无焰低氮燃烧器及无焰低氮燃烧方法与流程

本发明属于工业燃烧器和锅炉领域，具体涉及无焰低氮燃烧器及无焰低氮燃烧方法，主要用于工业燃烧器和锅炉。

背景技术：

工业锅炉燃烧器多采用传统的、强制送风、扩散式的燃烧方式，该类型燃烧器的主要目的是燃尽和安全，很少有对nox排放做相应措施。现今，对于一些地区30mg/m³以下nox排放的环保要求，已经出现并被采用的主要技术路线包括分散燃烧、预混燃烧、烟气再循环、多孔介质催化燃烧和无焰燃烧：

(1)燃料分散燃烧或空气分散燃烧

两种方法最终将会使整个系统的过量空气系数保持一个定值。该技术系统较复杂，且也没有消除火焰的高温区域。

(2)贫燃预混燃烧技术

对于控制nox的生成，这项技术的优点是可以通过当量比的完全控制实现对燃烧温度的控制，从而降低热力型nox生成速率，在有些情况下，预混燃烧和部分预混可比非预混燃烧减少85％—90％的nox生成。另外，完全预混还可以减少因过量空气系数不均匀性所导致的对nox生成控制的降低。若贫燃预混再加金属丝网燃烧头，形成表面燃烧，则火焰更为分散，nox排放进一步降低。

但是，预混燃烧技术在安全性控制上仍存在未解决的技术难点：一是预混气体由于其高度可燃性可能会导致回火；二是过高的过量空气系数会导致排烟损失的增加，降低了锅炉热效率；三是金属丝网燃烧头容易被融化的细小灰尘粘附，维护周期短。现今的贫燃预混燃烧器功率一般不超过2mw

(3)外部烟气再循环和内部烟气再循环技术

燃烧温度的降低可以通过在火焰区域加入烟气来实现，加入的烟气吸热从而降低了燃烧温度。通过将烟气的燃烧产物加入到燃烧区域内，不仅降低了燃烧温度，减少了nox生成；同时加入的烟气降低了氧气的分压，这将减弱氧气与氮气生成热力型nox的过程，从而减少nox的生成。根据应用原理的不同，烟气再循环有两种应用方式，分别为外部烟气再循环与内部烟气再循环。

对于外部烟气再循环技术来说，烟气从锅炉的出口通过一个外部管道，重新加入到炉膛内。外部烟气再循环可以减少70％的nox生成。外循环比例对nox控制效果也有较大影响，随着外循环比例的增加nox降低幅度也更加明显，但循环风机电耗也将增加。

对于内部烟气再循环，烟气回流到燃烧区域主要通过燃烧器的气体动力学。内部烟气再循环主要通过高速喷射火焰的卷吸作用或者旋流燃烧器使得气流产生旋转达到循环效果。通过在火焰中心产生一个环形的再循环区域，高温气体将回到燃烧器喉部，这确保了对冷的未燃烧气体的点火，同时通过降低火焰温度和降低氧气分压减少nox生成。

(4)多孔介质催化燃烧

降低火焰温度的另一个办法就是尽可能快和多的加强火焰对外的传热。在燃烧器内增加了多孔介质(pim)，使得燃烧反应发生在多孔介质内，这样从燃烧器到周围环境的辐射和对流换热就被加强了。实验表明，使用pim燃烧器的燃烧温度低于1600k，nox生成量在5-20ppm左右。

pim燃烧器还可以在燃烧器入口处添加催化剂，这样燃料分子和氧化剂分子就会以一个比较低的活化能在催化剂表面进行反应。这样反应温度相比于同类的燃烧要更低。由于反应过程只在催化剂表面进行，不会产生nox，这样催化燃烧的nox生成可以降至1ppm。

催化燃烧的缺点就是必须保证活性表面在一个比较低的温度下不被氧化或蒸发，且催化剂造价相对较高，催化剂长期应用存在中毒现象，故该类燃烧器难以得到大规模应用。

(5)无焰燃烧

传统的火焰燃烧分为预混燃烧和扩散燃烧，其主要特点包括：①燃料与氧气在高温下反应，温度越高越有助于火焰的稳定；②火焰峰面可视(甲烷燃烧的火焰一般为蓝色，有碳烟产生时为黄色)；③大多数燃料在很薄的火焰层内完成燃烧，但是燃烧反应会在下游的不可见的区域内完成。

一般情况下，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，但是高的火焰温度会使得nox生成增加。

有人在炉内温度为1000℃、空气预热到650℃、气流流速较高的情况下，实现了燃料无焰燃烧。也有人利用环形均匀布置的主燃喷嘴与中心布置的筒形回流结构之间的位置关系以及粘性流体的剪切效应，形成大量的回流高温烟气与新鲜空气掺混，提高空气的温度并且对空气进行稀释，该经稀释的高温空气遇到燃料发生自燃，形成高度分散反应区，从而实现无焰燃烧。对于这样的无焰燃烧，烟气回流发生在燃烧之前，甚至可能在燃烧当中，这样再循环的烟气加热了预混的燃料和空气，且降低了燃烧温度，扩大了反应区域。无焰燃烧火焰分布均匀，燃烧温度低，这使得nox产生更少。该类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：

为了解决燃气燃烧nox排放较高的问题，本发明人进行了锐意研究，设计出一种无焰低氮燃烧器及无焰低氮燃烧方法，nox排放满足低排放要求，而不存在燃料分散燃烧或空气分散燃烧、贫燃预混燃烧技术、外部烟气再循环和内部烟气再循环技术、多孔介质催化燃烧、无焰燃烧所具有的局限性，从而完成本发明。

发明的目的在于提供以下技术方案：

(1)一种无焰低氮燃烧器，所述燃烧器包括风管体系和燃气管体系，风管体系包括参与围成混合腔的风筒1及伸入混合腔内的风管，燃气管体系包括伸入混合腔内的燃气管；

风管引入空气，燃气管引入燃气，空气和燃气高速混合并被混合腔内的高温烟气加热和稀释后，进行燃烧。

(2)一种无焰低氮燃烧方法，通过上述(1)所述的无焰低氮燃烧器实施，该方法包括使燃气与高温高速空气相向运动，并通过高温烟气稀释后进行燃烧。

根据本发明提供的无焰低氮燃烧器及无焰低氮燃烧方法，具有以下有益效果：

(1)本发明中，混合腔中包括多个风管和燃气管，风管和燃气管上排布喷孔，风管和燃气管分层交错排布，通过较多的喷孔数量及较大的射流表面积，燃气和空气能够实现在极短的时间内充分混合；

(2)本发明中，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；

(3)本发明中，风管和燃气管的分级排布，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。

(4)本发明中，通过风管和燃气管的排布，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，从而形成分级燃烧，进一步降低氮氧化物的排放。

(5)本发明中，带有若干喷流孔的多组空气管及燃气管改善燃烧与空气的混合，把一个火焰分成数个小火焰，火焰面的厚度减薄，散热面积加大，火焰温度降低，同时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，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，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。

附图说明

图1示出根据本发明一种优选实施方式的无焰低氮燃烧器的结构示意图；

图2示出根据本发明中一种优选实施方式的无焰低氮燃烧器的侧面剖视图；

图3示出根据本发明中一种优选实施方式的周边风管的侧面剖视图；

图4示出根据本发明中一种优选实施方式的一级风管的侧面剖视图；

图5示出根据本发明中一种优选实施方式的截面图。

附图标号说明：

1-风筒；

2-侧板；

31-中心燃气管；

32-周边燃气管；

41-一级风管；

42-周边风管；

5-供气支管；

6-安装孔i；

7-安装孔ii。

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他实施例。

如图1和图2所示，本发明提供了一种无焰低氮燃烧器，所述燃烧器包括风管体系和燃气管体系，风管体系包括参与围成混合腔的风筒1及伸入混合腔内的风管，燃气管体系包括伸入混合腔内的燃气管；

风管管壁上带有若干空气喷孔以喷射带有设定压力的空气，燃气管管壁上设置若干燃气喷孔以喷射带有设定压力的燃气，空气和燃气高速混合并被混合腔内的高温烟气加热和稀释后，进行燃烧。

在一种优选的实施方式中，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。所述燃气管和风管穿过侧板2进入混合腔，侧板2对燃气管和风管起到支撑作用。

在一种优选的实施方式中，风筒1可以为圆筒、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。

风筒1为夹层结构，夹层中通有空气，外层壁面不设孔，位于混合腔内的内层壁面上设置环形空气喷孔，空气能够由风筒1内层壁面上的空气喷孔喷入混合腔参与燃烧。

燃气点燃且燃烧器正常运行时，喷射的燃气先高速卷吸周围的烟气，稀释后的燃气和同样卷吸了烟气的高温高速空气相向运动、充分混合和燃烧。高速喷出的燃气因卷吸了烟气，燃气浓度得以稀释。高速喷出的空气因卷吸了烟气，氧气浓度得以稀释，燃烧反应变慢。风筒1的内层壁面因受热而成高温状态，对风筒1中的空气进行初步预热。喷出后的空气因卷吸高温烟气，得以进一步加热升温。高温的空气烟气混合物、高速的气流和较慢的燃烧反应，会形成弥散式无焰燃烧，燃烧无核心区和高温区，热力型nox和快速型nox生成减少。

在本发明一种优选的实施方式中，风管为多个，燃气管为多个，风管和燃气管分层交错排布。这样，通过较多的喷孔数量及较大的射流表面积，燃气和空气混合更有效。

燃气管和风管可以为圆管、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。

在进一步优选的实施方式中，燃气管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、和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。

在更进一步优选的实施方式中，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，以提高燃烧均匀性和稳定性。

在更进一步优选的实施方式中，如图1所示，侧板2为圆形，风筒1为圆筒状，即其围成的混合腔的横截面为圆形，燃气管和风管在风筒1中以圆环状分层交错排布。燃气管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。

优选地，中心燃气管31的数目为一个，一级风管41的数目为六个，周边燃气管32的数目为六个，周边风管42的数目为六个。

在本发明一种优选的实施方式中，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。

在本发明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3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，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。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4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，利于形成弥散式燃烧，燃烧无核心区和高温区，减少热力型和快速型nox生成。

本发明中，带有若干喷孔的多组燃气管和风管能够改善燃气与空气的混合，把一个火焰分成数个小火焰，火焰面的厚度减薄，散热面积加大，火焰温度降低，同时在燃烧负荷不变的情况下，短小火焰甚至无焰缩短了氧、氮在高温区内的停留时间。此外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，以上因素对“热力型nox”和“燃料型nox”都有明显的抑制作用。

本发明中，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。温度对燃料型nox的生成影响并不明显。

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。

快速型nox中氮元素也来自于燃烧中的空气，快速型生成主要是由于碳氢化合物在燃烧时，能够分解出大量的ch、ch:和c:等基团，能破坏氮气的分子键，进而生成nox。快速型nox主要是燃料中碳氢化合物快速反应生成的。

过剩空气系数对热力型nox生成的影响为双面效应，实际燃烧状况更为复杂。当过剩空气系数变大时，氧气浓度变大，促进化学反应平衡移动，使nox的生成量增加；与此同时，随过剩空气系数变大，生成烟气量也变大，降低了燃烧温度，从而降低生成速率。因此过剩空气系数的影响较为复杂，可能是促进也可能是抑制作用，要根据实际情况分析。一般情况下反应在高温区的停留越长，nox的生成量越大。

过剩空气系数对于快速型nox生成的影响在于，温度一定时，随着过剩空气系数变大，nox生成量先变大后减小会出现峰值。

过剩空气系数对燃料型nox的生成影响在于燃料中的氮转化成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。

本发明提供的是一种分级弥散燃烧，分割火焰去高温核心，低空气过剩系数，无焰低氮的实施方式。

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，从而形成分级燃烧，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。

在本发明中，如图5所示，燃烧器还包括点火装置和离子感应针。侧板2中设置安装点火装置和离子感应针以使得点火装置的点火端和离子感应针的感应端伸入混合腔的安装孔i和安装孔ii。优选地，安装孔i6和安装孔ii7靠近中心燃气管31设置，以快速点火或检测到离子电流。

在本发明中，混合腔内燃烧后产生的烟气具有较高的热能和动能，随着混合腔内压力的升高，烟气能够自发的由侧板2的相对侧排出混合腔，进行后续的换热过程。烟气离开混合腔的过程无需额外的风机带动，降低了能耗。

本发明的另一方面在于，提供一种无焰低氮燃烧方法，该方法包括使燃气与高温高速空气相向运动，并通过高温烟气稀释后进行燃烧。

优选地，本发明中方法通过上述无焰低氮燃烧器实施。

燃烧时，空气和燃气均经过若干组的喷孔高速喷流，卷吸周围烟气后参与燃烧，空气中的氧气浓度以及燃气浓度均因被稀释而降低，燃烧反应速度变慢。高速气流、较低的燃烧反应速度，形成弥散式燃烧。

实施例

实施例1

如图1所示，一种燃烧无焰低氮燃烧器，风筒1和侧板2围成圆柱状混合腔，燃气管和风管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和靠近风筒1外壁的6个周边风管42组成，一级风管41环绕中心燃气管31，周边燃气管32介于一级风管41和周边风管42之间，周边风管42位于最外围。中心燃气管31和周边燃气管32为全壁面开孔；周边风管42单侧开设空气喷孔，开孔方向朝向中心燃气管31，一级风管41或者其他各级风管为全壁面开孔。

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；，空气预热温度200℃，空气流速为15米/秒；

中心燃气管31的管径为60mm，燃气喷孔的直径为1mm，燃气喷孔的分布密度为580个/平米，燃气流速为183米/秒；

周边燃气管32的管径为25mm，燃气喷孔的直径为1mm，燃气喷孔的分布密度为780个/平米，燃气流速为183米/秒；

一级风管41管径为60mm，空气喷孔的直径为8mm，空气喷孔的分布密度为590个/平米，空气预热温度200℃，空气流速为15米/秒；

周边风管42管径为60mm，空气喷孔的直径为8mm，空气喷孔的分布密度为440个/平米(该分布密度是以整个风管作为基准)，空气预热温度200℃，空气流速为15米/秒。

在实施例1中燃气由外部管道引入内部供气支管，然后经内部供气支管分配至中心燃气管31及周边燃气管32，然后经燃气喷孔喷入混合腔，引射烟气按一级风管41、周边风管42的顺序与空气掺混。空气经外部风道引入空气腔室，在空气腔室内预热到200℃(同时也冷却混合腔，降低混合腔内烟气温度至1800k以下)后由空气喷口喷出，分别与中心燃气管31及周边燃气管32喷出的燃气混合，实现细分火焰，低浓度燃料及空气，多级充分混合，降低并均化燃烧温度，低空气过剩系数的弥散无焰低氮燃烧。

实施例2

低氮燃烧器的结构与实施的步骤与实施例1一致，区别仅在于不同区域喷孔直径不同，具体地：

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，空气预热温度200℃，空气流速为15米/秒；

中心燃气管31的管径为60mm，燃气喷孔的直径为1.2mm，燃气喷孔的分布密度为580个/平米，燃气流速为183米/秒；

周边燃气管32的管径为25mm，燃气喷孔的直径为0.5，燃气喷孔的分布密度为780个/平米，燃气流速为183立方米/秒；

一级风管41管径为60mm，空气喷孔的直径为8mm，空气喷孔的分布密度为590个/平米，空气预热温度200℃，空气流速为15米/秒；

周边风管42管径为60mm，空气喷孔的直径为8mm，空气喷孔的分布密度为440个/平米，空气预热温度200℃，空气流速为15米/秒。

对比例1

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”燃烧装置。

低氮燃烧头的结构与实施例1一致，区别仅在于，燃气管由位于混合腔中心的1个中心燃气管31组成，风管体系仅包括参与围成混合腔的风筒1；

其中，中心燃气管31的管径为60mm，燃气喷孔的直径为1mm，燃气喷孔的分布密度为580个/平米，燃气流速为183米/秒；

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；空气预热温度200℃，空气流速为15米/秒。

实验例

燃烧器与锅炉配装，调整不同负荷，对最终尾气中co(％)、nox(ppm)、o2(％)含量进行监测，确定燃烧情况。其中，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

表2

表3

通过对实施例1、实施例2和对比例1的相关检验数据分析，调整不同区域喷孔直径对降低co(％)、nox(ppm)排放有利。本发明相比于本申请人于2017年08月09日申请的发明专利“分级无焰低氮燃烧头”燃烧装置在中心燃气管及混合腔内壁空气喷孔的基础上增加了一、二级风管及周边燃气管，弥散无焰低氮燃烧的结构更为优化，实现低氮排放的燃烧装置功率上限由200kw提高到800-1000kw。

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。