CN114234189A - 一种后预混墙式层流水冷超低氮燃烧装置及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种后预混墙式层流水冷超低氮燃烧装置及其控制方法,其特征在于:包括自适应射流混合器(1)、层流阻火燃烧头(2)、火焰冷却装置(3)、引火及火焰感知装置(4);自适应射流混合器(1)下端与层流阻火燃烧头(2)上端固定连接,层流阻火燃烧头(2)下端与火焰冷却装置(3)连接;引火及火焰感知装置(4)位于火焰冷却装置(3)下方。本发明中自适应射流混合器可以实现天然气与助燃风在1:5调节比下的混合均匀性和混合比的稳定性,并实现层流燃烧技术耦合水冷燃烧技术,实现层流水冷超低氮燃烧。
Description
技术领域
本发明涉及清洁能源技术领域,具体涉及一种后预混墙式层流水冷超低氮燃烧装置实现天然气能源高效燃烧超低氮排放。
背景技术
随着我国经济社会的发展,原有的能源发展模式已经不能满足社会发展需求,节能环保的能源利用形式是目前的发展的方向。
在一次能源应用中燃气锅炉是天然气能源利用的重要设备,天然气本身是一种清洁能源,但在能源转换过程中燃烧产生NOx,燃气锅炉在燃烧时会产生氮氧化物。氮氧化物进入大气环境后,会对环境和人体健康造成严重危害:(1)对人体的致毒作用,氮氧化物在一定浓度范围内时,具有强烈的刺激性,根据EPA 报道指出,短时间处于高浓度的NO2中会诱发呼吸系统疾病,会增加5-12岁儿童呼吸道疾病的风险。EPA认为,长时间处于 NO2中会引发肺部感染,并且在肺部形成病变。(2)对植物的损害作用NO2影响农作物发育,抑制豌豆、西红柿生长,柑橘减产。(3)与碳氢化合物结合,在光照条件下,氮氧化物会反应形成光化学烟雾。(4)氮氧化物也是酸雨、酸雾形成的主要原因,NO 和NO2会与周围空气中的水分形成NO3-和H+,导致金属表面严重腐蚀。(5)NOx 参与臭氧层的破坏。通过研究燃气锅炉低氮燃烧技术,有效改善燃气锅炉燃烧过程中释放的氮氧化物情况,可以有效提高人们生存环境的质量,减少环境对人们身体健康造成的威胁。
发明内容
本发明设计了一种后预混墙式层流水冷超低氮燃烧装置及其控制方法,其解决的技术问题是现有天然气燃烧装置在燃烧过程中产生大量NOx,且燃烧不充分,运行不稳定问题。
为了解决上述存在的技术问题,本发明采用了以下方案:
一种后预混墙式层流水冷超低氮燃烧装置,其特征在于:包括自适应射流混合器(1)、层流阻火燃烧头(2)、火焰冷却装置(3)、引火及火焰感知装置(4);自适应射流混合器(1)下端与层流阻火燃烧头(2)上端固定连接,层流阻火燃烧头(2)下端与火焰冷却装置(3)连接;引火及火焰感知装置(4)位于火焰冷却装置(3)下方。
优选地,所述自适应射流混合器(1)其由渐缩管(102)、等径的喉管(103)、渐扩管(106)构成一个局部速度突变通道,助燃风通过渐缩管(102)后流通截面积减小速度增大在喉管(103)处达到最大经渐扩管(106)后流通截面积增加流速减小,在此速度突变情况下在喉管(103)入口处形成负压区燃气经喉管(103)上混合器燃气环形阵列喷嘴(114)被负压吸入与助燃风混合,可实现低燃气压力被动混合。
优选地,所述自适应射流混合器(1)还包括自适应扰流装置导轨入口固定架(115)和自适应扰流装置导轨出口固定架(111),两者将自适应扰流装置导轨(107)固定,自适应装置流速调节端面(108)安装在自适应扰流装置导轨(107)上并且能够沿着自适应扰流装置导轨(107)移动,自适应装置流速调节端面(108)周边设有扰流片(109),自适应扰流装置调节弹簧(110)夹持在自适应装置流速调节端面(108)与自适应扰流装置导轨出口固定架(111)之间的自适应扰流装置导轨(107)上;依据混合气通过渐扩管(106)产生流速对自适应装置流速调节端面(108)和扰流片(109)产生的推力与自适应扰流装置调节弹簧(110)产生弹力形成平衡以确保混合气体混合比的稳定。
优选地,所述层流阻火燃烧头(2)包括混合均匀提升装置(202),混合均匀提升装置(202)通过其设置的旋流叶片及叶片上开孔形成局部射流与旋流对经自适应射流混合器(1)产生混合气体进行进一步混合以提高混合均匀性。
优选地,所述层流阻火燃烧头(2)还包括燃烧头混合气仓(203),燃烧头混合气仓(203)为圆变长方型结构,在所述层流阻火燃烧头(2)入口布置混合均匀提升装置(202)可将混合气均匀布置到燃烧头混合气仓(203)。
优选地,所述层流阻火燃烧头(2)包括增速整流布风板(204),增速整流布风板(204)下方为层流阻火喷射装置(205);增速整流布风板(204)通过对设计燃烧器输出负荷调节比确定,计算出其结构确保混合气通过其流速控制在1.5-7.5m/s,以确保混合气流速大于甲烷气体燃烧传播速度3倍以上。
优选地,所述火焰冷却装置(3)包括水冷限位仓板(301)和火焰冷却管(303),层流阻火喷射装置(205)位于水冷限位仓板(301)中,火焰冷却管(303)固定在水冷限位仓板(301)底部;火焰冷却管(303)中冷却水与锅炉介质水连通,经层流阻火喷射装置(205)喷射混合气体再经过火焰冷却管(303)后被引燃并对火焰核心区进行降温,从而抑制热力型氮氧化物的产生。
优选地,所述火焰冷却装置(3)还包括水冷壁辐射管(306),水冷壁辐射管(306)位于火焰冷却管(303)下方,水冷壁辐射管(306)对火焰外径进行限制确保燃烧充分降低CO排放,保证燃烧充分性。
优选地,所述引火及火焰感知装置(4)中离子探针绝缘异型陶瓷管(402)与引火枪枪头(410)内部形成气体通道,燃气经引火枪燃气进口锁紧密封部件(409)进入其中被点火变压器释放高压电在引火枪枪头(410)间释放电火花引燃后作为母枪引燃离子探针子枪,子枪火焰覆盖离子探针探头(412)将火焰信号传出可确保引火成功。
一种后预混墙式层流水冷超低氮燃烧装置的控制方法,包括以下步骤
步骤1、助燃风经鼓风机增压后经助燃风接口(101)进入渐缩管(102)、喉管(103)和渐扩管(106),因流通通道截面积突变在喉管入口处产生负压,燃气经燃气进口法兰(104)进入燃气仓(105)通过混合器燃气环形阵列喷嘴(114)被吸入喉管(103)与助燃空气混合,混合后的混合器经渐扩管(106)与自适应装置流速调节端面1(108)形成可变通道经扰流片(109)扰流进一步混合,其中自适应扰流装置调节弹簧(110)是依据自适应装置流速调节端面(108)和扰流片(109)在不同流量下产生阻力与自适应扰流装置调节弹簧(110)弹力之间的线性关系设计的弹性系数实现动态状态下的平衡,确保混合均匀性和混合比的稳定性;
步骤2、混合气经混合器与炉体连接法兰(112)接口进入层流阻火燃烧头(2)经混合均匀提升装置(202)后被均匀的分配至燃烧头混合气仓(203)经增速整流布风板(204)提升速度至1.5-7.5m/s确保混合气流速是甲烷燃烧火焰传播速度3倍以上以确保安全;
步骤3、混合气通过层流阻火喷射装置(205)实现分散燃烧低氮燃烧,并杜绝回火;
步骤4、混合气进入火焰冷却装置(3),经火焰冷却管(303)后被引火及火焰感知装置(4)引燃,引燃后的混合气体在火焰冷却管(303)前建立稳定火焰,火焰经火焰冷却管(303)冷却后大大降低空气中的氮气分子被氧化的速率,从而使气体燃烧后烟气中氧含量在3.5-8%之间排放氮氧化物折算值均小于30mg/Nm³且燃烧充分。
该后预混墙式层流水冷超低氮燃烧装置及其控制方法具有以下有益效果:
(1)本发明中自适应射流混合器可以实现天然气与助燃风在1:5调节比下的混合均匀性和混合比的稳定性,并实现层流燃烧技术耦合水冷燃烧技术,实现层流水冷超低氮燃烧。
(2)本发明中自适应射流混合器所属自适应扰流装置调节弹簧是依据自适应装置流速调节端面和扰流片在不同流量下产生阻力与弹簧弹力之间的线性关系设计的弹性系数实现动态状态下的平衡,确保混合均匀性和混合比的稳定性。
(3)本发明自适应射流混合器所属扰流片可对混合气进行扰流混合提升混合气的混合均匀性。
(4)本发明层流阻火燃烧头所属混合均匀提升装置可对经混合器进入混合气进行分配在在圆变方混合仓内将混合气均匀分布同时通过其上的旋流扰流片进一步提升混合器混合均匀性。
(5)本发明层流阻火燃烧头所属增速整流布风板可将混合气体流速提升至1.5-7.5m/s之间将气体流速提升至甲烷燃烧火焰传播速度3倍以上提升安全性。
(6)本发明层流阻火燃烧头所属层流阻火喷射装置通过其由几十万个当量直径在1.14mm以下(此通道包含波浪型、圆形、方形通道均包含在保护范围内)流通通道构成的层流气体喷射装置,通道长度方向在15-48mm内,长方型结构,可实现分散燃烧低氮燃烧,并杜绝回火。
(7)本发明火焰冷却装置所属火焰冷却管中冷却水与锅炉介质水连通并经层流阻火喷射装置喷射混合气体在经过冷却管后被引燃并对火焰核心区进行降温,从而降低氮氧化物的产生,同时水冷壁辐射管对火焰进行外径限制确保燃烧充分降低CO排放,以此达到NOx在不同氧含量情况下折算值小于30mg/Nm。
附图说明
图1:本发明后预混墙式层流水冷超低氮燃烧装置结构示意图;
图2:本发明中自适应射流混合器结构示意图;
图3:本发明中层流燃烧头结构示意图;
图4:本发明中火焰冷却装置结构示意图;
图5:本发明中引火及火焰感知装置结构示意图。
附图标记说明:
1—自适应射流混合器;2—层流燃烧头;3—火焰冷却装置;4—引火及火焰感知装置;
101—助燃风接口;102—渐缩管;103—喉管;104—燃气进口法兰;105—燃气仓;106—渐扩管;107—自适应扰流装置导轨;108—自适应装置流速调节断面;109—扰流片;110—自适应扰流装置调节弹簧;111—自适应扰流装置导轨出口固定架;112—混合器与炉体连接法兰;113—混合段管壁;114—混合器燃气环形阵列喷嘴;115—自适应扰流装置导轨入口固定架;
201—层流燃烧头连接法兰;202—混合均匀提升装置;203—燃烧头混合气仓;204—增速整流布风板;205—层流阻火喷射装置;206—燃烧头固定法兰;
301—水冷限位仓板;302—水冷管限位固定板;303—火焰冷却管;304—层流燃烧头固定法兰;305—冷却水冷壁隔条;306—水冷壁辐射管;
401—离子探针固定装置;402—离子探针绝缘异型陶瓷管;403—高压点火棒连接固定装置;404—点火枪绝缘异型陶瓷管;405—锁紧密封螺母;406—连接对丝;407—引火气仓连接三通;408—引火枪与例子探针子枪;409—引火枪燃气进口锁紧密封部件;410—引火枪枪头;411—离子探针子枪枪头;412—离子探针探头。
具体实施方式
下面结合图1至图5,对本发明做进一步说明:
如图1所示,本发明后预混墙式层流水冷超低氮燃烧装置,包括自适应射流混合器1、层流阻火燃烧头2、火焰冷却装置3以及引火及火焰感知装置4。
如图2所示,自适应射流混合器1包括助燃风接口101、渐缩管102、喉管103、燃气进口法兰104、燃气仓105、渐扩管106、自适应扰流装置导轨107、自适应装置流速调节端面108、扰流片109、自适应扰流装置调节弹簧110、自适应扰流装置导轨出口固定架111、混合器与炉体连接法兰112、混合段管壁113、混合器燃气环形阵列喷嘴114以及自适应扰流装置导轨入口固定架115。
自适应射流混合器1其由渐缩管102、等径的喉管103、渐扩管106构成一个局部速度突变通道,助燃风通过渐缩管102后流通截面积减小速增变大在喉管103处达到最大经渐扩管106后流通截面积增加流速减小,在此速度突变情况下在喉管103入口处形成负压区燃气经喉管103上混合器燃气环形阵列喷嘴114被负压吸入与助燃风混合,可实现低燃气压力被动混合。
自适应射流混合器1还包括自适应扰流装置导轨入口固定架115和自适应扰流装置导轨出口固定架111,两者将自适应扰流装置导轨107固定,自适应装置流速调节端面108安装在自适应扰流装置导轨107上并且能够沿着自适应扰流装置导轨107移动,自适应装置流速调节端面108周边设有扰流片109,自适应扰流装置调节弹簧110夹持在自适应装置流速调节端面108与自适应扰流装置导轨出口固定架111之间的自适应扰流装置导轨107上;依据混合气通过渐扩管106产生流速对自适应装置流速调节端面108和扰流片109产生的推力与自适应扰流装置调节弹簧110产生弹力形成平衡以确保混合气体混合比的稳定。
如图3所示,层流阻火燃烧头2包括层流燃烧头连接法兰201、混合均匀提升装置202、燃烧头混合气仓203、增速整流布风板204、层流阻火喷射装置205和燃烧头固定法兰206。
层流阻火燃烧头2包括混合均匀提升装置202,混合均匀提升装置202通过其设置的旋流叶片及叶片上开孔形成局部射流与旋流对经自适应射流混合器1产生混合气体进行进一步混合以提高混合均匀性。
优选地,层流阻火燃烧头2还包括燃烧头混合气仓203,燃烧头混合气仓203为圆变长方型结构,在层流阻火燃烧头2入口布置混合均匀提升装置202可将混合气均匀布置到燃烧头混合气仓203。
优选地,层流阻火燃烧头2包括增速整流布风板204,增速整流布风板204下方为层流阻火喷射装置205;增速整流布风板204通过对设计燃烧器输出负荷调节比确定,计算出其结构确保混合气通过其流速控制在1.5-7.5m/s,以确保混合气流速大于甲烷气体燃烧传播速度3倍以上。
如图4所示,火焰冷却装置3包括水冷限位仓板301、水冷管限位固定板302、火焰冷却管303、层流燃烧头固定法兰304、冷却水冷壁隔条305以及水冷壁辐射管306。
火焰冷却装置3包括水冷限位仓板301和火焰冷却管303,层流阻火喷射装置205位于水冷限位仓板301中,火焰冷却管303固定在水冷限位仓板301底部;火焰冷却管303中冷却水与锅炉介质水连通,经层流阻火喷射装置205喷射混合气体再经过火焰冷却管303后被引燃并对火焰核心区进行降温,从而抑制热力型氮氧化物的产生。
优选地,火焰冷却装置3还包括水冷壁辐射管306,水冷壁辐射管306位于火焰冷却管303下方,水冷壁辐射管306对火焰外径进行限制确保燃烧充分降低CO排放,保证燃烧充分性。
如图5,引火及火焰感知装置4包括离子探针固定装置401、离子探针绝缘异型陶瓷管402、高压点火棒连接固定装置403、点火枪绝缘异型陶瓷管404、锁紧密封螺母405、连接对丝406、引火气仓连接三通407、引火枪与离子探针子枪燃气连接管408、引火枪燃气进口锁紧密封部件409、引火枪枪头410、离子探针子枪枪头411以及离子探针探头412。
引火及火焰感知装置4中离子探针绝缘异型陶瓷管402与引火枪枪头410内部形成气体通道,燃气经引火枪燃气进口锁紧密封部件409进入其中被点火变压器释放高压电在引火枪枪头410间释放电火花引燃后作为母枪引燃离子探针子枪,子枪火焰覆盖离子探针探头412将火焰信号传出可确保引火成功。
本发明的工作原理如下:
助燃风经鼓风机增压后经助燃风接口101进入渐缩管102、喉管103和渐扩管106,因流通通道截面积突变在喉管入口处产生负压,燃气经燃气进口法兰104进入燃气仓105通过混合器燃气环形阵列喷嘴114被吸入喉管103与助燃空气混合,混合后的混合器经渐扩管106与自适应装置流速调节端面108形成可变通道经扰流片109扰流进一步混合,其中自适应扰流装置调节弹簧110是依据自适应装置流速调节端面108和扰流片109在不同流量下产生阻力与自适应扰流装置调节弹簧110弹力之间的线性关系设计的弹性系数实现动态状态下的平衡,确保混合均匀性和混合比的稳定性。
混合气经混合器与炉体连接法兰112接口进入层流阻火燃烧头2经混合均匀提升装置202后被均匀的分配至燃烧头混合气仓203经增速整流布风板204提升速度至1.5-7.5m/s确保混合气流速是甲烷燃烧火焰传播速度3倍以上以确保安全。
混合气通过层流阻火喷射装置,其由几十万个当量直径在1.14mm以下流通通道构成的层流气体喷射装置,通道长度方向在15-48mm内,长方型结构,可实现分散燃烧低氮燃烧,并杜绝回火。此流通通道包含波浪型、圆形、方形通道均包含在本发明保护范围内。混合气进入火焰冷却装置3经火焰冷却管303后被引火及火焰感知装置4引燃,引燃后的混合气体在火焰冷却管303前建立稳定火焰,火焰经火焰冷却管303冷却后大大降低空气中的氮气分子被氧化的速率,从而使气体燃烧后烟气中氧含量在3.5-8%之间排放氮氧化物折算值均小于30mg/Nm³且燃烧充分。
上面结合附图对本发明进行了示例性的描述,显然本发明的实现并不受上述方式的限制,只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进,或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的,均在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种后预混墙式层流水冷超低氮燃烧装置,其特征在于:包括自适应射流混合器(1)、层流阻火燃烧头(2)、火焰冷却装置(3)、引火及火焰感知装置(4);自适应射流混合器(1)下端与层流阻火燃烧头(2)上端固定连接,层流阻火燃烧头(2)下端与火焰冷却装置(3)连接;引火及火焰感知装置(4)位于火焰冷却装置(3)下方。
2.根据权利要求1所述的后预混墙式层流水冷超低氮燃烧装置,其特征在于:所述自适应射流混合器(1)其由渐缩管(102)、等径的喉管(103)、渐扩管(106)构成一个局部速度突变通道,助燃风通过渐缩管(102)后流通截面积减小速度增大在喉管(103)处达到最大经渐扩管(106)后流通截面积增加流速减小,在此速度突变情况下在喉管(103)入口处形成负压区燃气经喉管(103)上混合器燃气环形阵列喷嘴(114)被负压吸入与助燃风混合,可实现低燃气压力被动混合。
3.根据权利要求2所述的后预混墙式层流水冷超低氮燃烧装置,其特征在于:所述自适应射流混合器(1)还包括自适应扰流装置导轨入口固定架(115)和自适应扰流装置导轨出口固定架(111),两者将自适应扰流装置导轨(107)固定,自适应装置流速调节端面(108)安装在自适应扰流装置导轨(107)上并且能够沿着自适应扰流装置导轨(107)移动,自适应装置流速调节端面(108)周边设有扰流片(109),自适应扰流装置调节弹簧(110)夹持在自适应装置流速调节端面(108)与自适应扰流装置导轨出口固定架(111)之间的自适应扰流装置导轨(107)上;依据混合气通过渐扩管(106)产生流速对自适应装置流速调节端面(108)和扰流片(109)产生的推力与自适应扰流装置调节弹簧(110)产生弹力形成平衡以确保混合气体混合比的稳定。
4.根据权利要求2所述的后预混墙式层流水冷超低氮燃烧装置,其特征在于:
所述层流阻火燃烧头(2)包括混合均匀提升装置(202),混合均匀提升装置(202)通过其设置的旋流叶片及叶片上开孔形成局部射流与旋流对经自适应射流混合器(1)产生混合气体进行进一步混合以提高混合均匀性。
5.根据权利要求2所述的后预混墙式层流水冷超低氮燃烧装置,其特征在于:
所述层流阻火燃烧头(2)还包括燃烧头混合气仓(203),燃烧头混合气仓(203)为圆变长方型结构,在所述层流阻火燃烧头(2)入口布置混合均匀提升装置(202)可将混合气均匀布置到燃烧头混合气仓(203)。
6.根据权利要求2所述的后预混墙式层流水冷超低氮燃烧装置,其特征在于:
所述层流阻火燃烧头(2)包括增速整流布风板(204),增速整流布风板(204)下方为层流阻火喷射装置(205);
增速整流布风板(204)通过对设计燃烧器输出负荷调节比确定,计算出其结构确保混合气通过其流速控制在1.5-7.5m/s,以确保混合气流速大于甲烷气体燃烧传播速度3倍以上。
7.根据权利要求2所述的后预混墙式层流水冷超低氮燃烧装置,其特征在于:
所述火焰冷却装置(3)包括水冷限位仓板(301)和火焰冷却管(303),层流阻火喷射装置(205)位于水冷限位仓板(301)中,火焰冷却管(303)固定在水冷限位仓板(301)底部;火焰冷却管(303)中冷却水与锅炉介质水连通,经层流阻火喷射装置(205)喷射混合气体再经过火焰冷却管(303)后被引燃并对火焰核心区进行降温,从而抑制热力型氮氧化物的产生。
8.根据权利要求7所述的后预混墙式层流水冷超低氮燃烧装置,其特征在于:所述火焰冷却装置(3)还包括水冷壁辐射管(306),水冷壁辐射管(306)位于火焰冷却管(303)下方,水冷壁辐射管(306)对火焰外径进行限制确保燃烧充分降低CO排放,保证燃烧充分性。
9.根据权利要求8所述的后预混墙式层流水冷超低氮燃烧装置,其特征在于:所述引火及火焰感知装置(4)中离子探针绝缘异型陶瓷管(402)与引火枪枪头(410)内部形成气体通道,燃气经引火枪燃气进口锁紧密封部件(409)进入其中被点火变压器释放高压电在引火枪枪头(410)间释放电火花引燃后作为母枪引燃离子探针子枪,子枪火焰覆盖离子探针探头(412)将火焰信号传出可确保引火成功。
10.一种后预混墙式层流水冷超低氮燃烧装置的控制方法,包括以下步骤
步骤1、助燃风经鼓风机增压后经助燃风接口(101)进入渐缩管(102)、喉管(103)和渐扩管(106),因流通通道截面积突变在喉管入口处产生负压,燃气经燃气进口法兰(104)进入燃气仓(105)通过混合器燃气环形阵列喷嘴(114)被吸入喉管(103)与助燃空气混合,混合后的混合器经渐扩管(106)与自适应装置流速调节端面1(108)形成可变通道经扰流片(109)扰流进一步混合,其中自适应扰流装置调节弹簧(110)是依据自适应装置流速调节端面(108)和扰流片(109)在不同流量下产生阻力与自适应扰流装置调节弹簧(110)弹力之间的线性关系设计的弹性系数实现动态状态下的平衡,确保混合均匀性和混合比的稳定性;
步骤2、混合气经混合器与炉体连接法兰(112)接口进入层流阻火燃烧头(2)经混合均匀提升装置(202)后被均匀的分配至燃烧头混合气仓(203)经增速整流布风板(204)提升速度至1.5-7.5m/s确保混合气流速是甲烷燃烧火焰传播速度3倍以上以确保安全;
步骤3、混合气通过层流阻火喷射装置(205)实现分散燃烧低氮燃烧,并杜绝回火;
步骤4、混合气进入火焰冷却装置(3),经火焰冷却管(303)后被引火及火焰感知装置(4)引燃,引燃后的混合气体在火焰冷却管(303)前建立稳定火焰,火焰经火焰冷却管(303)冷却后大大降低空气中的氮气分子被氧化的速率,从而使气体燃烧后烟气中氧含量在3.5-8%之间排放氮氧化物折算值均小于30mg/Nm³且燃烧充分。
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