CN112128739A

CN112128739A - 一种切向旋流扩散耦合烟气外循环低氮燃烧设备

Info

Publication number: CN112128739A
Application number: CN202010950305.4A
Authority: CN
Inventors: 吴同杰; 张义星; 代文娟; 金艺花; 李炳希; 吴庆福
Original assignee: Fujite Boiler Tianjin Co ltd
Current assignee: Fujite Boiler Tianjin Co ltd
Priority date: 2020-09-11
Filing date: 2020-09-11
Publication date: 2020-12-25

Abstract

本发明涉及一种切向旋流扩散耦合烟气外循环低氮燃烧设备，其特征在于：包括燃烧装置，燃气经燃气阀组进入所述燃烧装置入口，大部分燃气经燃烧装置燃气缓冲区后经由燃烧装置的主燃气喷嘴喷射进入燃烧区域与助燃风混合后开始燃烧并形成主火焰，小部分燃气经辅助燃气喷嘴喷射入燃烧区，辅助燃气喷嘴燃烧火焰与主火焰形成梯度配置，主火焰将进行主要的热化学反应，将热量送入炉膛，辅助燃烧喷嘴火焰直径小而短，为主火焰稳燃，提升稳定性并降低热力型氮氧化物产生。本发明同时实现天然气燃烧的CO的超低排放和NOx的超低排放。

Description

一种切向旋流扩散耦合烟气外循环低氮燃烧设备

技术领域

本发明涉及清洁能源技术领域，尤其是涉及一种切向旋流扩散耦合烟气外循环低氮燃烧设备，可实现天然气能源应用于膜式壁结构负压热水锅炉实现超低氮排放。

背景技术

能源是人类生成生活赖以生存的基础，既支持着现代经济的高速发展，保障着人们的正常生活需求，也是国家经济发展的重要战略物资。在我国，能源储量居于世界前列，据国家统计局公布的数据显示，2010 年我国煤炭储量2793.9 亿t，石油 31.74 亿 t，天然气储量37793.2 亿 m3，分别占世界的13.3%，1.1%，1.5%。同时，我国也是能源消费大国。长期以来，在我国一次能源消费中，煤炭消耗占据主要地位。2016 年，全国能源消费总量为43.6亿t标准煤，比 2012 年增长 8.4%，年均增幅为 2.0%；石油消费约 5.7 亿t、天然气消费2086亿m3，与2012年相比分别增长19.3%和 39.3%。从能源消费构成来看，2016 年煤炭消费占 62.0%、石油占18.3%及天然气占 6.4%。煤炭和石油等化石燃料的大量使用，会使我国环境面临严重的问题，如煤炭在燃烧过程中产生大量的二氧化硫、NOx和粉尘等对人类生存环境造成破坏。燃气与煤炭、石油相比，它称之为洁净能源，在燃烧过程中所产生的 CO₂不到燃煤燃烧的一半，而NOx的排放则更少，其对环境的污染较小。随着社会的持续发展，能源结构的不断调整，我国对洁净能源的需求必将呈持续增长态势。

随着我国经济社会的发展，原有的能源发展模式已经不能满足社会发展需求，节能环保的能源利用形式是目前的发展的方向。国家长期能源发展战略计划在2030以前压缩煤炭在一次能源消费占比重降低至50%以下。数据显示：从 2006 年到2015 年，全球煤炭和石油消费比重下降约 2.3 个百分点，而天然气比重提高约1个百分点。逐步将天然气发展成为我国的主体能源之一，是国家重点推广的一次能源，在一次能源应用中燃气锅炉是天然气能源利用的重要设备，天然气本身是一种清洁能源，但在能源转换过程中燃烧产生NOx，燃气锅炉在燃烧时会产生大量氮氧化物，在大气环境中，氮氧化物主要有七种存在形式，分别包括：NO、NO₂、N₂O、NO₃、N₂O₃、N₂O₄、N₂O₅。其中，NO和 NO₂在光化学反应的条件下，以相互转化，它们共同被称为氮氧化物NOx。氮氧化物的产生主要来自于自然界和人类活动的排放。2013年，全球氮氧化物排放近1300万吨，其中燃料燃烧排放占人类活动总排放的29%。发电行业是NOx排放的主要源头，占工业总排放量370万吨的一半——近180万吨。氮氧化物进入大气环境后，会对环境和人体健康造成严重危害：1.对人体的致毒作用，氮氧化物在一定浓度范围内时，具有强烈的刺激性，根据EPA 报道指出，短时间处于高浓度的NO₂中会诱发呼吸系统疾病，会增加5-12岁儿童呼吸道疾病的风险。EPA认为，长时间处于 NO₂中会引发肺部感染，并且在肺部形成病变。2.对植物的损害作用NO₂影响农作物发育，抑制豌豆、西红柿生长，柑橘减产。3.与碳氢化合物结合，在光照条件下，氮氧化物会反应形成光化学烟雾。4.氮氧化物也是酸雨、酸雾形成的主要原因，NO 和NO₂会与周围空气中的水分形成NO₃-和H+，导致金属表面严重腐蚀。5.NOx 参与臭氧层的破坏。通过研究燃气锅炉低氮燃烧技术，有效改善燃气锅炉燃烧过程中释放的氮氧化物情况，可以有效提高人们生存环境的质量，减少环境对人们身体健康造成的威胁。

根据2016年8月28日【北京大气办2016】34 号文《关于深化燃气（油）锅炉氮氧化物治理确保污染物达标排放的通告》（以下简称“通告”），北京市全面开展了低氮改造等锅炉氮氧化物治理工作，以确保2017年4月1日后，在用燃气（油）锅炉氮氧化物排放浓度执行80mg/m³的排放限值，新建锅炉执行30mg/m³的排放限值。

稳定燃烧过程中，形成的氮氧化物主要以NO形式存在，NO₂和N₂O只占小部分。在通常的燃烧温度下，锅炉排出的烟气中，NO占NOx总量的90%以上，而NO₂只占5%到10%。因此，研究NOx的生成机理，主要是针对 NO 而言的。根据生成机理的不同，氮氧化物生成途径分为三种：热力型NOx，空气中的氧气和氮气在高温下反应而生成的NOx，。快速型NOx，空气中的氧气和氮气在高温快速生成，快速型NOx占比热力型NOx约20%。燃料型NOx，燃料中的含氮化合物在燃烧过程中分解并被氧化生成的NOx。天然气中无燃料型氮，故实现天然气低氮燃烧主要技术方向是降低热力型氮氧化物的产生。

发明内容

本发明设计了一种切向旋流扩散耦合烟气外循环低氮燃烧设备，其解决的技术问题是天然气本身是一种清洁能源，但在能源转换过程中燃烧产生NOx，燃气锅炉在燃烧时会产生大量氮氧化物，造成环境的污染。

为了解决上述存在的技术问题，本发明采用了以下方案：

一种切向旋流扩散耦合烟气外循环低氮燃烧设备，包括燃烧装置，燃气经燃气阀组进入所述燃烧装置入口，大部分燃气经燃烧装置燃气缓冲区后经由燃烧装置的主燃气喷嘴喷射进入燃烧区域与助燃风混合后开始燃烧并形成主火焰，小部分燃气经辅助燃气喷嘴喷射入燃烧区，辅助燃气喷嘴燃烧火焰与主火焰形成梯度配置，主火焰将进行主要的热化学反应，将热量送入炉膛，辅助燃烧喷嘴火焰直径小而短，为主火焰稳燃，提升稳定性并降低热力型氮氧化物产生。

优选地，外循环烟气经烟气外循环管道进入烟气与新风混合器，混合均匀后经鼓风机加压送入助燃风风箱，经助燃风风箱折流板倒流形成旋流风送入燃烧筒与所述燃烧装置环形区域，所述燃烧装置燃气喷嘴前段设置火焰调节装置，所述火焰调节装置设置不同的旋流片角度可对火焰直径和火焰长度进行调节，保证燃烧充分性和稳定性的同时将当氧化物降低至设计值以下。

优选地，所述助燃风风箱（2）包括与燃烧筒（136）连通的风箱风道（131），在风箱风道（131）前端设有27°导流板（133），在风箱风道（131）后端设有0°导流板（134），助燃风风箱（2）通过两块特殊设计折流板将助燃风流向改变为特殊流动方式的旋流风送入燃烧筒与燃烧器环形区域为燃气提供助燃。

优选地，所述火焰调节装置包括多个稳焰盘折流片（1201），所述稳焰盘折流片（1201）包括第一部分、第二部分以及第三部分，所述第一部分一端与稳焰盘固定板（1205）固定连接，所述第一部分另一端与所述第二部分的一端垂直连接，所述第二部分的另一端与第三部分连接并形成钝角，主燃气喷嘴（1203）位于所述钝角中，并且第三部分将主燃气喷嘴（1203）与辅助燃气喷嘴（1202）隔开；所述火焰调节装置对燃烧火焰直径和火焰长度显著，对燃烧产生氮氧化物和一氧化碳影响显著。

优选地，稳焰盘固定板（1205）与主燃气管道（1204）之间设有安装孔并且通过稳焰盘调节螺栓（1206）进行锁定并且调整两者的距离。

优选地，燃气经手动切断球阀进入燃气过滤器，滤除异物，通过一次燃气压力表显示进入燃气过滤器前的燃气压力值，过滤后的燃气经燃气超低压力开关将燃气压力信号给到控制器确认燃气压力是否正常，然后再通过一次燃气安全切断阀，燃气泄漏监测开关将信号送至控制器确认一次燃气安全切断阀功能正常；控制器执行炉体温度监测通过后，启动鼓风机7并打开鼓风机风阀至100%开度进行前吹扫，空气压力开关将风压信号给到控制器确定新风正常，执行完吹扫程序后控制器监测风门开度至引火位，鼓风机频率降至设定值，一次燃气安全切断阀打开，控制器给出点火控制信号，点火变压器将高压交流电给到点火枪的电火棒尖端进行电弧放电，控制器给出信号打开一次燃气安全切断阀和燃气引火电磁阀，点火枪着火后，火焰信号经光电传感器将信号给到控制器确定火焰稳定后，控制器给出信号打开燃气调压安全切断阀并通过模拟量输出将信号给到一次燃气安全切断阀，阀开到位置后将位置反馈信号以模拟量形式给到控制器，检测火焰燃烧稳定后控制器给出信号关闭燃气引火电磁阀，检测燃烧稳定后转换至比例燃烧状态，控制器检测排烟温度，在排烟温度到达设计定温度时控制器将烟气外循环阀门调节器开度信号设定值下发燃气调节执行器，烟气外循环阀门打开后烟气经烟气外循环管道进入烟气与新风混合装置，并最终进入所述燃烧装置。

优选地，所述燃烧装置包括燃烧装置筒体，燃烧装置筒体通过固定板与外部燃烧筒固定，燃烧装置筒体上连接点火枪，电火棒一端与固定板连接，电火棒一端与点火枪连接，燃烧装置筒体出口处设有稳焰盘，稳焰盘上设有燃气喷嘴。

优选地，所述燃气阀组设置在燃气输入管道上，其结构如下：在燃气输入管道上依次设置手动切断球阀、一次燃气压力表、燃气过滤器、一次燃气安全切断阀、燃气泄漏监测开关、燃气调压安全切断阀、燃气二次压力表、燃气调节阀以及燃气调节执行器；在一次燃气安全切断阀与燃气调压安全切断阀之间的燃气输入管道与燃烧装置之间连接一根引火管道，在引火管道上设有燃气超低压力开关、燃气引火调压阀、燃气引火电磁阀以及燃气超高压力开关。

该切向旋流扩散耦合烟气外循环低氮燃烧设备具有以下有益效果：

（1）本发明同时实现天然气燃烧的CO的超低排放和NOx的超低排放。

（2）本发明燃烧头使用的火焰调节装置与燃烧头设计是机械可调，可灵活匹配不同结构炉膛，调节灵活、检修方便、维护成本低。

（3）燃烧头喷嘴使用螺栓紧固结构，其喷嘴可灵活调整，便于不同炉型的匹配。

（4）本发明相对表面燃烧方式的低氮结构其没有堵塞爆炸风险、安全性高。

（5）本发明燃烧装置通过回收烟气稀释助燃风中氧气浓度降低增加助燃风与燃气的体积比，从而增加相应的对流段流体速度和介质量增加传热效率和传热量提升锅炉热效率。

（6）本发明结构及控制组件相对简单，组装调试相对简单，具有极强的市场适应性和维护友好性。

附图说明

图1：本发明切向旋流扩散耦合烟气外循环低氮燃烧设备部件连接示意图；

图2：图1中燃烧装置的结构示意图；

图3：图1中燃气阀组的部件连接示意图。

图4：图2中燃烧器局部结构图。

图5：图1中助燃风风箱剖视图。

附图标记说明：

1—燃气阀组；2—助燃风风箱；3—燃烧筒；4—助燃风风量调节器；5—连接弯头；6—风箱连接软连接；7—鼓风机；8—烟气回收执行器；9—烟气外循环管道；10—燃烧装置；

101—燃气喷嘴；102—稳焰盘；103—点火枪；104—电火棒；105—燃烧装置筒体；106—火焰监测器；107—观火孔；108—固定板；109—接口法兰；

111—接口法兰；112—手动切断球阀；113—一次燃气压力表；114—燃气过滤器；115—燃气组合阀；116—一次燃气安全切断阀；117—燃气超低压力开关；118—燃气引火调压阀；119—燃气引火电磁阀；120—燃气泄漏监测开关；121—燃气调压安全切断阀；122—燃气超高压力开关；123—燃气二次压力表；124—燃气调节阀；125—燃气调节执行器；126—燃气出口法兰。

1201—稳焰盘折流片；1202—辅助燃气喷嘴；1203—主燃气喷嘴；1204—主燃气管道；1205—稳焰盘固定板；1206—稳焰盘调节螺栓。

131—风箱风道；132—风量调节档板；133—27°导流板；134—0°导流板；135—炉压检测孔；136—燃烧筒；137—风箱固定法兰。

具体实施方式

下面结合图1和图3，对本发明做进一步说明：

如图3所示，燃气经手动切断球阀112进入燃气过滤器114，滤除异物，通过一次燃气压力表113显示进入燃气过滤器114前的燃气压力值，过滤后的燃气经燃气超低压力开关117将燃气压力信号给到控制器确认燃气压力是否正常，然后再通过一次燃气安全切断阀116，燃气泄漏监测开关120将信号送至控制器确认一次燃气安全切断阀116功能正常。

控制器执行炉体温度监测通过后，启动鼓风机7并打开鼓风机风阀至100%开度进行前吹扫，空气压力开关将风压信号给到控制器确定新风正常，执行完吹扫程序后控制器监测风门开度至引火位，鼓风机7频率降至设定值，一次燃气安全切断阀116打开，控制器给出点火控制信号，点火变压器将高压交流电给到点火枪103的电火棒104尖端进行电弧放电，控制器给出信号打开一次燃气安全切断阀116和燃气引火电磁阀119，点火枪103着火后，火焰信号经光电传感器将信号给到控制器确定火焰稳定后，控制器给出信号打开燃气调压安全切断阀121并通过模拟量输出将信号给到一次燃气安全切断阀116，阀开到位置后将位置反馈信号以模拟量形式给到控制器，检测火焰燃烧稳定后控制器给出信号关闭燃气引火电磁阀119，检测燃烧稳定5S后转换至比例燃烧状态，控制器检测排烟温度，在排烟温度到达设计定温度时控制器将烟气外循环阀门调节器开度信号设定值下发燃气调节执行器125，烟气外循环阀门打开后烟气经烟气外循环管道9进入烟气与新风混合装置。

燃气经燃气阀组1进入燃烧装置入口，大部分经燃烧装置燃气缓冲区后经由燃烧装置主燃气喷嘴喷射进入燃烧区域与助燃风混合后开始燃烧，喷嘴适当长度可保证燃气与助燃风充分混合，保证燃烧稳定性和燃烧火焰长度与火焰高温区分布降低热力型氮氧化物产生，小部分燃气经辅助燃气喷嘴喷射入燃烧区，辅助燃气喷嘴燃烧火焰与主火焰形成梯度配置，主火焰将进行主要的热化学反应，将热量送入炉膛，辅助燃烧喷嘴火焰直径小而短，为主火焰稳燃，提升稳定性。

外循环烟气经烟气外循环管道9进入烟气与新风混合器，混合均匀后经鼓风机7加压送入助燃风风箱2，经助燃风风箱2折流板倒流形成旋流风送入燃烧筒3与燃烧装置10环形区域，燃烧装置10的燃气喷嘴前设置火焰调节装置，火焰调节装置设置不同的旋流片角度可对火焰直径和火焰长度进行调节，保证燃烧充分性和稳定性的同时将当氧化物降低至30mg/Nm³以下。

在调节完燃烧装置10结构后通过控制器可将燃烧装置输出功率在30-110%之间分隔成9个出力状态，通过对不同状态对应的进风量、燃气供给来那个和烟气循环量进行调节，实现不同出力状态下排放NOx、CO量符合设计要求，并保证燃烧的稳定性。

如图5所示，助燃风风箱2包括与燃烧筒136连通的风箱风道131，在风箱风道131前端设有27°导流板133，在风箱风道131后端设有0°导流板134，助燃风风箱2通过两块特殊设计折流板将助燃风流向改变为特殊流动方式的旋流风送入燃烧筒与燃烧器环形区域为燃气提供助燃。

如图4所示，火焰调节装置包括多个稳焰盘折流片1201，稳焰盘折流片1201包括第一部分、第二部分以及第三部分，第一部分一端与稳焰盘固定板1205固定连接，第一部分另一端与第二部分的一端垂直连接，第二部分的另一端与第三部分连接并形成钝角，主燃气喷嘴1203位于钝角中，并且第三部分将主燃气喷嘴1203与辅助燃气喷嘴1202隔开；火焰调节装置对燃烧火焰直径和火焰长度显著，对燃烧产生氮氧化物和一氧化碳影响显著。

稳焰盘固定板1205与主燃气管道1204之间设有安装孔并且通过稳焰盘调节螺栓1206进行锁定并且调整两者的距离。

上面结合附图对本发明进行了示例性的描述，显然本发明的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种切向旋流扩散耦合烟气外循环低氮燃烧设备，其特征在于：包括燃烧装置，燃气经燃气阀组进入所述燃烧装置入口，大部分燃气经燃烧装置燃气缓冲区后经由燃烧装置的主燃气喷嘴喷射进入燃烧区域与助燃风混合后开始燃烧并形成主火焰，小部分燃气经辅助燃气喷嘴喷射入燃烧区，辅助燃气喷嘴燃烧火焰与主火焰形成梯度配置，主火焰将进行主要的热化学反应，将热量送入炉膛，辅助燃烧喷嘴火焰直径小而短，为主火焰稳燃，提升稳定性并降低热力型氮氧化物产生。

2.根据权利要求1所述的切向旋流扩散耦合烟气外循环低氮燃烧设备，其特征在于：外循环烟气经烟气外循环管道进入烟气与新风混合器，混合均匀后经鼓风机加压送入助燃风风箱，经助燃风风箱折流板倒流形成旋流风送入燃烧筒与所述燃烧装置环形区域，所述燃烧装置燃气喷嘴前段设置火焰调节装置，所述火焰调节装置设置不同的旋流片角度可对火焰直径和火焰长度进行调节，保证燃烧充分性和稳定性的同时将当氧化物降低至设计值以下。

3.根据权利要求2所述的切向旋流扩散耦合烟气外循环低氮燃烧设备，其特征在于：

所述助燃风风箱（2）包括与燃烧筒（136）连通的风箱风道（131），在风箱风道（131）前端设有27°导流板（133），在风箱风道（131）后端设有0°导流板（134），助燃风风箱（2）通过两块特殊设计折流板将助燃风流向改变为特殊流动方式的旋流风送入燃烧筒与燃烧器环形区域为燃气提供助燃。

4.根据权利要求2所述的切向旋流扩散耦合烟气外循环低氮燃烧设备，其特征在于：

所述火焰调节装置包括多个稳焰盘折流片（1201），所述稳焰盘折流片（1201）包括第一部分、第二部分以及第三部分，所述第一部分一端与稳焰盘固定板（1205）固定连接，所述第一部分另一端与所述第二部分的一端垂直连接，所述第二部分的另一端与第三部分连接并形成钝角，主燃气喷嘴（1203）位于所述钝角中，并且第三部分将主燃气喷嘴（1203）与辅助燃气喷嘴（1202）隔开；所述火焰调节装置对燃烧火焰直径和火焰长度显著，对燃烧产生氮氧化物和一氧化碳影响显著。

5.根据权利要求4所述的切向旋流扩散耦合烟气外循环低氮燃烧设备，其特征在于：稳焰盘固定板（1205）与主燃气管道（1204）之间设有安装孔并且通过稳焰盘调节螺栓（1206）进行锁定并且调整两者的距离。

6.根据权利要求1所述的切向旋流扩散耦合烟气外循环低氮燃烧设备，其特征在于：

燃气经手动切断球阀进入燃气过滤器，滤除异物，通过一次燃气压力表显示进入燃气过滤器前的燃气压力值，过滤后的燃气经燃气超低压力开关将燃气压力信号给到控制器确认燃气压力是否正常，然后再通过一次燃气安全切断阀，燃气泄漏监测开关将信号送至控制器确认一次燃气安全切断阀功能正常；控制器执行炉体温度监测通过后，启动鼓风机7并打开鼓风机风阀至100%开度进行前吹扫，空气压力开关将风压信号给到控制器确定新风正常，执行完吹扫程序后控制器监测风门开度至引火位，鼓风机频率降至设定值，一次燃气安全切断阀打开，控制器给出点火控制信号，点火变压器将高压交流电给到点火枪的电火棒尖端进行电弧放电，控制器给出信号打开一次燃气安全切断阀和燃气引火电磁阀，点火枪着火后，火焰信号经光电传感器将信号给到控制器确定火焰稳定后，控制器给出信号打开燃气调压安全切断阀并通过模拟量输出将信号给到一次燃气安全切断阀，阀开到位置后将位置反馈信号以模拟量形式给到控制器，检测火焰燃烧稳定后控制器给出信号关闭燃气引火电磁阀，检测燃烧稳定后转换至比例燃烧状态，控制器检测排烟温度，在排烟温度到达设计定温度时控制器将烟气外循环阀门调节器开度信号设定值下发燃气调节执行器，烟气外循环阀门打开后烟气经烟气外循环管道进入烟气与新风混合装置，并最终进入所述燃烧装置。

7.根据权利要求1-6中任何一项所述的切向旋流扩散耦合烟气外循环低氮燃烧设备，其特征在于：所述燃烧装置包括燃烧装置筒体，燃烧装置筒体通过固定板与外部燃烧筒固定，燃烧装置筒体上连接点火枪，电火棒一端与固定板连接，电火棒一端与点火枪连接，燃烧装置筒体出口处设有稳焰盘，稳焰盘上设有燃气喷嘴。

8.根据权利要求1所述的切向旋流扩散耦合烟气外循环低氮燃烧设备，其特征在于：所述燃气阀组设置在燃气输入管道上，其结构如下：在燃气输入管道上依次设置手动切断球阀、一次燃气压力表、燃气过滤器、一次燃气安全切断阀、燃气泄漏监测开关、燃气调压安全切断阀、燃气二次压力表、燃气调节阀以及燃气调节执行器；在一次燃气安全切断阀与燃气调压安全切断阀之间的燃气输入管道与燃烧装置之间连接一根引火管道，在引火管道上设有燃气超低压力开关、燃气引火调压阀、燃气引火电磁阀以及燃气超高压力开关。