本發(fā)明涉及一種低氮?dú)怏w燃燒器，尤其涉及一種撞擊流部分預(yù)混低氮?dú)怏w燃燒器。
背景技術(shù)：
：氮氧化物（NOx）是大氣的主要污染源之一，它不僅可以形成酸雨或者酸霧，也是PM2.5二次顆粒物的重要前驅(qū)物。隨著環(huán)境污染不斷加劇，我國(guó)重點(diǎn)區(qū)域頻繁出現(xiàn)霧霾，已經(jīng)對(duì)人們的健康造成了巨大的危害。隨著天然氣、石油液化氣以及煤合成氣的燃燒利用，氣體燃燒的污染問題，尤其降低NOx的排放，是一項(xiàng)刻不容緩的任務(wù)。因此，控制天然氣燃燒過程中NOx的產(chǎn)生具有重要意義。燃燒理論將NOx的生成分為熱力型NOx、快速型NOx和燃料型NOx。天然氣中含氮量較低，NOx來源主要為熱力型NOx與快速型NOx。熱力型NOx是指燃燒所用空氣中N2在高溫下氧化生成NOx；在熱力型機(jī)理中，溫度是支配NOx生成的關(guān)鍵性變量。當(dāng)溫度低于1500℃時(shí)，熱力NOx的生成量很少；高于1500℃時(shí)，溫度每升高100℃，反應(yīng)速度將增大6~7倍。快速型NOx一般是碳?xì)渥杂苫c氮分子進(jìn)行反應(yīng)形成胺或氰基化合物，主要在當(dāng)量比大于1的區(qū)域生成，其反應(yīng)溫度也低于熱力型NOx。低氮燃燒技術(shù)包括分級(jí)燃燒、預(yù)混燃燒、煙氣再循環(huán)、多孔介質(zhì)燃燒、無焰燃燒、化學(xué)鏈燃燒等技術(shù)。分級(jí)燃燒技術(shù)的原理為燃燒溫度在當(dāng)量比為1的情況下達(dá)到最高，在貧燃或者富燃的情況下進(jìn)行燃燒，其燃燒溫度比當(dāng)量比為1的燃燒溫度要低，能合理分配爐內(nèi)的溫度場(chǎng)分布，避免出現(xiàn)局部高溫，達(dá)到降低NOx生成的效果。預(yù)混燃燒是一種降低NOx生成的有效技術(shù)。對(duì)于控制NOx的生成，這項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是可以通過對(duì)當(dāng)量比的完全控制來實(shí)現(xiàn)對(duì)燃燒溫度的控制。通過貧燃燃燒使得燃燒溫度降低，同時(shí)使得混合物的當(dāng)量比小于1，這樣熱力型NOx和快速型NOx生成將降低。但是預(yù)混燃燒技術(shù)未廣泛應(yīng)用的限制因素在于：燃燒不穩(wěn)定，可能導(dǎo)致回火或者熄火；過?？諝庀禂?shù)較大，降低系統(tǒng)熱效率。燃燒溫度的降低也可以通過煙氣再循環(huán)來實(shí)現(xiàn)，通過將煙氣的燃燒產(chǎn)物加入到燃燒區(qū)域內(nèi)，降低了燃燒溫度，同時(shí)加入的煙氣降低了氧氣的分壓，這將減弱氧氣與氮?dú)馍蔁崃π蚇Ox的過程，從而減少了NOx的生成。研究表明，外部煙氣再循環(huán)將減少70%的NOx生成。煙氣再循環(huán)的主要問題在于氧氣分壓降低、空氣流速增加使得燃燒不穩(wěn)定，出現(xiàn)熄火、震蕩等現(xiàn)象。按照低氮燃燒工業(yè)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展階段，可大體將之分為三個(gè)發(fā)展階段：第一，采用分級(jí)燃燒技術(shù)，可將NOx的排放濃度控制在100mg/m3，但該項(xiàng)技術(shù)可能造成CO排放濃度明顯上升；第二，采用煙氣再循環(huán)技術(shù)，可將NOx的排放濃度控制在60~80mg/m3，根據(jù)煙氣循環(huán)比例排放水平差異較大，該項(xiàng)技術(shù)成本較低，且適于改造升級(jí)，但對(duì)于快速型NOx的控制沒有效果，并且增大了風(fēng)機(jī)電耗；第三，預(yù)混燃燒技術(shù)，可將NOx的排放濃度控制10~60mg/m3，根據(jù)環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的要求在一定范圍內(nèi)可調(diào)，該項(xiàng)技術(shù)成本較低，適于新建項(xiàng)目，但對(duì)于整體熱效率稍有影響（以低位發(fā)熱量計(jì)，約1~2%左右），即NOx排放濃度越低，熱效率越低，同時(shí)也存在安全性問題。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：有鑒于此，確有必要提供一種熱效率高、NOx排放濃度較低、燃燒穩(wěn)定的撞擊流部分預(yù)混低氮?dú)怏w燃燒器。一種撞擊流部分預(yù)混低氮?dú)怏w燃燒器，其包括燃燒頭，該燃燒頭包括一圓柱形空氣流道；一設(shè)置在該圓柱形空氣流道內(nèi)部的旋流器，該旋流器包括外環(huán)、內(nèi)環(huán)、設(shè)置在該外環(huán)和內(nèi)環(huán)之間的旋流片以及設(shè)置在內(nèi)環(huán)中心孔的中心鈍體；一設(shè)置在燃燒器旋流器的外側(cè)且位于該圓柱形空氣流道內(nèi)部的燃料噴管，該燃料噴管包括燃料管以及設(shè)置于該燃料管側(cè)面的燃料噴口。與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明所提供的撞擊流部分預(yù)混低氮?dú)怏w燃燒器，通過燃料分級(jí)、撞擊流混合來控制燃燒與氧混合的時(shí)間和混合分?jǐn)?shù)的空間分布，從而控制燃燒速率、火焰區(qū)域的溫度以及反應(yīng)物在高溫區(qū)的停留時(shí)間，最終有效地降低熱力型和快速型NOx的生成，實(shí)現(xiàn)NOx生成小于50mg/Nm3（@3.5%O2）。該發(fā)明結(jié)合了撞擊流部分預(yù)混和旋流度對(duì)燃燒火焰的控制，可滿足較高煙氣再循環(huán)條件下的火焰穩(wěn)定性，從而把NOx生成降低到小于20mg/Nm3（@3.5%O2）的超低排放水平，同時(shí)也具有較強(qiáng)的燃料適應(yīng)性。本發(fā)明所提供的燃料分級(jí)部分預(yù)混旋流撞擊流氣體燃燒器，結(jié)構(gòu)合理、燃料適應(yīng)性廣、燃燒效率高、污染物排放小，燃燒穩(wěn)定，適合于工業(yè)爐、重整器以及燃?xì)廨啓C(jī)燃燒使用。附圖說明圖1是本發(fā)明第一實(shí)施例提供的撞擊流部分預(yù)混低氮?dú)怏w燃燒器的立體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的撞擊流部分預(yù)混低氮?dú)怏w燃燒器的主視圖。圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的撞擊流部分預(yù)混低氮?dú)怏w燃燒器旋流器的主視圖。圖4是本發(fā)明實(shí)施例提供的撞擊流部分預(yù)混低氮?dú)怏w燃燒器燃料管布置示意圖。圖5~圖10是本發(fā)明實(shí)施例提供的撞擊流部分預(yù)混低氮?dú)怏w燃燒器燃料噴口位置、形狀以及排列方式的示意圖。圖11是本發(fā)明第二實(shí)施例提供的撞擊流部分預(yù)混低氮?dú)怏w燃燒器的立體結(jié)構(gòu)示意圖。主要元件符號(hào)說明撞擊流部分預(yù)混低氮?dú)怏w燃燒器10、40燃燒頭20前部流道30圓柱形空氣流道21旋流器22燃料噴管23二次燃料噴口24穩(wěn)焰段25空氣入口31空氣前導(dǎo)流片32空氣后導(dǎo)流片33空氣入口段34空氣縮口段35外環(huán)220旋流片221內(nèi)環(huán)222中心鈍體223燃料管230燃料噴口231如下具體實(shí)施方式將結(jié)合上述附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明。具體實(shí)施方式下面將結(jié)合附圖及具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明提供的撞擊流部分預(yù)混低氮?dú)怏w燃燒器作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。請(qǐng)參閱圖1，本發(fā)明實(shí)施例提供一撞擊流部分預(yù)混低氮?dú)怏w燃燒器10，該撞擊流部分預(yù)混低氮?dú)怏w燃燒器10包括燃燒頭20以及前部流道30，該燃燒頭20和前部流道30連接在一起并連通。所述燃燒頭20包括圓柱形空氣流道21、設(shè)置在該圓柱形空氣流道21內(nèi)部的旋流器22、設(shè)置在旋流器22的外側(cè)且位于該圓柱形空氣流道21內(nèi)部的燃料噴管23。所述前部流道30包括空氣入口31、設(shè)置于空氣入口之后的空氣前導(dǎo)流片32和空氣后導(dǎo)流片33、空氣入口段34以及空氣縮口段35，所述圓柱形空氣流道21設(shè)置在所述空氣縮口段35。請(qǐng)一并參閱圖2和圖3，所述旋流器22包括外環(huán)220、內(nèi)環(huán)222、設(shè)置在該外環(huán)220和內(nèi)環(huán)222之間的旋流片221以及設(shè)置在內(nèi)環(huán)中心孔的中心鈍體223。旋流器22的主要功能在于提供不同的風(fēng)量及氣體旋流數(shù)。旋流器風(fēng)量的大小可以調(diào)整外環(huán)220與內(nèi)環(huán)222的比例、外環(huán)220的大小來優(yōu)化，經(jīng)過優(yōu)化認(rèn)為內(nèi)環(huán)222和外環(huán)220的直徑比為1:3為最佳。在本實(shí)施例中，內(nèi)環(huán)222和外環(huán)220的直徑比為1:3。旋流數(shù)的大小可以通過調(diào)整旋流片221的個(gè)數(shù)、旋流片221的傾斜角度來優(yōu)化。旋流片221的個(gè)數(shù)為10-20個(gè)，旋流片221的傾斜角度范圍為10-30o。在本實(shí)施例中，所述旋流片221的個(gè)數(shù)為32個(gè)，旋流片221的傾斜角度范圍為20o。中心鈍體223可以根據(jù)不同的燃燒情況制成相應(yīng)的大小及形狀，如圓形、方形、六邊形、長(zhǎng)方形、十字形和橢圓形來控制燃燒器出口的流場(chǎng)。在本實(shí)施例中，所述中心鈍體223為圓形。通過調(diào)節(jié)以上參數(shù)，可以使得燃燒器出口產(chǎn)生穩(wěn)定的回流區(qū)，實(shí)現(xiàn)本實(shí)施例的第一種低氮燃燒原理。請(qǐng)一并參閱圖4，燃料噴管23的布置方式采用燃料高速撞擊旋流器表面產(chǎn)生的“撞擊流”，以達(dá)到快速混合的效果。燃料噴管23包括燃料管230和燃料噴口231，該燃料噴口231設(shè)置于所述燃料管230的側(cè)面或所述燃料管230的側(cè)面和頂面。所述燃料管230的分散布置使得燃料在空間上有了濃淡分布，燃料噴口附近當(dāng)量比大于1，兩個(gè)燃料噴口之間當(dāng)量比小于1，產(chǎn)生了分級(jí)燃燒的效果。燃料從所述燃料噴口231高速噴出，撞擊外環(huán)220，產(chǎn)生撞擊、快速混合的效果。通過燃料管230的根數(shù)、燃料的噴射速度、燃料噴口231的形狀、燃料噴口231的個(gè)數(shù)、燃料噴口231距離外環(huán)220的距離d來控制燃料和空氣的混合時(shí)間及混合分?jǐn)?shù)，以達(dá)到控制燃燒速率、燃料的空間分布、預(yù)混程度的效果，實(shí)現(xiàn)低氮燃燒及穩(wěn)定燃燒。燃料管230的根數(shù)為5-32根，在本實(shí)施例中，燃料管的根數(shù)為8根。燃料的噴射速度在100-200m/s之間，在本實(shí)施例中，燃料的噴射速度為150m/s。燃料管230的側(cè)面可以有1-3個(gè)燃料噴口231，燃料管230的頂面可以有燃料噴口231也可以沒有燃料噴口231。該燃料噴口231的形狀不限，可以為方形或圓形。各個(gè)燃料噴口231的大小以及在燃料管230的側(cè)面的排列方式也可以不同。例如，請(qǐng)參閱圖5至圖10，燃料管230的側(cè)面可以有一個(gè)方形或圓形的燃料噴口231，也可以有兩個(gè)圓形的燃料噴口231，該兩個(gè)圓形的燃料噴口231可以上下排列也可以左右排列，也可以有三個(gè)燃料噴口231，該三個(gè)燃料噴口231左右排列，其中中間的燃料噴口231比兩側(cè)的燃料噴口231稍大，燃料管230的側(cè)面也可以有一個(gè)圓形的燃料噴口231，且在頂面有一個(gè)圓形的燃料噴口231。燃料噴口231可以直接設(shè)置在燃料管230的側(cè)面，也可以設(shè)置在燃料管230側(cè)面的凸臺(tái)上。在本實(shí)施例中，燃料管230的側(cè)面形成有一凸臺(tái)，該凸臺(tái)上設(shè)置有一個(gè)圓形的燃料噴口231。燃料噴口231距離外環(huán)220的距離d可以為燃料噴口231直徑的1-10倍，控制d可以控制預(yù)混效果，優(yōu)取d為燃料噴口231直徑的1.5-3倍，本實(shí)施例中，d為燃料噴口231直徑的2倍。通過調(diào)節(jié)以上參數(shù)，可以使得燃燒器出口產(chǎn)生所需的燃料混合程度，實(shí)現(xiàn)本實(shí)施例第二種低氮燃燒原理?？諝鈴目諝馊肟?1進(jìn)入燃燒器，在空氣前導(dǎo)流片32與空氣后導(dǎo)流片33的作用下使得空氣均勻性得到保證，在通過空氣入口段34與縮口段35后進(jìn)入圓柱形空氣流道21，在燃燒器出口處一部分氣流通過所述旋流片221形成旋流數(shù)很大的旋轉(zhuǎn)氣流，一部分氣流從所述旋流器周圍的通道通過，這樣就對(duì)燃燒器出口的氣流進(jìn)行了很好的組織。燃料經(jīng)過八根燃料管230，從燃料噴口231中高速噴出，與外環(huán)220產(chǎn)生強(qiáng)烈的撞擊作用，與空氣進(jìn)行混合，達(dá)到部分預(yù)混的效果。請(qǐng)參閱圖6，本發(fā)明第二實(shí)施例提供一撞擊流部分預(yù)混低氮?dú)怏w燃燒器40，該撞擊流部分預(yù)混低氮?dú)怏w燃燒器40的結(jié)構(gòu)與本發(fā)明第一實(shí)施例的撞擊流部分預(yù)混低氮?dú)怏w燃燒器10的結(jié)構(gòu)基本相同，標(biāo)號(hào)相同的表示與第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)相同。其中一個(gè)區(qū)別是在所述燃燒器出口設(shè)置有二次燃料噴口24，該二次燃料噴口24分布在燃燒器出口的圓環(huán)上，數(shù)量為10-40個(gè)，直徑為2-6mm，占總?cè)剂媳壤秊?0-80%，這個(gè)比例是可調(diào)的，起到分級(jí)燃燒、降低氮氧化物的作用。在本實(shí)施例中，所述二次燃料噴口24的數(shù)量為36個(gè)，直徑為4mm，占總?cè)剂媳壤晫?shí)際情況而定。另一個(gè)區(qū)別是在所述燃燒器出口也可以增加一個(gè)穩(wěn)焰段25，該穩(wěn)焰段25即二次燃料出口的圓環(huán)向遠(yuǎn)離燃燒器延長(zhǎng)的那一段，可為直段、擴(kuò)口、縮口，長(zhǎng)度可調(diào)，材料為耐火材料。可以通過調(diào)整所述穩(wěn)焰段25，改變火焰結(jié)構(gòu)（長(zhǎng)短與直徑），從而適應(yīng)不同的爐膛。本發(fā)明實(shí)施例可以在運(yùn)行過程中，根據(jù)燃燒的條件，包括燃料變化、溫度等，通過旋流器22的設(shè)計(jì)和燃料噴管23的布置方式，調(diào)節(jié)旋流空氣量與旋流數(shù)，從而控制回流區(qū)的燃燒方式。本發(fā)明實(shí)施例所提供的撞擊流部分預(yù)混低氮?dú)怏w燃燒器，采用兩種低氮燃燒與穩(wěn)定燃燒的原理：一、燃料噴口中心處通過旋流片的作用，在燃燒器出口火焰前端產(chǎn)生煙氣回流的穩(wěn)定燃燒區(qū)域，這個(gè)區(qū)域由于存在高溫?zé)釤煔獾膬?nèi)循環(huán)，NOx生成會(huì)顯著降低；而且，該燃燒器產(chǎn)生的穩(wěn)定回流區(qū)相當(dāng)于存在一個(gè)值班火焰，大大有利于火焰的穩(wěn)定。二、通過燃料高速噴射與旋流片撞擊，產(chǎn)生一種強(qiáng)烈的混合作用，使得燃料與空氣快速混合，達(dá)到一種部分預(yù)混的狀態(tài)；同時(shí)通過燃料多噴口的布置，使得燃料在空間上產(chǎn)生濃淡分布，達(dá)到分散和分級(jí)燃燒的效果，在降低火焰燃燒溫度的同時(shí)，使得燃燒器出口的溫度場(chǎng)十分均勻，大大減少了熱力型NOx和快速型NOx的生成；在燃燒器出口產(chǎn)生的燃料濃度分布，使得回火可能性減小，燃燒穩(wěn)定性增加。燃料分級(jí)和部分預(yù)混可以有效提高燃燒效率，可實(shí)現(xiàn)完全燃燒。本發(fā)明實(shí)施例最大的特征在于其低氮燃燒的效果，包括通過旋流器的設(shè)計(jì)、燃燒噴管的布置方式，控制燃燒與氧混合的時(shí)間和混合分?jǐn)?shù)，從而控制燃燒速率、火焰區(qū)域的溫度以及反應(yīng)物在高溫區(qū)的停留時(shí)間，最終有效地降低熱力型和快速型NOx的生成，實(shí)現(xiàn)NOx生成小于50mg/Nm3（@3.5%O2）。本實(shí)施例可以與煙氣再循環(huán)技術(shù)很好的配合，在高煙氣循環(huán)率的情況下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定燃燒，從而把NOx生成降低到小于20mg/Nm3（@3.5%O2）的超低排放水平。本發(fā)明實(shí)施例另一個(gè)重大特征在于其燃燒的穩(wěn)定性好、燃燒完全，通過旋流器的設(shè)計(jì)在燃燒器出口形成回流區(qū)，起到穩(wěn)定燃燒的作用；燃燒噴管的布置方式能控制預(yù)混效果，使得燃燒器不發(fā)生回火等問題。本發(fā)明所提供的撞擊流部分預(yù)混低氮?dú)怏w燃燒器，綜合了多種低氮燃燒機(jī)理，區(qū)別于目前普遍采用的擴(kuò)散燃燒技術(shù)，擴(kuò)散燃燒技術(shù)難以對(duì)快速型NOx實(shí)現(xiàn)控制，且局部熱斑所形成的熱力型NOx難以抑制；也區(qū)別于貧燃預(yù)混技術(shù)，貧燃預(yù)混由于過?？諝庀禂?shù)較大，造成排煙熱損失過大，降低系統(tǒng)熱效率，也存在燃燒不穩(wěn)定的問題。本發(fā)明所提供的撞擊流部分預(yù)混低氮?dú)怏w燃燒器，能在減少NOx生成的同時(shí)解決預(yù)混火焰與煙氣再循環(huán)的燃燒不穩(wěn)定、熱效率低等問題。具有燃燒污染物排放少，例如，具有超低NOx排放，燃燒完全，燃燒穩(wěn)定性好，燃燒效率高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠。民用和工業(yè)爐燃燒都可以使用,具有廣泛的應(yīng)用前景。另外，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可以在本發(fā)明精神內(nèi)做其它變化，這些依據(jù)本發(fā)明精神所做的變化，都應(yīng)包含在本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍內(nèi)。當(dāng)前第1頁1 2 3