CN101968220B

CN101968220B - 低氮氧化物燃烧工艺和燃烧装置以及应用

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Publication number: CN101968220B
Application number: CN2010105221178A
Authority: CN
Inventors: 刘联胜; 吴晋湘; 苟湘; 林博颖; 王恩宇
Original assignee: Hebei University of Technology
Current assignee: Hebei University of Technology
Priority date: 2010-10-28
Filing date: 2010-10-28
Publication date: 2012-01-11
Anticipated expiration: 2030-10-28
Also published as: CN101968220A

Abstract

本发明涉及一种低氮氧化物燃烧工艺和燃烧装置以及应用。利用氧浓度为13％-21％的贫氧与碳氢燃料组织化学当量比为1.1-1.3的部分预混燃烧过程，以抑制温度型NOx的生成，同时利用氧浓度为21％-30％的富氧在主燃区外侧组织补燃过程，以降低碳烟和CO的生成量；整个燃烧过程的总体化学当量比控制在1.0以下。具体是利用空气分离设备制备的贫氧与碳氢燃料组织部分预混、燃烧过程，在稳焰器下游形成还原性主燃区，可有效抑制温度型NOx的生成；然后将富氧以旋流形式从主燃区外侧送入，组织剩余燃料及热分解产物的补燃过程，可有效降低燃烧产物中碳烟和CO的生成量。本发明具有燃烧效率高、污染物排放低、火焰稳定及火焰温度场均匀等特点，适用于地面燃气轮机、燃油燃气锅炉及加热炉等动力设备。

Description

低氮氧化物燃烧工艺和燃烧装置以及应用

技术领域

本发明涉及一种低氮氧化物燃烧工艺和燃烧装置以及应用，具体说是一种利用贫氧(13％≤O₂≤21％)组织部分预混燃烧，利用富氧(21％≤O₂≤30％)完成燃尽过程的清洁、高效燃烧技术(贫氧部分预混-富氧补燃工艺)及燃烧装置。

背景技术

传统燃烧技术多采用扩散燃烧，利用旋转射流或交叉射流实现燃料与空气、富氧甚至纯氧之间的混合燃烧过程，尽管这种方法提高了燃烧效率，但在射流混合边界层区域将形成局部反应高温区，致使氮氧化物(NOx)生成量大幅度提高。基于扩散燃烧过程NOx的生成机理，各国学者相继提出了空气分级燃烧、浓淡燃烧、烟气再循环、富燃/猝冷/贫燃等低NOx燃烧技术，通过降低主燃区温度或氧浓度、缩短氧气在高温区的逗留时间、将烟气中的NOx还原等措施，达到降低扩散燃烧过程NOx生成量的目的。但是，降低污染物排放与强化燃烧之间始终是一对矛盾关系，上述低NOx燃烧技术在实施过程中均有可能因燃料/氧气混合不良而造成碳烟和CO生成量提高。

相对于扩散燃烧而言，预混燃烧过程不受组分扩散等因素的制约，其燃烧效率更高，不仅利于缩小燃烧室体积，并可通过控制预混气中燃料或氧气浓度来控制火焰温度和NOx生成量。基于上述理论发展而来的贫燃预混燃烧技术(Lean premixed combustion)和贫燃预混预蒸发燃烧技术(Lean premixed prevaporized combustion)是目前最具发展潜力的低NOx燃烧技术。其基本原理是将燃料与空气在较低的化学当量比下预先混合，并组织旋流燃烧过程；因其火焰温度相对较低，故NOx生成量较小，同时由于氧气充足且燃料/氧气混合均匀，故碳烟和CO的生成量也远远小于扩散火焰。因此，贫燃预混燃烧可以实现更加清洁、高效的燃烧过程。但也恰恰是由于贫燃预混旋流火焰的工作条件过于靠近贫燃熄火极限，并且较大的旋流强度和湍流强度易于诱发剪切边界层内出现不稳定的涡漩进动(Processing Vortex Core)，易于造成火焰面内发生局部猝熄，致使火焰热释放出现周期性脉动；在某些情况下，脉动的火焰热释放会与燃烧室内的声压振荡发生激励振荡，形成所谓的热声耦合振荡，最终将导致预混火焰发生动力学失稳甚至熄灭。

通过对贫燃预混旋流燃烧过程NOx排放特性和火焰动力学稳定性的实验及理论研究，专利申请人发现，利用多孔介质稳定火焰、采用部分预混/环流注气可有效降低预混燃烧过程热声耦合振荡的幅值，并可将NOx、碳烟和CO生产量控制在较低的范围内。基于上述实验和理论分析结果，特提出了一种利用贫氧(13％≤O₂≤21％)组织部分预混燃烧、利用富氧(21％≤O₂≤30％)组织燃尽过程的低NOx高效燃烧技术，同时设计了基于该技术的燃烧装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种低氮氧化物燃烧工艺和燃烧装置以及应用，它是有效降低碳氢燃料燃烧过程中NOx、碳烟及CO生成量的“贫氧部分预混-富氧补燃”燃烧工艺技术和以之为理论基础的燃烧装置。本发明一方面综合了空气分级燃烧、浓淡燃烧、贫燃预混燃烧及富氧燃烧技术的优点，另一方面克服了上述各技术各自的技术缺陷，具有污染物排放低、燃烧效率高、火焰稳定性好及火焰温度场均匀等特点，应用广泛。

本发明提供的一种低氮氧化物燃烧工艺包括的步骤：利用贫氧与碳氢燃料组织部分预混燃烧过程，以抑制NOx的生成，同时利用富氧在主燃区外侧组织补燃过程，以降低碳烟和CO的生成量；整个燃烧过程的总体化学当量比控制在1.0以下。

本发明提供的一种低氮氧化物燃烧工艺包括的步骤：

利用氧浓度为13％-21％的贫氧与碳氢燃料组织化学当量比为1.1-1.3的部分预混燃烧过程，以抑制温度型NOx的生成，同时利用氧浓度为21％-30％的富氧在主燃区外侧组织补燃过程，以降低碳烟和CO的生成量；整个燃烧过程的总体化学当量比控制在1.0以下。

利用膜法富氧设备等产生氧浓度在13％-21％之间的贫氧(慢气)实现与碳氢燃料组织化学当量比为1.1-1.3的部分预混燃烧过程。

所述的利用膜法富氧设备等产生的氧浓度在21％-30％之间的富氧组织总体当量比小于1.0的补燃过程。

所述的部分预混燃烧过程是在燃烧装置的预混室内利用径向旋流和直射流组织贫氧与碳氢燃料的部分预混过程。

所述的部分预混燃烧过程是利用旋流稳焰器和多孔介质稳焰器实现部分预混火焰的稳定，形成还原性气氛的主燃区。

所述的补燃过程是利用切向旋流组织氧浓度21％-30％的富氧与未燃尽燃料及热分解产物的燃尽过程，并控制总体化学当量比在1.0以下。

本发明提供的一种低氮氧化物燃烧装置主要包括：燃料入口管、贫氧入口管、径向旋流叶片、预混室、稳焰器、富氧入口管和切向旋流叶片。

燃烧装置为圆柱形的三层套筒结构。燃料入口管作为中心套筒位于轴心位置，其始端与燃料管道相连，其末端与预混室相连。贫氧入口管位于燃料入口管外侧，径向旋流叶片(可选一组8片)围绕预混室布置，切向旋流叶片与外侧套筒内壁面连接；空气分离设备产生的贫氧经由贫氧入口管进入中间套筒后，然后经过径向旋流叶片以旋转射流方式进入预混室内，与燃料形成部分预混可燃气。切向旋流稳焰器(或多孔介质稳焰器)位于预混室顶部出口中心位置，部分可燃预混气经由切向旋流稳焰器(或多孔介质稳焰器)进入燃烧室，形成还原性气氛的主燃区。富氧入口管与燃烧装置外侧套筒切向连接，空气分离设备制备的富氧经由富氧入口管进入外侧套筒，然后流经外侧套筒出口的切向旋流叶片，以旋转射流方式进入燃烧室，在主燃区外侧形成氧化性气氛的补燃区。

燃烧装置整体为圆柱形，燃料入口管、贫氧入口管、富氧入口管均为圆管；预混室为圆柱状腔室；径向旋流叶片是一组直叶片，与预混室上下端盖焊接；切向旋流叶片7是一组直叶片，与外侧套筒内壁面焊接；切向旋流稳焰器(或多孔介质稳焰器)5由一组扭曲叶片，叶片内外两端分别与中心圆柱和外侧圆管内壁面焊接(多孔介质稳焰器是紧固在圆管内的多孔陶瓷体)。

本发明的特点详细描述如下：

本发明所涉及的“富氧”是指利用空气分离技术(如膜法富氧制备技术)制备得到的氧浓度介于21％-30％的氧气/氮气混合气体，而“贫氧”则是指空气分离后所产生的氧浓度介于13％-21％的慢气(通常情况下，这种浓度的慢气多直接排入大气，而不加以利用)。上述“富氧”、“贫氧”的浓度可通过调整富氧制备设备的工作参数予以保证。

本发明所涉及的“贫氧部分预混-富氧补燃技术”是指将“贫氧”和碳-氢气体燃料按某一化学当量比Φ(1.1≤Φ≤1.3)进行预混燃烧，形成还原性气氛的主燃区；同时，在主燃区外侧，利用旋转射流方式送入“富氧”，形成氧化性气氛的补燃区；在碳氢燃料的整个燃烧过程中，保持总体化学当量比Φ小于1.0。采用“贫氧部分预混”可使主燃区火焰温度降低150-200℃，从而有效抑制温度型NOx的生成；同时，主燃区内的还原性气氛也有助于将NOx还原成N₂。采用“富氧补燃”有助于提高主燃区外侧剩余碳氢燃料及其热分解产物的燃烧速度和燃尽程度，可有效降低燃烧产物中碳烟和CO的体积含量。研究结果显示，在相同的工况下，相对于贫燃预混燃烧而言，采用“贫氧部分预混-富氧补燃”技术可降低烟气中NOx浓度75％以上，碳烟和CO的生成量相当，火焰稳定性大大提高。

本发明可用于地面燃气轮机、燃油燃气锅炉及燃油燃气加热炉等动力设备。

本发明一方面综合了空气分级燃烧、浓淡燃烧、贫燃预混燃烧及富氧燃烧技术的优点，另一方面克服了上述各技术各自的技术缺陷，具有污染物排放低、燃烧效率高、火焰稳定性好及火焰温度场均匀等特点，本发明应用广泛。

附图说明

图1a是燃烧装置剖面示意图(旋流稳焰器)。

图1b是燃烧装置剖面示意图(多孔介质稳焰器)。

图2是燃烧装置A-A视图。

图3a是贫燃预混条件下燃烧室内的速度场示意图。

图3b是贫氧部分预混-富氧补燃条件下燃烧室内的速度场示意图。

图4a是贫燃预混条件下燃烧室内的温度场示意图。

图4b是贫氧部分预混-富氧补燃条件下燃烧室内的温度场示意图。

图5a是贫燃预混条件下燃烧室内的NO浓度场示意图。

图5b是贫氧部分预混-富氧补燃条件下燃烧室内的NO浓度场示意图。

具体实施方式

本发明参照附图详细说明如下：

图1a、图1b分别是采用旋流稳焰器和多孔介质稳焰器的燃烧装置剖面图，图2是燃烧装置A-A视图。

图中1为碳氢燃料入口管，2为贫氧入口管，3为径向旋流叶片，4为预混室，5为旋流稳焰器或多孔介质稳焰器，6为富氧入口管，7为切向旋流叶片。

本发明所涉及的燃烧装置是基于上述技术理论设计的，可合理组织碳氢燃料的高效、低NOx燃烧过程。该燃烧装置主要由燃料入口管1、贫氧入口管2、径向旋流叶片3、预混室4、稳焰器5、富氧入口管6和切向旋流叶片7组成。

燃烧装置为圆柱形，三层套筒结构。燃料入口管1作为中心套筒位于轴心位置，其始端与燃料管道相连，其末端与预混室4相连。贫氧入口管2位于燃料入口管1外侧，径向旋流叶片3(一组8片)围绕预混室4布置，空气分离设备产生的贫氧经由贫氧入口管2进入中间套筒后，然后经过径向旋流叶片3以旋转射流方式进入预混室4内，与燃料形成部分预混可燃气。切向旋流稳焰器(或多孔介质稳焰器)5位于预混室4顶部出口中心位置，部分可燃预混气经由切向旋流稳焰器(或多孔介质稳焰器)5进入燃烧室，形成还原性气氛的主燃区。富氧入口管6与燃烧装置外侧套筒切向连接，空气分离设备制备的富氧经由富氧入口管6进入外侧套筒，然后流经外侧套筒出口的切向旋流叶片7，以旋转射流方式进入燃烧室，在主燃区外侧形成氧化性气氛的补燃区。

燃烧装置整体为圆柱形，燃料入口管1、贫氧入口管2、富氧入口管6均为圆管；预混室4为圆柱状腔室；径向旋流叶片3是一组直叶片，与预混室4上下端盖焊接；切向旋流叶片7是一组直叶片，与外侧套筒内壁面焊接；切向旋流稳焰器(或多孔介质稳焰器)5由一组扭曲叶片，叶片内外两端分别与中心圆柱和外侧圆管内壁面焊接(多孔介质稳焰器是紧固在圆管内的多孔陶瓷体)。

碳氢气体燃料经中心燃料入口管1以直流形式进入预混室4；贫氧按某一化学当量比φ经贫氧入口管2和径向旋流叶片3以旋流形式进入预混室4；两者在预混室4内完成混合过程，形成部分预混可燃气；部分预混可燃气经旋流或多孔介质稳焰器5喷出燃烧，形成还原性气氛的主燃区。富氧经富氧入口管6和切向旋流叶片7以旋转射流方式从主燃区外侧送入，与从主燃区流出的剩余燃料及热分解产物发生燃烧反应，形成补燃区。

本发明利用膜法富氧制备设备(膜法富氧制备设备，河南能信节能科技有限公司，产品型号：MZYR-25至MZYR-300，富氧置备量400方/小时至2500方/小时)或其它空气分离设备制备氧浓度为21％-30％的富氧以及13％-21％的贫氧；将贫氧和碳氢燃料以某一化学当量比Φ(1.1≤Φ≤1.3)在预混室内进行均匀预混，并在旋流稳焰器和多孔介质稳焰器下游形成还原性气氛的主燃区；在保持总体化学当量比小于1.0的情况下，将富氧以旋转射流形式从主燃区外侧送入，使之与剩余燃料及热分解产物混合燃烧，形成氧化性气氛的补燃区。

在保持总体当量比Φ＝0.625相同的情况下，模拟研究了贫燃预混燃烧和贫氧部分预混-富氧补燃条件下燃烧室内的的NOx生成情况，模拟参数为：中心贫氧浓度为18％，外侧富氧浓度为24％。模拟结果图所示：

图3a是贫燃预混条件下燃烧室内的速度场示意图。图3b是贫氧部分预混-富氧补燃条件下燃烧室内的速度场示意图。两者的速度分布趋势基本一致，但后者的中心旋流速度略高，环形射流速度略低，平均速度稍低。

图4a是贫燃预混条件下燃烧室内的温度场示意图；图4b是贫氧部分预混-富氧补燃条件下燃烧室内的温度场示意图；后者火焰高温区温度明显降低，燃烧室内温度场更加均匀。

图5a是贫燃预混条件下燃烧室内的NO浓度场示意图；图5b是贫氧部分预混-富氧补燃条件下燃烧室内的NO浓度场示意图；可以看出NO浓度对比(质量分数)结果，后者的NO浓度降低了75％以上。

Claims

1.一种低氮氧化物燃烧工艺，其特征在于它包括的步骤：利用氧浓度为13％-21％的贫氧与碳氢燃料组织化学当量比为1.1-1.3的部分预混燃烧过程，以抑制NOx的生成，同时利用氧浓度为21％-30％的富氧在主燃区外侧组织补燃过程，以降低碳烟和CO的生成量；整个燃烧过程的总体化学当量比控制在1.0以下。

2.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于利用膜法富氧设备产生氧浓度在13％-21％之间的贫氧，实现与碳氢燃料组织化学当量比为1.1-1.3的部分预混燃烧过程。

3.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于利用膜法富氧设备产生的氧浓度在21％-30％之间的富氧实现总体化学当量比小于1.0的补燃过程。

4.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于所述的部分预混燃烧过程是在燃烧装置的预混室内利用径向旋流和直射流组织贫氧与碳氢燃料的部分预混过程。

5.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于所述的部分预混燃烧过程是利用旋流稳焰器或多孔介质稳焰器实现部分预混火焰的稳定，形成还原性气氛的主燃区。

6.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于所述的补燃过程是利用切向旋流组织氧浓度21％-30％的富氧与未燃尽燃料及热分解产物的燃尽过程，并控制总体化学当量比在1.0以下。

7.一种权利要求1所述的低氮氧化物燃烧工艺的燃烧装置，其特征在于主要包括：燃料入口管、贫氧入口管、径向旋流叶片、预混室、稳焰器、富氧入口管和切向旋流叶片；

燃料入口管作为中心套筒位于轴心位置，其始端与燃料管道相连，其末端与预混室相连；贫氧入口管位于燃料入口管外侧，径向旋流叶片围绕预混室布置，稳焰器位于预混室顶部出口中心位置，富氧入口管与燃烧装置外侧套筒切向连接，切向旋流叶片与外侧套筒内壁面连接；燃烧装置整体为圆柱形，三层套筒结构。

8.根据权利要求7所述的燃烧装置，其特征在于所述的稳焰器是切向旋流稳焰器或多孔介质稳焰器。

9.根据权利要求1所述的低氮氧化物燃烧工艺的应用，其特征在于可用于地面燃气轮机、燃油燃气锅炉及燃油燃气加热炉动力设备。