散火焰用喷管，把相当于从扩散火焰用喷管喷出的燃料与空气的预混合气，从喷咀E和F喷出。此外，负荷从90%变到100%的时候，通过改变从喷咀A、B、C、D、E。F喷射的预混合气的量来满足需要。
图5是，由于设置在预混合气喷口下游的火焰稳定器的作用，已达到稳定状态的预混合火焰发生灭火的范围的研究结果。横轴是预混合气的空气过剩比，纵轴是混合气的喷射速度，图中的白圈表示在预混合火焰稳定燃烧的时候，黑点表示在预混合火焰变成不稳定燃烧并灭火的时候。从图中可以看出：经火焰稳定器稳定的预混合火焰的稳定燃烧范围，随着空气过剩比的增大而变小。在锅炉运转时，如果将预混合气的空气过剩比设定在1.0～1.3的范围，那么可以看出，预混合气的喷射速度约在50m/s时，仍为稳定燃烧。根据这一结果，图3所示锅炉的运转方式中，设喷咀A的燃料供给率为25%时的预混合气喷射速度为50m/s时，如在预混合气的空气过剩率不变的条件下，通过降低预混合气喷射速度的办法来降低锅炉负荷时，在锅炉负荷为10%时的预混合气喷射速度就达到20m/s，这样，就能够使预混合火焰在不发生倒火的情况下实现稳定燃烧。
图6是，对经火焰稳定器稳定的预混合火焰对降低NOX的效果的研究结果。横轴表示预混合气的空气过剩率，纵轴表示从锅炉排放的NOX浓度。图7（a）和（b）表示基础燃烧试验的结果。图7（a）是本发明的一例是通过火焰稳定器使火焰达到稳定的技术。在预混合气喷口21下游设置火焰稳定器1，在稳定器周围端部附近，预混合气形成箭头所示的涡流。点火后，将预混合气的喷射量增大时，在预混合火焰99内部和外部有如箭头所示的高温燃烧生成物在循环，能够连续向预混合气供给能量，因而能稳定地形成预混合火焰。图7（b）是通过引燃火焰来稳定预混合火焰的技术。向预混合气供给管22供给空气过剩比大致为1.0的预混合气，在设置于圆筒形预混合气喷口23周围的圆环状喷咀处，形成稳定的引燃火焰300。由引燃火焰300，向来自预混合气喷口23的预混合气供给能量，形成图7（b）所示预混合气火焰99。图6中对从上述两种预混合火焰生成的NOX浓度进行了比较，其结果表明：在空气过剩率为1.05的条件下，从经引燃火焰稳定的预混合火焰中排放的NOX，约为80ppm，而从经火焰稳定器稳定火焰的预混合火焰中排放的NOX只有25ppm。在预混合气的空气过剩比为1.0～1.3的范围内，从经火焰稳定器稳定火焰的预混合火焰中排放的NOX浓度，可以降低到从经引燃火焰稳定的预混合火焰中排放的NOX浓度的约1/3。用火焰稳定器稳定的预混合火焰能降低NOX的原因如下：如图7（a）的箭头所示的二氧化碳等燃烧生成物在火焰内部和外部循环，并流入燃烧正在进行的火焰区内，降低了影响高温NOX发生量的氧气分压，因此，降低了所产生的NOX的浓度。在图6的白圈旁标注的数字是燃烧负荷，其单位为104Kcal/m3h。从图6中可以看出，燃烧负荷即使从66×104Kcal/m3h变化到267×104Kcal/m3h，NOX的浓度也几乎不变，因此，如果采用本发明的预混合燃烧方式，就能在高锅炉负荷下实现低NOX排放。
图8是关于锅炉内径D3与预混合气喷口直径D2的比，对经火焰稳定器稳定的预混合火焰所产生的NOX浓度的影响的研究。从图中可以看出，当D3/D2小于4时，NOX浓度增大。这是由于当燃烧器内径D3变窄时，火焰外部的燃烧生成物的循环流不易形成，从而使降低火焰区内的氧气分压的效果减弱，使NOX的浓度增大。
图9（a）（b）是图1所示低NOX锅炉用喷烧器的改型例。该喷烧器系由设置在中心的圆筒状、带火焰稳定器的扩散火焰用喷管和在其周围设置的圆环状、带火焰稳定器的预混合火焰用喷管构成。预混合火焰用喷管由将圆环状流路分成4份的4个喷咀2a、2b、2c、2d构成。各喷咀都在喷口上游设置燃料与空气的混合区，并在此混合区与喷口21之间设置混合气的整流装置3。燃料由设有若干个喷口的燃料喷咀喷射于空气流内，与空气混合。整流装置3是蜂窝结构的流路阻尼件。在喷咀喷口处，与混合气射流的主流方向成直角地设置板状火焰稳定器1。火焰稳定器1各边的长度，小于喷咀的对应各边的长度。
锅炉起动时，使用设在中心部位的扩散火焰用喷管，随着锅炉负荷上升，便从带火焰稳定器的预混合燃烧用喷管喷射燃料-空气混合气。关于预混合燃烧喷管的使用方法，本实施例的情况是：从4个喷咀中的一个喷咀首先喷射混合气，随着负荷的升高依次从各喷咀喷射混合气。扩散火焰用喷管用于稳定预混合火焰，在预混合火焰达到稳定的条件下，扩散火焰用喷管便停止喷射燃料和空气。
图10表示，设有图9（a）和（b）所示低NOX喷烧器的锅炉的负荷，与从各喷咀供给的燃料供给率之间的关系。纵轴的燃料供给率表示，各喷咀所用燃料，与锅炉负荷为100%时锅炉所用燃料之比的百分比。当锅炉负荷在20%以下时，只用扩散火焰用喷管;当负荷达到20%时，从4个喷咀中的任何1个喷咀A喷射燃料与空气。此时，为了防止火焰返回喷咀内，即发生倒火，将预混合气的喷射速度保持在20m/s以上是安全的。因此，要想从喷咀A以20m/s的喷射速度喷出空气比为1.1的预混合气，就要从扩散火焰用喷管减少与此相等的燃料与空气，将减少的这部分燃料与空气从喷咀A喷出。然后，当锅炉负荷在30%以下时，增加喷咀A喷射的燃料与空气，当达到30%时，从其余的3个喷咀中的任意1个喷咀B，将空气比1.1的预混合气以20m/s的喷射速度喷出。此时，从喷咀A减少的预混合气的量，等于从喷咀B喷出的预混合气的量。负荷在达到50%和70%时，均重复与此相同的操作，从剩下的2个喷咀中的任意1个喷咀C，接下来，从最后剩下的一个喷咀D喷射预混合气。当负荷达到90%时，停止使用扩散火焰用喷管，把等于从扩散火焰用喷管喷出的燃料与空气的预混合气，从喷咀A、喷咀B喷出。此外，负荷从90%变化到100%的条件下，通过改变从喷咀C、B喷射的预混合气的量，来满足负荷变化的需要。
图11是，图1所示低NOX喷烧器的另一种改型例。本实施例的特征在于：为形成均匀的气体燃料与燃烧用空气的预混合气，而采用半球状文丘里27作为整流装置。其它的构成均与图9（a）和（b）相同。
图12（a）和（b）表示的是，设有若干个圆筒状预混合气喷射用喷咀的低NOX锅炉的喷烧器结构。喷烧器系由设置在中心部位的第1点火用圆筒状扩散火焰用喷管6，以及设置在其周围的带火焰稳定器的若干个预混合火焰用喷管1000构成。与各个预混合气喷射用喷咀32的中心轴线同心的轴线上，设有第2点火用圆筒状的扩散火焰用喷管600。在第一扩散火焰喷管6上，与喷管的中心轴线的同心轴线上设有燃料喷咀35，在其周围设置空气喷咀36。在空气喷咀36上设置旋流发生器37，用它能够调节燃烧用空气的旋流强度。在预混合火焰用喷管1000的预混合气喷口32的上游，设有预混合燃烧用燃料喷咀39，以此喷咀喷出的气体燃料，与由空气供给管40供给的燃烧用空气，在通过文丘里41的过程中形成均匀的预混合气体。此外，在预混合气喷口32的同心轴线上，设置第2扩散火焰喷管600，在与喷管中心轴线同心的轴线上设置燃料喷咀45，在其周围设置空气喷咀46。在空气喷咀上设置旋流发生器44，用以缩短第2扩散火焰的长度。从第1扩散火焰将火焰曼延到从预混合气喷口32喷出的预混合气体有困难时，便形成第2扩散火焰，将全部预混合气体点燃。上述2种扩散火焰在锅炉负荷变动时用于点燃预混合气体。在空气喷咀46的上端设置火焰稳定器31，其作用是，在火焰稳定器周围边缘附近形成预混合气体的循环流，以提高预混合火焰的稳定性，并通过使燃烧生成物在火焰内外循环来降低NOX浓度。
图13（a）和（b）表示的是，设有若干个圆筒状预混合气喷口的低NOX锅炉用喷烧器的改型例。该喷烧器系由设置在中心部位的第1点火用圆筒状的扩散火焰用喷管6，以及设置在其周围的若干个预混合火焰用喷管1000构成，在与各计混合气喷口48的中心轴同心的轴上，设有第2扩散火焰用燃料喷咀60。第1扩散火焰喷管6是，在与其中心轴线同心的轴线上设置燃料喷咀49，在其周围设置空气喷咀50。在空气喷咀50上设有旋流发生器54，用于调节燃烧用空气的旋流强度。预混合火焰用喷管1000是，在预混合气喷口48的上游，设置预混合燃烧用喷咀55，从此喷咀喷出的气体燃料，与由空气供给管56供给的燃烧用空气，靠旋流发生器57的作用而形成均匀的预混合气体。在此混合装置与预混合气喷口48之间设有整流装置59，通过此整流装置，能够沿预混合气喷口48半径方向使预混合气体形成均匀的速度分布。在与预混合气喷口48的同心轴上，设置第2扩散火焰用的燃料喷咀60。从第1扩散火焰将火焰曼延到从预混合气喷口48喷出的预混合气体有困难时，便形成第2扩散火焰，将全部预混合气体点燃。上述2种扩散火焰在锅炉负荷变动时，用于点燃预混合气体。在预混合气喷口48的下游设置火焰稳定器47，其作用是，在火焰稳定器周围边缘附近形成预混合气体的循环流，以提高预混合火焰的稳定性，并通过使燃烧生成物在火焰内外的循环来降低NOX浓度。
图14（a）和（b）说明的是，用图13（a）和（b）所示的整流器59，将气体燃料与空气的预混合气体进行整流时所取得的效果。图14（a）是用皮托管沿预混合气喷口48的半径方向测得的压力的结果。图14（b）是预混合气喷口处预混合气沿径向的速度分布。喇叭状火焰稳定器47的喇叭前端位于径向20mm处，喇叭后端位于径向10mm处。预混合气喷射喷咀的端部位于径向33mm处。曲线61、63是没有设置整流装置时的压力和速度分布;曲线62、64是设置蜂窝结构整流装置时的压力和速度分布。图14（a）的曲线61表明，在没有设置整流装置59时，借助于旋流发生器57的作用，形成一个负压区，其位置是在以喷咀中心为中心的半径约20mm的圆的范围以内。图14（b）的曲线63表明，在没有设置整流装置59时，由于在旋流发生器57的作用下使预混合气体受到离心力而聚集到喷口圆周附近，所以预混合气体不分布在火焰稳定器47的上游。其结果，使预混合火焰从喷口圆周开始稳定，从而使所产生的高温废气被吸入扩展至喷口中心的负压区，所以在喷口中心附近从喷口内开始形成火焰，因此，会出现火焰稳定器47因从上游被加热而发生老化的问题。当设置了蜂窝结构的整流装置时，如图14（a）的曲线62所示，基本上没有形成负压区;又如图14（b）的曲线64所示，在火焰稳定器47的上游，有预混合气体的分布，其结果是，如图7（a）所示，在火焰稳定器47的周围边缘附近形成循环流，预混合火焰在此位置得到稳定。
图15至图20说明的是，一种能够实现高负荷低NOX燃烧的锅炉，它是在喷烧器内部设置主燃烧室，使混合气在其中以1以下的低空气比进行燃烧。
图15相当于图13的水平剖面图。炉体112系由下列诸部分构成。即，若干根辐射传热管115a：位于上游（图15中的左侧），排列成一排，形成炉膛前壁180a;辐射传热管115b和115c：从炉膛前壁180a的两端开始，把燃烧室夹在中间，向下游方向（图15中的右侧）排列，分别形成一堵与炉膛前壁180a垂直的炉壁;蒸气发生管116c和116d：将由辐射传热管115b和115c所形成的炉壁，各自向下游方向延长排列;以及蒸汽传热管117：配置于由该蒸气发生管116c和116d所形成的炉壁中间。在炉体112上、由辐射传热管115b和115c所夹空间的上部中央，沿从上游到下游的线上，配置蒸汽罐128，在其下方的炉体112的中央底部，与蒸气罐128平行地设置一个水罐131，辐射传热管115a、115b以及115c的下端，与水罐相连通，上端与蒸汽罐128有水的部分相连通。在蒸汽发生管116c和116d所构成的炉壁所夹的炉底中央上，将蒸汽分配管132配置在上述水罐131的轴线延长线上，在其上方的炉体中央上部，与上述蒸汽罐128的轴线平行地设置蒸汽容器129。蒸汽容器129，伸入上游侧的蒸汽罐内，配置在蒸汽罐128的水面以下。蒸汽发生管116c、116d的下端，与蒸汽分配管132连通。在辐射传热管115b、115c以及蒸汽发生管116c、116d各根管子的上游方向和下游方向上，形成与管子成一个整体地平板169;将相邻排列的平板169相互搭接一部分进行安装，构成炉膛侧壁180b和180c。
在上述炉体112的下游部分，设有沿水平方向左右分流（从上游看）的加热流路170a和170b。加热流路170a和170b系由下列诸部分构成。即，辐射加热管115d：配置在离上述炉膛侧壁180b和180c的下游端部的蒸汽发生管116c和116d有一定向隔的位置，形成一个平行于上述炉膛前壁180，且宽于炉膛前壁180a的炉膛后壁180d;辐射加热管115f和115e：从锅炉后壁180d的两端开始向上游方向配置，并构成平行于上述炉膛侧壁180b和180c的加热流路侧壁180e和180f的一部分;蒸汽传热管117：配置在炉膛侧壁180b与180c中间，且位于最下游部位;蒸汽发生管116a和116b：配置在与辐射传热管115f和115e相邻的位置，且构成加热流路180e和180f的一部分;下水管120a和120b：配置在蒸气发生管116a、116b之间，且构成锅炉侧壁180e、180f的一部分;以及蒸汽发生管116c和116d：构成炉膛侧壁180b和180c的一部分。辐射传热管115d、115e、115f的下端与水罐131连通，上端与蒸汽罐128有水的部分连通。排列在与炉膛侧壁成直角的面上的蒸汽发生管116a和116c、116b和116d，分别形成带拐弯的一根管道，相互连通，蒸气发生管116c和116d的下端与蒸气分配管132连接，形成加热流路侧壁的蒸气发生管116a和116b的下端与水箱133连接，水箱133是在加热流路侧壁180e和180f的下部炉膛侧沿着该侧壁180e和180f配置的。蒸气发生管116a和116b是，在锅炉侧壁180e和180f与构成炉膛侧壁180b和180c的蒸气发生管116c和116d之间，设有向上下方向弯曲若干次的配管。因此，蒸气发生管116a和116b内的流路是，通过蒸气发生管116c和116d与蒸气分配管连通。蒸气传热管117的上端与蒸气容器129连接，下端与蒸气分配管132连接。在加热流路170a和170b中，分别配置了把若干根管子连通后由一根弯管形成的过热器118，此过热器118的一端通过蒸气管130，与蒸汽罐128的蒸汽部分连接，而另一端则与利用蒸汽的设备（图中未示出）连接，例如，连接到汽轮机、化工成套设备等设备上。
在与加热流路180e和180f相邻、且朝着炉膛前壁180a方向的延长线上，分别配置下水管120a和120b，与上述炉膛侧壁180c和180b平行地成长达炉膛前壁180a的延长线的烟道侧壁180g和180h。此外，在将炉膛前壁180a向两侧延长的方向上配置下水管120c和120d，分别形成烟道前壁180j和180k。
由设在炉膛侧壁180b、烟道侧壁180g、烟道前壁180j、蒸气发生管116a、116c上方的烟道上板134，以及设在蒸汽发生管116a下方的烟道下板135形成烟道114a。由设在炉膛侧壁180c、烟道侧壁180h、烟道前壁180k、蒸汽发生管116b、116d上方的烟道上板134，以及设在蒸汽发生管116b下方的烟道下板135形成烟道114b。
在烟道114a和114b内，按本实施例所述，分别配置5个20排的接触传热管119，各接触传热管119的上端都与蒸汽罐128有水的部分连接，其下端都与水罐131连接。下水管120a和120c的下端与水罐131连通，其上端与蒸汽罐128有水的部分连接。此外，还设置一根图中没有示出的回水管，用它将蒸汽容器129装入蒸汽罐128内的部分的底部与水箱133连通。此回水管倾斜着设置在蒸汽罐129与水箱133之间，以便使气穴不能在管子中间形成。
在烟道114a和114b的上方大致与蒸汽罐同一高度处，与该蒸汽罐平行地设置上部烟道114c和114d。烟道114a和上部烟道114c，以及烟道114b和上部烟道114d，在设于烟道前壁侧的烟道端部的烟道上板134上的开口处分别连通。由于上部烟道114c与上部烟道114d是对称地被构成，所以这里只对上部烟道114d说明如下。燃气从烟道114b流经上述开口而上升，然后在上部烟道114d内，沿着与烟道114b内的燃气流方向相反的方向流动。上部烟道114d中设有下列几种装置：设于上述开口下游的第2空气预热器124;设在第2空气预热器124下游的未燃烧气体燃烧器126;设在未燃烧气体燃烧器126下游的第1空气预热器123。第1空气预热器123与第2空气预热器124的结构基本上相同，即设有：设在燃气流动方向两端的管板171;将上述管板连通后形成烟管的若干个圆管;以及设在上述管板之间的奇数个（例如，第1空热预热器是3个，第2空气预热器是1个）挡板172。这些烟管成了燃烧废气流的整流手段。
未燃烧气体燃烧器126是将一氧化碳（即燃烧废气中的未燃烧气体）予以氧化，变为二氧化碳的手段。为此，将促进反应的催化剂制成板状，与废气流大致平行地配置在燃烧废气的通道中，所用的催化剂是活性温度在300～1000℃范围的催化剂。催化剂的形状，不是板状而是格子状的也可以，也可以将催化剂载于直径约3mm的球体上形成球状催化剂，将其填充在废气流路上。
将空气供给管道122b与上部烟道114d平行地配置在上部烟道114d的蒸气罐128侧。上部烟道114d与空气供给管道122b中间夹着上部烟道侧板114f相邻并排，上述第1空气预热器123中的挡板172，每隔一块（包括与管板171相邻的）延长到空气供给管道122b内，将空气供给管道122b的流路截断。在与第2空气预热器124的挡板172相邻位置的空气供给管道122b内设有加热调节阀125，该阀系由被空气供给管道122b的顶面与底面支持的、且与可转动立柱形成一个整体的平板构成。此加热调节阀125是，调节流入第2空气预热器的空气流量用的手段，它能够调节上述平板与该管道122b纵向所夹的角度，以便改变该管道122b的流路的截面积。在第1和第2空气预热器与空气供给管道122b相邻的部分，没有设置上述上部烟道侧板114f，因此，气体可在两者之间自由地流通。空气供给管道122b的烟道前壁180k侧的端部，延长到与烟道前壁180k的烟道114b相反一侧，与风箱173连通，将该风箱形成为一个与设在炉膛前壁180a的喷烧器喉部143的炉膛外围呈同心的。空气供给管道122b的另一端与图中未示出的鼓风设备连接。
风箱173是与喷烧器喉部143呈同心状设置的，而且由一个直径大于喷烧器喉部143外径的圆筒状喷烧器外壁145、一个构成圆筒端面的喷烧器侧壁147所围，喷烧器111设置在其中心。
在喷烧器111的中心部位。设有主燃烧室157，该主燃烧室157系由下列诸部分构成。即，主混合气流路212：位于主燃烧室上游位置，是形成空气比在1以下的主燃烧火焰的主喷咀;圆环状稳定板155：配置在主混合气流路212的周围，设有形成引燃火焰的引燃火焰孔156;主燃烧室侧壁217：配置在稳定板155的周围，构成主燃烧室157上游区侧壁;燃烧室室壁：系由设置在主燃烧室侧壁217周围的冷却水管158形成的;以及主燃烧室外壁142;上游侧的端面与燃烧室室壁接触，另一端朝着炉膛112，松动配合于喷烧器喉管143内。
在主燃烧室157的炉膛一侧形成二次燃烧室240。二次燃烧室240的上游部分与主燃烧室157连接，其下游部分向炉膛112开口。将二次燃烧室240的主燃烧室157侧开口部与炉膛112侧开口部连结起来而构成的壁面，设有由下列三个构件围绕而构成的副混合气流路238，即：喷烧器喉管143;形成喷烧器喉管143的内部壁面的喷咀237;以及将主燃烧室外壁142的炉膛侧的端部为共有部分的喷咀236。将喷烧器喉管143和副混合气流路238设置成，垂直于二次燃烧室240的喷烧器中心轴线的截面积，越靠近炉膛侧越大。
在二次燃烧室240设在开口部分的副混合气流路238的上游，通过阻尼器232、风箱173，与空气供给管道122a和122b连通。在喷咀236与喷咀237的外圆部分，分别设有圆板160和圆板235。在由圆板160和圆板235所形成的圆环状空间里，安装着多台通风型旋翼162。每台旋翼上都有一根整体成形的支柱161。将此支柱161的轴线设在与主燃烧室外壁142所形成的圆筒的母线平行的方向，将其端部旋转自如地支持在上述圆板160和圆板235上的支持孔上。旋翼162下游侧的端面上，设有若干个燃料喷射孔251，燃料喷射孔251，通过设在旋翼162内的气体箱252、以及炉膛侧或喷烧器侧壁147侧中的任何一方的支柱161中心穿过的供给管，经过连通管234，连接到供给气体燃料的燃料箱上。在圆板160和圆板235的上游侧的端面上，整体地安装着阻尼器232。在阻尼器232的上游侧，安装一个与穿过喷烧器侧壁的调节棒230成一整体的可调式阻尼器231。阻尼器232和可调式阻尼器上，都开有若干个圆孔，通过可调式阻尼器231随着调节棒230沿着主燃烧室外壁142的母线方向移动，便可调节其投影于下游方向的开孔部分的面积。也就是说，可调式阻尼器231的孔与阻尼器232上的孔相重合时，开孔部分的面积最大，因而，流入副混合气流路的空气流量最大。如果相反，使可调式阻尼器231的孔与阻尼器232的孔完全不重合时，则开孔部分的面积最小，而流入副混合气流路的空气流量为最小。以上描述的是，可调式阻尼器231上开有若干个孔的情况，但是，采用不带孔的圆筒状的板为可调式阻尼器，也能达到上述目的。
设在形成引燃火焰的稳定板155内圆侧的、用于形成主燃烧火焰的主混合气流路是一个圆环状流路，它由一个主喉管210和一个与主喉管210外圆侧呈松动配合的预混合喉管140所形成。主喉管210的上游侧与具有圆弧截面形的喷咀208连接;预混合喉管140的上游侧与具有圆弧截面形的喷咀209连接。喷咀208上游侧端面与喷烧器侧壁连接;喷咀209上游侧端面与设在喷烧器侧壁147靠炉膛一侧的预混合侧壁211连接。在由喷烧器侧壁147与预混合侧壁211形成的圆环状空间里，安装多台通风型旋翼206。每台旋翼上都有一根整体成形的支柱207。将此支柱207的轴线设在与主燃烧室外壁142所形成的圆筒的母线平行的方向，将其端部旋转自如地支持在喷烧器侧壁147和预混合侧壁211上的支持孔上。此外，还将支柱207安装在靠近下游的部位，这样，即便使旋翼有一角度以提高旋转强度，也不会与相邻的旋翼相接触，缩小旋翼出口的出口面积。预混合侧壁211上游侧的端面与阻尼器205连接，该阻尼器205与主燃烧室外壁142呈同心状配置，阻尼器205的另一端与喷烧器侧壁147连接。在阻尼器205的外圆一侧，设有一个与调节棒203构成一个整体的可调式阻尼器204，阻尼器205和可调式阻尼器204的结构与工作情况，与阻尼器231和可调式阻尼器232的情况相同。
在旋翼下游安装着若干个穿过喷咀208的燃料管201，在每个燃料管的炉膛侧，设有喷射孔202。喷射孔202的下游侧，向主混合气流路开口。喷射孔202的上游侧，通过燃料管201以及与若干个燃料管201连接的燃料箱200，与燃料管179连接。
主喉管210内部设有一个圆筒215。圆筒215的炉膛侧连接一个流路调节阀216，其特征是，其上游侧的直径与圆筒直径相同，而越靠近炉膛侧流路调节阀216的直径越大。通过端板213将流路调节阀216沿主燃烧室外壁142的母线方向移动自如地被保持，而端板213与主喉管210、圆筒215、喷咀208连接，其中心部位带有流速调节棒的导套，流速调节棒214与圆筒215连成一个整体，用于调节流速调节阀216。当使流速调节棒216向上游侧移动时（图20的实线所示状态），主预混合气流路212面向主燃烧室157的流路面积为最小;而当流速调节阀向下游侧移动时（图20的虚线所示状态），主预混合气流路212的主燃烧室157侧的流路面积为最大。
流量调节阀216按照向主混合气流路212供给的混合气供提量大小而工作，从而能调节主预混合气流路212的主燃烧室157侧的流路面积。例如：这可以使从主预混合气流路212喷出的预混合气的速度大致不变，而不依靠预混合气供给量的大小。通过这种办法，即使在低负荷时预混合气供给量少的条件下，也能防止火焰在主混合气流路内发生倒火。此外，因空气的体积流量随预热温度而变，但是，如果检测空气的预热温度，并使流路调节阀216的工作得以补偿体积膨胀，那么，就能使主预混合气的喷出速度不依预热温度地保持不变，如果在流路调节阀216上安装一个火焰稳定器，主燃烧火焰将更加稳定。
用调节棒203、230来改变可调阻尼器204、231与阻尼器的相对位置，从而改变由可调阻尼器与阻尼器重合而形成的开孔面积。即，通过可调式阻尼器位置的变化，来改变上述开孔部分的面积，以便调节流入主预混合气流路212或副预混合气流路238的空气流量。而且，由于旋翼所产生的压力损失随着旋翼206或162的角度而变化，流入的空气流量随旋转强度而变。如果改变上述开孔面积，使可调式阻尼器进口与旋翼出口之间的压力损失固定不变，那么，就能使流入空气流量不受旋转强度的影响而保持固定不变。
从燃料箱233供给的燃料，通过连通管234、支柱161、保持于旋翼162内的气箱252，从设在旋翼162下游侧端面的若干个燃料喷射孔251喷出，与流入副混合气流路238的空气相混合，形成供副燃烧火焰所需的预混合气。从设在旋翼162的燃料喷射孔251喷射气体燃料的方法，与那种在流路内突出燃料管201将气体燃料予以混的方法相比，空气与气体燃料混合所需时间短，而且使副混合气流路的长度比主混合气流路的长度短。这是由于旋翼尾流中形成的涡流254的紊流强度，比燃料管202下游侧的紊流强度高的缘故。喷出来的气体燃料被卷入涡流254之后，借助于由涡流254形成的微细涡流而与空气完全混合。如果在旋翼表面设置突起物强化紊流强度，就会进一步促进气体燃料与空气的混合。此外，从旋翼162喷射气体燃料的方法，由于旋翼的下游侧无障碍物，所以由旋翼形成的旋流被障碍物衰减。
为了形成主燃烧火焰与副燃烧火焰，而将燃料分开供给。在燃烧负荷低、燃料供给量少时，锅炉在停止向副混合气流路供给燃料的状态下运转。
稳定板是，将空气比为1以上（最好是1.0～1.5），以几m/s（最好是1～3m/s）的速度，向主燃烧室喷射，以形成预混合的引燃火焰。主燃烧混合气流路是，将空气比为1以下（最好是0.5～0.9）的预混合气，以20～50m/s的旋流速度，向主燃烧室157内喷射，喷射出来的预混合气，由引燃火焰点火，以形成主燃烧火焰。副燃烧混合气是，将空气比为1以上（最好是1.0～1.5）的预混合气，以20～50m/s的旋流速度，向二级燃烧室240内喷射，喷射出来的预混合气由主燃烧火焰点火，以形成副燃烧火焰。由于形成主燃烧火焰的预混合气的空气比在1以下，因而火焰的最高温度比以往的扩散火焰低，可以抑制高温爆燃的发生，同时，由燃烧产生的高温爆燃，被气体燃料的中间生成物气相还原，而变为氮。此外，主燃烧火焰生成的中间生成物，也由副燃烧火焰产生的高温爆燃气相还原，而变为氮。这种由主燃烧火焰造成的副燃烧火焰的气相还原，通过使副混合气流路中的混合气与主燃烧室形成一个角度，与主燃烧火焰发生冲突的方法，将会得到促进。此外，由于二次燃烧室流动方向的截面积，越靠近炉膛侧越大，所以主燃烧火焰与副燃烧火焰形成的燃烧室风道速度也不会增大。
上面说明了由预混合气形成引燃火焰的例子，然而，引燃火焰的目的在于点燃主燃烧火焰。因此，向主燃烧室内喷射少量的燃料，将空气从燃料的周围喷出而形成火焰的方法，即由扩散火焰来形成引燃火焰的方法，并非超出本发明目的范围。
本实施例所记载的是，关于将气体燃料分成3部分进行供给，形成引燃火焰、主燃烧火焰、副燃烧火焰，按上述火焰的顺序依次点燃的喷烧器结构，但是只要在喷烧器结构允许的范围内，将气体燃料分成3部分以上也可以。
辐射传热管115b与炉膛112和烟道114a接触，辐射传热管115c与炉膛112和烟道114b接触，该辐射传热管115b和115c烟道侧的表面温度，与烟道内燃烧废气的温度基本相等。因此，从辐射传热管的炉膛侧和相反一侧的表面向外部散失的热量，比用隔热材料将辐射传热管的炉膛外侧部分覆盖的现有技术降低。提高了锅炉的热效率。
接触传热管119，沿不与燃气流向平行的方向配置若干个，因此，在该接触传热管119的表面附近，气流保持紊流状态，在热传率增高的同时，在有限的炉膛容积下，能够保证几t/h～几百t/h蒸发量的锅炉所需的传热面积。
在蒸气传热管117中一边流动一边被加热的蒸汽流入蒸汽容器129，通过设在蒸汽罐128中水面下的该蒸汽容器129的管壁，与蒸汽罐128中的水进行热交换。此蒸汽把蒸汽罐中的水加热，而它本身被冷凝后变成水，然后流经回水管（图中未示出）流回水箱133。流回水箱133的水，在通过蒸汽发生管116a或116b的流程中被加热而汽化，在辐射传热管116c和蒸汽传热管117或辐射传热管116d和蒸汽传热管117中，吸收火焰的热量后进一步被加热，并流入蒸汽容器129，在蒸汽罐128内安装的蒸汽容器处，与蒸汽罐128中的水进行热交换。通过这种办法，传热管在不被所接触的火焰破坏和烧伤的情况下，将热介质的迁移与冷凝加以综合而实现了以往的1.5～2倍，即45000～60000Kcal/m2h的热交换。
设置在加热流路170的过热器118，防止了在加热流路170的弯曲流路处发生燃气的偏流和分离，使烟道114入口处的燃烧废气的速度达到均匀，这样，在提高烟道114内部的热交换效率的同时，去掉了具有局部高热吸收量的传热管，从而防止了烧伤等破坏。
设在上部烟道114a最上游侧的第2空气预热器124，通过对加热度调节阀125的开启度的调节，来调节流入的空气量，并调节在第2空气预热器124内从燃烧废气中失去的热量，其结果，使流入未燃烧气体燃烧器126的燃烧废气的温度，保持在未燃烧气体燃烧器所用催化剂的活性温度所决定的温度范围。这样，通过对流入第2空气预热器124的空气量的调节，即使锅炉负荷发生变化，也能将未燃烧气体燃烧器126进口的燃烧废气温度保持在设定温度范围。此外，第2空气预热器124是紧挨着未燃烧气体燃烧器126的上流侧设置的，燃烧废气在通过第2空气预热器的烟管的过程中被整流后流入未燃烧气体燃烧器126。
在未燃烧气体燃烧器126中，控制燃烧废气与催化剂的接触时间，这样，能将燃烧废气的未燃烧气体，即一氧化碳的浓度降低，例如，设接触时间为0.1～1秒时，能把一氧化碳浓度从几千ppm降到100ppm以下。对未燃烧气体燃烧器来说，也可以使少量的气体燃料在废气中燃烧，燃烧所产生的高温气体，与废气中的一氧化碳接触而使其氧化，变成二氧化碳。但这种情况下，需要使废气在未燃烧气体燃烧器内停留1～2秒，须要使未燃烧气体燃烧器的长度增大，因此，从实现锅炉小型化的观点来看，是不理想的。
图19是，表示锅炉出口处燃烧废气所含NOX浓度和一氧化碳浓度与氧浓度之间的关系的特性曲线图。实线表示以往的锅炉的特性，虚线表示，改变以往锅炉的炉膛容积，把燃烧负荷提高到与本实施例相同水平时以往锅炉的特性，两者都使用相同的喷烧器。由于提高以往锅炉的热负荷时炉膛内的燃气温度升高，因而使高温爆燃的发生量增加，表示燃烧负荷提高时的NOX浓度的虚线a，位于表示燃烧负荷未提高时的NOX浓度的实线A的上方，因此，在同一个氧浓度下的NOX浓度增大。另一方面，燃气在炉膛内的停留时间随燃烧负荷的增大而减少，由于气体燃料与高温燃气的接触时间缩短，未燃烧成分，尤其是一氧化碳的浓度从图中可以看出，表示燃烧负荷提高时的一氧化碳浓度的虚线b，位于表示燃烧负荷未提高时的一氧化碳浓度的实线B的上方，因此，在同一个氧浓度下，一氧化碳浓度增大。
设有未燃烧气体燃烧器126的本实施例，如点划线C所示，其废气中的一氧化碳浓度是低的，因此，为了达到与实线B、虚线b所示一氧化碳浓相同的一氧化碳浓度，所需维持的氧浓度是低的。如使此氧浓度为0.3时，不论是NOX浓度N3，或一氧化碳浓度相同时的以待锅炉的NOX浓度N1，都低于高负荷燃烧的以往锅炉的NOX浓度N2。综上所述，通过设置未燃烧气体燃烧器，就能实现废气中氧浓度低于以往的低氧运转，而且能使NOX降低。此外，另一个效果是，由于使用未燃烧气体燃烧器，能够控制因减少向炉膛内供给过剩空气量而增加的一氧化碳排放量，因此，不须要为控制炉内产生的一氧化碳的量而限制所需的炉膛容积，就可以将炉膛缩小。
预混合喉管140，将空气比在1以下（最好是0.5～0.9）的预混合气，以20～50m/s的旋流速度，向主燃烧室157内喷射，喷射的预混合气用引燃火焰点火，形成主燃烧火焰。由于形成主燃烧火焰的预混合气的空气比在1以下，所以燃烧造成的高温爆燃被气体燃料的燃烧中间生成物气相还原，而变成氮。因此，在同一个氧浓度下的NOX的浓度，低于图19中虚线所示的值。另外，主燃烧火焰是进行预混合燃烧的，因此比混合速度受约束的扩散火焰的燃烧速度快，能缩短火焰长度。
主燃烧室157可以保证主燃烧火焰的空气比在1以下时的燃烧区，利用从燃烧空气流路238喷出的燃烧用空气，可以防止引燃火焰和主燃烧火焰的不稳定。为了防止这种燃烧不稳定，应将主燃烧室157的内径d与长度l之比，即l/d设为0.2～2，最好是使1/d0.3～0.9的范围。
上述锅炉的起动方法如下：按定量向预混合室177供给空气，向燃料喷咀152供给气体燃料，将空气比设定在1.2附近，形成引燃火焰后，一边维持着0.6左右的空气比，一边增加向主预混合气流路212供给的空气与燃料的量，从而设定所需的燃烧负荷。
本发明的技术效果如下。按照本发明，在预混合气喷咀喷口的下流，设置一个与预混合气主流方向不平行的板，通过该板的作用，使预混合气的燃烧容易从喷射流的中心部位扩展，从而能够提高预混合火焰的稳定性。
在混合气开始燃烧之前，在混合气射流周围，将一部分燃气掺入混合气内，这样，空气过剩率即使在约1.0，也能大幅度地降低从预混合火焰产生的NOX。本发明提出的预混合燃烧式锅炉，在同一空气过剩率下产生的NOX，即使增大燃烧负荷，也基本上不变，因此，得以实现高负荷、低NO的锅炉。
设置若干个预混合喷咀，而且将稳定火焰用的扩散燃烧喷管设置在这些喷咀附近，这样就能使锅炉负荷从10%稳定地变化到100%。
本发明的一种改型例是，在喷烧器中设置主燃烧室，以0.5～0.9的低空气比在主燃烧室中燃烧，从这里产生的未燃烧成分，通过从二次喷咀喷射的残余氧而达到完全燃烧，因此，用一个喷烧器也能实现高负荷、低NOX燃烧。
本发明提出的锅炉，具有把燃气中的未燃烧成分在废气管道中予以燃烧的构造，因此，可以显著地降低向锅炉外部排放的未燃烧成分，并能实现低NOX燃烧。

Claims (17)

1、一种低NOx锅炉的炉膛具有：设在该炉膛内、燃烧气体燃料用的喷烧器；位于该炉内、内部设有通水流路、利用上述喷烧器的燃烧热将水加热并产生蒸汽的传热管；将在该传热管内流动的蒸汽予以贮存的蒸汽罐；位于上述炉内、把气体燃料所产生的燃气排放到锅炉外部的废气管道；以及位于该废气管道中间、将在该管道内流动的燃气中的未燃烧成分予以燃烧的未燃烧成分燃烧手段。
其特征在于，在上述气体燃料燃烧用喷烧器上设有：喷射预先混合燃料与燃烧用空气而成的混合气的喷咀；以及位于该喷咀喷口下游侧附近、阻挡该预混合气的流动、在尾流侧形成循环流的火焰稳定手段。
2、一种低NOX锅炉的炉膛具有：设在该炉膛内、燃烧气体燃料用的喷烧器;位于该炉内、内部设有通水流路、利用上述喷烧器的燃烧热把水加热并产生蒸汽的传热管;与该传热管连通、将在该传热管内流动的蒸汽予以贮存的蒸汽罐;位于上述炉内、把气体燃料燃烧所产生的燃气排放到锅炉外部的废气管道;以及位于该废气管道中间、将在该管道内流动的燃气中的未燃烧成分予以燃烧的未燃烧成分燃烧手段。
其特征在于，在上述气体燃料燃烧用喷烧器上设有：将气体燃料与燃烧用空气予以混合的混合气以直流方式喷射的喷咀;位于该喷咀内、具有多个通气孔、使该混合气流经该通气孔而实现整流的整流手段;以及位于该喷咀喷口下游附近、阻挡该混合气流动、在尾流侧形成循环流的火焰稳定手段。
3、一种低NOX锅炉的炉膛具有：设在该炉膛内、燃烧气体燃料用的喷烧器;位于该炉内、内部设有通水流路、利用上述喷烧器的燃烧热把水加热并产生蒸汽的传热管;与该传热管连通、把该传热管内流动的蒸汽予以贮存的蒸汽罐;位于上述炉内、把气体燃料燃烧所产生的燃气排放到锅炉外部的废气管道;以及位于该废气管道中间、将在该管道内流动的燃气中的未燃烧成分予以燃烧的未燃烧成分燃烧手段，
其特征在于，在上述气体燃料燃烧用喷烧器上设有：喷射预先混合燃料和燃烧用空气而成的混合气的喷咀;以及位于该喷咀喷口下游侧附近、具有平板或圆锥状总筒形、阻挡该混合气的流动、在其尾流侧形成循环流的火焰稳定手段。
4、按权利要求3所述低NOX锅炉，其特征在于：设置一块面积小于上述喷咀截面积的板作为上述火焰稳定手段。
5、一种低NOX锅炉的炉膛具有：设在该炉膛内的若干个气体燃料燃烧用喷烧器;位于该炉内、内部设有通水流路、利用上述喷烧器的燃烧热量把水加热并产生蒸汽的传热管;与该传热管连通、将在该传热管内流动的蒸汽予以贮存的蒸汽罐;位于上述炉内，把气体燃料燃烧所产生的燃气排放到锅炉外部的废气管道;以及位置该废气管道中间、将在该管道内流动的燃气中的未燃烧成分予以燃烧的未燃烧成分燃烧手段，
其特征在于：上述若干个气体燃料燃烧用喷烧器设有扩散燃烧用喷管，以及位于该扩散燃烧用喷管周围的若干个预混合气燃烧用喷管，在该预混合气燃烧用喷管中至少有1个具有阻挡预混合气的流动、在其尾流侧形成循环流的火焰稳定手段。
6、按权利要求5所述低NOX锅炉，其特征在于：在上述预混合气燃烧用喷管处设有，对该预混合气进行整流的、具有多个通气孔的整流手段。
7、按权利要求5所述低NOX锅炉，其特征在于：作为上述火焰稳定手段，设置截面积小于上述喷烧器的预混合气喷咀截面积的板来阻挡上述预混合气的流动。
8、按权利要求5所述低NOX锅炉，其特征在于：作为上述火焰稳定手段，将圆锥状的筒设置在该喷烧器喷口下游侧附近。
9、按权利要求5所述低NOX锅炉，其特征在于：在上述扩散燃烧用喷管上设有火焰稳定手段。
10、一种低NOX锅炉的炉膛具有：设在该炉膛内的若干个气体燃料燃烧用喷烧器;位于该炉内、内部设有通水流路、利用上述喷烧器的燃烧热量把水加热并产生蒸汽的传热管;与该传热管连通、将该传热管内流动的蒸汽予以贮存的蒸汽罐;位于上述炉内、把气体燃料燃烧所产生的燃气排放到锅炉外部的废气管道;位于该废气管道中间、将在该管道内流动的燃气中的未燃烧成分予以燃烧的未燃烧成分燃烧手段，
其特征在于：上述若干个气体燃料燃烧用喷烧器设有扩散燃烧用喷管，以及在该扩散燃烧用喷管周围配置成圆环状的若干个预混合气燃烧用喷管，在该预混合气燃烧用喷管中至少有一个具有，阻挡预混合气的流动，在其尾流侧形成循环流的火焰稳定手段。
11、按权利要求10所述低NOX锅炉，其特征在于：设置面积小于上述喷咀截面积的板作为上述火焰稳定手段。
12、一种低NOX锅炉的炉膛具有：设在该炉膛内的若干个气体燃料燃烧用喷烧器;位于该炉内、内部设有通水流路、利用上述喷烧器的燃烧热量把水加热并产生蒸汽的传热管;与该传热管连通、将在该传热管内流动的蒸汽予以贮存的蒸汽罐;位于上述炉内、把气体燃料燃烧所产生的燃气排放到锅炉外部的废气管道;以及位于该废气管道中间、将在该管道中流动的燃气中的未燃烧成分予以燃烧的未燃烧成分燃烧手段，
其特征在于：上述若干个气体燃料燃烧用喷烧器设有第1扩散燃烧用喷管，以及配置在第1扩散燃烧用喷管周围的若干个预混合气燃烧用喷管，该预混合气燃烧用喷管中至少有一个具有，阻挡预混合气的流动、并在其尾流侧形成循环流的火焰稳定手段，而且在该预混合气燃烧用喷管内，设有用于使该预混合火焰达到稳定的第2扩散燃烧用喷管。
13、按权利要求12所述低NOX锅炉，其特征在于：在上述第1扩散燃烧用喷管上设有火焰稳定手段。
14、一种低NOX锅炉的炉膛具有：设在该炉膛内的气体燃料燃烧用喷烧器;位于该炉内、内部设有通水流路、利用上述喷烧器的燃烧热把水加热并产生蒸汽的传热管;与该传热管连通、将在该传热管内流动的蒸汽予以贮存的蒸汽罐;位于上述炉内、把气体燃料所产生的燃气排放到锅炉外部的废气管道;以及位于该废气管道中间、将该管道内流动的燃气中的未燃烧成分予以燃烧的未燃烧成分燃烧手段，
其特征在于，上述气体燃料燃烧用喷烧器设有：喷射气体燃料与空气预混合气的1次喷咀;设在该1次喷咀的炉膛侧、其内侧形成一次燃烧室的圆筒状或圆锥台状的1次燃烧室外壁;与该1次燃烧室外壁外圆同心地设置的、喷射燃烧用空气用的2次喷咀;以及位于该1次喷咀的预混合气喷口下游侧附近、阻挡该预混合气流动、在其尾流侧形成循环流的火焰稳定手段。
15、一种低NOX锅炉的炉膛具有：设在该炉膛内的气体燃料燃烧用喷烧器;位于该炉膛内、内部设有通水流路、利用上述喷烧器的燃烧热量把水加热并产生蒸汽的传热管;与该传热管连通、将在该传热管内流动的蒸汽予以贮存的蒸汽罐;以及位于上述炉内、把气体燃料燃烧所产生的燃气排放到锅炉外部的废气管道，
其特征在于，在上述气体燃料燃烧用喷烧器上设有：喷射预先将气体燃料与燃烧用空气加以混合的混合气的喷咀;位于该喷咀喷口附近、阻挡该混合气的流动并在其尾流侧形成循环流的火焰稳定手段。
16、一种锅炉用喷烧器，其特征在于设有：将气体燃料与空气加以混合的混合气，以直流方式喷射的喷咀;位于该喷咀内、开有多个通气孔、使混合气流经该通气孔而实现整流的整流手段;位于该喷咀喷口下游附近得以阻尼该混合气的流动、截面积小于该喷咀的截面积、阻挡该混合气的流动、以形成尾流侧的循环流的火焰稳定手段。
17、一种锅炉用喷烧器，其特征在于设有：喷射气体燃料与空气预混合气的1次喷咀;设在该1次喷咀的炉膛侧、其内侧形成1次燃烧室的圆筒状或圆锥台状的1次燃烧室外壁;与该1次燃烧室外壁外圆同心地设置的、喷射燃烧用空气用的2次喷咀;以及位于该1次喷咀的预混合气喷口下游侧附近、阻挡该预混合气流动、在其尾流处形成循环流的火焰稳定手段。
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