CN104633655A - 利用燃烧气体的内部再循环的超低氮氧化物燃烧设备及其运转方法 - Google Patents

Abstract

本发明的超低氮氧化物燃烧设备，其特征在于，包括：主燃料喷射体，向燃烧炉的内部供给主燃料；副燃料喷射体，在主燃料喷射体的周围配置有至少一个以上，并配置为其前端进入燃烧炉的内部；再循环诱导部，通过流体力学的力使燃烧炉中产生的燃烧气体在燃烧炉中再循环；燃料供给部，向主燃料喷射体和副燃料喷射体供给燃料；氧化剂供给部，向主燃料喷射体和副燃料喷射体之间的空间供给氧化剂；中心氧化剂喷射部，将从氧化剂供给部供给的氧化剂沿着主燃料喷射体的内部输送至燃烧炉内；以及空气多级套管，配置为环绕主燃料喷射体以用于使空气形成多级，从氧化剂供给部供给的氧化剂经过空气多级套管的内外部被多级地供给。本发明使用内部再循环技术，在没有其它设备的情况下，将形成有多重火焰处的燃烧室内产生的燃烧气体传递到燃烧室的内部而并非该燃烧室的外部连接通路。

Description

利用燃烧气体的内部再循环的超低氮氧化物燃烧设备及其运转方法

技术领域

本发明涉及利用燃烧气体的内部再循环的超低氮氧化物燃烧设备，更详细地涉及应用了内部再循环技术的超低氮氧化物燃烧设备，所述内部再循环技术在没有其它设备的情况下，将在燃烧室内产生的燃烧气体传递到燃烧室的内部而并非该燃烧室的外部连接通路。

背景技术

目前，人类的主要能源为烃类的化石燃料。但是，由这种化石燃料燃烧后的产物带来的环境污染问题被严肃地提及。作为主要的环境污染源，除了氮氧化物(NOx)、二氧化碳(CO₂)以外，还有由于燃料的不完全燃烧而生成的一氧化碳(CO)或烟灰(soot)等。

使用现有的化石燃料的燃烧器无法避免由于燃烧时的化学反应而产生的具有NO和NO₂的化学式的氮氧化物(NOx)。发展用于抑制其产生的低NOx燃烧技术，通过燃料与空气的混合形态、空气燃料比等燃烧器的结构改善来实现上述目的。燃烧过程中产生的氮氧化物与大气中的其它氧气反应，产生烟雾和大气的臭氧增加等环境问题。特别是在上述燃烧过程中产生排放物(emission)的情况下会给环境和人体的健康带来危害，因此各国以越来越严格的标准加强控制。

氮氧化物的种类根据产生原因可分类为热型氮氧化物(ThermalNOx)、快速型氮氧化物(Prompt NOx)、以及燃料型氮氧化物(FuelNOx)。热型氮氧化物是空气中的氮气与氧气在1600℃以上的高温下反应而生成的氮氧化物；快速型氮氧化物是在烃类燃料的燃烧时，在燃烧初期生成的氮氧化物；燃料型氮氧化物是通过燃料中包含的氮气成分的反应而生成。在这种氮氧化物的对策中，由于天然气等气体燃料中不包含氮气成分，因此能够有效控制与热型NOx以及快速型NOx相关的事项。

已知氮氧化物是光化学烟雾和酸雨的原因，给动植物带来严重的影响，长期以来，许多研究人员研究降低NOx的多种方法。

由此，作为目前正在尝试的低NOx方法有废气的再循环、水或蒸汽喷射、空气和燃料的多级燃烧、选择性非催化还原反应(SNCR，selective non-catalytic reduction)、选择性催化还原反应(SCR，selectivecatalytic reduction)等。最近，发达国家尝试在后燃区域中去除NOx的再燃烧方法，在NOx的降低率或经济性上具有高效性。

作为如上所述的用于降低NOx的现有方法，可以举出韩国公开专利公报第10-2005-0117417号作为例子。在上述第10-2005-0117417号中提供液体及气体用废气再循环3级燃烧器，其为了降低氮氧化物(NOx)的产生量，将燃烧用空气与普通空气和废气混合并分成3级供给，通过使各级的混合比各不相同，使多级燃烧导致的局部高温域的产生降到最低，并扩大燃烧区域以进行锅炉内部的均匀加热。

而另一方面，在上述引用文献中，作为用于使废气再循环的部件，通过具有多个废气供给管、再循环导管、以及挡板等其它设备，使废气重新流入燃烧炉内，但必须在上述燃烧炉的外部另行安装上述部件，因此存在需要空间大的缺点。

另一方面，根据本发明人在先申请的韩国登录专利公报第1203189号提供内部再循环技术，其在没有其它设备的情况下，将在燃烧室内产生的燃烧气体传递到燃烧室的内部而并非该燃烧室的外部连接通路，但存在以下局限性，即，对用于在燃烧炉的中心部形成稀薄火焰的具体结构或能够减少氮氧化物的形成的具体因素的相关说明不足。

现有技术文献

专利文献

专利文献1韩国公开专利公报第10-2005-0117417号

专利文献2韩国登录专利公报第10-1203189号

发明内容

发明所要解决的技术问题

于是，本发明为了解决上述的问题，以提供应用了内部再循环技术的超低氮氧化物燃烧设备为目的，该内部再循环技术将氧化剂供给至燃烧炉的中心区域，同时，在没有其它设备的情况下，将在形成有多重火焰处的燃烧室内产生的燃烧气体传递到燃烧室的内部而并非该燃烧室的外部连接通路。

此外，本发明通过由供给主燃料的主燃料喷射体和供给辅助燃料的副燃料喷射体构成的多级燃料供给喷嘴结构，达到形成高效率和低公害结构的火焰处的目的。

解决技术问题所需手段

为了解决上述课题，本发明的超低氮氧化物燃烧设备的特征在于，包括：主燃料喷射体，向燃烧炉的内部供给主燃料；副燃料喷射体，在所述主燃料喷射体的周围配置有至少一个以上，并配置为其前端进入所述燃烧炉的内部；再循环诱导部，通过流体力学的力使所述燃烧炉中产生的燃烧气体在所述燃烧炉中再循环；燃料供给部，向所述主燃料喷射体和副燃料喷射体供给燃料；氧化剂供给部，向所述主燃料喷射体和所述副燃料喷射体之间的空间供给氧化剂；以及空气多级套管，配置为环绕所述主燃料喷射体以用于使空气形成多级，从所述氧化剂供给部供给的氧化剂经过所述空气多级套管的内外部被多级地供给。

当将所述主燃料喷射体的喷出口的直径设为B、所述空气多级套管的直径设为D、所述再循环诱导部的内部直径设为C时，表示预混合强度的第1性能指数η1优选地由下述式确定，

${\mathrm{\η}}_1=\frac{D^2-B^2}{C^2-B^2}.$

所述第1性能指数的值优选在0.3至0.5之间的范围内。

所述超低氮氧化物燃烧设备优选地还包括配置在所述主燃料喷射体的前端的旋流器以及中心氧化剂喷射部，该中心氧化剂喷射部将由所述氧化剂供给部供给的氧化剂沿着所述主燃料喷射体的内部输送至所述燃烧炉内。

当将所述主燃料喷射体的喷出口的直径设为B、所述旋流器的直径设为A时，表示喷嘴形状系数的第2性能指数η2由下述式确定，所述第2性能指数的值优选在1.5至2.0之间的范围内，

${\mathrm{\η}}_2=\frac{A}{B}.$

当将所述至燃料喷射体的喷出口的直径设为B、所述旋流器的直径设为A、所述再循环诱导部的内部直径设为C时，表示旋流系数的第3性能指数η3由下述式确定，所述第3性能指数的值优选在0.25至0.55之间的范围内，

${\mathrm{\η}}_3=\frac{A^2-B^2}{C^2-B^2}.$

当将FIR端口间的距离设为E、燃料管的直径设为F时，

表示再循环部的流速的第4性能指数η4优选地由下述式确定，

当将所述主燃料喷射体的喷出口的直径设为B、所述再循环诱导部的内部直径设为C时，表示燃烧器出口的流速的第5性能指数η5优选地由下述式确定，

优选地，所述超低氮氧化物燃烧设备还包括附设在所述空气多级套管的外面的促进再循环突起部，所述促进再循环突起部增加在所述再循环诱导部和所述空气多级套管之间流动的所述燃烧气体的流速。

优选地，以所述主燃料喷射体为中心，在同一圆周上以保持一定间隔的方式配置有多个所述副燃料喷射体，所述副燃料喷射体优选朝其径向喷射燃料。

优选地，以所述副燃料喷射体的径向的喷射角度来喷射燃料，所述喷射角度位于朝向邻接的所述副燃料喷射体的角度和朝向间隔的所述副燃料喷射体的角度之间。

所述副燃料喷射体的轴向的燃料喷射角度优选在10°至80°的范围内。

所述主燃料喷射体喷射的燃料喷射速度V_f1优选地设定在20至50的范围内。

副燃料喷射体的燃料喷射速度V_f2优选地设定在下述式的范围内，

V_f1≤V_f2≤200。

优选地，所述再循环诱导部包括：内部再循环套管，以副燃料喷射体为基准倾斜地配置；连接引导部，从所述内部再循环套管的后端延伸；以及喷射喷嘴，连接在所述连接引导部的后端，改变流动的燃烧气体的移动方向。

优选地，通过将所述喷射喷嘴倾斜地配置在所述主燃料喷射体和所述再循环诱导部之间，使得减少作为所述氧化剂的流动空间的所述主燃料喷射体和所述再循环诱导部之间的宽度。

所述主燃料喷射体优选地将所供给的所述主燃料朝其径向和切线方向喷射。

所述副燃料喷射体的前端优选地配置为与所述主燃料喷射体的前端相比，进一步进入所述燃烧炉的内部。

优选地，所述主燃料喷射体在所述燃烧炉的内部形成作为燃料浓厚区域的主空间，所述副燃料喷射体在所述主空间的后端部形成作为燃料稀薄区域的副空间而形成多级火焰。

有益效果

本发明的超低氮氧化物燃烧设备使用内部再循环技术，在没有其它设备的情况下，将在形成有多重火焰处的燃烧室内产生的燃烧气体传递到燃烧室的内部而并非该燃烧室的外部连接通路。

如此地，通过最优化内部再循环诱导体的形状，燃烧炉内的燃烧气体在没有外部动力的情况下，通过热和流体力学的诱导技术，与吸入的氧化剂混合而燃烧，由此实现超低氮氧化物的运转。

本发明通过将氧化剂供给至火焰中心部，使得能够进行用于形成稀薄火焰的空气供给过程，或防止火焰中心部的局部的高温热点所导致的氮氧化物的生成增加。由此，抑制旋流器和燃料喷射体的前端的过热现象。

而且，本发明通过再循环诱导部和空气多级套管等结构，实现燃烧炉内产生的燃烧气体的顺利的再循环流动，由此，防止发生以往与对火焰稳定起到重要作用的中心部的再循环流动相反的流动所导致的火焰的不安定现象。

此外，不需要其它的动力供给设备，在实现设置简单化的同时，增加燃烧气体的循环效率。

此外，本发明使经过再循环诱导部的燃烧气体与氧化剂一起被重新供给至燃烧炉中燃烧，通过这一过程实现稳定的火焰。

附图说明

图1是根据本发明的第一实施例的超低氮氧化物燃烧设备的整体结构图。

图2是从燃烧炉的内部观看图1的燃烧设备的形态，是表示从副燃料喷射体喷射辅助燃料的一个实施例的图。

图3是从燃烧炉的内部观看图1的燃烧设备的形态，是表示从副燃料喷射体喷射辅助燃料的其他实施例的图。

图4是示出构成重要性能指数的符号的图。

图5A是示出本发明的超低氮氧化物燃烧设备的重要性能指数的图表。

图5B是示出本发明的超低氮氧化物燃烧设备的重要性能指数的图表。

图5C是示出本发明的超低氮氧化物燃烧设备的重要性能指数的图表。

图5D是示出本发明的超低氮氧化物燃烧设备的重要性能指数的图表。

图5E是示出本发明的超低氮氧化物燃烧设备的重要性能指数的图表。

图5F是示出本发明的超低氮氧化物燃烧设备的重要性能指数的图表。

图6是根据本发明的第二实施例的超低氮氧化物燃烧设备的整体结构图。

具体实施方式

本发明的上述目的、特征及其他优点通过参照附图并对本发明的优选实施例进行详细说明变得将更加明确。所描述的实施例是为了对发明进行说明而例示性地提供，并不限定本发明的技术范围。

构成本发明的超低氮氧化物燃烧设备的各构成要素可根据作为一个整体使用，或者分别分开使用。而且，根据使用形态，可省略使用一部分的构成元件。

以下，参照附图，详细说明根据本发明的实施例的超低氮氧化物燃烧设备。

超低氮氧化物燃烧设备的整体结构的说明

首先，参照图1，对根据本发明第一实施例的超低氮氧化物燃烧设备100的整体结构进行说明。

超低氮氧化物燃烧设备100包括：主燃料喷射体10，配置于形成在燃烧炉1前方的开口部的中央；副燃料喷射体20，在环绕主燃料喷射体10的同时，靠紧开口部的内侧而配置；旋流器(スワラ)30，配置在主燃料喷射体10的前端；再循环诱导部40，配置在主燃料喷射体10和副燃料喷射体20之间；空气多级套管60，配置为环绕主燃料喷射体10和旋流器30；以及促进再循环突起部90，附设在空气多级套管60的外面。上述再循环诱导部40与副燃料喷射体20邻接配置。

主燃料喷射体10包括连接至第1燃料线路51的输送部13，以及直接连接至上述输送部13的扩大部11。上述输送部13用于将主燃料安全地输送至扩大部11，优选使用耐久性强的材料制造，并且均匀地形成直径即可。

作为一个实施例，扩大部11可以具有其直径逐渐扩大的形状，并将所供给的主燃料经其外周面喷射。即，进入扩大部11内的燃料经形成于扩大部11的外周面的喷射孔(未图示)，向燃料喷射体10、20之间的内部空间以放射状喷射。(参照图1的附图标记15)。即，扩大部11内的燃料在流入的氧化剂上沿着上述扩大部11的径向喷射。

另一方面，沿着主燃料喷射体10的内部来配置中心氧化剂喷射部85即可。这里，通过其构成为可以在中心氧化剂喷射部85的末端插入喷嘴，使得能够调节空气供给量。上述中心氧化剂喷射部85使由氧化剂供给部80供给的氧化剂沿着主燃料喷射体10的中心轴流动后，将其供给至作为燃烧炉1的火焰中心部的主空间72。

由此，通过促进火焰中心部的主空间72中火焰和氧化剂的混合效果而抑制红色火焰的形成，从而诱导蓝色火焰的形成。而且，通过减少火焰中心部周围局部的高温区域，以减少氮氧化物的产生。

副燃料喷射体20以主燃料喷射体10为中心，在同一圆周上以一定的间隔配置。具体地，其配置有6个至12个副燃料喷射体20，优选为8个副燃料喷射体20配置成保持均等间隔的状态。上述副燃料喷射体20的前端配置成与主燃料喷射体10的前端相比更进入燃烧炉1的内部。上述副燃料喷射体20前端的结构是向单向倾斜而规定倾斜角即可。具体地，可以规定其以朝向燃烧炉1的中心的方向和逐渐远离开口部3的形态倾斜。

从副燃料喷射体20喷射的燃料能够向上述副燃料喷射体20的径向喷射。上述副燃料喷射体20通过向非其轴向的径向喷射辅助燃料，在燃烧炉1内产生旋转流动。本发明中，可以使辅助燃料在配置有多个副燃料喷射体20的圆周上，沿顺时针或半顺时针方向喷出辅助燃料(参照图2的附图标记25、或图3的附图标记25’)。在附图中，作为一个例子，示出了沿顺时针方向喷射的形态。

本发明中，来自多个副燃料喷射体20中的任意一个的燃料喷射方向被设定成朝向邻接的其他副燃料喷射体20(参照图2)。另一方面，作为其他实施例，来自多个副燃料喷射体20中的任意一个的燃料喷射方向被设定成朝向间隔(交番的に隣接した)的其他副燃料喷射体20(参照图3)。另一方面，来自多个副燃料喷射体20中的任意一个的径向的喷射角度能够在朝向邻接的副燃料喷射体的角度和朝向间隔的其他副燃料喷射体的角度之间喷射燃料。

图3中示出在排列的8个副燃料喷射体20中，只从4个副燃料喷射体20喷射燃料，但这是为了明确地表示喷射方向，设定从全部的副燃料喷射体20喷射燃料。

主燃料喷射体10和副燃料喷射体20均构成为中空圆筒状的管。从氧化剂供给部80向主燃料喷射体10和副燃料喷射体20之间的空间供给氧化剂。上述氧化剂经过旋流器30，在形成有轴向或切线方向的动量的状态下被供给至燃烧炉1的内部，或者不经过旋流器30直接被供给至燃烧炉1内。

液体燃料从燃料供给部50被分成主燃料(Main fuel)和副燃料(2nd fuel)而供给至上述主燃料喷射体10和副燃料喷射体20中。从燃料供给部50经过过滤器(未图示)除去杂质后，由泵(未图示)抽送后，分支为第1线路51和第2线路52，连接至燃料喷射体10、20。上述线路51、52上分别设置有电磁阀55、56，从而能够适当地供给和截断作为主燃料(Main fuel)和副燃料(2nd fuel)所供给的液体燃料。

旋流器30被配置在主燃料喷射体10的前端，并且使预混合器能够与主燃料喷射体10的轴向呈斜线地供给。而且，呈斜线供给的预混合器旋转流动，使得可以产生涡流(参照图2的附图标记32)。为了实现上述功能，作为其中的一个实施例，旋流器30可以具有中空圆筒状的主体和在上述主体的内部与轴向呈斜线配置的翼形导板。在上述主体的内部形成有连接固定在导板的一侧端上的中空圆筒状的插入孔(未图示)。通过贯通插入孔固定主燃料喷射体10，旋流器30被配置为环绕主燃料喷射体10的前端部。

再循环诱导部40包括：内部再循环套管(Forced Internalrecirculation sleeve)41，在燃烧炉1的开口部(未图示)上以副燃料喷射体20为基准倾斜地配置；连接引导部43，从内部再循环套管41延伸；喷射喷嘴45，连接在连接引导部43的后端，改变流动的燃烧气体的移动方向；以及倾斜构件47，在再循环诱导部40的内部下端倾斜地配置。

内部再循环套管41被配置为从作为燃烧气体的最初流入部的前端越到后端越朝向开口部3的中心倾斜地配置。即，越往内部再循环套管41的后端，内部的宽度越逐渐地变宽。连接引导部43可以使经过内部再循环套管41流入的燃烧气体缓慢地流动，并保持一定的宽度。

喷射喷嘴45将在燃烧炉1中流动的燃烧气体经过内部再循环套管41和连接引导部43向主燃料喷射体10和再循环诱导部40之间的空间喷射。所喷射的燃烧气体与氧化剂一起向燃烧炉1的内部流动。上述喷射喷嘴45倾斜地配置在主燃料喷射体10和再循环诱导部40之间。即，通过减少主燃料喷射体10和再循环诱导部40之间的宽度，以实现孔口形态的结构。如上所述的喷射喷嘴45的配置结构通过加快供给至主燃料喷射体10和副燃料喷射体20之间的空间的氧化剂的流速，使其在燃烧炉1内高速流动。

即，通过使主燃料喷射体10和喷射喷嘴45之间的空间变得狭小，根据伯努利定理，氧化剂的流速增加。根据所述结构，燃烧炉1内产生的流动可以增加动量。

倾斜构件47是配置在连接引导部43和喷射喷嘴45的边界线上的结构，通过调节燃烧气体可流动的宽度，最终调节流速。

空气多级套管60为中空圆筒状的结构体，通过下述构造可以实现氧化剂的多级供给，由此最终在燃烧炉1的内部容易地形成多级火焰，即，将从氧化剂供给部80供给的氧化剂分开向空气多级套管60的内部和外部供给。

促进再循环突起部90配置在空气多级套管60的外周面上。具体地，上述促进再循环突起部90起到缩小构成再循环诱导部40的喷射喷嘴45和空气多级套管60之间的空间的功能。通过如上所述的结构，从燃烧炉1经过再循环诱导部40流动的燃烧气体在通过促进再循环突起部90的附近的同时其流速得到提高。由此，防止经过再循环诱导部40重新流入燃烧炉1的燃烧气体的分离，最终促进燃烧气体的再循环。

下面，参照图4至图5F，对能够确定超低氮氧化物燃烧设备100的性能的重要性能指数进行说明。

确定上述重要性能指数的公式中所使用的符号如下述定义。

A：旋流器30的直径、B：燃料盖的直径、C：再循环诱导部40的内部直径、D：空气多级套管60的直径、E：FIR端口间的距离、F：燃料管的直径

这里，燃料盖的直径是主燃料喷射体10的喷出口的直径，同时还是结合在扩大部11中的旋流器30上的部分的直径，燃料管的直径是主燃料喷射体10中的燃料所流入的输送部13的直径，FIR端口间的距离表示再循环诱导部40中的喷射喷嘴45之间的距离。

首先，第1性能指数η1表示预混合强度，可由下述式确定。

${\mathrm{\η}}_1=\frac{D^2-B^2}{C^2-B^2}$

第1性能指数是指相对于整体氧化剂供给面积的内部燃烧器面积的比，表示预混合空气面积和纯氧化剂供给面积的比。

参照图5A，在本发明中，为了将氮氧化物的产生率维持在20以下，使第1性能指数的值在0.3至0.5之间的范围内。优选为0.4。

接着，第2性能指数η2表示喷嘴形状系数，可由下述式确定。

${\mathrm{\η}}_2=\frac{A}{B}.$

第2性能指数是指旋流器的直径和燃料盖的直径之间的比，被有效利用为急速预混合燃烧器盖的设计指标。

参照图5B，在本发明中，为了将氮氧化物的产生率维持在20以下，第2性能指数的值优选在1.5至2.0之间的范围内。

接着，第3性能指数η3表示旋流系数，可由下述式确定。

${\mathrm{\η}}_3=\frac{A^2-B^2}{C^2-B^2}$

第3性能指数是指相对于整体氧化剂供给面积的旋流器面积的比，其作为整体氧化剂供给面积中旋流器所占面积的比，可表示旋流强度。

参照图5C，在本发明中，为了将氮氧化物的产生率维持在20以下，使第3性能指数的值在0.25至0.55之间的范围内。

接着，第4性能指数η4表示再循环部的流速，可由下述式确定。

第4性能指数表示喷射喷嘴45的端部间的面积中通过除了输送部13的面积以外区域的流速。

参照图5D，在本发明中，为了将氮氧化物的产生率维持在20以下，使第4性能指数的值在40至80之间的范围内。

接着，第5性能指数η5表示燃烧器的出口的流速，可由下述式确定。

第5性能指数是指连接引导部43的内部面积中通过除了燃料盖的面积以外区域的流速。

参照图5E，在本发明中，为了将氮氧化物的产生率维持在20以下，使第5性能指数的值在35-75之间的范围内。

在此，主燃料喷射体的燃料喷射速度V_f1优选设定为20至50的范围内。

而且，副燃料喷射体的燃料喷射速度V_f2优选设定为下述式的范围内。

V_f1≤V_f2≤200

另一方面，参照图1时，从副燃料喷射体20喷射的燃料优选以θ值相对于垂直上述副燃料喷射体20的轴向的平面在10°至80°之间的范围下喷射。

接着，第6性能指数η6表示预混合比，可由下述式确定。

第6性能指数是指相对于整体燃料流量的预混合的燃料流量的比。

参照图5F，在本发明中，为了将氮氧化物的产生率维持在20以下，使第6性能指数的值在4至22之间的范围内。如由上述可以确认的那样，预混合比越低，氮氧化物的降低效果越好，但在小于5％的条件下存在发生火焰的不稳定现象的缺点。

另一方面，在本发明中，可以作为追加的性能指数考虑燃料的速度和盖的形状等来进行，但不能包括全部的燃料盖的形状。

下面，参照图6，对根据本发明的第二实施例的超低氮氧化物燃烧设备200的整体结构进行说明。

以下，省略说明与根据第一实施例的超低氮氧化物燃烧设备100相比相同的部分，重点说明不同的部分。

在超低氮氧化物燃烧设备200中，与第一实施例中的100不同，其特征在于，去掉空气多级套管60，将促进再循环突起部90’配置在主燃料喷射体10的输送部13的外周面上。

即，供给至主燃料喷射体10外侧的氧化剂在没有经过空气多级套管60分开供给的状态下，与经过再循环诱导部40的燃烧气体整体地混合，向燃烧炉1方向流动。

如上所述，根据第二实施例的低氮氧化物燃烧设备200仅在是否配置空气多级套管60以及促进再循环突起部90’的配置位置上存在差异，而在多级供给燃料和氧化剂方面以及将在燃烧炉1中流动的燃烧气体经过再循环诱导部40重新供给至上述燃烧炉1方面，其核心技术特征相同。

超低氮氧化物燃烧设备的多级燃烧过程的说明

下面，重新参照图1，对本申请发明的多级燃料燃烧过程进行说明。

首先，经过氧化剂供给部80供给氧化剂，所供给的氧化剂中的一部分经过主燃料喷射体10内部的中心氧化剂喷射部85而流动。与此同时，燃料从燃料供给部50经过第1燃料线路51供给至主燃料喷射体10。

在主燃料喷射体10内流动的主燃料经历经过扩大部11的外周面向径向喷射的过程，但是如上所述喷射的主燃料与氧化剂反应而形成预混合区域78。这里，上述扩大部11越朝向燃烧炉1方向越具有展开的形状，因此可以形成所喷射的燃料经过宽的部分的预混合区域78。

形成于预混合区域78的预混合器经过旋流器30喷出至燃烧炉1中形成主空间72。分析供给至主空间72的空气如下所述。形成于预混合区域78的预混合器经过旋流器30在具有轴向动量(Axialmomentum)和切线方向动量(Tangential momentum)的状态下被传递到燃烧炉1内。

在上述过程中，经过再循环诱导部40的燃烧气体与预混合器一起被供给至主空间72。通过促进再循环突起部90，从再循环诱导部40排出到氧化剂的流动空间的燃烧气体的流速增加，由此在提高燃烧气体和氧化剂的流速的同时，能够防止分离。经过上述过程，并通过经历预混合器和燃烧气体流入主空间72而被燃烧的过程，实现稳定的火焰。主空间72为喷射约4％以上的燃料燃烧的主火焰空间区域。

接着，燃料从燃料供给部50经过第2燃料线路52供给至副燃料喷射体20。经过副燃料喷射体20喷射到主空间72上部侧的辅助燃料通过与在主空间72中未反应的氧化剂反应的过程而形成副空间74。在主空间72中的可燃性气体中的一部分与供给至旋流器30外围的预混合器混合，移动至主火焰的尾流，构成燃料稀薄状态的火焰。上述燃料稀薄状态的火焰形成副空间74。

如上所述，本发明通过沿着主燃料喷射体10的径向喷射的主燃料与氧化剂预混合而形成预混合区域78，从上述预混合区域78供给至燃烧炉1内的预混合器形成主空间72，在主空间72的后端从副燃料喷射体20喷射辅助燃料，以实现最终的火焰的形态。

如上所述，通过由主燃料喷射体10和副燃料喷射体20喷射的燃料在燃烧炉1内形成多级火焰空间。上述主空间72的后端部设置有副空间74。在进一步进入燃烧炉1的内部侧的空间以环绕主空间72的形态形成副空间74。

另一方面，除了上述含有主空间72和副空间74的多级火焰空间以外，在燃烧炉1内还形成有自我再循环区域76。上述自我再循环区域76是在燃烧炉1的内侧角区域形成的区域，燃烧气体可以以涡流形态流动。

从主燃料喷射体10喷射的燃料通过在燃烧炉1内的多级空气流动而形成稳定的燃料浓厚区域，也就是主空间72，而从副燃料喷射体20喷射的燃料通过从主燃料喷射体10的主火焰传递的热带来的环境温度和残余氧气进行部分的氧化反应，转换成多个可燃性气体种类，以构成火焰尾流中燃料稀薄状态的火焰空间，也就是副空间74。因此，在包含上述燃料浓厚区域和燃料稀薄区域的燃烧炉内，多级构成的火焰状态被明确地区分设置。

应用这种原理的超低氮氧化物燃烧设备100的火焰基本处于明确区分燃料浓厚区域和燃料稀薄区域的形态，将火焰内的局部的高温区域最小化以最大限度地抑制热型NOx的生成。而且，经过再循环诱导部40在燃烧炉1中产生的燃烧气体不需要其它动力，通过与氧化剂一起重新流入燃烧炉1中反应，可以根本地降低由燃料中氮气成分的氧化引起的燃料型NOx的生成。

如上所述，本发明的超低氮氧化物燃烧设备使用内部再循环技术，在没有其它设备的情况下将在形成有多重火焰处的燃烧室内产生的燃烧气体传递到上述燃烧室的内部而并非该燃烧室的外部连接通路。

在本发明中，不是将主燃料朝着被喷射到燃烧炉内的燃料喷射体的轴向对火焰直接喷射，而是通过向径向或切线方向喷射的方式形成预混合器，通过具有所形成的上述预混合器并形成预混合火焰形态的初期火焰，使得能够去除在现有的燃料多级燃烧器中由扩散火焰形态的初期火焰所形成的高温反应区域。

此外，在本发明中，经过再循环诱导部的燃烧气体与氧化剂一起被重新供给至燃烧炉中燃烧，通过这一过程提高火焰的热容量且稳定地降低火焰的温度。

以上，对本发明的优选实施例进行了说明，但本发明不限定在上述特定的实施例中。即，本发明所属技术领域的技术人员在不脱离所附的权利要求书的思想和范畴的情况下，可以对本发明进行多种变更和修改，其全部适当的变更和修改的等同也应视为属于本发明的范围。

附图标记

1：燃烧炉

10：主燃料喷射体

20：副燃料喷射体

30：旋流器

40：再循环诱导部

41：内部再循环套管

43：连接引导部

45：喷射喷嘴

47：倾斜构件

50：燃料供给部

51：第1燃料线路

52：第2燃料线路

55、56：电磁阀

60：空气多级套管

72：主空间

74：副空间

76：再循环区域

78：预混合区域

80：氧化剂供给部

85：中心氧化剂喷射部

90：促进再循环突起部

100：超低氮氧化物燃烧设备

Claims (22)

1.超低氮氧化物燃烧设备，其特征在于，包括：

主燃料喷射体，向燃烧炉的内部供给主燃料；

副燃料喷射体，在所述主燃料喷射体的周围配置有至少一个以上，并配置为其前端进入所述燃烧炉的内部；

再循环诱导部，通过流体力学的力使所述燃烧炉中产生的燃烧气体在所述燃烧炉中再循环；

燃料供给部，向所述主燃料喷射体和副燃料喷射体供给燃料；

氧化剂供给部，向所述主燃料喷射体和所述副燃料喷射体之间的空间供给氧化剂；

中心氧化剂喷射部，将从所述氧化剂供给部供给的氧化剂沿着所述主燃料喷射体的内部输送至所述燃烧炉内；以及

空气多级套管，配置为环绕所述主燃料喷射体以用于使空气形成多级，

从所述氧化剂供给部供给的氧化剂经过所述空气多级套管的内外部被多级地供给。

2.如权利要求1所述的超低氮氧化物燃烧设备，其特征在于，

当将所述主燃料喷射体的喷出口的直径设为B、所述空气多级套管的直径设为D、所述再循环诱导部的内部直径设为C时，

表示预混合强度的第1性能指数η1由下述式确定，

${\mathrm{\η}}_1=\frac{D^2-B^2}{C^2-B^2}.$

3.如权利要求2所述的超低氮氧化物燃烧设备，其特征在于，所述第1性能指数的值在0.3至0.5之间的范围内。

4.如权利要求1所述的超低氮氧化物燃烧设备，其特征在于，所述超低氮氧化物燃烧设备还包括配置在所述主燃料喷射体的前端的旋流器。

5.如权利要求4所述的超低氮氧化物燃烧设备，其特征在于，

当将所述主燃料喷射体的喷出口的直径设为B、所述旋流器的直径设为A时，

表示喷嘴形状系数的第2性能指数η2由下述式确定，

所述第2性能指数的值在1.5至2.0之间的范围内，

${\mathrm{\η}}_2=\frac{A}{B}.$

6.如权利要求4所述的超低氮氧化物燃烧设备，其特征在于，

当将所述主燃料喷射体的喷出口的直径设为B、所述旋流器的直径设为A、所述再循环诱导部的内部直径设为C时,

表示旋流系数的第3性能指数η3由下述式确定，

所述第3性能指数的值在0.25至0.55之间的范围内，

${\mathrm{\η}}_3=\frac{A^2-B^2}{C^2-B^2}.$

7.如权利要求4所述的超低氮氧化物燃烧设备，其特征在于，

当将FIR端口间的距离设为E、燃料管的直径设为F时，

表示再循环部的流速的第4性能指数η4由下述式确定，

所述第4性能指数的值在40至80之间的范围内，

8.如权利要求4所述的超低氮氧化物燃烧设备，其特征在于，

当将所述主燃料喷射体的喷出口的直径设为B、所述再循环诱导部的内部直径设为C时，

表示燃烧器出口的流速的第5性能指数η5由下述式确定，

所述第5性能指数的值在35至75之间的范围内，

9.如权利要求4所述的超低氮氧化物燃烧设备，其特征在于，

所述超低氮氧化物燃烧设备还包括附设在所述空气多级套管的外面的促进再循环突起部，

所述促进再循环突起部增加在所述再循环诱导部和所述空气多级套管之间流动的所述燃烧气体的流速。

10.如权利要求1所述的超低氮氧化物燃烧设备，其特征在于，以所述主燃料喷射体为中心，在同一圆周上以保持一定间隔的方式配置有多个所述副燃料喷射体，所述副燃料喷射体朝其径向喷射燃料。

11.如权利要求10所述的超低氮氧化物燃烧设备，其特征在于，以所述副燃料喷射体的径向的喷射角度来喷射燃料，所述喷射角度位于朝向邻接的所述副燃料喷射体的角度和朝向间隔的所述副燃料喷射体的角度之间。

12.如权利要求10所述的超低氮氧化物燃烧设备，其特征在于，相对于垂直所述副燃料喷射体的轴向的平面在10°至80°之间喷射来自所述副燃料喷射体的燃料。

13.如权利要求10所述的超低氮氧化物燃烧设备，其特征在于，所述主燃料喷射体将所供给的所述主燃料朝其径向和切线方向喷射。

14.如权利要求13所述的超低氮氧化物燃烧设备，其特征在于，经过所述主燃料喷射体在所喷射的燃料喷射速度V_f1为20至50m/s之间喷射燃料。

15.如权利要求14所述的超低氮氧化物燃烧设备，其特征在于，经过所述副燃料喷射体所喷射的燃料喷射速度V_f2由下述式确定，

V_f1≤V_f2≤200。

16.如权利要求10所述的超低氮氧化物燃烧设备，其特征在于，所述再循环诱导部包括：内部再循环套管，以副燃料喷射体为基准倾斜地配置；连接引导件，从所述内部再循环套管的后端延伸；以及喷射喷嘴，连接在所述连接引导件的后端，改变流动的燃烧气体的移动方向。

17.如权利要求16所述的超低氮氧化物燃烧设备，其特征在于，通过将所述喷射喷嘴倾斜地配置在所述主燃料喷射体和所述再循环诱导部之间，使得减少作为所述氧化剂的流动空间的所述主燃料喷射体和所述再循环诱导部之间的宽度。

18.如权利要求10所述的超低氮氧化物燃烧设备，其特征在于，所述主燃料喷射体将所供给的所述主燃料朝其径向和切线方向喷射。

19.如权利要求10所述的超低氮氧化物燃烧设备，其特征在于，所述副燃料喷射体的前端配置为与所述主燃料喷射体的前端相比进一步进入所述燃烧炉的内部。

20.如权利要求10所述的超低氮氧化物燃烧设备，其特征在于，通过所述主燃料喷射体在所述燃烧炉的内部形成作为燃料浓厚区域的主空间，并且所述副燃料喷射体在所述主空间的后端部形成作为燃料稀薄区域的副空间而形成多级火焰。

21.如权利要求20所述的超低氮氧化物燃烧设备，其特征在于，在示出所述主燃料喷射体的燃料流量和所述副燃料喷射体的燃料流量之比的下述式中，第6性能指数η6表示预混合比，在4至22的范围内，

22.燃烧设备的运转方法，其特征在于，使权利要求1所述的燃烧设备运转的方法包括以下步骤：

(a)将经过空气多级套管由氧化剂供给部供给的氧化剂供给至燃烧炉的内部；

(b)将来自所述氧化剂供给部的氧化剂经过中心氧化剂喷射部供给至所述燃烧炉的内部；

(c)将来自所述燃料供给部的燃料供给至主燃料喷射体；

(d)所述燃烧炉内的燃烧气体经过再循环诱导部，通过流体力学的力在所述燃烧炉中再循环；

(e)将来自所述燃料供给部的燃料供给至副燃料喷射体；以及

(f)通过所述主燃料喷射体和所述副燃料喷射体喷射的燃料在所述燃烧炉内形成多级火焰空间。