CN108738333A - 复合型低氮氧化物燃烧器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复合型低氮氧化物燃烧器，将气体分级燃烧技术与IFGR燃烧技术应用到一个燃烧器内，从而减少氮氧化物产生量。依据本发明的复合型低氮氧化物燃烧器，其为在燃烧室的燃烧器安装孔设置的复合型低氮氧化物燃烧器，包括：导管，其插入于燃烧器安装孔内，前端暴露于燃烧室，并将空气引向燃烧室；燃料喷孔，其至少一个配置在导管端部，呈向燃烧室喷射燃料而形成分割火焰的管状，在外周沿的一个区域设置有用于使燃烧气体流入的第1气体流入口，在导管外周沿设置有使与导管内部的空气混合的燃烧气体流入的第2气体流入口，该第2气体流入口位于所述第1气体流入口的后方。依据本发明，将气体分级技术与采用可有效实现燃烧气体自我再循环的改良IFGR技术制造的燃烧器融合，与采用现有IFGR技术的低氮氧化物燃烧器相比，能够进一步降低氮氧化物产生量。

Description

复合型低氮氧化物燃烧器

技术领域

本发明涉及一种低氮氧化物燃烧器。具体讲，就是涉及一种复合型低氮氧化物燃烧器，其将气体分级(Gas staging)燃烧技术与IFGR(内部烟气再循环；Internal Fl ueGas Recirculation)燃烧技术应用到一个燃烧器内，从而减少氮氧化物(NOx)产生量。

背景技术

一般来说，氮氧化物(NOx)分为以下几种：通过化学方式与燃料结合形态的氮成分在燃烧过程中被氧化而生成的燃料氮氧化物(Fuel NOx)；燃烧用空气中包含的氮在高温条件下游离生成的热力型氮氧化物(Thermal NOx)；以及碳氢化合物系列的矿物燃料以高浓度状态暴露于高温环境时迅速生成的快速型氮氧化物(Prompt N Ox)。

由于氮氧化物(NOx)会对大气环境及人类的生活产生不良的影响。因此，研发人员从很久以前就开始开发低氮氧化物燃烧器技术。这一技术的发展经历了以下三代研发过程：

-具体情况-

第一世代：第一世代低氮氧化物技术以空气分级(Air staging)技术为代表，分阶段地向燃烧炉内供给空气，防止由燃烧炉内的燃料引起的快速氧化反应，降低火焰的温度，由此减少热力型氮氧化物。

第二世代：第二世代低氮氧化物技术以气体分级(Gas staging)技术为代表，其特征在于，分为中心部(约5％～25％)与外围部(75％～95％)而喷射气体，造成中心部空气过剩而外围部空气不足的状态，抑制占火焰大部分的外围部的氧化反应，不让火焰温度升高，从而减少热力型氮氧化物的产生。虽然因外围火焰处于空气不足状态而可能产生快速型氮氧化物，但是通过向周边喷射气体以确保火焰温度在1000℃以下，从而能够同时实现火焰保焰功能和抑制快速型氮氧化物产生功能。

第三世代：第三世代低氮氧化物技术以IFGR(内部烟气再循环)为代表，使在燃烧室内经过1次燃烧的燃烧气体在燃烧室内自我再循环(Recirculation)，让燃烧气体与火焰混合，降低火焰温度，由此可以减少热力型氮氧化物。

作为所述第三世代低氮氧化物技术，本申请人在韩国授权专利第10-1466809号中提出了高效低氮氧化物型燃烧头及利用其的燃烧器。韩国授权专利第10-1466809号是通过在燃烧头诱发涡流来提高燃料与空气的混合特性，使燃料燃烧，之后再使燃烧气体自我再循环，从而大幅减少氮氧化物的产生。

另外，在韩国授权专利第10-1569455号中提出了一种复合型低氮氧化物燃烧器，其将气体分级(Gas staging)燃烧技术应用到IFGR技术中，从而可以联系按不同世代区分的低氮氧化物技术，由此进一步减少氮氧化物产生量。

发明内容

所要解决的技术问题

本发明的目的在于，提供一种将现有复合型低氮氧化物燃烧器进行改良的复合型低氮氧化物燃烧器，将气体分级(Gas staging)燃烧技术应用到经过改良的IFGR技术中，从而进一步减少氮氧化物产生量。

解决技术问题的方法

为了解决上述课题，依据本发明的复合型低氮氧化物燃烧器，其为在燃烧室的燃烧器安装孔设置的复合型低氮氧化物燃烧器，包括：导管，其插入于燃烧器安装孔内，前端露出于燃烧室内，并将空气引向燃烧室；燃料喷孔(fuel spud)，其在导管端部至少配置一个，呈向燃烧室喷射燃料而形成分割火焰的管状，在外周沿的一个区域设置有用于使燃烧气体流入的第1气体流入口。在第1气体流入口向燃烧室外侧方向的后方，在导管外周沿设置有第2气体流入口，其使与导管内部的空气混合的燃烧气体流入。

在第2气体流入口沿空气流方向倾斜地设置有燃烧气体引导部。

燃料喷孔，包括：第1喷孔管，其在燃料供给管处分岔，向导管外侧延长；以及第2喷孔管，其与第1喷孔管隔开设置，形成第1气体流入口，向导管内侧插入，形成分割火焰。

燃料喷孔，包括：第1喷孔管，其在燃料供给管处分岔，向导管外侧延长；以及第2喷孔管，其与第1喷孔管隔开设置，形成第1气体流入口，配置在导管外侧，形成分割火焰。

在第1喷孔管的端部配置有直径缩小的喷射连接部，以朝第2喷孔管喷射燃料。第2喷孔管的第1气体流入口侧端部朝向第1喷孔管形成有直径扩张的直径扩张部。

发明效果

依据本发明，将气体分级技术与采用可有效实现燃烧气体自我再循环的改良后的IFGR技术制造的燃烧器融合，与采用现有IFGR技术的低氮氧化物燃烧器相比，能够进一步降低氮氧化物产生量。

附图说明

图1是表示依据本发明第1实施例的复合型低氮氧化物燃烧器安装在燃烧室状态的侧截面图；

图2是将图1中导管端部的一部分截断显示的立体图；

图3是表示依据本发明第1实施例的复合型低氮氧化物燃烧器中空气与燃料气体及燃烧气体的流动的作用状态图；

图4a是表示图1中燃料喷嘴与扩散器(diffuser)之间气体流动的示意图；

图4b是表示图1中燃料喷嘴与扩散器之间存在端差时气体流动的示意图；

图5是表示依据本发明第1实施例的复合型低氮氧化物燃烧器的流动的概念图；

图6是表示依据本发明第2实施例的复合型低氮氧化物燃烧器安装在燃烧室状态的侧截面图；

图7是将图6中导管端部的一部分截断显示的立体图；

图8是表示依据本发明第2实施例的复合型低氮氧化物燃烧器的流动的概念图。

具体实施方式

下面，将参照附图对本发明的优选实施例进行详细说明。在这里，需要注意，附图中相同的构成要素尽量用相同符号标示。另外，对于可能模糊本发明要点的公知功能及构成，这里就不再进行详细说明。基于同样的原因，对附图中的一部分构成要素进行了夸张或者省略或者概略图示。

在本说明书中提到的燃烧室一侧插入有导管，用于供给燃料和空气。在燃烧室的另一侧配置有排气管，可以排出燃烧的燃烧气体。但是，排气管及其周边构造物并非本发明的主要核心，因此这里就不将其通过附图标示或者进行说明。

本说明书中提到的导管及燃烧器省略了对附加构成要素的图示或者说明，可以通过概念性的截面图表现。但是，这只是为了方便对本发明进行说明和理解而进行省略，依据实施例的导管及燃烧器的结构或者连接关系不能仅限定于示出的附图和说明。

图1是表示依据本发明第1实施例的复合型低氮氧化物燃烧器安装在燃烧室状态的侧截面图，图2是将图1中导管端部的一部分截断显示的立体图。如图所示，依据本发明第1实施例的复合型低氮氧化物燃烧器100，包括：导管110，其插入到燃烧室FR的燃烧器安装孔HL内，通过安装板MP进行固定设置，向由壁体WL包覆的燃烧室FR引导空气；侧颈部111，其直径比导管110的直径小，位于导管110的前端；燃料供给管120，其配置在导管110内部，用于供给燃料；扩散器(diffuser)130，其与燃料供给管120的前端结合，确保扩散器130的外周从导管110的内壁间隔开设置，并使通过导管110引导的空气扩散；以及多个燃料喷射管140，其与燃料供给管120的前端以放射状结合，将通过燃料供给管120供给的燃料向着通过导管110内壁与扩散器130外周之间的空气喷射。

另外，所述复合型低氮氧化物燃烧器，配置有燃料喷孔150，其在导管110端部至少配置一个，呈向燃烧室喷射燃料而形成分割火焰的管状，在外周沿的一个区域设置有用于使燃烧气体流入的第1气体流入口151。在第1气体流入口151的燃烧室外侧方向后方处在导管外周沿设置有第2气体流入口112，其使与导管110内部的空气混合的燃烧气体流入。另外，还包括：送风机115，其与导管110结合，将外部空气强制地向导管110内部供给。

侧颈部111朝向从扩散器130突出的燃料供给管120的突出部124以具有平缓倾斜度的方式弯曲形成。由此，从位于扩散器130外周沿与侧颈部111之间的间隔d1处的供气通道161向扩散器130的空气通道变窄，可以提高空气的流动速度。通过供气通道161向扩散器130供给空气，在这种情况下，通过燃料喷射管140喷射燃料，并形成火焰。

导管110的端部形成有直径比中间部分114扩张的直径扩张部116，该中间部分114上配置有燃料喷孔150的后述的第1喷孔管。在第2气体流入口112上向空气的流动方向倾斜地配置有燃烧气体引导部113，使燃烧室的燃烧气体向导管110的中间部分114内侧再循环。优选地，燃烧气体引导部113形成为出口侧直径比入口侧直径小的喷嘴形态，使燃烧气体可以向导管110内部流入。

在燃料供给管120内部配置有中央空气喷射管121，其将外部空气从燃料供给管120前端沿燃料供给管120的轴向S喷射。通过该中央空气喷射管121，喷射出的空气使火焰的直径变大，从而防止火焰集中在火焰中心部。由此，防止火焰中心部的温度过度升高，从而减少热力型氮氧化物的产生量。经由中央空气喷射管121的空气通过设置在扩散器130中央的空气喷射口向燃烧室FR内部喷射，优选地，空气喷射口设置成比中央空气喷射管121的内径小。如图5的流动解释图所示，也可以将中央空气喷射管121移除。

扩散器130呈圆盘状(磁盘型)，包括：多个空气孔131，其将通过供气通道161供给的空气向燃烧室FR喷射。设置空气孔131的目的在于，当向火焰中心部供给空气或者根据燃烧器容量的增加而增大扩散器130的直径时，为了提高在扩散器130处形成的火焰的保焰性，而形成辅助火焰。通过空气孔131与燃料喷射管140的喷嘴保持一定的角度进行排列，从空气孔131排出的空气量和压力对扩散器130整体具有均匀性，当其与从喷嘴喷射的燃料混合时，燃料与空气的混合比也可以达到均匀状态。

燃料喷射管140配备有燃料喷嘴141，燃料喷嘴141在燃料供给管120的末端呈放射状配置，沿着与通过供气通道161供给的空气直交的方向喷射燃料。从燃料喷嘴141喷射的燃料与通过供气通道161排出的空气呈大致接近90度的角度交叉。由此，燃料在喷射的同时与通过供气通道161供给的空气急速混合后，形成火焰，在通过侧颈部111向燃烧室FR的径向中心部引导的空气作用下，可以形成向中心部集中的火焰。在这种情况下，火焰向中心部集中后，分散并形成窄颈状的区域，随着所述区域的宽度变窄压力降低，燃烧气体被引向窄颈状的区域，从而使燃烧气体自我再循环。

在第1实施例中，如图4a所示，燃料喷射管140的径向末端和扩散器130的外周沿处于相同的位置。但是，如图4b所示，为了使从燃料喷射管140喷射的燃料与通过供气通道161供给的空气迅速混合，可以在燃料喷射管140的末端与扩散器130的盘边缘之间设置高低差(gap，d2)。高低差(gap，d2)的长度可设定成燃料喷射管140喷嘴直径的0.1％～50％。

如果燃料喷射管140的末端比扩散器130的外周端小，通过供气通道161排出的空气就可以在扩散器130的外周端处产生涡流，在涡流的作用下，空气与燃料就能够更加迅速地混合。下面，将参照图4a及图4b对其进行更加详细地说明。

图4a表示了燃料喷射管140的长度与扩散器130外周端相等的情况，图4b表示了燃料喷射管140的长度不能达到扩散器130外周端的情况。在图4a中，从供气通道161向燃烧室排出的空气具有直行性，因此在燃料喷射管140的末端未形成涡流，而是流动有直行性气流。相反，通过图4b可以看出，扩散器130的外周端与燃料喷射管140的末端形成端差d2，从供气通道161向燃烧室流动的空气向产生端差的区域扩散，并形成涡流。由此，从燃料喷射管140喷射的燃料可以与通过供气通道161供给的空气迅速混合。图4b中扩散器130的结构利用涡流使燃料与空气迅速混合，从而提高燃料的燃烧效率。

根据上述过程，燃料与空气迅速混合并燃烧，形成窄颈状的火焰，燃烧气体S3被引向窄颈状的区域S1，之后，燃烧气体S3通过第1气体流入口151及第2气体流入口112进行再循环P1、P2，由此在降低燃烧气体温度的同时向燃料过剩状态的区域S2供给，从而控制热力型氮氧化物及快速型氮氧化物(参照图5)。

燃料喷孔150，包括：第1喷孔管152，其在燃料供给管120处分岔，从导管110的中间部分112处向外侧贯通并延长；第2喷孔管153，其与第1喷孔管152隔开配置，形成第1气体流入口151，在直径扩张部116处向导管110的内侧贯通并插入，形成分割火焰。为了向第2喷孔管153喷射燃料，在第1喷孔管152的端部配备有直径缩小的喷射连接部154。第2喷孔管153的第1气体流入口151侧的端部朝向第1喷孔管152形成有直径扩张的直径扩张部153a。

在本发明的第1实施例中，通过第1气体流入口151和第2气体流入口112并适用气体分级方式使在燃烧头5处生成的主火焰温度降低，由此降低主火焰与分割火焰的温度，即整体“火焰组(Flame group)”的温度，从而可以控制热力型氮氧化物。下面，将对通过把气体分级方式与IFGR结合以降低火焰组温度的内容进行说明。

图3是表示依据本发明第1实施例的复合型低氮氧化物燃烧器中空气与燃料气体及燃烧气体流动的作用状态图，图5作为表示依据本发明第1实施例的复合型低氮氧化物燃烧器的流动的概念图，表示了扩散器中在设置有燃料喷孔的部分长度方向的流动的概念图。

如图3所示，通过中央空气喷射管121形成空气流A1，向着燃烧室FR的中心部流动，通过燃料供给管120形成燃料气流B1，并在燃料喷射管140处喷射，形成主火焰。同时，通过在燃料供给管120处分岔的燃料喷孔150形成辅助性的燃料气流B2，并通过燃料喷射形成分割火焰。在这种情况下，随着送风机115的运转，通过导管110的空气流C1借助于通过第2气体流入口112循环燃烧室FR的燃烧气体的燃烧气流P2向导管110流入，形成空气及燃烧气流C1+P2，生成主火焰。通过燃气喷孔150的第1喷孔管152的空气流B2借助于通过第1气体流入口151循环燃烧室FR的燃烧气体的燃烧气流P1向燃料喷孔150的第2喷孔管153流入，形成燃料及燃烧气流B2+P1，生成分割火焰。

通过扩散器130生成的主火焰和在燃料喷孔150处生成的分割火焰可以形成一个“火焰组”。由扩散器130与燃料喷孔150形成的火焰组使燃烧室FR内部的火焰表面积增加，促进燃烧室FR传热面吸收辐射热，从而可以降低火焰组的温度。另外，依靠从燃料喷孔150高速喷射的燃料可以降低分割火焰周边的压力。因此，在燃烧室FR经过1次燃烧的燃烧气体S3被引向压力较低的扩散器130及燃料喷孔150周边，这样可以引导燃烧气体S3在燃烧室FR内部自我再循环。当燃烧气体S3在燃烧室FR内沿燃料喷孔150方向自我再循环时，燃料喷孔150就引导燃烧气体S3的一部分向燃料喷孔150内流入，由此可以降低从燃料喷孔150喷射燃料的发热量，这样能够有效降低火焰组整体的温度。

燃料喷孔150分为第1喷孔管152和第2喷孔管153，在燃料从第1喷孔管152向第2喷孔153喷射时产生的喷射压力作用下，第1气体流入口151周边的压力下降，燃烧气体S3就被引导向具有较低压力的第1气体流入口151流入。即，当高压的燃料从第2喷孔管的燃料喷射口喷射时，燃料喷射口周边，例如，第1气体流入口151或者其周边的压力就会比燃料喷射口的喷射压力低。在这种压力差的作用下，燃烧气体S3从燃烧室FR内部向第1气体流入口151移动，随着燃烧气体S3移动，燃烧气体S3就可以在燃烧室FR内部实现自我再循环(Self-Recirculation)。

随着燃烧气体S3被引导向第1气体流入口151流动，从第2喷孔管153的燃料喷射口喷射的燃料即为“燃料+燃烧气体S3”的混合物，并且随着燃烧气体替代空气流入第2喷孔管153，与空气和燃料接触时相比，燃料的燃烧效率下降，这样可以降低在燃料喷孔150处生成的分割火焰的温度。如果分割火焰的温度降低，从扩散器130与燃料喷孔150喷射的火焰组的温度就会降低，这样就可以减少在火焰组处生成的热力型氮氧化物。

另外，通过扩散器130喷射的燃料及空气也在经由第2气体流入口112流入的燃烧气体作用下使燃烧室FR内部的火焰表面积增加，由此促进燃烧室FR传热面吸收辐射热，从而可以降低火焰组的温度。即，在燃烧室FR经过1次燃烧的燃烧气体S3被引向压力较低的扩散器130及燃料喷孔150周边，之后通过第2气体流入口112流入导管110内部，从而可以诱导燃烧气体S3的自我再循环。当燃烧气体S3在燃烧室FR内沿燃料喷孔150方向自我再循环时，燃烧气体S3的一部分通过第2气体流入口112流入导管110内部，由此相对降低空气量，从而可以降低火焰组整体的温度。

当从送风机115供给的空气向导管110的燃烧气体引导部113流动时，在流动空气压力作用下，第2气体流入口112周边的压力会降低，燃烧气体S3被引导向具有较低压力的第2气体流入口112流入，随着燃烧气体S3移动，就可以提高燃烧气体S3在燃烧室FR内部的自我再循环(Self-Recirculation)能力。

随着燃烧气体S3被引导向第2气体流入口112，导管110内的空气形成“空气+燃烧气体S3”的混合物，并且随着空气量的减少燃料的燃烧效率下降，这样可以降低在燃料喷孔150处生成的主火焰的温度。如果主火焰的温度降低，从扩散器130和燃料喷孔150喷射的火焰组的温度就会降低，这样就能够进一步减少在火焰组处生成的热力型氮氧化物。

图6是表示依据本发明第2实施例的复合型低氮氧化物燃烧器200安装在燃烧室状态的侧截面图，图7是将图6中导管端部的一部分截断显示的立体图，图8是表示依据本发明第2实施例的复合型低氮氧化物燃烧器的流动概念图。

在第2实施例的复合型低氮氧化物燃烧器200中，燃料喷孔250包括：第1喷孔管252，其在燃料供给管220处分岔，并向导管210的外侧延长；第2喷孔管253，其与第1喷孔管252隔开配置，形成使燃烧气流P1实现再循环的第1气体流入口251，配置在导管210的外侧，形成分割火焰。

在导管外周沿设置有第2气体流入口212，该第2气体流入口212位于第1气体流入口251的燃烧室外侧方向后方，该第2气体流入口212为了使与导管210内部的空气混合的燃烧气体流入而形成再循环的燃烧气流P2。

第2实施例的导管210、送风机215、燃料供给管220、中央空气喷射管221、扩散器230、燃料喷射管240等的剩余结构及其作用和效果与第1实施例类似或相同，因此这里就不再对其进行详细说明。

另外，本说明书和附图中列举的本发明实施例不过是为了方便对本发明的技术内容进行说明和有助于对本发明的理解而列举的特定示例，其目的并非为了限定本发明的范围。毫无疑问，对于具有本发明所属技术领域一般知识的技术人员来说，除了以上列举的实施例之外，还可以基于本发明的技术思想实施其它的变形例。

附图标记说明

100、200：复合型低氮氧化物燃烧器

110：导管 111：侧颈部

112：第2气体流入口 113：燃烧气体引导部

120：燃料供给管 121：中央空气喷射管

140：燃料喷射管 141：燃料喷嘴

150：燃料喷孔 151：第1气体流入口

152：第1喷孔管 153：第2喷孔管

161：供气通道

FR：燃烧室 HL：燃烧器安装孔

MP：安装板

Claims (6)

1.一种复合型低氮氧化物燃烧器，其为在燃烧室的燃烧器安装孔设置的复合型低氮氧化物燃烧器，其特征在于，包括：导管，其插入于所述燃烧器安装孔内，导管的前端暴露于燃烧室，并将空气引向燃烧室；以及

燃料喷孔，其在导管端部至少配置一个，燃料喷孔呈向燃烧室喷射燃料而形成分割火焰的管状，在燃料喷孔外周沿的一个区域设置有用于使燃烧气体流入的第1气体流入口，

在导管外周沿设置有使与导管内部的空气混合的燃烧气体流入的第2气体流入口，该第2气体流入口位于所述第1气体流入口的后方。

2.根据权利要求1所述的复合型低氮氧化物燃烧器，其特征在于：

在所述第2气体流入口沿空气流方向倾斜地设置有燃烧气体引导部。

3.根据权利要求1所述的复合型低氮氧化物燃烧器，其特征在于：

所述燃料喷孔，包括：

第1喷孔管，其在燃料供给管处分岔，向所述导管外侧延长；以及

第2喷孔管，其与所述第1喷孔管隔开配置，形成所述第1气体流入口，向所述导管内侧插入，形成分割火焰。

4.根据权利要求1所述的复合型低氮氧化物燃烧器，其特征在于：

所述燃料喷孔，包括：

第1喷孔管，其在燃料供给管处分岔，向所述导管外侧延长；以及

第2喷孔管，其与所述第1喷孔管隔开配置，形成所述第1气体流入口，配置在所述导管外侧，形成分割火焰。

5.根据权利要求3或4所述的复合型低氮氧化物燃烧器，其特征在于：

在所述第1喷孔管的端部配置有直径缩小的喷射连接部，以朝所述第2喷孔管喷射燃料。

6.根据权利要求3或4所述的复合型低氮氧化物燃烧器，其特征在于：

所述第2喷孔管的第1气体流入口侧端部朝向所述第1喷孔管形成有直径扩张的直径扩张部。