CN114234183A - 一种低NOx燃烧的燃烧装置 - Google Patents

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张艳伟
汪杰
王育峰
叶科尼
李梦娜
朱雅雯
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Abstract

本发明公开了一种低NOx燃烧的燃烧装置，包括向燃烧器提供经预混的再循环烟气与空气的混合气体的烟气再循环系统,其设有烟气预混腔，烟气预混腔设有第一进气口和第二进气口，用于分别导入再循环烟气和预加热的空气，出气口用于将预混形成的混合气体导出至燃烧器，混风机构用于对导入的再循环烟气和空气进行预混处理，形成均匀的混合气体，通过控制第一进气口的烟气流量、第二进气口的空气流量和出气口的混合气体流量之间的不同比例，实现控制导出的混合气体中的氮含量和氧含量，通过控制导入的空气温度，实现对燃烧器的低NOx燃烧温度作出补偿，从而达到显著降低氮氧化物排放的目的。

Description

一种低NOx燃烧的燃烧装置
技术领域
本发明涉及热工技术领域，特别是涉及一种低NOx燃烧的燃烧装置。
背景技术
近年来，国家对燃气锅炉的NOx(氮氧化物)排放要求越来越严厉。例如，排放标准从原来要求的400mg/m3到150mg/m3，再到80mg/m3。甚至部分城市和地区直接将标准限定到不大于30mg/m3的国际一流标准，整个标准的变化仅用了2～3年的时间。这就说明国家对燃气锅炉低氮排放的迫切要求，使得满足低氮排放的锅炉应运而生。
烟气再循环技术的本质，是通过将锅炉燃烧产出的烟气重新引入燃烧器的燃烧区域，实现对燃烧温度及氧化物浓度的控制，从而实现降低氮氧化物的排放和节约能源的效果。其减排机理可以用热力型NOx的生成机理来解释。热力型NOx形成的主要控制因素是温度，温度对NOx生成速率的影响呈指数关系。影响热力型NOx生成的另一个主要因素是烟气中的氧浓度，其生成速率与氧浓度的0.5次方成正比，所以烟气再循环技术降低了火焰区域的最高温度，由此降低了NOx的形成。同时，烟气再循环降低了氧和氮的浓度，同样起到降低NOx的作用。另外，烟气再循环技术中高温烟气对氧化剂和燃料起到预热的作用，有明显节能效果。
实现烟气再循环的难点在于烟气回流量和回流烟气中氧含量的控制。研究表明，一定条件下，烟气循环量与NOx排放量成反比，烟气循环量越大，NOx排放量就越小。但烟气再循环率过大时，造成烟气太多，燃料反而会因得不到充足的氧气，出现燃烧不稳定或不完全燃烧现象，导致热损失的增加。
同时，一般燃气锅炉的每标米立方烟气体积中含有17.8％的水蒸汽。理论计算，1Nm3天然气燃烧后可产生约1.7kg水蒸汽，燃气生成的烟气中，水蒸汽冷凝点在≤58℃。所以，只要所取的锅炉尾部烟道烟气取烟口温度高于58℃，每标米立方烟气中就将有17.8％的水蒸汽混合到烟气再循环系统供应的冷风中。当混入的水蒸汽超过混合后风温的饱和湿度时，就会有多余的水蒸气自然冷凝成水滴，并凝结在风道内。如果在冬季冷风温度足够低时，混合后的风温还可能低于冰点温度，冷凝水就会在风道内结冰。
此外，烟气再循环系统中烟气与空气的混合均匀度，对上述烟气回流量和回流烟气中氧含量的控制，以及预防冷凝水的产生，也将带来重要影响。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种低NOx燃烧的燃烧装置。
本发明实现上述目的的一种技术方案是：
一种低NOx燃烧的燃烧装置，包括：
燃烧器；
烟气再循环系统，用于向所述燃烧器提供经预混的再循环烟气与空气的混合气体；
其中，所述烟气再循环系统设有烟气预混腔，所述烟气预混腔设有：
第一进气口，用于向所述烟气预混腔内导入再循环烟气；
第二进气口，用于向所述烟气预混腔内导入空气；
出气口，用于将所述烟气预混腔内通过预混形成的所述混合气体导出至所述燃烧器；
混风机构，用于对导入的再循环烟气和空气进行预混处理，以形成混合均匀的所述混合气体；
加热机构，用于提高导入的空气的温度；
其中，通过控制所述第一进气口的烟气流量、所述第二进气口的空气流量和所述出气口的混合气体流量之间的不同比例，实现控制导出的所述混合气体中的氮含量和氧含量；通过控制由所述第二进气口导入的空气的温度，实现控制导出的所述混合气体到达所述燃烧器时的温度，以控制对所述燃烧器实现低NOx燃烧时的燃烧温度作出补偿。
进一步地，所述第一进气口设于所述烟气预混腔的第一侧面上，所述第一进气口上设有第一流量控制机构，所述第二进气口设于所述烟气预混腔的顶面上，所述第二进气口上设有第二流量控制机构，所述出气口设于与所述第一侧面相对的所述烟气预混腔的第二侧面上，所述出气口上设有第三流量控制机构。
进一步地，所述第一流量控制机构包括第一阀门，所述第二流量控制机构包括第二阀门，所述第三流量控制机构包括第三阀门。
进一步地，所述第一进气口通过第一风道连接烟气接入端口，所述烟气接入端口设有第一风机，所述第二进气口通过第二风道连接第二风机，所述出气口通过第三风道连接至所述燃烧器，所述出气口和所述第三风道之间设有第三风机。
进一步地，所述混风机构设于所述烟气预混腔内的所述第一进气口的水平轴线与所述第二进气口的垂直轴线的交点位置上，用于将由所述第一进气口导入的再循环烟气和由所述第二进气口导入的空气通过搅动方式混合。
进一步地，所述混风机构包括离心式风扇；或者，所述混风机构包括鼠笼式搅拌器。
进一步地，所述加热机构包括设于所述第二风道上的加热器。
进一步地，还包括：隔板，用于将所述烟气预混腔分隔为包括所述第一进气口、所述第二进气口和所述混风机构的第一腔室，和包括所述出气口的第二腔室，所述隔板上均布有连通所述第一腔室和所述第二腔室的气孔或格栅。
进一步地，所述烟气预混腔的底面上设有第一疏水口，所述第三风机的下方设有第二疏水口，所述第三风道的底面上设有第三疏水口；所述烟气预混腔中设有温度监测单元和液位监测单元，所述第三风道中设有烟气监测单元；所述烟气预混腔的内壁上覆盖有防腐层，所述烟气预混腔的外壁上、所述第一风道的外壁上和所述第三风道的外壁上覆盖有保温层，位于所述第一侧面和所述第二侧面之间的所述烟气预混腔的一个第三侧面上设有检查窗口。
进一步地，所述燃烧器设有火焰出口，所述火焰出口的外侧上方围绕设有水冷壁。
相比现有技术，本发明具有以下优点：
(1)通过设置阀门，可以控制第一进气口的烟气流量、第二进气口的空气流量和出气口的混合气体流量，以及三者之间的不同比例，实现控制导出至燃烧器的混合气体中的氮含量和氧含量；通过控制由第二进气口导入的空气的温度，实现控制导出至燃烧器的混合气体的温度，可以对燃烧器实现低NOx燃烧时的燃烧温度作出补偿，并完成烟气与空气配比的修正，确保混合气体在进入燃烧器后稳定燃烧，达到显著降低氮氧化物排放的目的。
(2)通过设置烟气监测单元，可以对参与燃烧的氮和氧含量进行精确控制，以便在反应区内形成低氧燃烧，有效减少NOx排放。
(3)通过使空气由烟气预混腔的顶面进入，并使烟气由烟气预混腔的侧面进入，可利用冷气流的自然下降和热气流的自然上升，加快冷热气流之间的对流；进一步通过设置具有离心式风扇或鼠笼式搅拌器形式的混风机构，利用具有的对气流的强烈搅动作用，能够对烟气和空气进行快速预混，及时向燃烧器提供具有受控配比和适宜温度的均匀的烟气和空气混合气体，有效起到促进低氮排放的作用。
(4)通过在燃烧器的火焰出口上设置具有高传热系数的水冷壁，能够将火焰产生的高温迅速带走，有效抑制热力型NOx；同时，水冷壁还起到了熄火保护作用，从而有效规避了回火风险。
(5)通过加热预先提高导入的冷空气的温度，可以减少在与高温的烟气混合时冷凝水的产生，并通过在关键部位设置疏水口，可以将一旦可能产生的冷凝水及时排出，有效防止了极端情况下的结冰风险。
(6)通过在烟气预混腔的内壁上设置防腐层，可有效防止烟气预混腔受到来自烟气的腐蚀作用，延长了使用寿命。
(7)通过在烟气预混腔和风道的外壁上设置保温层，可有效保证对烟气预混腔和风道内气体的温度控制，保障了燃烧的稳定，同时还显著提高了节能效果。
(8)通过在烟气预混腔上设置检查窗口，可方便对腔内情况进行监控、检查和维护。
附图说明
图1-图2为本发明一较佳实施例的一种低NOx燃烧的燃烧装置的结构示意图。
图3为本发明一较佳实施例的一种风扇的设置结构示意图。
图4为本发明一较佳实施例的一种鼠笼式搅拌器的设置结构示意图。
具体实施方式
为了能更好地对本发明的技术方案进行理解，下面通过具体的实施例进行详细的说明。
请参阅图1。本发明的一种低NOx燃烧的燃烧装置，包括：燃烧器21和与燃烧器21相连的烟气再循环系统。
以应用于燃气锅炉为例，其中，燃烧器21设于锅炉的燃烧室内，用于通过火焰燃烧，向锅炉提供热能，将锅炉中的冷水加热为热水或进一步提供蒸汽。
烟气再循环系统用于向燃烧器21提供经预混的再循环烟气与空气的混合气体，以实现燃烧器21的低NOx燃烧和低氮排放。
请参阅图1。烟气再循环系统设有烟气预混腔10。烟气预混腔10设有第一进气口，第二进气口、出气口，混风机构24和加热机构15。
其中，第一进气口用于向烟气预混腔10内导入再循环烟气。第二进气口用于向烟气预混腔10内导入空气。出气口用于将烟气预混腔10内通过预混形成的混合气体导出至燃烧器21。
混风机构24用于对导入的再循环烟气和空气进行预混处理，以形成混合均匀的混合气体。
加热机构15用于提高导入的空气的温度。
其中，可通过控制模块来控制烟气再循环系统的烟气再循环过程。例如，通过控制模块，可控制第一进气口的烟气流量、第二进气口的空气流量和出气口的混合气体流量，以及第一进气口的烟气流量、第二进气口的空气流量和出气口的混合气体流量之间的不同比例，实现控制导出的混合气体中的氮含量和氧含量。
并且，通过控制模块，还可控制由第二进气口导入的空气的温度，实现控制导出的混合气体到达燃烧器21时的温度，以控制对燃烧器21实现低NOx燃烧时的燃烧温度作出补偿。
请参阅图1。在一较佳实施例中，第一进气口可设于烟气预混腔10的第一侧面上，但本发明不限于此。并且，在第一进气口上可设有第一流量控制机构。
第二进气口可设于烟气预混腔10的顶面上，但本发明不限于此。并且，在第二进气口上可设有第二流量控制机构。
出气口可设于与烟气预混腔10的第一侧面相对的烟气预混腔10的第二侧面上，但本发明不限于此。并且，在出气口上可设有第三流量控制机构。
在一较佳实施例中，第一流量控制机构可包括设于第一进气口上的第一阀门12。控制模块通过控制第一阀门12的开合幅度，可控制由第一进气口导入的再循环烟气的流量。
第二流量控制机构可包括设于第二进气口上的第二阀门13。控制模块通过控制第二阀门13的开合幅度，可控制由第二进气口导入的空气的流量。
第三流量控制机构可包括设于出气口上的第三阀门16。控制模块通过控制第三阀门16的开合幅度，可控制由出气口导出的经预混的再循环烟气与空气的混合气体的流量。
控制模块还通过控制第一阀门12至第三阀门16之间的开合幅度的不同组合，进一步控制实现第一进气口导入的烟气流量、第二进气口导入的空气流量和出气口导出的混合气体流量三者之间的不同比例，实现控制导出至燃烧器21的混合气体中的氮含量和氧含量。
请参阅图1。在一较佳实施例中，第一进气口可通过第一风道11连接烟气接入端口；并且，在烟气接入端口可设有第一风机。第一风机用于通过烟气接入端口将再循环烟气通过第一风道11、第一进气口上的第一阀门12鼓入烟气预混腔10内。
第二进气口可通过第二风道14连接第二风机。第二风机用于将外部的自然空气通过第二风道14、第二进气口上的第二阀门13鼓入烟气预混腔10内。
出气口可通过第三风道18连接至燃烧器21；并且，在出气口和第三风道18之间可设有第三风机17。第三风机17用于将烟气预混腔10内经预混的烟气与空气的混合气体通过出气口上的第三阀门16经第三风道18鼓入燃烧器21中进行燃烧。
请参阅图1。在一较佳实施例中，混风机构24可设于烟气预混腔10内的第一进气口的水平轴线与第二进气口的垂直轴线的交点位置上。混风机构24用于将由第一进气口导入的再循环烟气和由第二进气口导入的空气通过搅动方式进行混合，形成均匀的混合气体，以便向烟气预混腔10的第二侧面方向流动导出，并进一步通过控制模块的控制，将混合均匀的气体由第三阀门16经第三风机17、第三风道18鼓入燃烧器21中进行燃烧。
请参阅图3。在一较佳实施例中，混风机构24可包括在烟气预混腔10中设置的风扇241。例如，风扇241可以是离心式风扇。利用风扇241上叶片的高速转动，可将再循环烟气和空气以离心搅动方式进行混合，形成均匀的混合气体后，再由控制模块控制第三风机17启动，将混合气体吸入第三风道18，从而鼓入燃烧器21中。
风扇241可以朝向第一阀门12和第二阀门13之间的倾斜方向设置。
请参阅图4。在另一较佳实施例中，混风机构24可包括在烟气预混腔10中设置的鼠笼式搅拌器242。利用鼠笼式搅拌器242上叶片的高速转动，可将再循环烟气和空气以离心搅动方式进行混合，形成均匀的混合气体后，再由控制模块控制第三风机17启动，将混合气体吸入第三风道18，从而鼓入燃烧器21中。
鼠笼式搅拌器242也可以朝向第一阀门12和第二阀门13之间的倾斜方向设置。
但本发明不限于上述图3和图4的混风机构24实现方式，只要能够起到对再循环烟气和空气气流进行搅动，以增进其混合的方式，都属于本发明的实现方式。
请参阅图1。在一较佳实施例中，加热机构15可包括设于第二风道14上的加热器。加热器例如可以是包括围绕在第二风道14外壁上的加热带或加热丝等各种适用结构形式。
请参阅图2。在一较佳实施例中，在烟气预混腔10中还可包括一个隔板26。隔板26可用于将烟气预混腔10分隔为包括第一进气口、第二进气口和混风机构24等在内的第一腔室，和包括出气口等在内的第二腔室。同时，在隔板26上可均匀分布有连通第一腔室和第二腔室的多个气孔27。在分隔的第一腔室中，通过混风机构24基本已混合均匀的再循环烟气和空气的混合气体，在第三风机17的吸力作用下，将由气孔27进入第二腔室中。在此过程中，经混合的混合气体在由气孔27分流排出时，会产生气流之间的相互干涉作用，从而可得到进一步的混合，形成更加均匀的再循环烟气和空气的混合气体，因此大为提高了气体均匀混合的效果。
在另一较佳实施例中，在隔板26上也可均匀分布有连通第一腔室和第二腔室的多条平行的格栅。在分隔的第一腔室中，通过混风机构24基本已混合均匀的再循环烟气和空气的混合气体，在第三风机17的吸力作用下，将由格栅进入第二腔室中。在此过程中，经混合的混合气体在由格栅分流排出时，会产生气流之间的相互干涉作用，从而可得到进一步的混合，形成更加均匀的再循环烟气和空气的混合气体，因此大为提高了气体均匀混合的效果。
但本发明不限于上述在隔板26上设置气孔27或格栅的形式。
请参阅图1。在一较佳实施例中，在烟气预混腔10的底面上可设置第一疏水口25。当再循环烟气与空气在烟气预混腔10中混合过程中，一旦发生产生冷凝水问题，即可通过控制打开第一疏水口25，将冷凝水及时排出，避免影响混合气体质量甚至导致在极端条件下的冷凝水结冰问题。
在一较佳实施例中，在第三风机17的下方可设置第二疏水口23。在第三风机17高速运转过程中，一旦遇有水汽冷凝在第三风机17的叶片上，就会被离心作用甩到第三风机17的内壁上，并向下方汇聚。此时，即可通过控制打开第二疏水口23，将冷凝水及时排出，避免影响第三风机17的正常运行，以及可能发生的在极端条件下的冷凝水结冰问题。
在一较佳实施例中，在第三风道18的底面上还可设有第三疏水口22。由于第三风道18的长度相对较长，第三风道18内具有较高温度的混合气体，较容易在输送过程中因冷却而发生冷凝现象。此时，即可通过控制打开第三疏水口22，将第三风道18中沉积的冷凝水及时排出。
在一较佳实施例中，在烟气预混腔10中还可设有温度监测单元和液位监测单元。其中，温度监测单元用于对烟气预混腔10中经预混的混合气体的温度进行监测，并将监测结果实时传递给控制模块用于温度补偿控制。温度监测单元例如可包括温度传感器。
液位监测单元用于对烟气预混腔10中一旦存在大量冷凝水时进行及时反馈，以便控制模块控制打开第一疏水口进行及时排出。在一较佳实施例中，液位监测单元可包括液位传感器。
在一较佳实施例中，在第三风道18中还可设有烟气监测单元。烟气监测单元用于对即将进入燃烧器21的混合气体中的氮和氧气含量进行最终确认，以确保进入燃烧器21的混合气体符合烟气再循环的技术要求。控制模块根据烟气监测单元的实时反馈，并结合混合气体温度，采取针对烟气再循环系统的进一步优化策略，使进入燃烧器21的混合气体保持与设定标准相对应的状态，实现稳定的低氮燃烧和超低排放。在一较佳实施例中，烟气监测单元可以是气体传感器。
在其他较佳实施例中，在烟气预混腔10的内壁上还可覆盖有防腐层，以延缓烟气预混腔10受腐蚀的周期，从而延长使用寿命。
进一步地，在烟气预混腔10的外壁上、第一风道11的外壁上和第三风道18的外壁上还可覆盖有保温层，以对烟气预混腔10、第一风道11和第三风道18中的气体进行保温，提高温度控制效果，并可节约能耗。
进一步地，还可在烟气预混腔10上设置检查窗口。例如，检查窗口可设置位于烟气预混腔10的第一侧面和第二侧面之间的烟气预混腔10的一个第三侧面上，即需要避开第一进气口、第二进气口和出气口所在的位置。
请参阅图1。在一较佳实施例中，在燃烧器21的火焰出口20上的外侧位置，即在燃烧器21喷出的火焰的根部位置，可设置围绕火焰出口20(火焰根部)的具有高传热系数的环形水冷壁19，以将预混火焰产生的高温迅速带走，从而能够有效抑制热力型NOx。同时，采用水冷壁19还可起到熄火保护作用，从而规避了回火风险。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (10)

1.一种低NOx燃烧的燃烧装置，其特征在于，包括：
燃烧器；
烟气再循环系统，用于向所述燃烧器提供经预混的再循环烟气与空气的混合气体；
其中，所述烟气再循环系统设有烟气预混腔，所述烟气预混腔设有：
第一进气口，用于向所述烟气预混腔内导入再循环烟气；
第二进气口，用于向所述烟气预混腔内导入空气；
出气口，用于将所述烟气预混腔内通过预混形成的所述混合气体导出至所述燃烧器；
混风机构，用于对导入的再循环烟气和空气进行预混处理，以形成混合均匀的所述混合气体；
加热机构，用于提高导入的空气的温度；
其中，通过控制所述第一进气口的烟气流量、所述第二进气口的空气流量和所述出气口的混合气体流量之间的不同比例，实现控制导出的所述混合气体中的氮含量和氧含量；通过控制由所述第二进气口导入的空气的温度，实现控制导出的所述混合气体到达所述燃烧器时的温度，以控制对所述燃烧器实现低NOx燃烧时的燃烧温度作出补偿。
2.根据权利要求1所述的低NOx燃烧的燃烧装置，其特征在于，所述第一进气口设于所述烟气预混腔的第一侧面上，所述第一进气口上设有第一流量控制机构，所述第二进气口设于所述烟气预混腔的顶面上，所述第二进气口上设有第二流量控制机构，所述出气口设于与所述第一侧面相对的所述烟气预混腔的第二侧面上，所述出气口上设有第三流量控制机构。
3.根据权利要求2所述的低NOx燃烧的燃烧装置，其特征在于，所述第一流量控制机构包括第一阀门，所述第二流量控制机构包括第二阀门，所述第三流量控制机构包括第三阀门。
4.根据权利要求2所述的低NOx燃烧的燃烧装置，其特征在于，所述第一进气口通过第一风道连接烟气接入端口，所述烟气接入端口设有第一风机，所述第二进气口通过第二风道连接第二风机，所述出气口通过第三风道连接至所述燃烧器，所述出气口和所述第三风道之间设有第三风机。
5.根据权利要求2所述的低NOx燃烧的燃烧装置，其特征在于，所述混风机构设于所述烟气预混腔内的所述第一进气口的水平轴线与所述第二进气口的垂直轴线的交点位置上，用于将由所述第一进气口导入的再循环烟气和由所述第二进气口导入的空气通过搅动方式混合。
6.根据权利要求5所述的低NOx燃烧的燃烧装置，其特征在于，所述混风机构包括离心式风扇；或者，所述混风机构包括鼠笼式搅拌器。
7.根据权利要求4所述的低NOx燃烧的燃烧装置，其特征在于，所述加热机构包括设于所述第二风道上的加热器。
8.根据权利要求2所述的低NOx燃烧的燃烧装置，其特征在于，还包括：隔板，用于将所述烟气预混腔分隔为包括所述第一进气口、所述第二进气口和所述混风机构的第一腔室，和包括所述出气口的第二腔室，所述隔板上均布有连通所述第一腔室和所述第二腔室的气孔或格栅。
9.根据权利要求4所述的低NOx燃烧的燃烧装置，其特征在于，所述烟气预混腔的底面上设有第一疏水口，所述第三风机的下方设有第二疏水口，所述第三风道的底面上设有第三疏水口；所述烟气预混腔中设有温度监测单元和液位监测单元，所述第三风道中设有烟气监测单元；所述烟气预混腔的内壁上覆盖有防腐层，所述烟气预混腔的外壁上、所述第一风道的外壁上和所述第三风道的外壁上覆盖有保温层，位于所述第一侧面和所述第二侧面之间的所述烟气预混腔的一个第三侧面上设有检查窗口。
10.根据权利要求1所述的低NOx燃烧的燃烧装置，其特征在于，所述燃烧器设有火焰出口，所述火焰出口的外侧上方围绕设有水冷壁。
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