CN109973994B - 一种低氮燃烧器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种低氮燃烧器，包括壳体，壳体由燃料段和燃烧段同轴连接而成，燃料段外壁上垂直连接有燃料气接管；燃烧段外壁上垂直连接有助燃空气接管，燃烧段还包括与燃料段连通的燃料气通道，低氮燃烧器还包括点火装置、一级燃料气分支管路；一级燃料气分支管路与燃料气通道连通，一级燃料分支管路上开设一级燃料喷口；燃烧段内侧还连接有二级燃料气环隙通道和二级燃料气分支管路，二级燃料气环隙一端设置若干二级燃料喷管。本发明采用燃料分级和烟气内循环的结构，助燃空气与一级燃料喷口喷出的气流垂直撞击，被长明灯点燃。在燃烧器出口处，二级燃料喷出，加入燃烧，高速气流或火焰形成局部负压，形成低温富燃区，从而减少NOx。
Description
技术领域
本发明属于工业设备领域，具体涉及一种低氮燃烧器。
背景技术
随着全球化石能源消耗及环境问题日益显著，节能减排已经成为世界各国工业化进程中亟需面对的问题。对我国来说，40多年来粗放、不计代价的经济发展模式对能源、环境造成的影响尤其巨大，节能减排任务艰巨。中低热值气体燃料广泛存在于煤炭生产、煤化工、石油化工、钢铁、冶金、纺织印染等行业的生产过程中，如焦炉煤气、高炉煤气、转炉煤气等。而对中低热值气体燃料的工业应用研究近年来才受到重视，这类气体热值低，但来源广泛，总量巨大，强化其循环利用具有重要的节能和环保意义，也有利于提高能源利用率，进而缓解我国能源供需矛盾。
随着燃烧技术的发展，研发以中低热值气体为燃料的燃烧器已经成为我国节能减排的重要课题之一。然而多年以来，对中低热值气体燃料燃烧器的研究主要集中在对燃烧器的性能改进方面，而对燃烧烟气中氮氧化物控制方面的关注度远远不够。
随着最新的《大气污染物排放标准》(GB13223-2011)的实施，全国多地出台政策要求燃气锅炉的NOx排放质量浓度控制到30mg/m3(标态，3.5％O2)以下。而目前常规的燃烧器已经不能满足最新的排放要求。为了满足最新的环保标准，有必要在已有的技术基础之上，研发设计一种结构合理、燃烧效率高、NOx排放低的气体燃料低氮燃烧器。
发明内容
针对上述现有技术的不足与缺陷，本发明的目的在于公开一种低氮燃烧器，解决现有技术中燃烧器结构复杂，燃烧效率低，局部燃烧温度高，NOx排放浓度高技术问题。
为了解决上述技术问题，本申请采用如下技术方案予以实现：一种低氮燃烧器，包括壳体，所述的壳体由燃料段和燃烧段同轴连接而成，所述的燃料段外壁上垂直连接有燃料气接管；
所述的燃烧段外壁上垂直连接有助燃空气接管，所述的燃烧段还包括与燃料段连通的燃料气通道，所述的低氮燃烧器还包括与壳体同轴套接的点火装置；
所述的燃烧段还包括沿燃料气通道径向设置并连通的若干个一级燃料气分支管路，所述的一级燃料气分支管路一端与燃料气通道连通，另一端封闭，每个一级燃料气分支管路上沿周向双侧均匀开设若干个一级燃料喷口；
所述的燃烧段内侧还连接有二级燃料气环隙通道，所述的二级燃料气环隙通道与燃料气通道之间连接有二级燃料气分支管路，所述的二级燃料气分支管路连接在燃烧段中；
所述的二级燃料气环隙通道远离二级燃料气分支管路的一端设置有环板，所述的环板沿周向均匀设置若干二级燃料喷管。
本发明还具有如下技术特征：
所述的二级燃料喷管端面上沿圆周均匀布置有第一圆形喷孔、第二圆形喷孔和第三圆形喷孔，第一圆形喷孔、第二圆形喷孔和第三圆形喷孔与喷管轴向夹角均为15°，第一圆形喷孔沿着环板径向向外侧倾斜，第二圆形喷孔和第三圆形喷孔沿着环板径向向内侧倾斜。
所述的燃烧段由助燃空气腔体、助燃空气通道和燃烧腔体连通而成，所述的助燃空气接管与助燃空气腔体连通。
所述的助燃空气腔体中还同轴布置有助燃空气均布器，所述的助燃空气均布器由均径段和扩径段同轴连接而成，所述的均径段为空心圆柱形，所述的扩径段为空心圆台形；
所述的助燃空气均布器沿周向设置有若干个均流槽。
所述的助燃空气通道中还布置有助燃空气旋流装置，所述的助燃空气旋流装置为两层结构，由内至外为一级旋流叶片和二级旋流叶片，所述的一级旋流叶片与二级旋流叶片的流通面积比为2~3：7~8，一级旋流叶片、二级旋流叶片与轴向夹角均为30°；
所述的助燃空气旋流装置与第二燃料气通道套接，助燃空气旋流装置的外径与助燃空气通道内径为同一尺寸。
所述的助燃空气腔体上还连接有烟气再循环接口。
所述的二级燃料气环隙通道在靠近助燃空气均布器的一端设有挡板。
所述的点火装置包括并排布置的长明灯及火焰监测装置，点火装置贯穿燃料气通道。
所述的长明灯内设置有高能点火枪，所述的长明灯末端为喇叭形结构，喇叭口上周向均布若干个圆孔。
本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：
（Ⅰ）本发明采用燃料分级和烟气内循环的结构，全部的助燃空气经过旋流装置旋流后，与一级燃料喷口喷出的气流垂直撞击，充分混合后的气流被燃烧器中心长明灯点燃。在燃烧器出口处，大量的二级燃料由二级燃料喷口高速喷出，加入燃烧，高速气流或火焰形成局部负压，在锅炉炉膛内部产生烟气卷吸回流，形成低温富燃区，此时燃烧温度也远远低于1500℃，从而减少NOx。
（Ⅱ）本发明还采用了烟气外循环的结构，一部分排烟通过烟气再循环接口返回到助燃空气腔体中，与助燃空气混合，降低助燃空气的氧浓度，从而降低燃烧强度，同时返回的烟气可以吸收一部分热量，降低燃烧温度，从而抑制氮氧化物的生成。
附图说明
图1是本发明剖视结构示意图。
图2是本发明右视图结构示意图。
图3是一级燃料气支管剖视结构示意图。
图4是二级燃料气喷管端部结构示意图。
图5是助燃空气均布器结构示意图。
图6是助燃空气旋流装置结构示意图。
图中各个标号的含义为：1-壳体，2-燃料段，3-燃烧段，4-燃料气接管，5-助燃空气接管，6-燃料气通道，7-点火装置，8-一级燃料气分支管路，9-一级燃料喷口，10-二级燃料气环隙通道，11-二级燃料气分支管路，12-环板，13-二级燃料喷管，14-第一圆形喷孔，15-第二圆形喷孔，16-第三圆形喷孔，17-助燃空气腔体，18-助燃空气通道，19-燃烧腔体，20-助燃空气均布器，21-均径段，22-扩径段，23-均流槽，24-助燃空气旋流装置，25-一级旋流叶片，26-二级旋流叶片，27-烟气再循环接口，28-挡板，29-长明灯，30-火焰监测装置，31-高能点火枪。
以下结合附图和实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。
具体实施方式
以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
实施例：
遵从上述技术方案，如图1至图6所示，本实施例给出一种低氮燃烧器，包括壳体1，壳体1由燃料段2和燃烧段3同轴连接而成，燃料段2外壁上垂直连接有燃料气接管4；燃料气接管用于通入燃料气。
燃烧段3外壁上垂直连接有助燃空气接管5，燃烧段3还包括与燃料段2连通的燃料气通道6，低氮燃烧器还包括与壳体1同轴套接的点火装置7；助燃空气接管用于通入助燃空气，燃料气通道输送燃料气，点火装置用于点火。
燃烧段3还包括沿燃料气通道6径向设置并连通的若干个一级燃料气分支管路8，一级燃料气分支管路8一端与燃料气通道6连通，另一端封闭，每个一级燃料气分支管路8上沿周向双侧均匀开设若干个一级燃料喷口9；一部分燃料气经过燃料气通道进入一级燃料气分支管路8，然后经过一级燃料喷口喷出，参加燃烧。
燃烧段3内侧还连接有二级燃料气环隙通道10，二级燃料气环隙通道10与燃料气通道6之间连接有二级燃料气分支管路11，二级燃料气分支管路11连接在燃烧段3中；
二级燃料气环隙通道10远离二级燃料气分支管路11的一端设置有环板12，环板12沿周向均匀设置若干二级燃料喷管13。另一部分燃料气通过燃料气通道进入二级燃料气分支管路，经过二级燃料气环隙通道后从二级燃料喷管喷出，参加燃烧。
作为本实施例的一种优选，二级燃料喷管13端面上沿圆周均匀布置有第一圆形喷孔14、第二圆形喷孔15和第三圆形喷孔16，第一圆形喷孔14、第二圆形喷孔15和第三圆形喷孔16与喷管轴向夹角均为15°，第一圆形喷孔14沿着环板12径向向外侧倾斜，第二圆形喷孔15和第三圆形喷孔16沿着环板12径向向内侧倾斜。
燃料气从圆形喷口高速喷出时，会卷吸周围的烟气，能够降低燃烧温度，避免燃烧过程中局部高温区的形成。
第一圆形喷孔沿着环板径向向外侧倾斜，起分散燃烧的作用，避免形成局部剧烈、高温燃烧区域。
第二圆形喷孔和第三圆形喷孔沿着环板径向向内侧倾斜，使二级燃料气直接喷入中心燃烧区域，一方面起稳定燃烧的作用，另一方面高速气流卷吸周围的烟气加入燃烧，能够降低燃烧中心温度，从而避免形成局部高温区。
作为本实施例的一种优选，燃烧段3由助燃空气腔体17、助燃空气通道18和燃烧腔体19连通而成，助燃空气接管5与助燃空气腔体17连通。
作为本实施例的一种优选，助燃空气腔体17中还同轴布置有助燃空气均布器20，助燃空气均布器20由均径段21和扩径段22同轴连接而成，均径段21为空心圆柱形，扩径段22为空心圆台形；
助燃空气均布器20沿周向设置有若干个均流槽23。
助燃空气均布器一方面使助燃空气由助燃空气腔体沿周向均匀分布进入助燃空气通道中，防止助燃空气由入口侧直接进入助燃空气通道中，导致助燃空气严重分布不均匀，从而影响与一级燃料气的混合；另一方面使返回助燃空气腔体中的再循环烟气沿周向均匀分布进入助燃空气通道中，使再循环烟气与助燃空气充分混合，避免再循环烟气与助燃空气直接对冲，导致气流分布不均。
作为本实施例的一种优选，助燃空气通道18中还布置有助燃空气旋流装置24，助燃空气旋流装置24为两层结构，由内至外为一级旋流叶片25和二级旋流叶片26，一级旋流叶片25与二级旋流叶片26的流通面积比为2~3：7~8，一级旋流叶片25、二级旋流叶片26与轴向夹角均为30°；
助燃空气旋流装置主要作用一方面是利用旋流叶片的旋流作用，使助燃空气经过旋流叶片后产生较强的旋转，从而加强其与燃料气的混合；另一方面是根据两级旋流叶片的面积比，将助燃空气分为一级助燃空气与二级助燃空气，使助燃空气以不同的形式和时间与一级燃料气混合燃烧。
助燃空气旋流装置24与第二燃料气通道6套接，助燃空气旋流装置24的外径与助燃空气通道18内径为同一尺寸。
作为本实施例的一种优选，助燃空气腔体17上还连接有烟气再循环接口27。
一部分排烟通过烟气再循环接口返回到助燃空气腔体中，与助燃空气混合，降低助燃空气的氧浓度，从而降低燃烧强度，同时返回的烟气可以吸收一部分热量，降低燃烧温度，从而抑制氮氧化物的生成。
作为本实施例的一种优选，二级燃料气环隙通道10在靠近助燃空气均布器20的一端设有挡板28。挡板用以与助燃空气腔体进行分隔。
作为本实施例的一种优选，点火装置7包括并排布置的长明灯29及火焰监测装置30，点火装置7贯穿燃料气通道6。
作为本实施例的一种优选，长明灯29内设置有高能点火枪31，长明灯29末端为喇叭形结构，喇叭口上周向均布若干个圆孔。
火焰监测装置30用于对燃烧器内长明灯29的火焰进行实时监控，并与整个燃烧器系统进行安全连锁控制。当出现燃烧器点火失败、炉膛内长明灯突然灭火等不正常工况时，火焰检测装置30的信号灯会熄灭，并反馈至中央控制系统。系统通过连锁控制，瞬时切断燃料气供应，确保系统安全。
其中，燃料气采用焦炉煤气。
其中，助燃空气余气系数为1.3～1.4。
其中，一级燃料与二级燃料分配比为30～40%：60～70%。
其中，再循环烟气量为总烟气量的15～25%。
本实施例的具体工作过程为：
焦炉煤气分两级分别从燃料气主通道和二级燃料气环隙通道供入参与燃烧，助燃空气全部由助燃空气通道供气。一部分排烟通过烟气再循环（FGR）接口返回到助燃空气腔体中，与助燃空气混合，降低助燃空气的氧浓度，从而降低燃烧强度，同时返回的烟气可以吸收一部分热量，降低燃烧温度，从而抑制氮氧化物的生成。
全部的助燃空气经过助燃空气旋流装置旋流后，与一级燃料喷口喷出的燃料气流垂直撞击，充分混合后的气流被燃烧器中心长明灯点燃。一级燃料与全部助燃空气在燃烧器中心形成富氧贫燃区，虽然此处助燃空气过量系数很大，但是由于燃料量很小，所以此处燃烧温度远低于1500℃，从而不会形成大量的NOx。在燃烧器出口处，大量的二级燃料由二级燃料喷口高速喷出加入燃烧，高速气流形成局部负压，在锅炉炉膛内部产生烟气卷吸回流，形成低温富燃区，此时燃烧温度也远远低于1500℃，从而也不会形成大量的NOx，从而保证燃烧器出口NOx排放质量浓度小于30mg/m3，满足最新的环保要求。
Claims (4)
1.一种低氮燃烧器，包括壳体（1），所述的壳体（1）由燃料段（2）和燃烧段（3）同轴连接而成，所述的燃料段（2）外壁上垂直连接有燃料气接管（4）；
所述的燃烧段（3）外壁上垂直连接有助燃空气接管（5），所述的燃烧段（3）还包括与燃料段（2）连通的燃料气通道（6），所述的低氮燃烧器还包括与壳体（1）同轴套接的点火装置（7）；
其特征在于，所述的燃烧段（3）还包括沿燃料气通道（6）径向设置并连通的若干个一级燃料气分支管路（8），所述的一级燃料气分支管路（8）一端与燃料气通道（6）连通，另一端封闭，每个一级燃料气分支管路（8）上沿周向双侧均匀开设若干个一级燃料喷口（9）；
所述的燃烧段（3）内侧还连接有二级燃料气环隙通道（10），所述的二级燃料气环隙通道（10）与燃料气通道（6）之间连接有二级燃料气分支管路（11），所述的二级燃料气分支管路（11）连接在燃烧段（3）中；
所述的二级燃料气环隙通道（10）远离二级燃料气分支管路（11）的一端设置有环板（12），所述的环板（12）沿周向均匀设置若干二级燃料喷管（13）；
所述的燃烧段（3）由助燃空气腔体（17）、助燃空气通道（18）和燃烧腔体（19）连通而成，所述的助燃空气接管（5）与助燃空气腔体（17）连通；
所述的助燃空气腔体（17）中还同轴布置有助燃空气均布器（20），所述的助燃空气均布器（20）由均径段（21）和扩径段（22）同轴连接而成，所述的均径段（21）为空心圆柱形，所述的扩径段（22）为空心圆台形；
所述的助燃空气均布器（20）沿周向设置有若干个均流槽（23）；
所述的二级燃料气环隙通道（10）在靠近助燃空气均布器（20）的一端设有挡板（28）；
所述的点火装置（7）包括并排布置的长明灯（29）及火焰监测装置（30），点火装置（7）贯穿燃料气通道（6）；
所述的长明灯（29）内设置有高能点火枪（31），所述的长明灯（29）末端为喇叭形结构，喇叭口上周向均布若干个圆孔。
2.如权利要求1所述的低氮燃烧器，其特征在于，所述的二级燃料喷管（13）端面上沿圆周均匀布置有第一圆形喷孔（14）、第二圆形喷孔（15）和第三圆形喷孔（16），第一圆形喷孔（14）、第二圆形喷孔（15）和第三圆形喷孔（16）与喷管轴向夹角均为15°，第一圆形喷孔（14）沿着环板（12）径向向外侧倾斜，第二圆形喷孔（15）和第三圆形喷孔（16）沿着环板（12）径向向内侧倾斜。
3.如权利要求1所述的低氮燃烧器，其特征在于，所述的助燃空气通道（18）中还布置有助燃空气旋流装置（24），所述的助燃空气旋流装置（24）为两层结构，由内至外为一级旋流叶片（25）和二级旋流叶片（26），所述的一级旋流叶片（25）与二级旋流叶片（26）的流通面积比为2~3：7~8，一级旋流叶片（25）、二级旋流叶片（26）与轴向夹角均为30°；
所述的助燃空气旋流装置（24）与燃料气通道（6）套接，助燃空气旋流装置（24）的外径与助燃空气通道（18）内径为同一尺寸。
4.如权利要求1所述的低氮燃烧器，其特征在于，所述的助燃空气腔体（17）上还连接有烟气再循环接口（27）。
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