CN107477579B

CN107477579B - 低氮氧化物燃烧器

Info

Publication number: CN107477579B
Application number: CN201610686187.4A
Authority: CN
Inventors: 李锺台; 朴在彦
Original assignee: Sookook Corp
Current assignee: Sookook Corp
Priority date: 2016-06-08
Filing date: 2016-08-18
Publication date: 2020-11-20
Anticipated expiration: 2036-08-18
Also published as: CN107477579A; KR101697123B1

Abstract

本发明涉及一种设置于燃烧室的燃烧器安装孔的低氮氧化物燃烧器，包括：管体，其插入于燃烧器安装孔且其顶端暴露在燃烧室中，用于将空气引导至燃烧室；侧颈部，其直径小于管体，且形成于所述管体的顶端；燃料供给管，其配置在管体内，且用于供给燃料；扩散器，其以其外周与管体的内壁隔开间隔的方式与燃料供给管顶端结合，并扩散由管体引导的空气；供气通道，其沿着扩散器外周和管体内壁之间形成固定间距，将空气从管体向燃烧室内排放；多个燃料喷射管，其与燃料供给管顶端以放射状结合，将经由燃料供给管供给的燃料朝向穿过供气通道的空气喷射；多个侧面槽，其分别形成于各个燃料喷射管顶端的燃料喷射口所处的扩散器外周区域。

Description

低氮氧化物燃烧器

技术领域

本发明涉及氮氧化物(NOx)的去除技术，更详细地，涉及一种通过有效地实现燃烧气体的再循环(recirculation)来可以降低热力型氮氧化物(thermal NOx)的生成的低氮氧化物燃烧器(Burner for reducing NOx)。

背景技术

氮氧化物是化石燃料燃烧时生成的例如一氧化氮和二氧化氮等的氮和氧的化合物。

根据生成机理(mechanism)，氮氧化物可分为燃料型氮氧化物(fuel NOx)、热力型氮氧化物及快速型氮氧化物(prompt NOx)。燃料型氮氧化物是在燃烧过程中燃料所含有的氮被氧化而生成的。热力型氮氧化物是在燃烧过程中燃烧用空气所含有的氮在1300℃以上的高温条件下游离后被氧化而生成的。快速型氮氧化物是高浓度状态的燃料在与燃烧用空气混合之前暴露于1000℃以上的高温下而生成的。

这种氮氧化物与碳氢化合物一起成为因太阳光而产生的光化学烟雾的原因。另外，即使氮氧化物的浓度只存在有1-3ppm也能闻到臭气，并且会降低呼吸道疾病的免疫力，而且还会与血液中的血红蛋白反应而形成高铁血红蛋白(methemoglobin)，从而妨碍氧气的输送。而且，二氧化氮是一种棕红色的刺激性气体，其毒性比一氧化氮更强，从而容易诱发急性肺水肿、阻塞性支气管炎、肺炎等疾病。因此，科研人员一直在研究和开发用于降低氮氧化物的氮氧化物降低技术。

根据氮氧化物的生成机理，氮氧化物的降低技术可以分为：在燃料燃烧之前降低氮氧化物的生成的燃烧前降低技术；在燃烧之后去除氮氧化物的燃烧后降低技术；以及在燃烧过程中减少氮氧化物的生成的燃烧中降低技术。

燃烧前降低技术包括去除燃料所含有的氮的燃料脱氮技术。例如：为了抑制燃料型氮氧化物的生成，降低燃料中的氮组分、或者对燃烧区域的氧气浓度进行控制。但是，对于燃烧前降低技术而言，由于必须去除燃料中的氮，因此需要庞大的设备投资费用，但是氮氧化物的降低效果与设备投资费用相比很小，因此几乎未被采用。

燃烧后降低技术包括选择性非催化还原法(selective non catalytic reduction，SNCR)和选择性催化还原法(selective catalytic reduction，SCR)等。最近，全世界出现了强化氮氧化物排放的许可标准的趋势，正大力开展排烟脱氮技术的研发。其中，选择性催化还原法的脱氮效率很高，在70-90％左右，因此被广泛采用。

燃烧中降低技术包括，作为对燃烧过程中的燃烧温度、氧气浓度等的燃烧条件进行变更的燃烧条件变更技术的低过量空气燃烧(low excess air firin g)技术、BOOS(burners out of Services)技术、Over Fire Air(OFA)燃烧技术、排气再循环(flue gasrecirculation，FGR)技术、气体再燃烧(gas reburn)技术及低氮氧化物燃烧器等。

低氮氧化物燃烧器作为一种对将燃料和氧气进行混合的燃烧器进行改良使得能够抑制氮氧化物的生成的设备，正在朝着通过降低氮氧化物的生成降低氮氧化物的排放浓度的方向进行研究及开发(参照非专利文献2)。

这种低氮氧化物燃烧器的研究及开发始于20世纪70年代的空气分级燃烧燃烧器(air staging)(所谓的第一代低氮氧化物燃烧器)的开发，其与普通燃烧器相比，可以将氮氧化物的生成量约降低40％左右，氮氧化物的排放浓度约为60-80ppm。此后，随着对氮氧化物排放浓度限制的加强，开发出了燃料分级燃烧燃烧器(fuel staging)(所谓的第二代低氮氧化物燃烧器)，其与普通燃烧器相比，可以将氮氧化物的生成量约降低60％左右，氮氧化物的排放浓度约为30-50ppm。到了20世纪80年代后半期，利用排气再循环(fuel gasrecirculation)的原理来开发出了氮氧化物排放浓度约为10-20ppm的超低氮燃烧器(ULNB)(所谓的第三代低氮氧化物燃烧器)。

另一方面，如上所述的低氮氧化物燃烧器并没有积极考虑到防止快速型氮氧化物的生成的对策，而只考虑到了防止热力型氮氧化物的生成的对策，因此整体上存在有氮氧化物的降低效果低的问题。

为解决上述问题，韩国授权专利公报第10-0784881号中提出了如下一种低氮氧化物燃烧器，其利用高速火焰的生成、燃料和空气的急速混合作用、燃烧气体的自动再循环(self recirculation)来能够同时防止热力型氮氧化物和快速型氮氧化物的生成。

但是，对于韩国授权专利公报第10-0784881号中提出的低氮氧化物燃烧器而言，空气与燃料不能充分混合，或者形成不能向燃料供给充足空气的区域。因此，为了不排放作为不完全燃烧的产物的一氧化碳，需要供给1.2-1.3倍燃料的大量过剩空气，从而需要对结构进行改善，以确保环保、高效燃烧。

为解决如上所述的韩国授权专利公报第10-0784881号中提出的低氮氧化物燃烧器所存在的问题，韩国授权专利公报第10-1466809号中提出了如下一种低氮氧化物燃烧器，其通过将经由燃料喷射管和管体侧颈部之间而供给的空气与从燃料喷射管喷射的燃料迅速混合，由此减少快速型氮氧化物的生成，从而实现环保、高效的燃烧。

但是，无论是韩国授权专利公报第10-1466809号中提出的低氮氧化物燃烧器，还是韩国授权专利公报第10-0784881号中提出的低氮氧化物燃烧器，均存在：由于管体的侧颈部和扩散器(diffuser)之间的间距较大，因此经由管体侧颈部和扩散器之间而喷射的空气的压力较低，从而无法有效地实现燃烧气体的自动再循环的问题。而且，由于向用于喷射燃料的燃料喷射管的燃料喷射口供给的空气量较小，因此存在无法有效地减少快速型氮氧化物的生成的问题。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：韩国授权专利公报第10-0784881号(公告日期:2007年12月14日)

专利文献2：韩国授权专利公报第10-1466809号(公告日期：2014年11月28日)

非专利文献

非专利文献1：孔诚勇/裘玄政，关于企业氮氧化物降低技术的评估及费用分析的研究报告，韩国环境政策评估研究院2002年12月研究报告。

非专利文献2：金钟浩/金泰伍/文东浩等，低氮氧化物燃烧器普及工作制度改善，环保部2012年10月研究报告。

发明内容

所要解决的技术问题

本发明是为解决上述问题而提出的。本发明的目的在于，提供一种通过有效地实现燃烧气体的自动再循环来可以有效地减少热力型氮氧化物的生成低氮氧化物燃烧器。

本发明的另一个目的在于，提供一种通过增加向用于喷射燃料的燃料喷射管供给的空气量来有效地减少快速型氮氧化物的生成的低氮氧化物燃烧器。

解决技术问题的方法

为了实现上述目的，本发明的低氮氧化物燃烧器，是设置在燃烧室的燃烧器安装孔的低氮氧化物燃烧器，其包括：管体(tube)，其插入于燃烧器安装孔内且其顶端暴露在燃烧室中，并且用于将空气引导至燃烧室；侧颈部，其直径小于管体的直径，并且形成于所述管体的顶端；燃料供给管，其配置在管体的内部，并用于供给燃料；扩散器，其以外周与管体的内壁隔开间隔而配置的方式与燃料供给管的顶端结合，并用于扩散由管体引导的空气；供气通道，其沿着扩散器的外周和管体内壁之间以固定间距形成，并且用于将空气从管体向燃烧室内排放；多个燃料喷射管，其与燃料供给管的顶端以放射状结合，并且将经由燃料供给管供给的燃料朝向穿过供气通道的空气喷射；侧面槽，其分别形成于各个燃料喷射管顶端的燃料喷射口所处的扩散器的外周区域。

优选地，扩散器的外周和侧颈部的内壁之间的距离、即供气通道的间距d1与扩散器的半径之比为3％-10％。

在这种情况下，优选地，侧面槽的底部和燃料喷射口之间的间距d2与燃料喷射口的直径之比为0.1％-75％。

另外，优选地，侧面槽的直径d3与扩散器的直径之比为5％-15％。

另一方面，在燃料供给管的内部可以配置有中央空气喷射管，其从燃料供给管的顶端朝向燃料供给管的轴向喷射外部空气。

发明效果

根据如上所述的本发明的低氮氧化物燃烧器，通过有效地实现燃烧气体的自动再循环，由此能够有效地减少热力型氮氧化物的生成。

另外，由于向用于喷射燃料的燃料喷射管供给的空气量增加，因此能够有效地减少快速型氮氧化物的生成。

附图说明

图1是概略性表示本发明一个实施例的低氮氧化物燃烧器设置在燃烧室的状态的侧面剖视图。

图2是概略性表示本发明一个实施例的低氮氧化物燃烧器的立体图。

图3是沿图1所示的V方向观察时的示意图。

图4是放大图1所示的B部分的示意图。

图5是用于说明本发明一个实施例的低氮氧化物燃烧器的作用与效果的示意图。

图6是表示基于本发明一个实施例的低氮氧化物燃烧器热输入量的氮氧化物浓度和氧气浓度的图表。

图7是表示本发明的低氮氧化物燃烧器的试验结果的表格。

图8是表示现有的低氮氧化物燃烧器的试验结果的表格。

附图标记说明

100:低氮氧化物燃烧器 110:管体

120:燃料供给管 121:中央空气喷射管

130:扩散器 131:侧面槽

133:第一空气孔 134:第二空气孔

具体实施方式

下面，参照附图详细说明本发明的优选实施例。这是为了让具有本发明所属技术领域具有普通知识的技术人员能够很容易地实施本发明而进行的详细说明，并不意味着因此限定本发明的技术构思及范畴。

下面，参照附图详细说明本发明一个实施例的低氮氧化物燃烧器。

图1是概略性表示本发明一个实施例的低氮氧化物燃烧器设置在燃烧室的状态的侧面剖视图，图2是概略性表示本发明一个实施例的低氮氧化物燃烧器的立体图，图3是沿图1所示的V方向观察时的示意图，图4是放大图1所示的B部分的示意图。

参照图1-图4可知，本发明一个实施例的低氮氧化物燃烧器100包括：管体110，其用于将空气引导至由壁200包围的燃烧室；侧颈部111，其直径小于管体110的直径，并且形成于管体110的顶端；燃料供给管120，其配置在管体110的内部，并用于供给燃料；扩散器130，所述扩散器130以其外周与管体110的内壁隔开间隔而配置的方式与燃料供给管120的顶端结合，并用于扩散由管体110引导的空气；以及多个燃料喷射管140，其与燃料供给管120的顶端以放射状结合，并且将经由燃料供给管120供给的燃料朝向穿过管体110内壁和扩散器130外周之间的空气喷射。另外，还可以包括鼓风机112，其与管体110结合，并将外部空气强制地向管体110的内部供给。

如果扩散器130的外周和侧颈部111的内壁之间的距离、即供气通道的间距d1与扩散器130的半径之比小于3％，则在扩散器130与燃料供给管120的顶端结合的情况下，扩散器130的外周可能会夹在侧颈部111的内壁。另外，如果扩散器130的外周和侧颈部111的内壁之间的距离、即供气通道的间距d1与扩散器130的半径之比大于10％，则穿过扩散器130的外周和侧颈部111的内壁之间的空气压力无法增加，从而无法有效地实现燃烧气体的自动再循环。因此，扩散器130的外周和侧颈部111的内壁之间的距离、即供气通道的间距d1与扩散器130的半径之比优选为3％-10％。

在燃料供给管120的内部可以配置有中央空气喷射管121，其从燃料供给管120的顶端朝向燃料供给管120的轴向S喷射外部空气。通过由这种中央空气喷射管121喷射的空气来使火焰的直径变大，从而能够防止火焰集中在火焰中心部。据此，防止火焰中心部的温度过度上升，从而能够减少热力型氮氧化物的生成量。穿过中央空气喷射管121的空气经由形成于扩散器130中央的空气喷射口而向燃烧室FR的内部喷射。因此，空气喷射口优选小于中央空气喷射管121的内径。

多个燃料喷射管140分别包括用于喷射燃料的燃料喷射口141。在扩散器130的外周形成有多个侧面槽131，所述多个侧面槽131用于将经由管体110供给的空气集中在各个燃料喷射口141。即，如图2及图3所示，于多个燃料喷射管140的各顶端的燃料喷射口141所处的扩散器外周区域形成有弧形的侧面槽131，所述侧面槽131分别形成于所有燃料喷射管140的位置上。通过这种结构，经由管体110供给的空气可以集中在各个燃料喷射口141。据此，燃料在各个燃料喷射口141被通过多个侧面槽131来集中的空气迅速稀释，从而减少快速型氮氧化物的生成量。另外，可以将管体110的侧颈部111和扩散器130之间的距离(供气通道的间距d1)减小与侧面槽131的空间相当的大小，因此使经由管体110的侧颈部111和扩散器130之间而喷射的空气的压力变高，从而能够有效地实现燃烧气体的自动再循环。

侧面槽131的底部与燃料喷射口141互相隔开间隔而配置。据此，在侧面槽131的底部和燃料喷射口141之间会形成涡流EC，这样会使燃料喷射口141所喷射的燃料进一步被经由管体110供给的空气迅速稀释，从而进一步减少快速型氮氧化物的生成量。

此时，优选地，侧面槽131的底部和燃料喷射口141之间的间距d2与燃料喷射口141的直径之比为0.1％-75％的范围。

如果从侧面槽131向燃烧室FR供给的空气通过侧面槽131底部与燃料喷射口141之间的间距d2来形成涡流EC，则能够使穿过侧面槽131向燃烧室FR供给的高速空气与从燃料喷射口141喷射的燃料急速混合。这种急速混合可以均匀地混合燃料和空气，从而能够防止燃烧室FR中燃烧的燃料的一部分出现空气不足的现象。完全燃烧的条件，是指在燃料燃烧时，从周边及时供给燃烧所需的空气。急速混合通过切实地混合空气和燃料来能够在相当程度上满足完全燃烧所需的条件。在这里，如果通过急速混合切实地混合空气和燃料，则在燃料燃烧时，能够最大限度地减少不完全燃烧的发生，同时还能够最大限度地减少快速型氮氧化物的生成。这意味着燃料接近完全燃烧。而且，随着燃料呈现出接近完全燃烧的特性，一氧化碳(CO)的产生也被最少化。

涡流EC的作用并不是单纯地向燃料供给空气，而是通过将形成涡流的同时漫卷的空气与燃料混合，由此能够均匀地混合燃料和空气。当燃料颗粒与空气微粒均匀地混合，则在各个燃料颗粒燃烧时，周边的空气微粒会促进燃料颗粒的燃烧，从而最大限度地减少不完全燃烧。最大限度地减少不完全燃烧，是指由不完全燃烧引起的副产物(例如一氧化碳)的生成被降到最低。

对于形成涡流区域EC而促进燃料的完全燃烧及减少副产物的间距d2而言，如果所述间距过小，则涡流的形成量可能会减少；如果所述间距过大，则从燃料喷射口141喷射的燃料的一部分无法被涡流均匀地混合。

如果从燃料喷嘴喷射的燃料喷射压力较强，则需要将所述间距d2增加某种程度，这是从燃料喷射口141喷射的燃料因较强的喷射压力而不能与经由管体110流入的空气确切地混合决定的。例如：当以燃料喷射口141的内径作为基准时，如果燃料喷射口141的内径为10mm，则所述间距d2可以为0.01mm-7.5mm。

如果侧面槽131的直径d3与扩散器130的直径之比小于5％，则经由侧面槽131供给的空气量不够充足，由此无法使从燃料喷射口141喷射的燃料迅速稀释，从而不能减少快速型氮氧化物的生成量。另外，如果侧面槽131的直径d3与扩散器130的直径之比大于15％，则通过扩散器130的外周与侧颈部111内壁之间喷射的空气量过度减少，由此不能有效地实现燃烧气体的自动再循环，从而无法减少热力型氮氧化物的生成量。因此，优选地，侧面槽131的直径d3与扩散器130的直径之比为5％-15％。

扩散器130包括：第一空气孔133，其具有第一直径d4，且从扩散器130的中心隔开第一距离SD1而形成；第二空气孔134，其具有比第一空气孔133的第一直径d4大的第二直径d6，且从扩散器130的中心隔开第二距离SD2而形成。

第一空气孔133和第二空气孔134排列在相邻的燃料喷射管140之间，在向火焰的中心部供给充足的空气而提高火焰的燃烧性，或者在随着燃烧器容量的增加而增大扩散器130的直径时，形成用于提高在扩散器130处所形成的火焰的辅焰性的辅助火焰。

下面，参照附图对详细说明本发明一个实施例的低氮氧化物燃烧器的作用与效果。

图5是用于说明本发明一个实施例的低氮氧化物燃烧器的作用与效果的示意图，图6是表示基于本发明一个实施例的低氮氧化物燃烧器热输入量的氮氧化物浓度和氧浓度的曲线图。

参照图1-图4的同时再参照图5可知，如果燃料通过燃料供给管120供给，并且从燃料喷射管140的燃料喷射口141喷射燃料，而且与管体结合的鼓风机112运转，由此空气穿过管体110和中央空气喷射管121，则燃料与空气混合。如果这样混合了的燃料和空气被未图示的点火装置点火，则产生火焰F。

另外，在进行上述过程的情况下，通过扩散器130的外周和侧颈部111的内壁之间最佳的间距d1，使穿过扩散器130的外周和侧颈部111的内壁之间的空气压力增加，从而使火焰F迅速向燃烧室FR的内部移动。而且，燃烧气体R通过迅速向燃烧室FR内部移动的火焰F来迅速向侧颈部111的外侧移动，并混合在火焰F中。由此，火焰F的温度下降，从而能够有效地减少热力型氮氧化物的生成量。而且，穿过管体110的空气集中在每个侧面槽131，并迅速稀释从各个燃料喷射口141喷射的燃料，从而能够有效地减少快速型氮氧化物的生成量。进而，侧面槽131的底部和燃料喷射口141互相以间距d2隔开而配置，由此在侧面槽131的底部和燃料喷射口141之间形成涡流EC，并且进一步迅速稀释从燃料喷射口141喷射的燃料，从而能够进一步有效地减少快速型氮氧化物的生成量。

另一方面，对本发明一个实施例的低氮氧化物燃烧器以燃烧室大小为Φ615*1,420mm、燃烧室体积为0.422m³、热输入量为944,320kcal/h(LNG 1Nm³的发热量为10400kcal/Nm³)、体积热负荷量为2,237,725kcal/m³.h的条件进行了试验。其结果如图6所示，排气中的氮氧化物(NOx)的浓度为15ppm以下，氧气(O₂)为3％以上。

图7是表示在图6所示的试验条件下对本发明的低氮氧化物燃烧器进行试验的结果的表格，图8是表示在图6所示的试验条件下对现有韩国授权专利公报第10-0784881号中的低氮氧化物燃烧器进行试验的结果的表格。如表格中所示，本发明的低氮氧化物燃烧器与现有的低氮氧化物燃烧器相比，氮氧化物(N Ox)的浓度显著减少。

在上述说明过程中，参考附图所示的实施例对本发明进行了说明，这不过是一种示例性说明。通过上述说明内容，具有本发明所属技术领域的普通知识的技术人员完全可以由此实施各种变形例及等同的其它实施例。因此，本发明真正的技术性保护范围应当根据所附的权利要求书的技术构思确定。

Claims

1.一种低氮氧化物燃烧器，其为设置于燃烧室（FR）中的燃烧器安装孔的低氮氧化物燃烧器（100），其特征在于，包括：

管体（110），其插入于燃烧器安装孔且其顶端暴露在燃烧室（FR）中，并且用于将空气引导至燃烧室（FR）；

侧颈部（111），其直径小于所述管体（110）的直径，并且形成于所述管体（110）的顶端；

燃料供给管（120），其配置在所述管体（110）的内部，且用于供给燃料；

扩散器（130），所述扩散器以其外周与所述管体（110）的内壁隔开间隔的方式与所述燃料供给管（120）的顶端结合，并用于扩散由所述管体（110）引导的空气；

供气通道，其沿着所述扩散器（130）的外周和所述管体（110）的内壁之间形成固定间距，并且用于将空气从所述管体（110）向所述燃烧室（FR）内排放；

多个燃料喷射管（140），其与所述燃料供给管（120）的顶端以放射状结合，并且将经由所述燃料供给管（120）供给的燃料朝向穿过所述供气通道的空气喷射，

扩散器（130）包括：第一空气孔（133），其具有第一直径（d4），且从扩散器（130）的中心隔开第一距离（SD1）而形成；第二空气孔（134），其具有比第一空气孔（133）的第一直径（d4）大的第二直径（d6），且从扩散器（130）的中心隔开第二距离（SD2）而形成，

弧形的侧面槽（131）对应地分别形成于所述多个燃料喷射管（140）的各顶端的燃料喷射口（141）所处的所述扩散器（130）外周区域的所有燃料喷射管（140）的位置上，

所述侧面槽（131）的底部和所述燃料喷射口（141）之间的间距（d2）与所述燃料喷射口（141）的直径之比为0.1%-75%，

所述侧面槽（131）的直径（d3）与所述扩散器（130）的直径之比为5%-15%，

在所述燃料供给管（120）的内部配置有中央空气喷射管（121），该中央空气喷射管（121）从所述燃料供给管（120）的顶端向燃烧室（FR）内部、沿所述燃料供给管（120）的轴向喷射外部空气。

2.根据权利要求1所述的低氮氧化物燃烧器，其特征在于：

所述扩散器（130）的外周和侧颈部（111）的内壁之间的间距（d1）与所述扩散器（130）的半径之比为3%-10%。