CN112443838B - 具有二次风的鼓风预混多孔介质燃烧辐射器及其燃烧方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有二次风的鼓风预混多孔介质燃烧辐射器及其燃烧方法。目前燃气燃烧辐射器燃烧效率低，热辐射效果差，NOx等污染物排放浓度较高。本发明包括燃气预混室，在燃气预混室两侧底部设有燃气入口，底面中心轴线处设有二次风入口，燃气预混室上端设有气流均匀分配器，气流分配器上端为多孔介质燃烧辐射器；二次风管设置于燃气预混室、气流分配器、多孔介质燃烧辐射器中心轴线；多孔介质燃烧辐射器两侧中下部设有一次风入口，外壁面中下部与燃气预混室外壁设有一次风环形预热夹层通道。本发明燃烧火焰更加稳定，燃烧效率高，热辐射强度大，燃烧器负载变化范围广，能够直接实现NOx的超低排放。

Description

具有二次风的鼓风预混多孔介质燃烧辐射器及其燃烧方法
技术领域
本发明属于多孔介质燃烧技术领域，涉及一种具有二次风的鼓风预混多孔介质燃烧辐射器及其低氮燃烧方法，适合于工业中的燃气燃烧辐射器和民用燃气灶具。
背景技术
随着环境压力日益严峻，天然气等气体燃料开发利用比重日益增加，如何实现天然气等气体燃料的高效清洁利用已经引起广泛关注。特别是近年来，国家对环保排放标准要求更加严格，2015年底国务院三部委提出“超低排放”限值规定，明确要求燃煤烟气中的氮氧化物排放浓度 NOx ≤ 50 mg/Nm3（O2= 6%），并逐渐推广到燃油和燃气的燃烧装置上，形成业内共识。
目前工业中的主流燃气燃烧辐射器与民用燃气灶具，燃烧方式上仍然是以传统的扩散燃烧为主，存在燃烧火焰过长，局部区域温度过高，温度梯度过大，燃烧效果受混合效果影响显著等问题。虽然多数燃气燃烧器设计制造采用了空气分级燃烧，燃气分级燃烧，甚至是烟气再循环技术，对抑制NOx生成有一定成效，但多数燃气燃烧器出口浓度仍然是150mg/Nm3-400 mg/Nm3，早期设计的燃气燃烧器甚至能够高达600 mg/Nm3，远高于现行超低排放规定中所要求达到的排放浓度。
为满足燃气排放标准，通常是在燃气燃烧器所应用燃烧装置的尾部烟道加装烟气脱硝控制装置（如SCR或SNCR），造成投资成本高、设备体积大及氨逃逸引起的二次污染等问题，并且无法应用到民用燃烧装置领域中（如燃气灶具）。另一方面，传统扩散燃烧后，燃烧热量主要是被高温烟气直接带走，并通过对流换热方式传递给被加热体，热量传递效率受负荷变化、流动状态、结构参数影响明显，热辐射效率低。因此，燃气燃烧辐射器在空气分级、燃烧区域还原性分布、二次风、燃烧辐射强度、余热回收等方面仍具有较大改善空间。
多孔介质燃烧是作为新一代新型燃烧技术，在燃烧气体燃料时具有燃烧效率高、燃烧强度大、燃烧稳定性强、辐射换热大，设备体积小、污染物排放低等强大优势，并具有广阔的工业和民用领域的应用前景。
发明内容
本发明主要目的是基于耦合空气分级与多孔介质燃烧，直接降低气体燃料燃烧器氮氧化物的原始生成浓度，提供一种燃烧强度高、辐射强度大、负荷变化范围宽的气体燃料低氮燃烧辐射器，同时提供一种利用该装置进行低氮燃烧的燃烧方法。
本发明的主要构思原理：本发明具有旋转预混室本体和多孔介质燃烧辐射器本体，将圆锥/圆台二次风管直接贯穿于预混室和多孔介质燃烧辐射器中心，采用燃烧器外壁夹层通道预热一次风，利用切圆旋转预混方式充分混合，结合多孔介质燃烧中自身产生的热回流，利用多孔介质孔隙分层界面与燃烧室轴向截面渐扩结构稳定燃气燃烧火焰，通过二次风沿中心轴线方向经二次风管柱面出风口逐步供给，依次在多孔介质燃烧区域轴向方向上形成强还原性、弱还原性、氧化性的三级稳定燃烧区，控制氮氧化物生成，燃烧热量以耦合多孔介质表面辐射传热和高温烟气对流传热的传热方式传递出去。
本发明的技术方案为：
本发明中的具有二次风鼓风预混多孔介质燃烧辐射器包括燃气预混室，在燃气预混室两侧（或一侧）设有燃气入口，在燃气预混室上方设有气流均匀分配器，气流均匀分配器上方设有多孔介质燃烧辐射器；燃气预混室底面中心轴线处设有二次风入口，二次风管沿燃气预混室、气流分配器和多孔介质燃烧辐射器轴向中心垂直布置，与多孔介质燃烧辐射器表面处于同一标高；多孔介质燃烧辐射器两侧中下部设有一次风入口，外壁面中下部与燃气预混室外壁设有一次风预热夹层通道，一次风经夹层通道预热后由燃气预混室下部预热一次风口进入预混室与燃气混合，混合后的燃气经气流均匀分配器后，进入多孔介质辐射器燃烧。
所述二次风管可采用直管，梯形或锥形结构；所述多孔介质燃烧辐射段内的二次风管在圆柱面上设有柱面出风口，柱面出风口需沿二次风管轴向与周向方向均匀分布，柱面出风口采用的排列方式为“三角形”或“正方形”排列；所述二次风管顶面可设为封闭面，或在顶面中心设有顶面出口风口，顶面出风口直径应略小于与柱面出风口，或直径相当。
所述二次风管圆柱面出风口的轴线方向可垂直于二次风管圆柱面，或向下最大偏离水平方向18°，或设置于两者角度之间；所述二次风经二次风管出风口需具有设定流速，进入燃烧区域须具有射流效应。
所述燃气预混室两侧燃气入口和燃烧辐射器两侧一次风入口，可两侧对称布置，或可单侧布置，或同一标高圆周方向均布；燃气预混室预热一次风口可布置在燃气入口上方，或与燃气入口处于同一标高，且沿圆周方向间隔均布，各入口入射方向需有利于燃气和预热空气在燃气预混室内的旋转预混。
所述一次风预热通道可采用环形夹层通道结构，或对称布置于鼓风预混多孔介质燃烧辐射器两侧，预热通道数量应与所述的一次风入口，燃气预混室预热一次风口数量相对应。
所述多孔介质燃烧辐射器轴向截面采用“梯形裤衩”结构，且每条“裤腿”同样设计为梯形截面。
所述多孔介质燃烧辐射器中的多孔介质下部采用孔径和（或）孔隙率较小的多孔介质填充，上部采用孔径和（或）孔隙率较大的多孔介质填充；所述多孔介质孔隙率为0.25～0.95。所述多孔介质应为孔隙率、孔径均匀的蜂窝结构、泡沫结构、或堆积颗粒结构。
所述气流分配器可采用孔密度高的陶瓷板，金属板、泡沫陶瓷、泡沫金属板中的一种或组合；所述各板中的小孔轴线与板面法线平行，或成统一方向偏转角，且小于10°。
利用本装置进行低氮燃烧原理与过程为：所述一次风从一次风口进入夹层预热通道预热后，经预热一次风口以射流方式进入燃气预混室，燃气通过燃气预混室两侧燃气入口以射流方式切向进入燃气预混室，两者在预混室内利用射流引起的旋转效应进行旋转预混后，经气流均匀分配器均匀整流后，进入轴向截面渐扩的“梯形裤衩”式多孔介质燃烧辐射器进行燃烧，利用多孔介质孔隙分层界面与燃烧器轴向截面渐扩结构将燃烧火焰稳定，并在多孔介质燃烧辐射器中下部区域形成强还原性气氛区域，抑制氮氧化物形成，甚至能将生成氮氧化物继续还原为氮气；同时二次风沿燃烧器中心流动方向经柱面出风口，以较高速度射入方式逐渐进入多孔介质燃烧区域内，进一步增强燃烧区域内气流扰动，为不完全燃烧产物及时补充燃烧所需要的氧气，并在燃烧器表面（即二次风顶端）补充完全，依次在多孔介质燃烧区域轴向方向上形成强还原性、弱还原性、氧化性的三级稳定燃烧区，抑制氮氧化物生成，直接实现氮氧化物的超低排放。燃烧产生的热量能够通过多孔介质辐射和高温烟气对流换热方式实现燃烧热的高效传热。
进一步：所述一次风量、二次风量均可调，一次风、二次风所占比例控制在40%-80%、20%-60%范围内；上、下二次风比调配依据燃烧器负荷增加，增加上二次风比原则进行；基于所述具有二次风的空气分级燃烧，在多孔介质燃烧辐射器中下部区域形成过量空气系数为0.6-0.85强还原性气氛，并通过二次风管出风口的逐步供给，在中上部多孔介质燃烧区域由弱还原性气氛（过量空气系数为0.85-1.0）逐渐过渡到燃烧器出口表面的氧化性燃烧区（过量空气系数为1.05-1.35），直接实现燃气燃烧辐射器氮氧化物的超低排放。
本发明的有益效果：本发明利用夹层预热通道预热一次风，依据氮氧化物生成原理，基于多孔介质燃烧基础上耦合空气分级技术，将二次风沿燃烧器中心流动方向经二次风管柱面出风口逐渐供给，在多孔介质燃烧区域轴线方向上依次形成强还原性、弱还原性、氧化性的燃烧区域，进一步抑制氮氧化物产生，可直接实现氮氧化物超低排放；同时，采用多孔介质孔隙分层界面与燃烧器轴向截面渐扩结构稳定燃烧火焰，利用燃烧区中的多孔介质固体较强导热、辐射传热、及高温烟气的对流换热迅速将热量传递出去，增强燃烧强度，提高热辐射强度；本发明同时具有提高燃烧效率，拓宽燃烧负荷，设备小型化等特点。该装置与燃烧方法，及工艺能广泛适应于工业中的燃气燃烧辐射器与民用燃气灶具的相关领域。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为柱面出口风为“正方形”排列的二次风管；
图3为柱面出口风“三角形”排列的二次风管；
图4为预热一次风与燃气入口的入射方式。
具体实施方式
下面结合附图1对本发明作详细说明。
如图1所示，包括燃气预混室1，在燃气预混室两侧（或一侧）设有燃气入口2，上方设有气流均匀分配器5，气流均匀分配器上方设有多孔介质燃烧辐射器7；燃气预混室底面中心轴线处设有二次风入口11，二次风管8沿燃气预混室、气流分配器和多孔介质燃烧辐射器中心轴线布置，与多孔介质燃烧辐射器表面处于统一标高；多孔介质燃烧辐射器上部周向为保温层10，多孔介质燃烧辐射器两侧中下部设有一次风入口6，外壁面中下部与燃气预混室外壁设有一次风预热夹层通道4，一次风经夹层通道预热后由燃气预混室下部预热一次风口3进入预混室与燃气混合，混合后的燃气经气流均匀分配器后，进入多孔介质辐射器燃烧。
二次风管可采用直管，梯形或锥形结构，所述多孔介质燃烧辐射段内的二次风管在圆柱面上设有柱面出风口12，柱面出风口需沿二次风管轴向与周向方向均匀分布，柱面出风口采用排列方式为“三角形”或“正方形”排列；所述二次风管顶面13可设为封闭面，或在顶面中心设有顶面出口风口，顶面出风口直径应略小于与柱面出风口，或直径相当，见图2和图3。
二次风管圆柱面出风口的轴线方向可垂直于二次风管圆柱面，或向下最大偏离水平方向18°，或设置于两者角度之间；所述二次风经二次风管出风口需具有设定流速，进入燃烧区域须具有射流效应。
燃气预混室两侧燃气入口和燃烧辐射器两侧一次风入口，可两侧对称布置，或可单侧布置，或同一标高圆周方向均布；预混室预热一次风口可布置在燃气入口上方，或与燃气入口处于同一标高，且沿圆周方向间隔均布，各入口入射方向需有利于燃气和预热空气在预混室内的旋转预混，见图4。
一次风预热通道可采用环形夹层通道结构，或对称布置于鼓风预混多孔介质燃烧辐射器两侧，预热通道数量应与所述的一次风入口，预混室预热一次风口数量相对应。
多孔介质燃烧辐射器轴向截面采用“梯形裤衩”结构，且每条“裤腿”同样设计为梯形截面。
多孔介质燃烧辐射器中的多孔介质下部采用孔径和（或）孔隙率较小的多孔介质填充，上部采用孔径和（或）孔隙率较大的多孔介质填充；所述多孔介质孔隙率为0.25～0.95。所述多孔介质应为孔隙率、孔径均匀的蜂窝结构、泡沫结构、或堆积颗粒结构。
气流分配器可采用为孔密度高的陶瓷板，金属板、泡沫陶瓷、泡沫金属板中的一种或组合；所述各板中的小孔轴线与板面法线平行，或成统一方向偏转角，且小于10°。
一次风量、二次风量均可调，一次风、二次风所占比例控制在40%-80%、20%-60%范围内；上、下二次风比调配依据燃烧器负荷增加，增加上二次风比原则进行；基于所述具有二次风的空气分级燃烧，在多孔介质燃烧辐射器中下部区域形成过量空气系数为0.6-0.85强还原性气氛，并通过二次风管出风口的逐步供给，在中上部多孔介质燃烧区域由弱还原性气氛（过量空气系数为0.85-1.0）逐渐过渡到燃烧器出口表面的氧化性燃烧区（过量空气系数为1.05-1.35），直接实现燃气燃烧辐射器氮氧化物的超低排放。
该装置在点火启动时，率先开启一次风和二次风，同时启动点火装置在燃烧辐射器表面9处点火后，在开启燃气通道，一次风从一次风口进入夹层预热通道预热后，经预热一次风口以射流方式进入预混室，燃气通过预混室两侧燃气入口以射流方式切向进入预混室，两者在预混室内利用射流引起的旋转效应进行旋转预混后，经气流均匀分配器均匀整流后，进入轴向截面渐扩的“裤衩结构”式多孔介质燃烧辐射器进行稳定燃烧，利用多孔介质孔隙分层界面与燃烧器轴向截面渐扩结构将燃烧火焰稳定，并在多孔介质燃烧辐射器中下部区域形成强还原性气氛区域，抑制氮氧化物形成，甚至能将生成氮氧化物继续还原为氮气；同时二次风沿燃烧器中心流动方向经柱面出风口，以较高速度射入方式逐渐进入多孔介质燃烧区域内，进一步增强燃烧区域内气流扰动，为不完全燃烧产物及时补充燃烧所需要的氧气，并在燃烧器表面（即二次风顶端）补充完全，依次在多孔介质燃烧区域轴向方向上形成强还原性、弱还原性、氧化性的三级稳定燃烧区，抑制氮氧化物生成，直接实现氮氧化物的超低排放。燃烧产生的热量能够通过多孔介质辐射和高温烟气对流换热方式实现燃烧热的高效传热。
本发明依据氮氧化物生成原理，利用夹层预热通道预热一次风，将空气分级燃烧与多孔介质燃烧技术相结合，利用二次风沿燃烧器中心流动方向经二次风管柱面出风口逐渐供给的方法，在燃烧辐射器高度方向上依次形成强还原性、弱还原性、氧化性的燃烧区域，再利用多孔介质燃烧降低氮氧化物排放基础上，进一步抑制氮氧化物产生，可直接实现氮氧化物超低排放；同时，采用多孔介质孔隙分层界面与燃烧器轴向截面渐扩结构稳定燃烧火焰，利用燃烧区中的多孔介质固体较强导热、辐射传热、及高温烟气的对流换热迅速将热量传递出去，增强燃烧强度，提高热辐射强度；本发明同时具有提高燃烧效率，拓宽燃烧负荷，设备小型化等特点。该装置与燃烧方法，及工艺能广泛适应于工业中的燃气燃烧辐射器与民用燃气灶具的相关领域。
通过采用本发明装置及低氮燃烧方法，可达到如下效果：燃气燃烧辐射燃烧器荷40%-120%之间变化时，在保证燃烧器燃烧效率和热效率的同时，有效控制氮氧化物原始生成浓度，直接可实现氮氧化物浓度原始生成浓度满足超低排放，即 NOx ≤ 50 mg/Nm3（O2=6%）。
本发明适用于工业中的燃气燃烧辐射器与民用燃气燃烧器（或燃气灶），以上所述仅为本发明的较佳实施案例，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属于本发明专利的涵盖范围。

Claims (9)

1.具有二次风的鼓风预混多孔介质燃烧辐射器，其特征在于：包括燃气预混室，在燃气预混室设有燃气入口，燃气预混室的上方设有气流均匀分配器，气流均匀分配器上方设有多孔介质燃烧辐射器；燃气预混室底面中心轴线处设有二次风入口，二次风管沿燃气预混室、气流分配器和多孔介质燃烧辐射器中心轴线布置，与多孔介质燃烧辐射器表面处于同一标高,所述多孔介质燃烧辐射器轴截面由下往上渐扩；多孔介质燃烧辐射器两侧中下部设有一次风入口，外壁面中下部与燃气预混室外壁设有一次风预热夹层通道，一次风经一次风预热夹层通道预热后由燃气预混室下部预热一次风口进入燃气预混室与燃气混合，混合后的燃气经气流均匀分配器后，进入多孔介质辐射器燃烧；
所述二次风管可采用直管、梯形或锥形结构；所述多孔介质燃烧辐射段内的二次风管在圆柱面上设有柱面出风口，柱面出风口沿二次风管轴向与周向方向均匀分布，柱面出风口采用的排列方式为“三角形”或“正方形”排列；所述二次风管顶面设为封闭面或在顶面中心设有顶面出风口。
2.根据权利要求1所述的具有二次风的鼓风预混多孔介质燃烧辐射器，其特征在于：所述二次风管圆柱面出风口的轴线方向可垂直于二次风管圆柱面，或向下最大偏离水平方向18°，或设置于两者角度之间；所述二次风经二次风管出风口具有设定流速，进入燃烧区域须具有射流效应。
3.根据权利要求1所述的具有二次风的鼓风预混多孔介质燃烧辐射器，其特征在于：所述燃气预混室两侧燃气入口和燃烧辐射器两侧一次风入口均可两侧对称布置或单侧布置或同一标高圆周方向均布；燃气预混室预热一次风口可布置在燃气入口上方或与燃气入口处于同一标高，且沿圆周方向间隔均布，各入口入射方向需有利于燃气和预热空气在燃气预混室内的旋转预混。
4.根据权利要求1所述的具有二次风的鼓风预混多孔介质燃烧辐射器，其特征在于：所述一次风预热通道采用环形夹层通道结构或对称布置于多孔介质燃烧辐射器两侧，预热通道数量与所述的一次风入口数量相对应。
5.根据权利要求1所述的具有二次风的鼓风预混多孔介质燃烧辐射器，其特征在于：所述多孔介质燃烧辐射器轴向截面采用“梯形裤衩”结构，且每条“裤腿”同样设计为梯形截面。
6.根据权利要求1所述的具有二次风的鼓风预混多孔介质燃烧辐射器，其特征在于：所述多孔介质燃烧辐射器中的多孔介质下部采用孔径和/或孔隙率较小的多孔介质填充，上部采用孔径和/或孔隙率较大的多孔介质填充；所述多孔介质孔隙率为0.25～0.95；所述多孔介质为孔隙率、孔径均匀的蜂窝结构、泡沫结构或堆积颗粒结构。
7.根据权利要求1所述的具有二次风的鼓风预混多孔介质燃烧辐射器，其特征在于：所述气流分配器采用陶瓷板，金属板、泡沫陶瓷、泡沫金属板中的一种或多种组合；所述各板中的小孔轴线与板面法线平行，或成统一方向偏转角，且小于16°。
8.采用权利要求1所述具有二次风的鼓风预混多孔介质燃烧辐射器进行低氮分级燃烧的方法，其特征在于：
一次风从一次风口进入夹层预热通道预热后，经预热一次风口进入燃气预混室，燃气通过燃气预混室两侧燃气入口切向进入燃气预混室，燃气和预热一次风在燃气预混室内进行旋转预混后，经气流均匀分配器均匀整流后，进入“梯形裤衩”的多孔介质燃烧辐射器进行燃烧，并在中下部区域形成强还原性气氛区域，不仅抑制氮氧化物形成，甚至能将生成氮氧化物继续还原为氮气；
同时二次风沿燃气整体流动方向经柱面出风口逐步供给，并以较高速度射入进入多孔介质燃烧区域内，进一步增强燃烧区域内气流扰动，为不完全燃烧产物及时补充燃烧所需要的氧气，并在燃烧器表面补充完全，形成氧化性气氛，有利于燃料充分燃烧；这样就形成了燃烧区域从燃烧器下部还原性气氛，逐步过渡到燃烧辐射器出口面的氧化性气氛，利用空气分级和多孔介质燃烧耦合控制的低氮燃烧，通过多孔介质辐射和高温烟气对流换热方式实现燃烧热的高效传热。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述一次风的风量、二次风的风量均可调，一次风、二次风所占比例控制在40%-80%、20%-60%范围内；在多孔介质燃烧辐射器中下部区域形成强还原性气氛，并通过二次风管出风口的逐步供给，在中上部多孔介质燃烧区域由弱还原性气氛逐渐过渡到燃烧器出口表面的氧化性燃烧区。
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