一种实现低氮排放的燃烧器及使用方法与流程

本发明锅炉领域，特别是涉及一种能够将大型锅炉的氮氧化物排放量降低至50mg/m³燃烧器，以及使用该燃烧器实现低氮排放的方法。

背景技术：

燃气燃烧氮氧化物排放浓度主要来源是热力型，即在高温下空气中的N₂与O₂直接反应生成，通常1500℃以上该反应开始剧烈，低于该温度时，生成量较少；天然气主要组分是甲烷(CH₄)，其着火温度范围645～850℃，1000℃左右的高温环境能保证甲烷(CH₄)的高效燃尽，而该温度下生成氮氧化物量很少。

现有的全预混表面燃烧方式的燃烧器，就是利用这一原理，控制氮氧化物排放浓度在20mg/m³以内的超低水平。而采用空气分级、燃气分级的低氮燃烧器，则难以达到全预混那样的混合程度，在燃烧过程中，总存在高温富氧的局部空间，最好的水平也仅能控制氮氧化物排放浓度在80mg/m³以内的水平，这种水平，还是利用部分燃气燃烧产生烟气加以利用的效果，否则会更高。

烟气再循环低氮燃烧技术的本质是降低燃烧空气中的氧浓度、燃烧强度减弱、温度水平降低，因而可以降低燃气燃烧时热力型为主要来源的氮氧化物排放浓度。

目前在小功率燃气锅炉上(10蒸吨以下)，采用全预混表面燃烧的燃气燃烧器，可以控制氮氧化物排放浓度在20mg/m³以下，由于存在回火爆炸的安全隐患，应用范围受限。

采用各种结构形成燃气分级、空气分级的燃气燃烧器，较好的水平可以控制氮氧化物排放浓度在80mg/m³以下水平；燃气空气分级与烟气再循环结合的低氮燃烧器，可控制氮氧化物排放浓度在30mg/m³以下水平。

大型动力锅炉通常使用多台燃烧器布置，目前先进的低氮燃烧器可以控制氮氧化物排放浓度在100～150mg/m³水平；结合烟气再循环低氮燃烧技术，可以控制氮氧化物排放浓度在～80mg/m³以下水平。但还是难以稳定达到超低排放标准(氮氧化物排放浓度在～50mg/m³以下)。

如上所述，目前的技术状态，在小功率燃气锅炉上，单台燃烧器时，可以控制氮氧化物排放浓度在30mg/m³以下的水平；在大型燃气动力锅炉上，多台燃烧器布置时，即使采用国外技术，也只能控制氮氧化物排放浓度在80mg/m³以内的水平。不能满足日益严格的超低排放环保标准，因此，技术上有进一步研发的必要性，且有一定的市场需求。

技术实现要素：

本发明的目的是要提供一种能够将大型锅炉的氮氧化物排放量降低至50mg/m³燃烧器，以及使用该燃烧器实现低氮排放的方法。

特别地，本发明提供一种实现低氮排放的燃烧器，包括：

壳体，一端为与锅炉连接的出气端，另一端为供气体进入的风箱，风箱的开口方向与出气端方向垂直，在中心轴线上安装有一端穿出风箱的中心套管；在壳体内安装有：

长明灯组件，用于点燃燃气，安装在中心套管的内部，其控制端位于中心套管穿出风箱的一端外；

燃气组件，为间隔设置在中心套管外圆周以输送燃气的管状体，其燃气进气口位于壳体的风箱外；

内燃预混通道，为间隔设置在燃气组件外圆周以输送由烟气和空气构成的混合气体的管状体；

循环烟气通道，为间隔设置在内燃预混通道外圆周以输送纯烟气的管状体；

外燃预混通道，为间隔设置在循环烟气通道外圆周以输送由烟气和空气构成的混合气体的管状体；

其中，内燃预混通道、循环烟气通道和外燃预混通道的进气口分别位于风箱的进气口内，且各进气口分别通过倾斜状扩口段安装在各自通道的侧壁上，在各进气口处安装有气体流量调节门。

在本发明的一个实施方式中，作为输送混合气体的所述内燃预混通道占比61.8～82％，外燃预通道占比18～38.2％。

在本发明的一个实施方式中，所述燃气组件的出气端的端面上，沿圆周均匀分布多个喷口；

在所述燃气组件的出气端的外圆周侧壁上，均布多个周界气枪喷管，周界气枪喷管相对所述燃气组件的固定角度在α～90°之间，其中α为顺着所述燃气组件内部气体的旋转方向而倾斜的角度，在每个周界气枪喷管朝向壳体出气端的侧面上等分设置喷口或槽缝。

在本发明的一个实施方式中，所述喷孔或槽缝的出口角度与气体在所述燃气组件内的旋转方向相反，且与燃气组件的轴心线夹角为0°～90°之间。

在本发明的一个实施方式中，所述燃气组件的出气端通过安装在所述周界气枪喷管顶端的调节螺栓，与所述内燃预混通道的内侧壁接触，通过调节螺栓的固定高度实现所述燃气组件相对所述内燃预混通道的固定。

在本发明的一个实施方式中，所述气体流量调节门包括安装在所述外燃预混通道的进气口的套筒式风门，和安装在所述内燃预混通道的进气口的切向挡板，所述循环烟气通道的进气口直接与外部烟气通道连接。

在本发明的一个实施方式中，所述长明灯组件包括由外至内依次嵌套安装的用于输送空气的空气管、用于输送燃气的燃气管、高能点火枪套管、用于产生电弧的高能点火枪；所述长明灯组件在所述燃气组件的出气端处形成有点火腔室，点火腔室呈文丘里突扩空间，燃气管的出口为沿圆周端面分布的燃气喷口，在点火腔室内设置有检测是否燃烧的离子火检。

在本发明的一个实施方式中，提供一种前述燃烧器的使用方法，包括如下步骤：

步骤100，由燃气通道的进气端输入燃气，燃气经过燃气通道的环形喷口和周界气枪喷管后以均匀分布的形式输出；

步骤200，由内燃预混通道输入由空气和烟气按一定比例预混的混合气体，然后在燃气通道的出口处与均匀分布的燃气进行参混；

步骤300，对长明灯组件进行点火，使长明灯组件的另一端形成长明灯小火炬，以引燃燃气通道出口处的燃气；

步骤400，在燃烧过程中，由循环烟气通道直接将纯烟气输入锅炉内，使燃气处于高温低过量空气系数、低温高过剩空气系数状态下燃烧，实现高效燃尽和低氮燃烧。

在本发明的一个实施方式中，通过控制外燃预混通道进气口处的套筒式控制门，使外燃预混通道向锅炉内输入由空气和烟气按一定比例预混的混合气体的流量可调节；

通过控制内燃预混通道进气口处的切向挡板式控制门，使内燃预混通道向锅炉内输入由空气和烟气按一定比例预混的混合气体的旋转强度和流量可调节。

在本发明的一个实施方式中，循环烟气量为锅炉总烟气量的10～30％，其中：纯烟气通道烟气流量为0～30％之间可调节，混合气体中烟气流量为0～20％，两项和为循环烟气量。

本发明采用多通道空气分级结合，利用循环烟气预混、单独烟气通道的双路混合技术，有机融合现有技术的优点，避免其缺点，在小型锅炉下使其氮氧化物排放浓度接近全预混表面燃烧在～20mg/m³以内的超低水平。在大型动力锅炉多台燃烧器布置时，氮氧化物排放浓度能稳定控制在50mg/m³以下，从而满足目前的超低排放标准。

附图说明

图1是本发明一个实施方式的燃烧器结构示意图；

图2是本发明一个实施方式的燃烧器出气端结构示意图；

图3是本发明一个实施方式的长明灯组件结构示意图；

图4是本发明一个实施方式的使用方法的流程示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明一个实施方式公开一种实现低氮排放的燃烧器100，其一般性地包括作为安装基础的壳体10，和安装在壳体10中由内至外套装的长明灯组件60、燃气组件50、内燃预混通道40、循环烟气通道30和外燃预混通道20。

该壳体10的一端为与锅炉连接的出气端12，另一端为供气体进入的风箱11，风箱11相对出气端12的端面为封闭面，风箱11的进气端111开口方向与出气端12方向垂直，即垂直设置在壳体10的外侧壁上；在壳体10的中心轴线上安装有一端穿出风箱11封闭面的中心套管14，中心套管14为一根空心的管体，其另一端靠近壳体10的出气端12。

长明灯组件60提供长明火，以点燃燃气，其安装在中心套管14的内部，位于风箱11外的一端为控制端，控制端用于实现点火操作和提供点火所需的气体入口。

燃气组件50为间隔设置在中心套管14外圆周以输送燃气的管状体，用于输送燃烧所需要的燃气，其燃气进气口51一端伸出风箱11封闭面外且短于长明灯组件60伸出壳体10的控制端。

内燃预混通道40为间隔设置在燃气组件50外圆周以输送由烟气和空气构成的混合气体的管状体；该混合气体与燃气混合并为燃气提供燃烧所需要的氧气。

循环烟气通道30为间隔设置在内燃预混通道40外圆周以输送纯烟气的管状体；循环烟气通道30内的烟气可以直接与锅炉的烟气通道连接，然后其出口直接通入锅炉的炉膛。

外燃预混通道20为间隔设置在循环烟气通道30外圆周以输送由烟气和空气构成的混合气体的管状体；外燃预混通道20的外侧壁可以直接利用壳体10的管壁。

在本实施方式中，内燃预混通道40、循环烟气通道30和外燃预混通道20的进气口41、31、21分别位于风箱11的进气端111内，且进气口41、31在垂直水平转化处为扩口结构，以减小入口阻力；进气口21内安装多个径向调节挡板以改变进入内通道气体的旋流强度和流量。

在本实施方式中，燃气由循环烟气通道50的进气口51输入，然后由另一端的出气端52排出，长明灯组件60通过控制端61使另一端的点火端始终处于明火状态，从而将循环烟气通道50排出的燃气点燃，点燃后的燃气喷射进入锅炉内燃烧。

由风箱11进气端111进入的混合气体通过气体流量调节门13的调节后进入内燃预混通道40的进气口，混合气体以螺旋的方式在通道内运动，在出口端排出前与燃气进行充分混合，提供燃气燃烧所需要的大部分空气。

循环烟气通道30直接将纯烟气送入锅炉，并不与燃气或混合气体预混，与燃气之间采用相互独立的结构。外燃预混通道20直接将烟气和空气的混合气体输入锅炉，为预混后燃气在锅炉内燃烧时提供少部分空气。

本实施方式采用多通道空气分级结合，利用循环烟气预混、单独烟气通道结合的双路混合技术，有机融合现有技术的优点，避免其缺点，在小型锅炉下使其氮氧化物排放浓度接近全预混表面燃烧在～20mg/m³以内的超低水平。在大型动力锅炉多台燃烧器布置时，氮氧化物排放浓度能稳定控制在50mg/m³以下，从而满足目前的超低排放标准。

本实施方式中，内燃预混通道40和外燃预混通道20使用的混合气体，由纯空气和循环烟气预混后形成，其混入点可以在风机入口或燃烧器100入口前能确保混合均匀的总风道上，然后由系统风道输送入风箱11进口端111。

作为输送混合气体的内燃预混通道40占比61.8～82％，外燃预混通道20占比18～38.2％，这里的占比是两者通气量的比例。

本实施方式中，循环烟气量最大为总的烟气量的30％，分为两部分：其中外燃预混通道20和内燃预混通道40的流通介质由纯空气与0～20％的循环烟气混合而成，烟气混入点在风机入口或燃烧器入口前能确保混合均匀的总风道上；循环烟气通道30内流通纯烟气介质，烟气量为0～30％，烟气接口在燃烧器烟气通道入口处，直接由燃烧器上的循环烟气通道30进入炉膛。

循环烟气通道30可以通过全部纯烟气，这时内燃预混通道40和外燃预混通道20的混合气体即为纯空气；循环烟气通道30也可以是通过部分烟气，另一部分与纯空气混合后由内燃预混通道40和外燃预混通道20输入炉膛。

在循环烟气量最大为总烟气量的30％的情况下，由内燃预混通道40和外燃预混通道20通过空气中混入循环烟气量占总烟气量0～20％，纯烟气通30烟气流量为总烟气量的0～30％。其最佳分配比例在于控制混合气体中的氧浓度为18％。

如图2所示，在本发明的一个实施方式中，部分燃气喷出是轴向直喷的结构，在燃气组件50的出气端的端面上，沿圆周均匀分布多个环形喷口54，燃气在此处分成多股燃气射流。

进一步地，在燃气组件50的出气端的外圆周侧壁上，均匀安装多个周界气枪喷管53，安装后的周界气枪喷管53相对燃气组件50的固定角度在α～90°之间，其中α为顺着燃气组件50内部气体的旋转方向而倾斜的角度，即周界气枪喷管53的倾斜角度可以与该处气体和出气端内侧壁的旋转夹角对应，以使螺旋前进的气体能够直接进入周界气枪喷管53，减少内阻。在每个周界气枪喷管53朝向壳体10出气端12的侧面上等分设置一个或多个喷口或槽缝531。燃气到达出气端时，一部分由环形喷口54喷出，一部分进入各周界气枪喷管53，再分别由各周界气枪喷管53上的喷口或槽缝531喷出，使最终排出的燃气呈现出：分散成轴向多股喷射、和多环多点分层喷射，实现燃气分级效果。使燃烧分级逐步完成，减少氮氧化物的产生。

在本发明的一个实施方式中，为使喷出的燃气在增大扩散面积的同时，保证各处的燃气分布均匀，可以将喷孔或槽缝531的出口角度设置成与气体在燃气组件50内的旋转方向相反的角度，即通过喷孔或槽缝531的燃气以一定的角度斜向喷出，该角度与燃气组件50的轴心线夹角可以为0°～90°，最佳喷射角度30°和75°。这样可以使周界气枪喷管53喷出的燃气与50内的气体强烈掺混混合，提高燃气分布的均匀性。

在本发明的一个实施方式中，为方便燃气组件的固定，可以在燃气组件50的出气端的周界气枪喷管53的顶端安装调节螺栓532，通过调节调节螺栓532的固定高度，可以使调节螺栓532的顶部与内燃预混通道40的内侧壁接触，从而将燃气组件50的出气端固定在该出口处，在实现稳定的同时，还可以调节燃气的出口角度。

如图3所示，为方便控制分别进入内燃预混通道40和外燃预混通道20的气体流量，具体的气体流量调节门13可以包括安装在外燃预混通道20的进气口21处的套筒式风门132，和安装在内燃预混通道40的进气口41处的切向挡板431。套管式风门132和切向挡板131的调节开关位于风箱11的外侧，可以手动调节两个通道的通风量。循环烟气通道30的进气口直接与外部烟气通道连接，可通过设置在进气口31处的开关调节烟气流量，也可以控制外部烟气通道的输入量来调节。

在本发明的一个实施方式中，用于点火的长明灯组件60可以采用如下的结构。长明灯组件包括由外至内依次嵌套安装的用于输送空气的空气管62、用于输送燃气的燃气管63、高能点火枪套管64、用于产生电弧的高能点火枪65。

长明灯组件60在燃气组件50的出气端处形成有点火腔室66，点火腔室66呈文丘里突扩空间，燃气管63的出口为沿圆周端面分布的燃气喷口631，在点火腔室66内设置有检测是否燃烧的离子火检67。

工作时，通过空气管62提供燃烧所需的空气，燃气管63提供燃烧所需的燃气，空气管62和燃气管63的气体入口设置在长明灯组件60伸出风箱外的控制端61上，出口位于点火腔室66内，燃气与空气进入点火腔室66内后受文丘里结构限制，强制混合后进入突扩空间而减速，伸入突扩空间的高能点火枪65的枪头释放电弧引燃已混合且减速的预混燃气，形成不灭的点火小火炬，从而点燃燃气通道50喷出的燃气。

离子火检67用于检测点火腔室66内是否已经处于燃烧状态。燃气管63的燃气喷口631可以采用和环形喷口54一样的环形分布结构。

如图4所示，在本发明的一个实施方式中，公开一种前述燃烧器100的使用方法，其中燃烧器100的结构参见前述实施方式的说明，这里仅说明工作时的操作过程：

步骤100，由燃气通道的进气端输入燃气，燃气经过燃气通道的环形喷口和周界气枪喷管后以均匀分布的形式输出；

该步骤的燃气可以实现燃气轴向直喷和多层垂直喷射结合，使燃气分级。

步骤200，由内燃预混通道输入由空气和烟气按一定比例预混的混合气体，然后在燃气通道的出口处与均匀分布的燃气进行参混；

步骤300，对长明灯组件进行点火，使长明灯组件的另一端形成长明灯小火炬，以引燃燃气通道出口处的燃气；

该步骤利用持续燃烧的长明灯小火炬对参混后的燃气进行点火，可以保证燃气燃烧的稳定性、可靠性和调节性。当锅炉负荷、燃气品质及供气压力等变化时，可以通过控制调节内燃预混通道40、外燃预混通道20的流量比例来适应。

步骤400，在燃烧过程中，由循环烟气通道直接将纯烟气输入锅炉内，使燃气处于高温低过量空气系数、低温高过剩空气系数状态下燃烧，实现高效燃尽和低氮燃烧。

其中，燃烧器100使用的最大烟气量为30％，分为两部分：外燃预混通道20和内燃预混通道40的流通介质由纯空气与0～20％的循环烟气混合而成，烟气混入点在风机入口或燃烧器入口前能确保混合均匀的总风道上；循环烟气通道30内流通纯烟气介质，烟气量为0～30％，烟气接口在燃烧器烟气通道入口处，通过燃烧器100上的循环烟气通道30进入炉膛。其最佳比例在于控制混合气体中的氧浓度为18％。

最佳烟气分配比例：由控制混合气体中的氧浓度为18％为原则确认，在循环烟气量为总烟气量为30％时，空气中混入烟气量为总烟气量的～15％，烟气通道进入的烟气量为总烟气量的～15％，即各占一半循环烟气量。

通过上述步骤可以使氮氧化物排放浓度大大降低，可在大型动力锅炉多台燃烧器布置时，氮氧化物排放浓度能稳定控制在50mg/m³以下，而满足目前的超低排放标准。

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发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明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。