CN111023091B - 一种高温烟气多级回流低氮燃烧器及其燃烧方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高温烟气多级回流低氮燃烧器及其燃烧方法，燃烧器包括外壳、燃料母管和燃烧头，燃料母管设置在外壳内，且两者之间形成空气通道。燃烧头包括连接管、二次燃料管、一次燃料管、二次燃料分配环管和旋流盘。二次燃料分配环管呈同心圆式设置在旋流盘外周，共同作为燃烧头的出口。外壳前端内壁面设置有涡流板，且一一对应式设置在烟气回流孔处。使一次风和燃料气分别通过空气通道和燃料母管进入燃烧器；使燃料气分别通过一次燃料管和二次燃料管分流成为一次燃料气和二次燃料气。一次燃料气在旋流盘中心形成值班火焰。二次燃料气与空气形成高速射流，卷吸高温烟气形成多级回流。本发明具有燃料分级、火焰分散、低NOx燃烧等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种高温烟气多级回流低氮燃烧器及其燃烧方法，属于燃烧技术领域。
背景技术
随着经济的快速发展，能源消耗快速增加以及全球气候变暖形势严峻，大气污染问题引起越来越广泛的关注。氮氧化物(NOx)是大气的主要污染物之一，不仅能形成酸雨，也是形成PM2.5的关键前驱物。因此进一步控制氮氧化物(NOx)排放对可持续发展至关重要。对于天然气锅炉来说，发展高效、低氮的燃烧器刻不容缓。
目前主要的低氮燃烧技术包括分级燃烧、无焰燃烧、烟气再循环、预混燃烧等。其技术路线主要围绕降低燃烧温度、减少反应物停留时间从而减少热力型NOx生成展开。各种低氮燃烧技术兼有优缺点，例如空气分级燃烧应用广泛，但减排效果有限；烟气再循环改造简易，然而进一步降低NOX排放将导致燃烧不稳定，并会对锅炉的稳定性产生一定影响；贫燃预混NOx减排效果好，但锅炉热效率会有所下降，而且可能会导致回火或者熄火。炉内烟气混合的技术近年获得较大的发展，然而由于采用文丘里方式进行混合，混合的均匀性以及烟气卷吸量受到运行参数的影响，或者无法降低NOX生成或者导致燃烧的不稳定。因此，如何结合燃料分级、炉内烟气多级回流和稳燃措施，进而实现低氮燃烧，是进一步降低NOX排放的一个有效方法。
发明内容
本发明旨在提供一种高温烟气多级回流低氮燃烧器，在中心值班火焰形成的回流区,帮助获得稳定燃烧的部分预混和贫燃料的火焰，进而降低值班火焰的燃烧温度和NOX的生成；在主燃料区域，通过空气射流形成的炉膛内大回流区，在促进主燃料和值班火焰的接续燃烧、空气与燃料的混合、以及回流高温烟气降低了氧分压，进而实现了稳定燃烧和降低NOX生成；主燃料出口附近回流的高温烟气，在燃料着火前与燃料混合，实现主燃料初期的柔和燃烧，通过上述分级燃料、分级回流的方法，实现稳定的低NOX燃烧，使得NOX排放小于30mg/Nm3(@3.5％O2)。
本发明通过以下技术方案实现：
一种高温烟气多级回流低氮燃烧器，包括外壳、燃料母管和燃烧头，所述燃料母管同中心轴式设置在所述外壳内，且所述燃料母管外壁面与所述外壳内壁面之间形成空气通道；以燃料喷出端为前，入口端为后，所述燃烧头设置在所述燃料母管前端；
所述燃烧头包括连接管、二次燃料管、一次燃料管、二次燃料分配环管和旋流盘；所述二次燃料分配环管呈同心圆式设置在所述旋流盘外周，共同作为所述燃烧头的出口；
所述连接管后端***式与所述燃料母管相连，前端设有密封盘，所述密封盘上设置有两个以上一次燃料管，所述一次燃料管呈射线状连接在所述连接管与所述旋流盘之间，并在所述旋流盘上设置有一次燃料喷口与所述一次燃料管相通；
所述连接管前端侧面设置有两个以上的二次燃料管，所述二次燃料管连接在所述连接管和所述二次燃料分配环管之间；所述二次燃料分配环管外侧均匀开设有若干二次燃料喷口；
所述旋流盘上还设置有若干旋流缝，所述一次燃料喷口均匀设置在若干旋流缝之间；
所述外壳前端还设置有若干烟气回流孔，所述烟气回流孔均匀环绕着设置在所述二次燃料分配环管与所述外壳之间，并在所述燃烧头的出口与所述外壳出口之间形成高温烟气混合区。
上述技术方案中，所述外壳前端内壁面设置有涡流板，所述涡流板一一对应式设置在所述烟气回流孔处，所述涡流板与所述外壳壁面之间夹角α为45-90°。
上述技术方案中，所述涡流板选用三角形涡流板，其顶角角度β为45-90°。
其中一种技术方案为，所述旋流盘选用一体圆板式结构，所述旋流缝呈径向开设在所述旋流盘上，且其长度小于所述旋流盘的半径，使旋流盘中心形成稳燃区；所述旋流盘中心稳燃区还设置有若干中心孔。
另一种技术方案为，所述旋流盘中心设有稳燃板，所述稳燃板与所述旋流盘壁面之间设置有若干径向的旋流叶片，相邻旋流叶片之间形成旋流缝；所述一次燃料喷口设置在旋流叶片上。
上述技术方案中，所述外壳一端设置火管，所述火管设置在所述燃烧头外周，且在轴向上可调。
一种高温烟气多级回流低氮燃烧方法，其使用上述低氮燃烧器，所述方法包括：
使一次风和燃料气分别通过空气通道和燃料母管进入所述燃烧器；
使燃料气分别通过一次燃料管和二次燃料管分流成为一次燃料气和二次燃料气；
使一次燃料气通过一次燃料管从旋流盘上的一次燃料喷口呈射流式喷入，在从旋流缝进入的旋流空气作用下形成中心火卷风，并形成值班火焰且火焰前端驻留在旋流盘中心的稳燃板上；
使二次燃料气通过二次燃料管进入二次燃料分配环管均匀分配后从其外侧的二次燃料喷口喷入，与从二次燃料分配环管与外壳之间进入的空气混合形成环绕燃料风，在二次燃料分配管和外壳间的环形通道形成高速射流；所述高速射流一方面在涡流板下游形成涡流，与从烟气回流孔卷吸进入的高温烟气混合，另一方面使从烟气回流孔卷吸进入的高温烟气、二次燃料与空气的混合气流经过涡流板后高速喷入炉膛形成大回流区，在中心火卷风的稳燃作用下实现低氮燃烧。
上述技术方案中，所述一次燃料的燃料量占总燃料量的5％-10％。
本发明具有以下优点及有益效果：
(1)通过设置中心稳燃板和旋流结构，形成了绕流中心轴的回流区，使得值班火焰前端驻留在中心稳燃板，所形成的火旋风火焰延长了火焰长度，增加了燃烧***稳定性，降低了值班火焰温度，减少了NOX的生成；
(2)主燃料通过分级回流，实现了与高温烟气的混合，在增加内循环烟气量的同时，通过逐级回流，降低了单级混合不均性的影响，进而减弱了燃烧的脉动，增强了燃烧的稳定性；
(3)通过上述的稳燃措施，可以实现一、二次燃料的比例最低可达到5％，二次燃料燃料通过二次燃料分配环管，可以实现均匀分布，消除了常规二次燃料与空气混合中出现的分配均匀性与动量不足导致的混合不均匀，进而实现了燃料分级、火焰分散的燃烧方式。
综上，本发明所提供一种高温烟气多级回流低氮燃烧器，既消除了外部烟气再循环的可靠和燃烧不稳定的影响，同时也消除了内部烟气再循环对炉膛结构、背压、环境温度等参数的影响，适应性广，可实现NOX排放小于30mg/Nm3(@3.5％O2)。
附图说明
图1为本发明所涉及的高温烟气多级回流低氮燃烧器示意图。
图2为本发明所涉及的高温烟气多级回流低氮燃烧器内部三维结构示意图。
图3为图2的侧视示意图。
图4为本发明所涉及的二次燃料分配管结构示意图。
图5为本发明所涉及的燃烧头支撑结构示意图。
图6是本发明所涉及的旋流盘结构图。
图中：1―空气通道；2―燃料进管；3―外壳；4―燃料母管；5―连接管；6―火管；7―活动燃料母管紧固螺栓；8―燃烧头支撑螺栓；9―二次燃料管；10―一次燃料管；11―二次燃料分配环管；12―二次燃料喷口；13―涡流板；14―旋流盘；15―旋流缝；16―一次燃料喷口；17―燃烧头支撑螺纹管；18―高温烟气回流孔；19―稳燃区；20―中心孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式及工作过程作进一步的说明。
本申请文件中的上、下、左、右、前和后等方位用语是基于附图所示的位置关系而建立的。附图不同，则相应的位置关系也有可能随之发生变化，故不能以此理解为对保护范围的限定。
如图1所示，一种高温烟气多级回流低氮燃烧器，包括外壳3、燃料母管4和燃烧头。燃料母管4同中心轴式设置在外壳3内，且燃料母管4外壁面与外壳3内壁面之间形成空气通道1；以燃料喷出端为前，入口端为后，燃烧头设置在燃料母管4前端；外壳3一端设置火管6，火管6设置在燃烧头外周，且在轴向上可调。
如图2所示，燃烧头包括连接管5、二次燃料管9、一次燃料管10、二次燃料分配环管11和旋流盘14。二次燃料分配环管11呈同心圆式设置在旋流盘14外周，共同作为燃烧头的出口。
连接管5后端***式与燃料母管4相连，且其前后可调。连接管5前端设有密封盘，密封盘上设置有两个以上一次燃料管10，一次燃料管10呈射线状连接在连接管5与旋流盘14之间，并在旋流盘14上设置有一次燃料喷口16与一次燃料管10相通；一次燃料的燃料量占总燃料量的5％-10％。
连接管5前端侧面设置有两个以上的二次燃料管9，二次燃料管9连接在连接管5和二次燃料分配环管11之间。
如图4所示，二次燃料分配环管11外侧均匀开设有若干二次燃料喷口12；
如图1和图3所示，外壳3前端还设置有若干烟气回流孔18，烟气回流孔18均匀环绕着设置在二次燃料分配环管11与外壳3之间，并在燃烧头的出口与外壳3出口之间形成高温烟气混合区。外壳3前端内壁面设置有涡流板13，涡流板13一一对应式设置在烟气回流孔18处，涡流板13与外壳3壁面之间夹角α为45-90°。涡流板13选用三角形涡流板，其顶角角度β为45-90°
如图5所示，燃料进口母管4通过燃烧头支撑螺栓8及燃烧头支撑螺纹管17固定，燃料进口母管4前端与活动燃料母管5相连，并通过活动燃料母管紧固螺栓7进行固定。在一些实施方式中，可改变固定形式并通过在轴向上前后移动活动燃料母管5，提前或延后燃料和空气的混合，控制炉膛中燃烧发生的区域。
其中一种实施方式如图6所示，旋流盘14选用一体圆板式结构，若干旋流缝15呈径向开设在旋流盘14，且其长度小于旋流盘14的半径，使旋流盘14中心形成稳燃区；旋流盘14中心稳燃区设有稳燃板，和若干中心孔20。一次燃料喷口16均匀设置在旋流缝15之间。
使一次燃料气通过一次燃料管10从旋流盘14上的一次燃料喷口16呈射流式喷入，在从旋流缝15进入的旋流空气作用下形成中心火卷风，加了中心值班火焰的长度，高速旋转气流形成回流，使火焰前端驻留在旋流盘14中心的稳燃板上，从而实现了中心值班火焰的宽化学当量比稳燃，在富燃料燃烧下降低值班火焰的NOX生成。
使二次燃料分配环管11与火管6间的环形通道形成类似于文丘里喉口作用，促进了二次燃料喷口12喷出的燃料与空气快速混合，并在环形通道出口形成高速射流，在涡流板13下游(靠近燃烧器燃料喷出端)形成涡流负压区，在烟气回流孔18内外侧形成压差，卷吸火管6外侧的高温烟气，实现主燃料着火前的第一次与高温烟气快速混合。通过调节活动火管6连接管5的位置，可控制炉内大回流区与值班火焰的混合位置，以适应炉膛的长度；调节涡流板13与外壳3壁面之间夹角α，可以调节涡流区的大小，进而控制高温烟气的回流量。通过上述结构，可以控制燃料和氧混合时间及混合分数的分布，从而控制燃烧速率、火焰温度以及反应物在高温区的停留时间，最终有效控制NOx的生成。
涡流板13出口的高温烟气、燃料、空气三者的混合气流高速喷入炉膛形成高温大回流区，在该回流区内实现主燃料的低氮燃烧，其回流到火管6外侧的燃尽高温烟气，除了通过烟气回流孔与助燃空气及主燃料混合外，在燃烧器出口附近进一步与助燃空气和燃料混合。因此，本发明通过值班火焰的回流、主燃料的二次回流所构建的多级回流，实现了大幅降低NOX情景下的稳定燃烧。
通过值班火焰的宽化学当量比稳燃措施，本发明可以进一步实现燃料的深度分级，使得一次燃料的比例最低可降低到5％。而二次燃料通过二次燃料分配环管11上的喷口12均匀喷出，进一步提高了火焰的分散性，避免出现局部高温区，最终有效控制NOX的生成。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种高温烟气多级回流低氮燃烧器，其特征在于，所述燃烧器包括外壳(3)、燃料母管(4)和燃烧头，所述燃料母管(4)同中心轴式设置在所述外壳(3)内，且所述燃料母管(4)外壁面与所述外壳(3)内壁面之间形成空气通道(1)；以燃料喷出端为前，入口端为后，所述燃烧头设置在所述燃料母管(4)前端；
所述燃烧头包括连接管(5)、二次燃料管(9)、一次燃料管(10)、二次燃料分配环管(11)和旋流盘(14)；所述二次燃料分配环管(11)呈同心圆式设置在所述旋流盘(14)外周；
所述连接管(5)后端***式与所述燃料母管(4)相连，前端设有密封盘，所述密封盘上设置有两个以上一次燃料管(10)，所述一次燃料管(10)呈射线状连接在所述连接管(5)与所述旋流盘(14)之间，并在所述旋流盘(14)上设置有一次燃料喷口(16)与所述一次燃料管(10)相通；
所述连接管(5)前端侧面设置有两个以上的二次燃料管(9)，所述二次燃料管(9)连接在所述连接管(5)和所述二次燃料分配环管(11)之间；所述二次燃料分配环管(11)外侧均匀开设有若干二次燃料喷口(12)；
所述旋流盘(14)上还设置有若干旋流缝(15)，所述一次燃料喷口(16)均匀设置在若干旋流缝(15)之间；所述旋流盘(14)选用一体圆板式结构，所述旋流缝(15)呈径向开设在所述旋流盘(14)上，且其长度小于所述旋流盘(14)的半径，使旋流盘(14)中心形成稳燃区；
所述外壳(3)前端还设置有若干烟气回流孔(18)，所述烟气回流孔(18)均匀环绕着设置在所述二次燃料分配环管(11)与所述外壳(3)之间，并在所述燃烧头的出口与所述外壳(3)出口之间形成高温烟气混合区；
所述外壳(3)前端内壁面设置有涡流板(13)，所述涡流板(13)一一对应式设置在所述烟气回流孔(18)处。
2.根据权利要求1所述的一种高温烟气多级回流低氮燃烧器，其特征在于，所述涡流板(13)与所述外壳(3)壁面之间夹角α为45-90°。
3.根据权利要求2所述的一种高温烟气多级回流低氮燃烧器，其特征在于，所述涡流板(13)选用三角形涡流板，其顶角角度β为45-90°。
4.根据权利要求1所述的一种高温烟气多级回流低氮燃烧器，其特征在于，所述旋流盘(14)中心稳燃区还设置有若干中心孔(20)。
5.根据权利要求1所述的一种高温烟气多级回流低氮燃烧器，其特征在于，所述旋流盘(14)中心设有稳燃板，所述稳燃板与所述旋流盘(14)壁面之间设置有若干径向的旋流叶片，相邻旋流叶片之间形成旋流缝(15)；所述一次燃料喷口(16)设置在旋流叶片上。
6.根据权利要求1所述的一种高温烟气多级回流低氮燃烧器，其特征在于，所述外壳(3)一端设置火管(6)，所述火管(6)设置在所述燃烧头外周，且在轴向上可调。
7.一种高温烟气多级回流低氮燃烧方法，其使用如权利要求1所述的一种高温烟气多级回流低氮燃烧器，其特征在于，所述方法包括：
使一次风和燃料气分别通过空气通道(1)和燃料母管(4)进入所述燃烧器；
使燃料气分别通过一次燃料管(10)和二次燃料管(9)分流成为一次燃料气和二次燃料气；
使一次燃料气通过一次燃料管(10)从旋流盘(14)上的一次燃料喷口(16)呈射流式喷入，在从旋流缝(15)进入的旋流空气作用下形成中心火卷风，并形成值班火焰且火焰前端驻留在旋流盘(14)中心的稳燃板上；
使二次燃料气通过二次燃料管(9)进入二次燃料分配环管(11)均匀分配后从其外侧的二次燃料喷口(12)喷入，与从二次燃料分配环管(11)与外壳(3)之间进入的空气混合形成环绕燃料风，在二次燃料分配环管(11)和外壳(3)间的环形通道形成高速射流；所述高速射流一方面在涡流板(13)下游形成涡流，与从烟气回流孔(18)卷吸进入的高温烟气混合，另一方面使从烟气回流孔(18)卷吸进入的高温烟气、二次燃料与空气的混合气流经过涡流板(13)后高速喷入炉膛形成大回流区，在中心火卷风的稳燃作用下实现低氮燃烧。
8.根据权利要求7所述的一种高温烟气多级回流低氮燃烧方法，其特征在于，所述一次燃料的燃料量占总燃料量的5％-10％。
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