CN113091083A - 低氮火焰燃烧器和用于脱硝系统的直燃式加热装置 - Google Patents

Abstract

本发明为一种低氮火焰燃烧器和用于脱硝系统的直燃式加热装置，低氮火焰燃烧器包括燃烧器本体结构、水平驱动结构和竖直驱动结构，所述燃烧器本体结构包括固定烟道部和摆动烟道部，所述摆动烟道部能绕固定烟道部的中心线水平和竖直摆动，所述水平驱动结构用于驱动所述摆动烟道部在水平面内摆动；所述竖直驱动结构用于驱动所述摆动烟道部在竖直平面内摆动。本发明能实现火焰燃烧烟气射流在水平方向、竖直方向动态调节的功能，促进高温燃烧的烟气与脱硝烟道内的气体进行快速换热的工艺要求，精确控制混合烟气的温度，实现高效烟气脱硝反应，实现烟气的超低排放。

Description

低氮火焰燃烧器和用于脱硝系统的直燃式加热装置

技术领域

本发明涉及烟气脱硝技术领域，尤其涉及一种用于脱硝系统的低氮火焰燃烧器和用于脱硝系统的直燃式加热装置。

背景技术

大气污染的治理是环境治理的重要组成部分，随着工业发展和生活水平的提高，人们愈来愈注重环境问题和大气环保问题。

氮氧化物(NOx)是一类主要的大气污染物，是形成酸雨、光化学烟雾以及PM2.5污染的主要因素之一。目前我国工业源NOx排放占NOx排放总量的70％以上，工业烟气中NOx的控制排放技术主要包括燃烧控制技术和燃烧后控制技术。燃烧控制技术包括低氮燃烧技术、再燃烧技术和烟气再循环技术。在燃烧后控制技术中，选择性催化还原(SCR)、选择性非催化还原(SNCR)和SCR－SNCR混合技术是主要技术。从经济和技术效益考虑，选择性催化还原是最有效的NOx后控制技术。

燃煤过程中会产生大量的SO₂、NOx等大气污染物，造成严重的大气污染和经济损失。火电、钢铁等行业排放烟气中污染物多种多样，对NOx的排放提出了严格要求。脱硝的目的主要是脱除一氧化氮(NO)及二氧化氮(NO₂)。

烟气中一氧化氮(NO)占氮氧化物(NOx)比例非常高，往往在90％以上。一氧化氮是一种污染性气体，将一氧化氮直接排放到大气后，一氧化氮容易对大气、土壤和水源造成污染，因此工厂在进行烟气排放时，特别是排出的烟气中含有一氧化氮的，需要对烟气进行脱硝处理。其中，现有的烟气脱硝技术主要有干法和湿法两种，与湿法烟气脱硝技术相比，干法烟气脱硝技术的主要优点是：基本投资低，设备及工艺过程简单，脱除NOx的效率也较高，无废水和废弃物处理，不易造成二次污染。

SCR反应的完成需要使用催化剂。目前应用比较广泛的是运行温度处于320～450℃的中温催化剂，因此催化还原脱硝的反应温度应控制在320～450℃。当反应温度低于300℃时，在催化剂表面会发生副反应，氨与三氧化硫和水反应生成(NH₄)₂SO₄或NH₄SO₄减少与NOx的反应，生成物附着在催化剂表面，堵塞催化剂通道和微孔，降低催化剂活性。另外，如反应温度高于催化剂的适用温度，催化剂通道和微孔发生变形，从而使催化剂失活。因此保证合适的反应温度是选择性催化剂还原法正常运行的关键。锅炉低负荷或大气温度低将造成SCR入口温度低于催化剂使用温度。其中SCR脱硝需要300～400℃的温度窗口，NOx在催化剂和NH₃的作用下还原为N₂，脱硝效率可达90％以上。

在脱硝工序中需要将烟气加热到预设的温度后方能进行脱硝工序的高效稳定进行，现有技术中对烟气加热往往采用在脱硝烟道下方设置加热源并通过高温气体上升后与烟气混合均匀从而实现加热的目的，而由于脱硝系统管道一般尺寸较长，因而位于混合层下方的高温气体上升过程中不可避免会造成热量损失，同时在高温气体的上升过程中与烟气在轴向上混合长度足够长，但是在径向上却不能保证径向混合面足够大，因而不能保证高温气体与烟气的完全、均匀混合。

在钢铁、冶金和煤化工行业中，烧结机等设备的排烟温度较低，为了满足后续在SCR设备中的脱硝处理或其它工艺要求，需要对排放的烟气进行加热。烟气加热有多种方式，例如直接增设换热器、设置电加热等通过引来高温热源进行加热，这些方式由于需要额外增加热源，导致运行成本较高。

此外，由于在钢铁、冶金和煤化工行业的工业设备中，通常会产生大量的高炉煤气、转炉煤气、焦炉煤气等燃料气。因此，现有技术中，很多企业会利用这些燃料气，通过在烟道外部设置单独的加热炉，根据加热炉的功率设置一个或多个高炉煤气或焦炉煤气燃烧器，燃烧器内的燃料气进行燃烧后产生高温烟气，高温烟气通过支路送入烟道内并与烟道内的原始烟气混合，实现对原始烟气的加热。上述方法由于需要在烟道外部单独设置加热炉，一方面投资成本较高，另一方面，燃料气燃烧后的高温烟气与烟道内的原始烟气混合后，会导致烟道内烟气总量急剧增加，从而对烟气系统造成较大的影响，还会导致现有的引风机出力不足的问题。

目前，钢铁行业环保形势日趋严峻，钢铁企业要分步开展超低排放改造。现已实施低排改造的钢铁厂应用最多的技术是采用建设一套SCR脱硝装置，然后利用其钢铁厂自有的高炉煤气燃烧来对烟气进行加热，从而达到脱硝入口烟温要求。

高炉煤气由于其热值低，不易着火，一般采用单独敷设浇注料的绝热点火风道，先采用天然气或者轻油枪等点火，将点火风道内温度升起后再通入高炉煤气进行燃烧，最后将燃烧后的高温烟气混入脱硝烟道中，对脱硝烟气进行加热。高炉煤气虽然热值低，但由于其在绝热烟道中进行燃烧，其产生的高温烟气温度可达1200～1400℃，且在点火过程中，如采用天然气或者油枪点火，燃烧温度会更高，可达到1500～1700℃，而普通的耐火浇注料使用温度是1300℃左右，因此容易造成点火风道浇注料的脱落，然后风筒钢板受高温变形，寿命缩短；如使用性能更好的耐火浇注料如氧化铝空心球浇注料，则会因其价格昂贵，造成制造成本大幅增加；此外，还有现有技术中采用大的过剩空气系数来使燃烧烟温降低，但这种方式会大量增加额外所需空气进行加热，从而导致需要增加更多的燃气，致使经济性变差。

钢铁厂烧结机出来的烟气需要经过脱硝处理，传统的脱硝项目加热烟气都是通过加热炉加热。最新的技术是在烟道内直接加热烟气的方式，这种方式不仅能节约烟气量，还能大大节约工程成本和厂内用地。烟道直燃式燃烧器也存在一定的技术难题：

1、烟道内负压较大，燃烧器不易稳定燃烧；

2、直接与火焰接触的烟气升温高，而离火焰远的烟气升温低，故烟气温度不均匀；

3、烟气对火焰的冲刷容易导致火焰的熄灭；

4、可燃气的着火点高，惰性气体含量高，不易稳定燃烧；

5、进气时产生较大的噪音。

由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种低氮火焰燃烧器和用于脱硝系统的直燃式加热装置，以克服现有技术的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低氮火焰燃烧器和用于脱硝系统的直燃式加热装置，本发明能实现火焰燃烧烟气射流在水平方向、竖直方向动态调节的功能，促进高温燃烧的烟气与脱硝烟道内的气体进行快速换热的工艺要求，精确控制混合烟气的温度，实现高效烟气脱硝反应，实现烟气的超低排放。

本发明的目的是这样实现的，一种低氮火焰燃烧器，包括燃烧器本体结构、水平驱动结构和竖直驱动结构，所述燃烧器本体结构包括固定烟道部和摆动烟道部，所述摆动烟道部能绕固定烟道部的中心线水平和竖直摆动，所述水平驱动结构用于驱动所述摆动烟道部在水平面内摆动；所述竖直驱动结构用于驱动所述摆动烟道部在竖直平面内摆动。

在本发明的一较佳实施方式中，所述固定烟道部的第一端设置外球面，所述外球面的球心位于所述固定烟道部的中心线上，所述摆动烟道部的第一端设置内球面，所述内球面能转动套设于所述外球面上。

在本发明的一较佳实施方式中，所述水平驱动结构包括呈水平设置的第一固定支座和第二固定支座，所述第一固定支座的第一端固定连接于所述固定烟道部上，所述第二固定支座的第一端固定连接于所述摆动烟道部上，所述第一固定支座的第二端和所述第二固定支座的第二端之间铰接有能绕水平轴转动的第一伸缩缸。

在本发明的一较佳实施方式中，所述第一伸缩缸包括第一缸体和第一缸杆，所述第一缸杆的第一端自所述第一缸体的第一端密封滑动穿设于所述第一缸体内；所述第一固定支座的第二端转动穿设有第一旋转轴，所述第一旋转轴上铰接有第一销轴，所述第一销轴的中心线呈竖直设置，所述第一销轴与所述第一缸体的第二端铰接；所述第二固定支座的第二端转动穿设有第二旋转轴，所述第二旋转轴上铰接有第二销轴，所述第二销轴的中心线呈竖直设置，所述第二销轴与所述第一缸杆的第二端铰接。

在本发明的一较佳实施方式中，所述竖直驱动结构包括呈竖直设置的第三固定支座和第四固定支座，所述第三固定支座的第一端固定连接于所述固定烟道部上，所述第四固定支座的第一端固定连接于所述摆动烟道部上，所述第三固定支座的第二端和所述第四固定支座的第二端之间铰接有能绕竖直轴转动的第二伸缩缸。

在本发明的一较佳实施方式中，所述第二伸缩缸包括第二缸体和第二缸杆，所述第二缸杆的第一端自所述第二缸体的第一端密封滑动穿设于所述第二缸体内；所述第三固定支座的第二端转动穿设有第三旋转轴，所述第三旋转轴上铰接有第三销轴，所述第三销轴的中心线呈水平设置，所述第三销轴与所述第二缸体的第二端铰接；所述第四固定支座的第二端转动穿设有第四旋转轴，所述第四旋转轴上铰接有第四销轴，所述第四销轴的中心线呈水平设置，所述第四销轴与所述第二缸杆的第二端铰接。

在本发明的一较佳实施方式中，所述摆动烟道部包括稳燃烟道管，所述稳燃烟道管远离所述固定烟道部的一端设置直径呈减小设置的出口管；所述第二固定支座和所述第四固定支座固定连接于所述稳燃烟道管的外壁上。

在本发明的一较佳实施方式中，所述稳燃烟道管包括同轴且径向间隔设置的稳燃内管和稳燃外管，所述稳燃内管的横截面呈多段圆弧拼接的封闭轮廓设置，所述稳燃外管的横截面呈圆形设置，所述稳燃内管和所述稳燃外管之间构成稳燃环形空间，所述稳燃环形空间内填充耐火浇筑料单元。

在本发明的一较佳实施方式中，所述外球面上设置环形凹槽结构，所述环形凹槽结构内设置第一弹性密封圈。

在本发明的一较佳实施方式中，所述水平驱动结构驱动所述摆动烟道部在水平面内摆动的角度范围为-30°～30°；所述竖直驱动结构驱动所述摆动烟道部在竖直平面内摆动的角度范围为-30°～30°。

在本发明的一较佳实施方式中，固定烟道部的内腔和摆动烟道部的内腔连通构成燃烧混合室，所述固定烟道部远离所述摆动烟道部的一端连通设置助燃气腔和燃气腔，所述燃气腔和所述助燃气腔内穿设引射器，所述引射器与所述固定烟道部同轴设置，所述引射器用于将燃气腔内的可燃气体加速喷射至所述燃烧混合室，所述助燃气腔与所述燃烧混合室之间构成缩颈的引射通道，所述助燃气腔内的助燃气通过所述引射通道引射至所述燃烧混合室；所述燃烧混合室内设置点火器、火焰探测器和温度探测器。

在本发明的一较佳实施方式中，所述引射器包括直管段、收缩段、喉管段、扩张段和整流段，所述直管段位于所述燃气腔内，所述收缩段、所述喉管段、所述扩张段和所述整流段位于所述助燃气腔内；所述直管段的第一端设置进气管口，所述直管段的第二端连通所述收缩段的第一端，所述收缩段的直径自第一端向第二端呈渐缩设置，所述收缩段的第二端连通所述喉管段的第一端，所述喉管段的第二端连通所述扩张段的第一端，所述扩张段的直径自第一端向第二端呈渐扩设置，所述扩张段的第二端连通所述整流段的第一端，所述整流段的第二端设置出气管口。

在本发明的一较佳实施方式中，所述摆动烟道部的侧壁上套设第一法兰，所述第一法兰上连接波纹管的一端，波纹管的另一端连接第二法兰，所述第二法兰用于与脱硝烟道侧壁密封连接，所述第一法兰、所述波纹管和所述第二法兰构成燃烧器弹性连接密封罩。

本发明的目的还可以这样实现，一种用于脱硝系统的直燃式加热装置，包括多个前述的低氮火焰燃烧器，多个低氮火焰燃烧器构成燃烧器组，燃烧器组的各低氮火焰燃烧器的火焰流股中心线与一假想切圆相切，各所述低氮火焰燃烧器的摆动烟道部能在水平面和竖直平面内摆动实现空间调节火焰喷射角度。

由上所述，本发明提供的低氮火焰燃烧器和用于脱硝系统的直燃式加热装置具有如下有益效果：

本发明提供的低氮火焰燃烧器中，采用固定烟道部和摆动烟道部组合的形式，驱动结构采用水平驱动结构和竖直驱动结构组合的方式，利用驱动结构实现摆动烟道部在水平方向和竖直方向均能进行动态在线实时调节摆动烟道部出口角度的功能，实现火焰燃烧烟气射流在水平方向、竖直方向动态调节的功能，满足不同区域动态加热的要求，实现火焰燃烧区域大小和强度的动态调节，满足动态调整脱硝烟道内火焰燃烧区大小和位置的功能，促进高温燃烧的烟气与脱硝烟道内的气体进行快速换热的工艺要求，精确控制混合烟气的温度，实现高效烟气脱硝反应，实现烟气的超低排放；水平驱动结构和竖直驱动结构满足低氮火焰燃烧器摆动角度的精确设定和控制，可以实现摆动烟道部初始位置的复位；低氮火焰燃烧器采用引射器射流技术，降低了系统风机的负荷，降低了烟道的阻力损失，提高了设备运行的稳定性；

本发明的用于脱硝系统的直燃式加热装置中，脱硝烟道内分组设置多个低氮火焰燃烧器，利用低氮火焰燃烧器的火焰燃烧热量对烟气进行直接加热，提高了热量的利用效率，减少热量损失；脱硝烟道内多个低氮火焰燃烧器进行分组，利用低氮火焰燃烧器火焰喷射的动能促使烟气形成旋流区，实现烟气的动态旋流效果，促进烟气的湍流流动，促进烟气和高温火焰的热交换，缩短烟道内热量交换区域的长度，实现温度的均匀化；低氮火焰燃烧器的火焰喷射方向与烟气流股方向相向设置，促进烟气与高温火焰的快速高效的热量交换，缩短热量交换需要的时间，减小烟气均匀温度需要的烟道长度，促进烟道内温度的均匀化；各低氮火焰燃烧器的中心轴线与水平方向、竖直方向之间的夹角能调整，实现火焰射流在水平方向、竖直方向动态调节的功能，满足不同区域动态加热的要求，实现旋流区域大小和强度的动态调节；本发明的用于脱硝系统的直燃式加热装置，直接为烟气升温，促使烟气温度达到催化剂理想脱硝反应的温度范围，实现预期的脱硝反应，达到超低排放要求，提高设备运行经济效益。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。

其中：

图1：为本发明的低氮火焰燃烧器的外观图。

图2：为本发明的低氮火焰燃烧器的摆动烟道部摆动后的示意图。

图3：为图2中Ⅰ处放大图。

图4：为本发明的低氮火焰燃烧器的内部结构图。

图5：为图4中A向视图。

图6：为本发明的低氮火焰燃烧器与脱硝烟道侧壁连接图。

图7：为本发明的用于脱硝系统的直燃式加热装置的示意图。

图中：

100、低氮火焰燃烧器；

200、用于脱硝系统的直燃式加热装置；201、假想切圆；

1、燃烧器本体结构；

11、固定烟道部；111、外球面；

12、摆动烟道部；121、内球面；122、稳燃烟道管；1221、稳燃内管；1222、稳燃外管；1223、耐火浇筑料单元；123、出口管；

13、燃气腔；

14、助燃气腔；

15、引射器；151、直管段；152、收缩段；153、喉管段；154、扩张段；155、整流段；

16、引射通道；

2、水平驱动结构；

3、竖直驱动结构；

31、第三固定支座；32、第四固定支座；33、第二伸缩缸；331、第二缸体；332、第二缸杆；34、第三旋转轴；35、第三销轴；36、第四旋转轴；37、第四销轴；

41、点火器；42、火焰探测器；43、温度探测器；

51、第一法兰；52、第二法兰；53、波纹管；

9、脱硝烟道；91、前侧壁；92、后侧壁。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1至图7所示，本发明提供一种低氮火焰燃烧器100，包括燃烧器本体结构1、水平驱动结构2和竖直驱动结构3，燃烧器本体结构1包括固定烟道部11和摆动烟道部12，摆动烟道部12能绕固定烟道部11的中心线水平和竖直摆动，水平驱动结构2用于驱动摆动烟道部12在水平面内摆动；竖直驱动结构3用于驱动摆动烟道部12在竖直平面内摆动。

本发明提供的低氮火焰燃烧器中，采用固定烟道部和摆动烟道部组合的形式，驱动结构采用水平驱动结构和竖直驱动结构组合的方式，利用驱动结构实现摆动烟道部在水平方向和竖直方向均能进行动态在线实时调节摆动烟道部出口角度的功能，实现火焰燃烧烟气射流在水平方向、竖直方向动态调节的功能，满足不同区域动态加热的要求，实现火焰燃烧区域大小和强度的动态调节，满足动态调整脱硝烟道内火焰燃烧区大小和位置的功能，促进高温燃烧的烟气与脱硝烟道内的气体进行快速换热的工艺要求，精确控制混合烟气的温度，实现高效烟气脱硝反应，实现烟气的超低排放；水平驱动结构和竖直驱动结构满足低氮火焰燃烧器摆动角度的精确设定和控制，可以实现摆动烟道部初始位置的复位；

在烟道中设置天然气、高炉煤气或其它可燃气体的燃烧器，直接为烟气升温，能促使烟气温度达到催化剂理想脱硝反应的温度范围，达到超低排放要求，提高设备运行经济效益。

进一步，如图2所示，固定烟道部11的第一端设置外球面111，外球面111的球心位于固定烟道部11的中心线上，摆动烟道部12的第一端设置内球面121，内球面121能转动套设于外球面111上。摆动烟道部12和固定烟道部11通过球面铰接，满足摆动烟道部12在水平面和竖直平面单一或同时的摆动。外球面111和内球面121的宽度d不小于150mm，优选200～300mm。

进一步，为满足摆动烟道部12和固定烟道部11的连接密封性，外球面111上设置环形凹槽结构，环形凹槽结构内设置第一弹性密封圈。

进一步，水平驱动结构2包括呈水平设置的第一固定支座和第二固定支座，第一固定支座的第一端固定连接(焊接)于固定烟道部11上，第二固定支座的第一端固定连接(焊接)于摆动烟道部12上，第一固定支座的第二端和第二固定支座的第二端之间铰接有能绕水平轴转动的第一伸缩缸。

进一步，第一伸缩缸包括第一缸体和第一缸杆，第一缸杆的第一端自第一缸体的第一端密封滑动穿设于第一缸体内，第一伸缩缸为气缸或液压缸；第一固定支座的第二端转动穿设有第一旋转轴，第一旋转轴上铰接有第一销轴，第一销轴的中心线呈竖直设置，第一销轴与第一缸体的第二端铰接；第二固定支座的第二端转动穿设有第二旋转轴，第二旋转轴上铰接有第二销轴，第二销轴的中心线呈竖直设置，第二销轴与第一缸杆的第二端铰接。

进一步，如图1、图2、图3所示，竖直驱动结构3包括呈竖直设置的第三固定支座31和第四固定支座32，第三固定支座31的第一端固定连接(焊接)于固定烟道部11上，第四固定支座32的第一端固定连接(焊接)于摆动烟道部12上，第三固定支座31的第二端和第四固定支座32的第二端之间铰接有能绕竖直轴转动的第二伸缩缸33。

进一步，如图3所示，第二伸缩缸33包括第二缸体331和第二缸杆332，第二缸杆332的第一端自第二缸体331的第一端密封滑动穿设于第二缸体331内，第二伸缩缸33为气缸或液压缸；第三固定支座31的第二端转动穿设有第三旋转轴34，第三旋转轴34上铰接有第三销轴35，第三销轴35的中心线呈水平设置，第三销轴35与第二缸体331的第二端铰接；第四固定支座32的第二端转动穿设有第四旋转轴36，第四旋转轴36上铰接有第四销轴37，第四销轴37的中心线呈水平设置，第四销轴37与第二缸杆332的第二端铰接。

进一步，水平驱动结构2驱动摆动烟道部12在水平面内摆动的角度范围为-30°～30°；竖直驱动结构3驱动摆动烟道部12在竖直平面内摆动的角度范围为-30°～30°。

第一缸杆沿第一缸体伸缩，推动摆动烟道部12在水平面内摆动，同时摆动烟道部12带动了第二伸缩缸33相对第三旋转轴34的旋转；第二缸杆332沿第二缸体331伸缩，推动摆动烟道部12在竖直平面内摆动，同时摆动烟道部12带动了第一伸缩缸相对第一旋转轴的旋转；水平驱动结构2和竖直驱动结构3能同时动作，实现摆动烟道部12在水平方向、竖直方向均能实现一定夹角的摆动，从而实现火焰喷射角度的空间调节。

进一步，如图4所示，摆动烟道部12包括稳燃烟道管122，稳燃烟道管122远离固定烟道部11的一端设置直径呈减小设置的出口管123；第二固定支座和第四固定支座32固定连接于稳燃烟道管122的外壁上。出口管123的长度不小于200mm。

进一步，如图5所示，稳燃烟道管122包括同轴且径向间隔设置的稳燃内管1221和稳燃外管1222，稳燃内管1221的横截面呈多段圆弧拼接的封闭轮廓设置，拼接的圆弧数量优选偶数个；稳燃外管1222的横截面呈圆形设置，稳燃内管1221和稳燃外管1222之间构成稳燃环形空间，稳燃环形空间内填充耐火浇筑料单元1223。稳燃内管1221的横截面由多段圆弧拼接，增加了高温火焰与烟气的接触面积，促进烟气热量交换，同时有利于燃烧火焰保持较好的聚拢效果，增加了火焰长度，避免火焰过早的发散和衰减。

进一步，如图4所示，固定烟道部11的内腔和摆动烟道部12的内腔连通构成燃烧混合室，固定烟道部11远离摆动烟道部12的一端连通设置燃气腔13和助燃气腔14，燃气腔13和助燃气腔14内穿设引射器15，引射器15与固定烟道部11同轴设置，可燃气体在燃气腔13内进行均压分布，引射器15用于将燃气腔13内的可燃气体加速喷射至燃烧混合室，助燃气腔14与燃烧混合室之间构成缩颈的引射通道16，助燃气腔14内的助燃气通过引射通道引射至燃烧混合室；燃烧混合室内设置点火器41、火焰探测器42和温度探测器43。可燃气体与助燃气在燃烧混合室内混合燃烧，形成高温烟气，高温烟气通过出口管的整流喷射进入脱硝烟道，高温烟气与脱硝烟道内的气体进行快速混合，提高烟气温度，满足后续脱硝反应。

火焰探测器42和温度探测器43均与控制系统电连接；火焰探测器42用于检测燃烧混合室内火焰燃烧情况，如果发生火焰熄灭，通过控制系统实现点火器二次点火，实现火焰燃烧器的稳定燃烧；温度探测器43用于检测燃烧混合室内温度。

进入低氮火焰燃烧器内的可燃气体可为高炉煤气，也可采用转炉煤气、焦炉煤气、天然气等，也可采用高炉煤气、转炉煤气、焦炉煤气或天然气等可燃气体的混合气体。

进入低氮火焰燃烧器内的助燃气体可为空气、纯氧气，也可为含有一定氧气的烟道内的原烟气，或空气、氧气与原烟气的混合气体。助燃气体可以采用脱硝烟道内原有烟气作为助燃气体进行低氮火焰燃烧器的燃烧反应，实现可燃气体的低氧浓度条件下的燃烧，避免产生NOx，实现燃气的低氮燃烧。

进一步，如图4所示，引射器15包括直管段151、收缩段152、喉管段153、扩张段154和整流段155，直管段151位于燃气腔13内，收缩段152、喉管段153、扩张段154和整流段155位于助燃气腔14内；直管段151的第一端设置进气管口，直管段151的第二端连通收缩段152的第一端，收缩段152的直径自第一端向第二端呈渐缩设置，收缩段152的第二端连通喉管段153的第一端，喉管段153的第二端连通扩张段154的第一端，扩张段154的直径自第一端向第二端呈渐扩设置，扩张段154的第二端连通整流段155的第一端，整流段155的第二端设置出气管口。在本发明的一具体实施例中，引射器的出气管口与燃烧混合室底部的距离在100～300mm之间，优选的范围为150～250mm。

整流段155包括同轴且径向间隔设置的整流内管和整流外管，整流内管的横截面呈多段圆弧拼接的封闭轮廓设置，整流外管的横截面呈圆形设置，整流内管和整流外管之间构成整流环形空间，整流环形空间内填充耐火浇筑料单元。

整流段155的多弧形圆截面能够促使可燃气体脱离出气管口后仍能保持多弧形圆截面向前喷射，多弧形圆截面形状增加了可燃气体与助燃气体的接触面积，同时保持了燃烧的稳定性，同时实现喷射火焰具有良好的聚拢效果，避免火焰的过早发散和衰减，保证多个低氮火焰燃烧器喷射的火焰具有较高的动能，对烟道的烟气进行高效的湍流搅拌，促进热量交换。同时多弧形圆截面结构能够降低可燃气体燃烧的局部氧含量，降低了低氮火焰燃烧器的局部高温，避免NOx的生成，实现低氮燃烧。

低氮火焰燃烧器100采用引射器射流技术，降低了系统风机的负荷，降低了烟道的阻力损失，提高了设备运行的稳定性。助燃气腔和燃气腔通过法兰与相应管道连接，相应管道上设置流量计和流量调节阀，流量计和流量调节阀与控制系统电连接。利用脱硝系统中的温度检测装置的检测数据、根据控制模型计算出所需的可燃气体和助燃气体的需求量，通过流量调节阀(电动调节阀)进行流量调节，直至流量达到预定需求量。

进一步，如图6所示，摆动烟道部12的侧壁上套设(焊接连接)第一法兰51，第一法兰51上连接波纹管53的一端，波纹管53的另一端连接第二法兰52，第二法兰52用于与脱硝烟道侧壁密封连接，第一法兰51、波纹管53和第二法兰52构成燃烧器弹性连接密封罩。

脱硝烟道侧壁上设置燃烧器过孔，摆动烟道部12穿设通过燃烧器过孔，燃烧器过孔的直径尺寸大于摆动烟道部12的直径尺寸，在本发明的一具体实施例中，燃烧器过孔的内壁与摆动烟道部12的外壁之间的距离不小于300mm(即二者半径之差不小于300mm)，燃烧器过孔的内壁与摆动烟道部12的外壁之间的空间可实现摆动烟道部12在水平方向和竖直方向的摆动，实现火焰燃烧器高温火焰射流的喷射角度的空间动态调整；波纹管53的长度不小于600mm，摆动烟道部12的出口端深入脱硝烟道侧壁的距离不超过100mm。

如图7所示，本发明还提供一种用于脱硝系统的直燃式加热装置200，包括多个前述的低氮火焰燃烧器100，多个低氮火焰燃烧器100构成燃烧器组，燃烧器组的各低氮火焰燃烧器100的火焰流股中心线与一假想切圆相切，各低氮火焰燃烧器100的摆动烟道部12能在水平面和竖直平面内摆动实现空间调节火焰喷射角度。

在本实施方式中，用于脱硝系统的直燃式加热装置200包括至少2个燃烧器组，燃烧器组的数量为偶数；每个燃烧器组的各低氮火焰燃烧器100的火焰流股中心线与一假想切圆相切，且相邻两个燃烧器组的各火焰流股中心线与假想切圆201的切入方向呈相反设置；各低氮火焰燃烧器100的火焰喷射方向与烟气流股方向相向设置，且各低氮火焰燃烧器100的火焰喷射长度L呈能调整地设置，通过调节低氮火焰燃烧器100的可燃气体和助燃气体的流量和比例，可以实现低氮火焰燃烧器100火焰长度的调整。

相邻两个燃烧器组的各火焰流股中心线与假想切圆的切入方向呈相反设置，即相邻两个燃烧器组的各火焰流股中心线与假想切圆的切入方向采用相反的旋流方式，消除了两组旋流火焰燃烧器的对冲影响，实现旋流的稳定运行。燃烧器组的数量为偶数，保证加热装置的稳定运行。

各低氮火焰燃烧器100的火焰喷射长度能调整，每个燃烧器组的各低氮火焰燃烧器100的火焰流股中心线相切的假想切圆的直径不同，假想切圆的高度位置不同，在不同烟气流量条件下可以实现不同的旋流混合区域控制，火焰高温区在烟道中的位置可调，实现烟气混合的动态调节。

如图7所示，脱硝烟道9为矩形烟道且呈竖直设置，脱硝烟道9相对的两个侧壁(前侧壁91、后侧壁92)的中心连线为对冲中心线，将火焰燃烧器分为2组，各燃烧器组包括4个低氮火焰燃烧器100，低氮火焰燃烧器100为切圆燃烧形式，低氮火焰燃烧器100气体流股采用切圆方式送入，各低氮火焰燃烧器100构成八角双切圆燃烧结构。每组低氮火焰燃烧器100喷射的火焰流股中心线与同一个假想切圆(椭圆或圆形)相切，且两组假想切圆(椭圆或圆形)的旋转方向相反，一个为顺时针方向，另一个为逆时针方向。

实际工程应用中，可以根据脱硝烟道9的截面大小，在前侧壁91、后侧壁92上可适当增加低氮火焰燃烧器100；在脱硝烟道9的另外两侧壁上也可适当增加低氮火焰燃烧器100。

如图7所示，在本发明的一具体实施例中，8个低氮火焰燃烧器100与竖直的脱硝烟道9侧壁之间的夹角分别为β₁、β₂、β₃、β₄、β₅、β₆、β₇、β₈，其范围为15°～85°，优选范围在30°～65°之间。

本发明采用拉瓦尔喷管喷射的旋流效应、双切圆布置方式，两组假想切圆采用相反的旋流方式，消除了两组旋流低氮火焰燃烧器100的对冲影响，实现旋流的稳定运行。

本发明的用于脱硝系统的直燃式加热装置中，脱硝烟道内分组设置多个低氮火焰燃烧器，利用低氮火焰燃烧器的火焰燃烧热量对烟气进行直接加热，提高了热量的利用效率，减少热量损失；脱硝烟道内多个低氮火焰燃烧器进行分组，利用低氮火焰燃烧器火焰喷射的动能促使烟气形成旋流区，实现烟气的动态旋流效果，促进烟气的湍流流动，促进烟气和高温火焰的热交换，缩短烟道内热量交换区域的长度，实现温度的均匀化；低氮火焰燃烧器的火焰喷射方向与烟气流股方向相向设置，促进烟气与高温火焰的快速高效的热量交换，缩短热量交换需要的时间，减小烟气均匀温度需要的烟道长度，促进烟道内温度的均匀化；各低氮火焰燃烧器的中心轴线与水平方向、竖直方向之间的夹角能调整，实现火焰射流在水平方向、竖直方向动态调节的功能，满足不同区域动态加热的要求，实现旋流区域大小和强度的动态调节；本发明的用于脱硝系统的直燃式加热装置，直接为烟气升温，促使烟气温度达到催化剂理想脱硝反应的温度范围，实现预期的脱硝反应，达到超低排放要求，提高设备运行经济效益。

由上所述，本发明提供的低氮火焰燃烧器和用于脱硝系统的直燃式加热装置具有如下有益效果：

本发明提供的低氮火焰燃烧器中，采用固定烟道部和摆动烟道部组合的形式，驱动结构采用水平驱动结构和竖直驱动结构组合的方式，利用驱动结构实现摆动烟道部在水平方向和竖直方向均能进行动态在线实时调节摆动烟道部出口角度的功能，实现火焰燃烧烟气射流在水平方向、竖直方向动态调节的功能，满足不同区域动态加热的要求，实现火焰燃烧区域大小和强度的动态调节，满足动态调整脱硝烟道内火焰燃烧区大小和位置的功能，促进高温燃烧的烟气与脱硝烟道内的气体进行快速换热的工艺要求，精确控制混合烟气的温度，实现高效烟气脱硝反应，实现烟气的超低排放；水平驱动结构和竖直驱动结构满足低氮火焰燃烧器摆动角度的精确设定和控制，可以实现摆动烟道部初始位置的复位；低氮火焰燃烧器采用引射器射流技术，降低了系统风机的负荷，降低了烟道的阻力损失，提高了设备运行的稳定性；

本发明的用于脱硝系统的直燃式加热装置中，脱硝烟道内分组设置多个低氮火焰燃烧器，利用低氮火焰燃烧器的火焰燃烧热量对烟气进行直接加热，提高了热量的利用效率，减少热量损失；脱硝烟道内多个低氮火焰燃烧器进行分组，利用低氮火焰燃烧器火焰喷射的动能促使烟气形成旋流区，实现烟气的动态旋流效果，促进烟气的湍流流动，促进烟气和高温火焰的热交换，缩短烟道内热量交换区域的长度，实现温度的均匀化；低氮火焰燃烧器的火焰喷射方向与烟气流股方向相向设置，促进烟气与高温火焰的快速高效的热量交换，缩短热量交换需要的时间，减小烟气均匀温度需要的烟道长度，促进烟道内温度的均匀化；各低氮火焰燃烧器的中心轴线与水平方向、竖直方向之间的夹角能调整，实现火焰射流在水平方向、竖直方向动态调节的功能，满足不同区域动态加热的要求，实现旋流区域大小和强度的动态调节；本发明的用于脱硝系统的直燃式加热装置，直接为烟气升温，促使烟气温度达到催化剂理想脱硝反应的温度范围，实现预期的脱硝反应，达到超低排放要求，提高设备运行经济效益。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (14)

1.一种低氮火焰燃烧器，其特征在于，包括燃烧器本体结构、水平驱动结构和竖直驱动结构，所述燃烧器本体结构包括固定烟道部和摆动烟道部，所述摆动烟道部能绕固定烟道部的中心线水平和竖直摆动，所述水平驱动结构用于驱动所述摆动烟道部在水平面内摆动；所述竖直驱动结构用于驱动所述摆动烟道部在竖直平面内摆动。

2.如权利要求1所述的低氮火焰燃烧器，其特征在于，所述固定烟道部的第一端设置外球面，所述外球面的球心位于所述固定烟道部的中心线上，所述摆动烟道部的第一端设置内球面，所述内球面能转动套设于所述外球面上。

3.如权利要求1所述的低氮火焰燃烧器，其特征在于，所述水平驱动结构包括呈水平设置的第一固定支座和第二固定支座，所述第一固定支座的第一端固定连接于所述固定烟道部上，所述第二固定支座的第一端固定连接于所述摆动烟道部上，所述第一固定支座的第二端和所述第二固定支座的第二端之间铰接有能绕水平轴转动的第一伸缩缸。

4.如权利要求3所述的低氮火焰燃烧器，其特征在于，所述第一伸缩缸包括第一缸体和第一缸杆，所述第一缸杆的第一端自所述第一缸体的第一端密封滑动穿设于所述第一缸体内；所述第一固定支座的第二端转动穿设有第一旋转轴，所述第一旋转轴上铰接有第一销轴，所述第一销轴的中心线呈竖直设置，所述第一销轴与所述第一缸体的第二端铰接；所述第二固定支座的第二端转动穿设有第二旋转轴，所述第二旋转轴上铰接有第二销轴，所述第二销轴的中心线呈竖直设置，所述第二销轴与所述第一缸杆的第二端铰接。

5.如权利要求3所述的低氮火焰燃烧器，其特征在于，所述竖直驱动结构包括呈竖直设置的第三固定支座和第四固定支座，所述第三固定支座的第一端固定连接于所述固定烟道部上，所述第四固定支座的第一端固定连接于所述摆动烟道部上，所述第三固定支座的第二端和所述第四固定支座的第二端之间铰接有能绕竖直轴转动的第二伸缩缸。

6.如权利要求5所述的低氮火焰燃烧器，其特征在于，所述第二伸缩缸包括第二缸体和第二缸杆，所述第二缸杆的第一端自所述第二缸体的第一端密封滑动穿设于所述第二缸体内；所述第三固定支座的第二端转动穿设有第三旋转轴，所述第三旋转轴上铰接有第三销轴，所述第三销轴的中心线呈水平设置，所述第三销轴与所述第二缸体的第二端铰接；所述第四固定支座的第二端转动穿设有第四旋转轴，所述第四旋转轴上铰接有第四销轴，所述第四销轴的中心线呈水平设置，所述第四销轴与所述第二缸杆的第二端铰接。

7.如权利要求5所述的低氮火焰燃烧器，其特征在于，所述摆动烟道部包括稳燃烟道管，所述稳燃烟道管远离所述固定烟道部的一端设置直径呈减小设置的出口管；所述第二固定支座和所述第四固定支座固定连接于所述稳燃烟道管的外壁上。

8.如权利要求7所述的低氮火焰燃烧器，其特征在于，所述稳燃烟道管包括同轴且径向间隔设置的稳燃内管和稳燃外管，所述稳燃内管的横截面呈多段圆弧拼接的封闭轮廓设置，所述稳燃外管的横截面呈圆形设置，所述稳燃内管和所述稳燃外管之间构成稳燃环形空间，所述稳燃环形空间内填充耐火浇筑料单元。

9.如权利要求2所述的低氮火焰燃烧器，其特征在于，所述外球面上设置环形凹槽结构，所述环形凹槽结构内设置第一弹性密封圈。

10.如权利要求2所述的低氮火焰燃烧器，其特征在于，所述水平驱动结构驱动所述摆动烟道部在水平面内摆动的角度范围为-30°～30°；所述竖直驱动结构驱动所述摆动烟道部在竖直平面内摆动的角度范围为-30°～30°。

11.如权利要求2所述的低氮火焰燃烧器，其特征在于，固定烟道部的内腔和摆动烟道部的内腔连通构成燃烧混合室，所述固定烟道部远离所述摆动烟道部的一端连通设置助燃气腔和燃气腔，所述燃气腔和所述助燃气腔内穿设引射器，所述引射器与所述固定烟道部同轴设置，所述引射器用于将燃气腔内的可燃气体加速喷射至所述燃烧混合室，所述助燃气腔与所述燃烧混合室之间构成缩颈的引射通道，所述助燃气腔内的助燃气通过所述引射通道引射至所述燃烧混合室；所述燃烧混合室内设置点火器、火焰探测器和温度探测器。

12.如权利要求11所述的低氮火焰燃烧器，其特征在于，所述引射器包括直管段、收缩段、喉管段、扩张段和整流段，所述直管段位于所述燃气腔内，所述收缩段、所述喉管段、所述扩张段和所述整流段位于所述助燃气腔内；所述直管段的第一端设置进气管口，所述直管段的第二端连通所述收缩段的第一端，所述收缩段的直径自第一端向第二端呈渐缩设置，所述收缩段的第二端连通所述喉管段的第一端，所述喉管段的第二端连通所述扩张段的第一端，所述扩张段的直径自第一端向第二端呈渐扩设置，所述扩张段的第二端连通所述整流段的第一端，所述整流段的第二端设置出气管口。

13.如权利要求11所述的低氮火焰燃烧器，其特征在于，所述摆动烟道部的侧壁上套设第一法兰，所述第一法兰上连接波纹管的一端，波纹管的另一端连接第二法兰，所述第二法兰用于与脱硝烟道侧壁密封连接，所述第一法兰、所述波纹管和所述第二法兰构成燃烧器弹性连接密封罩。

14.一种用于脱硝系统的直燃式加热装置，其特征在于，包括多个如权利要求1至13任一项所述的低氮火焰燃烧器，多个低氮火焰燃烧器构成燃烧器组，燃烧器组的各低氮火焰燃烧器的火焰流股中心线与一假想切圆相切，各所述低氮火焰燃烧器的摆动烟道部能在水平面和竖直平面内摆动实现空间调节火焰喷射角度。

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