CN208846420U - 一种微通道分布超低氮燃烧器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种微通道分布超低氮燃烧器，属于燃烧设备技术领域。包括：燃烧器主体和燃烧器头部，燃烧器主体设有燃气管路和助燃风管路，所述燃烧器头部包括主燃料管和套设在主燃料管外的套筒；所述主燃料管连通燃气管路，所述套筒连通助燃风管路；所述主燃料管轴向布置多排一次燃料孔，所述套筒布置有与每一个所述一次燃料孔对应的助燃风孔，每一个一次燃料孔配置有喷射机构，所述喷射机构伸入所述助燃风孔，使得燃料和助燃风在所述助燃风孔内混合，以在所述助燃风孔处形成多股分布式火焰。本实用新型的超低氮燃烧器可以解决现有的低氮燃烧器无法达到超低NOx(≤15mg/m³(@3.5％O₂))排放、燃烧器燃料供应***对较低燃气压力的适应能力差的问题。

Description

一种微通道分布超低氮燃烧器

技术领域

本实用新型涉及燃烧设备技术领域，特别是涉及一种微通道分布超低氮燃烧器。

背景技术

燃气燃烧器当前主流低氮技术主要分为三类，分别是全预混表面燃烧技术、烟气外循环技术(FGR)和烟气内循环技术(FIR)。从NOx反应动力学角度来讲，这三类主流低氮技术主要从降低燃烧温度、偏离化学当量比燃烧、降低助燃风氧含量等方面予以改进和提高。

全预混表面燃烧技术，是将燃气和空气在进入燃烧室之前进行充分的预混合，使燃烧更充分，提高燃烧效率和降低有害气体排放，同时也可降低燃烧室的空间需求，是目前国际上较先进的一种燃气燃烧技术。该技术是上个世纪八十年代才开始研发的新型燃烧技术，有着广泛的应用。

烟气再循环技术是将部分低温烟气与空气混合后送入炉内，因烟气吸热和稀释氧浓度，使得燃烧速度和炉内温度降低，因而热力型NOx减少。再循环率的定义：r＝再循环的烟气容积/(再循环的烟气容积+助燃空气的容积)烟气再循环的效果不仅与燃料种类有关，还与再循环的烟气量有关。再循环烟气量一般以烟气再循环率r表示。再循环率过大，炉温降低太多，燃烧不稳定。再循环率过小，达不到降低NOx的效果。因此，烟气再循环率一般限制在10％-20％。

烟气内循环技术是在燃烧过程中，依靠燃气的高速射流卷吸高温烟气，在炉膛内部形成烟气回流，在高温燃烧区域增加中温吸热工质的质量流量，降低燃烧区域的氧气浓度，对火焰根部或局部高温区域进行稀释，从而降低火焰温度，达到减少氮氧化物量的目的。

现有技术中的低氮燃烧技术主要存在以下问题：堵塞问题、燃烧不稳定问题、氮氧化物排放不稳定问题、易产生冷凝水问题、燃气升压问题、噪声问题、降低锅炉效率及出力的问题等等。如何解决现有技术中低氮燃烧技术现存的缺点意义重大。

实用新型内容

本实用新型的一个目的是提供一种微通道分布超低氮燃烧器，可以解决现有的低氮燃烧器无法达到超超低NOx(≤15mg/m³(@3.5％O₂))排放的问题。

本实用新型进一步的一个目的是提供一种微通道分布超低氮燃烧器，可以解决燃烧器燃料供应***对较低燃气压力的适应能力差的问题。

特别地，本实用新型提供一种微通道分布超低氮燃烧器，包括：燃烧器主体和燃烧器头部，所述燃烧器主体设有燃气管路和助燃风管路，所述燃烧器头部包括主燃料管和套设在所述主燃料管外的套筒；所述主燃料管连通燃气管路，所述套筒连通助燃风管路；

所述主燃料管轴向布置多排一次燃料孔，所述套筒布置有与每一个所述一次燃料孔对应的助燃风孔，每一个所述一次燃料孔配置有喷射机构，所述喷射机构伸入所述助燃风孔，使得燃料和助燃风在所述助燃风孔内混合，以在所述助燃风孔处形成多股分布式火焰。

可选地，所述主燃料管的端部设置有二次燃料孔。

可选地，所述主燃料管的端部设置有用于引导助燃风流通的导流盘，使得助燃风经过导流盘与燃料混合形成值班火焰。

可选地，设置二次燃料孔处的主燃料管的直径小于设置一次燃料孔处的主燃料管的直径。

可选地，所述喷射机构为安装在所述一次燃料孔的中空的燃料杆。

可选地，一个所述一次燃料孔、燃料杆和对应的助燃风孔，形成一个微通道，所述微通道以径向方向设置。

可选地，所述微通道的数量为多个，所述微通道均匀分布。

可选地，所述助燃风孔凸出所述套筒的外表面。

本实用新型提供的一种微通道分布超低氮燃烧器，通过在燃烧器头部轴向布置多排微通道，每个微通道配置燃料喷射机构，在微通道出口形成多束分布式火焰。并主燃料管的端部设置了导流盘，以形成旋流空气和值班火焰，用以增强火焰稳定性。

本实用新型提供的一种微通道分布超低氮燃烧器，可以通过调整微通道的参数以调整燃烧器的负荷的变化，简化了后续燃烧器系列化发展的设计工作量。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本实用新型的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1是根据本实用新型一个实施例的微通道分布超低氮燃烧器的结构示意图；

图2是根据本实用新型一个实施例的微通道分布超低氮燃烧器的燃烧器头部的结构示意图；

图3是根据本实用新型另一个实施例的微通道分布超低氮燃烧器的燃烧器头部的结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型进行详细的说明。

本实用新型的实用新型人在研究现有技术中的低氮燃烧技术时发现：

低氮燃烧技术中的堵塞问题的原因为：1)空气滤网堵塞；空气滤网堵塞指的是全预混表面型燃烧器的新风进气滤网被空气中灰尘堵塞的现象，发生空气滤网堵塞后，会造成燃烧器燃烧负荷下降，无法提供足够的热量，严重时会导致回火、爆燃等现象发生，引发安全事故。造成空气滤网堵塞的原因是特殊设计的空气过滤装置，该过滤装置采用多层编织的超细金属过滤材料和特殊表面涂层制作，需要满足燃烧器所需要的过滤要求，但由于过滤装置孔径过小，连续运行时容易发生堵塞。全预混表面型燃烧器空气滤网的堵塞周期一般为3～5天，因此，需要在项目改造时购买多个空气滤网备件，增加设备采购成本和后期运行维护成本。2)金属表面纤维网堵塞；金属表面纤维网堵塞指的是全预混表面型燃烧器伸入炉膛内部的金属纤维网被天然气或空气中灰尘堵塞的现象，金属纤维网堵塞后，会造成燃烧器燃烧不稳定，出现纤维网表面局部高温，燃烧器负荷下降，严重时会导致金属纤维网烧穿，引发爆燃或其他安全事故。

低氮燃烧技术中的燃烧不稳定问题的原因为：燃烧不稳定问题在采用当前不同技术的低氮燃烧器中均有发生，可分为点火困难、转火过程熄火、火焰信号丢失等多个方面。燃烧不稳定会造成燃烧器负荷波动，NOx排放不达标，严重时会影响居民采暖或工业企业用气。

造成燃烧不稳定问题的原因有以下几个方面：当前低氮技术本身存在一定程度的技术缺陷，无法适应一定程度上的燃气压力、流量波动，或无法快速响应燃烧负荷的变化；点火电极放电位置或点火支路设计不合理；未进行双重火焰检测设计，控制***和传感器的匹配度差；受机械或冷凝水影响，造成火焰信号丢失。

低氮燃烧技术中的氮氧化物排放不稳定问题的原因为：当前低氮燃烧技术均存在一定程度的不稳定性，无论使用全预混表面燃烧技术、烟气外循环技术、烟气内循环技术的燃烧器，均存在设备运行一段时间后，NOx排放升高的现象。主要原因是锅炉负荷随供暖需求频繁变化，燃烧器伺服、连杆、风门等机械结构频繁动作，引起机械误差的积累，导致进气量的变化，造成炉膛内燃烧状态改变，烟气中的NOx含量发生较大的变化。

低氮燃烧技术中的易产生冷凝水问题的原因为：冷凝水问题指的是在烟气再循环型燃烧器低温新风和高温烟气混合位置，水蒸气遇冷凝结，产生较多冷凝水的现象。产生的冷凝水无法及时排出会导致燃烧器电子元器件受潮，增加电子元器件的故障率。同时，冷凝水会加速喷嘴部件和点火电极的腐蚀，造成部件使用寿命降低。

低氮燃烧技术中的燃气升压问题的原因为：当前低氮燃烧技术均需要提升燃气阀组进口侧的燃气压力，从而增强燃气和空气混合的均匀程度，达到降低氮氧化物排放的目的。低氮改造项目的燃气升压问题是当前低氮燃烧器普遍存在的共性问题。

低氮燃烧技术中的噪声问题的原因为：当前全预混表面型燃烧器稳定燃烧时的空气过量系数为1.5～1.8，相比传统燃烧器1.2左右的空气过量系数，全预混表面型燃烧器在燃烧过程中需要引入更多的过量空气。当前烟气再循环型燃烧器在燃烧过程中除引入和传统燃烧器相同的助燃空气外，还需额外引入10％-20％的烟气。以上两种情况，均需要风机通流量增大。受限于当前低氮燃烧器的技术特点，燃烧器的新风风机功率选型较传统燃烧器大，造成低氮燃烧器噪声较传统燃烧器大很多。当选用烟气外循环型燃烧器后，随着引入外循环烟气量的增大，会引起锅炉和燃烧器振动增大，从而使噪声进一步增大。

低氮燃烧技术中的降低锅炉效率及出力问题的原因为：当前低氮燃烧技术均需要降低锅炉的最大出力，即减少最大天然气供应量，才能达到降低氮氧化物排放的目的。这会导致锅炉本身供暖能力或产蒸汽能力下降，影响居民采暖质量或工厂生产效益。低氮改造项目的低负荷运行问题是当前低氮燃烧器普遍存在的共性问题。现有燃烧方式由于空气侧风量加大，或烟气再加热等原因，在一定程度上会加大锅炉热效率损失，降低锅炉热效率，造成额外的能源损失。

实用新型人针对上述发现，通过对超低氮燃烧器的结构进行改进，充分利用微通道分布式火焰技术，利用“微通道分布式火焰”的燃烧数值模拟方法及模型参数设置进行研究，开发出了新型的超低氮燃烧器，以解决上述发现的技术问题。

实用新型人针对上述发现，由于燃气锅炉在常压条件下的燃烧模式介于褶皱火焰面和分布式燃烧之间，因而传统依赖于火焰面假设而构造的湍流燃烧模型会存在不适用的情况，燃烧模型需要更多地考虑燃烧反应动力学的影响。因此，项目组拟针对燃气锅炉燃烧应用的特殊工况，通过开发对应工况条件下的燃烧简化反应机理，并应用EDC(EddyDissipation Concept)模型来考虑详细化学反应过程。同时利用中试试验台的测试结果，对燃烧流场及排放模型进行校准，以改进“微通道分布式火焰”超超低氮燃烧器的数值模拟精度。

实用新型人针对上述发现，通过前期对“微通道分布式火焰”技术研究及数值模拟，将原型燃烧器的功率分布由燃烧头端壁分配，转换为沿火管周向分配。从而可以通过改变微混合通道的排数和数量来适应燃烧器功率的变化。

实用新型人针对上述发现，通过应用经过校准的燃烧数值模型和参数设置方法，进行大量的方案比选，优选出符合需要的技术方案进行加工和测试，以减少试验调试工作量和获得最优技术方案。

本实用新型提供的微通道分布超低氮燃烧器，能够实现超超低NOx的排放(NOx≤15mg/m³(@3.5％O₂))，而现有技术中的低氮燃烧器通常仅可以实现NOx≤30mg/m³的排放。

图1是根据本实用新型一个实施例的微通道分布超低氮燃烧器的结构示意图。图2是根据本实用新型一个实施例的微通道分布超低氮燃烧器的燃烧器头部的结构示意图。图3是根据本实用新型另一个实施例的微通道分布超低氮燃烧器的燃烧器头部的结构示意图。下面结合图1至图3进行详细说明，

本实用新型提供的一种微通道分布超低氮燃烧器，包括燃烧器主体1和燃烧器头部2。燃烧器主体1设有燃气管路和助燃风管路。燃烧器头部2包括主燃料管21和套设在主燃料管21外的套筒22。主燃料管21连通燃气管路，套筒22连通助燃风管路。主燃料管21轴向布置多排一次燃料孔211。套筒22布置有与每一个一次燃料孔211对应的助燃风孔221。每一个一次燃料孔211配置有喷射机构212。喷射机构212伸入助燃风孔221，使得燃料3和助燃风4在助燃风孔221内混合，以在助燃风孔221处形成多股分布式火焰。

燃烧器主体1可以是现有技术中低氮燃烧器除去燃烧头的部分。在对老旧的传统燃烧器进行改进时，仅需将其燃气管路连通本实用新型的微通道分布超低氮燃烧器的燃烧器头部2的主燃料管21，将其助燃风管路连通本实用新型的微通道分布超低氮燃烧器的燃烧器头部2的套筒22即可，最大程度减少了对锅炉本体的改动，有利于对老旧锅炉进行安全高效低氮改造工作。

具体地，喷射机构212为安装在一次燃料孔211的中空的燃料杆。燃料杆用于将主燃料管21的燃料3输送至对应的助燃风孔221处，以便于燃料3和助燃风4在助燃风孔221内进行混合。一个一次燃料孔211、对应的燃料杆和对应的助燃风孔221，形成一个微通道。每一个微通道沿着燃烧器头部2的径向方向伸展设置。燃烧器头部2设置有多个微通道。多个微通道均匀分布在燃烧器头部2上。当然地，微通道也可以是以其他的方式设置在燃烧器头部2，譬如微通道以螺旋放射状设置在燃烧器头部2上，或者以簇状分布设置在燃烧器头部2上。优选地，如图2所示，微通道以多排环状均匀地设置在燃烧器头部2上，助燃风4和燃料3经过每一个微通道混合后形成一股火焰，多个微通道燃烧就形成多股分布式火焰，从而以使得在微通道出口形成均匀的多束分布式火焰。

本实用新型由于在***引入“微通道分布式火焰”技术，燃料通过多股燃料管喷入一一对应的微混合通道，并在微通道出口形成分布式火焰。由于燃料和助燃风仅在较短的距离内进行混合，因而无传统预混燃烧方式的回火及火焰驻定等问题。

实用新型人前期对“微通道分布式火焰”技术研究及数值模拟，将原型燃烧器的功率分布由燃烧头端壁分配，转换为沿火管周向分配。从而可以通过改变微混合通道的排数和数量来适应燃烧器功率的变化。例如，在常压燃烧条件下，通过调整微通道的参数以调整燃烧器的负荷，使得燃烧器的功率随之改变。微通道的参数包括微通道的数量、助燃风孔221直径、助燃风孔221长度、燃料杆直径、燃料杆长度、混合长度、间距。其中，混合长度为燃料杆的顶部与助燃风孔221的外侧表面的长度；间距包括微通道的轴向间距和微通道的周向间距。本实用新型的微通道分布超低氮燃烧器，仅需要改变这些参数既可以实现燃烧器不同功率、火焰形态等等的控制，极大地简化了后续燃烧器系列化发展的设计工作量。

具体地，对本实用新型的微通道分布超低氮燃烧器进行微通道的参数调整参见下表1

表1微通道分布式火焰调整参数及参考范围

在另一个实施例中，如图3所示，助燃风孔221凸出套筒22的外表面，能够减小套筒22的厚度的同时，实现助燃风孔221的长度的按需设计，从而延长助燃风4和燃料3在助燃风孔221内的混合长度，实现助燃风4和燃料3的均匀混合。

可选地，本实用新型的一种微通道分布超低氮燃烧器，还设计有中心旋流及值班火焰。在主燃料管21的端部设置有二次燃料孔213。设置二次燃料孔213处的主燃料管21的直径小于设置一次燃料孔211处的主燃料管21的直径。在主燃料管21的端部设置有用于引导助燃风流通的导流盘214，使得助燃风经过导流盘214与燃料混合形成值班火焰。中心旋流及值班火焰的设计，使得微通道分布超低氮燃烧器的火焰更加稳定。

本实用新型提供的一种微通道分布超低氮燃烧器，通过在燃烧器头部轴向布置多排微通道，每个微通道配置燃料喷射机构，在微通道出口形成多束分布式火焰。并主燃料管的端部设置了导流盘，以形成旋流空气和值班火焰，用以增强火焰稳定性。

本实用新型提供的一种微通道分布超低氮燃烧器，充分利用微通道分布式火焰技术“超低排放、火焰紧凑、高抗回火/驻焰性能”等特点，实现了NOx的超低排放，不仅可以解决预混燃烧技术的不足，预防其火焰传播速度快导致的回火及驻焰等安全隐患，而且也能解决分级燃烧所不能实现的超超低氮排放标准。

本实用新型提供的一种微通道分布超低氮燃烧器，解决了燃气锅炉低氮改造领域当前存在的技术瓶颈(如进一步降低排放潜力有限、对燃气压力要求高、锅炉炉膛匹配要求高等)，提高了燃烧器与锅炉的适应性，以及提高了锅炉的热效率。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本实用新型的示例性实施例，但是，在不脱离本实用新型精神和范围的情况下，仍可根据本实用新型公开的内容直接确定或推导出符合本实用新型原理的许多其他变型或修改。因此，本实用新型的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (8)

1.一种微通道分布超低氮燃烧器，其特征在于，包括：燃烧器主体和燃烧器头部，所述燃烧器主体设有燃气管路和助燃风管路，所述燃烧器头部包括主燃料管和套设在所述主燃料管外的套筒；所述主燃料管连通燃气管路，所述套筒连通助燃风管路；

所述主燃料管轴向布置多排一次燃料孔，所述套筒布置有与每一个所述一次燃料孔对应的助燃风孔，每一个所述一次燃料孔配置有喷射机构，所述喷射机构伸入所述助燃风孔，使得燃料和助燃风在所述助燃风孔内混合，以在所述助燃风孔处形成多股分布式火焰。

2.根据权利要求1所述的微通道分布超低氮燃烧器，其特征在于，所述主燃料管的端部设置有二次燃料孔。

3.根据权利要求2所述的微通道分布超低氮燃烧器，其特征在于，所述主燃料管的端部设置有用于引导助燃风流通的导流盘，使得助燃风经过导流盘与燃料混合形成值班火焰。

4.根据权利要求2所述的微通道分布超低氮燃烧器，其特征在于，设置二次燃料孔处的主燃料管的直径小于设置一次燃料孔处的主燃料管的直径。

5.根据权利要求1所述的微通道分布超低氮燃烧器，其特征在于，所述喷射机构为安装在所述一次燃料孔的中空的燃料杆。

6.根据权利要求5所述的微通道分布超低氮燃烧器，其特征在于，一个所述一次燃料孔、燃料杆和对应的助燃风孔，形成一个微通道，所述微通道以径向方向设置。

7.根据权利要求6所述的微通道分布超低氮燃烧器，其特征在于，所述微通道的数量为多个，所述微通道均匀分布。

8.根据权利要求1所述的微通道分布超低氮燃烧器，其特征在于，所述助燃风孔凸出所述套筒的外表面。