CN109373316A - 一种供暖天然气热水锅炉用低氮燃烧器 - Google Patents

一种供暖天然气热水锅炉用低氮燃烧器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种供暖天然气热水锅炉用低氮燃烧器，炉膛端部中心连接有一次风道，一次风道中心处设有主燃料管道，主燃料管道端部连接有一级燃烧喷头，另一端为主燃料进口，一次风道周向具有一次风进口；炉膛进口处布置有二次风道，二次风道包括若干个环形均布布置的二级燃料管道，二级燃料管道端部连接有二级燃烧喷头；一级燃烧管道上布置有一次风旋流器，二级燃料管道上布置有二次风旋流器，一次风旋流器与二次风旋流器叶片方向相反布置。本发明维护拆装方便，采用燃料分级技术，能很好的抑制热力型NOX的生成和部分NOX还原，通过空气分段供给，既保证火焰稳定和燃料的燃尽，同时有效防止脱火，降低火焰高温区域燃烧温度，实现超低NOX排放。

Description

一种供暖天然气热水锅炉用低氮燃烧器
技术领域
本发明涉及供暖用天然气锅炉设备技术领域，尤其涉及一种供暖天然气热水锅炉用低氮燃烧器。
背景技术
燃烧器是将燃料与空气合理混合，使燃料稳定着火和完全燃烧的设备。在我国，供暖行业曾普遍使用燃煤锅炉及与燃煤相关的燃烧器，其效率低下、污染严重，导致了北方冬季雾霾频发等严重的环境问题。随着国家对环保的重视，各地出台了更严格的排放限定。近年来，作为一种清洁能源，天然气在能源消费中的比例不断提升。据统计，2017年全国天然气消费量达2373亿立方米，同比增长15.3％。根据国家能源发展规划，天然气作为清洁能源在我国能源消费中的比例仍将不断提升，未来燃气锅炉应用将稳步增长。
作为一种清洁能源，天然气燃烧的主要污染物为NOX。燃烧过程NOX的形成机理主要包括：热力型NOX、燃料型NOX和快速型NOX。其中快速型NOX是当燃料燃烧不完全时，燃料中所含有的碳氢离子与空气中的氮气以极快的速度反应而生成的生成NOX，此类反应与温度的关系不大，该类型氮氧化物在排放总的氮氧化物中占比较低，约占3％。事实上，任何能够抑制热力型NOX的方法都可以同时抑制快速型NOX。燃料型NOX是燃料本身所含有的氮元素被氧化而形成的NOX。热力型NOX是空气中的氮气和氧气在高温高于1500K以上的区域反应而生成的NOX，与温度有很大的关系，实验发现，1800℃时的平衡浓度比1000℃的平衡浓度将上升10倍。平衡浓度越高，NOX的生成几率就越大。由于天然气成分几乎全部为甲烷，其中几乎不含有氮元素，因此不需要考虑燃料型NOX的生成，天然气燃烧污染物中只考虑热力型和快速型NOX生成。其中热力型NOX约占90％，快速性NOX约占10％。研究表明：控制燃烧温度、形成还原性氛围是天然气燃烧降低NOX产生的主要方向。
当前，天然气锅炉降低NOX排放的主要途径包括：燃烧器低氮燃烧改造、炉膛改造和烟气处理等。燃烧器改造对老旧锅炉有很好的适应性，但能实现高效稳定燃烧的同时又能实现超低NOX排放的燃烧器，价格普遍比较昂贵，结构相对复杂，且不宜维修。目前国内外已经采用了一些新型低NOX燃烧器，其NOX抑制原理主要是采用促进混合、分割火焰、烟气再循环、阶段燃烧、浓淡燃烧以及它们的组合形式；炉膛改造可以极大的改善火焰的传热性能，增加烟气回流量，但其改造难度较高，适合新建锅炉，对老旧小区的老旧供暖设备存在很大局限性。烟气处理包括选择性非催化还原法和选择性催化还原法。选择性非催化还原法不使用催化剂，目前常采用的还原剂为氨和尿素，脱除NOX率在50％左右，但由于在高温烟气中喷入氨和尿素，由于负荷的变化会引起烟气温度的波动。选择性催化还原法要使用催化剂，脱除NOX率能够达到80％～90％，但存在催化剂中毒、沉积和冲蚀的风险。综上所述，燃烧器低氮燃烧改造对降低天然气燃烧物污染意义重大，开发新一代用于小区供暖超低排NOX放天然气燃烧器迫在眉睫。目前，有关天然气燃烧器专利，普遍只运用了一种或两种新型燃烧技术，NOX排放还有下降的空间，且在降低NOX低排放的同时，可能会引起混合不匀、燃烧不充分等问题。当前，很少有同时兼具几种燃烧技术燃烧器，特别是空气分级燃烧，燃煤锅炉运用相对较多，燃气锅炉中应用则较少。
中国专利CN206320749U号所公开了“超低NOX排放蓝火焰圆形气体燃烧器”专利，包括燃烧器筒体、火盆砖、冷却体、长明灯、8～20组燃气枪、燃料分配管、调分阀等部件。燃料通过燃料管道分成两级进行燃烧，其中主燃料占比25％～30％，每一级燃烧包括8～20组燃气枪组成的环形阵列。它的基本原理是：利用了燃料分级燃烧技术，通过再燃烧来还原一部分NOX；燃料浓淡组合使生产的NOX始终在一个比较低的水平；其中一级燃烧的中心区域还设置有冷却体，更进一步降低了火焰中心的温度。综合以上技术，其排放性能从现有80～100mg/m3降低至30～50mg/m3。但是在上述方案中，再燃区域可能会出现不完全燃尽、点火难、火焰不稳定等问题。同时，仍然存在约40～50mg/m3的排放浓度，NOX的排放水平仍具有下降的技术空间。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为了克服现有技术之不足，本发明提供一种使用燃料分级技术，能很好的抑制热力型NOX的生成和部分NOX还原，通过空气分段供给技术，既保证火焰稳定和燃料的燃尽，同时有效防止脱火，降低火焰高温区域温度，且维护拆装方便的一种供暖天然气热水锅炉用低氮燃烧器。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种供暖天然气热水锅炉用低氮燃烧器，包括炉膛、一二次风道、燃料进口管道等部件组成，所述的炉膛端部中心连接有一次风道，所述一次风道中心处布置与一次风道同轴的主燃料管道，所述主燃料管道靠近炉膛侧端部连接布置一级燃烧喷头，另一端为主燃料进口，所述一次风道周向配置向一次风道内通入空气的一次风进口；所述的炉膛上环绕一次风道周向布置有环形二次风道，二次风道中环形均布配置若干个二级燃料管道，所述二级燃料管道对应炉膛的端部连接有二级燃烧喷头；所述的主燃料管道上对应一级燃烧喷头处环绕配置一次风旋流器，二级燃料管道上对应二级燃烧喷头处环绕分布二次风旋流器，所述一次风旋流器、二次风旋流器叶片方向相反布置。
进一步的，一次风道一端与炉膛固定连接，另一端通过端盖紧固螺栓与端盖连接，所述一级燃烧管道尾端伸出端盖。端盖与一次风道通过端盖紧固螺栓进行固定，拆卸安装方便，燃烧器发生故障时，可打开端盖进行维修，维护方便。
进一步的，所述的二次风道通过风道紧固螺栓及垫圈固定于炉膛进口端面。
进一步的，一次风旋流器叶片相对于主燃料管道径向截面的偏转角度为45°，二次风旋流器叶片相对于二级燃料管道径向截面的偏转角度为-45°。
更进一步的，主燃料管道内壁半径为R0，一次风旋流器叶片半径R1＝4R0；所述的二级燃料管道内壁半径为R2，二次风旋流器叶片半径R3＝3R2。
进一步的，二级燃烧喷头为为渐缩形的锥形结构，使出口速度场分布更加均匀，增加喷头边缘处的速度梯度，能有效的防止回火。
在本方案中，实现了燃料分级燃烧，其中主燃料在高空气系数的条件下实现贫燃料燃烧，燃烧温度相对降低，使得热力型NOX生成量维持在相对较低的水平。在二级燃料燃烧的再燃区，一方面，富燃料燃烧，平均燃烧温度也不会太高，从而抑制了热力型NOX的生成；另一方面，在富燃料状态下形成很强的还原性气氛，CN、HCN、NH、NH3等自由基分解物使得在一级燃烧区生成的NOX在二级燃烧区内被大量地还原。
一次风为旋流设计，一方面，在强旋流的空气作用下，加速了燃气与空气的混合，增加了混合的均匀性，从而促进了燃烧反应，防止了火焰局部高温的产生，使火焰温度更加均匀，并保持的较低的平均温度。另一方面，在空气强旋流的作用下，燃烧器出口形成回流区，促进烟气自身循环，不仅起到稳定火焰和加速燃烧的作用，同时降低燃烧区温度和氧气浓度。
补充的二次风，有利于二级燃料的着火、稳定燃烧，减小在高温区停留时间，保证燃料能够燃尽；同时，二次风也是旋流形式布置。且方向和一次风的方向相反，这样可以促使二级燃料燃烧时的烟气回流，让二级燃烧具有更低的温度，而且有利于与主燃料产生的烟气充分混合扰动，卷吸主燃烧产生的烟气用于二级燃烧，实现还原性气氛下的部分NOX还原。
本发明的有益效果是，本发明提供的一种供暖天然气热水锅炉用低氮燃烧器，维护拆装方便，采用燃料分级技术，能很好的抑制热力型NOX的生成和部分NOX还原，增加了空气分段供给，同时保证火焰稳定和燃料的燃尽，有效防止脱火、降低火焰高温区域温度，实现超低NOX排放。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明最优实施例的结构示意图。
图2是图1的左视图。
图3是本发明最优实施例中一次风旋流器的局部放大图。
图4是本发明最优实施例中一次风旋流器的俯视图。
图5是本发明最优实施例中二次风旋流器的局部放大图。
图6是本发明最优实施例中二次风旋流器的俯视图。
图中1、主燃料进口 2、端盖紧固螺栓 3、端盖 4、一次风进口 5、二次风进口 6、二级燃料管道 7、风道紧固螺栓 8、垫圈 9、炉膛 10、二级燃烧喷头 11、二次风旋流器 12、一级燃烧喷头 13、一次风旋流器 14、二次风道 15、主燃料管道 16、一次风道。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1至图6所示的一种供暖天然气热水锅炉用低氮燃烧器，是本发明最优实施例，包括炉膛9。炉膛9中心部连接有一次风道16。所述一次风道16中心处设有与一次风道16同轴的主燃料管道15，所述一级燃烧管道靠近炉膛9侧端部连接有一级燃烧喷头12、另一端为主燃料进口1，所述一次风道16周向具有向一次风道16内通入空气的一次风进口4。一次风道16一端与炉膛9连接，另一端通过端盖紧固螺栓2固定有端盖3，所述主燃料管道尾端伸出端盖3。端盖3与一次风道16通过端盖紧固螺栓2进行固定，拆卸安装方便，发生故障时，可打开端盖3进行维修，维护方便。
炉膛9上环绕一次风道周向布置有二次风道14，通过风道紧固螺栓7与炉膛9固定，且二次风道14与炉膛9之间具有垫圈8。二次风道14为环形结构，所述二次风道14中环形均布8个二级燃料管道。所述二级燃料管道对应炉膛9的端部连接有二级燃烧喷头10；所述的主燃料管道上对应一级燃烧喷头12处环绕布置一次风旋流器13，二级燃料管道上对应二级燃烧喷头10处环绕布置二次风旋流器11，所述一次风旋流器13与二次风旋流器11叶片方向相反布置。
一次风旋流器13叶片相对于主燃料管道径向截面的偏转角度为45°，二次风旋流器11叶片相对于二级燃料管道径向截面的偏转角度为-45°。一次风旋流器13叶片通过间隙配合装配在主燃料管道上。旋流器包括旋流叶片和中心通道，在实际设计中，中心通道即为对应的燃料管道。一次风以旋流的形式和主燃料进行配风燃烧。二次风旋流器11叶片通过间隙配合装配在二级燃料管道上。二次风以旋流的形式和二级燃料进行配风燃烧。
主燃料管道15内壁半径为R0，一次风旋流器13叶片半径R1＝4R0；所述的二级燃料管道6内壁半径为R2，二次风旋流器11叶片半径R3＝3R2。一次风道16半径为R4，一次风旋流器13叶片半径R1略微小于一次风道16半径为R4。主燃料管道15穿过一次风旋流器13的中心通道将旋流器固定在主燃料管道15上、一次风道16之中。二次风道14为环形结构，宽度为d0，二次风旋流器叶片直径略微小于二次风道宽度d0，使其能安装在二次风流道14之中。
二级燃料管道6穿过二次风旋流器11的中心通道将旋流器固定在二级燃料管道6上、二次风道14之中。二次风以反向旋流的形式实现与一级燃烧产生的烟气以及二次燃料混合。
进一步的，二级燃烧喷头10为渐缩形的锥形结构，使出口速度场分布更加均匀，增加喷头边缘速度梯度，有效防止回火。
在实际设计中，一次风进口4与一次风道16、二次风进口5与二次风道14，可设计为具有拐角的L型风道。L型风道的拐角角度可优选为30°～45°。L型风道的拐角，既可以方便外部管道的接入，还可以降低风机需要克服的风道阻力，同时还利用空气形成规则气流，有利于火焰的稳定。一次风经过L型风道的拐角后，进入一次风道16。二次风经过L型风道的的拐角后，进入二次风道14。二次风道14将穿过炉膛9耐火砖，到达炉膛9。燃烧器外侧设置8根二级燃料管道6，二级燃料管道6首先穿过燃烧器外壳，进入二级风道14后形成的拐角，继续沿二次风道14一起穿过炉膛9耐火砖进入炉膛9。
采用上述结构设计的燃烧器，结合了旋流配风、空气分段供给、燃料分级燃烧，小火焰燃烧等技术。具有如下燃烧步骤：
步骤1，启动燃烧器，占比约为25％～30％的天然气通过主燃料进口1进入主燃料管道15；占比为60％～70％助燃空气通过一次风进口4，进入一次风道16；剩下的天然气进入8根二级燃料管道6；剩下的助燃空气通过二次风进口5进入二次风道14。
步骤2，主燃料通过一级燃烧喷头12进入火道；一次风流过一次风旋流器13，产生旋转运动，除了有轴向和径向分速度外，还有切向分速度。旋流空气进入火道后和主燃料发生混合，在强旋流气流的作用下，加速了燃气与空气的混合，增加了混合均匀性，从而促进了燃烧反应，防止了火焰局部高温，使火焰平均温度降低。在空气强旋流的作用下，火道出口产生回流区，形成烟气自身循环，它不仅稳定火焰和加速燃烧反应作用，同时也起到降低燃烧区温度的作用，防止火焰局部高温的产生。使火焰具有更加均匀的温度水平，从而抑制了NOX的生成。
步骤3，二级燃料通过二级燃烧喷头10进入炉膛9配风燃烧，形成8个小火焰体，因为火焰体积较小，而散热面积大，导致燃烧温度降低和烟气在高温区停留时间缩短，抑制了NOX的生成。二次风旋流器11的旋流叶片角度与一次风旋流器13相反，二次风通过二次风旋流器11后形成旋转角度相反的二次旋流风，与进入炉膛9与二级燃料实现配风燃烧。在强旋流空气的作用下，不仅有助于形成烟气自身循环，起到稳定火焰和加速燃烧反应作用，同时也起到降低燃烧区温度和氧气浓度的作用，从而抑制了NOX的生成，同时有助于产生还原性分解物。同时，相反的旋流二次风会卷吸大量一级燃烧产生的烟气。烟气不仅进一步降低了二级燃烧高温区的温度、进一步降低了燃区的氧浓度。同时，二级燃烧在燃料过浓时在生成的CN、HCN、NH、NH3等分解物使得在一级燃烧区生成的NOX在二级燃烧区内被大量地还原。
经过上述燃烧步骤，实现燃料分级燃烧，供暖天然气热水锅炉用低氮燃烧器可以实现超低NOX排放，使NOX排放低于40mg/m3。
其中一级燃烧在高空气系数的条件下实现贫燃料燃烧，燃烧温度相对降低，使得热力型NOX生成量维持在一个比较低的水平。在二级燃料燃烧的再燃区，一方面，富燃料燃烧，燃烧温度也不会太高，抑制了热力型NOX的生成；另一方面，在富燃料状态下形成很强的还原性气氛，CN、HCN、NH、NH3等自由基分解物使得在一级燃烧区生成的NOX在二级燃烧区内被大量地还原。
一次风为旋流设计，一方面，在强旋流的空气作用下，加速了燃气与空气的混合，增加了混合的均匀性，从而促进了燃烧反应，防止了火焰局部高温的产生、使火焰具有均匀的较低的温度水平；另一方面，在空气强旋流的作用下，燃烧器出口产生回流区，形成烟气自身循环，它不仅起到稳定火焰和加速燃烧的作用，同时也起到降低燃烧区温度和氧气浓度的作用。
补充的二次风，有利于二级燃料的着火、稳定燃烧，减小在高温区的停留时间，保证燃料能够燃尽；同时，二次风也是旋流形式布置，且方向和一次风的方向相反，不但可以促使二级燃料燃烧时的烟气回流，让二级燃烧具有更低的温度，同时有利于与主燃料产生的烟气充分混合扰动，卷吸主燃烧产生的烟气用于二级燃烧，实现还原性气氛下的部分NOX还原。
二级燃料通过8根燃料管道和8组二级燃烧喷头10在炉膛9燃烧，相当于将二级燃烧的火焰分割成8组分火焰，由于火焰体积小，散热面积大，燃烧温度降低和烟气在高温区停留时间将缩短，抑制了NOX的生成。二级燃烧喷头10为渐缩形，使出口速度场分布更加均匀，增加喷头边缘速度梯度，能有效的防止回火。
如此设计的一种供暖天然气热水锅炉用低氮燃烧器，维护拆装方便，采用燃料分级技术，能很好的抑制热力型NOX的生成和实现部分NOX还原，增加了空气分段供给，同时保证火焰稳定和燃料的燃尽，有效防止脱火、降低火焰高温区域温度，实现超低NOX排放，使NOX排放小于40mg/m3，实现了排放浓度下降，实现了降低现有技术中在40～50mg/m3这一区间的排放浓度。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (6)

1.一种供暖天然气热水锅炉用低氮燃烧器，包括炉膛，其特征在于：所述的炉膛中心部连接有一次风道，所述一次风道中心处设有与一次风道同轴的主燃料管道，所述主燃料管道靠近炉膛侧端部连接有一级燃烧喷头，另一端为主燃料进口，所述一次风道周向布置向一次风道内通入空气的一次风进口；所述的炉膛上环绕一次风道周向环形均配置若干个二次风道，所述二次风道中心处设有与二次风道同轴的二级燃料管道，所述二级燃料管道对应炉膛的端部连接有二级燃烧喷头；所述的主燃料管道上对应一级燃烧喷头处环绕布置一次风旋流器，二级燃料管道上对应二级燃烧喷头处环绕布置二次风旋流器，所述一风旋流器、二次风旋流器叶片方向相反布置。
2.如权利要求1所述的一种供暖天然气热水锅炉用低氮燃烧器，其特征在于：所述的一次风道一端与炉膛端面固定连接，另一端通过端盖紧固螺栓与一次风道通过端盖连接，所述一级燃烧管道尾端伸出端盖。
3.如权利要求1所述的一种供暖天然气热水锅炉用低氮燃烧器，其特征在于：所述的二次风道通过风道紧固螺栓及垫圈固定于炉膛进口端面。
4.如权利要求1所述的一种供暖天然气热水锅炉用低氮燃烧器，其特征在于：所述的一次风旋流器叶片相对于主燃料管道径向截面的偏转角度为45°，二次风旋流器叶片相对于二级燃料管道径向截面的偏转角度为-45°。
5.如权利要求4所述的一种供暖天然气热水锅炉用低氮燃烧器，其特征在于：所述的主燃料管道内壁半径为R0，一次风旋流器叶片半径R1＝4R0；所述的二级燃料管道内壁半径为R2，二次风旋流器叶片半径R3＝3R2。
6.如权利要求1所述的一种供暖天然气热水锅炉用低氮燃烧器，其特征在于：所述的二级燃烧喷头为锥形结构。
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