CN110107889A - 一种烟气双路循环以及燃烧区分割的低氮燃烧器系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种烟气双路循环以及燃烧区分割的低氮燃烧器系统，属于煤化工领域。本发明的低氮燃烧器系统包括进料部和燃烧部，所述进料部从外到内依次包括同轴设置的外筒体、内强旋燃料喷枪、外风筒、外弱旋燃料喷枪、内风筒、中心燃料喷枪。本发明的燃烧器系统能实现一部分烟气回流与空气混合，降低空气中氧气浓度，另一部分烟气通过强旋流形成中心高温烟气回流区，烟气和火焰的混合均匀，使得炉膛热交换更加高效，既保证燃烧区充分燃烧又达到降低燃烧区火焰温度、抑制燃烧区氮氧化物生成的目的；形成的多个火焰分割区提高了燃烧效率，减少局部高温火焰，达到低负荷稳定燃烧，从而大大降低了氮氧化物的生成。
Description
技术领域
本发明涉及燃烧器技术领域，尤其涉及一种烟气双路循环以及燃烧区分割的低氮燃烧器系统。
背景技术
氮氧化物是大气污染的元凶之一，国家对氮氧化物的排放限制不断趋严，因此，我国已对锅炉大气污染物的排放制定了相关标准，对锅炉的低氮改造刻不容缓。
燃烧设备及燃烧器的类型是一个影响锅炉排放的NOx的因素之一。低氮燃烧技术，是通过炉内脱氮或尾部脱氮来实现排放物中NOx现有的一些低氮燃烧器，主要以燃烧分级、浓淡燃烧为基础，但燃料和空气分配不合理，经常造成燃烧不完全，燃烧不稳定，燃烧效率低，NOx排放不满足环保要求等问题。
CN20740734U公开了一种低氮燃烧器，它解决了现有的燃烧器的结构较为复杂且燃烧效率较低的问题。该低氮燃烧器包括轴向贯通的燃烧筒，燃烧筒内固连有燃气管，燃气管内固连有空气管，空气管的腔体与燃气管的腔体相隔离，空气管的下端与燃烧筒的下端相连通，燃气管的上端固连有燃烧板，燃烧板上均布设有贯穿的流通孔，燃烧板上固连有若干水平设置的喷气管，喷气管的内端与燃气管相连通，燃气管的外端与燃烧筒相连通，燃气管的下端内侧设有叶轮，叶轮包括若干倾斜设置的叶片。该低氮燃烧器具有结构简单、燃烧效率较高的优点。
CN107270287A公开了一种低氮燃烧器，包括燃烧器筒体、分配通道套筒、管道套筒、燃气分配器及导流装置。燃气分配器包括对通入的燃气进行多级分配的分配管道和若干燃气喷管。分配管道包括第一分配管道和第二分配管道，第一分配管道与燃气进口管道连通，第一分配管道和第二分配管道之间通过若干管道连通，第一分配管道与第一燃气喷管连通，第二分配管道与第二燃气喷管连通。该燃烧器通过将燃气与空气分区以及燃气分多级喷出的结构设置，不仅提高了燃烧效率，且使得燃烧时燃烧炉中心温度大大降低，从而降低NOx的生成。
然而，现有的低氮燃烧炉，均只考虑燃料与空气阶段混合的问题，造成炉内燃烧不充分、CO含量超标等问题，即使进行了结构的改造的现有燃烧器，但仍然存在燃烧不充分，产生过多还原性气体的缺陷。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种烟气双路循环以及燃烧区分割的低氮燃烧器系统。
本发明提出的烟气双路循环以及燃烧区分割的低氮燃烧器系统，包括同轴设置的进料部和燃烧部，所述进料部包括内强旋燃料入口、内强旋燃料传输管、内强旋环形分配管、多个内强旋燃料喷枪、外弱旋燃料入口、外弱旋燃料传输管、外弱旋环形分配管、若干外弱旋燃料喷枪、中心燃料入口、中心燃料喷枪、旋流风进风口、旋流风通道、直流风进风口、直流风通道、 燃料混合腔，内强旋燃料入口连接内强旋燃料传输管，内强旋燃料传输管与内强旋环形分配管连通，多个所述内强旋燃料喷枪沿燃烧器系统轴向方向安装在所述内强旋环形分配管上，任意两个相邻的所述内强旋燃料喷枪之间的距离相等，外弱旋燃料入口连接外弱旋燃料传输管，外弱旋燃料传输管与外弱旋环形分配管连通，多个所述外弱旋燃料喷枪沿燃烧器系统轴向方向安装在所述外弱旋环形分配管上，任意两个相邻的所述外弱旋燃料喷枪之间的距离相等，旋流风进风口连接旋流风通道，直流风进风口连接直流风通道，中心燃料入口连接燃料混合腔，燃料混合腔的出口与中心燃料喷枪连接，所述进料部朝向燃烧部的端部内，其径向方向由外到内依次包括：外筒体、多个内强旋燃料喷枪、外风筒、多个外弱旋燃料喷枪、内风筒、中心燃料喷枪，所述外风筒为旋流风通道，内风筒为直流风通道，所述燃烧部包括各个喷枪口形成的不同燃烧分割区及烟气回流Ⅰ区和烟气回流Ⅱ区。
优选地，所述外筒体上设置有外风门和内风门，外筒体的端部固定连接有导流收缩罩，导流收缩罩外套设有烟气回流罩。
优选地，多个所述内强旋燃料喷枪的喷口为45度大切角设计，与旋流风相配合。
优选地，多个所述外弱旋燃料喷枪的喷口为10度小切角设计，与直流风相配合。
优选地，多个所述内强旋燃料喷枪的喷口端设置有旋流叶片，所述内强旋燃料喷枪另一端设置有旋流叶片调节装置。
优选地，多个所述外弱旋燃料喷枪的喷口端设置有旋流叶片，所述外弱旋燃料喷枪另一端设置有旋流叶片调节装置。
优选地，所述外风筒设置在外筒体内，内强旋燃料喷枪设置在外筒体与外风筒之间，外弱旋燃料喷枪设置在外风筒内侧，内风筒设置在外弱旋燃料喷枪与中心燃料喷枪之间，在内外燃料喷枪两端分别设置有旋流叶片和旋流叶片调节装置。
优选地，所述烟气回流罩上连接有回流罩伸缩拉杆，回流罩伸缩拉杆的轴线与烟气回流罩的轴线平行。
优选地，所述中心燃料喷枪为外旋流喷头。
优选地，4%的燃料通过中心燃料喷枪喷出，流速为25m/s；内强旋燃料喷枪和外弱旋燃料喷枪喷出的燃料各占总燃料的48%，压力为120KPa，流速为250m/s。
本发明相比于现有技术，优点至少在于：
1. 本发明的燃烧器系统可以实现高效的烟气双循环及燃烧区分割旋流场形态。所述燃烧器能够实现一部分烟气回流与空气混合，降低空气中氧气浓度，另一部分烟气通过强旋流形成中心高温烟气回流区，烟气和火焰的混合均匀，使得炉膛热交换更加高效，既保证燃烧区充分燃烧又达到降低燃烧区火焰温度、抑制燃烧区氮氧化物生成的目的；形成的多个火焰分割区提高了燃烧效率，减少局部高温火焰，达到低负荷稳定燃烧，从而大大降低了氮氧化物的生成。
2. 进料部的燃料喷枪一般6～20个左右，以进料部外筒体中心为圆心周向布置，可以布置两组或多组，各燃料喷枪的长短也可以不同（需提前定制），从而可以人为控制燃烧时的燃烧的时间、地点，实现燃烧区域分割，提高燃气发散程度，增大火焰散热面积，同时保证火焰的稳定性，降低高温区温度，降低NOx排放。
3. 空气分级进入进料部。旋流风通过进料部外筒体与内强旋燃料喷枪之间的外风筒进入燃烧部，外风筒的导流部件将导流形成的旋流风送至内强旋燃料喷枪的喷头端。直流风通过内风筒进入燃烧部，内风筒的导流部件将导流形成的直流风送至外弱旋燃料喷枪的喷头端。旋流风与内强旋燃料喷枪、直流风与外弱旋燃料喷枪分别配合分级相结合，可以在燃烧区域形成特殊的流场形式。同时，中心燃料喷枪的喷头外旋流形成的外张的流场又在中心区域形成了一个内部烟气回流。回流的高温烟气有助于维持中心燃料点火所需的能量，提高中心火焰的稳定程度。在中心燃料喷枪外围的外弱旋燃料喷枪的喷头外周设旋流件形成的二次旋流在中心旋流风的流型外形成了包裹的旋流风，为外围的燃料提供过量的空气，通过旋流提高空气与燃料的燃烧时间。
4.通过对燃料喷枪的不同长度、喷口角度调节对燃烧区深度分割，依据燃料特性、燃烧部尺寸等条件变化而采用不同的阵列方式：周向分级、中心向外围层式分级、以及根据燃料喷枪喷射方向和伸入炉膛距离的轴向分级。喷头为45度倾斜口，它可以旋转而改变喷射方向，各个喷枪申入炉膛的长短可以定制，形成错位，实现燃烧区分割的目的。
5. 燃料喷枪分为内旋和外旋相结合，旋转强度可调的结构形式，在提高燃气发散程度，控制不同燃气喷枪燃烧速度的情况下，同时保证火焰的稳定性，降低NOx排放。
6.本燃烧系统不仅适用于气体燃料同样也适用于其他液态燃料。
附图说明
图1是低氮燃烧器系统的结构示意图。
图2是燃烧部内火焰分布示意图。
图3是燃烧部内火焰温度分布示意图。
图中：1燃料混合腔、2外弱旋燃料喷枪、3旋流叶片调节装置、4中心燃料喷枪、5外风门、6内风门、7回流罩伸缩拉杆、8导流收缩罩、9外风筒、10内风筒、11旋流叶片、12内强旋燃料喷枪、13烟气回流罩、14外筒体、15支架。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例。
参照图1-3，一种烟气双路循环以及燃烧区分割的低氮燃烧器系统，包括同轴设置的进料部和燃烧部，进料部包括内强旋燃料入口、内强旋燃料传输管、内强旋环形分配管、多个内强旋燃料喷枪12、外弱旋燃料入口、外弱旋燃料传输管、外弱旋环形分配管、若干外弱旋燃料喷枪2、中心燃料入口、中心燃料喷枪4、旋流风进风口、旋流风通道、直流风进风口、直流风通道、 燃料混合腔1。内强旋燃料入口、内强旋燃料传输管、内强旋环形分配管、外弱旋燃料入口、外弱旋燃料传输管、外弱旋环形分配管在进料部左侧端部，图中未示出。内强旋燃料入口连接内强旋燃料传输管，内强旋燃料传输管与内强旋环形分配管连通，多个内强旋燃料喷枪12沿燃烧器系统轴向方向安装在内强旋环形分配管上，任意两个相邻的内强旋燃料喷枪12之间的距离相等。外弱旋燃料入口连接外弱旋燃料传输管，外弱旋燃料传输管与外弱旋环形分配管连通，多个外弱旋燃料喷枪2沿燃烧器系统轴向方向安装在外弱旋环形分配管上，任意两个相邻的外弱旋燃料喷枪2之间的距离相等。旋流风进风口连接旋流风通道，直流风进风口连接直流风通道，中心燃料入口连接燃料混合腔1，燃料混合腔1的出口与中心燃料喷枪4连接。进料部朝向燃烧部的端部内，其径向方向由外到内依次包括：外筒体14、多个内强旋燃料喷枪12、外风筒9、多个外弱旋燃料喷枪2、内风筒10、中心燃料喷枪4，外风筒9为旋流风通道，内风筒10为直流风通道，燃烧部包括各个喷枪口形成的不同燃烧分割区及烟气回流Ⅰ区和烟气回流Ⅱ区。
外筒体14上设置有外风门5和内风门6，外筒体14的端部固定连接有导流收缩罩8，导流收缩罩8外套设有烟气回流罩13，烟气回流罩13为两端开口的管状结构，烟气回流罩13与外筒体14之间设置支撑板15，支撑板15的两个平行板分别接触外筒体14外壁、烟气回流罩13内壁，烟气回流罩13可沿外筒体14的轴线前后滑动。导流收缩罩8与烟气回流罩13之间具有烟气回流通道，形成烟气回流区Ⅰ，燃烧部由于中心燃料喷口速度远低于外围强弱旋流燃料喷口速度，在此处造成压差，形成烟气回流Ⅱ区。
多个内强旋燃料喷枪12的喷口为45度大切角设计，与旋流风相配合，多个外弱旋燃料喷枪2的喷口为10度小切角设计，与直流风相配合。多个外弱旋燃料喷枪2的喷口设置有旋流叶片11，外弱旋燃料喷枪2另一端设置有旋流叶片调节装置3。
外风筒9设置在外筒体14内，内强旋燃料喷枪12设置在外筒体14与外风筒9之间，外弱旋燃料喷枪2设置在外风筒9内侧，内风筒10设置在外弱旋燃料喷枪2与中心燃料喷枪4之间。外弱旋燃料喷枪2两端分别设置有旋流叶片11和旋流叶片调节装置3。烟气回流罩13可沿外筒体14的轴线前后滑动，导流收缩罩8与烟气回流罩13之间的烟气回流通道形成烟气回流区Ⅰ。由于设置了烟气回流罩13，且在导流收缩罩8与烟气回流罩13之间具有烟气回流通道，燃气和空气构成的混合气经导流收缩罩8加速，从而在烟气回流罩13内形成低于炉膛压力的负压，在负压的作用下，炉膛内的烟气回流进入火焰区域，稀释了混合气中的氧浓度，延长了燃料的燃烧时间，降低了燃烧强度，避免高温区的产生，最终实现降低NOx排放的目的。
烟气回流罩13上连接有回流罩伸缩拉杆7，回流罩伸缩拉杆7的轴线与烟气回流罩13的轴线平行。通过推拉回流罩伸缩拉杆7，来控制烟气回流罩13的位置，通过调节烟气回流罩13的位置来控制烟气回流罩13与炉膛侧壁之间的距离，从而直接调节流经烟气回流通道的烟气循环量，也即控制对混合气中的氧浓度冲淡的程度，以来控制燃烧，最总实现降低NOx排放量的目的。
通过强旋流形成中心高温烟气回流区Ⅱ，从而配合中心燃料，达到对火焰低负荷稳定燃烧的目的，最终降低NOx的排放；约4%的燃料通过中心燃料喷枪4喷出，其流速约为25m/s，中心燃料速度远低于外强旋燃料枪2和内弱旋燃料喷枪12，与回流的热烟气组合，以保证燃烧器在降低NOx生成量的同时实现低负荷燃烧，形成中心回流和稳燃火焰分割区；外筒体14上设置有外风门5和内风门6，打开外风门5和内风门6，空气分别通过外风筒9和内风筒10进入，外风筒9内的空气形成旋流风，内风筒10内空气在内风筒10内形成直流风，强旋燃料喷枪12的喷口45度大切角与旋流风方向相反，外弱旋喷枪2的喷口10度小切角与直流风方向相反，内强旋和外弱旋燃料各占总燃料的约48%，压力达到120KPa左右，流速达到250m/s左右，内强旋燃料与旋流风混合，外弱旋燃料与直流风混合，使得燃料与助燃空气充分混合，形成多股多层次火焰，从而形成主燃烧旋流强化火焰分割区和燃气对冲燃尽火焰分割区。
虽然以上描述了本发明的优选实施方案，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方案做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种烟气双路循环以及燃烧区分割的低氮燃烧器系统，包括同轴设置的进料部和燃烧部，其特征在于，所述进料部包括内强旋燃料入口、内强旋燃料传输管、内强旋环形分配管、多个内强旋燃料喷枪（12）、外弱旋燃料入口、外弱旋燃料传输管、外弱旋环形分配管、若干外弱旋燃料喷枪（2）、中心燃料入口、中心燃料喷枪（4）、旋流风进风口、旋流风通道、直流风进风口、直流风通道、 燃料混合腔（1），内强旋燃料入口连接内强旋燃料传输管，内强旋燃料传输管与内强旋环形分配管连通，多个所述内强旋燃料喷枪（12）沿燃烧器系统轴向方向安装在所述内强旋环形分配管上，任意两个相邻的所述内强旋燃料喷枪（12）之间的距离相等，外弱旋燃料入口连接外弱旋燃料传输管，外弱旋燃料传输管与外弱旋环形分配管连通，多个所述外弱旋燃料喷枪（2）沿燃烧器系统轴向方向安装在所述外弱旋环形分配管上，任意两个相邻的所述外弱旋燃料喷枪（2）之间的距离相等，旋流风进风口连接旋流风通道，直流风进风口连接直流风通道，中心燃料入口连接燃料混合腔（1），燃料混合腔（1）的出口与中心燃料喷枪（4）连接，所述进料部朝向燃烧部的端部内，其径向方向由外到内依次包括：外筒体（14）、多个内强旋燃料喷枪（12）、外风筒（9）、多个外弱旋燃料喷枪（2）、内风筒（10）、中心燃料喷枪（4），所述外风筒（9）为旋流风通道，内风筒（10）为直流风通道，所述燃烧部包括各个喷枪口形成的不同燃烧分割区及烟气回流Ⅰ区和烟气回流Ⅱ区。
2.根据权利要求1所述的一种烟气双路循环以及燃烧区分割的低氮燃烧器系统，其特征在于，所述外筒体（14）上设置有外风门（5）和内风门（6），外筒体（14）的端部固定连接有导流收缩罩（8），导流收缩罩（8）外套设有烟气回流罩（13）。
3.根据权利要求1所述的一种烟气双路循环以及燃烧区分割的低氮燃烧器系统，其特征在于，多个所述内强旋燃料喷枪（12）的喷口为45度大切角设计，与旋流风相配合。
4.根据权利要求1所述的一种烟气双路循环以及燃烧区分割的低氮燃烧器系统，其特征在于，多个所述外弱旋燃料喷枪（2）的喷口为10度小切角设计，与直流风相配合。
5.根据权利要求1所述的一种烟气双路循环以及燃烧区分割的低氮燃烧器系统，其特征在于，多个所述内强旋燃料喷枪（12）的喷口端设置有旋流叶片（11），所述内强旋燃料喷枪（12）另一端设置有旋流叶片调节装置（3）。
6.根据权利要求1所述的一种烟气双路循环以及燃烧区分割的低氮燃烧器系统，其特征在于，多个所述外弱旋燃料喷枪（2）的喷口端设置有旋流叶片（11），所述外弱旋燃料喷枪（2）另一端设置有旋流叶片调节装置（3）。
7.根据权利要求1所述的一种烟气双路循环以及燃烧区分割的低氮燃烧器系统，其特征在于，所述外风筒（9）设置在外筒体（14）内，内强旋燃料喷枪（12）设置在外筒体（14）与外风筒（9）之间，外弱旋燃料喷枪（2）设置在外风筒（9）内侧，内风筒（10）设置在外弱旋燃料喷枪（2）与中心燃料喷枪（4）之间，在内外燃料喷枪两端分别设置有旋流叶片（11）和旋流叶片调节装置（3）。
8.根据权利要求2所述的一种烟气双路循环以及燃烧区分割的低氮燃烧器系统，其特征在于，所述烟气回流罩（13）上连接有回流罩伸缩拉杆（7），回流罩伸缩拉杆（7）的轴线与烟气回流罩（13）的轴线平行。
9.根据权利要求1所述的一种烟气双路循环以及燃烧区分割的低氮燃烧器系统，其特征在于，所述中心燃料喷枪（4）为外旋流喷头。
10.根据权利要求1所述的一种烟气双路循环以及燃烧区分割的低氮燃烧器系统，其特征在于，4%的燃料通过中心燃料喷枪（4）喷出，流速为25m/s；内强旋燃料喷枪（12）和外弱旋燃料喷枪（2）喷出的燃料各占总燃料的48%，压力为120KPa，流速为250m/s。
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