CN109579004A - 一种低温低NOx天然气燃烧系统及燃烧方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种低温低NOx天然气燃烧系统及燃烧方法,所述燃烧系统包括烧嘴、燃烧室及集焰器;所述燃烧室水平布置;燃烧室一端的中心位置设烧嘴,燃烧室的另一端设向外突出的燃烧产物出口;烧嘴的出口与设于燃烧室内的集焰器密封连接,靠近烧嘴一端的燃烧室侧壁沿周向均匀布设多个冷却空气入口,冷却空气入口与冷却空气管道相连接。本发明旨在解决现有以空气为助燃剂的天然气燃烧过程NOx高的问题,本发明适合于以天然气为燃料且燃烧温度低于1300℃,能够实现低NOx排放的洁净燃烧,尤其适合天然气用量大,能够布置长燃烧室且采用单个燃烧系统的场合。

Description

一种低温低NOx天然气燃烧系统及燃烧方法
技术领域
本发明涉及燃烧技术领域,尤其涉及一种低温低NOx天然气燃烧系统及燃烧方法。
背景技术
环境污染和能源利用问题在世界范围内已经严重威胁到人类的生存和发展,燃料燃烧产物中污染物对生态环境的污染日益受到人们的密切关注,降低燃烧装置污染物的排放量已成为燃烧技术研究的一项重要任务。
燃料在燃烧过程中生成的NOx根据生成路径和发生源不同分为三种类型:热力型NOx、快速型NOx、燃料型NOx。天然气燃烧过程中NOx产生以热力型为主,燃烧过程中NOx生成的量与实际燃烧温度呈指数增长关系,现有以空气为助燃剂的天然气燃烧技术实际燃烧温度约为1600~1700℃,NOx排放浓度往往大于230mg/Nm3烟气,很难满足NOx排放的环保要求。采用富氧燃烧技术可以有效降低天然气燃烧过程产生的NOx,但将大大增加运行成本。
专利号为CN201711294863.4的中国专利公开了“一种低氮氧化物排放的燃烧器”,该燃烧器包括中心枪、边枪、长明灯、外壳和底板,中心枪、边枪等部件组成。其工作原理是在NOx超标时对燃料量和空气量及燃烧位置进行调节,从而实现氮氧化物的控制,但实际上很难使天然气的实际燃烧温度低于1400℃。
专利号为CN201711091217.8的中国专利公开了“一种超低氮氧化物排放的低NO燃烧器”,包括耐火砖、壳体、进风口等结构,具有火焰高度低、紧凑,空气过剩系数小、热效率高等特点。其本质上采用了燃料气分级,将燃料气喷射至从上游到下游的多个区域,从而形成多个燃烧区域,分散高温区域,显著优化燃料与空气的混合,达到降低过空气剩系数、提高热效率的目的,但该技术方案在燃料采用天然气时,很难实现天然气的低温燃烧。
专利号为CN201710601777.7的中国专利公开了“一种切缝旋流低氮氧化物燃烧器”,该燃烧器由燃气管、烧嘴及助燃风传输管;烧嘴为圆锥。其工作原理是利用燃料喷射吸入的烟气充分混合稀释了氧的浓度,有效抑制烟气中NOx的生成降低污染排放。但在燃烧天然气时,也无法降低实际燃烧温度。
上述技术方案的缺点是当应用在以空气为助燃剂的天然气燃烧过程时,由于理论燃烧温度高,很难实现燃烧温度,因而氮氧化物浓度较高,尤其是燃料量需求大的情况下,更难实现低温燃烧。另一方面,许多使用天然气为燃料的用能设备,工作温度远远低于天然气的燃烧温度,如:钛白粉回转窑窑头温度通常低于1100℃,因而开发一种能够实现天然气低温燃烧的技术具有很高的实用价值。
发明内容
本发明提供了一种低温低NOx天然气燃烧系统及燃烧方法,旨在解决现有以空气为助燃剂的天然气燃烧过程NOx高的问题,本发明适合于以天然气为燃料且燃烧温度低于1300℃,能够实现低NOx排放的洁净燃烧,尤其适合天然气用量大,能够布置长燃烧室且采用单个燃烧系统的场合。
为了达到上述目的,本发明采用以下技术方案实现:
一种低温低NOx天然气燃烧系统,包括烧嘴、燃烧室及集焰器;所述燃烧室水平布置;燃烧室一端的中心位置设烧嘴,燃烧室的另一端设向外突出的燃烧产物出口;烧嘴的出口与设于燃烧室内的集焰器密封连接,靠近烧嘴一端的燃烧室侧壁沿周向均匀布设多个冷却空气入口,冷却空气入口与冷却空气管道相连接。
所述烧嘴为外燃烧式烧嘴。
所述燃烧室为圆筒形结构。
所述集焰器为圆筒形结构,由耐热钢或耐火材料制成。
所述冷却空气入口的数量为6个。
所述燃烧室的直径为烧嘴出口直径的15~20倍。
所述集焰器的长度为烧嘴出口直径的10~15倍,集焰器的直径为烧嘴出口直径的2.5~5倍,集焰器出口端到燃烧产物出口外端的距离为集焰器长度的1~1.2倍。
所述冷却空气入口为圆形,冷却空气入口的直径与烧嘴出口的直径相等。
所述燃烧产物出口的直径为燃烧室直径的1/3~1/2。
基于所述的一种低温低NOx天然气燃烧系统的燃烧方法包括:天然气和空气从烧嘴进入集焰器,并在集焰器中边混合边燃烧,空气量与天然气的流量比例为9.5~10.5:1,集焰器内部温度范围为800~1260℃;冷却空气从冷却空气入口进入燃烧室内部,对集焰器进行冷却并在此过程中被加热,冷却空气量为助燃风量的2.2~2.5倍;集焰器内未完全燃烧的天然气出集焰器后继续燃烧形成火焰,火焰温度范围为1260~1300℃;天然气完全燃烧后的燃烧产物与被集焰器加热后的冷却空气形成的气态混合物从燃烧产物出口排出供用能设备使用,经燃烧产物出口排出的气态混合物温度范围为1100~1200℃;扣除过剩空气后,燃烧产物中NOx的排放浓度低于150mg/Nm3烟气。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
1)能够使以空气为助燃剂的天然气燃烧温度降低到1300℃以下,从而使燃烧产物中的NOx的排放在扣除过剩空气后低于150mg/Nm3,满足工作温度低于1200℃的供热设备的需求;
2)冷却空气入口呈环形布置,使进入燃烧室的空气流量能够保证集焰器的冷却强度,集焰器的长度保证了集焰器的冷却时间,从而将集焰器内的温度控制在目标范围内;
3)由于天然气浓度大大降低和冷却空气的稀释作用,未完全燃烧的天然气出集焰器后形成的火焰温度值处于低温范围,控制从烧嘴进入的空气量与天然气量的比例保证了这一过程的实现;
4)集焰器出口与燃烧产物出口的距离保证了冷却空气与天然气完全燃烧的燃烧产物的充分混合,使燃烧更彻底,从而降低燃烧产物中的NOx生成量。
附图说明
图1是本发明所述一种低温低NOx天然气燃烧系统的结构示意图。
图2是图1的左视图。
图中:1.烧嘴2.燃烧室3.冷却空气管道4.冷却空气入口5.集焰器6.火焰7.燃烧产物出口
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明:
如图1、图2所示,本发明所述一种低温低NOx天然气燃烧系统,包括烧嘴1、燃烧室2及集焰器5;所述燃烧室2水平布置;燃烧室2一端的中心位置设烧嘴1,燃烧室2的另一端设向外突出的燃烧产物出口7;烧嘴1的出口与设于燃烧室2内的集焰器5密封连接,靠近烧嘴1一端的燃烧室2侧壁沿周向均匀布设多个冷却空气入口4,冷却空气入口4与冷却空气管道3相连接。
所述烧嘴1为外燃烧式烧嘴。
所述燃烧室2为圆筒形结构。
所述集焰器5为圆筒形结构,由耐热钢或耐火材料制成。
所述冷却空气入口4的数量为6个。
所述燃烧室2的直径为烧嘴1出口直径的15~20倍。
所述集焰器5的长度为烧嘴1出口直径的10~15倍,集焰器5的直径为烧嘴1出口直径的2.5~5倍,集焰器5出口端到燃烧产物出口7外端的距离为集焰器5长度的1~1.2倍。
所述冷却空气入口4为圆形,冷却空气入口4的直径与烧嘴1出口的直径相等。
所述燃烧产物出口7的直径为燃烧室2直径的1/3~1/2。
基于所述的一种低温低NOx天然气燃烧系统的燃烧方法包括:天然气和空气从烧嘴1进入集焰器5,并在集焰器5中边混合边燃烧,空气量与天然气的流量比例为9.5~10.5:1,集焰器5内部温度范围为800~1260℃;冷却空气从冷却空气入口4进入燃烧室2内部,对集焰器5进行冷却并在此过程中被加热,冷却空气量为助燃风量的2.2~2.5倍;集焰器5内未完全燃烧的天然气出集焰器5后继续燃烧形成火焰,火焰温度范围为1260~1300℃;天然气完全燃烧后的燃烧产物与被集焰器5加热后的冷却空气形成的气态混合物从燃烧产物出口7排出供用能设备使用,经燃烧产物出口7排出的气态混合物温度范围为1100~1200℃;扣除过剩空气后,燃烧产物中NOx的排放浓度低于150mg/Nm3烟气。
以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。下述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。
【实施例】
本实施例中,烧嘴1的出口直径为0.5m,烧嘴1的数量为1个,集焰器5与烧嘴1出口相连接,连接处保持密封;天然气与空气从烧嘴1出口进入集焰器5,边混合边燃烧;冷却空气入口4的数量为6个,冷却空气入口4均匀分布在靠近烧嘴1一侧的燃烧室2的圆周上,并紧贴烧嘴1所在的燃烧室2侧墙;冷却空气从冷却空气入口4进入燃烧室2,对集焰器5进行冷却并在此过程中被加热;未完全燃烧的天然气从集焰器5流出后继续燃烧形成火焰5,天然气完全燃烧后的燃烧产物与被集焰器5加热后的冷却空气形成的混合气体从燃烧产物出口7排出供用能设备使用,燃烧产物出口7的直径为燃烧室2的直径的1/2。
本实施例中的3个具体实例的相关参数如表1、表2所示:
表1
表2
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变,都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种低温低NOx天然气燃烧系统,其特征在于,包括烧嘴、燃烧室及集焰器;所述燃烧室水平布置;燃烧室一端的中心位置设烧嘴,燃烧室的另一端设向外突出的燃烧产物出口;烧嘴的出口与设于燃烧室内的集焰器密封连接,靠近烧嘴一端的燃烧室侧壁沿周向均匀布设多个冷却空气入口,冷却空气入口与冷却空气管道相连接。
2.根据权利要求1所述的一种低温低NOx天然气燃烧系统,其特征在于,所述烧嘴为外燃烧式烧嘴。
3.根据权利要求1所述的一种低温低NOx天然气燃烧系统,其特征在于,所述燃烧室为圆筒形结构。
4.根据权利要求1所述的一种低温低NOx天然气燃烧系统,其特征在于,所述集焰器为圆筒形结构,由耐热钢或耐火材料制成。
5.根据权利要求1所述的一种低温低NOx天然气燃烧系统,其特征在于,所述冷却空气入口的数量为6个。
6.根据权利要求1或3所述的一种低温低NOx天然气燃烧系统,其特征在于,所述燃烧室的直径为烧嘴出口直径的15~20倍。
7.根据权利要求1或4所述的一种低温低NOx天然气燃烧系统,其特征在于,所述集焰器的长度为烧嘴出口直径的10~15倍,集焰器的直径为烧嘴出口直径的2.5~5倍,集焰器出口端到燃烧产物出口外端的距离为集焰器长度的1~1.2倍。
8.根据权利要求1或5所述的一种低温低NOx天然气燃烧系统,其特征在于,所述冷却空气入口为圆形,冷却空气入口的直径与烧嘴出口的直径相等。
9.根据权利要求1所述的一种低温低NOx天然气燃烧系统,其特征在于,所述燃烧产物出口的直径为燃烧室直径的1/3~1/2。
10.基于权利要求1所述的一种低温低NOx天然气燃烧系统的燃烧方法,其特征在于,包括:天然气和空气从烧嘴进入集焰器,并在集焰器中边混合边燃烧,空气量与天然气的流量比例为9.5~10.5:1,集焰器内部温度范围为800~1260℃;冷却空气从冷却空气入口进入燃烧室内部,对集焰器进行冷却并在此过程中被加热,冷却空气量为助燃风量的2.2~2.5倍;集焰器内未完全燃烧的天然气出集焰器后继续燃烧形成火焰,火焰温度范围为1260~1300℃;天然气完全燃烧后的燃烧产物与被集焰器加热后的冷却空气形成的气态混合物从燃烧产物出口排出供用能设备使用,经燃烧产物出口排出的气态混合物温度范围为1100~1200℃;扣除过剩空气后,燃烧产物中NOx的排放浓度低于150mg/Nm3烟气。
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