CN104791792A - 一种低NOx气体燃料燃烧器和燃烧方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低NOx干气燃烧器，包括：一次空气通道，所述的一次空气通道周围围绕二次空气通道，环绕所述的一次空气通道和二次空气通道的出口设置多个燃烧喷嘴，每组喷嘴设有多个喷口。本发明所述的燃烧器采用空气分为一次空气和二次空气进风方式，且各次进风量分别或按比例灵活调节。燃气沿径向分三级燃烧，从内向外分别设计一、二、三级燃气喷嘴，各级燃气喷嘴上面沿圆周均匀布置若干喷嘴。其中一、二级燃气燃烧形成主内火盘，三级燃气燃烧形成外火盘。外火盘将内火盘燃烧形成的NOx进行还原，同时捕捉逃逸的助燃空气，易于实现低氧运行，这样既能保证燃烧后NOx低排放，又能提高气体燃料的燃烧效率。

Description

一种低NOx气体燃料燃烧器和燃烧方法

技术领域

本发明涉及一种低NOx干气燃烧器和燃烧方法，一种工业加热炉的所使用的燃烧器和燃烧方法，是一种使用工业副产品作为燃料的燃烧器和燃烧方法。

背景技术

在石化、能源等工业生产过程中，涉及到一种副产品气体生产，称之为干气。干气主要可分为焦炉煤气、水煤气、机械发生炉煤气等，其主要成分为乙烯、丙烯、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、氢气、一氧化碳。对于生产中过剩的干气现有两种处理方法:一是将干气直接经火炬燃烧掉，既浪费能源，又污染环境；二是将干气送入瓦斯管网作为增热原料应用于生产工艺中，不但在一定程度上缓解了原料紧张的问题，而且收到了很好的经济效应。但由于干气是一种成分复杂的燃气，如果使用普通的燃烧器，在燃烧过程中往往不能使干气中的各种成分完全的燃烧，结果形成较高NOx的排放量，难于符合环保的要求。

发明内容

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种低NOx干气燃烧器和燃烧方法。所述燃烧器和燃烧方法采取将空气沿径向分级送入方式，并将干气沿径向分级输送至一次空气和二次空气周围，在低氧的环境下保证干气燃烧充分完全，尽可能降低NOx的生成量，而已生成的NOx又能在还原区被还原。

本发明的目的是这样实现的：一种低NOx干气燃烧器，包括：一次空气通道，位于燃烧器的中心通道，所述的一次空气通道沿径向向外是环形二次空气通道，在一次空气通道和二次空气通道之间设置多个燃烧喷嘴，每组喷嘴设有多个喷口。

进一步的，所述的一次空气通道和二次空气通道的空气进入端分别设置调节风门。

进一步的，所述的燃气喷嘴包括：环绕在一次空气通道出口外缘周围的一级燃气喷嘴，环绕所述的二次空气通道内缘设置二级燃气喷嘴，环绕所述的二次空气通道外缘设置三级燃气喷嘴。

进一步的，各组所述的燃气喷嘴的各个喷口环绕一次空气通道和二次空气通道的出口均匀分布，各个所述喷口是直径相同的喇叭形。

进一步的，所述的一、三级燃气喷口沿轴心向内倾斜角为60°～80°，二级燃气喷口沿轴心向外倾斜角为60°～80°，所述的一级燃气喷口、二级燃气喷嘴的喷口交错布置。

进一步的，所述的多个燃气喷嘴设置在一个与一次空气通道和二次空气通道的出口相配合的圆盘上。

进一步的，所述的圆盘上的各组燃气喷嘴的各个喷口垂直于喷嘴面。

进一步的，所述的圆盘上的一、二、三级燃气喷嘴的各个喷口通过各自的直立短管与燃气分流管连接，所述的分流管通过直立细长管与燃气环形管连接。

进一步的，所述的一次空气通道中设有长明灯。

一种使用上述燃烧器的低NOx干气燃烧方法，所述方法的步骤如下：

利用一次空气通道和二次空气通道将进入燃烧器的空气分为两股：位于中心通道的一次空气和沿径向向外的环形二次空气，并通过两个空气通道上的调节风门对各次进风量进行灵活调节；

燃气沿径向分三级燃烧，沿径向从内向外分别按一、二、三级燃气喷嘴，燃气从各级燃气喷嘴的喷口中喷出与空气混合燃烧：

一级燃气喷口喷出的燃气与一次空气通道吹出的空气混合并燃烧，形成内火盘；

二级燃气喷口喷出的燃气与部分一次空气通道吹出的空气以及部分二次空气通道吹出的空气混合，并被一级燃气燃烧生成的高温烟气引燃形成外火盘；

三级燃气喷口喷出的燃气与部分二次空气通道吹出的空气混合并燃烧，在燃烧过程中将主燃烧区燃烧形成的NOx进行还原，同时捕捉逃逸的助燃空气，实现低氧燃烧，以此降低NOx低排放，并提高气体燃料的燃烧效率。

本发明产生的有益效果是：本发明所述的燃烧器采用空气分为一次空气和二次空气进风方式，且各次进风量分别或按比例灵活调节。燃气沿径向分三级燃烧，从内向外分别设计一、二、三级燃气喷嘴，各级燃气喷嘴上面沿圆周均匀布置若干喷嘴。其中一、二级燃气燃烧形成主内火盘，三级燃气燃烧形成外火盘。外火盘将内火盘燃烧形成的NOx进行还原，同时捕捉逃逸的助燃空气，易于实现低氧运行，这样既能保证燃烧后NOx低排放，又能提高气体燃料的燃烧效率。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的实施例一所述燃烧器的结构示意图；

图2是本发明的实施例二、三所述燃烧器的结构示意图；

图3是本发明的实施例四所述喷口形状的示意图；

图4是本发明的实施例五、六、七所述喷嘴的结构示意图；

图5是本发明的实施例八所述的燃气供应管路的结构示意图；

图6是本发明的实施例九所述的带有长明灯的燃烧炉结构示意图。

具体实施方式

实施例一：

本实施例是一种低NOx干气燃烧器，如图1所示。本实施例包括：一次空气通道3，位于燃烧器的中心通道，所述的一次空气通道沿径向向外是环形二次空气通道2，在一次空气通道和二次空气通道之间设置多个燃烧喷嘴1（图1中网格代表喷嘴），每个燃烧喷嘴设有多个喷口。

本实施例所述的一次空气通道可以是圆筒形或方筒形或其他多边筒形构成，即：一次空气通道的截面形状（与空气流动方向垂直的截面）可以是圆形、矩形，多边形。二次空气通道则应当是与一次空气通道截面形状相配合的外形。如：一次空气通道的截面形状为圆形时，则二次空气通道则是圆环形，环绕在一次空气通道的周围。或者，一次空气通道是矩形，则二次空气通道则是“回”字形，环绕在一次空气通道周围。其他正多边形的空气通道余此类推。

在一次空气通道和二次空气通道上可以分别安装调节进风量的调节风门，分别调节一次空气通道和二次空气通道的进风量。分别调节的好处在于可以根据燃烧的状况，随机调节一次空气通道或二次空气通道进风量，而不考虑两者之间的关系。也可以根据燃烧规律，按比例联动调节一次空气通道或二次空气通道进风量，以提高控制的效率。

本实施例所述的燃烧喷嘴是环绕在空气通道周围的一组喷口的总称。燃烧喷嘴设置在空气通道出口处的周围。喷嘴即可以在一个块材料上设置一组喷口（对于截面为圆形的空气通道出口，用圆环材料制作盘形喷嘴），再将多个喷嘴组合（多个直径不同的圆盘环，根据空气通道出口的直径大小配合），之后安装到空气通道的出口处，形成多个喷嘴的组合。也可以在一块材料上，通过开口的方式留出空气通道出口的位置，在空气通道边缘的环带上设置多组喷口，形成多个喷嘴。

本实施例由于有两个空气通道，并且两个空气通道的出口形成两个环带，因此可以在两个环带上分别设置几个喷嘴（几组喷口）。

喷嘴的各个喷口即可以均匀的分布在空气通道的周围，如在圆形截面的空气通道出口可以按照等分圆的方式，在等分的角度上设置喷口。也可以根据燃烧的需要或气体燃料的需要而不均匀的分布，如在截面形状为矩形的长边上设置较多的喷口，而在短边上设置较少的喷口等。

喷口的形式可以有多种，如采用直孔，喇叭口、收缩孔等。所述的直孔喷口是指喷口的直径一直维持相同，不做任何变化，燃气在冲出喷口时维持一定相同的流速和流量。喇叭口则是一种由内向外逐渐扩大的形状，燃气在冲出喷口时，流速由于扩口而降低。在实际加工中，喇叭口可以使用扩孔钻简单的加工成型，而不是真正的喇叭形曲面形状。收缩孔可以说一种反向的喇叭口，即由内向外逐渐缩小，由于形状的影响，燃气在流量不变的情况下，冲出喷口时的流速会增加。

为提高燃烧的效率，加快燃气与空气的混合，可以使喷口的轴线（喷口燃气流出的方向线）指向空气流出的方向，即将喷口的轴线与空气出口的轴线（空气流出的方向线）交叉，增加两者混合的机会。一般喷口的轴线与空气出口的轴线相交的角度为20-30度为宜。

为使各喷嘴的倾向角度与一次空气通道和二次空气通道流出的空气充分混合，可以将各个喷口的角度倾斜设置。如将最内侧的喷嘴（一级燃气喷嘴），其喷口的出口轴线向内倾向，与一次空气通道的空气出口轴线相交。在最内侧喷嘴的外侧，也就是二次空气通道的内缘，设置另一个喷嘴（二级燃气喷嘴），其喷口的出口轴线向外倾斜，与二次空气通道的空气出口轴线相交。在二次空气通道的外缘环带上再设置一个喷嘴，其喷口的出口轴线向内倾斜，与二次空气通道的空气出口轴线相交。

各个喷嘴的燃气供给可以采用多种方案，即可以在使喷口之间相互连通，再利用总管与气源连接。或设立与气源连接的分支管和分配管，再使用细长的管路将各个喷口与分支管和分配管连接，形成完整的燃气供应系统。

实施例二：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于一次空气通道和二次空气通道的细化。本实施例所述的一次空气通道和二次空气通道的空气进入端分别设置调节风门301、201，如图2所示。

所述的调节风门可以设置在空气通道的进口附近（如图2所示），也可以设置在出口附近。

风门可以采用多种形式，如单叶片式，或多叶片式等。调节方式可以采用旋转式（如图2所示），也可以采用其他形式。

采用旋转式风门，可以在调节手柄边上可设置挡板调节刻度盘。调节风门的手柄与挡板调节刻度盘配合使用，可以保证定量的调节风门的开度。

实施例三：

本实施例是实施例二的改进，是实施例二关于燃气喷嘴的细化。本实施例所述的燃气喷嘴包括：环绕在一次空气通道出口外缘周围的一级燃气喷嘴103，环绕所述的二次空气通道内缘设置二级燃气喷嘴102，环绕所述的二次空气通道外缘设置三级燃气喷嘴101，如图2所示。

本实施例设立了三级燃气喷嘴，一级燃气喷嘴环绕在一次空气通道周围，即：也就是在一次空气通道出口的出口边缘，以便空气和喷出的燃气充分混合并燃烧。因为二次空气通道环绕在一次空气通道的周围，所以一次空气通道的外壁即为二次空气通道的内壁，因而二级燃气喷嘴实际是与一级燃气喷嘴紧挨在一起，但二级燃气喷嘴所喷出的燃气主要与二次空气通道中的空气混合、燃烧。三级燃气喷嘴则环绕在二次空气通道的外缘，并主要与二次空气通道流出的空气混合并燃烧。

实施例四：

本实施例是实施例三的改进，是实施例三关于燃气喷嘴的喷口的细化。本实施例各组所述的燃气喷嘴的各个喷口环绕一次空气通道和二次空气通道的出口均匀分布，各个所述喷口是直径相同的喇叭形，如图3所示。

空气通道出口处的边缘环绕着喷嘴，喷口则是喷嘴上的一个个的燃气出口。为使燃气均匀的与空气通道中的空气混合，喷口之间的距离尽量相等，避免疏密不均；同时为了减少各级喷口喷出的燃气互不影响，一、二级燃气喷口交错均匀布置。同样为了使燃气与空气充分混合，使燃气从喷口中喷出时产生扩散的效果（如图3中箭头C所指方向），将喷口设计为喇叭形。

实施例五：

本实施例是实施例四的改进，是实施例四关于燃气喷口的细化。本实施例所述的一、三级燃气喷口沿轴心向内倾斜角β、α为60°～80°，二级燃气喷口沿轴心向外倾斜角γ为60°～80°，如图4所示。

本实施例所述的喷口沿轴心向内倾向的含义是：喷口轴心是指喷口喷出的燃气方向（图4中箭头C所指方向），倾斜的方向是相对于空气通道出口处空气流动的方向（图4中箭头A、B所指方向），两者相交的角度θ在20°～30°之间。

实施例六：

本实施例是实施例五的改进，是实施例五关于燃气喷嘴的细化。本实施例所述的多个燃气喷嘴设置在一个与一次空气通道和二次空气通道的出口相配合的圆盘上，如图4所示。

本实施例主要是为了加工方便，并可以是喷口之间的角度更加容易确定。整个盘形零件，在一次空气通道和二次空气通道的位置开孔，使空气可以顺畅的通过。与空气通道边缘相配合的位置设置喷嘴。

实施例七：

本实施例是实施例六的改进，是实施例六的关于圆盘喷嘴的细化。本实施例所述的圆盘上的各组燃气喷嘴的各个喷口垂直于喷嘴面，如图4所示。

本实施例所述的喷嘴面是指喷口周围的平面。因为需要使燃气在冲出喷口时能够均匀的扩散，而不是在某个方向受到阻挡，因此喷口周围的平面要与喷口轴线垂直。由图4中可以观察到，由于喷嘴的各个喷口轴线是倾斜的（相对于空气流动方向），因此，喷嘴平面也是倾斜的（相对于空气流动方向）。

实施例八：

本实施例是实施例七的改进，是实施例七关于燃气供应的细化。本实施例所述的圆盘上的一、二、三级燃气喷嘴的各个喷口通过各自的直立细短管104与分流管105连接，所述的分流管通过直立细长管106、108与燃料进气环管107连接，所述的直立细长管主要用于消耗干气的压强，如图5所示。

本实施例提出了一种燃气供气的方式，即采用环管和直立细长管的方式先进行分配，然后输送到各个分流管将燃气进行分流，再直接分配到各个喷嘴的燃气通过细长的直立管送至各个喷口。使用细长管连接喷口，可以在细长管中消耗干气的压强，保证干气燃烧的稳定性。

基本过程是：燃气先进入燃料进气环管（图6中箭头C方向），燃料进气环管将燃气分配给各个直立细长管，然后经过分流管将燃气分别供给一、二、三级燃气喷嘴，接着燃气从各级喷嘴面上的喷口喷出。这样的先行分配，可以使燃气分配得更加均匀。

实施例九：

本实施例是实施例八的改进，是实施例八关于一次空气通道的细化。本实施例所述的一次空气通道中设有长明灯4，进一步保证燃烧器燃烧的长期稳定性，长明灯的出口端部设有保护罩用于防止被较高风速的一次空气吹灭，见图6。

在一些燃烧温度较低（700℃～800℃）的燃烧炉中，会发生燃烧中断（熄火）情况，由于炉内的温度不足以点燃燃气，因此，需要在空气通道中设置长明灯，以解决熄火的问题。在一些燃烧温度较高（1000℃）的燃烧炉中可以不设置长明灯。

实施例十：

本实施例是一种使用上所实施例所述燃烧器的低NOx气体燃料的燃烧方法，所述方法为：气体燃料分为两路，一路少量的气体燃料通过长明灯，用于燃烧器的点火和稳燃；另一路气体燃料送入进气环管，由环形燃料通道进入多根细长管路。与细长管路相连的分流管将燃气分为一、二、三级燃料，一级燃气通过一级燃气管喷嘴喷出，形成倾向轴心线（空气流出空气通道时的方向）的气流，该气流沿周向均匀布置，和一次空气充分混合进行燃烧，且偏向轴心一定角度，形成内火盘。二级燃气通过二级燃气管喷嘴喷出，形成背向轴心线的气流，该气流和二次空气充分混合，并且被一级燃料燃烧产生的高温产物点燃，进行剧烈燃烧，且背向轴心偏离一定角度，形成外火盘。三级燃气通过三级燃气管喷嘴喷出，形成倾向轴心线的气流，该气流和一、二级燃料燃烧产生的高温产物充分混合，有助于NOx的还原，且与偏向轴心一定角度。一、二、三级燃气沿径向分布（一次空气通道为圆筒形，二次空气通道为环形），相当于燃气分级燃烧，有利于降低NOx的排放量，同时保证气体燃料的燃尽率。

气体燃料燃烧器配风的空气过量系数为不超过1.15，使气体燃料在低氧的状态下燃烧，降低NOx排放。空气分为中心一次空气和外层环形二次空气，空气在进入空气进风组件时可以直接采用自燃吸风式，即利用炉内负压抽吸环境中的空气，也可采用强制通风方式，即用风机送风，并可把空气预热到200℃以上送入。通过调节风门来控制一次空气和二次空气的进风量，使各级气体燃料与空气充分混合后形成特别适合燃烧的气体燃料-空气混合气流进行燃烧完全，生成尽量少的NOx。

采用本实施例所述燃烧方法，高速的一级燃料沿一级燃料管喷口倾向轴心60°～80°喷出，与一次空气强烈混合，在低氧的情况下剧烈燃烧，生成少量的NOx。沿喷嘴径向分布的二级燃料喷口，喷出背向轴心的燃气流，与热的二次空气流强烈混合，并且延迟了与一次燃料燃烧高温产物的混合同时被点燃，在低氧的情况下剧烈燃烧，并生成少量的NOx。控制一次风和二次风的比例分配，可实现一级燃料和部分二级燃料在化学当量比1以下运行，即在燃烧器出口中心的较长区域燃料燃烧过程中NOx生成会被抑制，同时一些还原性中间介质会大量产生，对已生成的NOx进行还原，而未完全燃烧的燃气组分在燃烧进程的中后期可由外围的二次风提供的氧实现燃尽。这种燃烧模式可看作是空气分级低NOx燃烧模式，此外，还可采用燃料分级燃烧模式，即调节一次风和二次风的比例分配，实现一级燃料在化学当量比1以上运行，使一级燃料在燃烧器出口区域内进行过量氧燃烧，生成的NOx在中后期由二级燃料混入进行还原，二级燃料外围的二次风再混入实现未然燃气组分的燃尽。在燃烧器出口最外层是三级燃料喷口，喷出沿倾向轴心60°～80°的燃气流，有利于三级燃气和一、二级燃烧产物的混合，三级燃料的燃烧会形成部分还原性气氛，即三级燃气形成的还原性基团可以把一、二级燃气燃烧生成的NOx还原成氮气。少量的未燃尽的三级燃气和一些还原性物质在与二次空气混合后燃烧完全。三级燃料在二次风最外围，利于防止二次风的逃逸，实现低过量空气系数的燃烧。利用该气体燃料燃烧器采用燃气径向分级燃烧的方式可以有效的降低NOx排放，其脱氮效果好。一、二级燃气分别与一、二次空气强烈混合且空气过量，燃气燃烧完全，气体燃料的燃烧效率高。

本实施例所述燃烧方法的具体步骤如下：

利用一次空气通道和二次空气通道将进入燃烧器的空气分为两股：位于中心通道的一次空气（图1中箭头A表示）和沿径向向外的环形二次空气（图1中箭头B表示），并通过两个空气通道上的调节风门对各次进风量进行灵活调节。

燃气沿径向分三级燃烧，沿径向从内向外分别按一、二、三级燃气喷嘴，燃气从各级燃气喷嘴的喷口中喷出与空气混合燃烧：

一级燃气喷口喷出的燃气与一次空气通道吹出的空气混合并燃烧，形成内火盘。

二级燃气喷口喷出的燃气与部分一次空气通道吹出的空气以及部分二次空气通道吹出的空气混合，并被一级燃气燃烧生成的高温烟气引燃形成外火盘。

三级燃气喷口喷出的燃气与部分二次空气通道吹出的空气混合并燃烧，在燃烧过程中将主燃烧区燃烧形成的NOx进行还原，同时捕捉逃逸的助燃空气，实现低氧燃烧，以此降低NOx低排放，并提高气体燃料的燃烧效率。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案（比如燃烧喷嘴的形式、喷口排列方式、一、二次空气通道的排列方式、步骤的先后顺序等）进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种低NOx干气燃烧器，其特征在于，包括：一次空气通道，位于燃烧器的中心通道，所述的一次空气通道沿径向向外是环形二次空气通道，在一次空气通道和二次空气通道之间设置多个燃烧喷嘴，每个燃烧喷嘴设有多个喷口。

2.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述的一次空气通道和二次空气通道的空气进入端分别设置调节风门。

3.根据权利要求1或2所述的燃烧器，其特征在于，所述的燃气喷嘴包括：环绕在一次空气通道出口外缘周围的一级燃气喷嘴，环绕所述的二次空气通道内缘设置二级燃气喷嘴，环绕所述的二次空气通道外缘设置三级燃气喷嘴。

4.根据权利要求3所述的燃烧器，其特征在于，各组所述的燃气喷嘴的各个喷口环绕一次空气通道和二次空气通道的出口均匀分布，各个所述喷口是直径相同的喇叭形。

5.根据权利要求4所述的燃烧器，其特征在于，所述的一、三级燃气喷口沿轴心向内倾斜角为60°～80°，二级燃气喷口沿轴心向外倾斜角为60°～80°，所述的一级燃气喷口、二级燃气喷嘴的喷口交错布置。

6.根据权利要求5所述的燃烧器，其特征在于，所述的多个燃气喷嘴设置在一个与一次空气通道和二次空气通道的出口相配合的圆盘上。

7.根据权利要求6所述的燃烧器，其特征在于，所述的圆盘上的各组燃气喷嘴的各个喷口垂直于喷嘴面。

8.根据权利要求7所述的燃烧器，其特征在于，所述的圆盘上的一、二、三级燃气喷嘴的各个喷口通过各自的直立短管与燃气分流管连接，所述的分流管通过直立细长管与燃气进气环管连接。

9.根据权利要求1或2所述的燃烧器，其特征在于，所述的一次空气通道中设有长明灯。

10.一种使用权利要求3所述燃烧器的低NOx干气燃烧方法，其特征在于，所述方法的步骤如下：

利用一次空气通道和二次空气通道将进入燃烧器的空气分为两股：位于中心通道的一次空气和沿径向向外的环形二次空气，并通过两个空气通道上的调节风门对各次进风量进行灵活调节；

燃气沿径向分三级燃烧，沿径向从内向外分别按一、二、三级燃气喷嘴，燃气从各级燃气喷嘴的喷口中喷出与空气混合燃烧：

一级燃气喷口喷出的燃气与一次空气通道吹出的空气混合并燃烧，形成内火盘；

二级燃气喷口喷出的燃气与部分一次空气通道吹出的空气以及部分二次空气通道吹出的空气混合，并被一级燃气燃烧生成的高温烟气引燃形成外火盘；

三级燃气喷口喷出的燃气与部分二次空气通道吹出的空气混合并燃烧，在燃烧过程中将主燃烧区燃烧形成的NOx进行还原，同时捕捉逃逸的助燃空气，实现低氧燃烧，以此降低NOx低排放，并提高气体燃料的燃烧效率。