超低氮氧化物燃烧装置的制作方法

文档序号:13689315
超低氮氧化物燃烧装置的制作方法

本发明涉及一种基于燃烧气体的内部再循环的超低氮氧化物燃烧装置,更详细而言,涉及一种超低氮氧化物燃烧装置,在其燃烧室内产生的燃烧气体无需额外的装置即从燃烧室内部传递,而不由所述燃烧室的外部连接通道传递,通过用于实现更高效的燃烧气体流动的燃烧器的结构和燃料分配优化控制,实现更高效的燃烧气体的内部再循环。



背景技术:

现今人类的主要能源是烃类的化石燃料。但这类化石燃料燃烧后的生成物导致的环境污染问题严重。主要环境污染源有氮氧化物(NOx)、二氧化碳(CO2),还有燃料的不完全燃烧所产生的一氧化碳(CO)和煤烟(soot)等。

使用化石燃料的现有的燃烧器中,由于燃烧时的化学反应,不可避免地生成化学式为NO以及NO2的氮氧化物(NOx)。低NOx燃烧技术通过燃料和空气的混合形式、空燃比等燃烧器的结构改良而达到抑制氮氧化物生成的目的。在燃烧过程中所产生的氮氧化物与大气中的其它氧发生反应,引发烟雾以及大气臭氧增加等环境问题。特别是在这种燃烧过程中所产生的排放物(emission)对环境以及人体健康造成危害,因此各国正以越来越严格的标准来加强管制。

根据生成原因,可以将氮氧化物的种类划分为热氮氧化物(Thermal NOx)、快速型氮氧化物(Prompt NOx)以及燃料型氮氧化物(Fuel NOx)。热氮氧化物是空气中的氮与氧在1600℃以上的高温下发生反应而生成的,快速型氮氧化物是烃类燃料燃烧时在燃烧初期生成的,燃料型氮氧化物是通过燃料中所含的氮成分的反应所生成的。在这样的氮氧化物的对策方面,由于天然气等气体燃料不含氮成分,因此对于热氮氧化物以及快速型氮氧化物的相关事项的控制有可能更为有效。

氮氧化物成为光化学烟雾以及酸雨的原因,已知对动植物造成严重的影响,长久以来很多研究者研究了各种减少NOxsub>的方法。

因而目前尝试的低NOx方法有排气再循环、水或蒸汽喷射、空气及燃料的多级燃烧、选择性非催化还原反应(SNCR,selective non-catalytic reduction)、选择性催化还原反应(SNCR,selective catalytic reduction)等。最近在发达国家正尝试在后燃烧区域去除NOx的方法,认为不管是在NOx削减率还是在经济性方面都有效。

作为上述的用于削减NOx的现有方法,专利文献1提供一种液体以及气体用排气再循环三级燃烧器,其为了削减氮氧化物(NOx)的生成量,对燃烧用空气与一般空气以及排气进行混合并分三级来供给,各级的混合比不同,以便使多级燃烧引起的局部高温区域的生成最小化,并且扩张燃烧区域,以实现锅炉内部的均匀加热。

所述专利文献1中,作为用于使排气进行再循环的要素,具备多个排气供给管、再循环导管以及风门(damper)等额外的装置,以便使排气重新流入燃烧炉内,但是缺点在于,所述装置需要额外设置在燃烧炉的外部,因此所需的空间变大。

另一方面,关于专利文献2,参照本申请人在先申请的授权专利,如图4所示,提供一种内部再循环技术,在其燃烧炉1'内产生的燃烧气体3'、4'无需额外的装置即从燃烧炉1'内部向燃烧器2'内部传递,而不通过燃烧炉的外部连接通道传递,但是缺点在于,无法有效地利用燃烧炉1'内的部分区域的燃烧气体4'的流动,并且未考虑燃料供给量的控制。

【在线技术文献】

【专利文献】

(专利文献1)KR 10-2005-0117417 A

(专利文献1)KR 10-1512352 B1



技术实现要素:

所要解决的技术问题

因此,本发明为了解决上述的问题,旨在提供一种超低氮氧化物燃烧装置,其采用内部再循环技术,该技术在向燃烧炉的中心区域供给氧化剂的同时,使产生于形成有多重火焰场的燃烧炉内的燃烧气体无需额外的装置即从燃烧炉内部传递,而不由燃烧炉的外部连接通道传递,其通过在燃烧炉内的再循环区域流动的燃烧气体的更加顺畅的再循环以及燃料分配优化控制,提升氮氧化物削减效果。

解决技术问题的方案

为了达成上述的目的,本发明提供一种超低氮氧化物燃烧装置,其包括:燃烧炉;燃烧器,其一侧插入于所述燃烧炉内,所插入的一侧以及外周面与所述燃烧炉的内部面隔开规定间隔;主燃料喷射体,位于所述燃烧器的中央;辅助燃料喷射体,环绕所述主燃料喷射体,且其端部从所述燃烧器的一侧端部朝向另一侧缩进规定的间隔;燃料再循环端口,位于所述燃烧器的外周面上的所述辅助燃料喷射体的端部所处位置附近;以及传感器,用于感测产生于所述燃烧炉内的燃烧气体中所含的CO浓度,其中,通过所述主燃料喷射体向所述燃烧炉供给主燃料,其供给量少于预设的量,并且通过所述辅助燃料喷射体向所述燃烧炉追加供给辅助燃料,其供给量等于所述主燃料相对于所述预设的量所减少的量,从而在所述燃烧炉内进行燃烧,当由所述传感器感测的所述燃烧炉内的CO浓度在预设的浓度以上时,增加所述主燃料的供给量,因所述燃烧而产生并在所述燃烧炉的内周面与所述燃烧器的外周面之间流动的燃烧气体,依靠由所述辅助燃料喷射体喷射的辅助燃料的流速而通过所述燃料再循环端口流入所述燃烧器的内部,从而进行再次燃烧。

优选,进一步包括氧化剂再循环引导部,其位于所述主燃料喷射体与所述辅助燃料喷射体之间,以所述主燃料喷射体为中心,在同一圆周上隔着规定的间隔配置有多个所述辅助燃料喷射体,向所述再循环端口侧流入的燃烧气体中的一部分向所述辅助燃料喷射体之间的间隙流动而流入所述氧化剂再循环引导部,并与供应至所述主燃料喷射体的氧化剂混合而与供给至所述主燃料喷射体的主燃料一同燃烧。

优选,所述氧化剂再循环引导部包括:内部再循环套管,其以所述辅助燃料喷射体为基准倾斜地配置;连接导件,其从所述内部再循环套管的后端延伸;喷嘴,其连接于所述连接导件的后端,用于改变流动的燃烧气体的移动方向。

优选,所述喷嘴倾斜地配置在所述主燃料喷射体与所述氧化剂再循环引导部之间,从而减小所述氧化剂的流动空间即所述主燃料喷射体与所述氧化剂再循环引导部之间的宽度。

优选,进一步包括再循环促进凸起部,其附设在所述喷嘴与所述主燃料喷射体的外部面之间,所述再循环促进凸起部增加在所述主燃料喷射体与所述氧化剂再循环引导部之间流动的燃烧气体的流速。

有益效果

如上所述,根据本发明涉及的超低氮氧化物燃烧装置,采用内部再循环技术,无需额外的装置即从燃烧室内部传递产生于燃烧炉内部的燃烧气体,而不通过所述燃烧室的外部连接通道传递。

此外,通过引导燃烧气体的顺畅流动的再循环端口的结构,优化燃烧气体的再循环,随之使燃烧炉内的燃烧气体以多级形式流动而更加顺畅地燃烧,从而能够实现超低氮氧化物运行,并且基于再循环的燃烧气体与氧化剂以及燃料一同燃烧,从而使燃烧炉内的火焰稳定。

此外,通过供给的燃料分配的优化控制,能够进一步削减氮氧化物。

附图说明

图1是本发明一实施例涉及的超低氮氧化物燃烧装置的侧面概略图。

图2是本发明一实施例涉及的超低氮氧化物燃烧装置的侧面概略图,示出了超低氮氧化物燃烧装置的燃烧过程。

图3是本发明另一实施例涉及的超低氮氧化物燃烧装置的侧面概略图,示出了超低氮氧化物燃烧装置的燃烧过程。

图4是现有的燃烧装置的侧面概略图。

图5是示出本发明涉及的超低氮氧化物燃烧装置的燃烧过程的流程图。

图6示出了NOx生成量,示出了作为现有的再循环多级燃烧装置(专利文献2)而未采用再循环端口的情形下的NOx生成量以及作为本发明涉及的超低氮氧化物燃烧装置而采用再循环端口的情形下的NOx生成量。

图7示出了NOx生成量,分别示出了未采用燃料分配优化控制的情形下以及采用的情形下的NOx生成量。

【附图标记】

1:燃烧炉

5:燃烧器

10:主燃料喷射体

11:主燃料喷射部

21:燃料再循环端口

20:辅助燃料喷射体

30:旋流器

40:氧化剂再循环引导部

41:内部再循环套管

43:连接导件

45:喷嘴

47:倾斜构件

50:燃料供给部

51:第一燃料供给管线

52:第二燃料供给管线

55、56:电磁阀

60:空气多级套

72:第一次火焰空间

74:第二次火焰空间

76:再循环区域的燃烧气体

78:预混合区域

80:氧化剂供给部

85:中心氧化剂喷射体

90:再循环促进凸起部

100:超低氮氧化物燃烧装置

具体实施方式

通过参照附图对本发明的优选实施例进行详细说明,本发明的如上目的、特征以及其它优点将会更加明确。描述的实施例是为说明本发明而作为示例来提供的,并不用于限定本发明的技术范围。

根据需要,构成本发明的超低氮氧化物燃烧装置的各个构成要素可以作为一体型来使用,或者彼此分离使用。此外,根据使用形式,可以省略部分构成要素而使用。

下面,参照附图对本发明一实施例涉及的超低氮氧化物燃烧装置进行详细说明。

超低氮氧化物燃烧装置的整体结构说明

首先,参照图1观察本发明一实施例涉及的超低氮氧化物燃烧装置100的整体结构。

超低氮氧化物燃烧装置100包括:燃烧炉;燃烧器5,其一侧插入于所述燃烧炉内;主燃料喷射体10,位于所述燃烧器5的中央部;辅助燃料喷射体20,环绕主燃料喷射体10,且其端部从所述燃烧器5的一侧端部朝向另一侧缩进规定的间隔;燃料再循环端口21,位于所述燃烧器5的外周面上的所述辅助燃料喷射体20的端部所处位置附近;以及氧化剂再循环引导部40,位于所述主燃料喷射体10与辅助燃料喷射体20之间。

燃烧器5的一侧插入于燃烧炉1内,其外周边缘与燃烧炉1的内周面隔开规定的间隔。

具体而言,燃烧器5的插入方式为,其前端部6从插入燃烧炉1中的插入面(图2中为燃烧炉1的下侧面)隔开规定的间隔a,由此,可划分产生于燃烧炉内的燃烧气体的再循环区域。

主燃料喷射体10包括:移送部13,其与主燃料供给管线51连接;以及主燃料喷射部11,其与所述移送部13直接连接。所述移送部13用于将主燃料安全地移送至主燃料喷射部11,可以具有均匀的直径。

作为一实施例,主燃料喷射部11可以具有直径逐渐变大的形状,并通过其外周面喷射所供给的主燃料。即,通过形成在主燃料喷射部11的外周面的喷射孔(未图示)进入主燃料喷射部11内的燃料被喷射到各燃料喷射体10、20之间的内部空间(参照图2的附图标记15)。即,主燃料喷射部11内的燃料沿着所述主燃料喷射部11的半径方向喷射到流入的氧化剂上。

另一方面,可以沿着主燃料喷射体10的内部配置中心氧化剂喷射体85。其中,构成为能够在中心氧化剂喷射体85的末端插入喷嘴,以便能够调节空气供给量。所述中心氧化剂喷射体85使从氧化剂供给部80供给的氧化剂沿着主燃料喷射体10的中心轴流动之后,供给至燃烧炉1的火焰中心部即第一次火焰空间72。

由此,在火焰中心部即第一次火焰空间72中促进火焰与氧化剂的混合效果,抑制形成红焰,从而引导蓝焰形成。与此同时,减小火焰中心部周边的局部高温区域,从而第一次削减氮氧化物的生成。

辅助燃料喷射体20以主燃料喷射体10为中心,在同一圆周上隔着规定的间隔配置。辅助燃料喷射体20的数量并无限制,但是可以配置6至12个辅助燃料喷射体20,优选保持相同的间隔配置8个辅助燃料喷射体20。辅助燃料喷射体20的前端从位于燃烧炉1内的燃烧器5的一侧向另一侧缩进。

换言之,辅助燃料喷射体20的前端位于从燃烧器5的前端部6朝向燃烧炉的所述插入面(图1中为下侧面)隔开规定间隔之处。

从辅助燃料喷射体20喷射的燃料在燃烧炉1内燃烧,并在燃烧炉1内产生旋转流动。

如上所述,将燃烧器5更深地插入到燃烧炉1内,从而在燃烧炉1内明确地划分产生于燃烧炉1内的燃烧气体的再循环区域,以使燃烧气体顺畅地流动,并且由于上述的辅助燃料喷射体20的位置,能够更加有效地进行后述的燃烧气体的再循环。

主燃料喷射体10以及辅助燃料喷射体20都可以由中空的圆筒形管构成。从氧化剂供给部80向主燃料喷射体10与辅助燃料喷射体20之间的空间供给氧化剂。所述氧化剂可以以通过位于主燃料喷射体10前端的旋流器(swirler)30形成轴向或切向动量的状态供给至燃烧炉1内部,或者不通过旋流器30而直接供给至燃烧炉1内。

依靠向主燃料喷射体10与辅助燃料喷射体20之间的空间高速供给的氧化剂的流速,形成低压状态。

燃料从燃料供给部50被分为主燃料(Main fuel)和辅助燃料(2nd fuel)并供给至所述主燃料喷射体10以及辅助燃料喷射体20。具体而言,燃料从燃料供给部50通过过滤器(未图示)去除杂质,通过泵(未图示)抽吸之后,分成第一供给管线51和第二供给管线52而供给至各个燃料喷射体10、20。所述供给管线51、52上分别设置有电磁阀55、56,以便能够适当地供给以及阻断作为主燃料(Main fuel)和辅助燃料(2nd fuel)来供给的各燃料。

燃料再循环端口21位于燃烧器5的前端部6与燃烧炉1的插入面之间。具体而言,以狭缝形式位于辅助燃料喷射体20的端部所处的位置,由此使在燃烧炉内产生的燃烧气体流入燃烧器5的内部,并向所述辅助燃料喷射体20以及/或者后述的氧化剂再循环引导部40侧流动而进行燃烧,从而削减燃烧气体中所含的氮氧化物。

氧化剂再循环引导部40包括:内部再循环套管41(Forced Internal recirculation sleeve),在燃烧炉1的开口部(未图示)上以辅助燃料喷射体20为基准倾斜地配置;连接导件43,从内部再循环套管41延伸;喷嘴45,连接于连接导件43的后端,用于改变流动的燃烧气体的移动方向;以及倾斜构件47,倾斜地配置在氧化剂再循环引导部40的内部下端。

内部再循环套管41倾斜地配置,从燃烧气体的最初流入部即燃烧器5的前端越趋向后端越接近开口部中心。即,越趋向内部再循环套管41的后端,内部宽度就越小。连接导件43用于使通过内部再循环套管41流入的燃烧气体能够进行缓慢的流动,其保持一定的宽度。

喷嘴45将通过内部再循环套管41以及连接导件43在燃烧炉1内流动的燃烧气体向主燃料喷射体10与氧化剂再循环引导部40之间的空间喷射。喷射的燃烧气体与氧化剂一同向燃烧炉1内部流动。所述喷嘴45在主燃料喷射体10与氧化剂再循环引导部40之间倾斜地配置。即,减小主燃料喷射体10与氧化剂再循环引导部40之间的宽度,从而实现孔(orifice)状的结构。如上所述的喷嘴45的配置结构使向主燃料喷射体10与辅助燃料喷射体20之间的空间供给的氧化剂的流动速度更快,从而高速地向燃烧炉1内流动。

即,主燃料喷射体10与喷嘴45之间的空间变窄,从而根据伯努利定理,氧化剂的流速会增加。通过这样的结构,能够增加燃烧炉1内发生的流动的动量。

倾斜构件47是配置在连接导件43与喷嘴45的边界线上的结构体,其调节燃烧气体可流动的宽度,最终调节流速。

空气多级套60是中空圆筒形状的结构体,构成为将从氧化剂供给部80供给的氧化剂分离供给至空气多级套60的内部以及外部,从而实现氧化剂的多级供给,最终由此易于在燃烧炉1的内部形成多级火焰。

再循环促进凸起部90配置在空气多级套60的外周面上。具体而言,所述再循环促进凸起部90起到减小构成氧化剂再循环引导部40的喷嘴45与空气多级套60之间的空间的功能。通过如上的结构,通过氧化剂再循环引导部40从燃烧炉1流动的燃烧气体的流速在经过再循环促进凸起部90附近时得以提高。由此,防止通过氧化剂再循环引导部40再次流入燃烧炉1中的燃烧气体分离(separation),最终促进燃烧气体的再循环。

超低氮氧化物燃烧装置的燃烧过程的说明

接下来,进一步参照图2至图3以及图5,对本发明实施例涉及的超低氮氧化物燃烧装置的燃烧过程以及效果进行说明。

向超低氮氧化物燃烧装置供给燃料以及氧化剂,从而进行燃烧(S100)。

其中,供给的燃料分成主燃料和辅助燃料来供给,以少于预设的量(例如,与氧化剂的理论当量比)供给主燃料,并追加供给辅助燃料,其量等于少供给主燃料的量。

通过氧化剂供给部80供给氧化剂,所供给的氧化剂中的一部分通过主燃料喷射体10内部的中心氧化剂喷射体85进行流动。

与此同时,主燃料从燃料供给部50经过第一燃料供给管线51被供给至主燃料喷射体10。

在主燃料喷射体10内流动的主燃料经历通过主燃料喷射部11的外周面沿着半径方向喷射的过程,如此喷射的主燃料与氧化剂发生反应,形成预混合区域78。其中,所述主燃料喷射部11具有越趋向燃烧炉1方向就越敞开的形状,因此喷射的燃料能够形成较宽部位的预混合区域78。

形成在预混合区域78的预混合物通过主燃料喷射体10的前端或者通过旋流器30以具有轴向动量(Axial momentum)以及切向动量(Tangential momentum)的状态喷射到燃烧炉1内,形成着第一次火焰空间进行燃烧。

然后,燃料从燃料供给部50经过第二燃料供给管线52供给至辅助燃料喷射体20。通过辅助燃料喷射体20向第一次火焰空间72的上部侧喷射的辅助燃料通过与第一次火焰空间72中的未反应的氧化剂进行反应的过程,形成第二次火焰空间74。第一次火焰空间72中的可燃性气体中的一部分与供给至旋流器30外缘的预混合物混合,并移动至第一次火焰的尾流中,形成第二火焰空间74。

从主燃料喷射体10喷射的燃料基于燃烧炉1内的多级空气流动形成第一次火焰空间72,从辅助燃料喷射体20喷射的燃料基于由主燃料喷射体10的第一次火焰空间72传递的热量所产生的氛围温度和残留氧气进行部分氧化反应,转化为多种可燃性气体,从而在火焰尾流形成第二次火焰空间74。因此,明确划分地组成包括所述燃料浓厚区域和燃料稀薄区域的、燃烧炉内构成为多级的火焰状态。

换言之,沿着主燃料喷射体10的半径方向喷射的主燃料与氧化剂进行预混合,形成预混合区域78,从所述预混合区域78供给到燃烧炉1内的预混合物形成第一次火焰空间72,并从辅助燃料喷射体20向第一次火焰空间72的后端喷射辅助燃料,从而形成最终火焰的形态。

如上所述,在燃烧炉1内通过由主燃料喷射体10以及辅助燃料喷射体20喷射的燃料形成多级火焰空间。在所述第一次火焰空间72的后端部形成第二次火焰空间74。第二次火焰空间74形成为将第一次火焰空间72环绕在更深入燃烧炉1内部侧的空间的形式。

依靠因上述的氧化剂的供给而形成在主燃料喷射体10与辅助燃料喷射体20之间的低压,包括所述第一次火焰空间72、第二次火焰空间74的多级火焰空间中的燃烧气体75流入氧化剂再循环引导部40并进行流动,随之流动到形成在主燃料喷射体10与辅助燃料喷射体20之间的预混合区域78侧,并在燃烧炉1内燃烧。

与此独立地,在燃烧炉1的内周面与燃烧器5的外周面之间的空间形成再循环区域。在这样的再循环区域中,燃烧气体76以涡流形式流动。

通过上述燃烧过程在燃烧炉1内部再循环区域产生的燃烧气体76通过燃烧器5的外周面与燃烧炉1的内周面之间的空间即再循环区域进行流动。

依靠从辅助燃料喷射体20的前端高速喷射的燃料所形成的低压,在再循环区域流动的燃烧气体76流入燃料再循环端口21。

如此流入燃料再循环端口21的燃烧气体76能够与从辅助燃料喷射体20的前端喷射的燃料混合并供给至燃烧炉1内部进行燃烧。

此外,作为另一实施例,使燃烧炉1内部与氧化剂再循环引导部40的外周边缘连通,从而使在再循环区域流动的燃烧气体76中的一部分因向氧化剂再循环引导部40供给的氧化剂所产生的低压而流动,通过相互隔开的各辅助燃料喷射体20之间,流入氧化剂再循环引导部40,并流动到主燃料喷射体10的周围,与预混合区域78混合,并供给至燃烧炉1内第一次火焰空间72,从而能够进行燃烧。

此外,在再循环区域流动的燃烧气体76的其余一部分如上所述,依靠从辅助燃料喷射体20的前端高速喷射的燃料所形成的低压,通过燃料再循环端口21流入燃烧炉1内进行燃烧。另一方面,从氧化剂再循环引导部40排出至氧化剂的流动空间的燃烧气体通过再循环促进凸起部90增加流动速度,从而能够在提高燃烧气体以及氧化剂的流速的同时防止分离。

经过上述的过程后,预混合物以及燃烧气体经历流入第一次火焰空间72并燃烧的过程,从而在燃烧炉1内形成火焰。

并且,实时感测燃烧炉1内的CO浓度(S200)。

在进行如上所述的燃烧的期间内,通过设置在燃烧炉1上的传感器(未图示)实时感测燃烧炉1内的CO浓度以进行监控。

如上所述,少供给主燃料并进行燃烧,因此或多或少会形成不完全燃烧,产生CO,因而实时感测因不完全燃烧而产生的CO的浓度。

并且,比较燃烧炉1内的CO浓度与预设的CO浓度(S300),当燃烧炉1内的CO浓度低于预设的浓度时,保持其状态而继续进行燃烧以及监控,当燃烧炉1内的CO浓度在预设的浓度以上时,增加主燃料的供给量(S400)。

图6分别示出了现有的再循环多级燃烧装置(专利文献2)以及本发明涉及的超低氮氧化物燃烧装置的NOx生成量。

图7分别示出了本发明涉及的超低氮氧化物燃烧装置未采用燃料分配优化控制的情形下以及采用燃料分配优化控制的情形下的NOx生成量。

参照所述图6以及图7即可确认,通过再循环端口21的结构以及供给的燃料分配的优化控制,在减小燃烧炉1内负荷的同时,能够有效防止NOx的生成。

如上所述,根据本发明涉及的超低氮氧化物燃烧装置,在燃烧炉内产生的燃烧气体无需额外的动力即与氧化剂一同重新流入燃烧炉中并进行反应,从而能够在源头上削减燃料中的氮成分氧化而产生的氮氧化物,在此基础上通过有别于现有的燃烧装置的结构,通过在燃烧炉内产生的燃烧气体的多级再循环,使燃烧气体的再循环更为顺畅,并且通过供给的燃料分配的优化控制,能够得到更高的氮氧化物削减效果。

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