CN108151020A - 低氮燃烧器 - Google Patents

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CN108151020A CN201810079254.5A CN201810079254A CN108151020A CN 108151020 A CN108151020 A CN 108151020A CN 201810079254 A CN201810079254 A CN 201810079254A CN 108151020 A CN108151020 A CN 108151020A
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任雯
周浩
倪云峰
刘宁
王涛
许向阳
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Abstract

本发明提供了一种低氮燃烧器，涉及工业设备领域。本发明的低氮燃烧器由于采用燃料分三级，空气分两级的分级燃烧方案，第一燃料支管的燃料出口、内层空气通道的空气出口、第二燃料支管的燃料出口、外层空气通道的空气出口、第三燃料支管的燃料出口交错布置，以使燃料和空气充分混合，加速燃气与空气的混合，增加了混合均匀性，促进了燃烧反应，防止局部高温的产生，使火焰具有均匀的较低的温度水平，同时，强烈的混合还可降低过剩空气，可在低过剩空气系数下实现完全燃烧。

Description

低氮燃烧器
技术领域
本发明涉及工业设备领域，特别是涉及一种低氮燃烧器。
背景技术
NOX是一种主要大气污染物，是引发酸雨、雾霾、光化学烟雾的重要因素。我国各地的环保标准都对NOX排放量进行了严格限制。在工业及民用锅炉领域，传统上通常采用煤或石油作为燃料。但是，由于这些燃料本身特点的限制，实现低氮氧化物排放难度极大，通常需要进行尾气处理才能实现污染物排放达标，大大增加了环保费用。
近些年，以天然气作为燃料的燃气燃烧器得到了大力发展。相比于燃煤及燃油燃烧器，天然气燃烧器具有安全高效、操作简便、NOX等污染物排放低的优点。但是未经优化设计的燃气燃烧器，由于燃料与空气混合不充分，仍会产生较多的NOX，因此，NOX的排放仍有很大的改善空间。
发明内容
本发明的一个目的是要提供一种低氮燃烧器，要解决现有技术中燃料和空气掺混效果差的问题。
本发明一个进一步的目的是以解决现有技术中自循环燃烧器结构复杂、制造成本高的问题。
本发明另一个进一步的目的是要简化燃烧器的结构，以解决现有技术中对燃料供应压力有较高要求的问题。
特别地，本发明提供了一种低氮燃烧器，设置于炉膛内，包括：
燃料分配器，其包括呈中空筒体状的本体和由所述本体分支出去且相互独立的第一燃料支管、第二燃料支管和第三燃料支管，以使得所述本体内的燃料分配至所述第一燃料支管、所述第二燃料支管和所述第三燃料支管；
第一套筒，设置于所述燃料分配器的外部，所述燃料分配器与所述第一套筒之间限定的中空夹层形成外层空气通道；
第二套筒，设置于所述第一燃料支管的外部且位于所述外层空气通道内，所述第二套筒与所述第一燃料支管之间限定的中空夹层形成内层空气通道，所述内层空气通道的空气入口与所述外层空气通道连通；
第三套筒，设置于所述第一套筒的外部，所述第三套筒与所述第一套筒之间限定的中空夹层形成第三燃料通道，所述第三燃料支管远离所述本体的出口端与所述第三燃料通道相连通；
其中，所述第一燃料支管、所述第二燃料支管和所述第三燃料通道均具有燃料出口，所述内层空气通道和所述外层空气通道均具有空气出口，三个所述燃料出口和两个所述空气出口交错布置，以使燃料和空气充分混合。
可选地，所述第一燃料支管的燃料出口、所述内层空气通道的空气出口、所述第二燃料支管的燃料出口、所述外层空气通道的空气出口、所述第三燃料通道的燃料出口均分布在中心处于所述本体的中心轴线上的封闭环上；且
所述第一燃料支管的燃料出口、所述内层空气通道的空气出口、所述第二燃料支管的燃料出口、所述外层空气通道的空气出口、所述第三燃料通道的燃料出口距所述本体的中心轴线的垂直距离依次增大。
可选地，还包括
第四套筒，设置于所述第三套筒的外部，所述第三套筒与所述第四套筒之间限定的中空夹层形成为烟气循环通道，所述第四套筒的周壁上开设有多个贯穿所述第四套筒周壁的引射孔，所述引射孔用于将炉膛内的烟气引入所述循环烟气通道。
可选地，所述循环烟气通道靠近所述空气出口的一端为烟气出口，循环烟气通过所述烟气出口进入燃烧区。
可选地，所述第三燃料支管喷射的燃料占总燃料的比例小于等于30％。
可选地，还包括
稳焰盘，嵌套于所述第一燃料支管的周壁外，与所述内层空气通道的出口端相抵接，所述稳焰盘上开设有与所述内层空气通道的空气出口对应的内层空气喷射孔、与所述外层空气通道的空气出口对应的外层空气喷射孔和与所述第二燃料支管对应的第二燃料支管过孔。
可选地，所述内层空气喷射孔设置成使得经所述内层空气喷射孔喷射出的空气与所述稳焰盘的外侧表面所形成的角度为20°～60°，多个所述内层空气喷射孔沿所述第一燃料支管的周向方向呈放射状布置在所述第一燃料支管外侧，以使得空气通过多个所述内层空气喷射孔喷射出后在燃烧区内起旋。
可选地，所述第一燃料支管远离所述本体的一端为封闭端，所述第一燃料支管的封闭端的周壁上设有多个第一燃料喷射孔，所述第一燃料喷射孔的开口方向沿所述第一燃料支管的径向方向向外。
可选地，多个所述第二燃料支管沿所述本体的周向方向均匀布置在所述本体的周壁上，所述第二燃料支管的出口端穿过所述第二燃料支管过孔，其上设有多个第二燃料喷射孔，部分所述第二燃料喷射孔的开口方向沿所述第一燃料支管的径向方向向外，其余所述第二燃料喷射孔的开口方向沿所述本体的轴向方向向外。
可选地，所述第三燃料通道的出口端设有多个第三燃料喷射孔，所述第三燃料喷射孔的开口方向沿所述本体的轴向方向向外。
本发明的低氮燃烧器由于采用燃料分三级，空气分两级的分级燃烧方案，第一燃料支管的燃料出口、内层空气通道的空气出口、第二燃料支管的燃料出口、外层空气通道的空气出口、第三燃料支管的燃料出口交错布置，以使燃料和空气充分混合，加速燃气与空气的混合，增加了混合均匀性，促进了燃烧反应，防止局部高温的产生，使火焰具有均匀的较低的温度水平，同时，强烈的混合还可降低过剩空气，可在低过剩空气系数下实现完全燃烧。
进一步地，本发明的低氮燃烧器还设有烟气循环通道，利用燃料与空气的引射作用将炉膛内的烟气通过引射孔引入到烟气循环通道后重新喷入燃烧区，降低燃烧区的氧浓度和燃烧温度，防止局部高温产生，并缩短了烟气在高温区的停留时间，抑制氮氧化物的生成。
进一步地，第一燃料支管喷射出的燃料从中心供入，空气以强旋转气流在燃气流周围供入。在强空气旋转气流作用下，可以使燃料和空气更加迅速、均匀的混合；第二燃料支管喷射出的燃料与外层空气一起实现贫混合燃烧，最外层第三燃料支管喷射出的燃料为散点喷射，可以进一步降低火焰区的温度和氧浓度。
进一步地，由于第三燃料支管喷射的燃料占总燃料的比例小于等于30％，这种设计在空间上进行了合理的空燃比和氧浓度布置，在保证燃烧器燃烧稳定性不会大幅降低的同时，引入烟气自循环，实现了良好的低氮氧化物燃烧效果。
根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
图1是根据本发明一个实施例的低氮燃烧器的示意性装置图；
图2是根据本发明一个实施例的低氮燃烧器的示意性装置分解图；
图3是根据本发明一个实施例的低氮燃烧器中的燃料分配器的示意性结构图；
图4是根据本发明一个实施例的低氮燃烧器的示意性剖视图。
具体实施方式
下面参照图1至图4来描述本发明实施例的低氮燃烧器，本发明实施例的描述中，“前后”“横向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
图1是根据本发明一个实施例的低氮燃烧器100的示意性装置图。图2是根据本发明一个实施例的低氮燃烧器100的示意性装置分解图。如图1和图2所示，一种低氮燃烧器100，设置于炉膛内，其包括燃料分配器1、第一套筒2、第二套筒3和第三套筒4。燃料分配器1位于整个低氮燃烧器100的中间，一端为燃料进口，另一端为燃料出口，用于为燃料提供三个相对独立的燃料出口。
图3是根据本发明一个实施例的低氮燃烧器100中的燃料分配器1的示意性结构图。如图3所示，燃料分配器1包括呈中空筒体状的本体11和由本体11分支出去且相互独立的第一燃料支管12、第二燃料支管13和第三燃料支管14，以使得本体11内的燃料分配至第一燃料支管12、第二燃料支管13和第三燃料支管14。具体地，第一燃料支管12设置在本体11的出口端，与本体11同轴设置。第二燃料支管13数量为8-20个，沿本体11的周向方向均匀布置在本体11的周壁上。第三燃料支管14数量为2-4个，沿本体11的周向方向均匀布置在本体11的周壁上。第一燃料支管12的中空部分为第一燃料通道10，第二燃料支管13的中空部分为第二燃料通道20。
图4是根据本发明一个实施例的低氮燃烧器100的示意性剖视图。如图4所示，还可参考图2，第一套筒2设置于燃料分配器1的外部，燃料分配器1与第一套筒2之间限定的中空夹层形成外层空气通道50。第二套筒3设置于第一燃料支管12的外部且位于外层空气通道50内，第二套筒3的外径大于本体11的外径，第二套筒3与第一燃料支管12之间限定的中空夹层形成内层空气通道40，内层空气通道40的空气入口与外层空气通道50连通，内层空气通道40的空气入口可以配置成多个进气孔。第三套筒4设置于第一套筒2的外部，第三套筒4与第一套筒2之间限定的中空夹层形成为第三燃料通道30，第三燃料通道30与第三燃料支管14的出口相连，其远离第一燃料支管12的一端为封闭端。第一燃料支管12、第二燃料支管13和第三燃料通道30均具有燃料出口，内层空气通道40和外层空气通道50均具有空气出口，三个燃料出口和两个空气出口交错布置，以使燃料和空气充分混合。
本发明的低氮燃烧器由于采用燃料分三级，空气分两级的分级燃烧方案，第一燃料支管的燃料出口、内层空气通道的空气出口、第二燃料支管的燃料出口、外层空气通道的空气出口、第三燃料支管的燃料出口交错布置，以使燃料和空气充分混合，加速燃气与空气的混合，增加了混合均匀性，促进了燃烧反应，防止局部高温的产生，使火焰具有均匀的较低的温度水平，同时，强烈的混合还可降低过剩空气，可在低过剩空气系数下实现完全燃烧。
在本发明一个进一步的实施例中，第一燃料支管12的燃料出口、内层空气通道40的空气出口、第二燃料支管13的燃料出口、外层空气通道50的空气出口、第三燃料通道30的燃料出口均分布在中心处于本体11的中心轴线上的封闭环上，即上述燃料出口和空气出口均分布在圆心处于本体11的中心轴线上的圆环上。且第一燃料支管12的燃料出口、内层空气通道40的空气出口、第二燃料支管13的燃料出口、外层空气通道50的空气出口、第三燃料通道30的燃料出口距本体11的中心轴线的垂直距离依次增大。使布置具有层次感，进一步加速燃料与空气的混合。
在本发明的另一个实施例中，低氮燃烧器100还包括设置于第三套筒4的外部的第四套筒5。第三套筒4与第四套筒5之间形成的中空夹层限定为烟气循环通道60，烟气循环通道60远离第一燃料支管12的一端为封闭端。第四套筒5的周壁上开设有多个贯穿第四套筒5周壁的引射孔51。在燃料和空气高速进入燃烧区燃烧时，循环烟气通道60内形成负压，炉膛内的烟气通过引射孔51进入到循环烟气通道60内，循环烟气通道60靠近空气出口的一端为烟气出口，通过烟气出口将循环烟气与空气混合重新进入燃烧区。烟气循环通道60的设置可以利用燃料与空气的引射作用将炉膛内的烟气通过引射孔51引入到烟气循环通道60后重新喷入燃烧区，降低燃烧区的氧浓度和燃烧温度，防止局部高温产生，并缩短了烟气在高温区的停留时间，抑制氮氧化物的生成。
参考图3，低氮燃烧器100还包括一个稳焰盘6，稳焰盘6可以为一个中心带孔的圆盘结构。稳焰盘6嵌套于第一燃料支管12的周壁外，与内层空气通道40的出口端相抵接，稳焰盘6的外径小于第一套筒2的直径，稳焰盘6的边缘与第一套筒2的内壁之间为未封闭的，有空气流出，该处为外层空气通道50的空气出口的一部分。稳焰盘6上开设有内层空气喷射孔401、外层空气喷射孔501和第二燃料支管过孔。内层空气喷射孔401与内层空气通道40的出口端相对应。第二燃料支管过孔用于第二燃料支管13出口端穿过，将第二燃料支管13定位。外层空气喷射孔501设置于第二燃料支管13的出口端的附近。三个燃料出口和两个空气出口保持在稳焰盘6所在平面的附近。
在本发明的一个进一步的实施例中，内层空气喷射孔401设置成使得经内层空气喷射孔401喷射出的空气与稳焰盘6的外侧表面所形成的角度为20°～60°，具体地，可以为20°、40°和60°。优选地，内层空气喷射孔401为长条状，多个内层空气喷射孔401沿第一燃料支管12的周向方向呈放射状均匀布置在第一燃料支管12外侧，空气通过多个内层空气喷射孔401喷射出后在燃烧区内起旋，其中，内层空气喷射孔401的数量为6-24个。第一燃料支管12远离本体11的一端为封闭端，第一燃料支管12的末端的周壁上设有多个第一燃料喷射孔101，第一燃料喷射孔101的开口方向沿第一燃料支管12的径向方向向外。
上述结构可以保证燃气从中心以垂直于本体11轴向方向的方向供入，空气以强旋转气流在燃气流周围供入。在强空气旋转气流作用下，加速了燃气与空气的混合，增加了混合均匀性，促进了燃烧反应，防止局部高温的产生，使火焰具有均匀的较低的温度水平。强烈的混合还可降低过剩空气，可在低过剩空气系数下实现完全燃烧。
在本发明一个具体的实施例中，第二燃料支管13的出口端穿过第二燃料支管13过孔，其上设有多个第二燃料喷射孔201，部分第二燃料喷射孔的开口方向沿第一燃料支管12的径向方向向外，即第二燃料喷射孔的朝向第三燃料通道30；其余第二燃料喷射孔的开口方向沿本体11的轴向方向向外，即与第二燃料支管13内燃料流动方向相同。第三燃料通道30的出口端设有多个第三燃料喷射孔301，第三燃料喷射孔301的开口方向沿本体11的轴向方向向外，即与第三燃料支管14内燃料流动方向相同，第三燃料喷射孔301的数量为8-48个。上述结构不仅能够使燃料与空气充分接触，还能增加燃料的喷出速度，解决现有技术中对燃料供应压力有较高要求的问题。
在本发明的另一个实施例中，外层空气喷射孔501与第二燃料支管过孔在同一圆环内，圆环位于内层空气喷射孔401的外围。第二燃料支管13喷射出的燃料与外层空气一起实现贫混合燃烧，最外层第三燃料支管14喷射出的燃配置为散点喷射，和空气共同引射使得烟气产生自循环，从烟气出口喷入火焰区，进一步降低火焰区的温度和氧浓度。在一个优选的实施例中，第三燃料支管14喷射的燃料占总燃料的比例小于等于30％。由于第三燃料支管14喷射的燃料占总燃料的比例小于等于30％，这种设计在空间上进行了合理的空燃比和氧浓度布置，在保证燃烧器燃烧稳定性不会大幅降低的同时，引入烟气自循环，实现了良好的低氮氧化物燃烧效果。
在本发明的实施例中，第一燃料喷射孔101喷射出的燃料与内层空气喷射孔401喷射出的空气混合在燃烧区中心形成稳定源；第二燃料喷射孔201喷射出的燃料与外层空气喷射孔501喷射出的空气进行贫混合燃烧；第二燃料喷射孔301直接向燃烧区喷射，并且和循环烟气通道60中的烟气混合后喷入燃烧区，从而降低燃烧区中的温度和氧浓度。通过在燃烧区空间范围内进行燃料、空气、循环烟气的合理设计，从而大幅降低氮氧化物的排放。
为了封闭第三燃料通道30远离稳焰盘6的一端和烟气循环通道60远离稳焰盘6的一端，在第一套筒2的外壁上嵌套一块挡板7，挡板7上还可以设置安装孔，通过安装孔将低氮燃烧器100固定于炉膛内。
优选地，本体11、第一燃料支管12、第一套筒2、第二套筒3、第三套筒4、第四套筒5及稳焰盘6均为同轴布置。同轴布置的低氮燃烧器100可以使燃料和空气可以更好的混合，同时降低制造成本。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (10)

1.一种低氮燃烧器，设置于炉膛内，其特征在于，包括：
燃料分配器，其包括呈中空筒体状的本体和由所述本体分支出去且相互独立的第一燃料支管、第二燃料支管和第三燃料支管，以使得所述本体内的燃料分配至所述第一燃料支管、所述第二燃料支管和所述第三燃料支管；
第一套筒，设置于所述燃料分配器的外部，所述燃料分配器与所述第一套筒之间限定的中空夹层形成外层空气通道；
第二套筒，设置于所述第一燃料支管的外部且位于所述外层空气通道内，所述第二套筒与所述第一燃料支管之间限定的中空夹层形成内层空气通道，所述内层空气通道的空气入口与所述外层空气通道连通；
第三套筒，设置于所述第一套筒的外部，所述第三套筒与所述第一套筒之间限定的中空夹层形成第三燃料通道，所述第三燃料支管远离所述本体的出口端与所述第三燃料通道相连通；
其中，所述第一燃料支管、所述第二燃料支管和所述第三燃料通道均具有燃料出口，所述内层空气通道和所述外层空气通道均具有空气出口，三个所述燃料出口和两个所述空气出口交错布置，以使燃料和空气充分混合。
2.根据权利要求1所述的低氮燃烧器，其特征在于，
所述第一燃料支管的燃料出口、所述内层空气通道的空气出口、所述第二燃料支管的燃料出口、所述外层空气通道的空气出口、所述第三燃料通道的燃料出口均分布在中心处于所述本体的中心轴线上的封闭环上；且
所述第一燃料支管的燃料出口、所述内层空气通道的空气出口、所述第二燃料支管的燃料出口、所述外层空气通道的空气出口、所述第三燃料通道的燃料出口距所述本体的中心轴线的垂直距离依次增大。
3.根据权利要求1所述的低氮燃烧器，其特征在于，还包括
第四套筒，设置于所述第三套筒的外部，所述第三套筒与所述第四套筒之间限定的中空夹层形成为烟气循环通道，所述第四套筒的周壁上开设有多个贯穿所述第四套筒周壁的引射孔，所述引射孔用于将炉膛内的烟气引入所述循环烟气通道。
4.根据权利要求3所述的低氮燃烧器，其特征在于，
所述循环烟气通道靠近所述空气出口的一端为烟气出口，循环烟气通过所述烟气出口进入燃烧区。
5.根据权利要求1所述的低氮燃烧器，其特征在于，
所述第三燃料支管喷射的燃料占总燃料的比例小于等于30％。
6.根据权利要求1所述的低氮燃烧器，其特征在于，还包括
稳焰盘，嵌套于所述第一燃料支管的周壁外，与所述内层空气通道的出口端相抵接，所述稳焰盘上开设有与所述内层空气通道的空气出口对应的内层空气喷射孔、与所述外层空气通道的空气出口对应的外层空气喷射孔和与所述第二燃料支管对应的第二燃料支管过孔。
7.根据权利要求6所述的低氮燃烧器，其特征在于，
所述内层空气喷射孔设置成使得经所述内层空气喷射孔喷射出的空气与所述稳焰盘的外侧表面所形成的角度为20°～60°，多个所述内层空气喷射孔沿所述第一燃料支管的周向方向呈放射状布置在所述第一燃料支管外侧，以使得空气通过多个所述内层空气喷射孔喷射出后在燃烧区内起旋。
8.根据权利要求1所述的低氮燃烧器，其特征在于，
所述第一燃料支管远离所述本体的一端为封闭端，所述第一燃料支管的封闭端的周壁上设有多个第一燃料喷射孔，所述第一燃料喷射孔的开口方向沿所述第一燃料支管的径向方向向外。
9.根据权利要求6所述的低氮燃烧器，其特征在于，
多个所述第二燃料支管沿所述本体的周向方向均匀布置在所述本体的周壁上，所述第二燃料支管的出口端穿过所述第二燃料支管过孔，其上设有多个第二燃料喷射孔，部分所述第二燃料喷射孔的开口方向沿所述第一燃料支管的径向方向向外，其余所述第二燃料喷射孔的开口方向沿所述本体的轴向方向向外。
10.根据权利要求1所述的低氮燃烧器，其特征在于，
所述第三燃料通道的出口端设有多个第三燃料喷射孔，所述第三燃料喷射孔的开口方向沿所述本体的轴向方向向外。
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