CN110848668B - 一种天然气超低NOx燃烧系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种天然气超低NOx燃烧系统及方法，该系统将二次风分多级沿烟气流动方向布置并在炉膛内布设密集管束换热器。在燃烧初期喷入少量的一次风，使燃气在远离当量燃烧的条件下反应；随后控制每级喷入的二次风量，避免每次喷入后燃烧的热量释放过多而导致烟气温度升高过快。此外，烟气与每一级助燃空气混合、燃烧后，立即冲刷布置在该级助燃空气喷口后的管束换热器，使烟气及时得到冷却，保证燃烧室内的烟气温度始终不高于1500℃，几乎无NOx生成。且天燃气在整个燃烧过程处于缺氧的还原性气氛中，即使存在局部高温区而生成少量NOx，也会被迅速还原，进而降低NOx的排放。本发明能够使燃气锅炉的NOx排放浓度降至低于30mg/Nm3，满足最新的烟气排放标准。
Description
技术领域
本发明属于燃气低氮燃烧技术领域，特别涉及一种天然气超低NOx燃烧系统及方法。
背景技术
随着“西气东输”项目的完成和“煤改气”政策的推广，天然气在一次能源中所占的比例逐年提高。天然气在燃烧过程中基本不会有硫氧化物和烟气粉尘生成，但是由于燃烧温度较高，易生成氮氧化物(NOx)。各地政府对燃气锅炉也提出了更严格的标准。目前北京市规定新建燃气锅炉的NOx排放浓度不得高于30mg/Nm3；而对已有燃气锅炉要进行低氮改造，使其NOx排放量低于80mg/Nm3；全国其他城市也在陆续推出比以前更严苛的排放标准。而市场上主流燃气燃烧器难以完全消除炉膛内的局部高温区，对NOx生成的抑制作用有限，很难满足将来必将更加严苛的排放标准，且国内燃气低NOx燃烧器的市场和技术基本都被外国公司掌握，因此开发具有自主知识产权的优质燃气锅炉低NOx燃烧器不仅具有重大的现实意义和工程背景，也对于国家的能源安全具有一定的战略意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种天然气超低NOx燃烧系统及方法，通过对空气深度分级及将二次风分多级送入炉膛，并采取在炉膛内布设密集管束换热器的方式，来大幅度降低天然气燃烧过程中的局部高温区来实现NOx超低排放。
为达到上述目的，本发明采用了如下的技术方案来实现：
一种天然气超低NOx燃烧系统，包括燃烧室，与燃烧室连接的燃气喷口、一次风喷口和二次风喷口，以及布置在燃烧室内的管束换热器；其中，
一次风喷口设置在燃气喷口的周向；在燃烧室内，二次风喷口沿天然气流动方向分多级布置，每一级均包括周向均布在燃烧室上的多个二次风喷口。
本发明进一步的改进在于，每一级均包括周向均布在燃烧室上的四个二次风喷口，且四个二次风喷口分别布置在燃烧室四个角以切圆方式喷入。
本发明进一步的改进在于，燃烧室内，在每一级二次风喷口之后均布置有管束换热器。
本发明进一步的改进在于，还包括连接在燃气通道外壁的旋流器。
一种天然气超低NOx燃烧方法，该方法基于上述一种天然气超低NOx燃烧系统，包括如下步骤：
一次风经过旋流叶片从一次风喷口喷出与燃气混合并燃烧，保持一次风量偏离当量燃烧所需要的空气量，使此处过量空气系数在0.5-0.65之间，从而降低燃烧初期的温度而抑制NOx生成；天然气不完全燃烧产生的高温烟气与对流管束换热器发生热交换后烟温降低；随后向炉内喷入第一级二次风与烟气中的部分燃气反应释放热量导致烟气温度升高；随后烟气再与对流管束换热而降低温度；如此反复再喷入剩余的多级二次风，直至烟气中的天然气完全燃烧。
本发明至少具有如下有益的技术效果：
本发明提供的一种天然气超低NOx燃烧系统，通过将二次风分多级布置，使天然气在炉内燃烧分为多级，降低每级燃烧所释放的热量，并在燃烧室内布置管束换热器，及时吸收燃烧释放的热量，避免炉内局部高温区域的产生，抑制NOx生成。
本发明提供的一种天然气超低NOx燃烧方法，通过深度空气分级及控制每级二次风的量可以降低每级天然气燃烧的强度并保证燃烧处于贫氧的还原性气氛下，抑制燃烧过程的NOx生成并促进对已生成NOx的还原。每一级燃烧后烟气都迅速与管束换热器发生热交换，避免炉内局部高温区的产生。最终使天然气燃烧NOx的排放浓度低于30mg/Nm3，并且通过将换热段与燃烧区结合在一起，提高了燃烧室空间利用效率，使锅炉结构更加紧凑。
附图说明
图1为本发明的结构原理示意图；
图2为图1中A-A向截面图；
附图标记说明：
1、旋流器；2、一次风喷口；3、燃气喷口；4、燃烧室(炉膛)；5、二次风喷口；6、管束换热器。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步的详细说明
如图1所示，本发明提供的一种天然气超低NOx燃烧系统，包括燃烧室4和与燃烧室4 相连接的燃气喷口3、一次风喷口2和二次风喷口5，以及在燃烧室4中布置的密集管束换热器6。
设置在一次风通道末的旋流器，焊接在燃气通道外壁上。一次风通过旋流器旋流后，能够与燃气进行充分混合。
二次风分多级沿烟气流动方向布置在燃烧室4中，每级有四个喷口分别布置在燃烧室4 四个角以切圆方式喷入，如图2所示；在每一级助燃空气喷口(一次风喷口2、二次风喷口5) 之后都布置有密集管束换热器6。
本发明提供的一种天然气超低NOx燃烧系统，可以大幅度降低天然气燃烧过程中的局部高温区，实现NOx的超级排放。
如图1所示，本发明提供的一种用于天然气超低NOx燃烧的方法，包括如下步骤：
天然气从燃气喷口3进入燃烧室4内，与旋流的一次风充分混合，保持其在贫氧状态 (α≈0.5)下、远离当量燃烧条件燃烧，避免烟温过高而抑制NOx生成；随后烟气冲刷对流受热面6，经过热交换后使烟温降低至1300℃左右；
随后由二次风喷口5向燃烧室4内喷入第一级二次风，控制第一级二次风量不要过高，使烟气在与其混合后，仍能够保持在贫氧状态进行反应，以避免燃烧热量释放过多而导致烟气温度升高过快；随后，烟气继续紧临第一级二次风喷口后的对流受热面，使烟气再次被冷却至1300℃左右；重复如此，直至末级二次风喷入炉内后烟气中的天然气燃尽。
本发明所公布的用于天然气超低NOx燃烧方法，由于全燃烧过程都在控制烟气温度，燃烧室4内的温度始终保持在1500℃以下，使整个燃烧过程几乎无NOx生成。而且整个燃烧过程一直处于富燃料(α﹤1)的还原性气氛下，即使有生成少量的NOx，也会被及时还原。
概括来说，通过空气深度分级和将二次风分多级送入炉内的方法可以实现天然气热量分级释放，再结合每级热量释放后都迅速与对流管束进行热交换的方法可以使炉内整个燃烧过程中烟温都不会过高，避免了局部高温区的产生，抑制了热力型NOx的生成；且天然气在整个燃烧过程都处于贫氧、富燃的状态，其还原性气氛能够还原已生成的NOx，最终实现NOx的超低排放。
同时，因为将传统的尾部换热段与燃烧区结合在一起，提高了空间利用效率，使整个锅炉的结构更加紧凑。
应理解，该实施例仅用于说明本发明而并非对其限制。还应理解，本领域的技术人员可以对本发明做出各种改动或等同替换，在不脱离本发明原理的前提下，其均应视为在发明的保护范围内。
Claims (4)
1.一种天然气超低NOx燃烧系统，其特征在于，包括燃烧室(4)，与燃烧室(4)连接的燃气喷口(3)、一次风喷口(2)和二次风喷口(5)，以及布置在燃烧室(4)内的管束换热器(6)；其中，
一次风喷口(2)设置在燃气喷口(3)的周向；在燃烧室(4)内，二次风喷口(5)沿天然气流动方向分多级布置，每一级均包括周向均布在燃烧室(4)上的多个二次风喷口(5)，在一次风喷口(2)及每一级二次风喷口(5)之后均布置有管束换热器(6)。
2.根据权利要求1所述的一种天然气超低NOx燃烧系统，其特征在于，每一级均包括周向均布在燃烧室(4)上的四个二次风喷口(5)，且四个二次风喷口(5)分别布置在燃烧室(4)四个角以切圆方式喷入。
3.根据权利要求1所述的一种天然气超低NOx燃烧系统，其特征在于，还包括连接在燃气通道外壁的旋流器(1)。
4.一种天然气超低NOx燃烧方法，其特征在于：该方法基于权利要求1至3中任一项所述的一种天然气超低NOx燃烧系统，包括如下步骤：
一次风经过旋流叶片从一次风喷口(2)喷出与燃气混合并燃烧，保持一次风量偏离当量燃烧所需要的空气量，使此处过量空气系数在0.5-0.65之间，从而降低燃烧初期的温度而抑制NOx生成；天然气不完全燃烧产生的高温烟气与管束换热器(6)发生热交换后烟温降低；随后向炉内喷入第一级二次风与烟气中的部分燃气反应释放热量导致烟气温度升高；随后烟气再与管束换热器(6)换热而降低温度；如此反复再喷入剩余的多级二次风，直至烟气中的天然气完全燃烧。
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