CN112146091A - 一种紧凑型预混式超低氮燃烧装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及燃烧装置技术领域，尤指一种紧凑型预混式超低氮燃烧装置，包含：外导管、燃烧器壳体、调节装置、一次风管、中心燃气管以及若干周围燃烧组件，所述燃烧器壳体与外导管连通，所述调节装置设置在所述燃烧器壳体的内部，所述燃烧器壳体设有助燃风口；所述外导管的出管口连接有烟气导流组件，所述一次风管贯穿所述外导管且一次风管套设在中心燃气管上，所述一次风管的端部设有旋流盘，中心燃气管的前端设有与所述旋流盘相邻的燃烧头，所述燃烧头设有燃气喷孔。本发明在空气、燃料分级技术的基础上将空气‑烟气预混及空气‑燃料预混两项燃烧技术相结合从而进一步减少氮氧化物的排放量。
Description
技术领域
本发明涉及燃烧装置技术领域，尤指一种紧凑型预混式超低氮燃烧装置，其在空气分级技术(Air staging)、气体分级(Gas.staging)技术基础上将空气-烟气预混及空气-燃气预混两项燃烧技术同时应用到一个燃烧器中，从而减少氮氧化物的排放量，到达低氮排放的目的。
背景技术
通常地，氮氧化物(NOx)可分为以下几种：通过化学方式与燃料结合形态的氮成分在燃烧过程中氧化形成的燃料氮氧化物(Fuel NOx)；燃烧空气中氮在高温下游离产生的热力型氮氧化物(Thermal NOx)；以及碳氢化合物系列矿物燃料以高浓度状态暴露于高温环境时迅速生产快速氮氧化物(Prompt NOx)。
氮氧化物(NOx)会对大气环境和人类生活产生负面影响，导致了严重雾霾污染天气的频繁发生。因此，研发人员从很久以前就开始开发低氮氧化物燃烧器技术。
这项技术经历了以下三代的发展过程:
第一代：以空气分级技术为代表，通过分级为燃烧炉送风，防止燃烧炉内燃料引起的快速氧化反应，降低火焰温度，从而减少了热力型氮氧化物。
第二代：以气体分级技术为代表，其中，分中心部分(约5％～25％)和外围部分(75％～95％)两股喷射气体，使中心部分空气过剩而通过外部空气不足的状态，抑制占火焰大部分的外围部的氧化反应，不让火焰温度升高，从而减少了了热力型氮氧化物。虽然由于周围火焰是在空气中不足状态而可能产生快速型氮氧化物，但通过向周边喷射气体来以确保火焰温度在1000℃以下，从而能够同时实现保持火焰功能和抑制快速NOx产生的功能。
第三代：以IFGR(内部烟气循环)为代表，可实现燃烧气体在一次燃烧后在燃烧室内自行循(Recirculation)，让燃烧气体和火焰混合，降低火焰温度，因此可以从而减少热氮氧化物。
上述三种技术都难以达到国家超低氮排放30mg/Nm3的要求，具体为：
1.第一代采用空气分级燃烧技术，燃气燃烧器的氮氧化物的排放量一般在160mg/Nm3左右；
2.第二代在空气分级燃烧技术基础上，加燃料分级燃烧技术，燃气燃烧器的氮氧化物的排放量一般在120mg/Nm3左右；
3.第三代在采用空气分级燃烧技术、燃料分级基础上，和IFGR(内部烟气循环)技术，燃气燃烧器的氮氧化物的排放量一般在80mg/Nm3左右；
今天，进入21世纪，根据国家环境保护法的要求，上述技术均无法满足日益严格的排放要求，因此有必要开发一种更为低氮环保的燃气燃烧技术。
发明内容
为解决上述问题，本发明的主要目的在于提供一种紧凑型预混式超低氮燃烧装置，该装置在空气、燃料分级技术的基础上将空气-烟气预混及空气-燃料预混两项燃烧技术相结合从而进一步减少氮氧化物的排放量。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种紧凑型预混式超低氮燃烧装置，其设置在燃烧室的外壁上，其特征在于，所述紧凑型预混式超低氮燃烧装置包含：外导管、燃烧器壳体、调节装置、一次风管、中心燃气管以及若干周围燃烧组件，所述燃烧器壳体与外导管连通，所述调节装置设置在所述燃烧器壳体的内部，所述燃烧器壳体设有助燃风口；其中，
外导管，其一端插入到燃烧室内，所述外导管的出管口连接有烟气导流组件，用于向燃烧室内引入空气和烟气；
所述一次风管贯穿所述外导管且一次风管套设在中心燃气管上，所述一次风管的端部设有旋流盘，中心燃气管的前端设有与所述旋流盘相邻的燃烧头，所述燃烧头设有燃气喷孔；燃气从所述燃气喷孔喷射到一吹风管中与空气预混后射入炉膛内燃烧；
若干所述周围燃烧组件贯穿所述外导管且均匀的排布在所述一次风管的外围，周围燃烧组件用于将燃气与空气预混，并将预混后的混合气高速射入炉膛内燃烧。
进一步，所述周围燃烧组件包括吸气室、混合管以及若干周围燃气管，所述混合管的一端插入燃烧室内，所述混合管的另一端与所述吸气室连通，所述吸气室开设有导流口；
若干所述周围燃气管均匀分布在所述一次风管的外圈，所述周围燃气管的前端设置有缩径的燃气喷口，所述燃气喷口插入到所述吸气室内。
进一步，所述烟气导流组件包括缩径连接管以及与所述缩径连接管连接的燃烧器外圈导管，所述缩径连接管与所述燃烧器外圈导管之间设有导烟口。
进一步，所述紧凑型预混式超低氮燃烧装置还包括安装板，所述外导管通过所述安装板固定在燃烧室的外壁。
进一步，所述紧凑型预混式超低氮燃烧装置还包括周围燃气总管，其与若干所述周围燃气管连通。
进一步，所述中心燃气管的流量占整个装置燃气总量的10％-15％，所述周围燃气总管的流量占整个装置燃气总量的85％-90％。
进一步，所述燃烧头为喇叭型燃烧头，所述燃气喷孔设置在所述喇叭型燃烧头的斜上。
本发明的有益效果在于：
本发明在空气、燃料分级技术基础上，将空气-烟气预混技术及空气-燃料预混技术制造的燃烧器融合，与采用IFGR(内部烟气循环)技术的低氮燃烧器相比，能够进一步减少氮氧化物的排放量，实现超低氮排放。具体为：
1.通过控制所述中心燃气管的掺混比，可以使得燃烧温度低于理论燃烧温度，也低于热力氮氧化物生成的起始温度，可以降低氮氧化物的生成量。
2.通过控制所述周围燃气管的燃气喷口的流速，使得其混合的空气系数可调并小于1，可以使得燃烧温度低于理论燃烧温度，也低于热力氮氧化物生成的起始温度，可以降低氮氧化物的生成量。
3.所述烟气导流组件引入燃烧烟气形成烟气、空气混合气流，其在燃烧头周围形成还原性气氛，从而进一步降低氮氧化物的生成量。
附图说明
图1是本发明安装在燃烧室上的侧截面示意图。
图2是本发明的前半部分的示意图。
图3是本发明中空气与燃料气体及燃烧烟气的流动作用的状态图。
附图标号说明：1.外导管；2.安装板；3.助燃风口；4.燃烧器壳体；5.周围燃气总管；6.中心燃气管；7.调节装置；8.周围燃气管；9.一次风管；10.燃气喷口；11.导流口；12.吸气室；13.混合管；14.旋流盘；15.燃烧头；16.燃烧器外圈导管；17.导烟口；18.缩径连接管。
具体实施方式
请参阅图1-3所示，本发明关于一种紧凑型预混式超低氮燃烧装置，其设置在燃烧室的外壁(炉墙)上，所述紧凑型预混式超低氮燃烧装置包含：外导管1、燃烧器壳体4、调节装置7、一次风管9和中心燃气管6，其中，
外导管1，其一端插入到燃烧室内，另一端与所述燃烧器壳体4连通；所述外导管1用于向燃烧室内引入二次风A21和烟气C；
所述燃烧器壳体4设有助燃风口3，助燃风经所述助燃风口3进入燃烧器壳体4内分成一次风A1和二次风A2；其中，一次风A1和二次风A2的气体都指的是空气；
所述一次风管9贯穿所述外导管1，所述调节装置7用于调节一次风A1进入一次风管9的风量；
所述中心燃气管6插入一次风管9中，中心燃气管6的端部设有喇叭型燃烧头15，喇叭型燃烧头15的斜边上设置有燃气喷孔，燃气从所述燃气喷孔中高速射入到一次风管9中，实现燃气-空气预混；在一次风管9的端部设有旋流盘14，所述旋流盘14与所述喇叭型燃烧头15相邻；预混后的燃气、空气经旋流盘14高速射入到炉膛内燃烧。
所述紧凑型预混式超低氮燃烧装置还包括吸气室12、混合管13以及若干周围燃气管8，所述混合管13的一端插入燃烧室(也称炉膛)内，所述混合管13的另一端与所述吸气室12连通，所述吸气室12开设有导流口11；
若干所述周围燃气管8均匀分布在所述一次风管9的外圈，所述周围燃气管8的前端设置有缩径的燃气喷口10，所述燃气喷口10插入到所述吸气室12中；燃气作为引射介质从所述燃气喷口10射向所述吸气室12，因介质的快速流动在吸气室12内造成负压，于是周围的空气A22通过所述导流口11被大量吸入并与燃气迅速实现混合，混合后的燃气、空气经所述混合管13高速射入炉膛内燃烧；
在上述方案中，缩径的燃气喷口10可以使混合管13中的气流快速流动。
需要说明的是，所述周围燃气管8与所述混合管13组成的整体贯穿所述外导管1。
所述外导管1的出管口连接有缩径连接管18，所述缩径连接管18连接有燃烧器外圈导管16，所述缩径连接管18与所述燃烧器外圈导管16之间设有导烟口17，二次风A21在缩径连接管18的出口形成高速空气流，在导烟口17造成负压，于是燃烧室周围的烟气C被大量吸入并与空气迅速混合，实现烟气、空气预混，预混后的混合气高速射入炉膛内参与燃烧。
需要说明的是，所述二次风A2按其所流经的位置不同可分为二次风A21和二次风A22，所述二次风A21位于所述缩径连接管18中，所述二次风A22位于所述吸气室12周围。
进一步地，所述紧凑型预混式超低氮燃烧装置还包括安装板2，所述外导管1通过所述安装板2固定在燃烧室的外壁。
进一步地，所述紧凑型预混式超低氮燃烧装置还包括周围燃气总管5，其与若干所述周围燃气管8连通。
进一步地，所述中心燃气管6的流量占整个装置燃气总量的10％-15％，所述周围燃气总管5的流量占整个装置燃气总量的85％-90％。
工作原理：
如图3所示，助燃风A在燃烧器壳体4内通过调节装置7分为一次风A1和二次风A2；一次风在一次风管9中形成一次风气流A1，所述中心燃气管6中的燃气形成燃气气流B1，燃气气流B1从燃气喷孔高速射入到所述一次风气流A1中，两股气体混合成A1+B1后通过所述旋流盘14高速射入燃烧室中，通过控制一次风A1的比例，可以使得燃烧温度低于理论燃烧温度，也低于热力氮氧化物生成的起始温度，同时高速旋流的燃烧气体可以卷席燃烧室周围的燃烧烟气，可以进一步降低氮氧化物的生成量。
周围燃气管8中的燃气形成燃气气流B2，在缩径的燃气喷口10形成高速射流，将周围的空气A22大量吸入，两股气体混合成A22+B2后通过混合管13高速射入燃烧室中，由于其混合的空气系数小于1，同样使得燃烧温度低于理论燃烧温度，也低于热力氮氧化物生成的起始温度，同时高速的燃烧气体可以卷席燃烧室周围的燃烧烟气，可以进一步降低氮氧化物的生成量。
缩径连接管18中的二次风气流A21在缩径连接管18的出口形成高速空气流，大量吸入通过导烟口17引入的燃烧烟气C从而形成烟气、空气混合气流，其在所述燃烧头15和混合管13的出管口之间可以形成还原性气氛，从而进一步降低氮氧化物的生成量。
本发明的优点：
本发明在空气、燃料分级技术基础上，将空气-烟气预混技术及空气-燃料预混技术制造的燃烧器融合，与采用IFGR(内部烟气循环)技术的低氮燃烧器相比，能够进一步减少氮氧化物的排放量，实现超低氮排放。具体为：
1.通过控制所述中心燃气管6的掺混比，可以使得燃烧温度低于理论燃烧温度，也低于热力氮氧化物生成的起始温度，可以降低氮氧化物的生成量。
2.通过控制所述周围燃气管8的燃气喷口10的流速，使得其混合的空气系数可调并小于1，可以使得燃烧温度低于理论燃烧温度，也低于热力氮氧化物生成的起始温度，可以降低氮氧化物的生成量。
3.所述烟气导流组件引入燃烧烟气形成烟气、空气混合气流，其在燃烧头15周围形成还原性气氛，从而进一步降低氮氧化物的生成量。
以上实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。
Claims (7)
1.一种紧凑型预混式超低氮燃烧装置，其设置在燃烧室的外壁上，其特征在于，所述紧凑型预混式超低氮燃烧装置包含：外导管、燃烧器壳体、调节装置、一次风管、中心燃气管以及若干周围燃烧组件，所述燃烧器壳体与外导管连通，所述调节装置设置在所述燃烧器壳体的内部，所述燃烧器壳体设有助燃风口；其中，
外导管，其一端插入到燃烧室内，所述外导管的出管口连接有烟气导流组件，用于向燃烧室内引入空气和烟气；
所述一次风管贯穿所述外导管且一次风管套设在中心燃气管上，所述一次风管的端部设有旋流盘，中心燃气管的前端设有与所述旋流盘相邻的燃烧头，所述燃烧头设有燃气喷孔；燃气从所述燃气喷孔喷射到一吹风管中与空气预混后射入炉膛内燃烧；
若干所述周围燃烧组件贯穿所述外导管且均匀的排布在所述一次风管的外围，周围燃烧组件用于将燃气与空气预混，并将预混后的混合气高速射入炉膛内燃烧。
2.根据权利要求1所述的一种紧凑型预混式超低氮燃烧装置，其特征在于，所述周围燃烧组件包括吸气室、混合管以及若干周围燃气管，所述混合管的一端插入燃烧室内，所述混合管的另一端与所述吸气室连通，所述吸气室开设有导流口；
若干所述周围燃气管均匀分布在所述一次风管的外圈，所述周围燃气管的前端设置有缩径的燃气喷口，所述燃气喷口插入到所述吸气室内。
3.根据权利要求2所述的一种紧凑型预混式超低氮燃烧装置，其特征在于，所述烟气导流组件包括缩径连接管以及与所述缩径连接管连接的燃烧器外圈导管，所述缩径连接管与所述燃烧器外圈导管之间设有导烟口。
4.根据权利要求3所述的一种紧凑型预混式超低氮燃烧装置，其特征在于，所述紧凑型预混式超低氮燃烧装置还包括安装板，所述外导管通过所述安装板固定在燃烧室的外壁。
5.根据权利要求4所述的一种紧凑型预混式超低氮燃烧装置，其特征在于，所述紧凑型预混式超低氮燃烧装置还包括周围燃气总管，其与若干所述周围燃气管连通。
6.根据权利要求5所述的一种紧凑型预混式超低氮燃烧装置，其特征在于，所述中心燃气管的流量占整个装置燃气总量的10％-15％，所述周围燃气总管的流量占整个装置燃气总量的85％-90％。
7.根据权利要求1所述的一种紧凑型预混式超低氮燃烧装置，其特征在于，所述燃烧头为喇叭型燃烧头，所述燃气喷孔设置在所述喇叭型燃烧头的斜上。
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