一种耦合屏障风与分级燃烧的燃气低氮燃烧器及燃烧方法

1.本发明涉及燃气锅炉低氮燃烧技术领域，特别涉及一种耦合屏障风与分级燃烧的燃气低氮燃烧器及燃烧方法。


背景技术：

2.相比于其他化石能源，天然气在燃烧过程中基本不会有硫化物和烟气粉尘生成，但no
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生成仍然较高。未来随着更大体量天然气的燃烧利用，如何有效降低燃烧过程中生成的no
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排放将是一项具有重要意义的工作。
3.近年来，为进一步减少新建和在用燃气锅炉氮氧化物排放，改善空气质量，全国各地区在满足国家氮氧化物排放标准的同时，还陆续出台了更为严格的地方标准，迫使各大燃烧器厂家、锅炉厂家、使用企业等做出变革。目前市面上燃气锅炉实现低氮燃烧，主要措施有两种：一是低氮燃烧器，二是尾气处理。和尾气处理相比，使用低氮燃烧器实现低氮燃烧更加有效、稳定和经济。
4.现有低氮燃烧器的开发主要围绕如何降低燃烧温度、减少反应区域大小、减少停留时间以及减少热力型no
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的生成开展的。其主要技术包括分级燃烧(包括空气分级、燃料分级)、贫燃预混燃烧、烟气再循环、无焰燃烧、旋流燃烧等。而相关研究表明，烟气再循环耦合分级燃烧技术应用范围广泛，减氮效果最高可达90％。但实际应用发现燃烧器分级结构设计、气体分配不合理、烟气再循环率过高或过低、烟气再循环管道腐蚀等问题造成其达不到设计减排要求和热效率低，甚至出现锅炉喘振、熄火等现象。有鉴于此，有必要通过优化燃烧器结构、再循环烟气的使用方法、燃气、空气分级比例的方法发明一种低氮化物排放、热效率高、燃烧稳定的低氮燃烧器及燃烧方法。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种耦合屏障风与分级燃烧的燃气低氮燃烧器及燃烧方法，通过将再循环烟气作为屏障风分级送入炉膛，推迟空气与燃气直接接触与着火，让燃气在着火之前已经与更多的空气充分混合且被屏障风均匀稀释，实现空间内的均匀燃烧与均匀温度场，且屏障风也可降低氧气分压，吸收释放的热量，减少局部高温区域；此外通过燃气和空气的立体布置方式与合理逐级分配，控制燃烧高温区域，创造还原性气氛，即使有no
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的生成，大部分也将被还原，同时保证燃烧的热效率和稳定性。
6.本发明采用如下技术方案来实现的：
7.一种耦合屏障风与分级燃烧的燃气低氮燃烧器，包括燃烧器外壳、二级燃料管、三级燃料管、一次屏障风喷口、二次屏障风喷口和三次屏障风喷口；
8.在燃烧器外壳中心布置有一次风喷口，环绕一次风喷口周向布置有若干个用于直流喷入空气的一级燃料管，以一次风喷口为中心，由里向外沿径向依次分布有二次风喷口、三次风喷口和四次风喷口，且二次风喷口、三次风喷口和四次风喷口均周向布置有若干个，直流喷入空气；
9.二级燃料管相间布置在二次风喷口同一圆周，用于直流喷入燃气；三级燃料管相间布置在三次风喷口和四次风喷口之间的圆周上，向外偏离中心轴线10～ 20
°
；一次屏障风喷口、二次屏障风喷口和三次屏障风喷口分别环绕二次风喷口、三次风喷口和四次风喷口周向布置有若干个，用于直流喷入屏障风。
10.本发明进一步的改进在于，以燃料喷出端为前，入口端为后，所述一次风喷口、二次风喷口、三次风喷口、四次风喷口、一次屏障风喷口、二次屏障风喷口和三次屏障风喷口均布置在后。
11.本发明进一步的改进在于，所述一级燃料管、二级燃料管和三级燃料管的直径依次增加。
12.一种耦合屏障风与分级燃烧的燃气低氮燃烧方法，该方法基于所述的一种耦合屏障风与分级燃烧的燃气低氮燃烧器，包括如下步骤：
13.空气由中心一次风喷口呈射流式高速喷入，卷吸一级燃料管喷出的少量燃气燃烧，靠近燃烧器的中心区域过量空气系数为10，燃烧后烟气温度处于 500～600℃，形成空心火焰，基本无no
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的生成，燃烧产生的烟气中含有大量氧气，在炉膛中部卷吸周围的未燃尽成分稳定着火燃烧；
14.使二级燃料管喷入燃料量的24～30％，三级燃料管沿轴线向外偏移10～20
°
射入总燃料量的66～70％；二三级燃气燃烧区域过量空气系数小于1，始终处于贫氧状态，充满还原性气氛，即使燃烧过程中局部生成的no
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大部分也会被还原；
15.再循环烟气作为屏障风由一次屏障风喷口、二次屏障风喷口和三次屏障风喷口呈射流喷入，二次风喷口、三次风喷口和四次风喷口高速射入的空气卷吸屏障风，一方面推迟空气与燃气直接接触与着火，让燃气在着火之前已经与更多的空气充分混合且被屏障风均匀稀释，实现空间内的均匀燃烧与均匀温度场；另一方面降低氧气分压，吸收释放的热量，减少局部高温区域，减弱氧气与氮气生成热力型no
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的过程。
16.本发明进一步的改进在于，抽取的120～150℃温度范围内的烟气均匀分级由一次屏障风喷口、二次屏障风喷口和三次屏障风喷口射流喷入，屏障风不与空气炉外混合直接分级送入炉膛，避免了现有烟气再循环系统中烟气与冷空气炉外混合产生冷凝水腐蚀管道和风机的问题。
17.本发明进一步的改进在于，该方法使用在高海拔地区，环境温度部分季节低于零度，再循环烟气管道散热损失大，应选取150～200℃温度范围内的烟气。
18.本发明进一步的改进在于，屏障风量占总烟气量的20～25％，降低氮氧化物的生成，同时保证燃烧热效率和稳定性。
19.本发明进一步的改进在于，中心一次风量占总空气量的60％-70％。
20.本发明至少具有如下有益的技术效果：
21.本发明提供的一种耦合屏障风与分级燃烧的燃气低氮燃烧器，燃烧器中心布置有一次风喷口，环绕一次风喷口周向布置有若干个用于直流喷入空气的一级燃料管；以一次风喷口为中心，由里向外沿径向依次分布有二次风喷口、三次风喷口和四次风喷口；二级燃料管相间布置在二次风喷口的同一圆周，用于直流喷入燃气；三级燃料管相间布置在三次风喷口和四次风喷口之间的圆周上，向外偏离中心轴线10～20
°
；一次屏障风喷口、二次屏障风喷口和三次屏障风喷口分别环绕二次风喷口、三次风喷口和四次风喷口周向布置有若
干个，用于直流喷入屏障风。以上燃气、空气和屏障风喷口的立体布置方式能够将燃料量、空气量和屏障风量的合理分配，控制燃气燃烧速率，炉膛高温区域，反应物在高温区的停留时间，保证燃烧完全稳定的同时有效控制热力型氮氧化物的生成，实现氮氧化物生成小于30mg/nm3。
22.本发明提供的一种耦合屏障风与分级燃烧的燃气低氮燃烧方法，基于上述燃烧器结构，将20％～25％的再循环烟气作为屏障风分级送入炉膛，推迟空气与燃气直接接触与着火，让燃气在着火之前已经与更多的空气充分混合且被屏障风均匀稀释，实现空间内的均匀燃烧与均匀温度场，且屏障风也可降低氧气分压，吸收释放的热量，减少局部高温区域；此外通过燃气和空气的立体布置方式与合理逐级分配喷入炉膛，控制燃烧高温区域，创造还原性气氛，即使有no
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的生成，大部分也将被还原。
附图说明
23.图1为本发明的立体结构原理示意图；
24.图2为本发明的主视图；
25.图3为屏障风结构图。
26.附图标记说明：
27.1为一次风喷口；2为二次风喷口；3为三次风喷口；4为四次风喷口；5、为一次屏障风喷口；6为二次屏障风喷口；7为三次屏障风喷口；8为一级燃料管；9为二级燃料管；10为三级燃料管；11为燃烧器壳体。
具体实施方式
28.下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
29.如图1、图2和图3所示，本发明实施提供一种耦合屏障风与分级燃烧的燃气低氮燃烧器，包括燃烧器外壳11，中心布置的一次风喷口1，一级燃料管8环绕一次风1周向布置若干个，直流喷入燃气；由里向外沿径向分布二次风喷口 2、三次风喷口3和四次风喷口4，均周向布置若干个，直流喷入空气；二级燃料管9相间布置在二次风喷口2同一圆周，直流喷入燃气；三级燃料管10相间布置在三次风喷口3和四次风喷口4之间的圆周上，向外偏离中心轴线10～20
°
。一次屏障风喷口5、二次屏障风喷口6和三次屏障风喷口7分别环绕二次风喷口 2、三次风喷口3和四次风喷口4周向布置若干个，直流喷入屏障风。
30.以燃料喷出端为前，入口端为后，所述中心一次风喷口1、二次风喷口2、三次风喷口3、四次风喷口4、一次屏障风喷口5、二次屏障风喷口6和三次屏障风喷口7均布置在后。
31.所述燃烧器一级燃料管8、二级燃料管9和三级燃料管10直径依次增加。
32.本发明提供的一种耦合屏障风与分级燃烧的燃气低氮燃烧方法，包括如下步骤：
33.60％-70％的空气由中心一次风喷口1呈射流式高速喷入，卷吸一级燃料管 8喷出的少量燃气燃烧，使靠近燃烧器的中心区域过量空气系数远大于1，燃烧温度较低，形成空
心火焰，基本无no
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的生成。燃烧产生的500～600℃的烟气中含有大量氧气，在炉膛中部卷吸周围的未燃尽成分稳定着火燃烧。
34.使二级燃料管8喷入燃料量的24～30％，三级燃料管9喷入总燃料量的 66～70％；二三级燃气燃烧区域过量空气系数约为0.4～0.5，始终处于贫氧状态，充满还原性气氛，即使燃烧过程中局部生成的no
x
大部分也会被还原。
35.20～25％的再循环烟气作为屏障风由一次屏障风喷口5、二次屏障风喷口6 和三次屏障风喷口7呈射流喷入。30％～40％的空气由二次风喷口2、三次风喷口 3和四次风喷口4射流喷入，高速射流空气卷吸屏障风，一方面推迟空气与燃气直接接触与着火，让燃气在着火之前已经与更多的空气充分混合且被屏障风均匀稀释，实现空间内的均匀燃烧与均匀温度场；另一方面降低氧气分压，吸收释放的热量，减少局部高温区域，减弱氧气与氮气生成热力型no
x
的过程。
36.一次屏障风喷口5、二次屏障风喷口6和三次屏障风喷口7射流喷入的烟气不与空气炉外混合直接分级送入炉膛，完全避免了现有烟气再循环系统中烟气与冷空气炉外混合产生冷凝水腐蚀管道和风机的问题。若使用在高海拔地区，环境温度较低(尤其冬天)，再循环烟气管道散热损失大，比平原地区应选取更高的烟气温度。
37.本发明实施的最大特征在于燃烧完全稳定的同时保证了低氮燃烧的效果，通过燃气、空气和屏障风喷口的立体布置方式和燃料量、空气量和屏障风量的合理分配，控制燃烧过程中燃气、空气和屏障风的混合时间、各燃烧区域的混合分数，从而控制燃烧速率，炉膛高温区域，反应物在高温区的停留时间，保证燃烧完全稳定的同时有效控制热力型氮氧化物的生成，实现氮氧化物生成小于30 mg/nm3。新建或者在用的低氮燃气锅炉项目均可以使用，具有很强的工程应用场景。
38.应理解，该实施例仅用于说明本发明而并非对其限制。还应理解，本领域的技术人员可以对本发明做出各种改动或等同替换，在不脱离本发明原理的前提下，其均应视为在发明的保护范围内。