CN106482097B - 撞击流部分预混低氮气体燃烧器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种撞击流部分预混低氮气体燃烧器，其包括燃烧头，该燃烧头包括一圆柱形空气流道；一设置在该圆柱形空气流道内部的旋流器，该旋流器包括外环、内环、设置在该外环和内环之间的旋流片以及设置在内环中心孔的中心钝体；一设置在燃烧器旋流器的外侧且位于该圆柱形空气流道内部的燃料喷管，该燃料喷管包括燃料管以及设置于该燃料管侧面的燃料喷口。

Description

撞击流部分预混低氮气体燃烧器

技术领域

本发明涉及一种低氮气体燃烧器，尤其涉及一种撞击流部分预混低氮气体燃烧器。

背景技术

氮氧化物（NOx）是大气的主要污染源之一，它不仅可以形成酸雨或者酸雾，也是PM2.5二次颗粒物的重要前驱物。随着环境污染不断加剧，我国重点区域频繁出现雾霾，已经对人们的健康造成了巨大的危害。随着天然气、石油液化气以及煤合成气的燃烧利用，气体燃烧的污染问题，尤其降低NOx的排放，是一项刻不容缓的任务。因此，控制天然气燃烧过程中NOx的产生具有重要意义。

燃烧理论将NOx的生成分为热力型NOx、快速型NOx和燃料型NOx。天然气中含氮量较低，NOx来源主要为热力型NOx与快速型NOx。热力型NOx是指燃烧所用空气中N₂在高温下氧化生成NOx；在热力型机理中，温度是支配NOx生成的关键性变量。当温度低于1500℃时，热力NOx的生成量很少；高于1500℃时，温度每升高100℃，反应速度将增大6~7倍。快速型NOx一般是碳氢自由基与氮分子进行反应形成胺或氰基化合物，主要在当量比大于1的区域生成，其反应温度也低于热力型NOx。

低氮燃烧技术包括分级燃烧、预混燃烧、烟气再循环、多孔介质燃烧、无焰燃烧、化学链燃烧等技术。

分级燃烧技术的原理为燃烧温度在当量比为1的情况下达到最高，在贫燃或者富燃的情况下进行燃烧，其燃烧温度比当量比为1的燃烧温度要低，能合理分配炉内的温度场分布，避免出现局部高温，达到降低NOx生成的效果。

预混燃烧是一种降低NOx生成的有效技术。对于控制NOx的生成，这项技术的优点是可以通过对当量比的完全控制来实现对燃烧温度的控制。通过贫燃燃烧使得燃烧温度降低，同时使得混合物的当量比小于1，这样热力型NOx和快速型NOx生成将降低。但是预混燃烧技术未广泛应用的限制因素在于：燃烧不稳定，可能导致回火或者熄火；过剩空气系数较大，降低系统热效率。

燃烧温度的降低也可以通过烟气再循环来实现，通过将烟气的燃烧产物加入到燃烧区域内，降低了燃烧温度，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，从而减少了NOx的生成。研究表明，外部烟气再循环将减少70%的NOx生成。烟气再循环的主要问题在于氧气分压降低、空气流速增加使得燃烧不稳定，出现熄火、震荡等现象。

按照低氮燃烧工业应用技术的发展阶段，可大体将之分为三个发展阶段：第一，采用分级燃烧技术，可将NOx的排放浓度控制在100mg/m³，但该项技术可能造成CO排放浓度明显上升；第二，采用烟气再循环技术，可将NOx的排放浓度控制在60~80mg/m³，根据烟气循环比例排放水平差异较大，该项技术成本较低，且适于改造升级，但对于快速型NOx的控制没有效果，并且增大了风机电耗；第三，预混燃烧技术，可将NOx的排放浓度控制10~60mg/m³，根据环保标准的要求在一定范围内可调，该项技术成本较低，适于新建项目，但对于整体热效率稍有影响（以低位发热量计，约1~2%左右），即NOx排放浓度越低，热效率越低，同时也存在安全性问题。

发明内容

有鉴于此，确有必要提供一种热效率高、NOx排放浓度较低、燃烧稳定的撞击流部分预混低氮气体燃烧器。

一种撞击流部分预混低氮气体燃烧器，其包括燃烧头，该燃烧头包括一圆柱形空气流道；一设置在该圆柱形空气流道内部的旋流器，该旋流器包括外环、内环、设置在该外环和内环之间的旋流片以及设置在内环中心孔的中心钝体；一设置在燃烧器旋流器的外侧且位于该圆柱形空气流道内部的燃料喷管，该燃料喷管包括燃料管以及设置于该燃料管侧面的燃料喷口。

与现有技术相比较，本发明所提供的撞击流部分预混低氮气体燃烧器，通过燃料分级、撞击流混合来控制燃烧与氧混合的时间和混合分数的空间分布，从而控制燃烧速率、火焰区域的温度以及反应物在高温区的停留时间，最终有效地降低热力型和快速型NOx的生成，实现NOx生成小于50mg/Nm³（@3.5%O₂）。该发明结合了撞击流部分预混和旋流度对燃烧火焰的控制，可满足较高烟气再循环条件下的火焰稳定性，从而把NOx生成降低到小于20mg/Nm³（@3.5%O₂）的超低排放水平，同时也具有较强的燃料适应性。

本发明所提供的燃料分级部分预混旋流撞击流气体燃烧器，结构合理、燃料适应性广、燃烧效率高、污染物排放小，燃烧稳定，适合于工业炉、重整器以及燃气轮机燃烧使用。

附图说明

图1是本发明第一实施例提供的撞击流部分预混低氮气体燃烧器的立体结构示意图。

图2是本发明实施例提供的撞击流部分预混低氮气体燃烧器的主视图。

图3是本发明实施例提供的撞击流部分预混低氮气体燃烧器旋流器的主视图。

图4是本发明实施例提供的撞击流部分预混低氮气体燃烧器燃料管布置示意图。

图5~图10是本发明实施例提供的撞击流部分预混低氮气体燃烧器燃料喷口位置、形状以及排列方式的示意图。

图11是本发明第二实施例提供的撞击流部分预混低氮气体燃烧器的立体结构示意图。

主要元件符号说明

撞击流部分预混低氮气体燃烧器	10、40
		燃烧头	20
前部流道	30
		圆柱形空气流道	21
旋流器	22
		燃料喷管	23
二次燃料喷口	24
		稳焰段	25
空气入口	31
		空气前导流片	32
空气后导流片	33
		空气入口段	34
空气缩口段	35
		外环	220
旋流片	221
		内环	222
中心钝体	223
		燃料管	230
燃料喷口	231

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施例，对本发明提供的撞击流部分预混低氮气体燃烧器作进一步的详细说明。

请参阅图1，本发明实施例提供一撞击流部分预混低氮气体燃烧器10，该撞击流部分预混低氮气体燃烧器10包括燃烧头20以及前部流道30，该燃烧头20和前部流道30连接在一起并连通。

所述燃烧头20包括圆柱形空气流道21、设置在该圆柱形空气流道21内部的旋流器22、设置在旋流器22的外侧且位于该圆柱形空气流道21内部的燃料喷管23。所述前部流道30包括空气入口31、设置于空气入口之后的空气前导流片32和空气后导流片33、空气入口段34以及空气缩口段35，所述圆柱形空气流道21设置在所述空气缩口段35。

请一并参阅图2和图3，所述旋流器22包括外环220、内环222、设置在该外环220和内环222之间的旋流片221以及设置在内环中心孔的中心钝体223。旋流器22的主要功能在于提供不同的风量及气体旋流数。旋流器风量的大小可以调整外环220与内环222的比例、外环220的大小来优化，经过优化认为内环222和外环220的直径比为1:3为最佳。在本实施例中，内环222和外环220的直径比为1:3。旋流数的大小可以通过调整旋流片221的个数、旋流片221的倾斜角度来优化。旋流片221的个数为10-20个，旋流片221的倾斜角度范围为10-30 º。在本实施例中，所述旋流片221的个数为32个，旋流片221的倾斜角度范围为20 º。中心钝体223可以根据不同的燃烧情况制成相应的大小及形状，如圆形、方形、六边形、长方形、十字形和椭圆形来控制燃烧器出口的流场。在本实施例中，所述中心钝体223为圆形。通过调节以上参数，可以使得燃烧器出口产生稳定的回流区，实现本实施例的第一种低氮燃烧原理。

请一并参阅图4，燃料喷管23的布置方式采用燃料高速撞击旋流器表面产生的“撞击流”，以达到快速混合的效果。燃料喷管23包括燃料管230和燃料喷口231，该燃料喷口231设置于所述燃料管230的侧面或所述燃料管230的侧面和顶面。所述燃料管230的分散布置使得燃料在空间上有了浓淡分布，燃料喷口附近当量比大于1，两个燃料喷口之间当量比小于1，产生了分级燃烧的效果。燃料从所述燃料喷口231高速喷出，撞击外环220，产生撞击、快速混合的效果。

通过燃料管230的根数、燃料的喷射速度、燃料喷口231的形状、燃料喷口231的个数、燃料喷口231距离外环220的距离d来控制燃料和空气的混合时间及混合分数，以达到控制燃烧速率、燃料的空间分布、预混程度的效果，实现低氮燃烧及稳定燃烧。燃料管230的根数为5-32根，在本实施例中，燃料管的根数为8根。燃料的喷射速度在100-200m/s之间，在本实施例中，燃料的喷射速度为150m/s。燃料管230的侧面可以有1-3个燃料喷口231，燃料管230的顶面可以有燃料喷口231也可以没有燃料喷口231。该燃料喷口231的形状不限，可以为方形或圆形。各个燃料喷口231的大小以及在燃料管230的侧面的排列方式也可以不同。例如，请参阅图5至图10，燃料管230的侧面可以有一个方形或圆形的燃料喷口231，也可以有两个圆形的燃料喷口231，该两个圆形的燃料喷口231可以上下排列也可以左右排列，也可以有三个燃料喷口231，该三个燃料喷口231左右排列，其中中间的燃料喷口231比两侧的燃料喷口231稍大，燃料管230的侧面也可以有一个圆形的燃料喷口231，且在顶面有一个圆形的燃料喷口231。燃料喷口231可以直接设置在燃料管230的侧面，也可以设置在燃料管230侧面的凸台上。在本实施例中，燃料管230的侧面形成有一凸台，该凸台上设置有一个圆形的燃料喷口231。燃料喷口231距离外环220的距离d可以为燃料喷口231直径的1-10倍，控制d可以控制预混效果，优取d为燃料喷口231直径的1.5-3倍，本实施例中，d为燃料喷口231直径的2倍。通过调节以上参数，可以使得燃烧器出口产生所需的燃料混合程度，实现本实施例第二种低氮燃烧原理。

空气从空气入口31进入燃烧器，在空气前导流片32与空气后导流片33的作用下使得空气均匀性得到保证，在通过空气入口段34与缩口段35后进入圆柱形空气流道21，在燃烧器出口处一部分气流通过所述旋流片221形成旋流数很大的旋转气流，一部分气流从所述旋流器周围的通道通过，这样就对燃烧器出口的气流进行了很好的组织。

燃料经过八根燃料管230，从燃料喷口231中高速喷出，与外环220产生强烈的撞击作用，与空气进行混合，达到部分预混的效果。

请参阅图6，本发明第二实施例提供一撞击流部分预混低氮气体燃烧器40，该撞击流部分预混低氮气体燃烧器40的结构与本发明第一实施例的撞击流部分预混低氮气体燃烧器10的结构基本相同，标号相同的表示与第一实施例的结构相同。

其中一个区别是在所述燃烧器出口设置有二次燃料喷口24，该二次燃料喷口24分布在燃烧器出口的圆环上，数量为10-40个，直径为2-6mm，占总燃料比例为20-80%，这个比例是可调的，起到分级燃烧、降低氮氧化物的作用。在本实施例中，所述二次燃料喷口24的数量为36个，直径为4mm，占总燃料比例视实际情况而定。

另一个区别是在所述燃烧器出口也可以增加一个稳焰段25，该稳焰段25即二次燃料出口的圆环向远离燃烧器延长的那一段，可为直段、扩口、缩口，长度可调，材料为耐火材料。可以通过调整所述稳焰段25，改变火焰结构（长短与直径），从而适应不同的炉膛。

本发明实施例可以在运行过程中，根据燃烧的条件，包括燃料变化、温度等，通过旋流器22的设计和燃料喷管23的布置方式，调节旋流空气量与旋流数，从而控制回流区的燃烧方式。

本发明实施例所提供的撞击流部分预混低氮气体燃烧器，采用两种低氮燃烧与稳定燃烧的原理：一、燃料喷口中心处通过旋流片的作用，在燃烧器出口火焰前端产生烟气回流的稳定燃烧区域，这个区域由于存在高温热烟气的内循环，NOx生成会显著降低；而且，该燃烧器产生的稳定回流区相当于存在一个值班火焰，大大有利于火焰的稳定。二、通过燃料高速喷射与旋流片撞击，产生一种强烈的混合作用，使得燃料与空气快速混合，达到一种部分预混的状态；同时通过燃料多喷口的布置，使得燃料在空间上产生浓淡分布，达到分散和分级燃烧的效果，在降低火焰燃烧温度的同时，使得燃烧器出口的温度场十分均匀，大大减少了热力型NOx和快速型NOx的生成；在燃烧器出口产生的燃料浓度分布，使得回火可能性减小，燃烧稳定性增加。燃料分级和部分预混可以有效提高燃烧效率，可实现完全燃烧。

本发明实施例最大的特征在于其低氮燃烧的效果，包括通过旋流器的设计、燃烧喷管的布置方式，控制燃烧与氧混合的时间和混合分数，从而控制燃烧速率、火焰区域的温度以及反应物在高温区的停留时间，最终有效地降低热力型和快速型NOx的生成，实现NOx生成小于50mg/Nm³（@3.5%O₂）。本实施例可以与烟气再循环技术很好的配合，在高烟气循环率的情况下实现稳定燃烧，从而把NOx生成降低到小于20mg/Nm³（@3.5%O₂）的超低排放水平。

本发明实施例另一个重大特征在于其燃烧的稳定性好、燃烧完全，通过旋流器的设计在燃烧器出口形成回流区，起到稳定燃烧的作用；燃烧喷管的布置方式能控制预混效果，使得燃烧器不发生回火等问题。

本发明所提供的撞击流部分预混低氮气体燃烧器，综合了多种低氮燃烧机理，区别于目前普遍采用的扩散燃烧技术，扩散燃烧技术难以对快速型NOx实现控制，且局部热斑所形成的热力型NOx难以抑制；也区别于贫燃预混技术，贫燃预混由于过剩空气系数较大，造成排烟热损失过大，降低系统热效率，也存在燃烧不稳定的问题。

本发明所提供的撞击流部分预混低氮气体燃烧器，能在减少NOx生成的同时解决预混火焰与烟气再循环的燃烧不稳定、热效率低等问题。具有燃烧污染物排放少，例如，具有超低NOx排放，燃烧完全，燃烧稳定性好，燃烧效率高，结构简单可靠。民用和工业炉燃烧都可以使用, 具有广泛的应用前景。

另外，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其它变化，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (10)

1.一种撞击流部分预混低氮气体燃烧器，其包括燃烧头，该燃烧头包括：

一圆柱形空气流道；

一设置在该圆柱形空气流道内部的旋流器，该旋流器包括外环、内环、设置在该外环和内环之间的旋流片以及设置在内环中心孔的中心钝体；

一设置在燃烧器旋流器的外侧且位于该圆柱形空气流道内部的燃料喷管，该燃料喷管包括燃料管以及设置于该燃料管侧面的燃料喷口，燃料从所述燃料喷口喷出，气流沿着所述旋流器径向方向，与所述旋流器外壁面产生撞击后，实现与空气的迅速混合，达到部分预混。

2.如权利要求1所述的撞击流部分预混低氮气体燃烧器，其特征在于，在所述撞击流部分预混低氮气体燃烧器出口进一步设置有二次燃料喷口，该二次燃料喷口分布在所述撞击流部分预混低氮气体燃烧器出口的圆环上。

3.如权利要求2所述的撞击流部分预混低氮气体燃烧器，其特征在于，在所述撞击流部分预混低氮气体燃烧器出口设置有稳焰段，该稳焰段为所述二次燃料出口的圆环向远离所述撞击流部分预混低氮气体燃烧器延长的那一段。

4.如权利要求3所述的撞击流部分预混低氮气体燃烧器，其特征在于，所述二次燃料喷口的数量为10-40个，直径为2-6mm，占总燃料比例为20-80％。

5.如权利要求1所述的撞击流部分预混低氮气体燃烧器，其特征在于，所述旋流片的个数为10-20个。

6.如权利要求1所述的撞击流部分预混低氮气体燃烧器，其特征在于，所述旋流片的倾斜角度范围为10-30°。

7.如权利要求1所述的撞击流部分预混低氮气体燃烧器，其特征在于，所述内环和外环的直径比为1:3。

8.如权利要求1所述的撞击流部分预混低氮气体燃烧器，其特征在于，所述燃料管的根数为5-32根。

9.如权利要求1所述的撞击流部分预混低氮气体燃烧器，其特征在于，所述各个燃料管的顶面设置有燃料喷口。

10.如权利要求1所述的撞击流部分预混低氮气体燃烧器，其特征在于，所述燃料喷口距离所述外环的距离为该燃料喷口直径的1-10倍。