一种高温烟气大回流低氮燃烧器的制作方法

本发明涉及工业气体燃烧装置技术，例如低氮燃烧器等，尤其涉及一种高温烟气大回流低氮燃烧器，所述高温烟气大回流是指炉膛内的燃烧烟气即高温烟气能够循环流入由燃烧器喷口形成的炉内回流区，所述低氮是指能够降低氮氧化物即nox的生成和排放。

背景技术：

随着我国社会和经济的快速发展，能源消耗也快速增加，nox排放量也在不断增长，环境问题日益严重，已成为威胁人类可持续发展的主要因素之一。近年来，国家对排放指标的要求越来越严格，因此进一步控制氮氧化物(nox)排放对国民经济和环境保护的可持续发展至关重要。nox的生成分为三类，分别为热力型nox、快速型nox、燃料型nox。天然气中的含氮量较低，因此nox主要来源为热力型nox和快速型nox。热力型nox是燃烧时空气中的n2和o2在高温下生成的，其主要影响因素有反应温度、n2和o2反应时的浓度以及停留时间，其中最为关键的影响因素是反应温度。快速型nox是空气中的n2与燃料中碳氢基团发生一系列反应产生的。

目前主要的低氮燃烧技术有：低过量空气系数燃烧、空气分级燃烧、燃料分级燃烧、烟气再循环、无焰燃烧、预混燃烧等。天然气低氮燃烧技术主要围绕降低燃烧温度，从而减少热力型nox的生成开展的。燃烧温度的降低可以通过控制燃烧反应区过量空气系数来调节，基本思路都是使燃烧在偏离当量比为1的条件下发生，使燃烧在贫燃或者富燃的情况下进行，从而避免出现局部高温区，减少热力型nox的生成。燃烧温度的降低也可以通过烟气再循环来实现，烟气再循环包含烟气内循环和烟气外循环。烟气内循环是通过燃烧器与炉膛特殊的结构设计，使烟气在炉膛内部产生回流；烟气外循环是将烟气从锅炉某一部位通过外部管道再次引入到炉膛内，参与燃烧反应。加入烟气再循环的目的均是为了将烟气的燃烧产物加入到燃烧区域内，降低燃烧温度，同时加入的烟气可以降低燃烧区氧气的分压，从而减弱氧气与氮气生成的热力型nox过程，最终降低nox的排放。

本发明人发现，目前几种低氮燃烧器技术都各具特色，但是各自都一些问题。例如，低过量空气系数燃烧造成的燃烧损失大，锅炉热效率低；预混燃烧技术燃烧不稳定，可能导致回火或者熄火；烟气再循环会使氧分压降低，空气流速增加使燃烧不稳定，发生熄火、振荡等现象。

技术实现要素：

本发明针对现有技术中存在的缺陷或不足，提供一种高温烟气大回流低氮燃烧器，所述高温烟气大回流是指炉膛内的燃烧烟气即高温烟气能够循环流入由燃烧器喷口形成的炉内回流区，所述低氮是指能够降低氮氧化物即nox的生成和排放。本发明具有燃烧完全，燃烧稳定性好，热效率高，排放少的特点，可应用在民用以及工业炉领域。

本发明的技术方案如下：

一种高温烟气大回流低氮燃烧器，其特征在于，包括燃烧器壳体，所述燃烧器壳体的后端具有连接空气入口段的连接接口，所述燃烧器壳体内设置有中心圆柱体，中心圆柱体前端的中心部位设置有第三级燃料喷口，沿所述中心部位设置有呈放射状分布的若干个肋片，第二级燃料喷口分布在所述若干个肋片中间，所述中心圆柱体的后部外周面上由前向后依次设置有旋流叶片和中心圆柱体进风口，所述中心圆柱体前端的外周面上设置有内套筒，所述内套筒和所述中心圆柱体之间形成内环空气流道，所述内套筒的外侧设置有外套筒，所述外套筒与所述内套筒之间形成环形气缝空气流道，所述环形气缝空气流道的前端设置有多孔盘，所述环形气缝空气流道的后端为所述外套筒与所述内套筒之间形成的环形气缝，所述外套筒与所述燃烧器壳体之间形成外环空气流道，所述外环空气流道内设置有第一级燃料喷管，所述第一级燃料喷管的第一级燃料喷口均朝向所述燃烧器壳体的内壁。

所述第一级燃料喷口位于所述第一级燃料喷管的前端外周面上。

所述燃烧器壳体内设置有壳体前端内壁叶片。

所述外套筒与所述内套筒均为喇叭形；或者，所述外套筒为喇叭形，所述内套筒的内壁为直筒型而外壁为锥形；所述环形气缝的缝宽通过所述外套筒与所述内套筒之间的轴向位移调节，当所述外套筒往前移动时，所述缝宽变窄。

所述若干个肋片的个数为10～20个。

所述旋流叶片的个数为10～30个，旋流叶片安装角度为10～30°。

所述第一级燃料喷管的个数为5～10个。

所述第二级燃料喷口的个数为4～8个。

所述第三级燃料喷口的个数为6～12个。

所述多孔盘的开孔率为1～5％。

所述壳体前端内壁叶片的安装角度为10～30°。

所述第一级燃料喷口喷出的燃料量占总燃料量的80～90％。

所述第二级燃料喷口喷出的燃料量占总燃料量的5～10％。

所述第三级燃料喷口喷出的燃料量占总燃料量的1～5％。

本发明技术效果如下：本发明是一种热效率高、燃烧稳定、nox排放低的高温烟气大回流低氮燃烧器，利用高温烟气大回流以及烟气再循环能在有效减少nox生成的同时，稳定燃烧且燃烧完全，具有燃烧完全，稳定性好，效率高，排放少的特点，可应用在民用以及工业炉领域。

与现有技术相比较，本发明高温烟气大回流低氮燃烧器通过三级燃料、并通过调节外套筒在轴向的位置来控制燃烧器喷口流速，从而控制炉内回流区和高温烟气回流量，同时通过空气分级比例达到燃烧火焰分层的目的，有效减少了火焰的叠加，降低了火焰温度，从而达到控制nox排放的目的。

本发明高温烟气大回流低氮燃烧器可在炉膛内形成特殊的回流涡结构：从内环空气流道流出的气流在靠近燃烧器喷口的中心区附近形成两个小的回流对涡，此回流涡不仅起到稳定燃烧的作用，而且烟气回流到此回流区内能降低回流区的温度，从而减少nox生成；从外环空气流道流出的气流在炉膛内形成大的回流区，炉膛内产生的烟气回流到此区域，有效降低热力型nox的形成。本发明可以与烟气再循环技术配合，在较高的烟气再循环率下可以稳定燃烧，且燃烧完全，从而将nox生成降低到30mg/nm3(nm3，是指在0摄氏度1个标准大气压下的气体体积；n代表标准条件nominalcondition，即空气的条件为：一个标准大气压,温度为0℃,相对湿度为0％)以下，达到超低排放的水平。

附图说明

图1是实施本发明一种高温烟气大回流低氮燃烧器的结构示意图。

图2是图1中的中心组件结构示意图。

附图标记列示如下：1-空气入口段；2-燃烧器壳体；3-中心圆柱体前端；4-肋片；5-第一级燃料喷管；6-多孔盘；7-壳体前端内壁叶片；8-内套筒；9-外套筒；10-第三级燃料喷口；11-第二级燃料喷口；12-旋流叶片，13-中心圆柱体；14-外环空气流道；15-内环空气流道；16-环形气缝；17-环形气缝空气流道；50-第一级燃料喷口；130-中心圆柱体进风口。

具体实施方式

下面结合附图(图1-图2)对本发明进行说明。

图1是实施本发明一种高温烟气大回流低氮燃烧器的结构示意图。图2是图1中的中心组件结构示意图。如图1至图2所示，一种高温烟气大回流低氮燃烧器，包括燃烧器壳体2，所述燃烧器壳体2的后端具有连接空气入口段1的连接接口，所述燃烧器壳体2内设置有中心圆柱体13，中心圆柱体前端3的中心部位设置有第三级燃料喷口10，沿所述中心部位设置有呈放射状分布的若干个肋片4，第二级燃料喷口11分布在所述若干个肋片4中间，所述中心圆柱体13的后部外周面上由前向后依次设置有旋流叶片12和中心圆柱体进风口130，所述中心圆柱体13的前端外周面上设置有内套筒8，所述内套筒8和所述中心圆柱体13之间形成内环空气流道15，所述内套筒8的外侧设置有外套筒9，所述外套筒9与所述内套筒8之间形成环形气缝空气流道17，所述环形气缝空气流道17的前端设置有多孔盘6，所述环形气缝空气流道17的后端为所述外套筒9与所述内套筒8之间形成的环形气缝16，所述外套筒9与所述燃烧器壳体2之间形成外环空气流道14，所述外环空气流道14内设置有第一级燃料喷管5，所述第一级燃料喷管5的第一级燃料喷口50均朝向所述燃烧器壳体2的内壁。

所述第一级燃料喷口50位于所述第一级燃料喷管5的前端外周面上。所述燃烧器壳体2内设置有壳体前端内壁叶片7(又称小风叶片)。所述外套筒9与所述内套筒8均为喇叭形；或者，所述外套筒为喇叭形，所述内套筒的内壁为直筒型而外壁为锥形；所述环形气缝16的缝宽通过所述外套筒9与所述内套筒8之间的轴向位移调节，当所述外套筒9往前移动时，所述缝宽变窄。所述若干个肋片4的个数为10～20个。所述旋流叶片12的个数为10～30个，旋流叶片12安装角度为10～30°。所述第一级燃料喷管5的个数为5～10个。所述第二级燃料喷口11的个数为4～8个。所述第三级燃料喷口10的个数为6～12个。所述多孔盘6的开孔率为1～5％。所述壳体前端内壁叶片7的安装角度为10～30°。所述第一级燃料喷口50喷出的燃料量占总燃料量的80～90％。所述第二级燃料喷口11喷出的燃料量占总燃料量的5～10％。所述第三级燃料喷口10喷出的燃料量占总燃料量的1～5％。

参阅图1-图2，在本实施方案中助燃空气从空气入口段1进入燃烧器壳体2(又称燃烧器套筒)内，有一小部分气流通过中心圆柱体进风口130被分流进入中心圆柱体13内后从中心圆柱体前端3的肋片4一侧流出，大部分气流流经旋流叶片12，以及旋流周围通道。在旋流叶片的作用下，空气流带有一定的旋度。空气流在燃烧器前端被分成三股气流，三股气流分别流经内环空气流道15，环形气缝16(又称环形进气缝)以及外环空气流道14。外环空气在炉膛中下部形成大的回流结构，形成烟气内循环的环境，有效降低热力型nox的形成。内环空气在燃烧器喷口前形成小的对涡回流区结构，当燃烧进行时，火焰前端产生的烟气会回流到此回流区内，形成内部的烟气再循环，不仅起到稳定燃烧的目的，而且也降低了nox的生成。所述的三股气流的流量大小可以通过调节外套筒9在轴向的位置来控制。

参阅图1，所述肋片4一侧作为出风口，流出的气流会形成中心弱旋流，此弱旋流不仅对燃料掺混有促进作用，而且对稳定燃烧有一定作用。肋片4的个数10-20个，肋片4长度约为中心圆柱体前端3直径的1/3。所述肋片4的个数、长度及宽度均可根据实际燃料状况进行调整。参阅图2，所述旋流叶片12的主要功能在于提供一定的气体旋流数，旋流片个数10～30个。在本实施方案中，旋流叶片12的个数为16个，安装角度30°。旋流叶片12旋流大小可以通过调整旋流叶片12的个数、旋流叶片1)的安装角度来优化。参阅图1，所述多孔盘6的大小对整体流场的影响非常大，多孔盘6的大小影响助燃空气流的流速，从而影响燃烧稳定性以及燃烧火焰形态。在本实施方案中，将多孔盘6的大小调整到使内、外环空气流速达到60m/s左右的尺寸范围。

在本实施方案中燃料量分三级比例进行调配，其中一级燃料喷管位于燃烧器筒体外周，一级燃料喷口50开在一级燃料喷管5侧壁，燃料从一级燃料喷口50喷出后撞击到燃烧体筒体壁面，在与外环空气流有初步混合后随着外环空气流流向炉膛。二级燃料喷口11开在中心圆柱体前端3靠外周区域。三级燃料喷口10开在中心圆柱体前端3靠内环圆周区域。燃料从二级燃料喷口11以及三级燃料喷口10喷出后，与肋片4侧边出气进行初步预混后流入炉膛进行燃烧。燃料喷管的个数、燃料喷射速度、燃料喷口形状都可用来控制燃料和空气的混合时间。一级燃料喷管5的个数为5～10根。在本实施方案中，喷管个数为5根，喷口形状为方形。二级燃料喷口11的个数4～8个，在本实施方案中，喷口个数为4个，喷口形状为圆形。三级燃料喷口10的个数为6～12个，在本实施方案中，喷口个数为8个，喷口形状为圆形。

在此指明，以上叙述有助于本领域技术人员理解本发明创造，但并非限制本发明创造的保护范围。任何没有脱离本发明创造实质内容的对以上叙述的等同替换、修饰改进和/或删繁从简而进行的实施，均落入本发明创造的保护范围。