CN1167229A - 燃烧器及其炉内燃烧方法 - Google Patents

Abstract

一种燃烧器，包括向加热炉内供给空气的空气供给通路；向该空气供给通路供给一次燃料的一次燃料喷嘴，配置在该空气供给口周围的供给二次燃料用的二次燃料喷嘴；且按使从该空气供给口外周至二次燃料供给口外周的距离(毫米)大于该空气供给口直径Da(毫米)的方式配置二次燃料喷嘴。一种燃烧器炉内燃烧方法，包括下述工序：(a)准备由空气供给通路、一次燃料喷嘴、二次燃料喷嘴构成的燃烧器的工序；(b)当加热炉内温度在燃料起火温度以下时，由一次燃料喷嘴喷射燃烧燃料的工序；(c)当加热炉内温度在燃料起火温度以上时，由二次燃料喷嘴喷射燃烧燃料的工序。

Description

燃烧器及其炉内燃烧方法

本发明涉及工业燃烧炉用的燃烧器及其炉内燃烧方法。

众所周知，影响排出气体中NOx生成的主要原因，是燃烧温度和氧气浓度，燃烧温度越高，或是氧气浓度越高，排出废气中的NOx的浓度便越大。以前已有许多人提出了抑制NOx气体生成的多种方法，它们大体可分为改变燃烧条件的方法，和改变燃烧方法本身的方法。

前一类方法包括，①低氧燃烧(低过量空气系数燃烧)，②减少燃烧室热负荷(低温燃烧)，③降低燃烧用空气温度(预热空气温度)等抑制方法。后一类方法包括，④两段燃烧方法，⑤非理论配比燃烧方法，⑥排气再循环燃烧方法，⑦蒸汽吹入燃烧方法等等抑制方法。在这些方法中的热效率较低，所以从热效率的角度看，作为NOx气抑制方法并不适用。

可实用化的降低NOx浓度的燃烧器(下面称为低NOx燃烧器)，基本上是在盒匣内内置后面的②-⑦项功能，进行低过量空气系数燃烧控制，作为综合的效果而实现低NOx化。比如说在日本特公昭56-8921号公报和特公昭56-8922号公报中，就公开了具有这种功能的具体燃烧方法(参见图6)。而且近年来，在日本特开平1-167591号公报、特开平1-300103号公报(参见图7)，以及在日本特开平7-4612号公报、特开平7-4613号公报(参见图8)中，还公开了采用直接向加热炉内吹入燃料的方法，进而使排出气体的Nox低浓度化的燃烧方法。

下面参考图6至图8，对低Nox燃烧进行说明。

首先说明图6所示的燃烧器，它在空气导入管22处设置一次燃料喷嘴20，在预燃烧室23两侧设置二次燃料喷嘴21。用空气旋转叶片24旋转的燃烧用空气，与由一次燃料喷嘴20喷出的燃料混合，在预热燃烧室23燃烧。然后，由二次燃料喷嘴21供给的燃料在主燃烧室25燃烧。采用这种两段燃烧方法，燃烧由二次燃料喷嘴21供给至主燃烧室25的燃料所产生的NOx，可明显减少。

图7所示的设在炉体26处的燃烧器，是在燃烧空气供给口22处设置一次燃料喷嘴22，用其作为低温燃烧时的一次燃料喷嘴20，并在燃烧空气供给口22周围，设置二次燃料喷嘴21。炉内排出气体卷入至燃烧用空气和燃料，通过再次燃烧而降低NOx。

图8所示的交替燃烧器30，是在一对蓄热式燃烧器27处分别设置一次燃烧喷嘴28，一边用一次燃烧喷嘴28进行低温燃烧，一边用二次燃烧喷嘴31进行自身再循环的二次燃烧。

然而，图8中的燃烧器的燃烧方法，是直接向加热炉内吹进燃料的燃烧方法，可以有效地抑制NOx的生成，但是为了提高炉的效率需要在燃烧器空气供给口内设置低温用的一次燃料喷嘴。这会使燃料供给系统和其它配管系统复杂化，还需要在高温炉中配置冷却燃料供给口用的冷却空气配管。因此，不仅使冷却空气等等的配管系统复杂化，增大其初期设备费，而且在改善加热炉性能时，必须要改善比如说燃料和燃烧用空气的配管系统、它的控制系统及加热炉本身。然而，由于配管系统等等相当复杂，存在有在实际上不能进行某些改造的问题，故为实现低NOx化，燃烧器及其炉内燃烧方法尚遗留有改进的余地。

上述的低NOx燃烧方法，图6、图7中的低NOx燃烧器的燃烧器本身构造比较简单，仅仅更换燃烧器，即可以方便地改善加热炉的性能，这是它们的优点。然而，与图8所示的直接向炉内吹入燃料的燃烧方法相比，其抑制NOx生成的效果较差，特别是为节省能源而提高预热温度时，图6、图7中的低温燃烧会呈高温燃烧状态，因而有超越NOx规定值的危险。另外，图7中的燃烧器，其加热炉的宽度是低NOx化的重要因素，在实施方面，还存在有必须要合并燃烧器、改善加热炉的宽度的缺点。

本发明的目的是要提供一种可方便地改进加热炉性能、而且即使在较高空气预热温度下燃烧也可以抑制NOx的燃烧器及其炉内燃烧方法。

为了能实现上述目的，本发明提供了具有下述构成的燃烧器：

向加热炉内供给空气用的、具有直径为D_a(mm)的空气供给口的空气供给通路；

向该空气供给通路内供给一次燃料用的、具有一次燃料供给口的一次燃料喷嘴；

具有配置在该空气供给口周围的、供给二次燃料用的二次燃料供给口的二次燃料喷嘴；

且按由该空气供给口外周至二次燃料供给口外周的距离L(mm)大于该空气供给口直径D_a(mm)的方式配置二次燃料喷嘴。

当从该空气供给口喷射出的燃烧用空气的喷出流速达到预定流速时，炉内排气被卷入后再燃烧。当二次燃烧喷嘴靠近空气供给口时，炉内排气的卷入量下降，由再燃烧而减少NOx量的效果下降，故通过按使由该空气供给口外周至二次燃料供给口外周的距离L(mm)大于该空气供给口直径D_a(mm)的方式配置二次燃料喷嘴，便可以获得减少NOx量的效果。

该空气供给口外周至二次燃料供给口外周的距离L，最好是根据当加热炉内的温度达到燃料起火温度以上的高温时、从该空气供给口喷出至该加热炉内的空气流速，和根据该空气供给口的直径D_a来设定。当加热炉内温度达到燃料着火温度以上时，由于燃烧用空气被大体预热至炉内温度，故燃料用空气亦在燃料起火温度以上。利用空气供给口的空气流速、直径D_a和距离L等参数，便可以获得减少排出气体中的NOx含量的效果。

而且，从该空气供给口外周至二次燃料供给口外周的距离L和该空气供给口直径D_a，相对于从该空气供给口喷出至加热炉内的空气实际流速Va，最好满足下述公式

L(Va/Vo)^1/2/D_a＞10其中，

L：由空气供给口外周至二次燃料供给口外周的距离(mm)，

Va：喷出空气的实际流速(m/sec)，

Da：空气供给口直径(mm)，

Vo：单位喷出空气的实际流速(1m/sec)。

根据上述公式，通过设定由空气供给口喷出的空气实际流速Va、空气供给口直径Da和距离L，便可获得降低排出气体中NOx量的效果。

而且，本发明还提供了由以下工序构成的燃烧器炉内燃烧方法：

(a)准备由向加热炉内供给空气用的具有空气供给口的空气供给通路、具有向该空气供给通路内供给一次燃料用的一次燃料供给口的一次燃料喷嘴、具有配置在该空气供给口周围的、供给二次燃料用的二次燃料供给口的二次燃料喷嘴构成的燃烧器的工序，且由该空气供给口外周至二次燃料供给口外周的距离L和该空气供给口直径Da，根据由该空气供给口喷射至加热炉内的空气实际流速来进行设定；

(b)当加热炉炉内温度低于燃料起火温度时，实质上从一次燃料喷嘴喷射燃料，使其燃烧的工序；

(c)当加热炉炉内温度高于燃料起火温度时，实质上从二次燃料喷嘴喷射燃料、使其燃烧的工序。

在上述的燃烧器炉内燃烧方法中，由该空气供给口外周至二次燃料供给口外周的距离L和该空气供给口直径Da，相应于由该空气供给口喷射至加热炉内的空气实际流速来设定，并通过控制一次燃料喷嘴和二次燃料喷嘴的燃烧状态，便可以实现对排出气体中NOx含量的降低。

在上述的燃烧器炉内燃烧方法中，从该空气供给口外周至二次燃料供给口外周的距离L和该空气供给口直径Da相应于由该空气供给口喷射入加热炉内的空气实际流速Va，最好满足下述公式。

L(Va/Vo)^1/2/Da＞10其中，

L：由空气供给口外周至二次燃料供给口外周的距离(mm)，

Da：空气供给口的直径(mm)，

Vo：单位喷出空气的实际流速(1m/sec)。

在上述燃烧方法中，由一次燃料喷嘴喷射燃料、使其燃烧的工序，可以是由一次燃料喷嘴喷射全部燃料、使其燃烧的工序，也可以是主要由一次燃料喷嘴喷射燃料，使其燃烧的工序。

图1为表示本发明所涉及的燃烧器的一种实施形式的示意图。

图2为表示本发明所涉及的燃烧器安装后的一种实施形式的示意图。

图3为表示燃烧控制程序的流程图。

图4为表示燃烧状态模式的示意图。

图5为表示NOx测定结果的示意图。

图6为现有技术的燃烧器的一个实例的示意图。

图7为现有技术的燃烧器的另一实例的示意图。

图8为装有现有技术的蓄热式燃烧器的燃烧装置的示意图。

下面参考附图说明本发明的实施形式。

图1示出燃烧器的实施形式为蓄热式燃烧器，图1(a)为燃烧器剖面图，图1(b)为其正面图。如图所示，蓄热式燃烧器1在耐热性蓄热体收装容器2收装有蓄热体8，在其上方设有上部空间2a，下方装着风室5并形成下部空间2b，与蓄热体收装容器2上部空间2a相连通的空气供给通路3，与烧嘴砖4连通设置，在下部空间2b还设有流体出入口9。烧嘴砖4装在加热炉11侧壁上。在空气供给通路3上设有一次燃料喷嘴6和起动喷嘴10，在烧嘴砖4上设有若干个二次燃料喷嘴7。空气供给通路3的空气供给口3A和燃料供给口7A开口于加热炉内侧，由空气供给口3A的外周至二次燃料喷嘴7的燃料供给口7A外周的距离L，大体设定在空气供给口3A的直径Da的1.0倍以上。

图2为表示上述燃烧器装在加热炉中的配管系统及控制系统的一种实施形式的概略性示意图。如图所示，在加热炉11炉壁上装着进行交替燃烧的蓄热式燃烧器1a，1b。向加热炉11内投入钢材等等被加热物H，F表示火焰。在蓄热式燃烧器1a、1b中分别收装有蓄热体8a、8b。在空气供给通路3a，3b上分别开口有一次燃料喷嘴6a、6b的燃料在空气供给通路3a，3b上分别开口有一次燃料喷嘴6a、6b的燃料供给口，二次燃料喷嘴7a、7b开口于炉内侧。在向空气供给口3a、3b内供给一次燃料用的一次燃料喷嘴6A、6b上，还分别设有燃料阻断阀13a、13b，在向炉内供给二次燃料用的二次燃料喷嘴7A、7b上，亦分别设有燃料阻断阀14a、14b。排出气体和燃烧用空气经过配管，通过切换阀16，并在送风鼓风机17、18的作用下，将排出气体排出至炉外，并将燃烧用空气供给至炉内。在配管上设有流速计12a、12b和NOx气体传感器20a、20b，在加热炉11内，设有温度传感器19。流速计12a、12b，温度传感器19和NOx气体传感器20a、20b的输出均输入至控制装置15。控制装置15相应于交替燃烧控制燃料阻断阀13a、13b、14a、14b，并进行切换阀16的切换控制，和送风鼓风机17、18的驱动及转速控制。而且，流速计12a、12b、NOx气体传感器20a、20b也可以设在空气供给通路3a、3b和排出气体的排出侧。

下面参考附图1和2，依据附图3的燃烧控制流程图，来说明装有燃烧器的加热炉的炉内燃烧方法。

首先在程序步S1，起动喷嘴10点火，由一次燃烧喷嘴6a、6b向空气供给通路3供给一次燃料，蓄热式燃烧器1a、1b开始交替燃烧，交替进行燃烧和废气的排出。然后在程序步S2，依据温度传感器19的输出测量加热炉11内的温度，并进入程序步S3，在程序步S3中，根据(炉内温度＜燃料起火温度)的条件(1)，判断炉内温度是否在燃料起火温度以下(低温)。若满足条件(1)，则进入程序步S4，由一次燃料喷嘴6供给至空气供给通路3内的一次燃料继续燃烧，返回程序步S2。在程序步S3中，若不满足条件(1)，则进入程序步S5，依据(炉内温度≥燃料着火温度)的条件(2)，判断炉内温度是否已达到燃料起火温度以上(高温)。若不满足条件(2)，返回程序步S4，用一次燃料喷嘴6继续燃烧。若满足条件(2)，则进入程序步S6，由二次燃料喷嘴7开始燃烧。然后进入程序步S7，用NOx气体传感器20a、20b测量废气中的NOx浓度，并进入程序步S8。在程序步S8判断N5，若NOx浓度超过了基准值，则进入程序步S9，调整由空气供给口3A喷出至炉内的燃烧用空气的喷出流速。然后进入程序步S10，判断是否要继续加热炉的运行，若需要继续时，返回程序步S5，重复进行同样的操作，按将NOx浓度控制在基准值之内的方式调节燃烧用空气的喷出流速，以进行燃烧控制。在结束加热炉的运行时，结束燃烧控制。显然，在二次燃烧喷嘴7处于燃烧的状态下，也可以由一次燃料喷嘴6供给至空气供给通路3的燃料，使其继续燃烧。

下面参考图4，说明该实施例形式的燃烧器的炉内燃烧方式。图4示出了由烧嘴砖4向炉内侧开口的空气供给通路3和二次燃料喷嘴7，并模拟地示出了燃烧用空气A和二次燃料F的喷出方向。空气供给口3A的直径为Da，空气供给通路3和二次燃料喷嘴7外周间的距离为L。由空气供给口3A至燃烧用空气A与燃料F相接的距离X，将卷入炉内废气，通过再次燃烧向可以降低NOx。因此，当空气供给通路3与二次燃料喷嘴7外周间的距离L较近时，炉内废气的卷入不充分，所以距离L应设定在直径D a的1.0倍以上。但是，当空气供给通路3与二次燃料喷嘴7外周间的距离过大时，炉内废气的卷入也不充分，并会降低NOx的减少效果。

若进行进一步说明，NOx浓度的决定性因素为火焰的温度。火焰温度是由到燃料燃烧开始点的距离x处的炉内废气卷入量Q和炉内废气温度T决定的。因此，NOx浓度将随炉内废气卷入量Q和炉内废气温度T的变化而变化。

换句话说，炉内废气卷入量Q，是燃烧用空气的喷出速度Va，喷出口径Da，以及由空气供给口3A到燃烧开始点P的距离X的函数，这是已知的。图4还模拟地示出了空气喷出流和燃料喷出流的束散方式和混合位置(燃烧开始点)P。由于不论喷射流动状态如何，燃烧用空气和二次燃料喷射束流的束散角是基本上一定的，所以由空气供给口至混合开始点P的距离X，大体与空气供给口外周和燃料供给口外周的距离L成比例。如图4所示，包含有由射流喷出口至距离X的卷入气体的轴对称射流的全射流通过量Qa，与距离X成比例。因此，全射流通过量Qa与距离L成比例。所以当炉内温度一定时，NOx浓度将随喷出速度、燃烧用空气的比例。所以当炉内温度一定时，NOx浓度将随喷出速度、燃烧用空气的喷出口直径、和由空气供给口外周至燃料供给口外周的距离L的变化而变化。

而且，本发明人进行了下述实验，即为使炉内温度一定，而用水冷却管调节吸热量，并使喷出空气流速Va在10～150m/s，空气供给口径Da在30～160mm，空气供给口外周至燃料供给口外周的距离L在10～800mm的范围内变化。而且，将废气中的NOx浓度按11％换算为氧气(O₂)浓度来进行测定。

从测定的数据研究各因素影响后的结果如图5所示。在图5中，横轴为作为参数的

的值，纵轴为NOx浓度(ppm)。图5示出的NOx浓度分布曲线(イ)可知，将 时，NOx浓度的分布是沿某一统一的分布曲线分布的。由图5中可见，当的值在10以下时，NOx浓度会急剧增加，与此相反，在10以上时呈几乎没什么变化，形在饱和状态。因而它说明，若按满足

的方式设定各参数，便可以形成低NOx的燃烧器。

中各参数的量纲，如下所示。由空气供给口外周至燃料供给口外周的距离L为(mm)，喷出空气实际流速Va为(m/s)，空气供给口直径Da为(mm)。单位喷出空气实际流速Vo为(1m/s)，它可以从喷出空气实际流速值中消去单位。

而且，图5表示的是炉内温度为1350℃时的数据，但当炉内温度在900℃以上时，虽然有炉内温度越高、NOx浓度也会越高的倾向，但仍可确认上述参数大体固定为10以上的值。因此，只要在燃烧时满足下述关系式(1) $\left[L\sqrt{(\mathrm{Va}/\mathrm{Vo})}\right]/\mathrm{Da}>10---\left(1\right)$ 便可实现NOx浓度的大幅度降低，这是显而易见的。

因此，在图1所示的燃烧器中，如果由空气供给口3A喷出的喷出空气流速Va和空气供给口3A的直径Da已定，则根据上述关系式，通过设定距离L，便可以方便地构成低NOx燃烧器。而且，若空气供给口3A的直径Da和距离L已定，依据上述关系式(1)，通过调整喷出空气流速Va，便可以构成低NOx燃烧器。

显然，上述的燃烧方法对于减少NOx浓度非常有效，但空气供给口和燃料供给口之间必须离开距离L，这对于炉内温度在燃料自燃温度以上时不成问题，但在自燃温度以下时便不会产生燃烧。因此，作为一种在炉内温度位于自燃温度以下的低温时仍能稳定地燃烧的方法，必须要在空气供给口内，设置用作起动喷嘴，并开设一次燃料喷嘴的燃料供给口，从而形成为如图1所示实施形式的燃烧器。

依据图3所示的燃烧控制程序图进行了说明，在这种结构中，当炉内温度在燃料自燃温度以下时，燃料“主要”由空气供给口内的一次燃料喷嘴的燃料供给口喷出并燃烧，而当炉内温度达到燃料自燃温度以上的高温时，燃料“主要”由空气供给口外侧的二次燃料喷嘴的燃料供给口供给并燃烧。

在这里，“主要”一语是指：根据NOx浓度、作业时的燃烧控制等，可以由全部燃料供给口供给燃料，因此也包含着用一次和二次燃料喷嘴供给燃料并燃烧，即处于“100％”燃烧状态的场合。

因此，在炉内温度处于燃料自燃温度以下的低温时，即使采用任何一种燃烧方法，因NOx浓度较低而无问题，在高温燃烧时，通过用满足的方式进行燃烧控制，也可实现低NOx燃烧。该参数值“10”，会随燃料的发热量不同而多少有些变化，但大体来说，经过值“10”，NOx浓度会急剧上升，这是分布曲线所具有的特性。当然，随着燃料发热量的不同，该参数值会多少有些变动，并非限定于值“10”。

在上述实施形式中，以具有蓄热体的燃烧器为例进行说明的，但是显然，即便是不具有蓄热体的燃烧器，只要它是具有上面说明的一次和二次燃料喷嘴的燃烧器，并且是依据

的参数概念，设定各参数的燃烧器，就可以降低废气中NOx量的浓度。

而且，即使对于空气供给口3A的直径Da和由空气供给口3A至燃料供给口7A的距离L已定的燃料器，只要按照上述的炉内燃烧方法调整由空气供给口3A喷出的空气的喷出流速Va，不需改动加热炉，即可以降低炉内废气中的NOx浓度，而且，仅仅调节燃料供给口7A的位置，即可构成低NOx燃烧器。

由以上说明可知，本发明具有不需进行加热炉自身改造、以及控制系统和配管系统的改造，即可实现低NOx燃烧的优点。

而且，本发明的优点还在于，若空气供给流速Va一定，只要按使

的值为，比如说“10”，或更大值的方式构成燃烧器，即可得到可实现低NOx燃烧的燃烧器。另一个优点是，若喷出空气供给口直径Da和由喷出空气供给口外周至二次燃料喷嘴的燃料供给口外周的距离L已经设定，只要调整由空气供给口喷出空气的空气供给流速Va而进行炉内燃烧控制，也可以得到使NOx浓度在基准值以下的燃烧器。

本发明的优点还在于，只要满足条件 ，就可以获得具有一定的NOx减少效果的燃烧器，而且按预定的炉内温度分布进行设计时，与现有技术的直接向炉内吹入燃料以在炉内实现低NOx的燃烧方法相比较，本发明可自由配置燃烧器，从而增大了设计的自由度。

本发明的优点还在于，仅仅将现有技术的燃烧器更换为低NOx燃烧器，即可以改善加热炉的性能。

Claims (7)

1、一种燃烧器，它具有：

向加热炉内供给空气用的具有直径为Da(mm)的空气供给口的空气供给通路；

向该空气供给通路内供给一次燃料用的具有一次燃料供给口的一次燃料喷嘴；

配置在该空气供给口周围的、具有供给二次燃料用的二次燃料供给口的二次燃料喷嘴；

且按从该空气供给口外周至二次燃料供给口外周的距离L(mm)，大于该空气供给口直径Da(mm)的方式配置二次燃料喷嘴。

2、如权利要求1所述的燃烧器，从该空气供给口外周至二次燃料供给口外周的距离L，根据加热炉内温度达到燃料起火温度以上的高温时由该空气供给口喷出至该加热炉内的空气流速和该空气供给口直径Da来设定。

3、如权利要求2的所述燃烧器，从该空气供给口外周至二次燃料供给口外周的距离L和该空气供给口直径Da，相应于该空气供给口喷出至加热炉内的空气实际流速Va，满足下式：

L(Va/Vo)^1/2/D_a＞10其中，

L：由空气供给口外周至二次燃料供给口外周的距离(mm)，

Va：喷出的空气实际流速(m/sec)，

Da：空气供给口直径(mm)，

Vo：单位喷出空气的实际流速(1m/sec)。

4、一种燃烧器的燃烧方法，包括下述步骤：

(a)准备由向加热炉内供给空气用的具有空气供给口的空气供给通路、向该空气供给通路内供给一次燃料用的具有一次燃料供给口的一次燃料喷嘴、配置在该空气供给口周围、供给二次燃料用的二次燃料供给口的二次燃料喷嘴构成的燃烧器的步骤，且从该空气供给口外周至二次燃料供给口外周的距离L和该空气供给口直径Da，相应于从该空气供给口喷射入加热炉内的空气的实际流速设定；

(b)当加热炉内温度在燃料起火温度以下时，实质上由一次燃料喷嘴喷射燃料、使其燃烧的工序；

(c)当加热炉炉内温度在燃料起火温度以上时，实质上由二次燃料喷嘴喷射燃料、使其燃烧的步骤。

5、如权利要求4所述的燃烧方法，从该空气供给口外周至二次燃料供给口外周的距离L和该空气供给口直径Da，相应于从该空气供给口喷出至加热炉内的空气实际流速Va，满足下述公式：

L(Va/Vo)^1/2/Da＞10其中：

L：由空气供给口外周至二次燃料供给口外周的距离(mm)，

Va：喷出的空气实际流速(m/sec)，

Da：空气供给口直径(mm)，

Vo：单位喷出空气实际流速(1m/sec)。

6、如权利要求4所述的燃烧方法，其由一次燃料喷嘴喷射燃料、使其燃烧的工序，由一次燃料喷嘴喷射全部燃料、使其燃烧来构成。

7、如权利要求4所述的燃烧方法，其由一次燃料喷嘴喷射燃烧燃料的工序，由主要一次燃料喷嘴喷射燃料、使其燃烧来构成。

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