CN115264493A - 一种紧凑式直流无焰低氮燃烧装置及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于低氮燃烧技术领域，公开了一种紧凑式直流无焰低氮燃烧装置及其控制方法，包括由外向内依次套设的一次风管道、燃料管道、二次风管道和点火器，一次风管道设置在燃烧炉左端中间，用于向燃烧炉输入一次风；一次风管道里端安装有旋流器，旋流器用于使一次风产生切向速度，进而在炉膛内形成旋流稳定火焰，一次风管道的一次风进口通过一次风电动阀门与鼓风机连通，所述二次风管道的二次风进口通过二次风电动阀门与鼓风机连通，燃烧炉的炉膛上游和下游的壁面分别安装有炉膛上游壁温热电偶和炉膛下游壁温热电偶。本发明结构紧凑，原理简单，适用于新建设备或者旧设备改造。

Description

一种紧凑式直流无焰低氮燃烧装置及其控制方法
技术领域
本发明属于低氮燃烧技术领域，尤其涉及一种紧凑式直流无焰低氮燃烧装置及其控制方法。
背景技术
目前，当前我国能源供给仍然主要来自于化石燃料的燃烧，而化石燃料燃烧不可避免的会产生污染物，对大气环境造成影响和破坏。2015年12月，国内火电厂全面实施超低排放改造，其中特别规定NOx排放不得超过50mg/m3。此外，北京市2015年提出了我国历史上最严格的火电厂排放标准(DB11/139-2015)，要求自2017年起新建锅炉的NOx排放限值为30mg/m3，已达到燃气轮机的排放水平。目前，随着火电行业超低排放改造工程的顺利实施，冶金、石化等重点非电力行业也开始推行超低排放改造，且排放标准也在日益严格，因此有必要对这些重点能耗行业进一步开展高效低氮燃烧技术的研发工作。
燃烧炉的低氮技术主要有两条途径，即燃烧后烟气脱氮和燃烧过程脱氮。对于前者，通常采用选择性非催化还原(SNCR)和选择性催化还原(SCR)原理，使NH3和烟气中的NO发生中和反应，进而脱除烟气中的NO。虽然燃烧后烟气脱氮技术工艺目前掌握较为成熟，但存在设备投资维护成本高的问题，对于中小型燃烧炉来说经济性较差，因此主要应用在燃煤发电机组等大型设备上。燃烧过程脱氮采用低氮燃烧技术，通过炉内温度场和流场的合理组织实现低NO的生成与排放，是一种从源头实现NO排放控制的有效技术。显然，采用低氮燃烧技术对于冶金、石化加热窑炉燃烧尾气NO治理来说更为经济有效。
低氮燃烧技术的实现关键是设计一种低氮燃烧装置，不仅要能够实现较低的NO排放，同时还要能够保证较高的燃尽率。此外，由于冶金、石化加热窑炉炉体结构固定，在进行低氮燃烧技术改造时，生产单位往往不希望破坏炉体结构，因此低氮燃烧器的实际改造通常需要限制在原始燃烧器的烧嘴砖范围以内，这对低氮燃烧器的结构紧凑设计提出了新的要求。
无焰燃烧是近年来备受关注的一种新型低氮燃烧技术，通过将反应物和大量的燃烧烟气混合，使燃料在高温和低氧的热氛围下发生氧化放热，降低燃烧温度峰值，进而抑制热力型NO的生成与排放。由于此时燃料的氧化速率变缓，肉眼无法观测到明显的火焰锋面，因此被命名为无焰燃烧。现有研究表明，无焰燃烧装置布置灵活、燃料适应性广，是降低冶金、石化加热窑炉NO排放的一种有效措施。然而，传统的无焰燃烧烧嘴通常采用传统扩散燃烧的空气和燃料布置形式，即燃料喷嘴位于中心，而空气喷嘴位于外侧。传统扩散燃烧具有燃烧稳定性高的优点，但极易在火焰锋面上产生高温和高NO生成，因此基于传统扩散燃烧的无焰燃烧烧嘴设计必须采用极高的喷嘴速度来消除火焰锋面。反扩散火焰是相对于传统扩散火焰的另外一种新型燃烧技术，结构上采用助燃空气中心布置、燃料外侧布置的特点，结合了预混燃烧效率高和非预混燃烧稳定性好的优点。
将无焰燃烧和反扩散火焰技术相结合，能够进一步降低NO，同时提高燃烧器的稳燃范围和燃尽效率。在无焰燃烧方式下，炉膛下游的高温烟气回流至燃烧器区域，采用传统扩散火焰和反扩散火焰将产生不同的NO还原效果。在传统扩散火焰下，炉膛下游烟气回流至上游，NO首先接触燃烧器外侧的空气而被氧化成NO2，NO2随后在反应区中由于氧气的消耗而转化成为NO；而在反扩散火焰下，回流烟气中的NO首先接触燃烧器外侧的燃料，在燃料高浓度CHi基团的包裹下NO发生再燃过程，而被还原成N2，因此相对于传统扩散火焰具有更低的NO排放优势。
在无焰燃烧器的设计方面，中国专利CN 104235849 B提供了一种耦合分级燃烧和无焰燃烧的分级无焰燃烧器烧嘴，主体上包含中心燃料通道、外侧旋流二次风通道以及外侧直流二次风通道。其中，燃料通道和旋流二次风通道连接预燃室，而直流二次风通道布置在预燃室之外。安装直流二次风通道需要将炉墙破坏才能进行，此外，直流二次风通道埋入炉墙后将导致后期维护较为困难。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
现有的无焰燃烧器在安装直流二次风通道需要将炉墙破坏才能进行，直流二次风通道埋入炉墙后将导致后期维护较为困难。
解决以上问题及缺陷的难度为：
现有的无焰燃烧器通常通过扩大空气和燃料喷嘴间距来延迟混合，使燃料和氧化剂能够被回流的热烟气充分稀释，进而达到抑制NO生成的效果，因此从尺寸上来看现有的无焰燃烧器往往比常规有焰燃烧器更大，且结构不够紧凑，导致需破坏原有燃烧器烧嘴砖才能进行安装。若强行在原燃烧器空间内安装现有焰燃烧器，那么空气射流速度必须显著提升，将带来电耗成本的增加，并对设备的安全性带来影响。
解决以上问题及缺陷的意义为：
为解决现有无焰燃烧器存在的上述问题及缺陷，可以在抑制热力型NO形成的基础上，强化NO的再燃，即通过促进CHi自由基团的形成以增强其对NO 的还原作用。具体的做法可以通过改变燃料和空气的进气方式来实现，即空气在中心，且被外侧燃料包裹。中心的高速空气射流卷吸大量烟气，烟气中的NO 首先与燃料混合，并被燃料中的CHi基团还原，能够在现有无焰燃烧器的基础上进一步降低NO生成。通过这种进气布置方式，可以避免现有无焰燃烧器尺寸较大的问题，以及空气射流速度过大带来的电耗缺陷。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种紧凑式直流无焰低氮燃烧装置及其控制方法。
本发明是这样实现的，一种紧凑式直流无焰低氮燃烧装置包括：
一次风管道，设置在燃烧炉左端中间，用于向燃烧炉输入一次风；
旋流器，安装在一次风管道里端，用于使一次风产生切向速度，进而在炉膛内形成旋流稳定火焰；
燃料管道，套设在一次风管道里侧，用于向燃烧炉输入燃料；
二次风管道，套设在燃料管道里侧，用于向燃烧炉输入二次风；
点火器，套设在二次风管道里侧，用于在炉膛启动或者熄火时起到点火的作用。
进一步，所述紧凑式直流无焰低氮燃烧装置还包括有：
风量调节模块，用于对一次风管道和二次风管道的风量进行调节；
壁温检测模块，用于对燃烧炉的壁温进行检测；
采集控制模块，与风量调节模块和壁温检测模块连接，用于通过采集控制器对温度数据进行采集，并对风量调节模块输出控制指令。
进一步，所述风量调节模块包括一次风电动阀门和二次风电动阀门，所述一次风电动阀门和二次风电动阀门分别通过连接线路与采集控制器连接，所述一次风管道的一次风进口通过一次风电动阀门与鼓风机连通，所述二次风管道的二次风进口通过二次风电动阀门与鼓风机连通。
进一步，所述壁温检测模块包括用于监测炉膛上游的壁面温度的炉膛上游壁温热电偶和用于监测炉膛下游的壁面温度的炉膛下游壁温热电偶，所述炉膛上游壁温热电偶和炉膛下游壁温热电偶分别通过连接线路与采集控制器连接。
进一步，所述燃料管道的燃料进口通过连接路与外部的供料管道连通。
进一步，所述点火器采用高压脉冲点火方式。
进一步，所述旋流器在炉膛内形成的旋流稳定火焰的旋流角度为45度～60 度。
进一步，所述燃料管道的燃料出口速度为3-5m/s，所述一次风管道的一次风出口轴向速度为15-20m/s，所述二次风管道的二次风出口速度为30-50m/s。
本发明的另一目的在于提供一种紧凑式直流无焰低氮燃烧装置的控制方法，所述紧凑式直流无焰低氮燃烧装置的控制方法包括：
步骤一，采集控制器输出如下指令：一次风电动阀门开，二次风电动阀门关；
步骤二，点火器通电产生高压脉冲等离子电弧；之后燃料阀门开启通入燃料；
步骤三，燃料和一次风混合后在点火器的作用下着火燃烧，形成旋流火焰；
步骤四，壁温检测模块在检测到燃烧炉温度达到目标温度时，采集控制器输出如下指令：一次风电动阀门关，二次风电动阀门开；
步骤五，助燃空气全部从二次风通道中进入炉膛，在燃烧器出口卷吸大量的燃烧烟气，形成无焰燃烧状态；
步骤六，在无焰燃烧燃烧状态下，回流烟气最先与燃料接触，而后再与中心的二次风接触，回流烟气中的NO被燃料预热后产生的大量碳氢自由基还原，降低NO的生成与排放。
进一步，所述步骤四中的壁温检测模块在检测到燃烧炉温度达到目标温度具体为，炉膛上游壁温热电偶和炉膛下游壁温热电偶的测量温度的平均值达到 800℃，同时任一点的测量温度不低于600℃。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：
与现有燃烧技术相比，本专利能够在不增加空气射流速度(对应风机能耗) 的前提下进一步降低NOx，同时燃烧器改造的空间范围不超过常规燃烧器，能够在不破坏炉墙的前提下实现低氮燃烧。
常规有焰燃烧器 现有无焰燃烧器 本专利
NOx(ppm) >80 <30 <20
尺寸(m) 0.5 1 0.5
空气速度(m/s) 10～30 >50 <50
本发明结构紧凑，原理简单，适用于新建设备或者旧设备改造。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的紧凑式直流无焰低氮燃烧装置的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一次风管道和二次风管道的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的基于本发明所设计的燃烧器实施效果图；
图4是本发明实施例提供的燃烧器在常规旋流燃烧和反扩散无焰燃烧方式下的流场结构数值模拟结构图；
图5是本发明实施例提供的常规旋流燃烧和反扩散无焰燃烧方式下炉内的 NO浓度分布图；
图中：1、供料管道；2、鼓风机；3、一次风电动阀门；4、二次风电动阀门；5、燃料进口；6、一次风进口；7、二次风进口；8、点火器；9、旋流器； 10、燃烧炉；11、炉膛上游壁温热电偶；12、炉膛下游壁温热电偶；13、采集控制器；14、一次风管道；15、燃料管道；16、二次风管道。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种紧凑式直流无焰低氮燃烧装置及其控制方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1和图2所示，本发明实施例提供的紧凑式直流无焰低氮燃烧装置包括由外向内依次套设的一次风管道14、燃料管道15、二次风管道16和点火器8。一次风管道14设置在燃烧炉10左端中间，用于向燃烧炉输入一次风；一次风管道里端安装有旋流器9，旋流器9用于使一次风产生切向速度，进而在炉膛内形成旋流稳定火焰，旋流稳定火焰的旋流角度为45度～60度。燃料管道15的燃料进口通过连接路与外部的供料管道1连通。点火器8采用高压脉冲点火方式。
一次风管道14的一次风进口6通过一次风电动阀门3与鼓风机2连通，所述二次风管道16的二次风进口7通过二次风电动阀门4与鼓风机2连通，一次风电动阀门3和二次风电动阀门4分别通过连接线路与采集控制器13连接。
燃烧炉10的炉膛上游和下游的壁面分别安装有炉膛上游壁温热电偶11和炉膛下游壁温热电偶12，炉膛上游壁温热电偶11和炉膛下游壁温热电偶12分别通过连接线路与采集控制器13连接。
本发明实施例中的燃料管道的燃料出口速度为3-5m/s，一次风管道的一次风出口轴向速度为15-20m/s，二次风管道的二次风出口速度为30-50m/s。
本发明实施例提供的紧凑式直流无焰低氮燃烧装置的控制方法包括：
第一阶段为启动阶段，此时炉膛上游壁温热电偶11和炉膛下游壁温热电偶 12的测量温度都接近常温。采集控制器13输出如下指令：一次风电动阀门3开，二次风电动阀门4关；随后点火器8通电产生高压脉冲等离子电弧；之后燃料阀门开启通入燃料。燃料和一次风混合后在点火器的作用下着火燃烧，形成旋流火焰。第一阶段的目的在于利用稳定的旋流火焰对炉膛内壁进行充分加热，保证无焰燃烧切换的顺利实施。
当炉膛上游壁温热电偶11和炉膛下游壁温热电偶12的测量温度的平均值达到800℃，同时任一点的测量温度不低于600℃时，燃烧过程进入第二阶段，即切换阶段。此时，采集控制器13输出如下指令：一次风电动阀门3关，二次风电动阀门4开。助燃空气全部从二次风管道16中进入燃烧炉10炉膛，由于通道面积的减小，助燃空气的速度显著提高，进而在燃烧器出口卷吸大量的燃烧烟气，形成无焰燃烧状态。在无焰燃烧燃烧状态下，回流烟气最先与燃料接触，而后再与中心的二次风接触，因此回流烟气中的NO可以被燃料预热后产生的大量碳氢自由基还原，进而进一步降低NO的生成与排放。
下面结合具体实验对本发明地积极效果作进一步描述。
如图3是基于本发明所设计的燃烧器实施效果，包括温度场分布以及实际火焰图像。其中，图3左图是常规旋流燃烧，图3右图是反扩散无焰燃烧。由图3可知，反扩散无焰燃烧能够显著扩大反应区体积，削弱高温区集中程度，进而获得更低的温度峰值，减少热力型NOx的形成；同时所拍摄的火焰图像表明，所设计的燃烧器具有兼容常规燃烧和无焰燃烧的功能，能够在原始常规燃烧器的区域内实施无焰燃烧方式，保证炉墙不被破坏，证明技术方案在实际实施过程中没有问题。
如图4所示，给出了本发明中燃烧器在常规旋流燃烧和反扩散无焰燃烧方式下的流场结构数值模拟结构。显然，在常规旋流燃烧方式下外侧回流的烟气优先和空气混合，失去了实现NO再燃的作用。而在反扩散无焰燃烧方式下，外侧回流的烟气优先和燃料射流混合，因此烟气中夹带的NO可以被燃料还原。
为进一步解释所述技术原理，如图5所示给出了常规旋流燃烧和反扩散无焰燃烧方式下炉内的NO浓度分布。由图5可知，在不破坏墙体的前提下，本专利所提出的反扩散无焰燃烧方式下的NO浓度显著低于常规旋流燃烧。此外，如图5中虚线方框所示，常规旋流燃烧下燃烧器外侧的NO被空气中的大量O2 进一步氧化成NO2；而在反扩散无焰燃烧下燃烧器外侧的NO被燃料热解释放的CHi自由基还原成N2。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种紧凑式直流无焰低氮燃烧装置，其特征在于，所述紧凑式直流无焰低氮燃烧装置包括：
一次风管道，设置在燃烧炉左端中间，用于向燃烧炉输入一次风；
旋流器，安装在一次风管道里端，用于使一次风产生切向速度，进而在炉膛内形成旋流稳定火焰；
燃料管道，套设在一次风管道里侧，用于向燃烧炉输入燃料；
二次风管道，套设在燃料管道里侧，用于向燃烧炉输入二次风；
点火器，套设在二次风管道里侧，用于在炉膛启动或者熄火时起到点火的作用。
2.如权利要求1所述的紧凑式直流无焰低氮燃烧装置，其特征在于，所述紧凑式直流无焰低氮燃烧装置还包括有：
风量调节模块，用于对一次风管道和二次风管道的风量进行调节；
壁温检测模块，用于对燃烧炉的壁温进行检测；
采集控制模块，与风量调节模块和壁温检测模块连接，用于通过采集控制器对温度数据进行采集，并对风量调节模块输出控制指令。
3.如权利要求1所述的紧凑式直流无焰低氮燃烧装置，其特征在于，所述风量调节模块包括一次风电动阀门和二次风电动阀门，所述一次风电动阀门和二次风电动阀门分别通过连接线路与采集控制器连接，所述一次风管道的一次风进口通过一次风电动阀门与鼓风机连通，所述二次风管道的二次风进口通过二次风电动阀门与鼓风机连通。
4.如权利要求1所述的紧凑式直流无焰低氮燃烧装置，其特征在于，所述壁温检测模块包括用于监测炉膛上游的壁面温度的炉膛上游壁温热电偶和用于监测炉膛下游的壁面温度的炉膛下游壁温热电偶，所述炉膛上游壁温热电偶和炉膛下游壁温热电偶分别通过连接线路与采集控制器连接。
5.如权利要求1所述的紧凑式直流无焰低氮燃烧装置，其特征在于，所述燃料管道的燃料进口通过连接路与外部的供料管道连通。
6.如权利要求1所述的紧凑式直流无焰低氮燃烧装置，其特征在于，所述点火器采用高压脉冲点火方式。
7.如权利要求1所述的紧凑式直流无焰低氮燃烧装置，其特征在于，所述旋流器在炉膛内形成的旋流稳定火焰的旋流角度为45度～60度。
8.如权利要求1所述的紧凑式直流无焰低氮燃烧装置，其特征在于，所述燃料管道的燃料出口速度为3-5m/s，所述一次风管道的一次风出口轴向速度为15-20m/s，所述二次风管道的二次风出口速度为30-50m/s。
9.一种用于实施如权利要求1～8任意一项所述的紧凑式直流无焰低氮燃烧装置的控制方法，其特征在于，所述紧凑式直流无焰低氮燃烧装置的控制方法包括：
步骤一，采集控制器输出如下指令：一次风电动阀门开，二次风电动阀门关；
步骤二，点火器通电产生高压脉冲等离子电弧；之后燃料阀门开启通入燃料；
步骤三，燃料和一次风混合后在点火器的作用下着火燃烧，形成旋流火焰；
步骤四，壁温检测模块在检测到燃烧炉温度达到目标温度时，采集控制器输出如下指令：一次风电动阀门关，二次风电动阀门开；
步骤五，助燃空气全部从二次风通道中进入炉膛，在燃烧器出口卷吸大量的燃烧烟气，形成无焰燃烧状态；
步骤六，在无焰燃烧燃烧状态下，回流烟气最先与燃料接触，而后再与中心的二次风接触，回流烟气中的NO被燃料预热后产生的大量碳氢自由基还原，降低NO的生成与排放。
10.如权利要求9所述的紧凑式直流无焰低氮燃烧装置的控制方法，其特征在于，所述步骤四中的壁温检测模块在检测到燃烧炉温度达到目标温度具体为，炉膛上游壁温热电偶和炉膛下游壁温热电偶的测量温度的平均值达到800℃，同时任一点的测量温度不低于600℃。
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