冷却火焰低氮燃烧装置及其燃烧方法与流程

本发明涉及燃烧装置领域，具体涉及一种冷却火焰低氮燃烧装置及其燃烧方法。

背景技术：

为了加大环境治理力度，我国再次收严氮氧化物的排放标准，要求已有锅炉进行低氮改造和新建锅炉采用低氮燃烧技术，确保氮氧化物排放在30mg/m³以下。

预混技术是将燃气与空气在燃烧前以一定的比例进行混合，通过增大过量空气系数增加火焰区的吸热工质来降低火焰的温度，进而降低氮氧化物的生成。换热冷凝技术是在通过高传热系数的换热管将火焰产生的热量传给换热管内的水，水将热量导出，降低火焰区的温度，抑制热力型氮氧化物的生成，另外，换热冷凝技术充分利用了燃烧产生的热量，提高锅炉的热效率。

全预混冷凝锅炉采用预混技术和换热冷凝技术，不仅可以降低氮氧化物的排放，而且可以实现节能，达到节能、环保的目的。目前我国全预混冷凝技术尚未成熟，如专利cn108443876a公开的水冷式表面燃烧低氮燃烧器、具有其的锅炉及其适用方法，助燃风与天然气经过完全混合后经均匀溢出螺旋冷却管的缝隙与点火枪配合燃烧，因全预混火焰传播速度快，易产生回火现象，此种方式冷水管虽然可以降低火焰温度，但不能防止回火，当火焰通过缝隙返回到冷却管内侧，瞬时点燃预混气，易产生爆燃。另外，预混气在螺旋冷却管溢出不均匀，易产生局部火焰高温区，产生大量的氮氧化物。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种结构简单、污染物排放低、燃烧稳定及热效率高的冷却火焰低氮燃烧装置及其燃烧方法。

具体而言，本发明提供了如下技术方案：

一种冷却火焰低氮燃烧装置，包括预混气体入口1和燃烧室3，所述燃烧室3内沿着预混气体流动方向依次设有第一换热管组件5和点火器4，所述第一换热管组件5由多个平行设置的外六角管组成，相邻的所述外六角管之间留有允许预混气体通过的间隙，所述点火器4相对于第一换热管组件5的位置以使得该点火器4能够直接点燃从所述间隙通过的预混气体的方式来设定。

优选的是，上述冷却火焰低氮燃烧装置中，所述第一换热管组件5中相邻的外六角管以在横向截面上正六边形边对边的方式设置，相邻的三个外六角管之间的间隙在横向截面上呈y型，优选的，所述第一换热管组件5设置为预混气体通过至少一个y型间隙才被点火器4点燃。

优选的是，上述冷却火焰低氮燃烧装置中，所述外六角管的外接圆直径大小均相等，优选的，任意两个相邻的外六角管之间的间隙大小均相等，更优选的，所述第一换热管组件5在横向截面上呈相邻正六边形之间具有等距间隙的蜂窝状结构，最优选的，在横向截面上任一外六角管的外接圆直径大小与两个相邻的外六角管之间的间隙大小之比大于六。

优选的是，上述冷却火焰低氮燃烧装置中，任意两个相邻的所述外六角管之间的间隙大小为1.5-3mm。

优选的是，上述冷却火焰低氮燃烧装置中，所述第一换热管组件5靠近点火器4的一侧由两根或两根以上外六角管阵列在同一平面形成。

优选的是，上述冷却火焰低氮燃烧装置中，还包括第一冷却液进口6和第一冷却液出口7，所述第一换热管组件5中所述外六角管的一端均与所述第一冷却液进口6连接，另一端均与所述第一冷却液出口7连接。

优选的是，上述冷却火焰低氮燃烧装置中，还包括设于所述预混气体入口1和燃烧室3之间的分气室2，优选的，所述分气室2为喇叭形结构，其细口端与所述预混气体入口1连接，广口端与所述燃烧室3连接。

优选的是，上述冷却火焰低氮燃烧装置中，所述燃烧室3内还包括第二换热管组件8，所述第二换热管组件8沿着预混气体流动方向设于所述点火器4之后，优选的，所述第二换热管组件8与所述第一换热管组件5的间距为40-80mm。

优选的是，上述冷却火焰低氮燃烧装置中，所述第二换热管组件8由两组或两组以上的第二换热管排平行间隔排布而成，任一第二换热管排由两根或两根以上第二换热管平行间隔阵列在同一平面形成，优选的，相邻第二换热管排的第二换热管之间交错排列，更优选的，所述第二换热管组件8中相邻的三个第二换热管在横向截面上呈三角形排布。

优选的是，上述冷却火焰低氮燃烧装置中，还包括第二冷却液进口9和第二冷却液出口10，所述第二换热管组件8中所述第二换热管的一端均与所述第二冷却液进口9连接，另一端均与所述第二冷却液出口10连接。

优选的是，上述冷却火焰低氮燃烧装置中，所述外六角管的材质为310s不锈钢，优选的，所述第二换热管的材质为310s不锈钢。

本发明还提供一种基于上述的冷却火焰低氮燃烧装置的燃烧方法，其包括以下步骤：

由空气和燃气组成的预混气体通过预混气体入口1进入燃烧室3，然后流经第一换热管组件5中的外六角管之间的间隙，从所述间隙流出的预混气体经点火器4引燃并在燃烧室3内稳定燃烧，冷却流体从第一冷却液进口6流入所述外六角管的管道内，然后从第一冷却液出口7流出。

优选的是，上述冷却火焰低氮燃烧方法中，所述预混气在所述间隙的出口流速为4-10m/s。

本发明的有益效果为：

1、本发明的冷却火焰低氮燃烧装置中相邻外六角管的间隙构成气体通道，燃气与空气组成的预混气通过这些气体通道后再被点燃，使燃烧火焰面积增大，避免高温区域集中；

2、本发明的冷却火焰低氮燃烧装置在使用时，可利用外六角管中流通的冷却流体换热来降低火焰燃烧的温度，有效减少氮氧化物的生成；

3、本发明的冷却火焰低氮燃烧装置通过将相邻外六角管的间隙构成的气体通道和外六角管中流通的冷却流体配合，可有效防止回火爆燃现象的发生，解决了预混气易回火问题。

4、本发明的冷却火焰低氮燃烧装置可以将燃烧火焰的尾部控制在第一换热管组件和第二换热管组件之间，从而大大降低氮氧化物的生成，而且燃烧生成的烟气与第二换热管组件中的冷却液充分换热，有效利用了烟气热量，提高了余热利用率。

附图说明

图1为实施例1中冷却火焰低氮燃烧装置的结构示意图。

图2为实施例1中第一换热管组件的局部结构示意图。

图3为实施例1中第一换热管组件与第一冷却液进口、第一冷却液出口连接的结构示意图。

图4为实施例2中冷却火焰低氮燃烧装置的结构示意图。

图5为燃烧生成的烟气流经第二换热管组件的示意图。

图6为第一排换热组件与第二排换热组件共用冷却液进口和冷却液出口的结构示意图。

图中标记说明如下：1-预混气体入口、2-分气室、3-燃烧室、4-点火器、5-第一换热管组件、6-第一冷却液进口、7-第一冷却液出口、8-第二换热管组件、9-第二冷却液进口、10-第二冷却液出口、11-外六角管、12-半外六角管。

具体实施方式

针对现有技术的不足，本发明提供了一种冷却火焰低氮燃烧装置，其包括预混气体入口1和燃烧室3，所述燃烧室3内沿着预混气体流动方向依次设有第一换热管组件5和点火器4，所述第一换热管组件5由多个平行设置的外六角管组成，相邻的所述外六角管之间留有允许预混气体通过的间隙，所述点火器4相对于第一换热管组件5的位置以使得该点火器4能够直接点燃从所述间隙通过的预混气体的方式来设定。实际应用中，空气与燃气在进入燃烧装置前已完成全预混，预混气体通过预混气体入口1进入燃烧室3，然后流经第一换热管组件5中相邻外六角管之间的间隙构成的气体通道，并在气体通道出口喷出后由点火器4引燃。本发明的外六角管的管道内流通有冷却流体，火焰由于冷却流体的冷壁效应温度降低，抑制了氮氧化物的生成。同时，当火焰传播速度大于气流速度，火焰回流进入外六角管之间的间隙中时，在冷却流体的冷却作用下，火焰的能量越来越小直至在间隙中熄灭，从而防止回火现象引起的爆炸。

在一种优选的实施方式中，所述第一换热管组件5中相邻的外六角管在横向截面上以正六边形边对边的方式设置，相邻的三个外六角管之间的间隙在横向截面上呈y型。优选的，所述第一换热管组件5设置为预混气体通过至少一个y型间隙才被点火器4点燃。本发明为了达到更好的防回火作用，通过调整外六角管的布置方式，实现了相邻的三个外六角管之间的间隙在横向截面上呈y型。y型间隙一是延长了火焰通过第一换热管组件5的距离，增加了火焰通过的时间，二是增加火焰与外六角管内冷却液的换热面积，均起到防回火的作用，让回流的火焰在y型间隙内被冷却液充分冷却熄灭，此外，y型间隙的弯折结构易形成涡流，当火焰传播速度较大，回流的火焰会驻留在弯折处，起到稳定火焰的作用。

在一种优选的实施方式中，所述外六角管的外接圆直径大小均相等，优选的，任意两个相邻的外六角管之间的间隙大小均相等，更优选的，所述第一换热管组件5在横向截面上呈相邻正六边形之间具有等距间隙的蜂窝状结构，最优选的，在横向截面上任一外六角管的外接圆直径大小与两个相邻的外六角管之间的间隙大小之比大于六。外六角管的外接圆直径越大，则相邻外六角管之间通过间隙构成的气体通道越长，通过限定外接圆直径大小与所述间隙大小的比值大于六，可进一步保证本发明装置的防回火性能。

在一种优选的实施方式中，任意两个相邻的外六角管之间的间隙大小为1.5-3mm。实际应用中，相邻外六角管之间的间隙大小如果过大会增大淬灭回流火焰的难度，过小则会增加预混气的流速，易导致脱火现象，本发明优选的间隙大小为1.5-3mm，其小于火焰的淬熄距离，可以阻止火焰在间隙内传播。

在一种优选的实施方式中，所述第一换热管组件5靠近点火器4的一侧由两根或两根以上外六角管阵列在同一平面形成。

在一种优选的实施方式中，所述冷却火焰低氮燃烧装置还包括第一冷却液进口6和第一冷却液出口7，所述第一换热管组件5中所述外六角管的一端均与所述第一冷却液进口6连接，另一端均与所述第一冷却液出口7连接。

在一种优选的实施方式中，所述冷却火焰低氮燃烧装置还包括设于所述预混气体入口1和燃烧室3之间的分气室2，优选的，所述分气室2为喇叭形结构，其细口端与所述预混气体入口1连接，广口端与所述燃烧室3连接。实际应用中，由空气和燃气组成的预混气通过预混气体入口1首先进入分气室2，预混气在分气室2内充分扩散，实现均压均流，然后再流入燃烧室3内。

在一种优选的实施方式中，所述燃烧室3内还包括第二换热管组件8，所述第二换热管组件8沿着预混气体流动方向设于所述点火器4之后，优选的，所述第二换热管组件8与所述第一换热管组件5的间距为40-80mm。实际应用中，第二换热管组件8内流通冷却流体，可以通过调节第一换热管组件5和第二换热管组件8之间的距离，使火焰尾部控制在第一换热管组件5和第二换热管组件8之间，从而可以大大降低氮氧化物的生成，而且燃烧生成的烟气与第二换热管组件8内的冷却流体充分换热，有效利用了烟气热量，提高了余热利用率。

在一种优选的实施方式中，所述第二换热管组件8由两组或两组以上的第二换热管排平行间隔排布而成，任一第二换热管排由两根或两根以上第二换热管平行间隔阵列在同一平面形成，优选的，相邻第二换热管排的第二换热管之间交错排列，更优选的，所述第二换热管组件8中相邻的三个第二换热管在横向截面上呈三角形排布。实际应用中，如图5所示，将第二换热管组件8中的第二换热管在横向截面上呈三角形排布，可以增强燃烧产生的烟气与第二换热管组件8之间的换热降温，提高热量利用率和有效降低氮氧化物的生成。

在一种优选的实施方式中，所述冷却火焰低氮燃烧装置还包括第二冷却液进口9和第二冷却液出口10，所述第二换热管组件8中所述第二换热管的一端均与所述第二冷却液进口9连接，另一端均与所述第二冷却液出口10连接。

在一种优选的实施方式中，所述外六角管的材质为310s不锈钢，优选的，所述第二换热管的材质为310s不锈钢。实际应用中，因外六角管和第二换热管长期处于高温环境中，且管内具有冷却液流通，为了防止外六角管和第二换热管焙烧变形或被腐蚀，优选其材质为耐高温和耐腐蚀性能好的310s不锈钢。

本发明还提供一种基于上述冷却火焰低氮燃烧装置的燃烧方法，其包括以下步骤：

由空气和燃气组成的预混气体通过预混气体入口1进入燃烧室3，然后流经第一换热管组件5中的外六角管之间的间隙，从所述间隙流出的预混气体经点火器4引燃并在燃烧室3内稳定燃烧，冷却流体从第一冷却液进口6流入所述外六角管的管道内，然后从第一冷却液出口7流出。

在一种优选的实施方式中，所述燃烧方法还包括以下步骤：燃烧产生的烟气流经第二换热管组件8并与第二换热管内的冷却流体进行换热，冷却流体从第二冷却液进口9流入第二换热管内，然后由第二冷却液出口10流出。

在一种优选的实施方式中，如图6所示，所述第一冷却液进口6与第二冷却液进口9相同，所述第二冷却液出口7与第二冷却液出口10相同，即所述第一换热管组件5和第二换热管组件8中的冷却流体共用一个冷却液进口和一个冷却液出口。

在一种优选的实施方式中，所述预混气在所述间隙的出口流速为4-10m/s。当火焰传播速度大于预混气流速时，产生回火；当预混气流速过大时，易产生脱火甚至吹熄现象。本发明优选的预混气流速为4-10m/s，不易产生回火和脱火现象，提高了燃烧的安全性。

下面通过具体实施例来进一步说明本发明所述的冷却火焰低氮燃烧装置及其燃烧方法。

实施例一

本实施例提供了一种冷却火焰低氮燃烧装置，如图1所示，包括预混气体入口1、分气室2、燃烧室3、第一冷却液进口6和第一冷却液出口7，所述燃烧室3内沿着预混气体流动方向依次设有第一换热管组件5和点火器4。本实施例中，所述分气室2为喇叭形结构，其细口端与所述预混气体入口1连接，广口端与所述燃烧室3连接；所述第一换热管组件5由左右两组竖向的第一换热管排平行排布而成，左侧第一换热管排靠近分气室2，其由11根外六角管平行排布在同一平面形成，右侧第一换热管排靠近点火器4，其由12根外六角管平行排布在同一平面形成；所述点火器4紧贴右侧第一换热管排的外六角管壁面设置。同时，为了避免回火的危险，右侧第一换热管排与燃烧室3壳体之间没有可以流通气体的缝隙，左侧第一换热管排与燃烧室3壳体之间的缝隙设置有半外六角管，所述半外六角管是根据左侧第一换热管排与燃烧室3壳体之间的缝隙大小将外六角管纵切得到的不完整的管道，其与燃烧室3的壳体连接共同构成了允许冷却流体通过的管道。

如图2所示，所述第一换热管组件5中任一外六角管在横向截面上的外接圆的直径b为20mm，相邻的外六角管11、相邻的外六角管11和半外六角管12在横向截面上以正六边形边对边的方式设置且相互之间留有允许预混气体通过的大小a为2mm的间隙，相邻的三个外六角管11或半外六角管12之间的间隙在横截面上呈y型。

如图3所示，本实施例的所述外六角管或半外六角管的上下两侧各设有一个与其端口固定连接的集液室，其中一个集液室与第一冷却液进口6连接，另一个集液室与第一冷却液出口7连接。

本实施例的冷却火焰低氮燃烧装置的燃烧方法：由空气和天然气组成的预混气体通过预混气体入口1经分气室2进入燃烧室3，然后流经所述外六角管之间或外六角管与半外六角管之间的间隙，从所述间隙流出的预混气体经点火器4引燃并在燃烧室3内稳定燃烧。冷却水从第一冷却液进口6流入所述外六角管的管道内或半外六角管与燃烧室3的壳体构成的管道内，然后从第一冷却液出口7流出。

考察本实施例的冷却火焰低氮燃烧装置在不同天然气流量下的氮氧化物排放量。实验中首先调节天然气流量至某一数值并保持不变，调节空气流量控制过量空气系数范围为1.1-1.4，得到不同烟气氧含量下的氮氧化物排放量；然后增加天然气流量至另一数值，再次调节空气流量控制过量空气系数范围为1.1-1.4，得到该天然气流量下不同烟气氧含量对应的氮氧化物排放量。重复上述步骤，逐渐增大天然气流量至最大值，分别得到各天然气流量下不同烟气氧含量下的氮氧化物排放量，实验中保持进入第一换热管组件5的冷却水流速为16m³/h不变，测得的部分实验结果见表1。

表1实施例一冷却火焰低氮燃烧装置的评价结果

从表1可以看出，使用实施例一的冷却火焰低氮燃烧装置，不同天然气流量下的氮氧化物排放量(折算氧含量3.5％)均在30mg/m³以下，有效减少了氮氧化物的生成。

实施例二

作为本发明的另一种实施方式，与实施例一相似，不同之处在于：如图4所示，实施例二的燃烧室3内还包括第二换热管组件8，所述第二换热管组件8沿着预混气体流动方向设于所述点火器4之后，所述第一换热管组件5与第二换热管组件8之间的间距为42mm。

本实施例中，所述第二换热管组件8由三组第二换热管排平行间隔排布而成，所述三组第二换热管排分别由11根、10根和11根第二换热管平行间隔阵列在同一平面形成，相邻的三个换热管在横向截面上呈三角形排布。

本实施例的冷却火焰低氮燃烧装置的燃烧方法：由空气和天然气组成的预混气体通过预混气体入口1经分气室2进入燃烧室3，然后流经所述外六角管之间或外六角管与半外六角管之间的间隙，从所述间隙流出的预混气体经点火器4引燃并在燃烧室3内稳定燃烧，燃烧产生的烟气流经第二换热管组件8后排出。一部分冷却水从第一冷却液进口6流入所述外六角管的管道内或半外六角管与燃烧室3的壳体构成的管道内，然后从第一冷却液出口7流出；另一部分冷却水从第二冷却液进口9流入第二换热管组件8的管道内，然后从第二冷却液出口10流出。

按照与实施例一相同的方法考察本实施例的冷却火焰低氮燃烧装置在不同天然气流量下的氮氧化物排放量。实验中保持进入第二换热管组件8的冷却水流速为9m³/h不变，测得的部分实验结果见表2。

表2实施例二冷却火焰低氮燃烧装置的评价结果

从表2可以看出，使用实施例二的冷却火焰低氮燃烧装置，不同天然气流量下的氮氧化物排放量均在12mg/m³(折算氧含量3.5)以下，有效减少了氮氧化物的生成。同时，与实施例一相比，增加第二换热管组件8后，氮氧化物排放量下降明显，进一步减少了氮氧化物的生成。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其做出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。