一种极低氮氧化物排放的燃气无焰燃烧装置及燃烧方法

摘要

本发明涉及一种极低氮氧化物排放的燃气无焰燃烧装置及燃烧方法，它包括：一呈L形的空气喷管，空气喷管的其中一段水平布置，空气喷管的水平段的末端为喷管出口，在L形管的弯折处设置有一水平支管；一中心燃气喷管，中心燃气喷管为一直管，其穿过水平支管后平行伸入空气喷管的水平段，空气喷管与中心燃气喷管之间留有环形空隙以形成空气通道；中心燃气喷管与水平支管通过一密封接头连接；一外燃气喷管，外燃气喷管套置且密封连接在空气喷管的水平段的外侧，在外燃气喷管的一侧设置有一喷管进口，外燃气喷管与空气喷管之间留有环形空隙以形成外燃气通道；外燃气喷管、空气喷管的水平段和中心燃气喷管三者具有同轴关系，且外燃气喷管的出口与空气喷管的出口的端面平齐；稳焰器安装在中心燃气喷管的出口端。

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃气燃装置及燃烧方法，特别是关于一种极低氮氧化物排放的燃 气无焰燃烧装置及燃烧方法。

背景技术

目前全球大气污染问题日趋严重，酸雨、PM2.5等成为一些大城市的主要环境问 题。氮氧化物是PM2.5形成的主要元凶之一，严重影响人们的生活和健康。在中国， 氮氧化物减排已经成为重要的环境治理工作。随着氮氧化物排放标准的收紧和工业锅 炉煤改气等一系列措施的推行，研发适用于燃气的新型低氮燃烧技术愈显重要。当前 工业界广泛使用的传统低氮燃烧技术主要包括分级燃烧和烟气循环，但通常也仅能减 少15％～40％的氮氧化物。相比而言，无焰燃烧(Flameless Combustion)技术可降低 70％的氮氧化物排放，且燃烧温度分布更均匀，燃烧稳定性好、辐射效率高，被国际燃 烧界视为21世纪最具备发展潜力的技术之一。该技术已经在冶金行业得到应用，相应 的燃烧器设计也在逐步改善，逐步摆脱了必须使用高温蓄热体预热空气，或者需要催 化剂等一些限制条件。目前，如何进一步优化此技术和改进燃烧器设计成为推广该技 术到其他领域的一大难题，对于进一步降低燃烧过程中的氮氧化物排放具有重要意义。

申请号为201410019516.0的中国专利申请提出了“一种直喷式燃气无焰燃烧器”， 它采用了直喷式的形式将燃气和空气分别送进高温炉内实现无焰燃烧。由于是非预混 的方式并且没有加入稳焰盘或者钝体等部件，因此在炉体加热阶段的传统燃烧火焰稳 定性不足，将直接导致加热时间长，效率低。申请号为201410020218.3中国专利申请 提出了“一种斜流式常温无焰燃烧器”，它采用斜流式的喷管将燃料送入炉内，与中 心喷孔的高速氧化剂在炉内实现无焰燃烧。其炉体加热过程采用了预混/部分预混的形 式，对于氢气或管道燃气等火焰传播速度很快的燃气，该设计存在回火的可能，会损 坏烧嘴和旋流叶片。

总的来说，现有基于无焰燃烧技术设计开发的燃烧器存在三方面的问题：1、现有 无焰燃烧器的设计大多为非预混式，实验室试验和已有的工业应用表明，其氮氧化物 排放一般在30～50ppm，在氮氧化物减排方面没有做到无焰燃烧技术的“最优”，距 离“零氮氧化物排放”还存在改进空间。2、现有无焰燃烧器的设计没有考虑满足不 同燃气对于预混/非预混燃烧模式的需求。一般来说，对于天然气等火焰传播速度较慢 的气体，可采用预混模式，而对于氢气、管道煤气等火焰传播速度较快的气体，需采 用非预混模式以避免回火。3、现有无焰燃烧器设计在满足炉膛预热方面的考虑不够， 或燃烧稳定性差，或预热时间过长等。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种针对不同燃气都能实现无焰燃烧，并且 使预混和非预混无焰燃烧状态下的氮氧化物排放均达到极低水平的极低氮氧化物的燃 气无焰燃烧装置及燃烧方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种极低氮氧化物排放的燃气无焰 燃烧装置，其特征在于，它包括：一空气喷管，所述空气喷管为一L形管，所述L形 弯管的其中一段水平布置，所述空气喷管的水平段的末端为喷管出口，在所述L形管 的弯折处设置有一水平支管；一中心燃气喷管，所述中心燃气喷管为一直管，其穿过 所述水平支管后平行伸入所述空气喷管的水平段，所述空气喷管与所述中心燃气喷管 之间留有环形空隙以形成空气通道；所述中心燃气喷管与所述水平支管通过一密封接 头连接；一外燃气喷管，所述外燃气喷管套置且密封连接在所述空气喷管的水平段的 外侧，在所述外燃气喷管的一侧设置有一喷管进口，所述外燃气喷管与所述空气喷管 之间留有环形空隙以形成外燃气通道；所述外燃气喷管、空气喷管的水平段和中心燃 气喷管三者具有同轴关系，且所述外燃气喷管的出口与所述空气喷管的出口的端面平 齐；所述稳焰器安装在所述中心燃气喷管的出口端。

所述稳焰器采用带圆形喷嘴的稳焰盘、旋流式稳焰器或钝体稳焰器。

所述空气喷管的内径为所述中心燃气喷管的内径的1.1～1.7倍；所述外燃气喷管 的内径为所示空气喷管的内径的1.02～1.2倍。

所述空气喷管的壁厚不超过1.5mm。

所述空气喷管为分段焊接结构且其出口处的壁厚不超过1.5mm。

一种极低氮氧化物排放的燃气无焰燃烧方法，它包括以下步骤：1)调节中心燃气 喷管与空气喷管的相对位置，使中心燃气喷管的出口端与空气喷管出口端平齐，开启 高热值的气体作为辅助燃气对炉体进行预热，辅助燃气经过中心燃气喷管到达稳焰器， 并与空气喷管输送的气体相遇，在炉内燃烧形成火焰；2)当炉体被加热到壁面温度高 于辅助燃气自燃点时，切换中心燃气喷管内的燃气为用于无焰燃烧的主燃气；3)松开 密封接头，向后移动中心燃气喷管至中心燃气喷管的出口端距离空气喷管出口端的距 离为2～8倍的空气喷管的内径，再重新拧紧密封接头，此时经中心燃气喷管喷出的主 燃气与空气在空气喷管内相遇进行混合，通过加大主燃气和空气速度实现极低氮氧化 物排放的无焰燃烧。

所述空气喷管输送的气体是空气，或者是纯氧经惰性气体稀释后的氧气，或者是 空气与惰性气体的混合气体；所述主燃气为天然气，或者甲烷、乙烷，或者甲烷、乙 烷经惰性气体稀释后的气体。

一种极低氮氧化物排放的燃气无焰燃烧方法，它包括以下步骤：1)调节中心燃气 喷管与空气喷管的相对位置，使中心燃气喷管的出口端与空气喷管出口端平齐，开启 高热值的气体作为辅助燃气对炉体进行预热，辅助燃气经过中心燃气喷管到达稳焰器， 并与空气喷管输送的气体相遇，在炉内燃烧形成火焰；2)当炉体被加热到壁面温度高 于燃气自燃点时，关闭中心燃气喷管，打开外燃气喷管，燃气切换为用于无焰燃烧的 主燃气；3)松开密封接头，向后移动中心燃气喷管至中心燃气喷管的出口端距离空气 喷管出口端的距离为2～8倍的空气喷管的内径，再拧紧密封接头，此时主燃气与空气 在燃烧装置出口处相遇，为非预混的燃烧模式，通过加大燃气和空气速度实现极低氮 氧化物排放的无焰燃烧。

所述空气喷管输送的气体是空气，或者是纯氧经惰性气体稀释后的氧气，或者是 空气与惰性气体的混合气体；所述主燃气为管道煤气，或者氢气、高炉煤气，或者氢 气、高炉煤气经惰性气体稀释后的气体。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于设置了一个相对 于空气喷管可水平移动的中心燃气喷管，因此可以通过调整中心燃气喷管与空气喷管 之间的位置关系使本发明在传统燃烧模式与预混燃烧模式之间转换，进而使本发明对 不同燃气都实现无焰燃烧，并且能使得预混和非预混无焰燃烧状态下的氮氧化物排放 均达到极低的水平(5ppm左右)。2、本发明在中心燃气喷管的出口端设置有一稳焰器， 因此能够提高燃烧稳定性和安全性。3、本发明结构简单，制造成本低。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1沿A-A向的视图；

图3是本发明在预混燃烧模式下的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1、图2所示，本发明包括一空气喷管1、一中心燃气喷管2、一外燃气喷管 3和一稳焰器4。

空气喷管1为一L形管，L形管的其中一段为水平布置，L形管的水平段的末端为 喷管出口，L形管的另一段为空气进口；在L形管的弯折处设置有一水平支管11。

中心燃气喷管2为一直管，其穿过水平支管11后平行伸入空气喷管1的水平段， 空气喷管1与中心燃气喷管2之间留有环形空隙以形成空气通道。中心燃气喷管2与 水平支管11通过一密封接头5连接，密封接头5有密封和固定中心燃气喷管2的作用。

外燃气喷管3套置且密封连接在空气喷管1的水平段的外侧，在外燃气喷管3的 一侧设置有一喷管进口，外燃气喷管3与空气喷管1之间留有环形空隙以形成外燃气 通道。外燃气喷管3、空气喷管1的水平段和中心燃气喷管2三者具有同轴关系，且 外燃气喷管3的出口与空气喷管1的出口的端面平齐。

稳焰器4安装在中心燃气喷管2的出口端。

在一个优选的实施例中，稳焰器4采用带圆形喷嘴6的稳焰盘(如图2所示)、旋 流式稳焰器或钝体稳焰器。

在一个优选的实施例中，空气喷管1的内径为中心燃气喷管2的内径的1.1～1.7 倍；外燃气喷管3的内径为空气喷管1的内径的1.02～1.2倍。

在一个优选的实施例中，空气喷管1的壁厚不超过1.5mm或者空气喷管1以分段 焊接的形式实现出口处的壁厚不超过1.5mm。外燃气喷管3与空气喷管1之间的壁厚 (即空气喷管1出口处的壁厚)越薄，越有利于非预混模式下实现极低氮氧化物排放 的无焰燃烧。

本发明在使用时，对于不同性质的燃气，可采用不同的方法来实现炉内极低氮氧 化物排放的无焰燃烧，具体燃烧方法如下：

一、针对甲烷、天然气等火焰传播速度较慢的燃气：

1)炉体预热阶段，如图1所示，本发明的中心燃气喷管2的出口端与空气喷管1 出口端平齐，此时本发明处于传统燃烧模式。预热所用的辅助燃气为氢气等热值高的 气体，既可以加快预热过程，又能够减少预热过程中的热量耗散，辅助燃气经过中心 燃气喷管2到达稳焰器4，并与经过空气喷管1输送的气体相遇，在炉内燃烧形成火 焰。其中，空气喷管1输送的气体可以是空气，或者是纯氧经惰性气体(如氮气、二 氧化碳或热烟气)稀释后的氧气，或者是空气与惰性气体的混合气体。

2)当炉体被加热，壁面温度高于燃气自燃点时，中心燃气喷管2内的燃气切换为 用于无焰燃烧的主燃气。主燃气为天然气，或者甲烷、乙烷，或者甲烷、乙烷经惰性 气体(如氮气、二氧化碳或热烟气)稀释的燃气。

3)松开密封接头5，移动中心燃气喷管2至预混燃烧模式状态(如图3所示)， 再重新拧紧密封接头5。此时经中心燃气喷管2喷出的主燃气与空气在空气喷管1内 相遇进行混合，通过加大主燃气和空气速度实现极低氮氧化物排放的无焰燃烧。由于 是预混形式的无焰燃烧，此时氮氧化物排放可至5ppm以下。在移动中心燃气喷管2 时，移动后的中心燃气喷管2距离空气喷管1出口端的距离为2～8倍的空气喷管2 的内径，有助于燃气和空气的充分混合。

二、针对氢气、管道煤气等火焰传播速度较快的燃气：

1)炉体预热阶段，如图1所示，本发明的中心燃气喷管2的出口端与空气喷管1 出口端平齐，此时本发明处于传统燃烧模式。预热所用的辅助燃气采用氢气等热值高 的气体进行炉体预热，既可以加快预热过程，又能够减少预热过程中的热量耗散。辅 助燃气经过中心燃气喷管2到达稳焰器4与经空气喷管1输送的气体相遇，在炉内燃 烧形成火焰。其中，空气喷管1输送的气体可以是空气，或者是纯氧经惰性气体(如 氮气、二氧化碳或热烟气)稀释后的氧气，或者是空气与惰性气体的混合气体。

2)当炉体被加热，壁面温度高于燃气自燃点时，关闭中心燃气喷管2，打开外燃 气喷管3，燃气切换为用于无焰燃烧的主燃气。主燃气为管道煤气，或者氢气、高炉 煤气，或者氢气、高炉煤气经惰性气体(如氮气、二氧化碳、热烟气)稀释的燃气。

3)松开密封接头5，移动中心燃气喷管2至预混燃烧模式状态(如图3所示)， 再拧紧密封接头5。此时主燃气与空气在燃烧装置出口处相遇，为非预混的燃烧模式， 通过加大燃气和空气速度实现极低氮氧化物排放的无焰燃烧。与现有非预混形式的无 焰燃烧器不同的是，本发明中空气与燃气的距离很近，在燃烧器出口处进行了快速的 混合，与预混模式的无焰燃烧较为类似，此时氮氧化物排放可降至5ppm左右。在移动 中心燃气喷管2时，移动后的中心燃气喷管2距离空气喷管1出口端的距离为2～8 倍的空气喷管2的内径，有助于燃气和空气的充分混合。

本发明的设计是基于如下的原理：经过大量实验研究发现，通过优化燃烧器的设 计，燃气无焰燃烧的氮氧化物排放可进一步降低。采用预混式设计的燃气无焰燃烧器 的氮氧化物排放可降至5ppm以下。现有非预混式设计的燃气无焰燃烧器中，燃气出口 与空气出口距离较远，若燃气出口与空气出口相隔很近，则实现无焰燃烧后氮氧化物 排放也可降至5ppm左右。

本发明仅以上述实施例进行说明，各部件的结构、设置位置、及其连接都是可以 有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进 和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。