高压空气燃烧装置及燃烧方法与流程

本发明属于工业燃烧装置和锅炉领域，具体涉及高压空气燃烧装置及燃烧方法，主要用于工业燃烧装置和锅炉。

背景技术：

燃烧装置按空气供给方式分类，有引射式和鼓风式燃烧装置；按一次空气系数(预先和燃气混合的助燃空气量与燃气完全燃烧所需的理论空气量之比)分类，有扩散式、大气式和无焰式燃烧装置。

扩散式燃烧装置，依靠燃气从火孔逸出后的扩散作用，实现燃气和空气的混合并稳定燃烧的燃烧装置。扩散式燃烧装置结构简单、使用方便、火焰稳定。但其燃烧速度较慢、火焰较长，为达到完全燃烧需要较多的过剩空气，因此燃烧温度较低，换热系数较小。

大气式燃烧装置，预先混合部分空气的燃烧装置。一次空气系数通常取0.4～0.7。燃气以一定压力自喷嘴喷出进入混合管(即引射器)，借高速喷射形成的负压将周围一部分空气吸入，在混合管中混合后从燃烧装置头部火孔逸出而燃烧。大气式燃烧装置燃烧比较完全，使用方便，但负荷较大时结构较庞大笨重。

鼓风式燃烧装置，由鼓风机供给燃烧所需全部空气的燃烧装置，主要用于各种工业炉和大型锅炉。鼓风式燃烧装置的燃烧室容积热强度通常比完全预混燃烧装置小，火焰较长，因此需要较大的燃烧室容积，相应的锅炉体积和占地面积也较大。此类燃烧装置燃烧反应机理上可以认为化学反应速率远大于混合速率(da＞＞1)，燃烧反应速度取决于各组分的混合速度。因此为了强化燃烧，在结构上鼓风式燃烧装置又有套管式、旋流叶片式、蜗壳式和平流式等多种结构型式，目的采取各种措施尽可能的使燃气和空气混合速度加快。当空气压力在1-20kpa范围内，在传统鼓风式燃烧装置结构上的变化已经不能在空气燃料混合向好的方面有更多的促进。燃烧装置无焰燃烧装置，燃气和燃烧所需的全部空气预先混合，燃烧过程火焰很短甚至完全看不见火焰的燃烧装置。一般采用引射器吸入空气，与燃气充分预混，在高温火道中瞬间完成燃烧。火焰在点燃以后一般自己充当点火器，对来流进行点火。这就需要足够高的火焰温度来达到最小点火能量，高的火焰温度使得nox生成增加。无焰燃烧装置在工业加热和烘干工艺中应用很广泛。需要对空气进行预热的无焰燃烧一般需要专门的预热空气的装置或措施。

技术实现要素：

为了解决燃烧装置鼓风式燃烧装置优化混合情况、强化燃烧、占地面积的问题，同时也为了保证在低负荷、低空气过量系数下，nox排放也满足低排放要求，本发明人进行了锐意研究，提供了一种利用高压空气强化空气-燃料掺混，形成快速燃烧产生烟气的燃烧方法。高静压的空气喷出时速度更高，穿透力、剪切、引射、反转漩涡体的作用更强，更有利于燃料和空气的混合，空气和燃料快速燃烧，火焰长度明显缩短，炉膛体积能够减小，且快速形成的高温烟气高速喷出燃烧装置，快速形成的高温烟气的内能-动能转化能够强化对流传热，缩短(对换热介质的)加热时间，提高了炉气的对流传热系数，单位换热面积的换热量高，换热管(对流换热部位)的体积也能够减小，利于锅炉的小型化以及换热效率的提高；而进一步地燃料和空气的多点布置分散燃烧的方式，使火焰面的厚度减薄，在燃烧负荷不变的情况下，小火焰面缩短了氧、氮在火焰面即高温区内的停留时间，使得nox排放满足低排放要求；上述燃烧方式解决了现有技术中鼓风式燃烧装置存在的至少一种技术问题，从而完成本发明。

本发明的目的在于提供以下技术方案：

(1)一种燃烧方法，该燃烧方法包括利用高压空气强化空气-燃料掺混，使燃料快速燃烧并产生烟气；

优选地，高压空气为n*10⁵pa级别的空气，其中n≥0.1，更优选地，高压空气为0.1～1.0*10⁵pa的空气。

(2)一种燃烧装置，用于实施上述(1)所述的燃烧方法。

根据本发明提供的高压空气燃烧装置及燃烧方法，具有以下有益效果：

(1)本发明中燃烧方法，利用压力为n*10⁵pa级别的空气由喷口喷出，强烈冲击由燃料喷口喷出的燃料，快速打散燃料流，燃料一经喷出即被打散并迅速与空气混合，空气和燃料快速燃烧，火焰长度明显缩短，炉膛体积能够减小，且快速形成的高温烟气高速喷出燃烧装置，高温烟气的内能-动能转化能够强化对流传热，缩短(对换热介质的)加热时间，提高了炉气的对流传热系数，单位换热面积的换热量高，换热管(相应的换热器)的体积也能够减小，利于锅炉的小型化以及换热效率的提高。

(2)本发明中燃烧方法，采用多点布置分散燃烧的方式，避免了热强度局部集中，弥散了高温区的火焰核心，火焰区域温度更均匀，利于对nox生成的抑制。

(3)本发明优选实施方式中的燃烧装置，风筒为夹层结构，能够有效利用混合腔内高温烟气的传热实现夹层中空气的初步预热，降低了烟气的热损失，且利于燃烧效率的提高。

(4)本发明优选实施方式中的燃烧装置，风管和燃烧管的分级排布，以及各级燃气管和/或各级风管、周边燃气管和/或周边风管的排布形状与混合腔的截面形状相吻合的设置，利于提高燃烧均匀性和稳定性。

(5)本发明优选实施方式中的燃烧装置，通过风管和燃烧管的排布，利于通过控制不同区域不同的喷孔直径，实现供风和燃气不同配比，从而形成分散燃烧燃，进一步降低氮氧化物的排放。

附图说明

图1示出根据本发明一种优选实施方式的燃烧装置的结构示意图；

图2示出根据本发明一种优选实施方式的燃烧装置的结构示意图；

图3示出根据本发明一种优选实施方式的燃烧装置的结构示意图；

图4示出根据本发明一种优选实施方式的燃烧装置的侧面剖视图；

图5示出根据本发明一种优选实施方式的燃烧装置周边风管的侧面剖视图；

图6示出根据本发明一种优选实施方式的燃烧装置一级风管的侧面剖视图。

附图标号说明：

1-风筒；

2-侧板；

3-燃气管；

31-中心燃气管；

32-周边燃气管；

4-风管；

41-一级风管；

42-周边风管；

5-供气支管。

具体实施方式

下面通过附图和实施例对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。

基于鼓风式燃烧装置存在的技术问题，本发明人对燃烧过程进行了研究。燃料燃烧可分为三个基本阶段：燃料与助燃空气的混合，燃料与空气的混合物升温到着火温度，以及燃烧反应过程。燃烧反应过程也就是燃料与空气中氧之间的氧化过程，这个阶段实际上是瞬间完成的，而前两个阶段则需要较长的时间，因此组织混合的过程决定了整个燃烧过程和火焰的特征，并决定着炉膛内的温度分布和对工艺要求的适应程度。为此，本发明人将研究重点集中于组织混合的过程，并获得了突出的研究成果。具体阐述如下文。

本发明的一方面在于，提供一种用于锅炉的燃烧方法，该方法包括利用高压空气强化空气-燃料掺混，使燃料快速燃烧并产生烟气的燃烧方法。

本发明中，燃烧装置，是使燃料和空气以一定方式喷出混合燃烧的装置的统称，是一种将物质通过燃烧这一化学反应方式转化成热能的设备。

本发明中的炉膛是指锅炉的辐射受热区域，是利用燃料燃烧释放的热能或其他热能加热水或其他工质的一种能量转换区域，向锅炉输入的能量有燃料中的化学能、电能，锅炉输出具有一定热能的蒸汽、高温水或有机热载体。本发明中输入的能量是燃料的化学能。特殊锅炉(如旋风炉)和特殊燃料(如煤粉)，燃烧室与炉膛是分开的，燃烧室只起稳定燃烧作用，而炉膛主要起传热作用。本发明中燃料为燃气燃料，没有单独的燃烧室。

本发明中，高静压的空气喷出时速度更高，穿透力、剪切、引射、反转漩涡体的作用更强，更有利于燃料和空气的混合，燃料快速燃烧，火焰长度明显缩短，火焰温度高，进而快速形成高温烟气，高速喷出燃烧装置。高速喷出的烟气强化对流传热，缩短对换热介质的加热时间。高速烟气具有较大的动能，对炉内相对静止的气体有强烈的搅拌和卷吸的作用，可以带动相当于喷出烟气气体几倍到几十倍的炉内气体一起运动，在炉内换热区域(如换热管中)形成强烈的循环气流。当高速气流冲刷受热面时，能够减薄换热面表面的层流边界层，提高对流传热量，当燃烧装置喷出烟气速度达到200-300m/s时，对流传热系数可达800-1250kj/(m2.h.℃)。

另外，空气加压过程中外力对气体做功，机械能转化为内能，空气温度升高，根据阿伦尼乌斯方程化学反应速率与温度相关，空气温度的提高有利于燃烧化学反应速度的提高，有利于提高烟气温度。辐射换热计算中，一般可近似认为辐射力与绝对温度的四次方成正比，烟气温度升高(高温燃烧导致)有利于辐射传热。

烟程后段，高温烟气完成基本的对流辐射换热后，剩余的能量在冷凝器中以热能的型式再次吸收。

以上高压空气加速了燃烧反应速度迅速产生的高速烟气，改善了对流传热，高压空气温度的提高改善了辐射传热。高压空气促进燃烧的方法，对锅炉的结构也具有变革性意义，有利于锅炉的小型化以及换热效率的提高。

在本发明一种优选的实施方式中，高压空气为n*10⁵pa级别的空气，其中n≥0.1，优选地，高压空气为0.1～1.0*10⁵pa的空气，更优选为0.1～0.6*10⁵pa的空气。选择0.1～0.6*10⁵pa的空气作为更优选的实施方式是因为此空气压力更有利于风机设备的选型。采用优选的实施方式，锅炉对流换热部位(如换热管)的体积可以缩小到原来的50％；锅炉炉膛部位的体积可以缩小到原来的75％。本发明中锅炉的小型化，解决了换热效率和使用成本难以兼顾的问题，在高换热效率的前提下，锅炉体积缩小，制造用材少，制造成本降低，锅炉的占地面积/空间收缩，使用成本再次降低。

在本发明一种优选的实施方式中，燃气通过多个燃气喷口喷出，空气通过多个空气喷口喷出，改善空气和燃料的混合，利于空气和燃料的快速燃烧。多个燃料喷孔的设置，把一个火焰分成数个小火焰，火焰面的厚度再度减薄，在燃烧负荷不变的情况下，小火焰面缩短了氧、氮在火焰面即高温区内的停留时间。此外，该多点布置分散燃烧的方式，避免了热强度局部集中，弥散了高温区的火焰核心，火焰区域温度更均匀。很明显，以上有利因素对“热力型nox”和“燃料型nox”都有明显的抑制作用。

其中，“热力型nox”生成主要在燃烧时，助燃空气中的氮气在高温火焰下，经氧化生成的，温度、过剩空气系数和高温区停留时间都会影响热力型nox的生成。其中温度是热力型最主要的影响因素，实际燃烧过程由于温度分布不均可能会造成高温区域而引起nox生成增加。

“燃料型nox”是由燃料中所含有的氮元素在燃料燃烧时形成的。其生成机理主要和燃料本身及过剩空气系数有关。燃料中的氮转化成nox的转化率随过剩空气系数增加而增加；当过量空气系数a>1时，燃料nox生成量基本保持不变；当过剩空气系数a<1时，转化率会很快下降。

在本发明一种优选的实施方式中，燃气喷孔和空气喷孔相对设置，使燃气与高压空气相向运动。

在本发明一种优选的实施方式中，燃烧时，空气过量系数介于1-1.1之间；

空气通入速度为60-120m/s，燃气通入速度为空气通入速度的1.5-3倍；

燃烧装置的燃烧负荷为0.56-2.8mw；

燃烧装置中燃烧温度介于1200-1500℃之间；炉膛温度介于800-1000℃；

烟气喷出燃烧装置时的速度为200-300m/s，对流传热系数可达800-1250kj/(m².h.℃)；

锅炉对流换热部位的体积可以达到原来的50％；锅炉炉膛部位的体积可以达到原来的75％。

本发明中，该快速燃烧方法能够适用于现有的燃烧装置，不用或仅需要对现有的燃烧装置进行微小的技术改造。

本发明人对燃烧方式进行了进一步地研究，提供了一种用于/利于实施上述燃烧方法的燃烧装置。该燃烧装置中燃气通过多个燃气喷口喷出，空气通过多个空气喷口喷出，以改善空气和燃料的混合。

在本发明一种优选的实施方式中，如图1所示，该燃烧装置包括送风单元和燃气单元，送风单元包括参与围成混合腔的风筒1，燃气单元包括伸入混合腔内轴向分布的燃气管3；

风筒1为夹层结构，夹层中通有高压空气，外层壁面不设孔，位于混合腔内的内层壁面上设置空气喷孔i，高压空气由风筒1内层壁面上的空气喷孔i喷射入混合腔；

燃气管3为一个或多个，燃气管3的管壁上分布多个燃气喷孔以向混合腔中通入燃气。

混合腔为侧板2和风筒1围成的发生燃气-空气或燃气-空气-烟气混合，以及燃气燃烧的场所。所述燃气管3穿过侧板2进入混合腔，侧板2对燃气管3起到支撑作用。

在本发明进一步优选的实施方式中，如图2所示，送风单元还包括伸入混合腔内轴向分布的一个或多个风管4，风管4的管壁上分布多个空气喷孔ii以向混合腔中通入高压空气。

在本发明中，风筒1可以为圆筒、方筒、截面为规则多边形筒、截面为不规则多边形筒等，可划分为沿其轴向对称结构筒体或沿其轴向非对称结构筒体，优选为沿其轴向对称结构筒体，更优选为圆筒，其轴向为其长度方向。

在本发明中，燃气管3和风管4可以为圆管、截面为规则多边形的管、截面为不规则多边形的管等，可划分为沿其轴向对称的管或沿其轴向非对称的管，优选为沿其轴向对称的管，更优选为圆管。

如图3和图4所示，作为一种优选的实施方式，风管4和燃气管3均为多个，风管4和燃气管3分层交错排布。这样，通过较多的喷孔数量及较大的射流表面积，燃气和高压空气混合更有效。

作为进一步优选的实施方式，燃气管3包括位于混合腔中心的中心燃气管31、靠近风筒1内壁的周边燃气管32、以及任选地介于中心燃气管31和周边燃气管32之间的各级燃气管。在中心燃气管31至周边燃气管32的方向上，燃气管命名为一级燃气管、二级燃气管、……，n级燃气管，n为正整数，同一级燃气距离中心燃气管31的距离相等或极为相近。

风管4包括环绕中心燃气管31的一级风管41、靠近风筒1内壁的周边风管42、以及任选地介于一级风管41和周边风管42之间的其他各级风管。在中心燃气管31至周边风管42的方向上，风管命名为一级风管41、二级风管、……，n级风管，n为正整数，同一级风管距离中心燃气管31的距离相等或极为相近。

在本发明中，同级燃气管的管径、燃气喷孔的分布密度和孔径大小相同。中心燃气管31、周边燃气管32和各级燃气管上的燃气喷孔在轴向方向上环形分布。

各燃气管通过对应的供气支管5供气，优选同级燃气管的供气支管5管径和路程相等。

在本发明中，各风管位于混合腔外的一端与风筒1连通，由风筒1统一供风。

在一种优选的实施方式中，同级风管的管径、空气喷孔的分布密度和孔径大小相同。一级风管41、周边风管42、和各级风管上的空气喷孔在轴向方向上环形分布。

在本发明另一种优选的实施方式中，如图5所示，同级风管的管径、空气喷孔的分布密度和孔径大小相同。周边风管42单侧开设空气喷孔ii，开孔方向朝向中心燃气管31，即朝向风筒1内层壁面的周边风管42侧不开设空气喷孔ii。该单侧开孔方式，使得周边风管42与风筒1上空气喷孔的方向一致，避免由于周边风管42多方位开孔影响风筒1的进气量，降低对周边燃气管32喷出的燃气的及时混合。

如图6所示，一级风管41或者其他各级风管为全壁面开孔，该开孔方式能够与其周围分布的燃气管喷出的燃气相向运动，产生的气流利于快速打散燃气，形成弥散式燃烧，燃烧无核心区和高温区，减少“热力型nox”生成。

在本发明一种优选的实施方式中，各级燃气管和/或各级风管、以及周边燃气管32和/或周边风管42的排布形状与混合腔的截面形状相吻合，以提高混合效率、燃烧均匀性和稳定性。

正如图3所示，侧板2为圆形，风筒1为圆筒，即其围成的混合腔的横截面为圆形，燃气管3和风管4在风筒1中以圆环状分层交错排布。燃气管3包括位于混合腔中心的中心燃气管31和周边燃气管32，风管4包括环绕中心燃气管31的一级风管41和周边燃气管32外围的周边风管42。

在本发明一种优选的实施方式中，中心燃气管31的燃气喷孔的直径大于各级燃气管或周边燃气管32的直径，优选在中心燃气管31至周边燃气管32的方向上，燃气管的燃气喷孔直径呈下降趋势，利于实现供风和燃气不同配比，从而形成分散燃烧，进一步降低氮氧化物的排放。一般地，中心燃气管31周围空气过量系数小于1，而周边燃气管的空气过量系数大于1，实现分级燃烧。

本发明中，采用上述燃烧装置，风筒1的内层壁面因受热而成高温状态，对风筒1中的高压空气进行初步预热。喷出后的高压空气因卷吸高温烟气，得以进一步加热升温，这利于燃烧温度的提高。高温的空气烟气混合物、高速的气流和多点布置分散燃烧的方式，弥散了高温区的火焰核心，相较于低压/微压空气，进一步缩短了氧、氮在火焰面即高温区内的停留时间，在高温快速燃烧的过程中，对nox的生成同样起到了有效的控制作用。

实施例

实施例1

一种用于锅炉的燃烧方法，采用如图3和图4所示的燃烧装置，风筒1和侧板2围成圆柱状混合腔，燃气管3和风管4伸入混合腔中以圆环状分层交错排布。燃气管由位于混合腔中心的1个中心燃气管31和6个周边燃气管32组成，风管由环绕中心燃气管31的6个一级风管41和周边燃气管32外围的6个周边风管42组成。

其中，中心燃气管31上燃气喷孔的直径为2mm，燃气喷孔的分布密度为580个/平米；

6个周边燃气管32上燃气喷孔的直径为2mm，燃气喷孔的分布密度为780个/平米；

6个一级风管41上空气喷孔ii的直径为8mm，空气喷孔ii的分布密度为590个/平米；

6个周边风管42上空气喷孔ii的直径为8mm，空气喷孔ii的分布密度为440个/平米；

风筒1上空气喷孔i的直径为2mm，空气喷孔i的分布密度为2000个/平米；

送入的高压空气的压力为0.6*10⁵pa，流通速度为120m/s；燃气的流通速度为180m/s；空气过量系数为1-1.1；

燃烧装置的燃烧负荷为0.56-2.8mw，燃烧装置中燃烧温度介于1200-1500℃之间；炉膛温度介于800-1000℃；

烟气喷出燃烧装置时的速度为200-300m/s，对流传热系数可达800-1250kj/(m².h.℃)；

锅炉对流换热部位的体积可以达到原来的50％；锅炉炉膛部位的体积可以达到原来的75％。

实施例2

一种用于锅炉的燃烧方法，采用如图2所示的燃烧装置，燃烧装置的结构与实施例1一致，区别仅在于，燃气单元由位于混合腔中心的1个中心燃气管31组成，送风单元中包括一级风管41，不包含周边燃气管32及二级风管42。

其中，中心燃气管31上燃气喷孔的直径为2mm，燃气喷孔的分布密度为680个/平米；

6个风管4上空气喷孔ii的直径为8mm，空气喷孔的分布密度为590个/平米；

风筒1上空气喷孔的直径为2mm，空气喷孔的分布密度为2000个/平米；

送入的高压空气的压力为0.6*10⁵pa，流通速度为120m/s；燃气的流通速度为180m/s；空气过量系数为1-1.1；燃烧装置的燃烧负荷为0.56-2.8mw，燃烧装置中燃烧温度介于1200-1500℃之间；炉膛温度介于800-1000℃；

烟气喷出燃烧装置时的速度为200-300m/s，对流传热系数可达800-1250kj/(m².h.℃)；

锅炉对流换热部位的体积可以达到原来的50％；锅炉炉膛部位的体积可以达到原来的85％。

实施例3

一种用于锅炉的燃烧方法，采用本申请人于2017年08月09日申请的发明专利“分级无焰低氮燃烧头”作为燃烧装置实施机理。采用如图1所示的燃烧装置，燃烧装置的结构与实施例1一致，区别仅在于，燃气单元由位于混合腔中心的1个中心燃气管31组成，不包括周边燃气管32，送风单元中不包括一级风管41、二级风管42。

其中，中心燃气管31上燃气喷孔的直径为2mm，燃气喷孔的分布密度为680个/平米；

风筒1上空气喷孔的直径为4mm，空气喷孔的分布密度为2000个/平米；

送入的高压空气的压力为0.6*10⁵pa，流通速度为120m/s；燃气的流通速度为180m/s；空气过量系数为1-1.1；

燃烧装置中燃烧温度介于1200-1500℃之间；炉膛温度介于800-1000℃；

烟气喷出燃烧装置时的速度为200-300m/s，对流传热系数可达800-1250kj/(m².h.℃)；

锅炉对流换热部位的体积可以达到原来的50％；锅炉炉膛部位的体积可以达到原来的95％。

对比例1

对比例1

一种用于锅炉的燃烧方法，采用如图3和图4所示的燃烧装置，区别仅在于，送入的空气为微压空气，压力介于0.06*10⁵pa。

燃烧参数如下：

燃烧装置的燃烧负荷为0.56-2.8mw，燃烧装置中燃烧温度介于1200-1500℃之间；炉膛温度介于800-1000℃；

烟气喷出燃烧装置时的速度为60m/s，对流传热系数400-600kj/(m².h.℃)；

锅炉对流换热部位的体积为100％；锅炉炉膛部位的体积为100％。

实验例

燃烧装置与锅炉配装，调整不同负荷，对最终尾气中co、nox含量以及排烟温度进行监测，确定燃烧情况。其中，表格中负荷是指达到燃烧装置额定状态的百分比；o2(％)是指最终尾气中o2的体积百分数。co(％)是指最终尾气中co的体积百分数。

表1实施例1相关试验数据

表2实施例2相关试验数据

表3实施例3相关试验数据

表4对比例相关试验数据

通过以上实施例的分析，采用高压空气的燃烧装置，锅炉对流换热部位的体积可以缩小到原来的50％；锅炉炉膛部位的体积可以缩小到原来的75-95％，增加空气压力解决了换热效率和使用成本难以兼顾的问题，在高换热效率的前提下，实现锅炉的小型化，锅炉体积缩小，制造用材少，制造成本降低，锅炉的占地面积/空间收缩，使用成本再次降低。

以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本发明进行多种替换和改进，这些均落入本发明的保护范围内。