一种分段式燃烧的低氮燃烧头的制作方法

本发明属于燃烧器及其相关的空气-燃气-烟气混合装置，具体涉及一种分段式燃烧，分级预混富氧贫燃的低氮燃烧头。本发明涉及关联的工业燃烧器，类型涵盖包括安装在燃烧室上的燃烧头，燃料为天然气，用于不带有外部烟气循环的系统。

背景技术：

1、众所周知，氮氧化物（nox）是有毒有害气体，其中燃烧过程中主要以热力型氮氧化物为主，其特点是随着火焰和燃烧区域的温度升高，污染物氮氧化物的排放也呈指数级升高，如何控制降低燃烧的火焰温度成为降低热力型氮氧化物的主要技术手段。

2、烟气循环技术是一种低氮燃烧技术，被广泛用于锅炉系统中，烟气循环技术是利用燃烧产生的烟气，主要成分是二氧化碳，水蒸汽和氮气，通过循环方式将不可燃的烟气再次输送到燃烧区域内，使得在发生燃烧的化学反应过程中，可燃物和氧化剂被烟气稀释后再燃烧，以降低燃烧反应的强度，降低火焰温度，同时使得燃烧区域的温度也下降，有效的减弱了氧气与氮气生成热力型氮氧化物的条件，从而减少了氮氧化物的生成。

3、烟气循环技术基本上分为烟气外部循环和烟气内部循环两类烟气循环技术。烟气外部循环是通过在锅炉尾部烟气出口处抽取一部分烟气，将烟气送入助燃空气中，与助燃空气混合后，一同进入燃烧区域；烟气内部循环是通过在锅炉燃烧室内部形成的回旋气流，将烟气在燃烧室内部直接循环送入燃烧区域。内外烟气循环的区别，是指烟气的循环是发生在燃烧室的内部还是外部。很多情况是内外循环结合使用，nox≤80mg/m3的内循环技术比较成熟，结合外循环可以达到nox≤30mg/m3。

4、市场上广泛使用的机型是附加烟气外循环技术的扩散式燃烧器 ，以此来降低氮氧化物的排放量。此种类型燃烧器的燃烧头结构相对比较简单，运行较可靠。由于其工作原理是利用风机将烟气进行循环燃烧，需要加大鼓风机的功率或使用烟气循环风机，这造成了投资成本的增加。

5、此外，多数现场安装的烟气回流管道，连接到燃烧器鼓风机进风侧，烟气温度较高，助燃空气温度较低，在两者交汇时烟气里的水蒸气遇冷会凝结变成水，造成交汇处的腐蚀，严重时冷凝水进入燃烧器导致火焰检测器感应部件以及点火元件出现故障，产生安全隐患。另外冷凝水进入燃烧器机壳，对于鼓风机叶轮，燃烧器内部零部件以及壳体本身造成侵蚀，影响了燃烧器的使用寿命。

6、市场上使用的烟气内循环机型，为了满足降低氮氧化物的效果，通常要求锅炉燃烧室的直径足够大，内循环的回流空间充足，才可以保证足够烟气量的内循环效果。加大燃烧室尺寸，造成了锅炉成本的大幅增加。

7、这些烟气再循环型燃烧器，利用将烟气通过循环方式送入燃烧区域，虽然达到了降低氮氧化物的目的，但是在追求更低排放指标的情况下，必须加大烟气的循环量，使燃烧火焰的强度进一步降低，这些做法会造成燃烧稳定性的下降，容易出现燃烧喘动，火焰不稳定，伴随燃烧器运行的故障率上升。

8、在专利号为de 3811477 a1的专利文件中记载，对于燃气燃烧器，燃气与空气混合在燃烧室入口处，燃气通过一些混合管进入。其中燃气直接经由混合气管及其喷嘴送入燃烧室入口，与助燃空气混合进入燃烧室。燃气管出口在燃烧器混合腔内按照发散方向分布在不同的切面。

9、在de 195 09 219的专利文件中记载的是一种方式及其燃烧器的燃烧头，关于燃料气燃烧的同时供应助燃空气，利用带非活性气体降低氮氧化物，其中燃料气分两级，一级叠加在另一级后面，在助燃空气的流动方向上由火焰的根部吹入，第一级超化学反应比的助燃空气与燃料气的混合气体流向火焰，补充的燃料气在第二级切面加入，在哪里循环回来的烟气作为非活性气体加入到第二级，一部分的燃烧气体注入第二级与循环烟气形成低于化学反应比的混合气体，在到达火焰前进行混合。

10、专利ep 0 635 676的记载的是一种方法用在液体燃料或者气体燃料的低nox燃烧装置，所用燃烧器伸入到锅炉的燃烧室中，它的燃烧器火焰筒中至少有一个燃料喷嘴用于供应燃料并邻近稳焰盘，这种方法将大量的燃气由稳焰盘向外送到火焰筒的内壁区域，在火焰筒与稳焰盘间隙流过的快速气流会在火焰筒的前缘处产生负压，燃烧室内产生的烟气而通过内部循环，被送到了该负压区，火焰筒上有多个深入到负压区的导流尖角。

11、中国专利cn112178626b 记载了一种内循环低氮燃气燃烧器 ，旋流器套设在第一燃气管的一端，环形燃气头套设在旋流器的外侧并与旋流器间隙配合 ，第二燃气管向环形燃气头输送燃气，分流管套设在环形燃气头的外侧，隔流件套 设在分流管的外侧，并与分流管形成烟气通道。多组内圈燃气组件位于烟气通道内，多组外圈燃气组件安装在隔流件的周侧。分流管用于分流空气形成混烟用空气以及混燃用空气，混烟用空气流经烟气通道时在进烟口处产生负压，从而吸入燃烧室内的烟气，并重新参与燃烧。由于利用真空直接回收烟气的方式，不但省去了烟气通道，消除了安全隐患，而且降低了使用成本 。

12、中国专利cn107120652记载了一种分级燃气低氮燃烧器，涉及燃烧器技术领域。分级燃气低氮燃烧器包括分配器、导流盘、点火电极、点火燃料管和燃烧筒体。分配器用于给燃气和空气提供流动路径，包括本体、多个燃气喷管、燃气分配环和多个空气分配管。本体为带有第一夹层的筒体，燃气通过本体进入燃气管后由燃气分配环喷出。空气流经本体的中空部、空气分配管和分配器外侧形成空气流动路径，给燃气提供助燃气体。cn107120652的分配环厚度较薄，图中所示不大于燃气分配孔的4倍直径，只是将燃气作为内外圈分配，并没有将空气分隔的功能。cn107120652的导流盘对于多个空气分配管导入的空气进行导流，形成旋转空气气流，主体是空气，未设置燃气分配装置。

13、上述已知的这些专利方法和结构要想实现日益增加的对于燃烧设备降低污染物排放的需求是不够的，尤其是当法律规定要求达到的氮氧化物的排放指标进一步降低时，这些方法和结构是有限的，还是存在氮氧化物过高或燃烧不稳定的问题，难以满足环保排放标准的要求。

14、本发明利用分阶段燃烧的概念，将燃烧分段控制，初阶段采用富氧贫燃的原理来控制氮氧化物的产生，次阶段利用初阶段燃烧产生的烟气和热量，为次阶段燃烧创造一个，满足次级燃烧所需助燃空气被稀释和预热，燃料也被稀释和预热的条件，使得次阶段燃烧扩散到更大的空间，以类似无焰燃烧的方式进行，这种扩散后，更加均匀的燃烧，避免出现局部高温，使得氮氧化物的生成被抑制，从而实现了整体的低氮燃烧。

15、本发明最为重要和不同的是，创新发明了中心多级预混燃烧头，利用多个预混喷嘴的均匀分布，将燃烧火焰分为多个独立火苗，充分发挥了富氧贫燃的降氮效果，同时由于空气与燃气在每个预混喷嘴内混合，避免了大部分预混燃烧器，需要先预混，再分配燃烧而有可能出现的回火，爆燃风险。

技术实现思路

1、本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种稳定安全 、结构紧凑、高效环保的分阶段燃烧的低氮燃气燃烧器 。

2、本发明的技术方案是一种分段式燃烧的低氮燃烧头，其包括初阶段利用多级预混结构，结合富氧贫燃低氮原理的初级燃烧，和次阶段利用初阶段燃烧烟气与剩余空气和燃气混合后再燃烧的，烟气内循环低氮原理的次级燃烧。

3、本发明所述的分段式燃烧的低氮燃烧头，其包括中心燃烧头、火焰筒以及环绕所述火焰筒分布设置的次级燃气喷嘴，所述火焰筒同轴套设在所述中心燃烧头的外围；其中所述中心燃烧头包括中心燃气分配器、多个预混喷嘴以及中心燃气连接管，所述中心燃气分配器为内部中空的圆筒形，所述中心燃气连接管连通到中心燃气分配器的内部，每个所述预混喷嘴为贯穿所述中心燃气分配器内部的直管，每个直管的内壁上均开设有燃气孔，通过该燃气孔连通所述中心燃气分配器内部，多个直管状的所述预混喷嘴均匀分布在所述中心燃气分配器上，所述中心燃气连接管通入的燃气通过中心燃气分配器的内部然后穿过燃气孔通入到所述预混喷嘴内；火焰筒壁与所述中心燃气分配器的外壁之间具有环形间隙，所述火焰筒内通入助燃空气，一部分助燃空气与燃气在预混喷嘴的直管内部相遇混合，在流出直管时被点燃，在所述中心燃气分配器位于燃烧室一侧形成多个独立的燃烧火苗，另一部分助燃空气通过火焰筒与中心燃气分配器之间的间隙流出。

4、进一步地，中空圆筒形的中心燃气分配器由圆筒体和前后两个端盖构成，前后两个端盖与圆筒体围成中空圆筒形空间，前后两个端盖上具有位置相对应的通孔，直管状预混喷嘴内嵌并贯穿前后两个端盖的通孔，所述中心燃气连接管的燃气出口端与前端盖相连通，并且预混喷嘴的直管从后端盖延伸凸出，每个直管状预混喷嘴之间有间隔，燃烧时每个预混喷嘴之间在根部形成相互独立火苗，从而形成与预混喷嘴数量相同的初级燃烧分级火焰。

5、进一步地，所述火焰筒为锥形收口结构，所述中心燃气分配器相对于火焰筒锥口的距离能够在轴向上调整，从而能够改变所述火焰筒与所述中心燃气分配器之间环形间隙的大小。

6、进一步地，所述中心燃气连接管的燃气入口端经由中心燃气调节阀与主燃气管相连接，从而中心燃气调节阀能够调节中心燃气分配器的燃气量。

7、进一步地，在与所述火焰筒锥形收口相对的另一端连接有次级燃气分配器，所述次级燃气分配器为一圆筒形的环形腔体，该环形腔体直径大于火焰筒的直径，且该环形腔体朝向燃烧室一端的端面上均匀布置多个连通的次级燃气喷嘴，

8、进一步地，所述环形腔体与所述火焰筒连接端具有用于与锅炉前墙相连的连接法兰，另一端具有与鼓风机相连的连接法兰，在所述环形腔体锅炉一侧连接法兰面连接安装火焰筒，并在此法兰面布置多个燃气喷嘴的连接孔，用于连接所述次级燃气喷嘴。

9、进一步地，所述次级燃气喷嘴为直管，所述次级燃气喷嘴的直管长度延伸超出火焰筒空气出口，并伸入燃烧室。

10、进一步地，其中所述环形腔体的内腔径向厚度大于所述次级燃气喷嘴的直径，所述次级燃气喷嘴通过喷嘴孔与环形腔体内部连通。

11、进一步地，在所述环形腔体的外壁开孔，开孔处布置连接法兰，通过连接法兰连接有次级燃气调节阀，次级燃气调节阀与主燃气管相连接，所述次级燃气调节阀用于调整次阶段燃气量。

12、进一步地，所述次级燃气分配器的内筒中空，所述中心燃烧头通过在内筒空间布置的支架，安装固定在燃气分配器的内筒之中，鼓风机将助燃空气由次级燃气分配器的内筒输送进入火焰筒，继而经过中心燃气分配器上的预混喷嘴和与火焰筒的环形间隙进入燃烧室。

13、综上所述，本发明的有益效果在于：

14、本发明的分段式燃烧的低氮燃烧头，包括初阶段利用富氧贫燃低氮原理的初级燃烧部件，和次阶段利用烟气循环低氮原理，将满足初阶段燃烧所需空气以外的富余空气，混合初级燃烧烟气后，将次级燃气混合回流烟气后，再相互混合燃烧的次级燃气分配部件。本发明的低氮燃烧头初阶段富氧贫燃燃烧，由中心燃气分配器预混喷嘴流出的空气和燃气，按照富氧贫燃低氮来设置高过剩空气系数的空燃比。满足初阶段燃烧所需空气以外的其他富余的空气，经由中心燃气分配器与火焰筒所构成的环形间隙流出燃烧头，这部分富余的空气环绕初级中心的多级火焰，像一个环形套管一样，以层流的方式与初阶段的多级燃烧火焰同轴向流动，在初阶段燃烧的中后段，与初阶段燃烧尾气相互扩散混合。多个次级燃气喷嘴环绕火焰筒均匀布置，次级燃气喷嘴出口超过火焰筒空气出口端，伸入燃烧室，次级燃气喷嘴在轴向上与火焰筒出口存在间隔空间，燃气喷射方向是中心主气流相同的方向，通常间隔空间中分布的是回流烟气，这部分次级燃气喷出后不会立刻接触到富余空气气流，所以不会立即燃烧，而是随着中心主气流在中后段形成的伴随涡流，与回流烟气和富余空气相互扩散和混合，继而燃烧。初阶段燃烧输出功率需要满足产生的热量和烟气量足够大，能够对于富余空气加温和稀释，富余的空气混合初阶段烟气后，温度不低于燃气的自燃点温度，富余空气被混入的烟气稀释，燃气分子与氧分子扩散到更大的空间，次阶段的燃烧是在满足燃气自燃点温度以上的环境中发生的化学反应，没有明显的驻点火焰现象。

15、本发明通过初阶段的多级预混结构和富氧贫燃的配比，实现初阶段的低氮燃烧，并为次阶段创造条件，使得助燃空气和燃气，在都混合烟气和预热的情况下，再混合燃烧，使得次阶段燃烧发生在充分扩散的空间，避免了局部高温，限制了氮氧化物的生成。这种分阶段燃烧技术可以，满足在燃烧室直径较小的情况下，实现低氮氧化物排放。由于次阶段燃烧是在燃气与空气充分扩散的情况下发生的，整个炉膛内温度均匀，提高了锅炉的热交换效率，使得用热设备更加高效和环保。