CN115949943A - 燃气燃烧器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及低NOx燃气燃烧器，公开了一种燃气燃烧器，包括直通炉膛的水平段风道，风道包含内二次风道与外二次风道；一级燃气管、二级燃气管均伸入风道中；一级燃气管、二级燃气管和内二次风道的水平段均按燃烧器轴线同心设置，一级燃气管的前端采用套管，套管内侧的中心风道设有旋流装置；一级燃气管的燃气喷孔包括均匀分布且交错布置的直喷孔和斜喷孔；点火器设置在一级燃气管与二级燃气管之间；二级燃气管由多根呈中心对称布置的喷管组成，分别是环形相间均匀布置的二级燃气直头管和二级燃气弯头管，其中二级燃气弯头管的弯头部分插入外二次风道的扩口位置。其整体燃烧过程稳定、可控，热效率高，氮氧化物排放可实现＜50mg/m³。

Description

燃气燃烧器

技术领域

本发明涉及一种燃气燃烧器，尤其是一种降低NOx排放的燃气燃烧器。

背景技术

氮氧化物（NOx）是造成大气污染的主要污染物之一，会带来酸雨、光化学烟雾等环境问题，严重危害人类健康。因此，我国出台了严格的氮氧化物排放标准，燃烧后氮氧化物排放浓度当前普遍被限制在50mg/m³左右。由此，对超低NOx排放燃气燃烧器的需求正呈现不断增长的趋势。

主流低NOx燃烧技术的主要技术思路是通过减少燃烧过程中热力型NOx和快速型NOx的生成来减小氮氧化物排放。实际设计过程中往往需要考虑综合运用多种低NOx燃烧技术。

目前国产超低NOx排放燃烧器设计上还仍然存在如火焰难以控制、燃烧过程易不稳定、氮氧化物排放超标等问题，原因在于较少综合利用多种低NOx燃烧技术手段，因此，氮氧化物排放难以控制，无法保证全运行工况下的超低NOx排放。同时，各种低NOx燃烧技术自身的缺陷也导致了目前现有国产燃烧器存在的弊端，例如，单一采用烟气再循环技术的国产燃烧器极易出现燃烧不稳定的现象，这是由于烟气再循环技术对燃烧稳定性产生的不利影响，当烟气再循环率达到一定值时，整个燃烧器会出现熄火现象，同时降低炉膛燃烧温度也可能导致整体热效率下降。因此，唯有综合利用多种低NOx燃烧技术，才有可能克服单一应用某种技术所带来的弊端。这种综合化、一体化的设计和研发具有相当的难度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种通过燃料分级、助燃气流分配和烟气内循环来实现超低NOx排放的燃气燃烧器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：燃气燃烧器，包括一级燃气管、二级燃气管、点火器以及风道；其风道包含内二次风道与外二次风道；一级燃气管、二级燃气管均伸入风道中；一级燃气管、二级燃气管和内二次风道的水平段均按燃烧器轴线同心设置，一级燃气管的前端采用套管，套管内侧为中心风道，中心风道接近燃烧器喷口的位置设置有旋流装置；一级燃气管的燃气喷孔分布在套管的端面上，包括均匀分布且交错布置的一级燃气直喷孔和一级燃气斜喷孔；点火器设置在一级燃气管与二级燃气管之间；二级燃气管由多根呈中心对称布置的喷管组成，分别是环形相间均匀布置的二级燃气直头管和二级燃气弯头管，其中二级燃气弯头管的弯头部分与燃烧器轴线有30°～40°的夹角α。

本发明通过采用一级燃气管、二级燃气管以及一级燃气直喷孔、一级燃气斜喷孔、二级燃气弯头管、二级燃气直头管的设计，不仅在周向设置了不同的燃料喷入位置，而且使得燃料喷入方向与燃烧器轴线呈一定角度，避免了燃料的集中喷入，燃料进入燃烧器后得以均匀喷入炉膛，实现了燃料分级。燃料分级技术使得部分燃料在过量空气系数大于1即富氧条件下燃烧，以避免当量比条件下燃烧导致的大量氮氧化物生成；部分燃料在富燃条件下燃烧，大量还原性碳氢物质得以生成并产生还原性气氛，将炉膛内燃烧过程中生成的氮氧化物还原，以达到减少氮氧化物排放的目的。

燃烧器还包括位于外二次风道的前端并与一级燃气管的套管同轴布置的FGR烟罩，FGR烟罩沿燃烧器轴线呈现先缩后扩结构，缩口段位于外二次风道出口处，扩口段作为所述外二次风道的扩口使用，二级燃气弯头管的弯头部分插入FGR烟罩前端与内二次风道出口之间的外二次风道中。该结构的FGR烟罩能根据外二次风风量大小而自动调节其引射的烟气量，实现了炉内烟气的内部再循环，产生回流区并通过卷吸作用使燃烧产生的高温烟气回流进入燃烧器的外二风道出口处与外二次风混合，降低风中氧浓度，再次参与燃烧过程，进一步降低炉膛内部火焰燃烧温度，减少燃烧过程热力型NOx生成，以降低氮氧化物排放，且降低了高温区燃烧温度，抑制了热力型NOx生成，达到了进一步降低氮氧化物排放的目的。

本发明通过采用的内二次风道、外二次风道与中心风道设置的倾斜旋流叶片，不仅在周向设置了不同的空气喷入位置，而且使得通过中心风道内叶片的空气形成旋流，增强燃气与氧化剂的混合，进一步使得整体燃烧过程更加充分、整体效率得到提升，同时避免了空气的集中喷入，空气进入风道后得以均匀喷入炉膛，进一步实现了空气分级。空气分级技术使得整体燃烧过程免于在当量比条件下进行，故其燃烧过程中作为主体的热力型NOx的生成得到抑制，以达到减少氮氧化物排放的目的。

本发明通过实现上述的燃料分级与空气分级，保证了燃料与空气的混合，实现了合理的燃烧分区，在形成独立火焰、使得燃烧过程稳定的同时，避免了高温区的产生，抑制了热力型NOx的生成。此外，良好的燃料空气混合也大大减少了快速型NOx的生成，进而实现了超低NOx排放的目的。

所述的旋流装置用倾斜旋流叶片结构，经模拟计算，旋流叶片相对于燃烧器轴线的倾斜角度为30°～40°，具有较好的增强燃气与氧化剂混合的效果。

所述旋流装置的支撑轴与一级燃气管一体成型，便于旋流装置安装及稳定旋流流向，并简化结构，一级燃气管则可通过支撑件安装在内二次风风道水平段的内壁上。

一级燃气直喷孔的喷孔轴线平行于燃烧器轴线，一级燃气斜喷孔的喷孔轴线与燃烧器轴线呈10°～20°夹角，两种形式的燃气喷孔交错布置，形成燃料分级。

在二级燃气直头管也同时设有直喷孔和斜喷孔，所有的喷孔均位于直管端面，直喷孔轴线垂直于直管端面并平行于燃烧器轴线，斜喷孔的轴线与燃烧器轴线成20°~30°的夹角，有利于二级燃气均匀喷射入炉膛。

二级燃气弯头管的弯头部分的端面与燃烧器轴线夹角为90°-α，其喷孔均位于弯头管的端面上，喷孔轴线垂直于弯头管的端面，以方便喷孔加工，并实现均匀喷射。

多根二级燃气管均与二级燃气配气环连通，所述燃烧器可调节分别进入一级燃气管与二级燃气配气环的燃气比例，能根据燃烧工况调节一级燃气和二级燃气的比例。

本发明的有益效果是：本发明中，燃气喷射角度经过精确计算，综合利用了燃料分级技术、空气分级技术、旋流燃烧技术、烟气再（内）循环技术等多种低NOx燃烧技术，通过整体设计规避了单项低NOx燃烧技术单独利用带来的自身弊端，保证了整体燃烧过程的稳定、可控以及高热效率，同时又实现了全运行工况下的超低NOx排放的设计目的，氮氧化物排放可实现＜50mg/m³。

附图说明

图1是本发明燃烧器一剖面通过燃烧器轴线的局部剖视图。

图2是本发明燃烧器的局部正视图（视向为指向燃烧器喷口方向）。

图3是本发明燃烧器的轴测结构示意图。

图中标记为：1-外二次风道；2-内二次风道；3-二级燃气管；4-一级燃气管；5-FGR烟罩；6-旋流叶片；7-二级燃气入口；8-二级燃气弯头管；9-点火器；10-二级燃气直头管；11-一级燃气斜喷孔；12-一级燃气直喷孔；13-二级燃气配气环，α-夹角。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1、图2、图3所示，本发明的燃气燃烧器包括一级燃气管4、二级燃气管3、FGR烟罩5、点火器9以及风道；风道包含内二次风道2与外二次风道1；一级燃气管4、二级燃气管3均伸入风道中；一级燃气管4、二级燃气管3、FGR烟罩5和内二次风道2的水平段均按燃烧器轴线同心设置，FGR烟罩5沿燃烧器轴线呈现先缩后扩结构，缩口段的终点位于外二次风道出口位置，一级燃气管4的前端采用套管，套管内侧为中心风道，中心风道接近燃烧器喷口的位置设置有旋流装置；一级燃气管4的燃气喷孔分布在套管的端面上，包括均匀分布且交错布置的一级燃气直喷孔12和一级燃气斜喷孔11；点火器9设置在一级燃气管4与二级燃气管3之间；二级燃气管3由多根呈中心对称布置的喷管组成，分别是环形相间均匀布置的二级燃气直头管10和二级燃气弯头管8，其中二级燃气弯头管8的弯头部分与燃烧器轴线有30°～40°的夹角α，二级燃气弯头管8的弯头部分插入FGR烟罩5前端与内二次风道2出口之间的外二次风道中。

本发明综合利用了燃料分级技术、空气分级技术、旋流燃烧技术、烟气再内循环技术等多种低NOx燃烧技术，能够在维持燃烧过程稳定的同时，实现超低NOx排放。

实施例：

本发明主要由二次风道、燃气管、FGR烟罩5、点火器9等组成；其中二次风道包括外二次风道1与内二次风道2，内二次风道2的中心风道处设有旋流装置，风道出口穿过炉体进入炉膛；燃气管包括二级燃气管3与一级燃气管4，两级燃气管均伸入风道中；八根二级燃气管3与二级燃气配气环13连接，燃气由二级燃气入口7通入，四根二级燃气弯头管8与四根二级燃气直头管10环形相间均匀布置；二级燃气弯头管8上开设四个直孔，二级燃气弯头管8的弯头部分与燃烧器轴线夹角α为30°～40°，弯头部分插入FGR烟罩5前端与内二次风道2出口之间的外二次风道1中；二级燃气直头管10上设有直喷孔和斜喷孔，所有的喷孔均位于直管端面，直喷孔的轴线垂直于直管端面，并平行于燃烧器轴线，斜喷孔的轴线与燃烧器轴线成20°～30°的夹角；一级燃气管4的喷枪采用整体设计，其前端为套管，套管内侧为中心风道，一级燃气管4的燃气喷孔呈环形分布在套管的端面上，包括均匀分布且交错布置的一级燃气直喷孔12和一级燃气斜喷孔11，一级燃气直喷孔12的轴线平行于燃烧器轴线，一级燃气斜喷孔11的轴线与燃烧器轴线成10°～20°的夹角，两种形式的燃气喷孔交错布置。

本发明能够实现燃气、空气精确分级和烟气内循环，其主要的工作过程及原理：

在使用时，参见图1至图2，燃气分为一级燃气与二级燃气流入燃烧器，一级燃气通入一级燃气管后分为两股，一股沿一级燃气直喷孔12轴向高速喷入炉膛，另一股沿一级燃气斜喷孔11以一定角度高速喷入炉膛；二级燃气由二级燃气入口7通入，流经二级燃气配气环13后分别流入二级燃气弯头管8与二级燃气直头管10，以直喷与斜喷两种喷射方式高速喷入炉膛内部。

在使用时，参见图1，空气分为内二次风与外二次风流入燃烧器，内二次风流经内二次风道2后分为两股，一股沿中心风道流经旋流叶片6产生旋流流入炉膛内部，另一股沿内二次风道直接流入炉膛内部；外二次风流经外二次风道1后从燃烧器边缘流入FGR烟罩5，产生局部负压区对周围烟气产生卷吸作用后共同流入炉膛内部，在完成空气分级的同时达到了烟气再循环的目的。

在使用时，空气与燃气流入炉膛后，在旋流及喷射角度设计下发生充分混合，经由点火器9点火后燃烧，既避免了燃烧初期混合不均匀引起快速型NOx大量生成，又实现了燃烧分区，在形成独立火焰、使得燃烧过程稳定的同时，避免了高温区的产生，抑制了热力型NOx的生成，进而达到了降低NOx氧化物排放的目的。

综上所述，本发明结合了空气分级技术、燃料分级技术、旋流燃烧技术、烟气再（内）循环技术等，能够在维持燃烧过程稳定的同时，实现超低NOx排放。

Claims (8)

1.燃气燃烧器，其特征是：包括一级燃气管（4）、二级燃气管（3）、点火器（9）以及风道；风道包含内二次风道（2）与外二次风道（1）；一级燃气管（4）、二级燃气管（3）均伸入风道中；一级燃气管（4）、二级燃气管（3）和内二次风道（2）的水平段均按燃烧器轴线同心设置，一级燃气管（4）的前端采用套管，套管内侧为中心风道，中心风道接近燃烧器喷口的位置设置有旋流装置；一级燃气管（4）的燃气喷孔分布在套管的端面上，包括均匀分布且交错布置的一级燃气直喷孔（12）和一级燃气斜喷孔（11）；点火器（9）设置在一级燃气管（4）与二级燃气管（3）之间；二级燃气管（3）由多根呈中心对称布置的喷管组成，分别是环形相间均匀布置的二级燃气直头管（10）和二级燃气弯头管（8），其中二级燃气弯头管（8）的弯头部分与燃烧器轴线有30°～40°的夹角α。

2.如权利要求1所述的燃气燃烧器，其特征是：燃烧器还包括位于外二次风道（1）的前端并与一级燃气管（4）的套管同轴布置的FGR烟罩（5），FGR烟罩（5）沿燃烧器轴线呈现先缩后扩结构，缩口段位于外二次风道（1）出口处，扩口段作为所述外二次风道的扩口使用，二级燃气弯头管（8）的弯头部分插入FGR烟罩（5）前端与内二次风道（2）出口之间的外二次风道中。

3.如权利要求1或2所述的燃气燃烧器，其特征是：所述的旋流装置用倾斜旋流叶片结构，其旋流叶片（6）相对于燃烧器轴线的倾斜角度为30°～40°。

4.如权利要求3所述的燃气燃烧器，其特征是：所述旋流装置的支撑轴与一级燃气管（4）一体成型。

5.如权利要求1或2所述的燃气燃烧器，其特征是：所述一级燃气直喷孔（12）的喷孔轴线平行于燃烧器轴线，一级燃气斜喷孔（11）的喷孔轴线与燃烧器轴线成10°～20°的夹角。

6.如权利要求1或2所述的燃气燃烧器，其特征是：所述的二级燃气直头管（10）上设有直喷孔和斜喷孔，所有的喷孔均位于直管端面，直喷孔的轴线平行于燃烧器轴线，斜喷孔的轴线与燃烧器轴线成20°～30°的夹角。

7.如权利要求1或2所述的燃气燃烧器，其特征是：所述的二级燃气弯头管（8）的弯头部分的端面与燃烧器轴线夹角为90°-α，其喷孔均位于弯头部分的端面上，喷孔轴线垂直于弯头部分的端面。

8.如权利要求1或2所述的燃气燃烧器，其特征是：所述多根二级燃气管（3）均与二级燃气配气环（13）连通，所述燃烧器可调节分别进入一级燃气管（4）与二级燃气配气环（13）的燃气比例。

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