CN110425518A - 一种实现NOx近零排放的无焰燃烧供暖锅炉系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于燃烧装置领域，并具体公开了一种实现NOx近零排放的无焰燃烧供暖锅炉系统，其中供气装置与无焰燃烧器连接；无焰燃烧器中的第一驻涡燃烧室和第二驻涡燃烧室关于保温炉膛中心轴线对称分布，用于进行有焰燃烧从而产生富燃料烟气，空气直喷喷管的出口与保温炉膛连接，用于向保温炉膛提供携带富燃料烟气的空气；富燃料烟气和空气在保温炉膛内进行无焰燃烧，产生的烟气进入烟气换热装置，通过热量传递的方式加热用于供暖的循环水。本发明设计了无切换的无焰燃烧器，因富燃料烟气的温度高于燃料着火点，故不需预热能够直接进行无焰燃烧，同时本发明将无焰燃烧应用到供暖锅炉中，能够保证保温炉膛的温度快速达到无焰燃烧的温度条件。

Description

一种实现NOx近零排放的无焰燃烧供暖锅炉系统
技术领域
本发明属于燃烧装置领域，更具体地，涉及一种实现NOx近零排放的无焰燃烧供暖锅炉系统。
背景技术
日益严重的大气环境污染问题迫使全国各地均在实行更加严格的污染物排放标准，因此实现清洁燃烧技术在现阶段变得尤为重要。其中无焰燃烧技术利用高速射流，使得火焰锋面消失，能够降低炉内的整体温度，同时降低炉内的氧浓度，最终减少NOx排放。因无焰燃烧能够同时实现较低的NOx排放和较高的热效率，是一种具极大发展前景的清洁燃烧技术。
无焰燃烧已成功地应用到钢铁和冶金行业，但目前还没有成功地应用到供暖锅炉上，这主要是因为供暖锅炉炉壁上有密布的换热水管，造成炉膛壁面温度长期处于300℃～400℃，使得炉膛温度很难上升到典型气体燃料(如天然气、煤气)的自燃点以上，无法达到无焰燃烧的实现条件。此外，无焰燃烧的实现存在一个从有焰燃烧切换至无焰燃烧的过程，但是以实际锅炉操作工对技术的熟悉程度及安全规范角度考虑，工程应用中应尽量避免人工切换工况的操作，以实现无焰燃烧技术应用的便捷性，提高技术应用适应性与安全性。
CN101285576B公开了一种低热值燃料高温空气燃烧系统，该系统可以使得低热值燃料充分燃烧，并且可回收高温空气，提高工业炉窑的热能利用效率，但是该系统切换过程复杂，不利于实际运用的推广。CN104990078B公开了一种可快速实现无焰燃烧的燃烧器，这款燃烧器可以以额定功率进行操作，从而大幅提高预热炉膛的效率，减少预热时间，使得切换至无焰燃烧模式的过程中，安全性能得以提升，但是在有焰燃烧向无焰燃烧的切换过程中，由于有焰燃烧的停止，高速射流的喷入，仍然存在火焰熄火的危险，并且该专利并不是针对供热锅炉设计的。CN108506929A公开了一种燃油无焰燃烧装置及其系统设备，但从实际操作来讲，在达到燃油的无焰燃烧之前，仍需要通过外热源对炉膛加热，使炉膛温度达到燃油的着火点以上，在这过程中就仍可能存在切换过程造成的熄火以及燃烧不稳定等问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种实现NOx近零排放的无焰燃烧供暖锅炉系统，其中结合供暖锅炉自身的特征以及无焰燃烧的燃烧条件，相应设计了供气装置、无焰燃烧器、保温炉膛和烟气换热装置，并对其关键组件如无焰燃烧器和保温炉膛的结构及其具体设置方式进行研究和设计，相应的可有效解决无焰燃烧工况切换可能存在的熄火问题，同时还具备提高能量利用效率的作用，因而尤其适用于供暖锅炉的应用场合。
为实现上述目的，本发明提出了一种实现NOx近零排放的无焰燃烧供暖锅炉系统，包括供气装置、无焰燃烧器、保温炉膛和烟气换热装置，其中：
所述供气装置与所述无焰燃烧器连接，用于向所述无焰燃烧器提供燃料和空气；
所述无焰燃烧器包括第一驻涡燃烧室、第二驻涡燃烧室、燃料管道和空气管道，所述第一驻涡燃烧室和第二驻涡燃烧室关于所述保温炉膛中心轴线对称分布，用于进行有焰燃烧从而产生富燃料烟气，所述燃料管道包括分别与所述第一驻涡燃烧室和第二驻涡燃烧室连接的第一燃料管道和第二燃料管道，所述空气管道包括套设在所述燃料管道外侧，并分别与所述第一驻涡燃烧室和第二驻涡燃烧室连接的第一空气管道和第二空气管道，同时该空气管道还包括沿所述保温炉膛中心轴线分布的空气直喷喷管，所述空气直喷喷管与所述第一驻涡燃烧室和第二驻涡燃烧室的出口连接，并且该空气直喷喷管的出口与所述保温炉膛连接，用于向所述保温炉膛提供携带所述富燃料烟气的空气；
所述富燃料烟气和空气在所述保温炉膛内进行无焰燃烧，产生的烟气进入所述烟气换热装置，通过热量传递的方式加热用于供暖的循环水。
作为进一步优选地，所述第一空气管道和第二空气管道的出口沿周向方向均匀布置有旋流叶片，用于为所述第一驻涡燃烧室和第二驻涡燃烧室提供旋流空气。
作为进一步优选地，所述第一空气管道和第二空气管道中旋流叶片的倾斜角为25°～50°。
作为进一步优选地，所述第一驻涡燃烧室或第二驻涡燃烧室的轴线与所述保温炉膛中心轴线的夹角为60°～80°。
作为进一步优选地，所述第一燃料管道和第二燃料管道的出口流速为2m/s～3m/s。
作为进一步优选地，所述第一空气管道和第二空气管道的出口流速为3m/s～5m/s。
作为进一步优选地，所述空气直喷喷管的出口流速为80m/s～100m/s。
作为进一步优选地，所述无焰燃烧供暖锅炉系统的全局当量比优选为0.85～0.88。
作为进一步优选地，所述保温炉膛的外壁材料为高热阻材料，从而保证该保温炉膛的温度达到无焰燃烧的条件。
作为进一步优选地，所述烟气换热装置为管壳式换热器。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1.本发明为避免传统无焰燃烧器进行状态切换时容易出现的熄火问题，相应设计了无切换的无焰燃烧器，其中利用第一驻涡燃烧室和第二驻涡燃烧室内的有焰燃烧形成富燃料烟气，并在空气直喷喷管喷出的高速射流空气的卷吸作用下进入保温炉膛，富燃料烟气的温度高于燃料着火点，能够满足无焰燃烧的实现条件，因此不需要预热阶段的有焰燃烧，并且因第一驻涡燃烧室和第二驻涡燃烧室处于富燃料燃烧状态，燃烧室内为贫氧还原性气氛，能够有效抑制NOx的生成，同时两个燃烧室对称分布，能够稳定无焰燃烧器的燃烧强度，使得保温炉膛快速升温至无焰燃烧所需的温度，而且燃烧始终在两个驻涡燃烧室稳定进行，避免了锅炉燃烧熄火的风险；
2.同时，本发明将无焰燃烧应用到供暖锅炉中，利用高热阻材料取代传统供暖锅炉的水冷壁，能够使得保温炉膛的温度快速达到无焰燃烧的温度条件，且利于炉内温度与工况调节，从而同时满足NOx的近零排放要求和居民的供暖需求，较好地解决了污染物排放和生产生活需求之间的矛盾，并且保温炉膛可以降低保温炉膛的热量损失，使得大部分热量被烟气带走，用于加热供暖的循环水，提高装置的能量利用效率；
3.尤其是，本发明通过在第一空气管道和第二空气管道的出口设置旋流叶片，并对旋流叶片的倾斜角进行优化，能够保证第一驻涡燃烧室和第二驻涡燃烧室内形成富燃料的旋流燃烧，并且不受空气直喷喷管射入的高速射流的影响；
4.此外，本发明还对无焰燃烧供暖锅炉系统的各参数进行优化，能够保证富燃料火焰稳定燃烧的同时形成高速射流，将富燃料烟气卷吸进保温炉膛，实现无焰燃烧从而降低NOx排放。
附图说明
图1是按照本发明优选实施例构建的实现NOx近零排放的无焰燃烧供暖锅炉系统；
图2是按照本发明优选实施例构建的无焰燃烧器和保温炉膛的结构示意图；
图3是图2中圈出部分的细节图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-空气直喷喷管，2-第一空气管道，3-第二空气管道，4-第一燃料管道，5-第二燃料管道，6-第一驻涡燃烧室，7-第二驻涡燃烧室，8-保温炉膛，9-烟气换热装置。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1～2所示，本发明提出了一种实现NOx近零排放的无焰燃烧供暖锅炉系统，包括供气装置、无焰燃烧器、保温炉膛和烟气换热装置，其中：
供气装置与无焰燃烧器连接，用于向无焰燃烧器提供燃料和空气，燃料通过减压装置进入无焰燃烧器，并由流量控制器控制各管道内燃料的流量，空气通过鼓风机进入无焰燃烧器，同时利用流量控制器控制总的空气进气量以及各管道内空气的流量；
无焰燃烧器包括第一驻涡燃烧室6、第二驻涡燃烧室7、燃料管道和空气管道，第一驻涡燃烧室6和第二驻涡燃烧室7关于保温炉膛8中心轴线对称分布，用于进行有焰燃烧从而产生富燃料烟气，因上述燃烧室为富燃料燃烧，处于贫氧还原性气氛下，因此可以有效减少NOx的生成，燃料管道包括分别与第一驻涡燃烧室6和第二驻涡燃烧室7连接的第一燃料管道4和第二燃料管道5，用于为其进行有焰燃烧提供燃料，空气管道包括套设在燃料管道外侧，并分别与第一驻涡燃烧室6和第二驻涡燃烧室7连接的第一空气管道2和第二空气管道3，用于为其进行有焰燃烧提供空气，同时该空气管道还包括沿保温炉膛8中心轴线分布的空气直喷喷管1，空气直喷喷管1与第一驻涡燃烧室6和第二驻涡燃烧室7的出口连接，并且该空气直喷喷管1的出口与保温炉膛8连接，用于向保温炉膛8提供携带富燃料烟气的空气；
富燃料烟气和空气在保温炉膛8内进行无焰燃烧，为保证保温炉膛8的温度能够快速升到燃料的自燃点以上，并尽量减少热量损失，该保温炉膛的外壁材料优选采用高热阻材料，如陶瓷砖、石棉等，产生的烟气进入烟气换热装置9，通过热量传递的方式加热用于供暖的循环水，该烟气换热装置9优选采用管壳式换热器，管内流过的是高温烟气，而管与壳之间充盈循环水，使得高温烟气进行热量传递从而对供暖用的循环水进行加热。
进一步，如图3所示，第一空气管道2和第二空气管道3的出口沿周向方向均匀布置有旋流叶片，该旋流叶片的倾斜角优选为25°～50°，从而能够为第一驻涡燃烧室6和第二驻涡燃烧室7提供旋流空气，形成稳定的富燃料旋流燃烧，使其不受空气直喷喷管1射入的高速射流的影响，保证富燃料火焰的稳定燃烧。
进一步，第一驻涡燃烧室1或第二驻涡燃烧室7的轴线与保温炉膛中心轴线的夹角优选为60°～80°，从而保证有焰燃烧能够保持高强度燃烧，使得炉膛快速升温，并保证从保温炉膛8中心轴线射入的高速空气将大部分富燃料烟气卷吸进保温炉膛8。
进一步，第一燃料管道4和第二燃料管道5的出口流速优选为2m/s～3m/s，从而保证燃料的稳定供应；第一空气管道2和第二空气管道3的出口流速优选为3m/s～5m/s，保证有焰燃烧的发生；空气直喷喷管1的出口流速优选为80m/s～100m/s，从而形成高速射流，将富燃料烟气卷吸进保温炉膛8。
进一步，无焰燃烧供暖锅炉系统的全局当量比优选为0.85～0.88，总体上保证燃料的完全燃烧，并且不产生大量的CO并降低NOx的排放。
下面对本发明提供的实现NOx近零排放的无焰燃烧供暖锅炉系统的工作过程作进一步说明。
本发明的锅炉热负荷为1.5MW，保温炉膛的高度为1200mm，宽度为1300mm，长度为4200mm，保温炉膛的外部包裹着500mm厚的耐热强保温的陶瓷砖，第一燃料管道4和第二燃料管道5的直径为0.16m，第一空气管道2和第二空气管道3的直径为0.25m，空气直喷喷管1的直径为0.09m，工作时启动减压装置和鼓风机，向无焰燃烧器中提供燃料和空气，保证全局当量比为0.87，并利用流量控制器调节燃料和空气的流量，保证空气直喷喷管1的出口流速为90m/s，第一燃料管道4和第二燃料管道5的出口流速为2m/s，第一空气管道2和第二空气管道3的出口流速为4m/s，从而使得第一驻涡燃烧室6和第二驻涡燃烧室7均处于富燃料燃烧的状态，产生富燃料烟气，剩余的空气通过空气直喷喷管1以高速射流的形式将富燃料烟气卷吸进入保温炉膛8，实现无焰燃烧，产生的高温烟气进入烟气换热装置9，将热量传递给供暖的循环水，最后通过鼓风机将烟气抽出排放到大气中。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种实现NOx近零排放的无焰燃烧供暖锅炉系统，其特征在于，包括供气装置、无焰燃烧器、保温炉膛(8)和烟气换热装置(9)，其中：
所述供气装置与所述无焰燃烧器连接，用于向所述无焰燃烧器提供燃料和空气；
所述无焰燃烧器包括第一驻涡燃烧室(6)、第二驻涡燃烧室(7)、燃料管道和空气管道，所述第一驻涡燃烧室(6)和第二驻涡燃烧室(7)关于所述保温炉膛(8)中心轴线对称分布，用于进行有焰燃烧从而产生富燃料烟气，所述燃料管道包括分别与所述第一驻涡燃烧室(6)和第二驻涡燃烧室(7)连接的第一燃料管道(4)和第二燃料管道(5)，所述空气管道包括套设在所述燃料管道外侧，并分别与所述第一驻涡燃烧室(6)和第二驻涡燃烧室(7)连接的第一空气管道(2)和第二空气管道(3)，同时该空气管道还包括沿所述保温炉膛(8)中心轴线分布的空气直喷喷管(1)，所述空气直喷喷管(1)与所述第一驻涡燃烧室(6)和第二驻涡燃烧室(7)的出口连接，并且该空气直喷喷管(1)的出口与所述保温炉膛(8)连接，用于向所述保温炉膛(8)提供携带所述富燃料烟气的空气；
所述富燃料烟气和空气在所述保温炉膛(8)内进行无焰燃烧，产生的烟气进入所述烟气换热装置(9)，通过热量传递的方式加热用于供暖的循环水。
2.如权利要求1所述的实现NOx近零排放的无焰燃烧供暖锅炉系统，其特征在于，所述第一空气管道(2)和第二空气管道(3)的出口沿周向方向均匀布置有旋流叶片，用于为所述第一驻涡燃烧室(6)和第二驻涡燃烧室(7)提供旋流空气。
3.如权利要求2所述的实现NOx近零排放的无焰燃烧供暖锅炉系统，其特征在于，所述第一空气管道(2)和第二空气管道(3)中旋流叶片的倾斜角为25°～50°。
4.如权利要求1所述的实现NOx近零排放的无焰燃烧供暖锅炉系统，其特征在于，所述第一驻涡燃烧室(1)或第二驻涡燃烧室(7)的轴线与所述保温炉膛(8)中心轴线的夹角为60°～80°。
5.如权利要求1所述的实现NOx近零排放的无焰燃烧供暖锅炉系统，其特征在于，所述第一燃料管道(4)和第二燃料管道(5)的出口流速为2m/s～3m/s。
6.如权利要求1所述的实现NOx近零排放的无焰燃烧供暖锅炉系统，其特征在于，所述第一空气管道(2)和第二空气管道(3)的出口流速为3m/s～5m/s。
7.如权利要求1所述的实现NOx近零排放的无焰燃烧供暖锅炉系统，其特征在于，所述空气直喷喷管(1)的出口流速为80m/s～100m/s。
8.如权利要求1所述的实现NOx近零排放的无焰燃烧供暖锅炉系统，其特征在于，所述无焰燃烧供暖锅炉系统的全局当量比优选为0.85～0.88。
9.如权利要求1所述的实现NOx近零排放的无焰燃烧供暖锅炉系统，其特征在于，所述保温炉膛(8)的外壁材料为高热阻材料，从而保证该保温炉膛(8)的温度达到无焰燃烧的条件。
10.如权利要求1～9任一项所述的实现NOx近零排放的无焰燃烧供暖锅炉系统，其特征在于，所述烟气换热装置(9)为管壳式换热器。
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