CN109442411B - 一种气体燃料的低氮燃烧器 - Google Patents

一种气体燃料的低氮燃烧器 Download PDF

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Abstract

一种气体燃料的低氮燃烧器,包括喷口、燃气枪组件和风箱,燃气枪组件包括燃气枪中心管和若干燃气喷枪。喷口内布置有环形稳焰盘、烟气回流室和环形风道。烟气回流室设置在燃气枪中心管和燃气喷枪之间,包括内筒和外筒。环形稳焰盘为环形薄片,设置在燃气枪中心管的前端且与内筒前部内壁面连接。环形风道环绕着设置在烟气回流室外侧,内设燃气喷枪。喷口出口端内壁面设置有烟气引射器,形成带喉部的空气流道;烟气引射器上倾斜着开设有连通孔引入烟气。烟气回流室与环形风道之间形成带喉部的空气通道,将环形稳焰盘附近的烟气吸入空气流。本发明具有将烟气吸入降低氧浓度或主燃烧区温度的自动调节功能,使得氮氧化物排放降低的同时燃烧稳定性好。

Description

一种气体燃料的低氮燃烧器
技术领域
本发明涉及一种气体燃料的低氮燃烧器,属于燃烧技术领域。
背景技术
气体燃料的燃烧器是一种燃烧气体燃料,提供热量或者热烟气的设备,广泛的使用在燃气锅炉、热风炉等燃烧设备中。气体燃料,如天然气、煤气、解析气、热解气等,其燃烧后的主要污染物是氮氧化物和二氧化硫。二氧化硫的生成主要决定于燃料中的含硫量,而氮氧化物的生成与燃烧器的设计密切相关。近些年来,我国对于燃烧设备的环保要求越来越严格,以燃气锅炉为例,北京市颁布了《锅炉大气污染物排放标准》(DB11/139-2015),要求新建锅炉大气污染物排放浓度不得高于30mg/Nm3(换算到3.5%的排烟O2浓度)。这对于气体燃料的燃烧器技术提出的新的挑战。
目前主流的非预混式低氮燃烧器技术在不投入烟气再循环技术的条件下,氮氧化物的原始排放一般在70~120mg/Nm3,使用了烟气再循环技术后,少数燃烧器的原始排放可达到小于30mg/Nm3的氮氧化物排放标准。但是,当使用了较高比例的烟气再循环之后,由于燃烧火焰温度降低,许多燃烧器出现了火焰不稳、震荡、熄火等问题,这给燃烧设备的运行带来了很大的危险。另外一些预混的燃烧技术,例如表面燃烧、多孔介质燃烧等,能够在保证稳定燃烧的前提下实现氮氧化物排放小于30mg/Nm3。然而,预混燃烧技术要求燃烧前燃料和空气已经完全混合,如果操作不当则可能发生爆炸,带来很大的安全隐患。另外一方面,工业生产中经常需要因地制宜,选择低热值燃气,例如煤气、工业合成气、解析气等作为燃料。由于这些低热值燃气的热值低、火焰温度低,低氮燃烧过程的稳定性出现了更大的问题。因此,市场上急需开发一种非预混式低氮燃烧技术,在保持稳定燃烧的前提下,实现氮氧化物排放小于30mg/Nm3。可以预期,若该技术问世,将具有很强的市场竞争力。同时,由于显著降低的氮氧化物的排放,该技术具有良好的环境效益。
发明内容
本发明旨在提供一种燃用气体燃料的低氮燃烧器,在保证燃烧稳定的前提下,实现氮氧化物排放小于30mg/Nm3,以满足日益严苛的环保标准。
本发明通过以下技术方案实现:
一种气体燃料的低氮燃烧器,能够穿过炉墙设置在炉膛内,所述燃烧器包括截面为环形的喷口、燃气枪组件和风箱,所述风箱与所述喷口连接,且所述风箱设置在所述炉墙外侧;所述喷口穿过所述炉墙伸入所述炉膛内,所述燃气枪组件设置在所述风箱与喷口中;所述燃气枪组件包括燃气枪中心管和若干环绕着连接在所述燃气枪中心管周围的燃气喷枪,所述燃气喷枪呈圆周均匀分布布置;所述喷口内布置有环形稳焰盘、烟气回流室和环形风道,所述烟气回流室设置在所述燃气枪中心管和所述燃气喷枪之间,所述环形风道环绕着设置在所述烟气回流室外侧,所述燃气喷枪设置在所述环形风道中。
上述技术方案中,所述环形风道包括同心设置的内圆管和外圆管以及连接所述内圆管和外圆管的环形前端面,所述燃气喷枪从所述环形风道的环形前端面穿出进入炉膛;所述外圆管外壁与所述喷口内壁之间形成空气流道,所述内圆管的内壁与所述烟气回流室外筒之间形成空气通道;所述环形风道的环形前端面开设有若干个小孔。
上述技术方案中,所述喷口出口端内壁面设置有烟气引射器,所述烟气引射器迎风侧壁面与所述喷口壁面之间夹角α为10~45°,且其背风侧壁面与所述喷口壁面之间夹角β为10~90°,使得所述喷口内壁和所述环形风道外壁之间形成带喉部的空气流道;所述烟气引射器上倾斜着开设有连通孔,所述连通孔开设在所述空气流道喉部并使得所述空气流道与所述喷口壁面外的炉膛连通;所述连通孔为圆柱形或矩形,其中心轴线倾斜角与所述烟气引射器迎风侧壁面和所述喷口壁面之间夹角α一致。
上述技术方案中,所述烟气回流室包括内筒和外筒;所述烟气回流室内筒末端向所述外筒方向折回形成折流壁,所述折流壁与所述内筒壁面线的夹角γ为10~45°;所述外筒外壁面末端设置有折流块,所述折流块靠近所述折流壁一侧与所述折流壁之间形成折流缝隙,所述折流块远离所述折流壁的另一侧与所述外筒壁面线夹角θ为10~45°,所述折流块与折流壁使得所述外筒与所述环形风道之间形成带喉部的空气通道,所述折流缝隙开口位于所述空气通道的喉部。
上述技术方案中,所述喷口内还布置有环形稳焰盘,环绕着设置在所述燃气枪中心管的前端。
上述技术方案中,所述环形稳焰盘为开设有若干小孔的环形薄片,与所述内筒前部内壁面连接,设置在所述烟气回流室与所述燃气枪中心管之间。
上述技术方案中,所述燃气喷枪的出口端端面开设有若干个燃气直喷孔和/或燃气横喷孔;所述燃气直喷孔和燃气横喷孔分别开设在所述燃气喷枪的出口端端面和所述燃气喷枪的出口端侧壁面。
上述技术方案中,所述燃气枪中心管出口端设置有若干个小孔。
上述技术方案中,所述燃气枪中心管出口端的小孔开设在所述燃气枪中心管出口端的前端面或侧壁面。
上述技术方案中,所述风箱为圆柱形壳体,设有布风板和进气口;所述布风板选用薄壁多孔结构,设置在所述风箱与所述喷口之间;所述进气口设置在所述风箱一侧。
上述技术方案中,所述环形稳焰盘上安装有点火枪和火焰检测器。
本发明具有以下优点及有益效果:1)使用烟气回流室与稳焰盘结合的新设计,能够有效提高助燃空气温度的同时降低助燃空气的氧浓度,从而有效抑制氮氧化物生成并保持燃烧的稳定性;2)采用烟气卷吸器的设计,通过卷吸外部烟气进入助燃空气,有效降低主燃烧区的温度,降低氮氧化物的排放;3)同时燃气喷枪燃料喷口方向不同,能够有效的增强值班火焰和主燃烧火炬之间火焰的连接,有效地保证燃烧的稳定性。
在以天然气为燃料时,在保证锅炉出力的情况下,不加外烟气再循环可将氮氧化物排放浓度控制在60mg/Nm3以下,配合外烟气再循环燃烧技术使用时,氮氧化物排放浓度可以控制在30mg/Nm3以下,同时保证燃烧的稳定性。
附图说明
图1为本发明所涉及的一种气体燃料的低氮燃烧器示意图。
图2为本发明所涉及的一种气体燃料的低氮燃烧器的烟气引射器示意图。
图3为本发明所涉及的一种气体燃料的低氮燃烧器的烟气回流室示意图。
图4为本发明所涉及的一种气体燃料的低氮燃烧器的燃气喷枪示意图。
图中:1-炉墙;2-烟气引射器;3-喷口;4-环形风道;5-烟气回流室;6-环形稳焰盘;7-点火枪;8-燃气枪中心管;9-火焰检测器;10-燃气喷枪;11-风箱;12-点火枪绝缘枪杆;13-点火枪电路;14-燃气枪法兰;15-火焰检测器电路;16-火焰检测器绝缘护管;17-布风板;18-燃气枪组件;19-进气口;20-燃气直喷孔;21-燃气横喷孔;22-内筒;23-外筒。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式及工作过程作进一步的说明。
本申请文件中的上、下、左、右、前和后等方位用语是基于附图所示的位置关系而建立的。附图不同,则相应的位置关系也有可能随之发生变化,故不能以此理解为对保护范围的限定。
一种气体燃料的低氮燃烧器,能够穿过炉墙1设置在炉膛内。如图1所示,燃烧器包括截面为环形的喷口3、燃气枪组件18和风箱11。风箱11与喷口3连接,且风箱11设置在炉墙1外侧;喷口3穿过炉墙1伸入炉膛内。燃气枪组件18设置在风箱11与喷口3的中心。燃气枪组件18包括燃气枪中心管8和若干燃气喷枪10,燃气喷枪10呈圆周均匀分布布置,环绕着连接在燃气枪中心管8周围。
风箱11为圆柱形壳体,设有布风板17和进气口19;布风板17选用薄壁多孔结构,设置在风箱11与喷口3之间;进气口19设置在风箱11一侧。空气从进气口19进入风箱11,然后通过布风板17均布进入喷口3。
喷口3内布置有环形稳焰盘6、烟气回流室5和环形风道4。烟气回流室5设置在燃气枪中心管8和燃气喷枪10之间。
如图2所示,喷口3出口端内壁面设置有烟气引射器2。烟气引射器2迎风侧壁面与喷口3壁面之间夹角α为10~45°,且其背风侧壁面与喷口3壁面之间夹角β为10~90°,使得喷口3内壁和环形风道4外壁之间形成带喉部的空气流道。烟气引射器2上倾斜着开设有连通孔,连通孔开设在空气流道喉部并使得空气流道与喷口3壁面外的炉膛连通;连通孔为圆柱形或矩形,其中心轴线倾斜角与烟气引射器2迎风侧壁面和喷口3壁面之间夹角α一致。空气由风箱11向喷口3流动过程中,在空气流道的喉口处,由于空气流道渐缩,气流速度增大,压力降低,使得喷口3壁面外炉膛内的烟气通过烟气引射器2上的连通孔形成射流喷入空气流道内与空气混合。而过了喉口处空气流道又渐扩,使得烟气和空气充分混合。
烟气回流室5包括内筒22和外筒23。如图3所示,烟气回流室5内筒22末端向外筒23方向折回形成折流壁,折流壁与内筒22壁面线的夹角γ为10~45°;外筒23外壁面末端设置有折流块,折流块靠近折流壁一侧与折流壁之间形成折流缝隙,折流块远离折流壁的另一侧与外筒23壁面线夹角θ为10~45°,折流块与折流壁使得外筒23与环形风道4之间形成带喉部的空气通道,折流缝隙开口位于空气通道的喉部。
内筒22末端的折流壁使外筒23与环形风道4之间的空气通道出现渐缩,使得流经的空气速度增大形成负压,利用气流加速形成的负压将环形稳焰盘附近的烟气通过折流块与折流壁之间的缝隙抽吸进入空气中,形成烟气和空气混合气。而折流块前端(背风面)形成渐扩通道使得混合气进一步混合均匀。
环形风道4环绕着设置在烟气回流室5外侧,燃气喷枪10设置在环形风道4中。
环形风道4包括同心设置的内圆管和外圆管以及连接内圆管和外圆管的环形前端面,燃气喷枪10从环形风道4的环形前端面穿出进入炉膛;外圆管外壁与喷口3内壁之间形成空气流道,内圆管的内壁与烟气回流室5外筒23之间形成空气通道;环形风道4的环形前端面开设有若干个小孔,流过少量冷空气冷却环形风道的前端面。
如图4所示,燃气喷枪10的出口端至少开设有一个燃气直喷孔20和/或燃气横喷孔21。燃气直喷孔20和燃气横喷孔21分别开设在燃气喷枪10的出口端端面或者侧壁面上。
燃气枪中心管8出口端设置有若干个小孔。燃气枪中心管8出口端的小孔开设在燃气枪中心管8出口端的前端面或侧壁面。
气体燃料通过燃气枪中心管8的入口端进入,通过其出口端的小孔喷出,或者通过燃气喷枪10的出口端的燃气直喷孔20和/或燃气横喷孔21。
环形稳焰盘6为开设有若干小孔的环形薄片,环绕着设置在燃气枪中心管8的前端,且与内筒22前部内壁面连接,设置在烟气回流室5与燃气枪中心管8之间。环形稳焰盘6上的小孔,为值班火焰提供助燃空气。
环形稳焰盘6上安装有点火枪7和火焰检测器9。点火枪7将从燃气枪中心管8出口端小孔喷入的气体燃料点燃。火焰进一步点燃从燃气喷枪10进入的气体燃料。
火焰检测器9起检测火焰作用。
点火枪7外套有绝缘枪杆12穿过环形稳焰盘6后伸入风箱11内,绝缘枪杆12后接有点火枪电路13穿出风箱11的后端面,与自控装置连接。
火焰检测器9外套有绝缘护管16穿过稳焰盘6后伸入风箱11内,火焰检测器电路15穿出风箱11的后端面,与自控装置连接。
本发明提供的燃烧器工作时,环形稳焰盘附近形成烟气回流,回流高温烟气点燃燃气枪中心管小孔喷出的少部分燃料,形成稳定的值班火焰,起到稳燃的作用。同时,助燃空气流经由烟气回流室和环形风道组成的空气流道时加速,形成低压区,抽吸稳焰盘附近的高温烟气流经烟气回流室与助燃空气混合,对助燃空气加热的同时,降低助燃空气的氧浓度。助燃空气流经由环形风道和喷口上的烟气引射器组成的空气流道时,气流速度增加,也形成低压区,抽吸喷口外的烟气与助燃空气混合,同样具有稳燃和低氮的作用。
经过现场实施验证,本发明可以达到如下的性能指标:
1、烟气回流室和烟气引射器能够抽吸的烟气与助燃空气的质量比可达0.2:1,能够有效的提高助燃空气温度,降低氧浓度;
2、在锅炉负荷30%~100%范围内,燃烧稳定,无熄火或燃烧震荡现象;
3、不投入烟气再循环时,氮氧化物的排放为50~60mg/Nm3
4、配合烟气再循环技术时,当烟气再循环的比例高于18%时,氮氧化物的排放可控制在30mg/Nm3以下,且燃烧稳定,无熄火现象。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种气体燃料的低氮燃烧器,能够穿过炉墙(1)设置在炉膛内,所述燃烧器包括截面为环形的喷口(3)、燃气枪组件(18)和风箱(11),所述风箱(11)与所述喷口(3)连接,且所述风箱(11)设置在所述炉墙(1)外侧;所述喷口(3)穿过所述炉墙(1)伸入所述炉膛内,所述燃气枪组件(18)设置在所述风箱(11)与喷口(3)中;所述燃气枪组件(18)包括燃气枪中心管(8)和若干环绕着连接在所述燃气枪中心管(8)周围的燃气喷枪(10),所述燃气喷枪(10)呈圆周均匀分布布置,其特征在于:所述喷口(3)内布置有烟气回流室(5)和环形风道(4),所述烟气回流室(5)设置在所述燃气枪中心管(8)和所述燃气喷枪(10)之间,所述环形风道(4)环绕着设置在所述烟气回流室(5)外侧,所述燃气喷枪(10)设置在所述环形风道(4)中;所述烟气回流室(5)包括内筒(22)和外筒(23);所述烟气回流室(5)内筒(22)末端向所述外筒(23)方向折回形成折流壁;所述外筒(23)外壁面末端设置有折流块,所述折流块靠近所述折流壁一侧与所述折流壁之间形成折流缝隙;所述折流块与折流壁使得所述外筒(23)与所述环形风道(4)之间形成带喉部的空气通道,所述折流缝隙开口位于所述空气通道的喉部。
2.根据权利要求1所述的一种气体燃料的低氮燃烧器,其特征在于:所述环形风道(4)包括同心设置的内圆管和外圆管以及连接所述内圆管和外圆管的环形前端面,所述燃气喷枪(10)从所述环形风道(4)的环形前端面穿出进入炉膛;所述外圆管外壁与所述喷口(3)内壁之间形成空气流道,所述内圆管的内壁与所述烟气回流室(5)外筒(23)之间形成空气通道;所述环形风道(4)的环形前端面开设有若干个小孔。
3.根据权利要求2所述的一种气体燃料的低氮燃烧器,其特征在于:所述喷口(3)出口端内壁面设置有烟气引射器(2),所述烟气引射器(2)迎风侧壁面与所述喷口(3)壁面之间夹角α为10~45°,且其背风侧壁面与所述喷口(3)壁面之间夹角β为10~90°,使得所述喷口(3)内壁和所述环形风道(4)外圆外壁之间的空气流道形成喉部;所述烟气引射器(2)上倾斜着开设有连通孔,所述连通孔开设在所述空气流道喉部并使得所述空气流道与所述喷口(3)壁面外的炉膛连通;所述连通孔为圆柱形或矩形,其中心轴线倾斜角与所述烟气引射器(2)迎风侧壁面和所述喷口(3)壁面之间夹角α一致。
4.根据权利要求1所述的一种气体燃料的低氮燃烧器,其特征在于:所述折流壁与所述内筒(22)壁面线的夹角γ为10~45°;所述折流块远离所述折流壁的另一侧与所述外筒(23)壁面线夹角θ为10~45°。
5.根据权利要求1所述的一种气体燃料的低氮燃烧器,其特征在于:所述喷口(3)内还布置有环形稳焰盘(6),所述环形稳焰盘(6)环绕着设置在所述燃气枪中心管(8)的前端。
6.根据权利要求5所述的一种气体燃料的低氮燃烧器,其特征在于:所述环形稳焰盘(6)为开设有若干小孔的环形薄片,与所述内筒(22)前部内壁面连接,设置在所述烟气回流室(5)与所述燃气枪中心管(8)之间。
7.根据权利要求1所述的一种气体燃料的低氮燃烧器,其特征在于:所述燃气喷枪(10)的出口端端面开设有若干个燃气直喷孔(20)和/或燃气横喷孔(21);所述燃气直喷孔(20)和燃气横喷孔(21)分别开设在所述燃气喷枪(10)的出口端端面和所述燃气喷枪(10)的出口端侧壁面。
8.根据权利要求1所述的一种气体燃料的低氮燃烧器,其特征在于:所述燃气枪中心管(8)出口端设置有若干个小孔。
9.根据权利要求8所述的一种气体燃料的低氮燃烧器,其特征在于:所述燃气枪中心管(8)出口端的小孔开设在所述燃气枪中心管(8)出口端的前端面或侧壁面。
10.根据权利要求5所述的一种气体燃料的低氮燃烧器,其特征在于:所述环形稳焰盘(6)上安装有点火枪(7)和火焰检测器(9)。
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