CN111121023B - 一种燃料侧烟气再循环氮燃烧器及其燃烧方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料侧烟气再循环低氮燃烧器及其燃烧方法，包括值班燃料管、空气流道和主燃料混合通道，以及燃料分配环管和再循环烟气分配环管。通过燃料分配环管将燃料形成主燃料和值班燃料，并通过主燃料混合通道实现主燃料与再循环烟气的快速混合形成混合烟气燃料再喷入燃烧室。同时值班燃料在值班燃料预混腔内与中心空气预混后在旋流盘形成旋流贫燃料预混值班火焰。其余空气通过值班燃料预混腔与空气流道之间的环形空气喷口形成高速射流，与混合烟气燃料快速混合，实现了主燃料的无焰燃烧,大幅降低NO_X的生成。本发明具有燃烧稳定的优点，解决了低NO_x燃烧中氧含量大幅降低与燃烧稳定性的矛盾，可实现低NO_x排放。

Description

一种燃料侧烟气再循环氮燃烧器及其燃烧方法

技术领域

本发明涉及一种燃料侧烟气再循环氮燃烧器及其燃烧方法，属于燃烧技术领域。

背景技术

氮氧化物(NO_x)是大气污染的主要污染源物之一，其是形成PM_2.5的重要前驱物。大气污染问题引起越来越广泛的关注，大气污染排放标准也愈发严格。

氮氧化物的生成途径包括热力型、快速型和燃料型等，对于天然气燃烧而言，其主要生成途径是热力型和快速型。因而控制天然气燃料氮氧化物生成也主要从控制燃烧温度分布，燃烧停留时间等方面进行。目前超低氮燃烧器的主要技术路线包括水冷预混燃烧、烟气再循环、烟气内循环等。

传统的烟气再循环方法通过将烟气从炉膛尾部引出加入到助燃空气中，降低氧分压，降低燃烧温度，从而降低NO_x。但其容易造成燃烧不稳定，产生较大的噪声和振动，是限制烟气再循环技术发展的主要原因。

采用烟气内循环高速引射成为低氮燃烧器采用的热门方法。在这种燃烧器中，周向风和主燃料都有较高的速度，造成两级引射效果，分别将主燃料和空气稀释，从而延缓燃烧，降低氮氧化物。然而，这种燃烧器通常容易受到炉膛限制，易受炉膛内压力波动影响。通常需要较大的炉膛直径，以获得充足的内循环烟气量，也使得其对炉膛的适应性较差。

由此可见，现有技术存在的主要问题是降低氮氧化物和燃烧稳定性的矛盾，以及炉膛适应度差的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种燃料侧烟气再循环预混燃烧器及其燃烧方法，利用烟气内循环降低氮氧化物，实现不同循环烟气与燃料的分区混合，同时提高燃烧稳定性，实现NO_x排放小于15mg/Nm³(@3.5％O₂)。

本发明通过以下技术方案实现：

一种燃料侧烟气再循环低氮燃烧器，包括由里到外依次同轴设置的值班燃料管、空气流道和主燃料混合通道，以及燃料分配环管和再循环烟气分配环管；所述主燃料混合通道入口端封闭；所述燃料分配环管环绕着设置在空气流道外且位于所述主燃料混合通道入口端一侧；所述燃料分配环管设置有值班燃料分配管和若干主燃料分配管，分别与值班燃料管和主燃料混合通道连通，且所述值班燃料分配管穿过所述空气流道与所述值班燃料管相连，所述主燃料分配管呈轴向通入所述燃料混合通道；

所述再循环烟气分配环管环绕着设置在所述燃料混合通道入口端外侧，且其内侧沿径向设置有若干烟气连通管通入所述燃料混合通道；以燃料喷出方向为前，所述主燃料混合通道内前部设置有若干旋流片且在所述旋流片的前端形成旋流混合区；

所述值班燃料管前端封闭，且其前部壁面环绕着设置有若干值班燃料口；

所述值班燃料管前部设置有值班燃料预混腔，且所述值班燃料管探入所述值班燃料预混腔一端呈“凸”设置使得所述值班燃料口位于所述值班燃料预混腔中；所述值班燃料预混腔一侧还设置有中心空气口，且若干中心空气口环绕所述值班燃料管布置；所述值班燃料预混腔出口端设置有旋流盘；

所述值班燃料预混腔设置在所述空气流道中，且所述值班燃料预混腔与所述空气流道之间形成环形空气喷口，且所述环形空气喷口按空气流速为30～50m/s设置。

上述技术方案中，所述旋流盘与值班燃料预混腔出口距离L₂与所述旋流盘直径D_x之间有0.5<L₂/D_x<1.5；所述旋流盘上设置有若干旋流缝和直流喷口，所述直流喷口均匀设置在所述旋流盘中心，所述旋流缝与所述旋流盘径向夹角为β₂，且30°<β₂<60°；所述旋流盘按照旋流数为0.4～0.55设置。

上述技术方案中，所述旋流盘还设置有旋流叶片，且所述旋流叶片与轴向夹角β₃为45°<β₃<75°；且所述旋流叶片与所述旋流盘之间形成了旋流缝。

上述技术方案中，所述主燃料分配管流通面积A_燃主与所述值班燃料口流通面积A_燃值之和为A_燃，有A_燃主/A_燃＝85％～95％。

上述技术方案中，主燃料混合通道直径D₁与所述空气流道直径D₂为D₁/D₂≥1.1。

上述技术方案中，所述旋流片与主燃料混合通道出口的距离为L₁，有L₁/D₂≥0.5，且所述旋流片与中心轴形成夹角β₁为15°<β₁<45°。

上述技术方案中，所述主燃料混合通道出口端收缩，使得通过其出口端喷出的气体流速为20～30m/s。

一种燃料侧烟气再循环氮燃烧方法，包括：

使空气和气体燃料分别通过空气流道和燃料分配环管进入燃烧器；并使气体燃料经过燃料分配环管分别通过主燃料分配管和值班燃料分配管分配后作为主燃料和值班燃料；

使主燃料进入主燃料混合通道，同时使再循环烟气通过烟气分配环管分配后经由烟气连通管进入主燃料混合通道；所述主燃料与所述再循环烟气在所述主燃料混合通道内混合形成再循环烟气混合燃料气，然后经过旋流片在旋流混合区进一步混合后喷入燃烧室；

使值班燃料进入值班燃料管，然后通过值班燃料口呈径向喷入值班燃料预混腔，与通过中心空气口轴向进入的中心空气在值班燃料预混腔内充分混合，并经点燃形成值班火焰，且使火焰前端驻留在所述旋流盘上；

使从值班燃料预混腔与空气流道间形成的环形喷口喷入的主空气形成高速射流，并在燃烧室内形成回流区，使从所述空气流道外围进入的再循环烟气混合燃料气卷吸到所述回流区，在值班火焰的稳燃作用下缓慢燃烧。

上述技术方案中，所述方法还包括：

使所述值班燃料与所述中心空气化学当量比为0.6～0.95；

使再循环烟气量为烟气总量的5～15％。

本发明具有以下优点及有益效果：再循环烟气引入燃烧器后在主燃料混合通道内与主燃料进行混合形成再循环烟气燃料混合气，然后出了主燃料混合通道后再与助燃空气混合，使得中心空气氧分压不受再循环烟气流量的影响，实现了值班贫燃火焰，从而能够保证整个燃烧器调适性和燃烧稳定性；在值班火焰与主燃料间的燃烧器环形喷口，主助燃空气高速喷入燃烧室，一方面在燃烧器出口附近卷吸混合烟气燃料使其充分燃烧，另一方面在燃烧室内形成了大回流区，实现与混合烟气燃料快速混合，实现了主燃料的无焰燃烧,大幅降低NO_X的生成。

综上，该发明通过燃料侧的再循环烟气混合，避免了值班火焰由于氧分压的降低导致贫燃的不稳定性；同时值班火焰采用低旋流和虚拟滞止稳焰面技术，增强了值班火焰的低氮燃烧的稳定性；燃料侧再循环烟气和燃烧室烟气大回流，使得燃料着火前与烟气充分混合，满足了无焰燃烧条件，并最终有效降低NO_x生成，实现低NO_x排放。

附图说明

图1为本发明所涉及的燃料侧烟气再循环氮燃烧器结构示意图。

图2为本发明所涉及的值班燃料预混腔结构示意图。

图3为本发明所涉及的旋流盘结构示意图。

图中：1―主燃料分配管；2―烟气连通管；3―燃料分配环管；6―值班燃料管；4―空气流道；5―主燃料混合通道；7―中心空气口；8―值班燃料预混腔；9―值班燃料口；10―旋流盘；101―旋流缝；102―中心直流喷口；103―旋流叶片；11―旋流片；12―烟气分配环管；13―值班燃料分配管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式及工作过程作进一步的说明。

本申请文件中的上、下、左、右、前和后等方位用语是基于附图所示的位置关系而建立的。附图不同，则相应的位置关系也有可能随之发生变化，故不能以此理解为对保护范围的限定。

如图1所示，一种燃料侧烟气再循环低氮燃烧器，包括由里到外依次同轴设置的值班燃料管6、空气流道4和主燃料混合通道5，以及燃料分配环管3和再循环烟气分配环管12。燃烧器伸入燃烧室内，即燃烧器出口即燃烧室。

主燃料混合通道5入口端封闭。燃料分配环管3环绕着设置在空气流道4外且位于主燃料混合通道5入口端一侧。燃料分配环管3设置有值班燃料分配管13和若干主燃料分配管1，分别与值班燃料管6和主燃料混合通道5连通，且值班燃料分配管13穿过空气流道4与值班燃料管6相连，而主燃料分配管1呈轴向通入燃料混合通道5。燃料通过燃料分配环管3后分别经主燃料分配管1和值班燃料分配管13分成主燃料和值班燃料。主燃料分配管1沿着燃料混合通道5的圆周均匀分布，也同时将主燃料均匀的通入到燃料混合通道5中。值班燃料则通过值班燃料分配管13进入位于中心的值班燃料管6中。

再循环烟气分配环管12环绕着设置在燃料混合通道5入口端外侧，且其内侧沿径向设置有若干烟气连通管2通入燃料混合通道5。若干烟气连通管2沿着燃料混合通道5圆周均匀分布。再循环烟气来自于燃烧排放的烟气，如锅炉烟气等。再循环烟气通过再循环烟气分配环管12均匀分配后进入燃料混合通道5，由于再循环烟气压力低于燃料气，因此其入口位于主燃料分配管1出口的上游。

以燃料喷出方向为前，主燃料混合通道5内前部设置有若干旋流片11，旋流片11与中心轴形成夹角β₁为15°<β₁<45°。旋流片11的设置，使得在旋流片11的前端形成旋流混合区，且旋流片11与主燃料混合通道5出口的距离为L₁，有L₁/D₂≥0.5，使得再循环烟气与主燃料在喷入燃烧室前能够充分混合均匀。主燃料混合通道5出口端收缩，使得通过其出口端喷出的气体流速为20～30m/s，使得混合烟气燃料能够喷入到燃烧室的高温烟气回流区中。

值班燃料管6前端封闭，且其前部壁面环绕着设置有若干值班燃料口9。同时，值班燃料管6前部设置有值班燃料预混腔8。值班燃料管6探入值班燃料预混腔8一端呈“凸”设置使得值班燃料口9位于值班燃料预混腔8中，如图2所示。在值班燃料管6探入的值班燃料预混腔8一侧还设置有中心空气口7，且若干中心空气口7环绕值班燃料管6布置。值班燃料进入值班燃料管6，然后通过值班燃料口9呈径向喷入值班燃料预混腔8，与通过中心空气口7轴向进入的中心空气在值班燃料预混腔8内充分混合。

值班燃料预混腔8出口端设置有旋流盘10。旋流盘10与值班燃料预混腔8出口距离L₂与旋流盘直径D_x之间有0.5<L₂/D_x<1.5。如图3所示，旋流盘10上设置有若干旋流缝101和直流喷口102，直流喷口102均匀设置在旋流盘10中心，旋流缝101与旋流盘10径向夹角为β₂，且30°<β₂<60°。旋流盘10还设置有旋流叶片103，且旋流叶片103与轴向夹角β₃为45°<β₃<75°。旋流叶片103与旋流盘10之间即形成了旋流缝101。

旋流盘10按照旋流数为0.4～0.55设置。旋流数为：

其中，m为旋流盘上直流喷口与旋流缝面积之比；R₁为旋流盘中心点至旋流缝最远处的径向距离；R₂为旋流盘中心点至直流喷口最远处的径向距离。

充分混合后的值班燃料混合气经点燃形成值班火焰，且使火焰前端驻留在旋流盘10上。

值班燃料预混腔8设置在空气流道4中，且值班燃料预混腔8与空气流道4之间形成环形空气喷口，且环形空气喷口按空气流速为30～50m/s设置。

从空气流道4进入的空气，一部分从中心空气口进入值班燃料预混腔8与值班燃料预混并作为值班燃料的助燃剂形成稳定的值班火焰。另一部分空气从值班燃料预混腔8与空气流道4间形成的环形喷口喷入形成高速射流，在燃烧室内形成大回流区，使从空气流道4外围进入的再循环烟气混合燃料气被卷吸回流到主空气流中，实现高温烟气、烟气混合燃料和助燃空气的快速混合，实现低氮无焰燃烧。同时燃烧室内的大回流区在燃烧器喷口附近压缩上述流线汇聚到中心附近，形成了值班火焰的虚拟滞止稳焰面，同时实现了在值班火焰的稳燃作用下燃烧。。

主燃料分配管1流通面积A_燃主与值班燃料口9流通面积A_燃值之和为A_燃，有A_燃主/A_燃＝85％～95％。

同时通过调控燃料和空气流量比例，使值班燃料与中心空气化学当量比为0.6～0.95，从而使得值班火焰为贫燃料燃烧状态，保证了值班燃料的充分稳定燃烧。

使再循环烟气量为烟气总量的5～15％，使得燃料通过燃烧器形成低NOx燃烧。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种燃料侧烟气再循环低氮燃烧器，其特征在于，所述燃烧器包括由里到外依次同轴设置的值班燃料管(6)、空气流道(4)和主燃料混合通道(5)，以及燃料分配环管(3)和再循环烟气分配环管(12)；所述主燃料混合通道(5)入口端封闭；所述燃料分配环管(3)环绕着设置在空气流道(4)外且位于所述主燃料混合通道(5)入口端一侧；所述燃料分配环管(3)设置有值班燃料分配管(13)和若干主燃料分配管(1)，分别与值班燃料管(6)和主燃料混合通道(5)连通，且所述值班燃料分配管(13)穿过所述空气流道(4)与所述值班燃料管(6)相连，所述主燃料分配管(1)呈轴向通入所述主燃料混合通道(5)；

所述再循环烟气分配环管(12)环绕着设置在所述主燃料混合通道(5)入口端外侧，且其内侧沿径向设置有若干烟气连通管(2)通入所述主燃料混合通道(5)；以燃料喷出方向为前，所述主燃料混合通道(5)内前部设置有若干旋流片(11)且在所述旋流片(11)的前端形成旋流混合区；

所述值班燃料管(6)前端封闭，且其前部壁面环绕着设置有若干值班燃料口(9)；所述主燃料分配管(1)流通面积A_燃主与所述值班燃料口(9)流通面积A_燃值之和为A_燃，有A_燃主/A_燃＝85％～95％；

所述值班燃料管(6)前部设置有值班燃料预混腔(8)，且所述值班燃料管(6)探入所述值班燃料预混腔(8)一端呈“凸”设置使得所述值班燃料口(9)位于所述值班燃料预混腔(8)中；所述值班燃料预混腔(8)一侧还设置有中心空气口(7)，且若干中心空气口(7)环绕所述值班燃料管(6)布置；所述值班燃料预混腔(8)出口端设置有旋流盘(10)，所述旋流盘(10)上设置有若干旋流缝(101)和直流喷口(102)，所述直流喷口(102)均匀设置在所述旋流盘(10)中心，所述旋流盘(10)按照旋流数为0.4～0.55设置；

所述值班燃料预混腔(8)设置在所述空气流道(4)中，且所述值班燃料预混腔(8)与所述空气流道(4)之间形成环形空气喷口，且所述环形空气喷口按空气流速为30～50m/s设置。

2.根据权利要求1所述的燃料侧烟气再循环低氮燃烧器，其特征在于，所述旋流盘(10)与值班燃料预混腔(8)出口距离L₂与所述旋流盘直径D_x之间有0.5<L₂/D_x<1.5；所述旋流缝(101)与所述旋流盘(10)径向夹角为β₂，且30°<β₂<60°。

3.根据权利要求2所述的燃料侧烟气再循环低氮燃烧器，其特征在于，所述旋流盘(10)还设置有旋流叶片(103)，且所述旋流叶片(103)与轴向夹角β₃为45°<β₃<75°；且所述旋流叶片(103)与所述旋流盘(10)之间形成了旋流缝(101)。

4.根据权利要求1所述的燃料侧烟气再循环低氮燃烧器，其特征在于，所述旋流片(11)与主燃料混合通道(5)出口的距离L₁与所述空气流道(4)直径D₂之间有L₁/D₂≥0.5，且所述旋流片(11)与中心轴形成夹角β₁为15°<β₁<45°。

5.根据权利要求1所述的燃料侧烟气再循环低氮燃烧器，其特征在于，所述主燃料混合通道(5)出口端收缩，使得通过其出口端喷出的气体流速为20～30m/s。

6.一种燃料侧烟气再循环低氮燃烧方法，其使用如权利要求1所述的一种燃料侧烟气再循环低氮燃烧器，其特征在于，所述方法包括：

使空气和气体燃料分别通过空气流道(4)和燃料分配环管(3)进入燃烧器；并使气体燃料经过燃料分配环管(3)分别通过主燃料分配管(1)和值班燃料分配管(13)分配后作为主燃料和值班燃料；

使主燃料进入主燃料混合通道(5)，同时使再循环烟气通过烟气分配环管(12)分配后经由烟气连通管(2)进入主燃料混合通道(5)；所述主燃料与所述再循环烟气在所述主燃料混合通道(5)内混合形成再循环烟气混合燃料气，然后经过旋流片(11)在旋流混合区进一步混合后喷入燃烧室；

使值班燃料进入值班燃料管(6)，然后通过值班燃料口(9)呈径向喷入值班燃料预混腔(8)，与通过中心空气口(7)轴向进入的中心空气在值班燃料预混腔(8)内充分混合并通过所述旋流盘(10)，并经点燃形成值班火焰且使火焰前端驻留在所述旋流盘(10)上；

使从值班燃料预混腔(8)与空气流道(4)间形成的环形喷口喷入的其余空气形成高速射流，并在燃烧室内形成回流区，使从所述空气流道(4)外围进入的再循环烟气混合燃料气卷吸到所述回流区，在值班火焰的稳燃作用下缓慢燃烧。

7.根据权利要求6所述的燃料侧烟气再循环低氮燃烧方法，其特征在于，使所述值班燃料与所述中心空气的化学当量比为0.6～0.95；并使再循环烟气量为烟气总量的5～15％。