一种水冷预混燃烧方法及装置与流程

本发明涉及燃烧装置技术领域，具体涉及一种水冷预混燃烧方法及装置。

背景技术：

氮氧化物形成酸雨，是大气污染物的成分之一，同时也是形成雾霾的主要成分之一，北京市颁布了新的《锅炉大气污染物排放标准》，规定自2017年4月1日开始，所有在用燃气锅炉氮氧化物排放限值为80mg/m³，新建燃气锅炉氮氧化物排放限值为30mg/m3，这就对当前的燃烧装置提出了低氮要求。

目前低氮燃烧控制技术主要通过降低火焰温度来降低氮氧化物的形成。根据nox的生成机理，可将其分为热力型氮氧化物、燃料型氮氧化物和快速型氮氧化物。其中，燃料型氮氧化物是燃料中的氮氧化合物在氧化过程中生成的，占整个燃烧过程生成量的90％以上。

传统预混式燃烧的特点为火焰的容积热强度高，且能在很小的过剩空气系数下达到完全燃烧，因此燃烧温度很高。由于燃气与空气已预先混合，其燃烧速度很快，火焰较短，但稳定性差。

传统燃烧器燃烧的条件：气流速度与燃烧速度平衡点要在燃烧器的稳焰盘上，火焰靠稳焰盘来稳定，火焰温度靠辐射换热冷却，冷却效果不能降到热力型氮氧化物的生成温度1500℃以下，虽然实现燃烧器的稳定燃烧，但火焰稳定比较高，难以实现低nox排放。传统燃烧装置中燃烧反应完成后的高温烟气接触炉壁等换热面，燃尽率比较差，co形成比较多，炉壁上易形成焦油，不利于传热。除此之外，传统燃烧器要求炉膛直径大于火焰直径，炉膛长度大于火焰长度。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决传统燃烧器nox排放量大、炉膛尺寸大的问题，提供了一种水冷预混燃烧方法及装置。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种水冷预混燃烧方法，包括以下步骤：

s1，燃烧器伸入炉膛内部形成一环形燃烧筒，燃气与空气在环形燃烧筒内预混形成混合气体；

s2，混合气体经环形燃烧筒的末端外壁喷出，气流速度大于燃烧速度；

s3，混合气体贴近水冷壁燃烧形成主火焰。

进一步地，步骤s3中，水冷壁与环形燃烧筒外壁之间的距离为200-600mm。

进一步地，步骤s3中，主火焰垂直于环形燃烧筒，并稳定燃烧。

进一步地，步骤s2中，混合气体还经环形燃烧筒的外壁中部和末端环面喷出，相应地，步骤s3中，经外壁中部和末端环面喷出的混合气体稳定燃烧形成辅火焰。

进一步地，环形燃烧筒的末端外壁、外壁中部和末端环面的喷出孔的流通面积比为5:1:1。

本发明还提供一种水冷预混燃烧装置，包括燃烧器和炉膛，所述燃烧器伸入所述炉膛内形成一环形燃烧筒，所述环形燃烧筒的前端设有空气入口和燃气入口，空气与燃气在所述环形燃烧筒内形成混合气体，所述环形燃烧筒的末端外壁设有混合气体的出气孔一，所述混合气体从出气孔一喷出形成主火焰，所述主火焰垂直于所述环形燃烧筒，所述炉膛的内壁为水冷壁，混合气体贴近所述水冷壁燃烧形成主火焰。

进一步地，所述水冷壁与所述环形燃烧筒的外壁之间的距离为200-600mm。

进一步地，所述环形燃烧筒的外壁还设有出气孔二，所述环形燃烧筒的末端环面设有出气孔三，所述出气孔一、所述出气孔二和所述出气孔三的流通面积比为5:1:1。

进一步地，所述水冷壁的冷却介质为水、导热油或空气中的一种。

进一步地，所述空气入口处设有引射板，所述燃气入口为燃气喷嘴，所述燃气喷嘴与所述引射板相邻，所述燃烧器包括空气腔和燃气腔，所述燃气腔与所述燃气喷嘴连通，燃气经燃气喷嘴后与空气在引射板处混合。

相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：

一、该装置通过在环形燃烧筒末端外壁设置出气孔一以及距离环形燃烧筒外壁一定距离的水冷壁，不仅能通过水冷壁稳定燃烧火焰，使预混气体在出气孔一处由脱火状态下不稳定燃烧转变为稳定燃烧，而且可以使混合气体在贴近水冷壁燃烧时，通过水冷壁降低火焰的燃烧温度，进而降低nox排放；

二、该装置通过设定环形燃烧筒的末端外壁、外壁中部和末端环面的喷出孔的流通面积比例，使nox排放量控制到最低；

三、该装置燃烧火焰通过水冷壁来稳定，而并非依靠燃烧器本身，在降低nox排放的同时，进一步简化了传统燃烧器的结构；

四、该装置燃烧火焰短，燃烧稳定，传热效率高，锅炉为单回程，并且炉膛小，安全性高。

附图说明

图1是本发明所述水冷预混燃烧装置结构图；

图2是本发明所述燃烧器的结构图；

图3是本发明所述燃烧器的侧视图。

图中：1为鼓风机、2为燃气腔、4为引射板、5为燃气喷嘴、7为保温板、9为水冷壁、13为燃烧器、14为炉膛、15为环形燃烧筒、16为出气孔一、17为出气孔二、18为出气孔三、19为空气腔、20为燃气进气装置、21为混合腔。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步描述说明。

实施例一

本实施例提供一种水冷预混燃烧方法，包括以下步骤：

s1，燃烧器13伸入炉膛14内部形成一环形燃烧筒15，燃气与空气在环形燃烧筒15内预混形成混合气体；

s2，混合气体经环形燃烧筒15的末端外壁喷出，气流速度大于燃烧速度；

s3，混合气体贴近水冷壁9燃烧形成主火焰。

与传统水冷预混燃烧方法不同的是，本实施例中，燃烧器13内的混合气体从环形燃烧筒15的末端外壁喷出，喷出的气流速度大于燃烧速度，且使混合气体贴近水冷壁9燃烧形成主火焰。不仅能通过水冷壁9稳定燃烧火焰，使混合气体在出气孔一16处由脱火状态下的不稳定燃烧转变为稳定燃烧，而且可以在混合气体贴近水冷壁9燃烧时，火焰与水冷壁9接触，通过水冷壁9降低火焰的燃烧温度，进而降低nox排放。优选地，混合气体在水冷壁9处燃烧，使得降温效果最佳，具体主火焰的燃烧位置根据不同工况条件决定。

优选地，步骤s3中，水冷壁9与环形燃烧筒15外壁之间的距离为200-600mm，主火焰垂直于环形燃烧筒15。在该距离范围内，混合气体贴近水冷壁9稳定燃烧，达到低氮排放的效果。

为进一步提高燃烧器13的燃烧效果，本实施例的步骤s2中，混合气体还经环形燃烧筒15的外壁中部和末端环面喷出；相应地，步骤s3中，经外壁中部和末端环面喷出的混合气体稳定燃烧形成辅火焰。较优地，环形燃烧筒15的末端外壁、外壁中部和末端环面的喷出孔的流通面积比为5:1:1。当然上述三个喷出孔的比例不限于此，具体的比值根据燃烧工况的不同而确定。

实施例二

如图1-3所示，本实施例提供一种水冷预混燃烧的装置，包括燃烧器13和炉膛14，燃烧器13伸入炉膛14内形成一环形燃烧筒15。环形燃烧筒15的前端设有空气入口和燃气入口，空气与燃气在环形燃烧筒15内形成混合气体，环形燃烧筒15的末端外壁设有混合气体的出气孔一16。混合气体从出气孔一16喷出形成主火焰，主火焰垂直于环形燃烧筒15。炉膛14的内壁为水冷壁9，混合气体贴近水冷壁9燃烧形成主火焰。出气孔一16的开口形状可以为环缝，圆孔，方孔等。

混合气体从出气孔一16喷出时，控制混合气体的气流速度大于燃烧速度，使混合气体处于脱火状态。出气孔一16处混合气体不会燃烧，燃烧反应发生在出气孔一16之外。空气与燃气的混合气体从出气孔一16喷出后，燃烧不稳定，火焰不能持续。为使预混气体由脱火状态下的不稳定燃烧转变为稳定燃烧，取水冷壁9与环形燃烧筒15的外壁之间的距离为200-600mm。预混气流从出气孔一16喷出后，以一定速度冲刷到水冷壁9上，水冷壁9阻挡混合气体与混合气体火焰的周向传播，起到稳定火焰的效果，同时锅炉可设计为单回程，锅炉的炉膛小、安全性高。本实施例中燃烧火焰靠水冷壁9来稳定而并非靠燃烧器13本身，与传统技术相比，进一步简化了燃烧器13的结构。混合气体贴近水冷壁9燃烧时，火焰与水冷壁9接触，水冷壁9通过热传导和辐射吸热迅速冷却火焰的外焰温度，从而实现超低nox排放。优选地，混合气体在水冷壁9处燃烧，使得降温效果最佳，具体主火焰的燃烧位置根据不同工况条件决定。

环形燃烧筒15为不锈钢材质，为防止环形燃烧筒15的温度过高而变形，环形燃烧筒15的外壁还设有出气孔二17，环形燃烧筒15的末端环面设有出气孔三18。环形燃烧筒15内的混合气体为低温状态，通过出气孔二17和出气孔三18处的低温混合气流不断冲刷环形燃烧筒15壁面，可降低环形燃烧筒15的温度。经出气孔二17和出气孔三18出的气流速度等于燃烧速度，并在出气孔附近形成稳定燃烧，通过稳定燃烧能不断吸收环形燃烧筒15的温度。出气孔二17和出气孔三18的开口形状不限，例如，出气孔二17为腰孔，出气孔三18为喷嘴。

一小部分混合气体经出气孔二17和出气孔三18后喷出，绝大部分混合气体经出气孔一16喷出，并贴近水冷壁9燃烧形成主火，主火外焰被水冷壁9冷却，火焰温度被降低，nox排放量降低。当出气孔一16、出气孔二17和出气孔三18的流通面积比为5:1:1时，nox排放量能控制为18mg/m³以下，同时环形燃烧筒15的温度也能控制在合理的范围内。

水冷壁9的冷却介质为水、导热油或空气中的一种。燃烧器13除用来加热水外，还能用来加热导热油或空气。

环形燃烧筒15前端空气入口处设有引射板4，环形燃烧筒15前端燃气入口为燃气喷嘴5，燃气喷嘴5与引射板4相邻。燃烧器13包括空气腔19和燃气腔2，燃气腔2与燃气喷嘴5连通，燃气经燃气喷嘴5后与经空气腔19出的空气在引射板4处混合。混合气体在引射板4处形成涡流，提高混合效果。

燃烧器13还包括鼓风机1，空气通过鼓风机1进入空气腔19。燃烧器13还包括燃气进气装置20，燃气进气装置20内形成燃气腔2。环形燃烧筒15内形成混合腔21，空气与燃气混合后进入混合腔21。环形燃烧筒15中心设有保温板7，保温板7防止环形燃烧筒15内的热量向外扩散。

具体工作时，空气由鼓风机1进入空气腔19，燃气由燃气进气装置20进入燃气腔2，燃气通过燃气喷嘴5喷出后与空气在引射板4处混合，混合气体进入环形燃烧筒15内的混合腔21，一部分混合气体经出气孔二17与出气孔三18喷出后燃烧。大部分混合气体经出气孔一16喷出后，被水冷壁9阻挡并贴近水冷壁9燃烧，水冷壁9对燃烧的火焰进行降温，并能够使混合气体由原来的不稳定燃烧状态转变为稳定燃烧，同时火焰温度降低，nox排放量减少。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。