CN110360568A - 一种低氮燃烧装置及方法 - Google Patents

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郭行
王高月
宋少鹏
贺应杰
高峰
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Abstract

本发明涉及一种低氮燃烧装置及其使用方法，该装置包括：外壳体、分气室、多个混气管、防回火腔、燃烧室、点火针、换热管排、第一进水管、第一出水管、第二进水管和第二出水管，其中，防回火腔设置在分气室后侧，多个混气管横向均匀排布在防回火腔内，点火针设置在燃烧室内且紧贴防回火腔的壁面，换热管排设置在防回火腔的后侧，其与防回火腔之间的间距为40‑80mm，防回火腔连接第一进水管和第一出水管，换热管排连接第二进水管和第二出水管。该低氮燃烧装置综合利用水冷技术、预混技术、防回火技术，通过降低火焰面温度有效减少氮氧化物的排放，解决了目前市场上全预混冷凝锅炉存在氮氧化物、一氧化碳排放较高或预混回火等问题，可广泛适合于商业或生活上的分布式供热系统。

Description

一种低氮燃烧装置及方法
技术领域
本发明涉及一种燃烧装置，特别是一种低氮燃烧装置。
背景技术
氮氧化物的排放是形成大气雾霾、酸雨的重要原因，为了加大环境治理力度，环保部门日益收严氮氧化物的排放标准，要求已有锅炉要进行低氮改造，新建锅炉要采用低氮燃烧技术，以确保氮氧化物排放量在30mg/m3以下。
根据燃烧机理，当燃烧火焰锋面温度高于1500℃时，就开始生成氮氧化物，且火焰锋面温度每升高100℃，氮氧化物的合成速度就增加6-7倍。
为了降低氮氧化物的排放，就必须降低火焰的锋面温度，近来，人们开始研发全预混冷凝锅炉，这种锅炉采用预混技术和换热冷凝技术，不仅可以降低氮氧化物的排放，而且可以实现节能，达到节能、环保的目的。
预混技术是将燃气与空气在燃烧前以一定的比例进行混合，通过增大过量空气系数增加火焰区的吸热工质来降低火焰的温度，进而降低氮氧化物的生成。
换热冷凝技术是通过高传热系数的换热管将火焰产生的热量传给换热管内的水，水将热量导出，降低火焰区的温度，抑制热力型氮氧化物的生成，另外，换热冷凝技术充分利用了燃烧产生的热量，能够提高锅炉的热效率。
中国专利CN207394839U所公开的一种条缝式火焰燃烧装置就是利用了全预混冷凝技术，其中的预混气从竖长条形缝隙中喷出，但因缝隙过长，易造成分气不均匀，高温火焰局部集中，使氮氧化物排放量升高。另外，为了稳定火焰，该专利技术中设置了一排稳焰管，该稳焰管设置在火焰中，稳焰管内的水使火焰温度迅速降低会引起CO排放量升高。
发明内容
为了降低火焰温度，又不至于提高CO排放量，同时为了防止出现回火现象，本发明提供一种低氮燃烧装置及燃烧装置的使用方法。
具体来说，本发明的技术方案如下：
本发明提供一种低氮燃烧装置技术方案，其包括：外壳体1、分气室2、多个混气管5、防回火腔9、燃烧室3、点火针4、换热管排8、第一进水管6、第一出水管7、第二进水管10和第二出水管11，其中，防回火腔9设置在分气室2后侧，多个混气管5横向排布在防回火腔9内，并且穿过所述防回火腔9壁与燃烧室3相接，点火针4设置在所述燃烧室3内且紧贴防回火腔9的壁面，所述燃烧室3位于所述防回火腔9的后侧，换热管排8设置在防回火腔9的后侧且位于燃烧室3内，所述防回火腔9与所述换热管排8之间设置有间隙，所述防回火腔9连接第一进水管6和第一出水管7，所述换热管排8连接第二进水管10和第二出水管11；
其中，第一进水管(6)和第二进水管(10)分别位于外壳体(1)的一端，第一出水管(7)和第二出水管(11)分别位于外壳体(1)的另一端。
根据上述技术方案中的低氮燃烧装置，其中，换热管排8与防回火腔9之间的间距为40-80mm。还优选所述各混气管5横向均匀排布在防回火腔9内。
根据上面任一项技术方案中所述的低氮燃烧装置，其中，多个混气管5呈矩形排布。
根据上面任一项技术方案中所述的低氮燃烧装置，其中，混气管5的直径是1.5-3mm。
根据上面任一项技术方案中所述的低氮燃烧装置，其中，混气管5的长度与防回火腔9的长度相同，且其长度与其直径之比大于6。
根据上面任一项技术方案中所述的低氮燃烧装置，其中，多个混气管5的纵向排数M1≥2，横向排数N1≥2。
根据上面任一项技术方案中所述的低氮燃烧装置，其中，多个混气管5两两之间的横向间距是18-22mm，纵向间距是4-6mm。
根据上述低氮燃烧装置，其中，换热管排8呈三角形分布，纵向排数M2≥2，横向排数N2≥2。
根据上面任一项技术方案中所述的低氮燃烧装置，其中，第一进水管6和第二进水管10分别位于外壳体1的下侧，第一出水管7和第二出水管11分别位于外壳体1的上侧。
本发明还提供上述低氮燃烧装置的使用方法的技术方案，是使空气与燃气在进入低氮燃烧装置前完成全预混，预混气首先通过外壳体1的入口进入分气室2，在分气室2内实现均流均压后通过多个混气管5进入燃烧室3，经防回火腔9后侧的点火针4引燃并在燃烧室3内燃烧，燃烧产生的烟气横向流过换热管排8，与换热管排8内的冷水充分换热降温后由烟道排出；第一冷水经第一进水管6进入防回火腔9，最后经第一出水管7流出，第二冷水经第二进水管10进入换热管排8，最后经第二出水管11流出。
根据上述使用方法，其中，混气管5出口处预混气的流速是4m/s-10m/s。
综上，本发明的一种低氮燃烧装置综合利用水冷技术、预混低氮燃烧技术和防回火技术，通过降低火焰温度有效减少氮氧化物的排放。该低氮燃烧装置具有结构简单、污染物排放低、燃烧稳定、热效率高、防回火等优点，解决了目前市场上全预混冷凝锅炉存在氮氧化物、一氧化碳排放较高或预混易回火等问题，广泛适合于商业或生活上的分布式供热系统。
与现有技术相比，本发明取得了如下有益效果：
1、燃气与空气提前预混，并设计特殊的预混气通道，使燃烧火焰面积大，避免高温区域集中；
2、利用冷水降低高温火焰面的温度，可有效降低氮氧化物；
3、本发明设计了特殊气体通道和换热冷却火焰实现防回火，解决了预混回火问题。
附图说明
图1是一个实施方案中低氮燃烧装置俯视图；
图2是一个实施方案中防回火腔与混气管结构部分剖面图；
图3是一个实施方案中防回火腔与混气管俯视图；
图4是一个实施方案中换热管排俯视图；
图5是一个实施方案中混气管俯视图；
图6是一个实施方案中混气管正视图。
其中：1、外壳体；2、分气室；3、燃烧室；4、点火针；5、混气管；6、第一进水管；7、第一出水管；8、换热管排；9、防回火腔；10、第二进水管；11、第二出水管。
具体实施方式
本发明综合利用水冷技术、预混技术、防回火技术，具有结构简单、污染物排放低、燃烧稳定、热效率高等优点，解决了目前市场上全预混冷凝锅炉存在氮氧化物、一氧化碳排放较高或预混回火等问题，广泛适合于商业或生活上的分布式供热系统。下面结合附图详细阐述本发明。
如图1-6所示，本发明的低氮燃烧装置外侧为外壳体1，分气室2连接防回火腔9，混气管5穿过防回火腔9，第一进水管6和第一出水管7分别连接防回火腔9，第二进水管10和第二出水管11分别连接换热管排8，点火针4设置于燃烧室3内且紧贴防回火腔的壁面，防回火腔9后侧连接换热管排8且换热管排8与防回火腔9之间的间隙距离距为40-80mm，混气管5内流通预混气，防回火腔9和换热管排8内流通冷水。
在本发明的低氮燃烧装置具体一装置中，如图1所示，本发明的低氮燃烧装置结构为，其包括：外壳体1、分气室2、多个混气管5、防回火腔9、燃烧室3、点火针4、换热管排8、第一进水管6、第一出水管7、第二进水管10和第二出水管11，其中，防回火腔9设置在分气室2后侧，多个混气管5横向排布在防回火腔9内，并且穿过所述防回火腔9壁与燃烧室3相接，点火针4设置在所述燃烧室3内且紧贴防回火腔9的壁面，所述燃烧室3位于所述防回火腔9的后侧，换热管排8设置在防回火腔9的后侧且位于燃烧室3内，所述防回火腔9与所述换热管排8之间设置有间隙，所述防回火腔9连接第一进水管6和第一出水管7，所述换热管排8连接第二进水管10和第二出水管11；其中，第一进水管6和第二进水管10分别位于外壳体1的一端，第一出水管7和第二出水管11分别位于外壳体1的另一端。
在一个具体实施方案中，空气与燃气在进入低氮燃烧装置前完成全预混，预混气首先通过外壳体1的入口进入分气室2，分气室2具有均流均压作用，预混气进入分气室2后快速充满整个分气室2，在分气室2内实现均流均压，再通过混气管5进入燃烧室3，经防回火腔9后侧的点火针4引燃并在燃烧室3内稳定燃烧。燃烧产生的烟气横向流过换热管排8，与换热管排8内的冷水充分换热降温，最终由烟道排出。
在本发明的一个具体实施方案中，为了防止预混燃烧回火，采用冷却的方式使火焰熄灭。因混气管5穿过防回火腔9，当火焰进入混气管5内时，防回火腔9内的冷水在管5外壁面流过的同时带走混气管5内火焰的热量，当火焰的热量不足以维持火焰燃烧时，火焰会逐渐熄灭。防回火腔9内循环水流动方式为：由水泵抽取冷水经外壳体1下侧的第一进水管6进入防回火腔9，最后从外壳体1上侧的第一出水管7流出。
在另一个具体实施方案中，本发明人发现：混气管5的直径d和长度a对回火影响较大，为了更好的实现防回火，使混气管5的直径d小于火焰的熄火距离，并根据火焰的传播速度设计圆管长度a。优选的，混气管5的直径d为1.5-3mm，长度a与防回火腔9的长度一致，且长度a与直径d之比大于6。以上参数的设定足以使混气管5内的回火被防回火腔9内流通的冷水冷却熄灭，回火不会进入分气室2内引燃预混气，产生爆燃。
在另一个具体实施方案中，混气管5作为预混气通道呈矩形排布，如图6所示。混气管5呈矩形排布使得分气室2内的预混气可以均匀经过混气管5，且由混气管5出口喷出的预混气也是均匀的，此结构设计的燃烧火焰不会形成高温集中区域，可有效降低热力型NOx。
另外，矩形排布的各混气管间距对火焰的稳定性和分布有很大的影响，若横向间距c过小(如图6所示)，每管的预混气燃烧火焰会有叠加，使得该区域火焰温度过高，生成大量的热力型NOx，若横向间距c过大，首先点燃的预混气不易引燃周围的预混气且火焰会脱离，严重影响火焰稳定性，优选的，横向间距c为18mm-22mm。纵向间距b(如图5和图6所示)过小，火焰叠加不利于降低NOx，纵向间距b过大，使混气管出口预混气的流速较大，燃烧火焰被吹向下游甚至吹熄，优选的，纵向间距b为4mm-6mm。
在另一具体实施方案中，因空气与燃料采用全预混燃烧方式，当预混气流速小于火焰传播速度时，极易产生回火现象，流速较大易产生脱火甚至熄火现象，流速较小易产生回火现象。因此，混气管出口的预混气流速对火焰影响较大，在具体优选实施方案中，将混气管5出口处的预混气的流速设计为4m/s-10m/s。在此流速下，火焰可以稳定燃烧不被吹熄，且不易回火。为了实现以上预混气的流速，设计管的纵向排数M1≥2、横向排数N1≥2。
在另一具体实施方案中，通过调整换热管排8和防回火腔9之间的距离使火焰尾部控制在换热管排8与防回火腔9之间。优选的，防回火腔9和换热管8之间的距离为40-80mm。因预混燃烧火焰的长度短，且氮氧化物一般在火焰后侧生成，此距离下火焰与换热管排内的冷水换热效果最佳，可大大抑制氮氧化物的生成。
另外，为了有效降低氮氧化物和提高烟气的热量利用率，将换热管排设计为三角形排布。优选的，换热管排的纵向排数M2≥2，横向排数N2≥2。
实施例一
如图1所示，本发明的一种低氮燃烧装置中，外侧为外壳体1，当启动该装置时候，将空气与燃气在进入低氮燃烧装置前完成全预混，预混气首先通过外壳体1的入口进入分气室2，分气室2具有均流均压作用，预混气进入分气室2后快速充满整个分气室2，在分气室2内实现均流均压，再通过穿过防回火腔9的混气管5(圆柱形管)进入燃烧室3，经防回火腔9后侧的点火针4引燃并在燃烧室3内稳定燃烧。燃烧产生的烟气横向流过换热管排8，与换热管排8内的冷水充分换热降温，最终由烟道排出。其中，换热管排8与防回火腔9之间的间距为42mm，混气管5的直径d为2mm，长度与防回火腔9长度一致，且长度a与直径d之比为7；混气管5出口处的预混气的流速设计为4m/s-10m/s之间变化，矩形分布的混气管5横向间距c为20mm，纵向间距b为5mm。
对于上述装置，考察预混气的流速在4m/s-10m/s(燃气与空气的混合比例处于1:10.48-1:13.33，流速变化是燃气与空气总量变化引起出口流速变化的，混合比例对该流速影响较小)之间变化时，燃烧后氮氧化物、一氧化碳等废气的排放量，具体测定结果如下表1所示。
表1 不同燃气流量燃烧产物成分的试验结果表
由表1可看出，不同天然气流量下，NOx排放均在16mg/m3(折算氧含量3.5％)以下，CO排放均在26mg/m3(折算氧含量3.5％)以下，因此，该装置可有效降低NOx、CO排放。
实施例二
与实施例1的装置结构和相关参数基本相同，其区别仅在于，将所述矩形排布的各混气管间距设置为，横向间距c为15mm，纵向间距b为8mm。所述防回火腔9和换热管8之间的距离为42mm。
对于上述装置，考察预混气的流速在4m/s-10m/s之间变化时，燃烧后氮氧化物、一氧化碳等废气的排放量，具体测定结果如下表2所示。
表2 不同燃气流量燃烧产物成分的试验结果表
由表1和表2可看出，混气管横向间距c由20mm减小至15mm，同时保证预混气的流速为4m/s-10m/s不变，将纵向间距b由5mm增加至8mm，此时，NOx排放增加，CO排放有所降低，因为火焰产生了叠加，局部火焰温度较高。综上，本发明的低氮燃烧装置综合利用水冷技术、预混低氮燃烧技术和防回火技术，通过降低火焰温度有效减少氮氧化物的排放。其中，将燃气与空气提前预混，并设计特殊的预混气通道，使燃烧火焰面积大，避免高温区域集中；利用冷水降低高温火焰面的温度，可有效降低氮氧化物；本发明设计了特殊气体通道和换热冷却火焰实现防回火，解决了预混回火问题。
以上是结合附图对本发明进行的详细介绍，本文中应用具体实施方案对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施方案的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域技术人员，依据本发明的思想和原理，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，这些改变均应包括在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种低氮燃烧装置，其包括：外壳体(1)、分气室(2)、多个混气管(5)、防回火腔(9)、燃烧室(3)、点火针(4)、换热管排(8)、第一进水管(6)、第一出水管(7)、第二进水管(10)和第二出水管(11)，其中，防回火腔(9)设置在分气室(2)后侧，多个混气管(5)横向排布在防回火腔(9)内，并且穿过所述防回火腔(9)壁与燃烧室(3)相接，点火针(4)设置在所述燃烧室(3)内且紧贴防回火腔(9)的壁面，所述燃烧室(3)位于所述防回火腔(9)的后侧，换热管排(8)设置在防回火腔(9)的后侧且位于燃烧室(3)内，所述防回火腔(9)与所述换热管排(8)之间设置有间隙，所述防回火腔(9)连接第一进水管(6)和第一出水管(7)，所述换热管排(8)连接第二进水管(10)和第二出水管(11)；
其中，第一进水管(6)和第二进水管(10)分别位于外壳体(1)的一端，第一出水管(7)和第二出水管(11)分别位于外壳体(1)的另一端。
2.根据权利要求1所述的低氮燃烧装置，其中，换热管排(8)与防回火腔(9)之间的间隙距离为40-80mm。
3.根据权利要求1或2所述的低氮燃烧装置，其中，多个混气管(5)呈矩形排布。
4.根据权利要求1-3任一项所述的低氮燃烧装置，其中，混气管(5)的直径是1.5-3mm。
5.根据权利要求1-4任一项所述的低氮燃烧装置，其中，混气管(5)的长度与防回火腔(9)的长度相同，且其长度与其直径之比大于6。
6.根据权利要求1-5任一项所述的低氮燃烧装置，其中，多个混气管(5)的纵向排数M1≥2，横向排数N1≥2。
7.根据权利要求1-6任一项所述的低氮燃烧装置，其中，多个混气管(5)两两之间的横向间距是18-22mm，纵向间距是4-6mm。
8.根据权利要求1-7任一项所述低氮燃烧装置，其中，换热管排(8)呈三角形分布，纵向排数M2≥2，横向排数N2≥2。
9.根据权利要求1-8任一项所述的低氮燃烧装置的使用方法，空气与燃气在进入低氮燃烧装置前完成全预混，预混气首先通过外壳体(1)的入口进入分气室(2)，在分气室(2)内实现均流均压后通过多个混气管(5)进入燃烧室(3)，经防回火腔(9)后侧的点火针(4)引燃并在燃烧室(3)内燃烧，燃烧产生的烟气横向流过换热管排(8)，与换热管排(8)内的冷水换热降温后由烟道排出；第一冷水经第一进水管(6)进入防回火腔(9)，最后经第一出水管(7)流出；第二冷水经第二进水管(10)进入换热管排(8)，会后经第二出水管(11)流出。
10.根据权利要求9所述的低氮燃烧装置的使用方法，其中，混气管(5)出口处预混气的流速是4m/s-10m/s。
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