CN109539250A - 一种低氮燃烧器及其内置式再循环烟气引入装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低氮燃烧器及其内置式再循环烟气引入装置，包括：再循环烟气管道、导流片和圆锥形钝体；再循环烟气管道设置于低氮燃烧器外壳体内；再循环烟气管道的烟气出口端的侧壁上设置有若干个第一通孔；再循环烟气管道内设置有导流片；圆锥形钝体设置于再循环烟气管道外，圆锥形钝体处于再循环烟气管道的烟气出口处；圆锥形钝体的锥顶朝向再循环烟气管道的烟气出口；圆锥形钝体上沿其轴线方向开有第二通孔。本发明的内置式再循环烟气引入装置，可高效的降低燃烧区的氧气浓度和温度，抑制天然气燃烧过程中热力型NOx生成，实现燃气锅炉NOx超低排放；且能有效的消除燃烧器震动。

Description

一种低氮燃烧器及其内置式再循环烟气引入装置

技术领域

本发明属于燃气清洁燃烧技术领域，具体涉及一种低氮燃烧器及其内置式再循环烟气引入装置。

背景技术

氮氧化物(NOx)是造成大气污染的主要污染源，易引发酸雨、光化学烟雾等问题，严重危害人类生命健康。为有效控制NOx排放，国家环保政策对于NOx排放限制不断趋严，最新关于锅炉大气污染物排放标准GB13271-2014对燃气锅炉NOx排放阈值一般为150mg/m³。部分省市如北京、郑州、成都、天津等城市出台的排放标准则更为苛刻，要求燃气锅炉NOx排放浓度控制在30mg/m³。

目前，控制燃气锅炉NOx排放的主要技术手段包括空气分级、燃气分级以及烟气再循环等方式。其中空气分级和燃气分级技术由于受限于燃烧设备和现有燃烧器尺寸，难于实现燃气/空气在燃烧区域中充分混合，易造成燃气锅炉局部高温、燃烧不稳定以及燃烧不完全等问题，严重制约着其在燃气锅炉中的应用。烟气再循环技术由于其高效且结构较简单，目前在燃气锅炉低氮改造或新建燃气锅炉中得到了广泛应用。

烟气再循环技术主要是通过将燃烧产生的烟气重新引入燃烧区域，实现对燃烧温度已经氧气浓度的控制，降低热力型NOx的形成。烟气再循环技术根据应用原理的不同主要包括外部烟气再循环和内部烟气再循环两种方式。内部再循环烟气方式是通过对燃烧器的设计，利用高速喷射火焰的卷吸作用或者旋流燃烧器使得气流产生旋转，形成回流区，实现烟气的内部循环；外部烟气再循环方式一般是从锅炉尾部烟气出口抽取烟气，与一次风和/或二次风混合并经由燃烧风机或再循环风机送入炉膛。

内部烟气再循环技术由于没有尾部烟气的引入稀释，仅仅依靠自身形成的回流实现烟气的循环，其降低NOx排放能力有限，无法满足目前日益严苛的NOx排放限制标准。而外部烟气再循环技术由于引入大量的尾部烟气，大大地稀释了燃烧区域中的氧气浓度，降低了燃烧温度，显著降低NOx的形成。目前一般都采用外部烟气再循环技术辅予内部烟气再循环实现燃气锅炉中NOx的超低排放。

中国专利公布号第“CN107606613A”号公开了“一种燃气空气精确分级内置烟气再循环的低氮旋流燃气燃烧器”，通过在燃烧器出口引入再循环烟气，使其在燃烧区域内与燃气和二次风混合，稀释了混合气体的氧浓度，从而抑制了NOx的形成。

中国专利公开号第“CN205504984U”号公开了“一种燃气引射式炉内烟气再循环低氮燃烧器”，通过布置在炉体上的耐火引射器将烟气送入炉膛，实现燃气与炉内烟气大量预混，降低NOx形成。

目前的方式虽然在控制燃气锅炉NOx排放上具有比较明显的效果。但由于其引入的烟气均是在燃烧区域通过气体扩散和湍流作用实现与炉内烟气混合，存在引入烟气与空气、燃气混合空间小、接触时间短，难于实现充分混合，易造成燃烧器出口氧气浓度分布不均的问题；会使得燃烧区域中易出现局部氧气浓度过高，进而引起炉膛局部高温，促进热力型NOx的形成，不利于NOx的减排。燃烧器中流场分布不均匀，会进一步引起燃烧器内部局部高速，进而高速射流易撞击燃烧器出口旋流板，造成震动噪音大，损坏燃烧器等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低氮燃烧器及其内置式再循环烟气引入装置，以解决上述存在的技术问题。本发明的内置式再循环烟气引入装置，能够实现有限空间内再循环烟气与主流空气在燃烧器内的充分混合，从而可高效的降低燃烧区的氧气浓度和温度，抑制天然气燃烧过程中热力型NOx生成，实现燃气锅炉NOx超低排放；并能有效的消除由于再循环烟气的引入导致的局部高速区，并防止燃烧器震动。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种低氮燃烧器的内置式再循环烟气引入装置，包括：再循环烟气管道、导流片和圆锥形钝体；再循环烟气管道设置于低氮燃烧器外壳体内；再循环烟气管道设置有烟气入口和烟气出口，烟气入口通出低氮燃烧器外壳体，烟气出口通入低氮燃烧器外壳体；再循环烟气管道的烟气出口端的侧壁上设置有若干个第一通孔；再循环烟气管道内设置有导流片；圆锥形钝体设置于再循环烟气管道外，圆锥形钝体处于再循环烟气管道的烟气出口处；圆锥形钝体的锥顶朝向再循环烟气管道的烟气出口；圆锥形钝体上沿其轴线方向开有第二通孔。

进一步的，再循环烟气管道包括：90°弯管和直管；90°弯管的一端为烟气入口，另一端与直管的一端连接，直管的另一端为烟气出口；直管同轴设置于低氮燃烧器外壳体内。

进一步的，再循环烟气管道的管道外径尺寸D_回为低氮燃烧器外壳体当量内径尺寸D_壳的1/3～2/3；直管长度尺寸L₁为2D_回～3D_回。

进一步的，再循环烟气管道内等间距均匀布置2～4条导流片。

进一步的，再循环烟气管道的烟气出口端的侧壁上绕其轴线环形阵列设置有若干个第一通孔；第一通孔为矩形通孔，矩形通孔的长边与再循环烟气管道的轴线平行。

进一步的，矩形通孔的尺寸为：长度尺寸L₂为D_回/3～D_回/2，宽度尺寸为L₂/5；其中，D_回为再循环烟气管道的管道外径尺寸；矩形通孔的个数为6～8个；矩形通孔的中心位置距再循环烟气管道的烟气出口截面为(0.8～1.0)D_回。

进一步的，圆锥形钝体的锥顶与再循环烟气管道的烟气出口截面的距离小于30mm。

进一步的，圆锥形钝体的底面直径D_钝为再循环烟气管道的管道外径D_回的1.05～1.25倍，圆锥形钝体的锥角角度为30°～60°；圆锥形钝体与再循环烟气管道的直管同轴布置。

进一步的，圆锥形钝体的中心处沿其轴向开有截面为圆形的第二通孔；第二通孔的直径尺寸小于D_钝/8。

一种低氮燃烧器，基于本发明的内置式再循环烟气引入装置，包括：低氮燃烧器外壳体、内置式再循环烟气引入装置和燃气分配器；内置式再循环烟气引入装置和燃气分配器均固定设置于低氮燃烧器外壳体内；燃气分配器设置于内置式再循环烟气引入装置的烟气出口与低氮燃烧器外壳体的气体出口之间。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的再循环烟气管道能够实现在有限的燃气燃烧器狭小的空间内引入大量的再循环烟气，可保证其与空气在未进入燃烧区域前的充分混合，能够降低混合气体内的氧气浓度，同时可避免氧气浓度分布不均引起燃烧区域内局部高温，实现燃气锅炉NOx超低排放；再循环烟气管道上开设的若干个第一通孔用于通出烟气，能够增强烟气的均匀性；通过圆锥形钝体，可保证低氮燃烧器内流场稳定，能够消除燃烧器因局部高速气流存在引起的剧烈震动及其引发的噪声问题。圆锥形钝体上的第二通孔能够抑制圆锥形钝体后的涡流形成，消除圆锥形钝体后的回流区。

进一步的，通过将第一通孔环形阵列设置，能够进一步增强再循环烟气喷出的均匀性。

采用本发明的内置式再循环烟气引入装置的低氮燃烧器的负荷适应性强，在25～100％负荷下均可安全稳定高效运行且维持较低的NOx排放。

附图说明

图1是本发明的一种低氮燃烧器的内置式再循环烟气引入装置的结构示意图；

图2是本发明的一种低氮燃烧器的部分结构示意图；

图3是采用低氮燃烧器的实际燃气锅炉未改造前燃烧器内部的速度场分布示意图；

图4是采用低氮燃烧器的实际燃气锅炉改造失败时燃烧器内部的速度场分布示意图；

图5是采用低氮燃烧器的实际燃气锅炉改造失败时燃烧器内部的氧气浓度场分布示意图；

图6是采用本发明的低氮燃烧器的实际燃气锅炉改造后燃烧器内部的速度场分布示意图；

图7是采用本发明的低氮燃烧器的实际燃气锅炉改造后燃烧器内部的氧气浓度场分布示意图；

图8是采用本发明的低氮燃烧器的实际燃气锅炉改造后燃烧器内部的温度场分布示意图；

图9是额定蒸发量为10t/h的实际燃气锅炉改造前后NOx排放情况示意图；

在图1和图2中，1、低氮燃烧器外壳体；2、再循环烟气管道；3、圆锥形钝体；4、燃气分配器；5、旋流装置；6、长方形壳体；7、圆柱形壳体；8、90°弯管；9、直管；10、导流片；11、燃气分配室；12、燃气喷管；13、燃气入口；14、矩形通孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

请参阅图1，本发明提供的低氮燃烧器的内置式再循环烟气引入装置如图1所示。本发明的一种低氮燃烧器的内置式再循环烟气引入装置，该装置主体主要包括端部开槽的再循环烟气管道2、多级的导流片10和中心开孔的圆锥形钝体3三部分。

端部开槽的再循环烟气管道2由90°弯管8和直管9组成，直管9与低氮燃燃烧器外壳体1同轴布置；再循环烟气管道2的管道外径D_回为低氮燃燃烧器外壳体1的当量内径D_壳的1/3～2/3，直管9的长度L为2D_回～3D_回。再循环烟气管道2内部等间距均匀布置2～4条多级的导流片10，并在直管9侧壁面沿环向进行开孔，开孔为矩形通孔14，具体尺寸为长L为D_回/3～D_回/2、宽L/5，且环向矩形开孔数目为6～8个，矩形通孔14中心位置距再循环烟气管道2的出口截面为(0.8～1.0)D_回。中心开孔的圆锥形钝体3的底面直径D_钝为再循环烟气管道2的管道外径D_回的1.05～1.25倍，圆锥角度为30°～60°，圆锥形钝体3与再循环烟气管道2的直管9同轴布置，且圆锥形钝体3顶点与再循环烟气管道2出口截面的距离<30mm。圆锥形钝体3中心为开孔状态，开孔为通孔，开孔直径<D_钝/8，其目的为抑制圆锥形钝体后的涡流形成，消除圆锥形钝体后的回流区。

工作原理和工作过程：

本发明的一种低氮燃气燃烧器的内置式再循环烟气引入装置，其主体主要包括端部开槽的再循环烟气管道、多级导流片和中心开孔的圆锥形钝体。由尾部烟气引入的再循环烟气经由端部开槽的再循环烟气管道、多级导流片和中心开孔的圆锥形钝体进入燃烧器内，实现与空气充分混合，控制燃烧器区内的氧气浓度和温度，抑制天然气燃烧过程中热力型NOx生成，抑制NOx的排放；通过消除由于再循环烟气导致的局部高速区，可防止燃烧器震动；本发明能够有效降低燃气锅炉NOx排放，且负荷适应性强。

本发明的一种低氮燃烧器的内置式再循环烟气引入装置的设计方法，包括以下步骤：

步骤1，首先根据低氮燃烧器外壳体1的实际尺寸确定再循环烟气管道2具体尺寸，依次获得再循环烟气管道2的管道外径、直管9的长度。再循环烟气管道2的管道外径D_回为低氮燃烧器外壳体1的当量内径D_壳的1/3～2/3，直管9长度L_直为2D_回～3D_回，且再循环烟气管道2与低氮燃烧器外壳体1同轴布置。

步骤2，根据再循环烟气管道2的尺寸，进一步确定其内置的多级导流片的尺寸，并将2～4条多级导流片均匀布置在再循环烟气管道2内。

步骤3，在距离再循环烟气管道2出口截面位置(0.8～1.0)D_回沿环向进行开孔，开孔形状为矩形通孔14，具体尺寸为长L(D_回/3～D_回/2)、宽L/5，且环向矩形通孔14数目为6～8个。

步骤4，在距离再循环烟气管道2的出口截面小于30mm处放置一圆锥形钝体3，该圆锥形钝体3尺寸由再循环烟气管道2尺寸决定。具体为圆锥形钝体的底面直径D_钝为再循环烟气管道外径D_回的1.05～1.25倍，圆锥角度为30°～60°，且圆锥形钝体3与再循环烟气管道2的直管9同轴布置。

步骤5，为抑制圆锥形钝体3后的涡流形成，消除圆锥形钝体3后的回流区，在圆锥形钝体3中心处进行开通孔，通孔直径应<D_钝/8，圆锥形钝体并通过焊接和布置加强筋的方式进行固定。

请参阅图2，本发明的一种低氮燃烧器，基于本发明的内置式再循环烟气引入装置，包括：低氮燃烧器外壳体1、内置式再循环烟气引入装置和燃气分配器4；内置式再循环烟气引入装置和燃气分配器4均固定设置于低氮燃烧器外壳体1内；燃气分配器4设置于内置式再循环烟气引入装置的烟气出口与低氮燃烧器外壳体1的气体出口之间。燃气分配器4包括：燃气分配室11、燃气喷管12、燃气入口13和旋流装置5；旋流装置5通过燃气喷管12与燃气分配室11的气体出口相连通，燃气分配室11的气体入口通出低氮燃烧器外壳体1。低氮燃烧器外壳体1包括：长方形壳体6和圆柱形壳体7；圆柱形壳体7上设置有混合气体出口，燃气分配器4设置于圆柱形壳体7内；长方形壳体6与圆柱形壳体7相连通，长方形壳体6上设置有再循环烟气入口，本发明的内置式再循环烟气引入装置设置于长方形壳体6内。内置式再循环烟气引入装置的再循环烟气管道2的烟气出口朝向燃气分配器4。

请参阅图3至图7，图4和图5为某采用低氮燃烧器的实际燃气锅炉改造失败时燃烧器内部的速度场和氧气浓度场分布图；对比可知，速度场的中心出口速度超过90m/s，导致燃烧器出口旋流片极易被冲击坏，并且噪音和震动剧烈；燃烧器出口的氧气浓度分布非常不均匀，再循环烟气未有效的在有限空间内与来流空气混合。图6和图7为某采用本发明的低氮燃烧器的实际燃气锅炉改造后燃烧器内部的速度场和氧气浓度场分布图；对比可知，采用本发明后的速度场中心出口最高速度降低到60m/s，在燃烧器设计的可接受范围之内；燃烧器出口的氧气浓度分布均匀度显著提高，再循环烟气在有限空间内与来流空气的混合显著改善。通过对比某实际燃气锅炉在未安装和安装内置式再循环烟气引入装置时燃烧器内部流场分布和氧气浓度分布。可见，在采用本发明的低氮燃烧器内部氧气浓度显著降低，且流场和氧气浓度场分布也改更为均匀，避免了在燃烧区域内因混合不好引起的局部高氧高温区导致燃烧器内置的导线烧坏。

请参阅图8，图8是采用本发明的低氮燃烧器的实际燃气锅炉改造后燃烧器内部的温度场分布示意图，从图中可知采用本装置后燃烧器内部温度均匀分布，避免了燃烧器内部因混合不均引起的局部高温损坏导线。

请参阅图9，图9为某额定蒸发量为10t/h的实际燃气锅炉改造前后NOx排放情况，从中可知采用本装置改后的NOx排放降低了约50％，大负荷下也不超过30mg/m³，基本能满足现在的燃气锅炉的NOx排放标准。具体分析为，通过对比实际燃气锅炉改造前后对燃气锅炉NOx排放状况。可见，在未对燃气锅炉进行改造前，其NOx排放在不同负荷下均显著高于该地区NOx排放标准(30mg/m3)；而在采用本发明对燃气锅炉低氮燃烧器进行改造之后，其NOx排放在不同负荷下均出现不同程度的下降，且均不超过30mg/m3，基本能满足现在的燃气锅炉的NOx排放标准。综上，本发明为燃气锅炉低氮改造提供的一种新型的结构简单高效的内置式再循环烟气引入装置，可实现NOx超低排放，满足目前国家各省市关于燃气锅炉NOx严苛的排放标准。

综上，目前传统的引入烟气方式均是在燃烧区域通过气体扩散和湍流作用实现与炉内烟气混合，存在引入烟气与空气、燃气混合空间小、接触时间短，难于实现充分混合，易造成燃烧器出口氧气浓度分布不均的问题；会使得燃烧区域中易出现局部氧气浓度过高，进而引起炉膛局部高温，促进热力型NOx的形成，不利于NOx的减排。且燃烧器中流场分布不均匀，会进一步引起燃烧器内部局部高速，进而高速射流易撞击燃烧器出口旋流板，造成震动噪音大，损坏燃烧器等问题。针对燃气锅炉日益严苛的NOx排放标准，本发明提的种新型的结构简单高效的内置式再循环烟气引入装置，通过巧妙的设计实现在有效的在燃气燃烧器狭小的空间内引入大量的再循环烟气，并保证其与空气在未进入燃烧区域前的充分混合以及燃烧器内流场均匀，降低混合气体的氧气浓度，避免燃烧器内部因混合不均引起局部高温损坏导线，同时消除了燃烧器内因局部高速气流存在引起的剧烈震动及其引发的噪声问题，实现燃气锅炉的NOx超低排放。本发明的能够实现有限空间内再循环烟气与主流空气在燃烧器内最大限度的混合，从而可高效的降低燃烧区的氧气浓度和温度，抑制天然气燃烧过程中热力型NOx生成，实现燃气锅炉NOx超低排放；并能有效的消除由于再循环烟气的引入导致的局部高速区，并防止燃烧器震动。

Claims (10)

1.一种低氮燃烧器的内置式再循环烟气引入装置，其特征在于，包括：再循环烟气管道(2)、导流片(10)和圆锥形钝体(3)；

再循环烟气管道(2)设置于低氮燃烧器外壳体(1)内；再循环烟气管道(2)设置有烟气入口和烟气出口，烟气入口通出低氮燃烧器外壳体(1)，烟气出口通入低氮燃烧器外壳体(1)；再循环烟气管道(2)的烟气出口端的侧壁上设置有若干个第一通孔；

再循环烟气管道(2)内设置有导流片(10)；

圆锥形钝体(3)设置于再循环烟气管道(2)外，圆锥形钝体(3)处于再循环烟气管道(2)的烟气出口处；圆锥形钝体(3)的锥顶朝向再循环烟气管道(2)的烟气出口；圆锥形钝体(3)上沿其轴线方向开有第二通孔。

2.根据权利要求1所述的一种低氮燃烧器的内置式再循环烟气引入装置，其特征在于，再循环烟气管道(2)包括：90°弯管(8)和直管(9)；90°弯管(8)的一端为烟气入口，另一端与直管(9)的一端连接，直管(9)的另一端为烟气出口；直管(9)同轴设置于低氮燃烧器外壳体(1)内。

3.根据权利要求2所述的一种低氮燃烧器的内置式再循环烟气引入装置，其特征在于，再循环烟气管道(2)的管道外径尺寸D_回为低氮燃烧器外壳体(1)的当量内径尺寸D_壳的1/3～2/3；直管(9)的长度尺寸L₁为2D_回～3D_回。

4.根据权利要求1所述的一种低氮燃烧器的内置式再循环烟气引入装置，其特征在于，再循环烟气管道(2)内等间距均匀布置2～4条导流片(10)。

5.根据权利要求1所述的一种低氮燃烧器的内置式再循环烟气引入装置，其特征在于，再循环烟气管道(2)的烟气出口端的侧壁上绕其轴线环形阵列设置有若干个第一通孔；第一通孔为矩形通孔(14)，矩形通孔(14)的长边与再循环烟气管道(2)的轴线平行。

6.根据权利要求5所述的一种低氮燃烧器的内置式再循环烟气引入装置，其特征在于，矩形通孔(14)的尺寸为：长度尺寸L₂为D_回/3～D_回/2，宽度尺寸为L₂/5；其中，D_回为再循环烟气管道的管道外径尺寸；

矩形通孔(14)的个数为6～8个；

矩形通孔(14)的中心位置距再循环烟气管道(2)的烟气出口截面为(0.8～1.0)D_回。

7.根据权利要求1所述的一种低氮燃烧器的内置式再循环烟气引入装置，其特征在于，圆锥形钝体(3)的锥顶与再循环烟气管道(2)的烟气出口截面的距离小于30mm。

8.根据权利要求2所述的一种低氮燃烧器的内置式再循环烟气引入装置，其特征在于，圆锥形钝体(3)的底面直径D_钝为再循环烟气管道(2)的管道外径D_回的1.05～1.25倍，圆锥形钝体(3)的锥角角度为30°～60°；

圆锥形钝体(3)与再循环烟气管道(2)的直管(9)同轴设置。

9.根据权利要求8所述的一种低氮燃烧器的内置式再循环烟气引入装置，其特征在于，圆锥形钝体(3)的中心处沿其轴向开有截面为圆形的第二通孔；第二通孔的直径尺寸小于D_钝/8。

10.一种低氮燃烧器，其特征在于，基于权利要求1至9中任一项所述的内置式再循环烟气引入装置，包括：低氮燃烧器外壳体(1)、内置式再循环烟气引入装置和燃气分配器(4)；

内置式再循环烟气引入装置和燃气分配器(4)均固定设置于低氮燃烧器外壳体(1)内；

燃气分配器(4)设置于内置式再循环烟气引入装置的圆锥形钝体(3)与低氮燃烧器外壳体(1)的气体出口之间。