CN113048474B - 一种低NOx排放的无焰燃烧装置及其燃烧方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低NO_x排放的无焰燃烧装置及其燃烧方法，该无焰燃烧装置包括烧嘴本体、耐高温耐火材料制成的烧嘴砖，烧嘴砖上设置预燃室，以及燃料管道、一次空气通道、二次空气通道等。预燃室底部的设置有至少一个燃料喷口；预燃室的底部设置有一次空气环缝；烧嘴砖上设置有二次空气喷孔，二次空气喷孔由若干第一二次喷孔和若干第二二次喷孔组成，且第一二次喷孔的孔径小于第二二次喷孔的孔径。该无焰燃烧燃烧装置及其燃烧方法，可实现燃烧装置低温和高温两种燃烧模式，满足工业实际应用，在低温燃烧阶段可提高低温启炉燃烧的稳定性，保证安全；在高温阶段实现高效、低污染的无焰燃烧，降低能耗和污染，改善产品质量，提高窑炉寿命。

Description

一种低NOx排放的无焰燃烧装置及其燃烧方法

技术领域

本发明属于工业燃烧器领域，涉及一种钢铁、化工、锅炉、玻璃、有色金属冶炼等高温炉窑用低NO_x排放的无焰燃烧装置及其燃烧方法。

背景技术

钢铁、锅炉、石化、玻璃、有色金属冶炼等行业存在大量高温窑炉，以各种气体燃料、燃油等液体燃料，以及固体燃料进行燃烧，提供生产工艺所需要的热量和高温环境。高温燃烧是一种剧烈的化学反应过程，火焰窑炉不仅产生各种CO₂等废气，同时产生NO_x、SO₂等多种污染物，CO₂也是导致气候变化的最主要原因。节约能源、降低各种污染物的生成浓度和排放总量，是社会和法律的基本要求，也是各个生产企业的义务。

NO_x会导致严重的人类健康问题，是主要的工业窑炉大气污染物之一。在高温燃烧过程中，NO_x的生成有自身的机理，基于NO_x在燃烧过程中形成机理的研究，国内外研究、开发了众多的低NO_x燃烧器、燃烧装置和燃烧方法，如：已公开专利CN104990078A披露了一种可快速实现无焰燃烧的燃烧器和燃烧方法，其设置有一中心燃气喷管、一环路燃气喷管、两对称空气喷管和一环路空气喷管，并且在中心燃气喷管和环路燃气喷管的前端连接一前端设置有一环状突起的稳焰钝体，快捷地实现有焰燃烧与无焰燃烧的切换。虽然该公开专利从原理上实现了无焰燃烧，但结构简单，没有考虑工业实际应用中各种燃料，以及工业窑炉实际的加热工艺要求，难以满足实际应用。

已公开专利CN104266190A披露了一种富氧无焰燃气燃烧器及其控制方法，其在普通常规燃烧器上，设置纯氧喷管，借助于高速氧气射流对燃烧烟气的卷吸，控制氧气与烟气的混合比例，降低氧气浓度，再与燃气燃烧，实现无焰燃烧，达到提高温度均匀性，降低NO_x以及节能的目的。但该公开专利需要高速高压力的纯氧，而又不能完全取消空气，设备和整个燃烧的管道系统复杂；难以应用于氧气缺乏的工厂，且造价高。

已公开专利CN104633658A披露了一种低氧化氮烧嘴，烧嘴本体设置有可将燃料引入燃烧区的燃料喷嘴和可将空气引入燃烧区的一级空气喷嘴、二级空气喷嘴、三级空气喷嘴，采用依次连通的三级燃烧结构，将燃烧所需的空气分三级供入，可在确保燃烧稳定的同时，避免局部的高强度燃烧，大幅度降低了NO_x。但该公开专利不能实现无焰燃烧，NO_x浓度降低有限，已难以满足当前环保，以及未来环保要求。

已公开专利CN102230623A披露了一种扁平燃烧装置，包括喷口布置单元、分别连接于喷口布置单元两侧的进气单元和火焰控制单元，喷口布置单元上设置有燃气喷口、一次空气喷口、二次空气喷口和火焰稳定区。其采用扁形的燃料喷口和特殊布置的多级空气喷口，实现分级燃烧，以及燃烧火焰的扁平形状，提高加热温度的均匀性。但该公开专利同样采用传统的有明显火焰的燃烧方式，存在NO_x偏高的缺陷。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对上述现有技术中所存在的缺陷，提供一种钢铁、化工、锅炉、玻璃、有色金属冶炼等高温炉窑用低NO_x排放的无焰燃烧装置及其燃烧方法。

本发明提供了一种低NO_x排放的无焰燃烧装置，通过特殊设计和布置的空气喷孔，以及空气的分级供入，使空气和燃料在混合燃烧之前，各自分别先与燃烧产生的尾气相混合，形成没有火焰形状、燃烧反应在整个炉膛区域或燃烧空间产生温度均匀而没有明显高温区域的无焰燃烧状态，可以大大提高整个加热区域的温度均匀性，最大程度降低NO_x的排放，这有别于普遍使用的有明显火焰形态的常规燃烧器。

本发明的低NO_x排放的无焰燃烧装置基于工业实际应用情况下的常温点火、窑炉低温启动或运行时火焰的温度和窑炉安全考虑，通过设置一次空气环缝以稳定燃烧火焰，实现常温点火和低温稳定运行；还通过在空气总管的入口处设置空气调节阀，以调节和控制一次空气和二次空气的比例和/或开关，实现燃烧装置高/低温工作模式的自由切换，保证低温运行的可靠性，并可在窑炉高温状态下切换为高温模式，实现燃料超低污染的清洁、高效燃烧。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：本发明的第一个方面是提供一种低NO_x排放的无焰燃烧装置，包括烧嘴砖和设置于所述烧嘴砖上呈扩张状的预燃室，其中：

所述预燃室底部的设置有至少一个燃料喷口；

所述预燃室的底部设置有一次空气环缝，所述一次空气环缝呈环形设置于所述燃料喷口的外周；

所述烧嘴砖上设置有二次空气喷孔，所述二次空气喷孔由布置于所述燃料喷口上下两侧的若干第一二次喷孔和布置于所述左右两侧的若干第二二次喷孔组成，且所述第一二次喷孔的孔径小于所述第二二次喷孔的孔径。

进一步地，所述燃料喷口位于所述预燃室的几何中心位置的圆形或椭圆形轨迹上；

所述一次空气环缝位于所述燃料喷口外侧的所述预燃室的几何中心位置的圆形或椭圆形轨迹上；以及

所述二次空气喷孔位于所述预燃室的几何中心位置的圆形或椭圆形轨迹上。

进一步地，所述第一二次喷孔与所述预燃室的几何中心线平行，或相对该几何中心线向内侧具有偏向角度β，所述偏向角度β为0-60°。优选地，所述偏向角度β为0-55°；更为优选地，所述偏向角度β为5-40°。

进一步地，所述第二二次喷孔与所述预燃室的几何中心线平行，或相对该几何中心线向外侧具有扩张角度γ，所述扩张角度γ为0-60°。优选地，所述偏向角度γ为5-55°；更为优选地，所述偏向角度γ为10-50°。

进一步地，所述燃料喷口为圆形或椭圆形，燃料流速为8-200 m/s；优选地，所述燃料流速为15-140 m/s；更为优选地，燃料流速为20-130 m/s。

进一步地，所述一次空气环缝内设置有旋流片，且其喷射的空气占燃料全部燃烧所需氧气的0-100%；所述一次空气环缝处的空气流速为所述燃料流速的0.1-1.5倍；优选地，所述一次空气环缝处的空气流速为所述燃料流速的0.2-1.3倍；更为优选地，所述一次空气环缝处的空气流速为所述燃料流速的0.5-1.2倍。

进一步地，所述一次空气环缝处喷射的一次空气和/或所述二次空气喷孔处喷射的二次空气均可在各自0-100%的比例之间动态调节。

进一步优选地，所述一次空气环缝处供入的一次空气可全部关闭、打开，或者所述二次空气喷孔供入的二次空气可全部关闭、打开，或者所述一次空气与二次空气按照一定比例定量分配，实现动态调整。

进一步优选地，所述一次空气环缝与所述二次空气喷孔均通过空气传输通道连通空气入口总管，所述空气入口总管上设置有用于调节所述一次空气和二次空气供入比例的空气调节阀。

进一步地，所述第一二次喷孔距离所述预燃室的几何中心线的间距与其孔径的比值大于5。

进一步地，所述二次空气喷孔的空气流速为10-300 m/s，其与燃烧产生的尾气预先混合形成氧气浓度为2-18%的混合物。

进一步优选地，所述二次空气喷孔的空气流速为15-200 m/s，其与燃烧产生的尾气预先混合形成氧气浓度为2-9%的混合物。

进一步较为优选地，所述二次空气喷孔的空气流速为20-150 m/s，其与燃烧产生的尾气预先混合形成氧气浓度为3-8%的混合物。

更进一步优选地，所述二次空气喷孔的空气流速为30-120 m/s，其与燃烧产生的尾气预先混合形成氧气浓度为4-7%的混合物。

进一步地，所述预燃室底部的几何中心位置设置有一氧化剂喷孔，所述氧化剂喷孔设置于所述燃料喷口的内侧。

进一步地，所述氧化剂喷孔处喷出的氧化剂为普通空气、氧气浓度大于21%的富氧空气或氧气浓度大于90%的纯氧；所述燃料喷口喷出的燃料为天然气、煤气、石油液化气、燃油、煤或石油焦。

本发明的第二个方面是提供一种所述燃烧装置的低NO_x排放的无焰燃烧方法，包括如下步骤：

（1）常温启炉阶段：常温启炉阶段：在炉膛烧嘴砖温度为常温或工艺温度低于850℃左右燃料燃点时，通过空气调节阀向一次空气环缝供入一次空气，并向燃料喷孔供入燃料，进行点火；

（2）低温燃烧阶段：常温点火燃烧后，炉膛烧嘴砖温度升高，通过所述空气调节阀增大所述一次空气环缝的供入空气，或在所述一次空气环缝供入空气的同时通过所述空气调节阀向所述二次空气喷孔内供入空气，使燃烧所需氧气全部由一次空气供入或由一次空气和二次空气共同供入，进行稳定的低温燃烧；

（3）高温燃烧阶段：当炉膛烧嘴砖温度或工艺温度高于燃料自身燃点时，通过所述空气调节阀增大所述二次空气喷孔供入的二次空气，或使燃烧所需氧气全部由二次空气供入，与燃烧产物混合形成氧气浓度为2-18%的混合物，再与燃料混合后进行没有明显火焰的无焰燃烧。

进一步地，在所述的低NO_x排放的无焰燃烧方法中，所述燃料流速为10-150 m/s；所述一次空气的流速为所述燃料流速的0.1-1.5倍；所述二次空气的流速为10-300 m/s。

本发明采用上述技术方案，与现有技术相比，具有如下技术效果：

（1）该低NO_x排放的无焰燃烧装置采用助燃空气的分级、高速、多点供入，特别是小孔径的第一二次喷孔配合大孔径的第二二次喷孔的结构设计，大大强化空气与燃烧产生的尾气（或者燃烧产物）的预先混合，并有效提高燃烧反应的铺展面和铺展形态，实现满足工业应用的无焰燃烧，彻底消除火焰高温区，提高整个加热空间的温度均匀性，并大大降低NO_x排放水平，可以满足现在以及未来环保排放法规的要求；

（2）通过空气调节阀对一次空气和/或二次空气喷孔处喷射的空气量进行控制，以在实际使用过程中动态调整一次空气和二次空气的分配比例，使得该低NO_x排放的无焰燃烧装置具备动态实时调整的低温模式和高温模式，在低温阶段实现稳定燃烧和安全加热，防止爆炸事故发生；在高温阶段实现无焰燃烧，保证长度和宽度方向的温度均匀性，从而降低NO_x的排放；

（3）该低NO_x排放的无焰燃烧装置可满足工业实际应用，通过低温燃烧模式，提高低温启炉燃烧的稳定性，保证安全；在高温阶段实现高效、低污染的无焰燃烧，降低能耗和污染，改善产品质量，提高窑炉寿命。

附图说明

图1为本发明一种低NO_x排放的无焰燃烧装置的俯视结构示意图。

图2为图1所示低NO_x排放的无焰燃烧装置的A-A截面的剖视结构示意图。

图3为图1所示低NO_x排放的无焰燃烧装置的B-B截面的剖视结构示意图。

其中，各附图标记为：1-烧嘴砖，2-预燃室，3-燃料喷口，4-一次空气环缝，5-第一二次喷孔，6-第二二次喷孔，7-氧化剂喷孔，8-空气总管，9-空气调节阀，10-空气传输通道，11-旋流片，12-一次空气通道，13-二次空气通道，14-隔板，15-燃料总管道，16-燃料支管道，17-氧化剂管道。

具体实施方式

本发明提供了一种低NO_x的无焰燃烧装置及其燃烧方法，特别是一种实现无焰燃烧达到低NO_x或超低NO_x排放的燃烧装置和燃烧方法，其主要技术方案是在炉膛烧嘴砖上设计相互配合的燃料喷孔3、一次空气环缝4和二次空气喷孔，工作时，一次空气通过一次空气环缝4在燃料喷口3的四周呈环形喷入，二次空气通过布置在一次空气环缝4外侧的二次空气喷孔喷入，且二次空气喷孔位置更加远离燃料喷口3，二次空气喷孔包含至少两类不同孔径的第一二次喷孔5和第二二次喷孔6。

在该低NO_x的无焰燃烧装置中，根据射流卷吸原理，二次空气喷孔特定的喷孔设计和流速选择，可以保证二次空气与燃料混合之前，卷吸大量的燃烧产物或燃烧尾气形成氧气浓度在2-18%之间的混合物，再与燃料进行混合燃烧，从而实现没有明显火焰形态，燃烧反应在整个炉膛空间或加热区域进行；这种燃烧方式区别于传统的有明显火焰形状的燃烧，俗称“无焰燃烧”，无焰燃烧的燃烧反应在整个炉膛区间进行，加热区域温度分布均匀，可以大大提高加热的温度均匀性；并由于消除了火焰峰值温度，火焰最高温度大大低于传统的“有焰燃烧”，根据理论分析以及众多的试验和实践应用证明，这种无焰燃烧的方法大大降低了NO_x的排放。

此外，因该二次空气喷孔采用多个具有两种不同孔径、或多类不同孔径大小的喷孔结构设计，具体如采用小孔径的第一二次喷孔5和大孔径的第二二次喷孔6结构设计，可有助于控制火焰的长度，使燃烧反应区域面更广，温度均匀性更好；特别有助于燃烧反应在烧嘴砖水平宽度方向铺展，提高长度方向和水平宽度方向的加热温度均匀性。同时，为提高燃烧装置的工作范围和负荷调节比例，可在预燃室2的中心线位置设置氧化剂喷孔7，通过氧化剂喷孔7供入空气、富氧空气或纯氧。

下面通过具体实施例对本发明进行详细和具体的介绍，以使更好的理解本发明，但是下述实施例并不限制本发明范围。

实施例1

请参阅图1-3所示，本实施例提供一种低NO_x排放的无焰燃烧装置，包括烧嘴本体、耐高温耐火材料制成的烧嘴砖1，烧嘴砖1上设置呈扩张状的预燃室2，以及燃料管道、一次空气通道12、二次空气通道13等。所述烧嘴砖1为钢铁、化工、锅炉、玻璃、有色金属冶炼等高温炉窑的炉膛，其由耐火材料组成；所述预燃室2具有扩张角α，所述扩张角α为30-60°。优选地，所述偏向角度α为0-55°；较为优选地，所述偏向角度α为10-55°；更较为优选地，所述偏向角度α为25-50°。

在本实施例中，请参阅图1所示，烧嘴砖1上设置有燃料支管道16，所述燃料支管道16的远端连接燃料总管道15，所述燃料支管道16的近端在所述燃室2的底部设置有至少一个燃料喷口3，且所述燃料喷口3位于所述预燃室2的几何中心位置的圆形或椭圆形轨迹上。所述预燃室2的底部设置有一次空气环缝4，所述一次空气环缝4呈环形设置于所述燃料喷口3的外周，且所述一次空气环缝4位于所述预燃室2的几何中心位置的圆形或椭圆形轨迹上。

在本实施例中，请参阅图1所示，在耐火砖材质的所述烧嘴砖1上，距离一次空气环缝4外侧更加远离燃料喷孔3的位置设置有二次空气喷孔，所述二次空气喷孔分为至少两类大小不同孔径的喷孔，且均位于所述预燃室2的几何中心位置的圆形或椭圆形轨迹上。作为一个优选实施例，如图1所示，所述二次空气喷孔由布置于所述燃料喷口3上下两侧的若干第一二次喷孔5和布置于所述左右两侧的若干第二二次喷孔6组成，且所述第一二次喷孔5的孔径小于所述第二二次喷孔6的孔径。

本实施例低NO_x排放的无焰燃烧装置的主要技术方案是：在烧嘴砖1上设计相互配合的燃料喷孔3、一次空气环缝4和二次空气喷孔。通过燃料喷孔3、一次空气环缝4和二次空气喷孔实现助燃空气的分级、高速、多点供入，特别是小孔径的第一二次喷孔5配合大孔径的第二二次喷孔6的结构设计，大大强化空气与燃烧尾气的混合，并有效提高燃烧反应的铺展面和铺展形态，实现满足工业应用的无焰燃烧，并大大降低NO_x排放水平，可以满足现在以及未来环保排放法规的要求。

实施例2

请参阅图1-3所示，与上述实施例1不同的是，在该实施例的低NO_x排放的无焰燃烧装置上，所述二次空气喷孔由若干第一二次喷孔5和若干第二二次喷孔6组成，且所述第一二次喷孔5的孔径小于所述第二二次喷孔6的孔径。小孔径的第一二次喷孔5布置在燃料喷孔3的上下两侧，大孔径的第二二次喷孔6布置在燃料喷孔3的左右两侧。

在本实施例中，请参阅图2所示，所述第一二次喷孔5与所述预燃室2的几何中心线平行，或相对该几何中心线向内侧具有偏向角度β，所述偏向角度β为0-60°，优选地，所述偏向角度β为0-55°；更为优选地，所述偏向角度β为5-40°。即小孔径的第一二次喷孔5可以水平布置，或设置一定角度β偏向预燃室2的几何中心线，这部分自所述第一二次喷孔5喷射出的高速细小的空气流强化了二次空气与燃烧尾气的混合，并保证燃烧装置附近区域的燃烧反应进行，以及低温阶段的火焰稳定性。

在本实施例中，请参阅图3所示，所述第二二次喷孔6与所述预燃室2的几何中心线平行，或相对该几何中心线向外侧具有扩张角度γ，所述偏离角度γ为0-60°，优选地，所述偏向角度γ为5-55°；更为优选地，所述偏向角度γ为10-50°。即布置在燃料喷孔3左右两侧的大孔径的第二二次喷孔5，可以与所述预燃室2的几何中心线平行，或具有一定扩张角度γ偏离所述预燃室2的几何中心线，使通过大口径的第二二次喷孔6的空气流偏离燃料气流，引导燃烧反应在水平宽度方向的分布和扩张。

实施例3

基于上述实施例1和实施例2，本实施例提供一种更为具体的低NO_x排放的无焰燃烧装置。所述燃料喷口3为圆形或椭圆形，以形成特定的火焰形状，并有助于最大限度地与燃烧尾气进行预先混合；且燃料喷口的流速介于8-200 m/s之间；优选地，所述燃料流速为15-140 m/s；更为优选地，燃料流速为20-130 m/s；更为优选地，燃料流速为50-120 m/s；更为较为优选地，燃料流速为75-105 m/s。

在本实施例中，一次空气从燃料喷口3外周的一次空气环缝4喷入，为最大限度地促进一次空气环缝4喷射的一次空气与燃料喷水孔3喷射的燃料充分混合，保证火焰稳定，可在一次空气环缝4内可以设置旋流片11，旋流片11可使得自一次空气环缝4喷射而出的一次空气射流围绕燃料喷口3的几何中心进行旋转，旋转的射流一方面促进了一次空气与燃料的混合，保证稳定燃烧；另一方面卷吸了大量高温燃烧产物，保证点火的稳定。

在本实施例中，自所述一次空气环缝4喷射的空气占燃料全部燃烧所需氧气的0-100%；所述一次空气环缝4处的空气流速为所述燃料流速的0.1-1.5倍。优选地，所述一次空气环缝处的空气流速为所述燃料流速的0.2-1.3倍；较为优选地，所述一次空气环缝处的空气流速为所述燃料流速的0.3-1.2倍；更为优选地，所述一次空气环缝处的空气流速为所述燃料流速的0.6-1.0倍。

实施例4

与上述实施例不同的是，请参阅图1-2所示，本实施例所喷射的低NO_x排放的无焰燃烧装置还包括用于动态调节一次空气环缝4和二次空气喷孔的供入空气的空气调节阀9。该空气调节阀9设置在空气入口总管8上，所述空气入口总管8通过空气传输通道10连通分别连通次空气环缝4与所述二次空气喷孔，分别为所述次空气环缝4与所述二次空气喷孔提供空气。所述空气传输通道10由隔板14分割为左右两部分二次空气腔道12和一次空气腔道13，所述二次空气腔道12与二次空气喷孔连通，所述一次氧气腔道13与所述一次空气环缝4连通，分别为所述一次空气环缝4和二次空气喷孔提供空气。

在本实施例中，该低NO_x排放的无焰燃烧装置在使用过程中，可通过空气调节阀9动态调节所述一次空气环缝4处一次空气和/或所述二次空气喷孔处二次空气的比例，且一次空气和二次空气均可各自在0-100%比例之间进行动态调节。具体地，如在炉窑刚刚准备启动的低温阶段，燃料燃烧所需的全部空气通过一次空气环缝4喷入，此时二次空气喷孔全部关闭；在稳定燃烧的高温阶段，燃料燃烧所需的全部空气由二次空气喷孔喷入，由于二次空气喷孔的距离燃料喷孔3位置远，这部分由二次空气喷孔喷射的高速细小的空气射流卷吸大量的尾气，形成无焰燃烧。

实施例5

与上述实施例不同的是，请参阅图1所示，本实施例所喷射的低NO_x排放的无焰燃烧装置中，二次空气喷孔包括大小两种喷口内径不同的第一二次喷孔5和第二二次喷孔6，其中，第一二次喷孔5距离燃料喷孔3的几何中心的距离与所述第一二次喷孔5的孔径的比值大于5。第二二次喷孔6在烧嘴砖1上分别呈向左右两侧扩张，形成扇形铺展，第二二次喷孔6的扩张角在0-60°之间。若干第一二次喷孔5和若干第二二次喷孔6在燃料喷口四周以圆形或椭圆形位置进行布置，且若干第一二次喷孔5在燃料喷孔3的几何中心位置的圆形或椭圆形轨迹上布置。

在本实施例中，所述二次空气喷孔的空气流速为10-300m/s，其与燃烧产生的尾气预先混合形成氧气浓度为2-18%的混合物；优选地，其与燃烧产生的尾气预先混合形成氧气浓度为2-15%的混合物；较为优选地，其与燃烧产生的尾气预先混合形成氧气浓度为2-10%的混合物；更为优选地，其与燃烧产生的尾气预先混合形成氧气浓度为4-8%的混合物。优选地，所述二次空气喷孔的空气流速为15-200 m/s，其与燃烧产生的尾气预先混合形成氧气浓度为2-9%的混合物。较为优选地，所述二次空气喷孔的空气流速为20-150 m/s，其与燃烧产生的尾气预先混合形成氧气浓度为3-8%的混合物。更优选地，所述二次空气喷孔的空气流速为30-120 m/s，其与燃烧产生的尾气预先混合形成氧气浓度为4-7%的混合物。根据射流卷吸原理，二次空气喷孔的这种喷孔设计和流速选择，可以保证二次空气与燃料混合之前，卷吸大量的燃烧产物，或者说燃烧尾气，形成氧气浓度在2-18%之间的混合物，再与燃料混合，从而实现无焰燃烧。

本实施例采用两种大小不同孔径的二次空气喷孔5和6，并采用特定的布置设计，有助于控制火焰的长度，形成水平宽度扁平远大于垂直高度的扁平火焰，提高长度方向和水平宽度方向的加热温度均匀性。

实施例6

于上述实施例的基础上，请参阅图1和图2所示，为提高低NO_x排放的无焰燃烧装置的工作范围和负荷调节比例，在该低NO_x排放的无焰燃烧装置上还设置有氧化剂喷孔7，所述氧化剂喷孔7连接氧化剂管道17，且所述氧化剂管道17位于所述预燃室2的中心线上。所述一氧化剂喷孔7设置在所述预燃室2底部的几何中心位置，且所述氧化剂喷孔7设置于所述燃料喷口3的内侧。自所述氧化剂喷孔7处喷出的氧化剂为普通空气、氧气浓度大于21%的富氧空气或氧气浓度大于90%的纯氧；所述燃料喷口3喷出的燃料为天然气、煤气、石油液化气、燃油、煤或石油焦。

在本实施例中，依次由燃料喷口3、氧化剂喷孔7和一次空气环缝4喷射的燃料、中心氧化剂以及一次空气在耐火材料组成的预燃室2内部喷射入炉膛或加热区域，卷吸高温的燃烧尾气——烟气，并稀释空气和中心氧化剂中氧气浓度，以及稀释燃料中燃料的浓度后，在预燃室2内进行混合燃烧。

实施例7

于上述实施例喷射的低NO_x排放的无焰燃烧装置的基础上，本实施例提供一种低NO_x排放的无焰燃烧方法，可用于钢铁、化工、锅炉、玻璃、有色金属冶炼等高温炉窑，具体地，该无焰燃烧方法包括如下步骤：

（1）常温启炉阶段：在炉膛烧嘴砖温度为常温或工艺温度低于850℃左右燃料燃点时，通过空气调节阀向一次空气环缝供入一次空气，并向燃料喷孔供入燃料，进行点火；

（2）低温燃烧阶段：常温点火燃烧后，炉膛烧嘴砖温度升高，通过所述空气调节阀增大所述一次空气环缝的供入空气，或在所述一次空气环缝供入空气的同时通过所述空气调节阀向所述二次空气喷孔内供入空气，使燃烧所需氧气全部由一次空气供入或由一次空气和二次空气共同供入，进行稳定的低温燃烧；

（3）高温燃烧阶段：当炉膛烧嘴砖温度或工艺温度高于燃料自身燃点时，通过所述空气调节阀增大所述二次空气喷孔供入的二次空气，或使燃烧所需氧气全部由二次空气供入，与燃烧产物混合形成氧气浓度为2-18%的混合物，再与燃料混合后进行没有明显火焰的无焰燃烧。

在本实施例中，所述燃料流速为8-200 m/s；所述一次空气的流速为所述燃料流速的0.1-1.5倍；所述二次空气的流速为10-300 m/s。

在本实施例中，步骤1中，自所述一次空气环缝4供入的一次空气可以保证可靠的点火和火焰温度，方便在常温启炉或低温阶段使用；自二次空气喷孔供入的二次空气是实现无焰燃烧、保证正常高温阶段低NO_x排放和加热温度均匀的关键。为在使用过程中兼顾常温点火和低温使用，在空气入口总管8内设置有用于一次空气和二次空气比例的空气调节阀9。空气调节阀9通过控制调节挡板的旋转角度，可以全部关闭、打开一次空气，或者全部关闭、打开二次空气，或者使一次空气与二次空气按照一定比例定量分配，实现动态调整。

具体地，通过空气调节阀9可以在燃烧装置实际使用过程中，将一次空气，和/或二次空气调节为燃烧所需要空气的0-100%之间随意控制；由于一次空气环缝4的喷孔距离燃料喷孔3更近，并可以促进燃烧。在实际使用过程，在炉膛温度为常温，或者低于850℃左右的低温阶段，燃烧常常不稳定，为保证稳定燃烧和可靠点火、防止火焰熄灭导致安全隐患。所以，在低温阶段，常常使更多或者燃烧所需的全部的空气由一次空气环缝4喷入，保证燃烧温度，防止熄火；在炉膛温度或者工艺温度已经高于燃料的自身燃点时，燃烧已达一定温度，不存在火焰熄灭的隐患，这时将更多的空气或全部的空气由二次空气喷孔喷入，由于多个二次空气喷孔特殊的设计和流速，空气在炉膛内部与燃烧尾气预先混合形成氧气浓度为2-18%的混合物，再与燃料进行混合燃烧，从而形成没有明显火焰的无焰燃烧状态，达到温度均匀、大大降低NO_x的目的，从而实现燃烧装置低温和高温两种燃烧模式。

以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (8)

1.一种低NO_x排放的无焰燃烧装置，其特征在于，包括烧嘴砖和设置于所述烧嘴砖上呈扩张状的预燃室，其中：

所述预燃室的底部设置有至少一个燃料喷口；

所述预燃室的底部设置有一次空气环缝，所述一次空气环缝呈环形设置于所述燃料喷口的外周；

所述烧嘴砖上设置有二次空气喷孔，所述二次空气喷孔由布置于所述燃料喷口上下两侧的若干第一二次喷孔和布置于所述燃料喷口左右两侧的若干第二二次喷孔组成，且所述第一二次喷孔的孔径小于所述第二二次喷孔的孔径；

所述第一二次喷孔距离所述预燃室的几何中心线的间距与其孔径的比值大于5；所述第二二次喷孔在所述烧嘴砖上分别呈向左右两侧扩张，形成扇形铺展；

若干所述第一二次喷孔和若干所述第二二次喷孔在燃料喷口四周以圆形位置进行布置；

所述第一二次喷孔相对所述预燃室的几何中心线朝向燃烧区方向向内侧具有偏向角度β，所述偏向角度β为5°-40°；

所述第二二次喷孔相对所述预燃室的几何中心线朝向燃烧区方向向外侧具有扩张角度γ，所述扩张角度γ为10°-50°。

2.根据权利要求1所述的低NO_x排放的无焰燃烧装置，其特征在于，所述燃料喷口位于所述预燃室的几何中心位置的圆形或椭圆形轨迹上；

所述一次空气环缝位于所述燃料喷口外侧的所述预燃室的几何中心位置的圆形或椭圆形轨迹上；以及

所述二次空气喷孔位于所述预燃室的几何中心位置的圆形轨迹上。

3.根据权利要求1所述的低NO_x排放的无焰燃烧装置，其特征在于，所述燃料喷口为圆形或椭圆形，燃料流速为8-200 m/s。

4.根据权利要求1所述的低NO_x排放的无焰燃烧装置，其特征在于，所述一次空气环缝内设置有旋流片；所述一次空气环缝处的空气流速为燃料流速的0.1-1.5倍。

5.根据权利要求1所述的低NO_x排放的无焰燃烧装置，其特征在于，所述一次空气环缝与所述二次空气喷孔均通过空气传输通道连通空气入口总管，所述空气入口总管上设置有用于调节一次空气和二次空气供入比例的空气调节阀。

6.根据权利要求1所述的低NO_x排放的无焰燃烧装置，其特征在于，所述二次空气喷孔的空气流速为10-300 m/s，其与燃烧产生的尾气预先混合形成氧气浓度为2-18%的混合物。

7.根据权利要求1所述的低NO_x排放的无焰燃烧装置，其特征在于，所述预燃室底部的几何中心位置设置有一氧化剂喷孔，所述氧化剂喷孔设置于所述燃料喷口的内侧。

8.一种低NO_x排放的无焰燃烧方法，应用于如权利要求5所述的低NO_x排放的无焰燃烧装置，其特征在于，包括如下步骤：

（1）常温启炉阶段：在炉膛烧嘴砖温度为常温时，通过空气调节阀向一次空气环缝供入一次空气，并向燃料喷口供入燃料，进行点火；

（2）低温燃烧阶段：常温点火燃烧后，炉膛烧嘴砖温度升高，在所述一次空气环缝供入空气的同时通过所述空气调节阀向所述二次空气喷孔内供入空气，使燃烧所需氧气由一次空气和二次空气共同供入，进行稳定的低温燃烧；

（3）高温燃烧阶段：当炉膛烧嘴砖温度高于燃料自身燃点时，使燃烧所需氧气全部由二次空气供入，与燃烧产物混合形成氧气浓度为2-18％的混合物，再与燃料混合后进行没有明显火焰的无焰燃烧。