CN115978534A - 一种超低氮燃烧器及其燃烧方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃烧器技术领域，公开了一种超低氮燃烧器及其燃烧方法，该超低氮燃烧器的燃烧头(100)与辅燃烧室(300)固定连接，所述燃烧头(100)包括外筒(112)、进风筒(114)和燃烧筒(115)；所述燃烧筒(115)内壁之间形成主燃烧室(200)；所述外筒(112)内同轴设置有内筒(113)；所述内筒(113)与外筒(112)之间形成供风通道(110)；所述外筒(112)上设置有主燃气系统(120)；所述外筒(112)上设置有辅燃气系统(140)。NOx的生成机理主要是热力型,即当火焰温度足够高，会破坏N2共价键得到游离的N离子，与氧原子结合形成NOx，本发明采用分段燃烧的方式，上游为贫燃预混燃烧，下游为惰性烟气参与燃烧，可极大降低燃烧温度，从而达到抑制NOx的生成。

Description

一种超低氮燃烧器及其燃烧方法

技术领域

本发明属于燃烧器技术领域，具体涉及一种超低氮燃烧器及其燃烧方法。

背景技术

工业锅炉燃烧器多采用传统的、强制送风、扩散式的燃烧方式，该类型燃烧器的主要目的是燃尽和安全，很少有对NOx排放做相应措施。现今，对于一些地区30mg/m 3以下NOx排放的环保要求，已经出现并被采用的主要技术路线包括分散燃烧、预混燃烧和烟气再循环：

(1)燃料分级燃烧或空气分级燃烧

两种方法最终将会使整个系统的过量空气系数保持一个定值。该技术系统较复杂，且也没有消除火焰的高温区域。

(2)贫燃预混燃烧技术

对于控制NOx的生成，这项技术的优点是可以通过当量比的完全控制实现对燃烧温度的控制，从而降低热力型NOx生成速率，在有些情况下，预混燃烧和部分预混可比非预混燃烧减少85％—90％的NOx生成。另外，完全预混还可以减少因过量空气系数不均匀性所导致的对NOx生成控制的降低。若贫燃预混再加金属丝网燃烧头，形成表面燃烧，则火焰更为分散，NOx排放进一步降低。

(3)外部烟气再循环和内部烟气再循环技术

燃烧温度的降低可以通过在火焰区域加入烟气来实现，加入的烟气吸热从而降低了燃烧温度。通过将烟气的燃烧产物加入到燃烧区域内，不仅降低了燃烧温度，减少了NOx生成；同时加入的烟气降低了氧气的分压，这将减弱氧气与氮气生成热力型NOx的过程，从而减少NOx的生成。根据应用原理的不同，烟气再循环有两种应用方式，分别为外部烟气再循环与内部烟气再循环。

一般情况下，火焰在点燃以后一般自己充当点火器，对来流进行点火。这就需要足够高的火焰温度来达到最小点火能量，但是高的火焰温度会使得NOx生成增加。

虽然上述技术一定程度上减少了NOx的产生，但随着国家对节能减排的重视程度越来越大，所以对燃烧器如何进一步降低NOx的产生提出了新的挑战。

申请人认为，对于燃气的燃烧来说，NOx的生成机理主要是热力型,即当火焰温度足够高，会破坏N2共价键得到游离的N离子，与氧原子结合形成NOx。只要降低火焰的燃烧温度，就可以减少NOx的产生。

由此，申请人提出了一种崭新的技术路线，采用分段燃烧的方式，上游为贫燃预混燃烧，下游为惰性烟气参与燃烧，可极大降低燃烧温度，从而达到抑制NOx的生成。

发明内容

本发明的目的是：旨在提供一种超低氮燃烧器及其燃烧方法，用来解决现有技术中如何进一步降低锅炉运行过程中产生的NOx，避免大气污染排放的问题。

为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：

一种超低氮燃烧器，应用于辅燃烧室，包括燃烧头：

所述燃烧头与辅燃烧室固定连接，所述燃烧头包括外筒、进风筒和燃烧筒；所述外筒的一端与进风筒固定连接，所述外筒的另一端与燃烧筒固定连接；所述燃烧筒内壁之间形成主燃烧室；所述外筒内同轴设置有内筒，所述内筒靠近进风筒的一端密封；所述内筒与外筒之间形成供风通道；

所述外筒靠近进风筒的位置设置有主燃气系统，所述主燃气系统包括主燃气集气包、多个主燃气支管和多个主燃气喷嘴，所述主燃气集气包与外筒外侧固定连接；所述多个所述主燃气喷嘴设置在供风通道内，且主燃气集气包与主燃气喷嘴之间通过主燃气支管进行连通；

所述外筒靠近燃烧筒的位置设置有辅燃气系统，所述辅燃气系统包括辅燃气集气包、多个辅燃气支管和多个辅燃气喷嘴，所述辅燃气集气包与外筒外侧固定连接；所述多个辅燃气喷嘴设置在燃烧筒和辅燃烧室之间，且辅燃气集气包与辅燃气喷嘴之间通过辅燃气支管进行连通。

进一步，所述供风通道内设置有旋流片，所述旋流片位于主燃气喷嘴和燃烧筒之间。

进一步，所述燃烧筒为收缩口，所述燃烧筒靠近外筒一端的孔径大于燃烧筒远离外筒一端的孔径。

进一步，所述进风筒为收缩口，所述进风筒靠近外筒一端的孔径小于进风筒远离外筒一端的孔径。

进一步，所述燃烧筒底部设置有密封套；所述密封套与辅燃烧室紧密贴合。

进一步，所述主燃气喷嘴和辅燃气喷嘴均为四根。

进一步，所述主燃气喷嘴和辅燃气喷嘴均与外筒和内筒平行设置，且主燃气喷嘴和辅燃气喷嘴的喷射方向与燃烧筒底部所在平面垂直。

本发明还提出了一种超低氮燃烧器的燃烧方法，具有以下步骤：

步骤A.供给助燃风：向供风通道内供给助燃风，全部助燃风进入供风通道；

步骤B.喷射燃气：通过主燃气系统的多个主燃气喷嘴向供风通道内喷射燃气；

步骤C.风、燃混合：助燃风与燃气在供风通道内混合，其过量空气系数α＞1.4；

步骤D.预混燃烧：在主燃烧室内完成预混燃烧由于助燃空气相对过量，为贫燃预混燃烧，燃烧温度低、燃程短，利于抑制NOX生成；

步骤E.补充燃烧：通过辅燃气系统的多个辅燃气喷嘴向辅燃烧室内喷射燃气，燃气在辅燃烧室内与从主燃烧室流出的烟气进行补充燃烧，燃烧温度低、燃程短，利于抑制NOX生成。

进一步，主燃气系统供给的气量占燃气总供给量＜70％，过量空气系数α＞1.5；

进一步，主燃气系统供给的气量占燃气总供给量＜60％，过量空气系数α＞1.8。

采用上述技术方案的发明，具有如下优点：

1、上游贫燃预混燃烧，下游惰性烟气参与燃烧，相比于采用扩散燃烧技术的燃烧器，降低燃烧温度，抑制NOx的生成。

2、相比于纯采用预混燃烧技术的燃烧器，总体的过量空气系数低，可极大提高换热效率。

3、供风通道是内筒和外筒之间的夹层，在其中进行风、气预混，由于狭缝的自熄效应，可以大大降低回火风险，且风、气配比趋近贫燃极限，进一步降低回火风险。

附图说明

本发明可以通过附图给出的非限定性实施例进一步说明；

图1为本发明一种超低氮燃烧器的剖视图；

图2为本发明一种超低氮燃烧器的流场示意图；

图3为本发明一种超低氮燃烧器的局部结构图；

图4为本发明一种超低氮燃烧器的立体图。

主要元件符号说明如下：

燃烧头100；供风通道110；旋流片111；外筒112；内筒113；进风筒114；燃烧筒115；密封套116；主燃气系统120；主燃气集气包121；主燃气支管122；主燃气喷嘴123；辅燃气系统140；辅燃气集气包141；辅燃气支管142；辅燃气喷嘴143；主燃烧室200；辅燃烧室300。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明，需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号，附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“顶”、“底”、“左”、“右”、“前”、“后”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。

如图1-4所示，一种超低氮燃烧器，应用于辅燃烧室300，包括燃烧头100，

所述燃烧头100与辅燃烧室300固定连接，所述燃烧头100包括外筒112、进风筒114和燃烧筒115；所述外筒112远离辅燃烧室300的一端与进风筒114固定连接，所述外筒112的另一端与燃烧筒115固定连接；所述燃烧筒115内壁之间形成主燃烧室200；所述外筒112内同轴设置有内筒113，所述内筒113靠近进风筒114的一端密封；所述内筒113与外筒112之间形成供风通道110；

所述外筒112靠近进风筒114的位置设置有主燃气系统120，所述主燃气系统120包括主燃气集气包121、多个主燃气支管122和多个主燃气喷嘴123，所述主燃气集气包121与外筒112外侧固定连接；所述多个所述主燃气喷嘴123设置在供风通道110内，且主燃气集气包121与喷嘴之间通过主燃气支管122进行连通；主燃气系统120通过主燃气喷嘴123向供风通道110内喷射燃气；燃气与空气在供风通道110内完成掺混；

所述外筒112靠近燃烧筒115的位置设置有辅燃气系统140，所述辅燃气系统140包括辅燃气集气包141、多个辅燃气支管142和多个辅燃气喷嘴143，所述辅燃气集气包141与辅燃气外筒112外侧固定连接；所述多个辅燃气喷嘴143设置在燃烧筒115和辅燃烧室300之间，且辅燃气集气包141与辅燃气喷嘴143之间通过辅燃气支管142进行连通；辅燃气喷嘴143的顶部略低于燃烧筒115的顶部；辅燃气系统140通过辅燃气喷嘴143向辅燃烧室300内喷射燃气并在其中完成燃烧。

使用时，大量的助燃风通过进风筒114进入到内筒113和外筒112夹层之间的供风通道110，少部分的燃气通过主燃气系统120中的主燃气喷嘴123均匀地向供风通道110内喷射燃气，助燃风与燃气在供风通道110内充分混合，混合后的气体在主燃烧室200内进行预混燃烧。由于混合后的气体，其过量空气系数α＞1.5，空气含量相对过量，此时在主燃烧室200内发生的燃烧为贫燃预混燃烧，燃烧温度低、燃程短，利于抑制NOx生成；此外主燃烧室200内燃烧后的烟气进入辅燃烧室300，与辅燃气系统140中辅燃气喷嘴143喷射出的燃气再次发生燃烧，由于烟气的对火焰的冷却、抑制作用，使得燃烧火焰温度下降，进一步减少了NOx的形成，从而实现降低NOx减少大气污染排放的问题。

在一些实施例中，上述供风通道110内设置有旋流片111，所述旋流片111位于主燃气喷嘴123和燃烧筒115之间；这样设置一方面用于强化燃气与助燃风的掺混，使得混合更加充分均匀；另一方面受到旋流作用产生了混合效果和剪切作用，主燃烧室200内进行着剧烈的物质和热量传递，共同形成稳定、高效的燃烧区域。

在一些实施例中，上述燃烧筒115为收缩口，所述燃烧筒115靠近外筒112一端的孔径大于燃烧筒115远离外筒112一端的孔径。

所述进风筒114为收缩口，所述进风筒114靠近外筒112一端的孔径小于进风筒114远离外筒112一端的孔径。

收缩口的收缩导致通流面积减少，外围助燃风流速增大，形成了负压引射作用，使得供风通道110内的混合气体可以自主流向主燃烧室200中，此外在主燃烧室200中贫燃预混燃烧后的烟气也会自主流向辅燃烧室300，并且在辅燃烧室300中与辅燃气系统140喷射出的少量燃气再次发生燃烧。

在一些实施例中，所述燃烧筒115底部设置有密封套116；所述密封套116与辅燃烧室300紧密贴合；形成燃烧筒115和辅燃烧室300之间的密封，防止助燃风、燃气以及燃烧后的烟气从燃烧筒115和辅燃烧室300之间的缝隙中流出，防止污染大气。

在一些实施例中，所述主燃气喷嘴123和辅燃气喷嘴143均为四根，且四根主燃气喷嘴123和四根辅燃气喷嘴143，均匀分布于供风通道110内，所述主燃气喷嘴123和辅燃气喷嘴143均与外筒112和内筒113平行设置，且主燃气喷嘴123和辅燃气喷嘴143的喷射方向与燃烧筒115底部所在平面垂直。这样设置使得助燃风和燃气、烟气和燃气的混合更加充分、均匀，使得燃烧更加稳定，进一步减少了NOx的形成。

在一些实施例中，主燃气喷嘴123的孔径大于辅燃气喷嘴143的孔径，本燃烧器可以通过调整主燃气喷嘴123的孔径和辅燃气喷嘴143的孔径大小的比例进而调整主燃气系统120和辅燃气系统140供给的气量比例；另一方面也可以通过调整主燃气系统120和辅燃气系统140中的燃气流速进而控制主燃气系统120和辅燃气系统140供给的气量比例；最终实现在主燃烧室200内完成贫燃预混燃烧，在辅燃烧室300内完成补充燃烧。

小部份燃气从辅燃气系统140的四个辅燃气喷嘴143中射进入辅燃烧室300，与贫燃预混燃烧后的烟气中剩余氧气进行补充燃烧，由于惰性烟气参与燃烧，且烟气对火焰的冷却、抑制作用，使得燃烧火焰温度下降且燃烧温度低、利于抑制NOX生成，降低工厂对NOx的处理量，同时对环境进行保护。

本发明还提供了一种超低氮燃烧器的燃烧方法，具体如下：

步骤A.供给助燃风：向供风通道110内供给助燃风，全部助燃风进入供风通道110；

步骤B.喷射燃气：通过主燃气系统120的多个主燃气喷嘴123向供风通道110内喷射燃气；

步骤C.助燃风、燃气混合：助燃风与燃气在供风通道110内混合，其过量空气系数α＞1.4；

步骤D.预混燃烧：在主燃烧室200内完成预混燃烧由于助燃空气相对过量，为贫燃预混燃烧，燃烧温度低、燃程短，利于抑制NOX生成；

步骤E.补充燃烧：通过辅燃气系统140的多个辅燃气喷嘴143向辅燃烧室300内喷射燃气，燃气在辅燃烧室300内与从主燃烧室200流出的烟气进行补充燃烧，燃烧温度低、燃程短，利于抑制NOX生成。

在一些实施例中，所述助燃风、燃气混合，

主燃气系统120供给的气量占燃气总供给量＜70％，过量空气系数α＞1.5；

在一些实施例中，主燃气系统120供给的气量占燃气总供给量＜60％，过量空气系数α＞1.8。

以上对本发明提供的一种超低氮燃烧器及其燃烧方法进行了详细介绍。具体实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种超低氮燃烧器，应用于辅燃烧室(300)，包括燃烧头(100)，其特征在于：

所述燃烧头(100)与辅燃烧室(300)固定连接，所述燃烧头(100)包括外筒(112)、进风筒(114)和燃烧筒(115)；所述外筒(112)的一端与进风筒(114)固定连接，所述外筒(112)的另一端与燃烧筒(115)固定连接；所述燃烧筒(115)内壁之间形成主燃烧室(200)；所述外筒(112)内同轴设置有内筒(113)，所述内筒(113)靠近进风筒(114)的一端密封；所述内筒(113)与外筒(112)之间形成供风通道(110)；

所述外筒(112)靠近进风筒(114)的位置设置有主燃气系统(120)，所述主燃气系统(120)包括主燃气集气包(121)、多个主燃气支管(122)和多个主燃气喷嘴(123)，所述主燃气集气包(121)与外筒(112)外侧固定连接；所述多个所述主燃气喷嘴(123)设置在供风通道(110)内，且主燃气集气包(121)与主燃气喷嘴(123)之间通过主燃气支管(122)进行连通；

所述外筒(112)靠近燃烧筒(115)的位置设置有辅燃气系统(140)，所述辅燃气系统(140)包括辅燃气集气包(141)、多个辅燃气支管(142)和多个辅燃气喷嘴(143)，所述辅燃气集气包(141)与外筒(112)外侧固定连接；所述多个辅燃气喷嘴(143)设置在燃烧筒(115)和辅燃烧室(300)之间，且辅燃气集气包(141)与辅燃气喷嘴(143)之间通过辅燃气支管(142)进行连通。

2.根据权利要求1所述的一种超低氮燃烧器，其特征在于：

所述供风通道(110)内设置有旋流片(111)，所述旋流片(111)位于主燃气喷嘴(123)和燃烧筒(115)之间。

3.根据权利要求2所述的一种超低氮燃烧器，其特征在于：

所述燃烧筒(115)为收缩口，所述燃烧筒(115)靠近外筒(112)一端的孔径大于燃烧筒(115)远离外筒(112)一端的孔径。

4.根据权利要求3所述的一种超低氮燃烧器，其特征在于：

所述进风筒(114)为收缩口，所述进风筒(114)靠近外筒(112)一端的孔径小于进风筒(114)远离外筒(112)一端的孔径。

5.根据权利要求4所述的一种超低氮燃烧器，其特征在于：

所述燃烧筒(115)底部设置有密封套(116)；所述密封套(116)与辅燃烧室(300)紧密贴合。

6.根据权利要求5所述的一种超低氮燃烧器，其特征在于：

所述主燃气喷嘴(123)和辅燃气喷嘴(143)均为四根。

7.根据权利要求6所述的一种超低氮燃烧器，其特征在于：

所述主燃气喷嘴(123)和辅燃气喷嘴(143)均与外筒(112)和内筒(113)平行设置，且主燃气喷嘴(123)和辅燃气喷嘴(143)的喷射方向与燃烧筒(115)底部所在平面垂直。

8.根据权利要求1－7所述的超低氮燃烧器的燃烧方法，其特征是具有以下步骤：

步骤A.供给助燃风：向供风通道(110)内供给助燃风，全部助燃风进入供风通道(110)；

步骤B.喷射燃气：通过主燃气系统(120)的多个主燃气喷嘴(123)向供风通道(110)内喷射燃气；

步骤C.风、燃混合：助燃风与燃气在供风通道(110)内混合，其过量空气系数α＞1.4；

步骤D.预混燃烧：在主燃烧室(200)内完成预混燃烧由于助燃空气相对过量，为贫燃预混燃烧，燃烧温度低、燃程短，利于抑制NOX生成；

步骤E.补充燃烧：通过辅燃气系统(140)的多个辅燃气喷嘴(143)向辅燃烧室(300)内喷射燃气，燃气在辅燃烧室(300)内与从主燃烧室(200)流出的烟气进行补充燃烧，燃烧温度低、燃程短，利于抑制NOX生成。

9.根据权利要求8所述的一种超低氮燃烧器的燃烧方法，其特征在于：

主燃气系统(120)供给的气量占燃气总供给量＜70％，过量空气系数α＞1.5。

10.根据权利要求8所述的一种超低氮燃烧方法，其特征在于：

主燃气系统(120)供给的气量占燃气总供给量＜60％，过量空气系数α＞1.8。

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