CN109798518A - 低氮燃烧器和燃烧系统 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种低氮燃烧器和燃烧系统。低氮燃烧器包括：燃烧室本体，所述燃烧室本体的前端包括用于连接燃烧炉的炉体的前端连接部，所述燃烧室本体具有用于燃料燃烧的燃烧腔室；燃料供应装置，连接于所述燃烧室本体的后侧，包括向所述燃烧腔室的径向中部输送燃料的主燃料输送单元和向所述燃烧腔室的径向边缘的位置输送燃料的周界燃料输送单元；助燃气体供应装置，连接于所述燃烧室本体的后侧，用于向所述燃烧腔室输送助燃气体。燃烧系统包括该低氮燃烧器。本公开的低氮燃烧器和燃烧系统在降低燃烧炉的NOx排放的同时能降低燃烧炉的非甲烷总烃的排放。
Description
技术领域
本公开涉及燃烧设备技术领域，特别涉及一种低氮燃烧器和燃烧系统。
背景技术
油页岩是一种重要的潜在能源，储量巨大，如折算成发热量，它的储量在化石燃料中仅次于煤而列第二位。油页岩经低温干馏可以得到页岩油。页岩油可代替石油作为工业用油，能在一定程度上缓解石油紧缺的压力。我国油页岩储量丰富，年产页岩油可达约80×104t，目前国内采用的干馏技术大都是抚顺式干馏技术，抚顺式瓦斯加热炉是抚顺式干馏技术中主要的供热设备。虽然采用抚顺式干馏技术经济效益较好，但抚顺式瓦斯加热炉存在着自动化程度低、环境污染等问题，随着国家对环保与节能减排的日益严格要求，现有瓦斯加热炉急需实现NOx与非甲烷总烃同时达标排放。
一直以来针对抚顺式瓦斯加热炉的技术研究及创新多数集中于优化加热炉的蓄热与放热性能。诸如通过更换不同结构的燃烧装置优化燃烧性能，或通过优化蓄热体的结构与性能来增强其蓄热性能等。涉及到环保改造的，有部分改造项目利用烟气再循环技术来控制燃烧温度和降低过量空气系数，用以减少高温型NOx的生成，有部分改造项目利用空气分级原理在瓦斯加热炉上布置一层燃尽风来降低其NOx排放。但在这种低氧燃烧过程中出现非甲烷总烃排放超标是不可避免的，不能实现在降低NOx的同时降低非甲烷总烃的排放。
发明内容
本公开第一方面提供一种低氮燃烧器，包括：
燃烧室本体，所述燃烧室本体的前端包括用于连接燃烧炉的炉体的前端连接部，所述燃烧室本体具有用于燃料燃烧的燃烧腔室；
燃料供应装置，连接于所述燃烧室本体的后侧，包括向所述燃烧腔室的径向中部输送燃料的主燃料输送单元和向所述燃烧腔室的径向边缘的位置输送燃料的周界燃料输送单元；和
助燃气体供应装置，连接于所述燃烧室本体的后侧，用于向所述燃烧腔室输送助燃气体。
在一些实施例中，
所述主燃料输送单元具有主燃料通道、主燃料进口和主燃料喷口，所述主燃料进口和所述主燃料喷口与所述主燃料通道连通；
所述周界燃料输送单元具有周界燃料腔室、周界燃料进口和周界燃料喷口，所述周界燃料进口和所述周界燃料喷口与所述周界燃料腔室连通，所述周界燃料喷口位于所述主燃料喷口径向外侧且位于所述主燃料喷口的前侧。
在一些实施例中，所述周界燃料输送单元包括环形腔体，所述环形腔体的环形内腔形成所述周界燃料腔室，所述环形腔体的径向内侧形成中空部，多个所述周界燃料喷口设置于所述环形腔体前侧且位于所述燃烧腔室内，所述主燃料喷口位于所述环形腔体后侧并通过所述中空部与所述燃烧腔室的后端连通。
在一些实施例中，所述周界燃料输送单元包括沿所述环形腔体的周向布置的多个喷嘴，各所述喷嘴的后端连接于所述环形腔体的前端并与所述环形内腔连通，每个所述喷嘴的前端口形成一个所述周界燃料喷口。
在一些实施例中，所述助燃气体供应装置包括助燃气体分配单元，所述助燃气体分配单元在前后方向上位于所述多个周界燃料喷口和所述主燃料喷口之间，所述助燃气体分配单元包括内层旋流通道和位于所述内层旋流通道的径向外侧的外层层流通道，其中：
在所述内层旋流通道的后端设置旋流通道进口、在所述内层旋流通道的前端设置旋流通道出口，所述内层旋流通道内设置有使所述内层旋流通道内的流体旋转流动的旋流结构，所述主燃料喷口位于所述内层旋流通道后侧并通过所述内层旋流通道与所述燃烧腔室的后端连通；
在所述外层层流通道的后端设置层流通道进口，在所述外层层流通道的前端设置层流通道出口，所述层流通道出口与所述燃烧腔室连通且在径向上位于所述周界燃料喷口与所述旋流通道出口之间。
在一些实施例中，所述周界燃料输送单元包括环形腔体，所述助燃气体分配单元在前后方向上位于所述环形腔体和所述主燃料输送单元之间，所述主燃料喷口通过所述内层旋流通道和所述环形腔体的中空部与所述燃烧腔室的后端连通。
在一些实施例中，所述助燃气体供应装置还包括供气室主体，所述供气室主体的前端连接于所述助燃气体分配单元的后端，所述供气室主体具有供气腔室和与所述供气腔室连通的助燃气体入口，所述主燃料喷口位于所述供气腔室内，所述旋流通道进口和所述层流通道进口与所述供气腔室连通。
在一些实施例中，所述主燃料输送单元包括主燃料出口段，所述主燃料出口段包括从后端向前端渐缩的缩口部，所述缩口部的前端口形成所述主燃料喷口。
在一些实施例中，所述主燃料输送单元包括主燃料出口段和主燃料供应段，所述主燃料出口段位于所述供气室主体内且与所述供气室主体一体设置，所述主燃料供应段连接于所述供气室主体后端且与所述主燃料出口段连通。
在一些实施例中，
所述内层旋流通道从后端向前端流通面积逐渐减小；
所述外层层流通道从后端向前端流通面积逐渐减小。
在一些实施例中，所述助燃气体分配单元包括：
内层锥形筒，所述内层锥形筒的后端直径大于其前端直径，所述内层锥形筒的内腔形成所述内层旋流通道；和
外层锥形筒，所述外层锥形筒的后端直径大于其前端直径且同轴间隔地套设于所述内层锥形筒外，所述内层锥形筒和所述外层锥形筒之间的间隔形成所述外层层流通道。
在一些实施例中，所述助燃气体分配单元还包括连接壁，所述连接壁沿所述外层层流通道内的助燃气体的流动方向设置并连接于所述内层锥形筒与所述外层锥形筒之间。
在一些实施例中，所述旋流结构包括固定于所述内层锥形筒的内壁上的旋流叶片。
在一些实施例中，所述燃烧室本体包括：
燃烧室壳体；
保温层，设置于所述燃烧室壳体的内壁；和
耐火层，设置于所述保温层的内壁，所述耐火层形成所述燃烧腔室。
本公开第二方面提供一种燃烧系统，包括燃烧炉和低氮燃烧器，所述低氮燃烧器为本公开第一方面所述的低氮燃烧器，所述低氮燃烧器的所述燃烧室本体的前端连接部连接于所述燃烧炉的炉体上，所述燃烧室本体的燃烧腔室与所述燃烧炉的炉膛连通。
在一些实施例中，所述燃烧系统还包括：
再燃燃烧器，所述再燃燃烧器连接于所述燃烧炉的炉体上并与所述燃烧炉的炉膛连通，所述再燃燃烧器位于所述低氮燃烧器的下游；和
燃尽风系统，所述燃尽风系统连接于所述燃烧炉的炉体上并与所述燃烧炉的炉膛连通，所述燃尽风系统位于所述再燃燃烧器的下游。
在一些实施例中，所述燃烧系统还包括：
烟气成分监测装置，用于获取所述燃烧炉的烟气成分监测信息；
控制装置，与所述烟气成分监测装置信号连接，所述控制装置被配置为根据所述烟气成分监测信息修正所述燃烧炉的助燃气体与燃料配比，并根据修正后的所述燃烧炉的助燃气体与燃料配比调节所述低氮燃烧器的燃料量和助燃气体量、所述再燃燃烧器的燃料量和所述燃尽风系统的助燃气体量。
在一些实施例中，所述燃烧系统还包括炉膛温度监测装置，所述炉膛温度监测装置用于监测所述炉膛的温度并与所述控制装置信号连接，所述控制装置被配置为根据所述烟气成分监测信息和所述炉膛(13)的温度修正所述燃烧炉的助燃气体与燃料配比。在一些实施例中，所述烟气成分监测信息包括所述烟气的NOx含量信息、非甲烷总烃含量信息和氧含量信息中至少一种。
在一些实施例中，所述燃烧炉为瓦斯加热炉。
基于本公开提供的低氮燃烧器，通过向其燃烧室本体的燃烧腔室的径向中部输送燃料的主燃料输送单元和向燃烧腔室的径向边缘的位置输送燃料的周界燃料输送单元形成中心主火焰配周圈副火焰的燃烧形式，增加了燃烧腔室的火焰充满度，减少了局部高温区的形成，可以降低燃料燃烧初期氮氧化物生成，从而利于降低应用低氮燃烧器的燃烧炉的NOx排放；同时，也使燃料在燃烧腔室内燃烧的更加均匀，并将燃烧炉投放的燃料的燃烧过程提前至燃烧腔室进行，使进入炉膛内的燃料燃烧更加充分，从而利于降低非甲烷总烃的排放。
本公开提供的燃烧系统包括前述的低氮燃烧器，具有与低氮燃烧器相同的优点。
通过以下参照附图对本公开的示例性实施例的详细描述，本公开的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本公开的进一步理解，构成本申请的一部分，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。在附图中：
图1为本公开实施例的燃烧系统的系统结构示意图。
图2是图1所示的燃烧系统的系统框图。
图3为图1的A-A向剖视结构示意图。
图4为图1的B-B向剖视结构示意图。
图5为图1的C-C/D-D向剖视结构示意图。
图6为本公开实施例的低氮燃烧器的立体结构示意图。
图7为图6所示的低氮燃烧器的剖视结构示意图。
图8为图6所示的低氮燃烧器中助燃气体分配单元的立体结构示意图。
图9为图6所示的低氮燃烧器中助燃气体分配单元的侧视结构示意图。
图10为图6所示的低氮燃烧器中助燃气体分配单元的剖视结构示意图。
图11为图6所示的低氮燃烧器中燃料供给装置的周界燃料输送单元的剖视结构示意图。
图12为图6所示的低氮燃烧器中燃料供给装置的周界燃料输送单元的侧视结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本公开的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
在本公开的描述中，需要理解的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本公开保护范围的限制。
在本公开的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
在本公开中针对低氮燃烧器的描述中，所称的“前”指的是低氮燃烧器与燃烧炉的炉体连接的一侧；“后”指的是与“前”相对的一侧。
如图1、图6至图12所示，本公开实施例提供一种低氮燃烧器20。该低氮燃烧器20包括燃烧室本体25、燃料供应装置和助燃气体供应装置。燃烧室本体25的前端包括用于连接燃烧炉的炉体15的前端连接部，燃烧室本体25具有用于燃料燃烧的燃烧腔室。燃料供应装置连接于燃烧室本体25的后侧，包括向燃烧腔室的径向中部输送燃料的主燃料输送单元21和向燃烧腔室的径向边缘的位置输送燃料的周界燃料输送单元。助燃气体供应装置连接于燃烧室本体25的后侧，用于向燃烧腔室输送助燃气体。
该低氮燃烧器20通过向其燃烧腔室的径向中部输送燃料的主燃料输送单元21和向燃烧腔室的径向边缘的位置输送燃料的周界燃料输送单元形成中心主火焰配周圈副火焰的燃烧形式，增加了燃烧腔室的火焰充满度，减少了局部高温区的形成，可以降低燃料燃烧初期氮氧化物生成，从而利于降低应用该低氮燃烧器的燃烧炉的NOx排放；同时，也使燃料在燃烧器燃烧室本体25内燃烧的更加均匀，并将燃烧炉投放的燃料的燃烧过程提前至燃烧腔室进行，使进入炉膛13内的燃料燃烧更加充分，从而利于降低非甲烷总烃的排放。
主燃料输送单元21具有主燃料通道、主燃料进口和主燃料喷口，主燃料进口和主燃料喷口与主燃料通道连通。周界燃料输送单元具有周界燃料腔室、周界燃料进口和周界燃料喷口，周界燃料进口和周界燃料喷口与周界燃料腔室连通，周界燃料喷口位于主燃料喷口的前侧。该设置利于低氮燃烧器20内部实现分级燃烧，从而利于减小低氮燃烧器20内产生的氮氧化物，从而利于降低应用该低氮燃烧器的燃烧炉的NOx排放。
周界燃料输送单元包括环形腔体24，环形腔体24的环形内腔形成周界燃料腔室，环形腔体24的径向内侧形成中空部，多个周界燃料喷口设置于环形腔体24前侧且位于燃烧腔室内，主燃料喷口位于环形腔体24后侧并通过中空部与燃烧腔室的后端连通。
周界燃料输送单元包括沿环形腔体24的周向布置的多个喷嘴244，各喷嘴244的后端连接于环形腔体24前端并与环形内腔连通，每个喷嘴244的前端形成一个周界燃料喷口。
设置环形腔体24及多个喷嘴244均利于周界燃料沿燃烧腔室的周向均匀分配，更利于增加燃烧腔室的火焰充满度及减少局部高温区的形成，也更利于燃料在燃烧器燃烧室本体25内燃烧更加均匀充分，从而更利于降低NOx及非甲烷总烃的排放。
如图6至图10所示，助燃气体供应装置包括助燃气体分配单元23，助燃气体分配单元23在前后方向上位于多个周界燃料喷口和主燃料喷口之间，助燃气体分配单元23包括内层旋流通道237和位于内层旋流通道237的径向外侧的外层层流通道238。在内层旋流通道237的后端设置旋流通道进口、在内层旋流通道237的前端设置旋流通道出口，内层旋流通道237内设置有使内层旋流通道237内的流体旋转流动的旋流结构，主燃料喷口位于内层旋流通道237后侧并通过内层旋流通道237与燃烧腔室的后端连通。在外层层流通道238的后端设置层流通道进口，在外层层流通道238的前端设置层流通道出口，层流通道出口与燃烧腔室连通且在径向上位于周界燃料喷口与旋流通道出口之间。
助燃气体分配单元23设置为内外两层结构，可以将流经其的助燃气体分成内外两层。内层旋流通道237中，旋流结构可使流经此处的助燃气体和燃料瓦斯旋转前进，有助于燃料与助燃气体充分混合，利于提高燃烧效率，从而有助于燃料燃烧充分，减少总烃排放。外层层流通道238中，助燃气体层流流过，流出外层层流通道238的助燃气体一方面为周界燃料喷口喷出的燃料供应助燃气体，另一方面在内层旋流通道237流出的混合物和周界燃料喷口喷出的燃料之间形成缓冲层，利于减少混合物的旋流流动对周界燃料的流动产生的影响，利于实现低氮燃烧器20内部主燃料燃烧和周界燃料燃烧分级燃烧，从而利于减少NOx生成。
如图6和图7所示，周界燃料输送单元包括环形腔体24，助燃气体分配单元23在前后方向上位于环形腔体24和主燃料输送单元21之间，主燃料喷口通过内层旋流通道237和环形腔体24的中空部与燃烧腔室的后端连通。该设置利于主燃料与助燃气体充分混合以充分燃烧，也利于实现低氮燃烧器20内部分级燃烧，从而利于减少NOx和非甲烷总烃的排放。
助燃气体供应装置还包括供气室主体22，供气室主体22的前端连接于助燃气体分配单元23的后端，供气室主体22具有供气腔室和与供气腔室连通的助燃气体入口，主燃料喷口位于供气腔室内，旋流通道进口和层流通道进口与供气腔室连通。设置供气室主体22利于助燃气体均匀进入助燃气体分配单元23，从而利于助燃气体与燃料的混合充分。
主燃料输送单元21包括主燃料出口段211，主燃料出口段211包括从后端向前端渐缩的缩口部，缩口部的前端口形成主燃料喷口。设置缩口部利于提高主燃料喷口的燃料流速，利于防止主燃料在燃烧腔室内滞留时间过长而影响燃烧炉的整体效率。
主燃料输送单元21包括主燃料出口段211和主燃料供应段212，主燃料出口段211位于供气室主体22内且与供气室主体22一体设置，主燃料供应段212连接于供气室主体22后端且与主燃料出口段211连通。该设置一方面利于确定主燃料喷口与内层旋流通道237的后端的距离，从而利于确定进入内层旋流通道237内的助燃气体的气量及准确执行双层流道之间的助燃气体比例，另一方面，利于将低氮燃烧器20设置为分段式结构，从而利于低氮燃烧器20的加工和组配。
内层旋流通道237从后端向前端流通面积逐渐减小；外层层流通道238从后端向前端流通面积逐渐减小。该设置利于提高相应通道内的流体流速，利于防止燃料在燃烧腔室内滞留时间过长而影响燃烧炉的整体效率。
如图6至图10所示，助燃气体分配单元23包括内层锥形筒232和外层锥形筒231。内层锥形筒232的后端直径大于其前端直径，内层锥形筒232的内腔形成内层旋流通道237。外层锥形筒231的后端直径大于其前端直径且同轴间隔地套设于内层锥形筒232外，内层锥形筒232和外层锥形筒231之间的间隔形成外层层流通道238。
如图6至图10所示，助燃气体分配单元23还包括连接壁236，连接壁236沿外层层流通道238内的助燃气体的流动方向设置并连接于内层锥形筒232与外层锥形筒231之间。
燃烧室本体25包括燃烧室壳体251、保温层252和耐火层253。保温层252设置于燃烧室壳体251的内壁。耐火层253设置于保温层252的内壁，耐火层253形成燃烧腔室。燃烧室本体25的该结构设计利于维持燃烧腔室的温度，从而利于维持燃烧稳定。
如图1至图5所示，本公开实施例还提供一种燃烧系统。燃烧系统包括燃烧炉和低氮燃烧器20，低氮燃烧器20为前述的低氮燃烧器20。低氮燃烧器20的燃烧室本体25的前端连接部连接于燃烧炉的炉体15，燃烧室本体25的燃烧腔室与燃烧炉的炉膛13连通。本公开实施例的燃烧系统具有本公开实施例的低氮燃烧器具有的优点。
如图1至图5所示，燃烧系统还包括再燃燃烧器1和燃尽风系统2。再燃燃烧器1连接于燃烧炉的炉体15上并与燃烧炉的炉膛13连通，再燃燃烧器1位于低氮燃烧器20的下游。燃尽风系统2连接于燃烧炉的炉体15上并与燃烧炉的炉膛13连通，燃尽风系统2位于再燃燃烧器1的下游。设置再燃燃烧器1和燃尽风系统2，燃烧系统整体上采用分级燃烧技术，利于减少NOx排放。
如图1和图2所示，燃烧系统还包括用于获取燃烧炉的烟气成分监测信息的烟气成分监测装置12。燃烧系统还包括控制装置，控制装置与烟气成分监测装置12信号连接。控制装置被配置为根据烟气成分监测信息修正燃烧炉的助燃气体与燃料配比，并根据修正后的燃烧炉的助燃气体与燃料配比调节低氮燃烧器20的燃料量和助燃气体量、再燃燃烧器1的燃料量和燃尽风系统2的助燃气体量。
燃烧系统还包括炉膛温度监测装置17，炉膛温度监测装置17用于监测炉膛13的温度并与控制装置信号连接，控制装置被配置为根据烟气成分监测信息和炉膛13的温度修正燃烧炉的助燃气体与燃料配比。
烟气成分监测装置12监测烟气成分监测信息包括烟气的NOx含量、非甲烷总烃含量和氧含量信息中至少一种。控制装置被配置为根据烟气的NOx含量、非甲烷总烃含量和氧含量及炉膛13的温度修正燃烧炉的助燃气体与燃料配比。
以下结合图1至图12对本公开实施例进行更详细的说明。
如图1至图12所示，本公开实施例提供的燃烧系统包括燃烧炉和低氮燃烧器20。燃烧炉为瓦斯加热炉，例如为抚顺式瓦斯加热炉。本实施例中燃料为瓦斯，助燃气体为空气。
本实施例是为降低瓦斯加热炉NOx和非甲烷总烃排放，而对旧式瓦斯加热炉进行改造形成本实施例的燃烧系统。用两台低氮燃烧器20替换原瓦斯加热炉的两台燃烧器。低氮燃烧器20布置在原燃烧器位置作为主燃烧器。在低氮燃烧器20的下游依次增加再燃燃烧器1和燃尽风系统2。再燃燃烧器1布置在每个低氮燃烧器20垂直上部，例如可以根据炉膛13内流体流速及燃烧反应时间等参数将再燃燃烧器1布置在低氮燃烧器20上方2米左右处。如图1和图2所示，燃尽风系统2分两层燃尽风喷口布置，布置位置分别在每个再燃燃烧器1上部一般4.5米和6米距离处。如图5所示，每层燃尽风喷口采用多喷口设计，以保证燃尽风的覆盖面。通过以上措施实现空气分级、局部再燃还原，配合低氮燃烧器20进一步降低NOx生成。
如图1、图6和图7所示，本公开实施例的低氮燃烧器20为分段式结构，从后至前包括同轴依次连接的主燃料输送单元21的主燃料供应段212、供气室主体22与主燃料输送单元21的主燃料出口段211的一体结构、助燃气体分配单元23、周界燃料输送单元和燃烧室本体25。低氮燃烧器20的各分段之间通过法兰实现可拆卸连接和/或通过焊接连接。主燃料输送单元21和周界燃料输送单元为燃料供应装置的主要组成部分。主燃料输送单元包括主燃料供应段212和主燃料出口段211。周界燃料输送单元包括环形腔体24和与环形腔体24上的周界燃料进口连通的周界燃料供应管26。助燃气体供应装置包括供气室主体22和助燃气体分配单元23。
如图1所示，该瓦斯加热炉的炉体15内部空间分为两部分，一部分为炉膛13，另一部分为蓄热室14。蓄热室14内设置有蓄热体。炉膛13内的烟气经过蓄热室14流至尾部烟道16。
如图1所示，为了对低氮燃烧器20的空气量进行控制，设置了与低氮燃烧器20的主燃料进口连通的燃烧器空气供应管及设置于燃烧器空气供应管上的第一控制阀4和第一调节阀3；为了控制燃烧系统的总燃料量，设置了燃料供应总管及位于燃料供应总管上的第二控制阀6和第二调节阀5；为了控制再燃燃烧器2的燃料供应，再燃燃烧器燃料支管及设置于再燃燃料支管上的第三控制阀7；为了控制低氮燃烧器20的周界燃料输送单元的燃料供应，在周界燃料供应管26上设置了第四控制阀9；为了控制燃尽风总量设置了燃尽风供应管及设置于燃尽风供应管上的第五控制阀8，进一步地，为控制各层燃尽风的供应，还设置了下层燃尽风供应支管及其上的第六控制阀10和上层燃尽风供应支管及其上的第七控制阀11。
如图1所示，为测量炉膛13的温度，在炉膛13的顶部设有测温传感器17。另外，为测量烟气成分，在尾部烟道16上设置有烟气成分监测装置12。烟气成分监测装置12可以测量烟气成分，如获取表征烟气的NOx含量、非甲烷总烃含量和氧含量监测信息。
另外，燃烧系统还包括控制装置，控制装置与烟气成分监测装置12信号连接。控制装置被配置为根据烟气成分监测信息修正燃烧炉的助燃气体与燃料配比。在烟气成分监测装置12检测的参数包括烟气的NOx含量、非甲烷总烃含量和氧含量时，控制装置被配置为根据烟气的NOx含量、非甲烷总烃含量和氧含量修正燃烧炉的助燃气体与燃料配比(也称风燃比)。控制装置与前述各控制阀和调节阀信号连接，以根据助燃气体与燃料配比调节各控制阀和调节阀，从而执行修正后的助燃气体与燃料配比。
控制装置可以为用于执行本公开所描述功能的通用处理器、可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，简称：PLC)、数字信号处理器(Digital SignalProcessor，简称：DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，简称：ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，简称：FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件或者其任意适当组合。
如图6至图10所示，助燃气体分配单元23包括外层锥形筒231、内层锥形筒232、连接壁236、旋流叶片233及前分配单元法兰232和后分配单元法兰234。外层锥形筒231和内层锥形筒232通过连接壁236连接。内层锥形筒232的内表面上布置有旋流叶片233作为旋流结构。内层锥形筒232的内腔形成内层旋流通道237。内层锥形筒232和外层锥形筒231之间的间隔形成外层层流通道238。
助燃气体分配单元23设置为内外两层结构，可以将流经其的空气分成内外两层。内外层空气量之比例如为9：1。内层旋流通道237中，内层锥形筒232的内表面上的旋流叶片233可使流经此处的空气和燃料瓦斯旋转前进，有助于燃料与空气充分混合，提高燃烧效率，有助于燃料燃烧充分，利于减少总烃排放。外层层流通道238中，空气层流流过，流出外层层流通道238的空气为周界燃料喷口喷出的燃料(也称周界燃料，或在本实施例中更具体地称为周界瓦斯)供应助燃气体，在周界燃料与内层旋流通道237流出的燃料(也称主燃料，或在本实施例中更具体地称为主燃料瓦斯)与空气的混合物之间形成缓冲层，利于减少混合物的旋流流动对周界燃料的流动产生的影响，利于实现主燃料燃烧和周界分级燃烧，从而利于减少NOx生成。
如图6、图7、图11和图12所示，周界燃料输送单元的环形腔体24的环形内腔形成周界燃料腔室，环形腔体24的径向内侧形成中空部。环形腔体24由内筒242、外筒243、前环板245和后环板246焊接形成。前环板245和后环板246的径向内侧与内筒242焊接，前环板245和后环板246的径向外侧分别从外筒243向径向外侧突出。前环板245还作为与燃烧室本体25的连接部与燃烧室本体25的周壁后端焊接。后环板246的突出部分构成的法兰部与前分配单元法兰232通过螺栓连接。
多个周界燃料喷口设置于环形腔体24前端且位于燃烧腔室内，主燃料喷口位于环形腔体24后侧并通过中空部与燃烧腔室的后端连通。如图11和图12所示，周界燃料输送单元包括多个喷嘴244，各喷嘴244的后端连接于环形腔体24前端并与环形内腔连通，每个喷嘴244的前端形成一个周界燃料喷口。为保证周界燃料的覆盖面，周界燃料输送单元采用多喷嘴设计，如图11和图12所示，多个喷嘴244沿环形腔体24的周向均匀设置，各周界燃料喷口的喷射方向均与低氮燃烧器20的轴线平行。
周界燃料经周界燃料供应管26进入周界燃料腔室后再经各喷嘴244喷入燃烧室本体25的燃烧腔室内。
燃烧室本体25包括燃烧室壳体251、保温层252、耐火层253及前端燃烧室法兰254。保温层252布置于燃烧室壳体251内部，耐火层253布置于最内侧，中间圆柱形空腔为燃烧腔室。前端燃烧室法兰254构成燃烧室本体25的前端连接部，用于与炉体15连接。
本实施例中，燃料通过主燃料喷口和周界燃烧喷口被分为主燃料瓦斯和周界瓦斯两部分进入低氮燃烧器20的燃烧腔室。主燃料瓦斯占据中心位置，并且经过助燃气体分配单元23时在助燃气体分配单元23的内层旋流通道237内的旋流叶片233作用下成旋转形式进入燃烧腔室。周界瓦斯经周界燃料输送单元进入燃烧腔室，周界瓦斯占据燃烧腔室周圈位置。周界瓦斯量一般占总燃烧瓦斯量的10％左右。助燃空气经助燃气体分配单元23时被分为内外两层，内层助燃空气在助燃气体分配单元23的旋流叶片233的作用下以旋转形式进入燃烧腔室助燃主燃料瓦斯，外层助燃空气进入燃烧腔室助燃周界瓦斯，形成中心主火焰配周圈副火焰的燃烧形式，增加了燃烧腔室的火焰充满度，减少了局部高温区的形成，在降低燃烧初期氮氧化物生成的同时，也使燃料在燃烧器燃烧室本体25内燃烧的更加均匀，并将燃料的燃烧过程提前至燃烧腔室，使进入炉膛13内的燃料燃烧更加充分，从而降低非甲烷总烃的排放。
本公开实施例的燃烧系统启动时，在低氮燃烧器20运行后开启再燃燃烧器1。开启低氮燃烧器20时，打开第一控制阀4、第一调节阀3、第二控制阀6、第二调节阀5和第四控制阀9，从炉体15上在低氮燃烧器20附近的开口处伸入点火源进行手动点火。在未图示的实施例中，可以在低氮燃烧器20内部安装点火枪作为点火源点火。开启再燃燃烧器1时，打开第三控制阀7。用作再燃燃料的瓦斯量一般占总燃料瓦斯量的10％左右，再燃燃烧器1的喷口处设计流速一般20-25m/s。通过在主燃烧区的上部喷入在主燃烧区上部(下游)的再燃区喷入再燃燃料，可以形成燃料富集、氧气不足的还原性气氛，再燃燃料在还原性气氛下分解生成碳氢基团，与主燃烧区中已生成的NOx反应后将其还原成为N2，进一步降低NOx。再燃燃烧器1投入后再开启燃尽风系统2，以加入最后一部分空气。开启燃尽风系统2时，打开第五控制阀8、第六控制阀10和第七控制阀11。燃尽风量一般占总风量的20％-30％，喷口处设计流速一般30-35m/s。燃尽风与来自再燃区烟气中未燃尽的燃料(未燃尽的燃料主要为一氧化碳及未燃尽的碳氢化合物)发生燃烧反应，完成整个燃烧过程，降低NOx值。燃尽风开启后需减少主燃烧风风量，保持主燃烧风风量加燃尽风风量之和与开燃尽风之前主燃烧风量一致，从而保证风燃比。
通过烟气成分监测装置12监测烟气内氧含量、NOx含量、非甲烷总烃含量，通过炉膛温度监测装置17监测炉膛13温度，控制装置依据烟气成分监测装置12和炉膛温度监测装置17的监测结果确定出NOx和非甲烷总烃处于最低排放时的风燃比，并调整并前述各阀门的开度，按确定出的风燃比进行空气和瓦斯投入，实现燃烧过程精确控制，确保瓦斯加热炉的NOx和非甲烷总烃排放始终保持在合格范围内，并且处于最佳的燃烧状态中。空气总量与燃烧瓦斯总量比例例如控制在1.2：1左右，烟气氧含量控制在在0.8～1.1％左右。
本公开实施例的燃烧系统主要利用低氮燃烧器20的低氮燃烧技术、再配合空气分级技术、局部再燃还原技术及精确燃烧控制技术，实时降低NOx排放；通过低氮燃烧器20优化燃烧过程，将燃烧过程提前至低氮燃烧器20的燃烧腔室内开始，使进入炉膛13内的燃料燃烧更加充分，降低了非甲烷总烃的排放；通过对烟气内氧含量、NOx含量、非甲烷总烃含量进行监测，以及对炉膛13的温度监测，确定出NOx和非甲烷总烃处于最低排放时的空燃比，按确定出的空燃比投入空气和瓦斯，利于确保瓦斯加热炉NOx和非甲烷总烃排放始终保持在合格范围内。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本公开的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本公开进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本公开的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换，其均应涵盖在本公开请求保护的技术方案范围当中。
Claims (20)
1.一种低氮燃烧器(20)，其特征在于，包括：
燃烧室本体(25)，所述燃烧室本体(25)的前端包括用于连接燃烧炉的炉体(15)的前端连接部，所述燃烧室本体(25)具有用于燃料燃烧的燃烧腔室；
燃料供应装置，连接于所述燃烧室本体(25)的后侧，包括向所述燃烧腔室的径向中部输送燃料的主燃料输送单元(21)和向所述燃烧腔室的径向边缘的位置输送燃料的周界燃料输送单元；和
助燃气体供应装置，连接于所述燃烧室本体(25)的后侧，用于向所述燃烧腔室输送助燃气体。
2.根据权利要求1所述的低氮燃烧器(20)，其特征在于，
所述主燃料输送单元(21)具有主燃料通道、主燃料进口和主燃料喷口，所述主燃料进口和所述主燃料喷口与所述主燃料通道连通；
所述周界燃料输送单元具有周界燃料腔室、周界燃料进口和周界燃料喷口，所述周界燃料进口和所述周界燃料喷口与所述周界燃料腔室连通，所述周界燃料喷口位于所述主燃料喷口径向外侧且位于所述主燃料喷口的前侧。
3.根据权利要求2所述的低氮燃烧器(20)，其特征在于，所述周界燃料输送单元包括环形腔体(24)，所述环形腔体(24)的环形内腔形成所述周界燃料腔室，所述环形腔体(24)的径向内侧形成中空部，多个所述周界燃料喷口设置于所述环形腔体(24)前侧且位于所述燃烧腔室内，所述主燃料喷口位于所述环形腔体(24)后侧并通过所述中空部与所述燃烧腔室的后端连通。
4.根据权利要求3所述的低氮燃烧器(20)，其特征在于，所述周界燃料输送单元包括沿所述环形腔体(24)的周向布置的多个喷嘴(244)，各所述喷嘴(244)的后端连接于所述环形腔体(24)的前端并与所述环形内腔连通，每个所述喷嘴(244)的前端口形成一个所述周界燃料喷口。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的低氮燃烧器(20)，其特征在于，所述助燃气体供应装置包括助燃气体分配单元(23)，所述助燃气体分配单元(23)在前后方向上位于所述多个周界燃料喷口和所述主燃料喷口之间，所述助燃气体分配单元(23)包括内层旋流通道(237)和位于所述内层旋流通道(237)的径向外侧的外层层流通道(238)，其中：
在所述内层旋流通道(237)的后端设置旋流通道进口、在所述内层旋流通道(237)的前端设置旋流通道出口，所述内层旋流通道(237)内设置有使所述内层旋流通道(237)内的流体旋转流动的旋流结构，所述主燃料喷口位于所述内层旋流通道(237)后侧并通过所述内层旋流通道(237)与所述燃烧腔室的后端连通；
在所述外层层流通道(238)的后端设置层流通道进口，在所述外层层流通道(238)的前端设置层流通道出口，所述层流通道出口与所述燃烧腔室连通且在径向上位于所述周界燃料喷口与所述旋流通道出口之间。
6.根据权利要求5所述的低氮燃烧器(20)，其特征在于，所述周界燃料输送单元包括环形腔体(24)，所述助燃气体分配单元(23)在前后方向上位于所述环形腔体(24)和所述主燃料输送单元(21)之间，所述主燃料喷口通过所述内层旋流通道(237)和所述环形腔体(24)的中空部与所述燃烧腔室的后端连通。
7.根据权利要求5所述的低氮燃烧器(20)，其特征在于，所述助燃气体供应装置还包括供气室主体(22)，所述供气室主体(22)的前端连接于所述助燃气体分配单元(23)的后端，所述供气室主体(22)具有供气腔室和与所述供气腔室连通的助燃气体入口，所述主燃料喷口位于所述供气腔室内，所述旋流通道进口和所述层流通道进口与所述供气腔室连通。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的低氮燃烧器(20)，其特征在于，所述主燃料输送单元(21)包括主燃料出口段(211)，所述主燃料出口段(211)包括从后端向前端渐缩的缩口部，所述缩口部的前端口形成所述主燃料喷口。
9.根据权利要求7所述的低氮燃烧器(20)，其特征在于，所述主燃料输送单元(21)包括主燃料出口段(211)和主燃料供应段(212)，所述主燃料出口段(211)位于所述供气室主体(22)内且与所述供气室主体(22)一体设置，所述主燃料供应段(212)连接于所述供气室主体(22)后端且与所述主燃料出口段(211)连通。
10.根据权利要求5所述的低氮燃烧器(20)，其特征在于，
所述内层旋流通道(237)从后端向前端流通面积逐渐减小；
所述外层层流通道(238)从后端向前端流通面积逐渐减小。
11.根据权利要求5所述的低氮燃烧器(20)，其特征在于，所述助燃气体分配单元(23)包括：
内层锥形筒(232)，所述内层锥形筒(232)的后端直径大于其前端直径，所述内层锥形筒(232)的内腔形成所述内层旋流通道(237)；和
外层锥形筒(231)，所述外层锥形筒(231)的后端直径大于其前端直径且同轴间隔地套设于所述内层锥形筒(232)外，所述内层锥形筒(232)和所述外层锥形筒(231)之间的间隔形成所述外层层流通道(238)。
12.根据权利要求11所述的低氮燃烧器(20)，其特征在于，所述助燃气体分配单元(23)还包括连接壁(236)，所述连接壁(236)沿所述外层层流通道(238)内的助燃气体的流动方向设置并连接于所述内层锥形筒(232)与所述外层锥形筒(231)之间。
13.根据权利要求11所述的低氮燃烧器(20)，其特征在于，所述旋流结构包括固定于所述内层锥形筒(232)的内壁上的旋流叶片(233)。
14.根据权利要求1至4中任一项所述的低氮燃烧器(20)，其特征在于，所述燃烧室本体(25)包括：
燃烧室壳体(251)；
保温层(252)，设置于所述燃烧室壳体(251)的内壁；和
耐火层(253)，设置于所述保温层(252)的内壁，所述耐火层(253)形成所述燃烧腔室。
15.一种燃烧系统，包括燃烧炉和低氮燃烧器，其特征在于，所述低氮燃烧器为根据权利要求1至14中任一项所述的低氮燃烧器(20)，所述低氮燃烧器(20)的所述燃烧室本体(25)的前端连接部连接于所述燃烧炉的炉体(15)上，所述燃烧室本体(25)的燃烧腔室与所述燃烧炉的炉膛(13)连通。
16.根据权利要求15所述的燃烧系统，其特征在于，所述燃烧系统还包括：
再燃燃烧器(1)，所述再燃燃烧器(1)连接于所述燃烧炉的炉体(15)上并与所述燃烧炉的炉膛(13)连通，所述再燃燃烧器(1)位于所述低氮燃烧器(20)的下游；和
燃尽风系统(2)，所述燃尽风系统(2)连接于所述燃烧炉的炉体(15)上并与所述燃烧炉的炉膛(13)连通，所述燃尽风系统(2)位于所述再燃燃烧器(1)的下游。
17.根据权利要求16所述的燃烧系统，其特征在于，所述燃烧系统还包括：
烟气成分监测装置(12)，用于获取所述燃烧炉的烟气成分监测信息；
控制装置，与所述烟气成分监测装置(12)信号连接，所述控制装置被配置为根据所述烟气成分监测信息修正所述燃烧炉的助燃气体与燃料配比，并根据修正后的所述燃烧炉的助燃气体与燃料配比调节所述低氮燃烧器(20)的燃料量和助燃气体量、所述再燃燃烧器(1)的燃料量和所述燃尽风系统(2)的助燃气体量。
18.根据权利要求17所述的燃烧系统，其特征在于，所述燃烧系统还包括炉膛温度监测装置(17)，所述炉膛温度监测装置(17)用于监测所述炉膛(13)的温度并与所述控制装置信号连接，所述控制装置被配置为根据所述烟气成分监测信息和所述炉膛(13)的温度修正所述燃烧炉的助燃气体与燃料配比。
19.根据权利要求17所述的燃烧系统，其特征在于，所述烟气成分监测信息包括所述烟气的NOx含量信息、非甲烷总烃含量信息和氧含量信息中至少一种。
20.根据权利要求15所述的燃烧系统，其特征在于，所述燃烧炉为瓦斯加热炉。
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2019
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