CN111810953B

CN111810953B - 自调节蒸汽加湿低氮一体化燃烧装置及其方法

Info

Publication number: CN111810953B
Application number: CN202010691791.2A
Authority: CN
Inventors: 郭行; 杨占春; 石大凯; 徐平; 黄建; 涂汉超
Original assignee: Beijing Longtao Environment Technology Co ltd
Current assignee: Beijing Longtao Environment Technology Co ltd
Priority date: 2020-07-17
Filing date: 2020-07-17
Publication date: 2022-05-03
Anticipated expiration: 2040-07-17
Also published as: CN111810953A

Abstract

本发明涉及一种自调节蒸汽加湿低氮一体化燃烧装置及其方法，包括：第一燃烧筒和蒸汽发生与喷射系统，第一燃烧筒与燃烧器喷出火焰的前端连接且相通，第一燃烧筒沿着燃烧器的轴向向前延长；蒸汽发生与喷射系统包括汽包、蒸发受热管和蒸汽喷嘴，汽包和蒸汽喷嘴设于第一燃烧筒的靠近燃烧器的后端，且蒸汽喷嘴安装于第一燃烧筒内，蒸汽喷嘴与汽包的内腔连通，蒸汽喷嘴的喷口对准第一燃烧筒的中心；蒸发受热管设于第一燃烧筒的远离燃烧器的前端，且蒸发受热管与第一燃烧筒轴向相通，蒸发受热管的内腔充满冷却水，蒸发受热管的内腔和汽包通过管道连通；燃烧器喷向炉膛的火焰依次经过第一燃烧筒和蒸发受热管。

Description

自调节蒸汽加湿低氮一体化燃烧装置及其方法

技术领域

本发明涉及低氮燃烧技术领域，具体涉及一种自调节蒸汽加湿低氮一体化燃烧装置及其方法。

背景技术

能源结构调整是大气污染治理的重要手段，未来随着清洁能源比重的增加，天然气用量还将快速增加。天然气燃烧排放的主要大气污染物是NOx，因此，天然气低氮燃烧技术是我国规模化清洁利用天然气的重要技术保障。天然气作为一种清洁燃料广泛应用于工业生产及居民供热等领域。目前，随着国家和地方政府对环境保护的力度的不断加强，全国很多地方陆续制定了与北京和上海实行的DB11 139-2015锅炉大气污染物排放标准要求相同的地方标准，即氮氧化物排放要求在30毫克以下，这给低氮燃烧技术带来了极大的挑战。

因此，研发更低排放水平的低氮燃烧技术不仅有利于实现现有燃气锅炉的稳定达标排放，同时还可以进一步降低NO_X排放，对于实现PM2.5浓度进一步降低提供了保障。

天然气主要成分为甲烷，含量一般在95-97％甚至更高，基本不含有燃料氮，在燃烧过程中主要以热力型和快速型NO_X为主。热力型NO_X是空气中的N₂在高温下被O₂氧化生成的NO_X，约占NO_X生成总量的90-95％，是天然气燃烧NO_X控制的重要生成途径。

空气加湿或向火焰区注水以降低燃烧区域温度可以起到抑制热力型NO_X生成的作用，然而加湿技术由于水的来源及回收等难题导致了该技术应用受到限制，有的利用空气和烟气间气–气换热做为空气加热的热源，同时在换热器入口喷入锅炉回水，换热器出口加入再循环烟气，然而气–气换热需要较大的温度端差导致烟气余热回收热量和冷凝水量较少，无法大幅提高空气中的湿度，以及庞大的换热器尺寸，均限制了该技术方案的利用，同时无法兼顾超低氮和燃烧稳定性间的矛盾问题；而向火焰区注水则会直接导致燃烧不稳定的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的缺陷，提供一种自调节蒸汽加湿低氮一体化燃烧装置及其方法，可稳定燃烧火焰，大幅度降低氮氧化物生成，且蒸汽的产生容易获得，整个的蒸汽发生和喷射系统易于实施。

为此，采用的技术方案为一种自调节蒸汽加湿低氮一体化燃烧装置，包括：第一燃烧筒和蒸汽发生与喷射系统，所述第一燃烧筒与燃烧器喷出火焰的前端连接且相通，所述第一燃烧筒沿着燃烧器的轴向向前延长；所述蒸汽发生与喷射系统包括汽包、蒸发受热管和蒸汽喷嘴，所述汽包和所述蒸汽喷嘴设于所述第一燃烧筒的靠近燃烧器的后端，且所述蒸汽喷嘴安装于所述第一燃烧筒内，所述蒸汽喷嘴与所述汽包的内腔连通，所述蒸汽喷嘴的喷口对准所述第一燃烧筒的中心；所述蒸发受热管设于所述第一燃烧筒的远离燃烧器的前端，且所述蒸发受热管与所述第一燃烧筒轴向相通，所述蒸发受热管的内腔充满冷却水，所述蒸发受热管的内腔和所述汽包通过管道连通；燃烧器喷向炉膛的火焰依次经过第一燃烧筒和蒸发受热管。

优选的，所述蒸汽发生与喷射系统还包括液位泵和水箱，所述水箱与所述蒸发受热管通过管道连通；所述液位泵与所述水箱连通，所述水箱内设有浮球阀，所述浮球阀用于控制水箱的液位，所述液位泵用于对所述水箱自动补水。

优选的，还包括第二燃烧筒，所述第二燃烧筒设于所述第一燃烧筒内，所述第二燃烧筒的外侧连接设有移动机构，所述移动机构驱动所述第二燃烧筒相对于第一燃烧筒前后移动，所述蒸发受热管的内侧设为中空，且所述第二燃烧筒在所述蒸发受热管内前后伸缩，火焰经第二燃烧筒喷出。

优选的，所述汽包设为沿第一燃烧筒的内壁且呈圆环形安装，所述汽包的横截面设为圆管、方管或椭圆管，所述汽包的内侧连接所述蒸汽喷嘴，所述蒸汽喷嘴沿圆环呈等角度间隔均匀分布。

优选的，冷却水的入口设于所述蒸发受热管的底侧，蒸汽的出口设于所述蒸发受热管的顶侧。

一种自调节蒸汽加湿低氮一体化燃烧方法，包括以下步骤：

步骤S1：将第一燃烧筒连接于燃烧器喷出火焰的前端，将蒸发受热管连接于第一燃烧筒的前端，且将蒸发受热管的内腔充满冷却水；

步骤S2：点燃燃烧器的火焰，喷向炉膛的火焰依次经过第一燃烧筒和蒸发受热管，同时火焰对蒸发受热管的内壁进行加热，所述蒸发受热管内腔的冷却水经加热气化变成蒸汽进入汽包的内腔；

步骤S3：蒸汽经蒸汽喷嘴喷出且对准火焰的根部喷射。

优选的，自调节蒸汽加湿低氮一体化燃烧方法还包括以下步骤：

步骤S4：水箱的冷却水不断充满蒸发受热管的内腔，水箱的液位下降时，浮球阀打开，液位泵向水箱自动补水；当水箱的液位上升到指定的高度时，浮球阀关闭，液位泵停止向水箱补水。

优选的，步骤S2中包括以下步骤：

步骤S21：前后移动第二燃烧筒，第二燃烧筒在所述蒸发受热管内前后伸缩，对所述蒸发受热管的受热面积大小进行调节，从而实现对蒸汽喷出量的调节；

第二燃烧筒位于原位时对所述蒸发受热管完全遮挡，此时蒸发受热管的受热面积最小，单位时间内生成的蒸汽量最少；所述第二燃烧筒完全向前移动，位于前端终端位时，所述第二燃烧筒对所述蒸发受热管前后错开，此时蒸发受热管的受热面积最大，单位时间内生成的蒸汽量最多。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明提供的自调节蒸汽加湿低氮一体化燃烧装置及其方法，蒸汽发生和喷射系统直接设于燃烧器的前端且结构简单、紧凑合理，而且采用燃烧器喷出的火焰直接加热冷却水，无需借助于烟气系统的余热回收利用，因此蒸汽的产生容易获得，整个系统易于实施。

2.本发明提供的自调节蒸汽加湿低氮一体化燃烧装置及其方法，蒸汽喷向火焰根部，对火焰的根部区域或者火焰外焰进行扰动混合，降低了工业燃油或燃气在第一燃烧筒内的火焰温度，降低了烟气和空气混合物中的氧浓度，减少了中间产物含氮基团和氧气的反应概率以降低氮氧化物的排放；蒸发受热管的内腔的冷却水受热，冷却水可将热量导出，降低了火焰前端区的温度，进一步可抑制热力型氮氧化物的生成。

3.本发明提供的自调节蒸汽加湿低氮一体化燃烧装置及其方法，对蒸发受热管的受热面积大小进行调节，可控制单位时间内生成的蒸汽量，从而实现对蒸汽喷出量的调节，这样可根据火焰的燃烧工况控制喷入火焰的蒸汽量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的自调节蒸汽加湿低氮一体化燃烧装置的结构示意图；

图2为汽包的设计结构示意图；

100-燃烧器；11-第一燃烧筒；12-汽包；13-蒸发受热管；14-蒸汽喷嘴；15-液位泵；16-水箱；17-浮球阀；18-第二燃烧筒；19-管道。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种自调节蒸汽加湿低氮一体化燃烧装置，如图1所示，包括：第一燃烧筒11和蒸汽发生与喷射系统，所述第一燃烧筒11与燃烧器100的喷出火焰的前端连接且相通，所述第一燃烧筒11沿着燃烧器100的轴向向前延长；所述蒸汽发生与喷射系统包括汽包12、蒸发受热管13和蒸汽喷嘴14，所述汽包12和所述蒸汽喷嘴14设于所述第一燃烧筒11的靠近燃烧器100的后端，且所述蒸汽喷嘴14安装于所述第一燃烧筒11内，所述蒸汽喷嘴14与所述汽包12的内腔连通，所述蒸汽喷嘴14的喷口对准所述第一燃烧筒11的中心；所述蒸发受热管13设于所述第一燃烧筒11的远离燃烧器100的前端，且所述蒸发受热管13与所述第一燃烧筒11轴向相通，所述蒸发受热管13的内腔充满冷却水，所述蒸发受热管13的内腔和所述汽包12通过管道19连通；燃烧器100喷向炉膛的火焰依次经过第一燃烧筒11和蒸发受热管13。

本发明实施例中的燃烧器100可以是扩散燃烧形式，也可以是预混燃烧形式，为了方便阐述本发明，这里将燃烧器分为前端和后端，分界面定在燃烧器的着火位置，燃烧器后端是提供空气与燃料输入的空间与结构，燃烧器前端是提供空气与燃料混合扩散燃烧或预混燃烧的空间与结构。蒸发受热管13的内腔的冷却水经燃烧器100喷出的火焰加热气化变成蒸汽通过连接管道进入汽包12的内腔，蒸汽经蒸汽喷嘴14喷出且对准火焰的根部喷射。蒸汽喷向火焰根部，对火焰的根部或者火焰外焰进行扰动混合，降低了工业燃油或燃气在第一燃烧筒11内的燃烧火焰温度，降低了烟气和空气混合物中的氧浓度，减少了中间产物含氮基团和氧气的反应概率以降低氮氧化物的排放。蒸发受热管13的内腔的冷却水受热，冷却水可将热量导出，降低了火焰前端区的温度，进一步可抑制热力型氮氧化物的生成。由于采用的是蒸汽喷向火焰的根部区域，则不容易出现燃烧不稳定的问题，本发明中的蒸汽发生和喷射系统直接设于燃烧器的前端且结构简单、紧凑合理，而且采用燃烧器喷出的火焰直接加热冷却水，无需借助于烟气系统的余热回收利用，因此蒸汽的产生容易获得，整个系统易于实施。

为了能够连续不断自动地对蒸发受热管13的内腔充满冷却水，优选的方案为所述蒸汽发生与喷射系统还包括液位泵15和水箱16，所述水箱16与所述蒸发受热管13通过管道19连通；所述液位泵15与所述水箱16连通，所述水箱16内设有浮球阀17，所述浮球阀17用于控制水箱16的液位，所述液位泵15用于对所述水箱16自动补水。为了有利于对蒸发受热管13进行注水，水箱16可设置于高处，或在管道19上安装增压泵。

自调节蒸汽加湿低氮一体化燃烧装置还包括第二燃烧筒18，所述第二燃烧筒18设于所述第一燃烧筒11内，所述第二燃烧筒18的外侧连接设有移动机构，所述移动机构驱动所述第二燃烧筒18相对于第一燃烧筒11前后移动，所述蒸发受热管13的内侧设为中空，且所述第二燃烧筒18在所述蒸发受热管13内前后伸缩，火焰经第二燃烧筒18喷出。移动机构可设为包括电动推杆、滑槽和导轨，可在第二燃烧筒18的外壁上沿轴向设有导轨，在蒸发受热管13的内壁上沿轴向设有滑槽，导轨嵌入滑槽中并与滑槽滑动配合；可将电动推杆的支座端固定于第一燃烧筒11的外壁上，将电动推杆的伸出端与第二燃烧筒18的外壁连接，电动推杆的伸出端伸出时，通过滑槽的导向，导轨沿着滑槽向前滑动，从而推动第二燃烧筒18平稳地向前移动。第二燃烧筒18的内壁上可设有耐火隔热材料，通过前后移动第二燃烧筒18，可实现对蒸发受热管13的受热面积大小的调节，从而实现控制单位时间内生成的蒸汽量，达到可根据火焰的燃烧工况控制喷入火焰的蒸汽量。第二燃烧筒18相对于第一燃烧筒11向前移动时，第二燃烧筒18在蒸发受热管13内向前伸出，此时蒸发受热管13的受热面积增大，单位时间内生成的蒸汽量变多，因此可在第二燃烧筒18的外壁上沿轴向长度向后设有蒸汽量递增的刻度，这样可方便观测喷入火焰的蒸汽量。

为了更加均匀地向燃烧器喷出的火焰喷射蒸汽，如图2所示，优选的方案为所述汽包12设为沿第一燃烧筒11的内壁且呈圆环形安装，所述汽包12的横截面设为圆管、方管或椭圆管，所述汽包12的内侧连接所述蒸汽喷嘴14，所述蒸汽喷嘴14沿圆环呈等角度间隔均匀分布。

冷却水的入口设于所述蒸发受热管13的底侧，蒸汽的出口设于所述蒸发受热管13的顶侧。蒸汽的出口设于所述蒸发受热管13的顶侧，可使蒸汽向上逸出，水不能向上流出，这样使得蒸汽喷嘴14喷出的全部是蒸汽；为了使冷却水受热均匀，则可将冷却水的入口设于所述蒸发受热管13的底侧。

一种自调节蒸汽加湿低氮一体化燃烧方法，包括以下步骤：

步骤S1：将第一燃烧筒11连接于燃烧器100喷出火焰的前端，将蒸发受热管13连接于第一燃烧筒11的前端，且将蒸发受热管13的内腔充满冷却水；

步骤S2：点燃燃烧器100的火焰，喷向炉膛的火焰依次经过第一燃烧筒11和蒸发受热管13，同时火焰对蒸发受热管13的内壁进行加热，所述蒸发受热管13内腔的冷却水经加热气化变成蒸汽进入汽包12的内腔；

步骤S3：蒸汽经蒸汽喷嘴14喷出且对准火焰的根部喷射。

步骤S4：水箱16的冷却水不断充满蒸发受热管13的内腔，水箱16的液位下降时，浮球阀17打开水箱16的进水口，液位泵15向水箱16自动补水；当水箱16的液位上升到指定的高度时，浮球阀17关闭水箱16的进水口，液位泵15停止向水箱16补水。

步骤S2中包括以下步骤：

步骤S21：前后移动第二燃烧筒18，第二燃烧筒18在所述蒸发受热管13内前后伸缩，对所述蒸发受热管13的受热面积大小进行调节，从而实现对蒸汽喷出量的调节；

第二燃烧筒18位于原位时对所述蒸发受热管13完全遮挡，此时蒸发受热管13的受热面积最小，单位时间内生成的蒸汽量最少，则喷入火焰根部的蒸汽量也最少；所述第二燃烧筒18完全向前移动，位于前端终端位时，所述第二燃烧筒18对所述蒸发受热管13前后错开，此时蒸发受热管13的受热面积最大，单位时间内生成的蒸汽量最多，则喷入火焰根部的蒸汽量也最多，这样能达到可根据火焰的燃烧工况控制喷入火焰的蒸汽量。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims

1.一种自调节蒸汽加湿低氮一体化燃烧装置，其特征在于，包括：第一燃烧筒（11）和蒸汽发生与喷射系统，所述第一燃烧筒（11）与燃烧器（100）的喷出火焰的前端连接且相通，所述第一燃烧筒（11）沿着燃烧器（100）的轴向向前延长；

所述蒸汽发生与喷射系统包括汽包（12）、蒸发受热管（13）和蒸汽喷嘴（14），所述汽包（12）和所述蒸汽喷嘴（14）设于所述第一燃烧筒（11）的靠近燃烧器（100）的后端，且所述蒸汽喷嘴（14）安装于所述第一燃烧筒（11）内，所述蒸汽喷嘴（14）与所述汽包（12）的内腔连通，所述蒸汽喷嘴（14）的喷口对准所述第一燃烧筒（11）的中心；

所述蒸发受热管（13）设于所述第一燃烧筒（11）的远离燃烧器（100）的前端，且所述蒸发受热管（13）与所述第一燃烧筒（11）轴向相通，所述蒸发受热管（13）的内腔充满冷却水，所述蒸发受热管（13）的内腔和所述汽包（12）通过管道连通；

燃烧器（100）喷向炉膛的火焰依次经过第一燃烧筒（11）和蒸发受热管（13）；

其中，所述自调节蒸汽加湿低氮一体化燃烧装置还包括第二燃烧筒（18），所述第二燃烧筒（18）设于所述第一燃烧筒（11）内，所述第二燃烧筒（18）的外侧连接设有移动机构，所述移动机构驱动所述第二燃烧筒（18）相对于第一燃烧筒（11）前后移动，所述蒸发受热管（13）的内侧设为中空，且所述第二燃烧筒（18）在所述蒸发受热管（13）内前后伸缩，火焰经第二燃烧筒（18）喷出。

2.根据权利要求1所述的自调节蒸汽加湿低氮一体化燃烧装置，其特征在于，所述蒸汽发生与喷射系统还包括液位泵（15）和水箱（16），所述水箱（16）与所述蒸发受热管（13）通过管道连通；

所述液位泵（15）与所述水箱（16）连通，所述水箱（16）内设有浮球阀（17），所述浮球阀（17）用于控制水箱（16）的液位，所述液位泵（15）用于对所述水箱（16）自动补水。

3.根据权利要求1所述的自调节蒸汽加湿低氮一体化燃烧装置，其特征在于，所述汽包（12）设为沿第一燃烧筒（11）的内壁且呈圆环形安装，所述汽包（12）的横截面设为圆管、方管或椭圆管，所述汽包（12）的内侧连接所述蒸汽喷嘴（14），所述蒸汽喷嘴（14）沿圆环呈等角度间隔均匀分布。

4.根据权利要求1所述的自调节蒸汽加湿低氮一体化燃烧装置，其特征在于，冷却水的入口设于所述蒸发受热管（13）的底侧，蒸汽的出口设于所述蒸发受热管（13）的顶侧。

5.一种自调节蒸汽加湿低氮一体化燃烧方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：将第一燃烧筒（11）连接于燃烧器（100）喷出火焰的前端，将蒸发受热管（13）连接于第一燃烧筒（11）的前端，且将蒸发受热管（13）的内腔充满冷却水；

步骤S2：点燃燃烧器（100）的火焰，喷向炉膛的火焰依次经过第一燃烧筒（11）和蒸发受热管（13），同时火焰对蒸发受热管（13）的内壁进行加热，所述蒸发受热管（13）内腔的冷却水经加热气化变成蒸汽进入汽包（12）的内腔；

步骤S3：蒸汽经蒸汽喷嘴（14）喷出且对准火焰的根部喷射；

其中，步骤S2中包括以下步骤：

步骤S21：前后移动第二燃烧筒（18），第二燃烧筒（18）在所述蒸发受热管（13）内前后伸缩，对所述蒸发受热管（13）的受热面积大小进行调节，从而实现对蒸汽喷出量的调节。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：

步骤S4：水箱（16）的冷却水不断充满蒸发受热管（13）的内腔，水箱（16）的液位下降时，浮球阀（17）打开水箱（16）的进水口，液位泵（15）向水箱（16）自动补水；当水箱（16）的液位上升到指定的高度时，浮球阀（17）关闭水箱（16）的进水口，液位泵（15）停止向水箱（16）补水。