天然气锅炉燃烧器的制作方法

本实用新型属于天然气锅炉低氮燃烧技术领域，具体涉及一种天然气锅炉燃烧器。

背景技术：

现今，人们的生活和生产活动中常需要热水锅炉、蒸汽锅炉，尤其是北方，在每年冬季供暖的时候，会有大量的热水锅炉投入运行。为了提高锅炉的工作效率，需要提高燃烧当量比，增加炉膛温度提高换热效率，同时减少空气带走的热量。高当量比情况下，锅炉燃烧易生成大量的氮氧化物(NOx)，包括一氧化二氮、一氧化氮和二氧化氮等。氮氧化物对动植物造成毒害，也是形成酸雨、酸雾和光化学烟雾的主要原因之一。

随着环保意识的逐步增强，相应的氮氧化物的排放标准也在日益严格，2017年北京提出的在用锅炉氮氧化物排放要达到80mg/m³的标准，改扩建的要达到30mg/m³的标准。如何满足排放需要，同时兼顾锅炉效率，是一对矛盾，需要开发新型的锅炉高效低氮燃烧技术。

目前美国和欧洲国家在控制NOx排放方面有着丰富的经验和先进的技术。他们主要采用外部FGR(Flue Gas Recirculation)的方法，可以将NOx降低到30mg/m³以下，但FGR的使用会导致锅炉的效率降低，容易导致燃烧不稳定。在我国北方采用FGR技术，由于冬季气温偏低，在回流烟气中会形成冷凝水，长期下去会侵蚀设备，燃烧器容易出现故障，降低设备运行寿命。因此，本领域还缺乏一种不采用FGR的高效低氮燃烧器，可实现高效低氮，如何设计燃烧器，如何能在减少氮氧化物排放的同时，仍然可以保持锅炉效率，是目前需要解决的主要问题。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种天然气锅炉燃烧器，以便解决上述问题的至少之一。

本实用新型是通过如下技术方案实现的：

一种天然气锅炉燃烧器，包括炉膛、燃烧器头部组件以及二级燃料入口。燃烧器头部组件包括主燃料腔、空气腔以及值班燃料腔。其中，主燃料腔为圆柱形，所述圆柱底面连有一燃料进口管道，所述圆柱一个端面与炉膛连接并密封炉膛；空气腔为圆柱形，位于所述主燃料腔外侧，所述圆柱底面连有一空气进口管道，靠近炉膛一侧通过周向均匀布置的N个主喷嘴管道连接到所述炉膛，所述N个主喷嘴管道穿过所述主燃料腔，主燃料通过主喷嘴管道上沿周向均布的多个主燃料孔进入所述N个主喷嘴管道与空气充分混合后，由主喷嘴管道出口进入炉膛燃烧，其中，N≥3；值班燃料腔为圆柱形，位于所述空气腔外侧，背对炉膛的端面连接值班燃料进口管道，靠近炉膛的端面通过沿周向均匀布置的M个值班燃料喷嘴管道连接到所述炉膛，其中M≥3；二级燃料入口设置于所述炉膛中部侧面，垂直于炉膛壁面，独立运行，调节燃料与空气的比例；所述值班燃料喷嘴管道中心和所述主喷嘴管道中心位于同一个圆周上，间隔均匀；所述值班燃料喷嘴管道末端装有值班燃料引射管。

进一步地，所述主喷嘴管道的出口与所述值班燃料引射管出口平齐。

进一步地，所述主燃喷嘴与所述值班燃料喷嘴均匀分布在同一个圆周上。

进一步地，所述值班燃料喷嘴的引射管内径是值班燃料喷嘴出口直径的1.5～3倍。

进一步地，所述主喷嘴管道的出口所在圆周距离所述燃烧器外圈的距离为主喷嘴直径的1.0～3.0倍。

进一步地，所述主喷嘴管道出口直径为所述值班燃料喷嘴管道出口直径的2.5～5倍。

进一步地，所述主喷嘴管道伸入所述炉膛的距离为所述主喷嘴管道出口直径的3～6倍，所述值班燃料引射管的长度为所述主喷嘴管道伸入所述炉膛的距离的0.3～0.6倍。

进一步地，所述燃烧器外圆尺寸与所述炉膛的内径相同。

进一步地，所述主喷嘴管燃料入口孔的个数为3～6个，入孔速度≤150m/s。

进一步地，所述二级燃料入口到主燃料腔燃料进口管道的距离为燃烧器外径的1.5～3.0倍；所述二级燃料喷孔为P个，入口直径为2～8mm，其中，P≥2。

从上述技术方案可以看出，本实用新型的天然气锅炉燃烧器具有以下有益效果：

(1)相对于纯粹的扩散燃烧喷嘴，主燃预混喷嘴的燃料和空气可以均匀混合，减少快速型NOx的生成；

(2)采用环形布置的三个扩散值班喷嘴，更有利于近壁燃烧方式的点火，并可以在锅炉低负荷运行的时候，作为主燃喷嘴使用；

(3)燃料采用轴向分级的燃烧方式，降低主燃区的当量比，降低峰值火焰温度，均匀温度场，减少热力型NOx的生成；

(4)扩散值班喷嘴外加燃料稀释圈，可以高射速引流烟气，预热并稀释燃料，实现NOx的进一步降低；

(5)燃烧器喷嘴结构简单易实现，可使用在天燃气锅炉上，在不影响锅炉效率的同时，实现30mg以下的氮氧化物排放。

附图说明

图1为本实用新型的锅炉燃烧器实例结构示意图；

图2为燃烧器喷嘴分布示意图；

图3为扩散喷嘴燃料稀释圈；

图4为燃烧器主燃喷嘴流道中燃气入孔剖面图。

【附图元件符号说明】

100-值班燃料入口； 110-值班燃料腔；

120-空气腔； 130-空气入口；

140-主喷嘴管道； 150-主燃料腔；

160-主燃料入口； 170-值班喷嘴管道；

180-值班燃料引射管； 190-主燃料喷入孔；

200-波纹型炉膛； 210-二级燃料入口；

L-主喷嘴伸入段长度； D-主喷嘴出口直径；

d-值班扩散喷嘴出口直径； d1-值班燃料引射管内径；

L1-值班燃料引射管长度； D0-燃烧器腔体外径；

di-主燃料喷孔直径； ds-二级燃料入口直径。

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明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型作进一步的详细说明。

本实用新型提供一种天然气锅炉燃烧器，包括炉膛、主燃料腔、空气腔、二级燃料入口以及值班燃料腔，其中，所述空气腔中的空气分N路由所述主喷嘴管道入射，经过所述主燃料腔时和与燃料进行掺混得到预混气，所述预混气经主喷嘴出口喷入炉膛；所述值班燃料腔中的燃料气分M路从值班燃料喷入所述炉膛，其中N≥3，M≥3。。本实用新型的天然气锅炉用燃烧器燃料空气混合更均匀，加上采用燃料轴向分级燃烧，火焰峰值温度低，有利于优化炉膛温度场，降低NOx排放。

具体地，本实用新型提供一种天然气锅炉燃烧器，包括炉膛、燃烧器头部组件以及二级燃料入口。燃烧器头部组件包括主燃料腔、空气腔以及值班燃料腔。其中，主燃料腔为圆柱形，所述圆柱底面连有一燃料进口管道，所述圆柱一个端面与炉膛连接并密封炉膛；空气腔为圆柱形，位于所述主燃料腔外侧，所述圆柱底面连有一空气进口管道，靠近炉膛一侧通过周向均匀布置的N个主喷嘴管道连接到所述炉膛，所述N个主喷嘴管道穿过所述主燃料腔，主燃料通过主喷嘴管道上沿周向均布的多个主燃料孔进入所述N个主喷嘴管道与空气充分混合后，由主喷嘴管道出口进入炉膛燃烧，其中，N≥3；值班燃料腔为圆柱形，位于所述空气腔外侧，背对炉膛的端面连接值班燃料进口管道，靠近炉膛的端面通过沿周向均匀布置的M个值班燃料喷嘴管道连接到所述炉膛，其中M≥3；二级燃料入口设置于所述炉膛中部侧面，垂直于炉膛壁面，独立运行，调节燃料与空气的比例；所述值班燃料喷嘴管道中心和所述主喷嘴管道中心位于同一个圆周上，间隔均匀；所述值班燃料喷嘴管道末端装有值班燃料引射管。

所述主喷嘴管道的出口与所述值班燃料引射管出口平齐。

所述主燃喷嘴与所述值班燃料喷嘴均匀分布在同一个圆周上。

所述值班燃料喷嘴的引射管内径是值班燃料喷嘴出口直径的1.5～3倍。

所述主喷嘴管道的出口所在圆周距离所述燃烧器外圈的距离为主喷嘴直径的1.0～3.0倍。

所述主喷嘴管道出口直径为所述值班燃料喷嘴管道出口直径的2.5～5倍。

所述主喷嘴管道伸入所述炉膛的距离为所述主喷嘴管道出口直径的3～6倍，所述值班燃料引射管的长度为所述主喷嘴管道伸入所述炉膛的距离的0.3～0.6倍。

所述燃烧器外圆尺寸与所述炉膛的内径相同。

所述主喷嘴管燃料入口孔的个数为3～6个，入孔速度≤150m/s。

所述二级燃料入口到主燃料腔燃料进口管道的距离为燃烧器外径的1.5～3.0倍；所述二级燃料喷孔为P个，入口直径为2～8mm，其中，P≥2。

以下结合1t/h蒸汽锅炉的具体实施例和附图，对本实用新型提供的天然气锅炉燃烧器作进一步的详细说明。

图1为锅炉燃烧器结构示意图。如图1所示，本实用新型提供了一种天然气锅炉高效低氮柔和分级燃烧器，包括：主喷嘴管道140、值班喷嘴管道170、主燃料喷入孔190、二级燃料入口210、空气腔120、主燃料腔150以及值班燃料入口100。其中，值班燃料分三路燃料气从扩散值班喷嘴喷入，值班燃料喷嘴伸入炉膛段末端加装引射管180；所述主燃预混气体由空气腔130分为六路喷入，在经过主燃料腔150时和通过流道上小孔190喷入的燃料进行掺混，混合后经伸入炉膛的主喷嘴喷入波纹型炉膛200。

主燃管道140出口和值班燃料喷嘴连接的引射管180出口平齐。

图2为燃烧器喷嘴分布示意图。如图2所示，所有的喷嘴出口中心位于同一个圆周上。

图3为扩散喷嘴燃料稀释圈。如图4所示，值班燃料喷嘴管道170的引射管180内径d1是值班扩散喷嘴出口直径d的1.5～3倍。

为了在炉膛内中部形成大的回流区域，喷嘴偏向壁面一侧，出口所在圆周距离燃烧器外圈距离为1.0～3.0倍的主燃预混喷嘴管道140直径D。

燃烧器主燃预混喷嘴出口直径D为20～25mm，值班扩散喷嘴出口直径d为5～8mm。

为了保证燃料在引射管内可以引射高温烟气，喷嘴伸入炉膛段200的距离L为80～150mm，值班燃料喷嘴引射管180的长度L1为0.3～0.6L。

燃烧器外圆尺寸D0与锅炉燃烧炉膛200的内径尺寸相同。

单个流道上预混燃料喷入孔190的个数为3～6个，燃料喷孔出口速度≤150m/s。

二级燃料喷孔210个数大于等于2个，喷孔直径ds为2～8mm，距离一级燃料入口的距离L2为燃烧器外径D0的1.5～3.0倍，保证二次燃料入口在回流区的边缘处，二次燃料可以参与回流。

图4为燃烧器主燃喷嘴流道中燃气入孔剖面图。如图3所示，在主燃管道内，燃料从燃料腔中经过入射孔190进入预混管道140内，与来自空气腔120的空气进行混合，并经过一定长度的预混段以85～110m/s的速度喷入炉膛燃烧，采用这样部分预混的主燃喷嘴，提高了燃料和空气的混合性，减少快速型NOx的生成量，从而在炉膛中部形成较大的回流区，让高温烟气更好的预热来流反应物；图1中值班燃料喷嘴的喷入速度接近100m/s，高速的射流可以让燃料在引射管180内引流炉膛200内的高温烟气，在稀释燃料的同时，对燃料进行预热，降低燃烧的峰值火焰温度，有利于柔和燃烧的实现。

根据实际的锅炉使用工况，在低负荷的时候，可以单独使用扩散燃料喷嘴进行燃烧换热，在大负荷甚至满负荷的时候，扩散燃料喷嘴作为值班喷嘴，预混喷嘴为主燃喷嘴燃烧。实际的锅炉使用过程中，喷嘴的出口速度要形成足够大的回流区，使二级燃料也能参与回流。该锅炉燃烧器没有使用FGR，不会影响锅炉出力，但通过优化空气燃料的混合、均匀温度场，可以将NOx控制在30mg以内。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)锅炉燃烧器还可以采用其他构造，只要能够完成相同的功能即可；

(2)本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值；

(3)实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本实用新型的保护范围；

(4)上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

综上所述，本实用新型的天然气锅炉用燃烧器燃料空气混合更均匀，加上采用燃料轴向分级燃烧，火焰峰值温度低，有利于优化炉膛温度场，降低NOx排放。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。