專利名稱：低氮氧化物燃燒工藝和燃燒裝置以及應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種低氮氧化物燃燒工藝和燃燒裝置以及應(yīng)用，具體說是一種利用貧 氧(13%彡O2 ^ 21%)組織部分預(yù)混燃燒，利用富氧(21%彡O2 ( 30% )完成燃盡過程的 清潔、高效燃燒技術(shù)(貧氧部分預(yù)混_富氧補燃工藝)及燃燒裝置。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)燃燒技術(shù)多采用擴散燃燒，利用旋轉(zhuǎn)射流或交叉射流實現(xiàn)燃料與空氣、富氧 甚至純氧之間的混合燃燒過程，盡管這種方法提高了燃燒效率，但在射流混合邊界層區(qū)域 將形成局部反應(yīng)高溫區(qū)，致使氮氧化物(NOx)生成量大幅度提高。基于擴散燃燒過程NOx的 生成機理，各國學(xué)者相繼提出了空氣分級燃燒、濃淡燃燒、煙氣再循環(huán)、富燃/猝冷/貧燃等 低NOx燃燒技術(shù)，通過降低主燃區(qū)溫度或氧濃度、縮短氧氣在高溫區(qū)的逗留時間、將煙氣中 的NOx還原等措施，達到降低擴散燃燒過程NOx生成量的目的。但是，降低污染物排放與強 化燃燒之間始終是一對矛盾關(guān)系，上述低NOx燃燒技術(shù)在實施過程中均有可能因燃料/氧 氣混合不良而造成碳煙和CO生成量提高。相對于擴散燃燒而言，預(yù)混燃燒過程不受組分擴散等因素的制約，其燃燒效率更 高，不僅利于縮小燃燒室體積，并可通過控制預(yù)混氣中燃料或氧氣濃度來控制火焰溫度和 NOx生成量。基于上述理論發(fā)展而來的貧燃預(yù)混燃燒技術(shù)(Lean premixed combustion)和 貧燃預(yù)混預(yù)蒸發(fā)燃燒技術(shù)(Lean premixed prevaporized combustion)是目前最具發(fā)展?jié)?力的低NOx燃燒技術(shù)。其基本原理是將燃料與空氣在較低的化學(xué)當(dāng)量比下預(yù)先混合，并組 織旋流燃燒過程；因其火焰溫度相對較低，故NOx生成量較小，同時由于氧氣充足且燃料/ 氧氣混合均勻，故碳煙和CO的生成量也遠遠小于擴散火焰。因此，貧燃預(yù)混燃燒可以實現(xiàn) 更加清潔、高效的燃燒過程。但也恰恰是由于貧燃預(yù)混旋流火焰的工作條件過于靠近貧燃 熄火極限，并且較大的旋流強度和湍流強度易于誘發(fā)剪切邊界層內(nèi)出現(xiàn)不穩(wěn)定的渦漩進動 (Processing Vortex Core)，易于造成火焰面內(nèi)發(fā)生局部猝熄，致使火焰熱釋放出現(xiàn)周期 性脈動；在某些情況下，脈動的火焰熱釋放會與燃燒室內(nèi)的聲壓振蕩發(fā)生激勵振蕩，形成所 謂的熱聲耦合振蕩，最終將導(dǎo)致預(yù)混火焰發(fā)生動力學(xué)失穩(wěn)甚至熄滅。通過對貧燃預(yù)混旋流燃燒過程NOx排放特性和火焰動力學(xué)穩(wěn)定性的實驗及理論 研究，專利申請人發(fā)現(xiàn)，利用多孔介質(zhì)穩(wěn)定火焰、采用部分預(yù)混/環(huán)流注氣可有效降低預(yù)混 燃燒過程熱聲耦合振蕩的幅值，并可將N0x、碳煙和CO生產(chǎn)量控制在較低的范圍內(nèi)?；谏?述實驗和理論分析結(jié)果，特提出了一種利用貧氧(13%彡O2 ^ 21%)組織部分預(yù)混燃燒、 利用富氧(21%彡O2 ( 30% )組織燃盡過程的低NOx高效燃燒技術(shù)，同時設(shè)計了基于該技 術(shù)的燃燒裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種低氮氧化物燃燒工藝和燃燒裝置以及應(yīng)用，它是有效降 低碳氫燃料燃燒過程中N0x、碳煙及CO生成量的“貧氧部分預(yù)混_富氧補燃”燃燒工藝技術(shù)和以之為理論基礎(chǔ)的燃燒裝置。本發(fā)明一方面綜合了空氣分級燃燒、濃淡燃燒、貧燃預(yù)混燃 燒及富氧燃燒技術(shù)的優(yōu)點，另一方面克服了上述各技術(shù)各自的技術(shù)缺陷，具有污染物排放 低、燃燒效率高、火焰穩(wěn)定性好及火焰溫度場均勻等特點，應(yīng)用廣泛。本發(fā)明提供的一種低氮氧化物燃燒工藝包括的步驟利用貧氧與碳氫燃料組織部 分預(yù)混燃燒過程，以抑制NOx的生成，同時利用富氧在主燃區(qū)外側(cè)組織補燃過程，以降低碳 煙和CO的生成量；整個燃燒過程的總體化學(xué)當(dāng)量比控制在1. 0以下。本發(fā)明提供的一種低氮氧化物燃燒工藝包括的步驟利用氧濃度為13% -21%的貧氧與碳氫燃料組織化學(xué)當(dāng)量比為1. 1-1. 3的部分預(yù) 混燃燒過程，以抑制溫度型NOx的生成，同時利用氧濃度為21% -30%的富氧在主燃區(qū)外側(cè) 組織補燃過程，以降低碳煙和CO的生成量；整個燃燒過程的總體化學(xué)當(dāng)量比控制在1. 0以 下。利用膜法富氧設(shè)備等產(chǎn)生氧濃度在13% -21%之間的貧氧(慢氣)實現(xiàn)與碳氫燃 料組織化學(xué)當(dāng)量比為1. 1-1. 3的部分預(yù)混燃燒過程。所述的利用膜法富氧設(shè)備等產(chǎn)生的氧濃度在21% -30%之間的富氧組織總體當(dāng) 量比小于1.0的補燃過程。所述的部分預(yù)混燃燒過程是在燃燒裝置的預(yù)混室內(nèi)利用徑向旋流和直射流組織 貧氧與碳氫燃料的部分預(yù)混過程。所述的部分預(yù)混燃燒過程是利用旋流穩(wěn)焰器和多孔介質(zhì)穩(wěn)焰器實現(xiàn)部分預(yù)混火 焰的穩(wěn)定，形成還原性氣氛的主燃區(qū)。所述的補燃過程是利用切向旋流組織氧濃度21% -30%的富氧與未燃盡燃料及 熱分解產(chǎn)物的燃盡過程，并控制總體化學(xué)當(dāng)量比在1.0以下。本發(fā)明提供的一種低氮氧化物燃燒裝置主要包括燃料入口管、貧氧入口管、徑向 旋流葉片、預(yù)混室、穩(wěn)焰器、富氧入口管和切向旋流葉片。燃燒裝置為圓柱形的三層套筒結(jié)構(gòu)。燃料入口管作為中心套筒位于軸心位置，其 始端與燃料管道相連，其末端與預(yù)混室相連。貧氧入口管位于燃料入口管外側(cè)，徑向旋流葉 片(可選一組8片)圍繞預(yù)混室布置，切向旋流葉片與外側(cè)套筒內(nèi)壁面連接；空氣分離設(shè)備 產(chǎn)生的貧氧經(jīng)由貧氧入口管進入中間套筒后，然后經(jīng)過徑向旋流葉片以旋轉(zhuǎn)射流方式進入 預(yù)混室內(nèi)，與燃料形成部分預(yù)混可燃氣。切向旋流穩(wěn)焰器(或多孔介質(zhì)穩(wěn)焰器)位于預(yù)混 室頂部出口中心位置，部分可燃預(yù)混氣經(jīng)由切向旋流穩(wěn)焰器(或多孔介質(zhì)穩(wěn)焰器)進入燃 燒室，形成還原性氣氛的主燃區(qū)。富氧入口管與燃燒裝置外側(cè)套筒切向連接，空氣分離設(shè)備 制備的富氧經(jīng)由富氧入口管進入外側(cè)套筒，然后流經(jīng)外側(cè)套筒出口的切向旋流葉片，以旋 轉(zhuǎn)射流方式進入燃燒室，在主燃區(qū)外側(cè)形成氧化性氣氛的補燃區(qū)。燃燒裝置整體為圓柱形，燃料入口管、貧氧入口管、富氧入口管均為圓管；預(yù)混室 為圓柱狀腔室；徑向旋流葉片是一組直葉片，與預(yù)混室上下端蓋焊接；切向旋流葉片7是一 組直葉片，與外側(cè)套筒內(nèi)壁面焊接；切向旋流穩(wěn)焰器(或多孔介質(zhì)穩(wěn)焰器)5由一組扭曲葉 片，葉片內(nèi)外兩端分別與中心圓柱和外側(cè)圓管內(nèi)壁面焊接(多孔介質(zhì)穩(wěn)焰器是緊固在圓管 內(nèi)的多孔陶瓷體)。本發(fā)明的特點詳細描述如下本發(fā)明所涉及的“富氧”是指利用空氣分離技術(shù)(如膜法富氧制備技術(shù))制備得
4到的氧濃度介于21% -30%的氧氣/氮氣混合氣體，而“貧氧”則是指空氣分離后所產(chǎn)生的 氧濃度介于13% -21%的慢氣(通常情況下，這種濃度的慢氣多直接排入大氣，而不加以利 用)。上述“富氧”、“貧氧”的濃度可通過調(diào)整富氧制備設(shè)備的工作參數(shù)予以保證。本發(fā)明所涉及的“貧氧部分預(yù)混_富氧補燃技術(shù)”是指將“貧氧”和碳-氫氣體燃 料按某一化學(xué)當(dāng)量比φ (1. 1 < φ < 1. 3)進行預(yù)混燃燒，形成還原性氣氛的主燃區(qū)；同時， 在主燃區(qū)外側(cè)，利用旋轉(zhuǎn)射流方式送入“富氧”，形成氧化性氣氛的補燃區(qū)；在碳氫燃料的整 個燃燒過程中，保持總體化學(xué)當(dāng)量比Φ小于1.0。采用“貧氧部分預(yù)混”可使主燃區(qū)火焰溫 度降低150-200°C，從而有效抑制溫度型NOx的生成；同時，主燃區(qū)內(nèi)的還原性氣氛也有助 于將NOx還原成N2。采用“富氧補燃”有助于提高主燃區(qū)外側(cè)剩余碳氫燃料及其熱分解產(chǎn) 物的燃燒速度和燃盡程度，可有效降低燃燒產(chǎn)物中碳煙和CO的體積含量。研究結(jié)果顯示， 在相同的工況下，相對于貧燃預(yù)混燃燒而言，采用“貧氧部分預(yù)混-富氧補燃”技術(shù)可降低 煙氣中NOx濃度75%以上，碳煙和CO的生成量相當(dāng)，火焰穩(wěn)定性大大提高。本發(fā)明可用于地面燃氣輪機、燃油燃氣鍋爐及燃油燃氣加熱爐等動力設(shè)備。本發(fā)明一方面綜合了空氣分級燃燒、濃淡燃燒、貧燃預(yù)混燃燒及富氧燃燒技術(shù)的 優(yōu)點，另一方面克服了上述各技術(shù)各自的技術(shù)缺陷，具有污染物排放低、燃燒效率高、火焰 穩(wěn)定性好及火焰溫度場均勻等特點，本發(fā)明應(yīng)用廣泛。


圖Ia是燃燒裝置剖面示意圖(旋流穩(wěn)焰器)。圖Ib是燃燒裝置剖面示意圖(多孔介質(zhì)穩(wěn)焰器)。圖2是燃燒裝置A-A視圖。圖3a是貧燃預(yù)混條件下燃燒室內(nèi)的速度場示意圖。圖3b是貧氧部分預(yù)混_富氧補燃條件下燃燒室內(nèi)的速度場示意圖。圖4a是貧燃預(yù)混條件下燃燒室內(nèi)的溫度場示意圖。圖4b是貧氧部分預(yù)混_富氧補燃條件下燃燒室內(nèi)的溫度場示意圖。圖5a是貧燃預(yù)混條件下燃燒室內(nèi)的NO濃度場示意圖。圖5b是貧氧部分預(yù)混_富氧補燃條件下燃燒室內(nèi)的NO濃度場示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明參照附圖詳細說明如下圖la、圖Ib分別是采用旋流穩(wěn)焰器和多孔介質(zhì)穩(wěn)焰器的燃燒裝置剖面圖，圖2是 燃燒裝置A-A視圖。圖中1為碳氫燃料入口管，2為貧氧入口管，3為徑向旋流葉片，4為預(yù)混室，5為旋 流穩(wěn)焰器或多孔介質(zhì)穩(wěn)焰器，6為富氧入口管，7為切向旋流葉片。本發(fā)明所涉及的燃燒裝置是基于上述技術(shù)理論設(shè)計的，可合理組織碳氫燃料的高 效、低NOx燃燒過程。該燃燒裝置主要由燃料入口管1、貧氧入口管2、徑向旋流葉片3、預(yù)混 室4、穩(wěn)焰器5、富氧入口管6和切向旋流葉片7組成。燃燒裝置為圓柱形，三層套筒結(jié)構(gòu)。燃料入口管1作為中心套筒位于軸心位置，其 始端與燃料管道相連，其末端與預(yù)混室4相連。貧氧入口管2位于燃料入口管1外側(cè)，徑向
5旋流葉片3 ( —組8片)圍繞預(yù)混室4布置，空氣分離設(shè)備產(chǎn)生的貧氧經(jīng)由貧氧入口管2進 入中間套筒后，然后經(jīng)過徑向旋流葉片3以旋轉(zhuǎn)射流方式進入預(yù)混室4內(nèi)，與燃料形成部分 預(yù)混可燃氣。切向旋流穩(wěn)焰器(或多孔介質(zhì)穩(wěn)焰器)5位于預(yù)混室4頂部出口中心位置，部 分可燃預(yù)混氣經(jīng)由切向旋流穩(wěn)焰器(或多孔介質(zhì)穩(wěn)焰器)5進入燃燒室，形成還原性氣氛的 主燃區(qū)。富氧入口管6與燃燒裝置外側(cè)套筒切向連接，空氣分離設(shè)備制備的富氧經(jīng)由富氧 入口管6進入外側(cè)套筒，然后流經(jīng)外側(cè)套筒出口的切向旋流葉片7，以旋轉(zhuǎn)射流方式進入燃 燒室，在主燃區(qū)外側(cè)形成氧化性氣氛的補燃區(qū)。燃燒裝置整體為圓柱形，燃料入口管1、貧氧入口管2、富氧入口管6均為圓管；預(yù) 混室4為圓柱狀腔室；徑向旋流葉片3是一組直葉片，與預(yù)混室4上下端蓋焊接；切向旋流 葉片7是一組直葉片，與外側(cè)套筒內(nèi)壁面焊接；切向旋流穩(wěn)焰器(或多孔介質(zhì)穩(wěn)焰器)5由 一組扭曲葉片，葉片內(nèi)外兩端分別與中心圓柱和外側(cè)圓管內(nèi)壁面焊接(多孔介質(zhì)穩(wěn)焰器是 緊固在圓管內(nèi)的多孔陶瓷體)。碳氫氣體燃料經(jīng)中心燃料入口管1以直流形式進入預(yù)混室4 ；貧氧按某一化學(xué)當(dāng) 量比Φ經(jīng)貧氧入口管2和徑向旋流葉片3以旋流形式進入預(yù)混室4 ；兩者在預(yù)混室4內(nèi)完 成混合過程，形成部分預(yù)混可燃氣；部分預(yù)混可燃氣經(jīng)旋流或多孔介質(zhì)穩(wěn)焰器5噴出燃燒， 形成還原性氣氛的主燃區(qū)。富氧經(jīng)富氧入口管6和切向旋流葉片7以旋轉(zhuǎn)射流方式從主燃 區(qū)外側(cè)送入，與從主燃區(qū)流出的剩余燃料及熱分解產(chǎn)物發(fā)生燃燒反應(yīng)，形成補燃區(qū)。本發(fā)明利用膜法富氧制備設(shè)備(膜法富氧制備設(shè)備，河南能信節(jié)能科技有限公 司，產(chǎn)品型號MZYR-25至MZYR-300，富氧置備量400方/小時至2500方/小時)或其它空 氣分離設(shè)備制備氧濃度為21% -30%的富氧以及13% -21%的貧氧；將貧氧和碳氫燃料以 某一化學(xué)當(dāng)量比Φ (1. 1 < Φ < 1. 3)在預(yù)混室內(nèi)進行均勻預(yù)混，并在旋流穩(wěn)焰器和多孔介 質(zhì)穩(wěn)焰器下游形成還原性氣氛的主燃區(qū)；在保持總體化學(xué)當(dāng)量比小于1.0的情況下，將富 氧以旋轉(zhuǎn)射流形式從主燃區(qū)外側(cè)送入，使之與剩余燃料及熱分解產(chǎn)物混合燃燒，形成氧化 性氣氛的補燃區(qū)。在保持總體當(dāng)量比Φ = 0. 625相同的情況下，模擬研究了貧燃預(yù)混燃燒和貧氧部 分預(yù)混-富氧補燃條件下燃燒室內(nèi)的的NOx生成情況，模擬參數(shù)為中心貧氧濃度為18%， 外側(cè)富氧濃度為24%。模擬結(jié)果圖所示圖3a是貧燃預(yù)混條件下燃燒室內(nèi)的速度場示意圖。圖3b是貧氧部分預(yù)混-富氧 補燃條件下燃燒室內(nèi)的速度場示意圖。兩者的速度分布趨勢基本一致，但后者的中心旋流 速度略高，環(huán)形射流速度略低，平均速度稍低。圖4a是貧燃預(yù)混條件下燃燒室內(nèi)的溫度場示意圖；圖4b是貧氧部分預(yù)混-富氧 補燃條件下燃燒室內(nèi)的溫度場示意圖；后者火焰高溫區(qū)溫度明顯降低，燃燒室內(nèi)溫度場更 加均勻。圖5a是貧燃預(yù)混條件下燃燒室內(nèi)的NO濃度場示意圖；圖5b是貧氧部分預(yù)混-富 氧補燃條件下燃燒室內(nèi)的NO濃度場示意圖；可以看出NO濃度對比(質(zhì)量分數(shù))結(jié)果，后者 的NO濃度降低了 75%以上。
權(quán)利要求
一種低氮氧化物燃燒工藝，其特征在于它包括的步驟利用貧氧與碳氫燃料組織部分預(yù)混燃燒過程，以抑制NOx的生成，同時利用富氧在主燃區(qū)外側(cè)組織補燃過程，以降低碳煙和CO的生成量；整個燃燒過程的總體化學(xué)當(dāng)量比控制在1.0以下。
2.一種低氮氧化物燃燒工藝，其特征在于它包括的步驟利用氧濃度為13% -21%的 貧氧與碳氫燃料組織化學(xué)當(dāng)量比為1. 1-1. 3的部分預(yù)混燃燒過程，以抑制NOx的生成，同時 利用氧濃度為21% -30%的富氧在主燃區(qū)外側(cè)組織補燃過程，以降低碳煙和CO的生成量； 整個燃燒過程的總體化學(xué)當(dāng)量比控制在1. 0以下。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的工藝，其特征在于利用膜法富氧設(shè)備產(chǎn)生氧濃度在 13% -21%之間的貧氧，實現(xiàn)與碳氫燃料組織化學(xué)當(dāng)量比為1. 1-1. 3的部分預(yù)混燃燒過程。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的工藝，其特征在于利用膜法富氧設(shè)備產(chǎn)生的氧濃度在 21% -30%之間的富氧實現(xiàn)總體當(dāng)量比小于1. 0的補燃過程。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的工藝，其特征在于所述的部分預(yù)混燃燒過程是在燃燒裝置的 預(yù)混室內(nèi)利用徑向旋流和直射流組織貧氧與碳氫燃料的部分預(yù)混過程。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的工藝，其特征在于所述的部分預(yù)混燃燒過程是利用旋流穩(wěn)焰 器或多孔介質(zhì)穩(wěn)焰器實現(xiàn)部分預(yù)混火焰的穩(wěn)定，形成還原性氣氛的主燃區(qū)。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的工藝，其特征在于所述的補燃過程是利用切向旋流組織氧 濃度21% -30%的富氧與未燃盡燃料及熱分解產(chǎn)物的燃盡過程，并控制總體化學(xué)當(dāng)量比在 1. 0以下。
8.—種權(quán)利要求1或2所述的低氮氧化物燃燒工藝的燃燒裝置，其特征在于主要包括 燃料入口管、貧氧入口管、徑向旋流葉片、預(yù)混室、穩(wěn)焰器、富氧入口管和切向旋流葉片；燃料入口管作為中心套筒位于軸心位置，其始端與燃料管道相連，其末端與預(yù)混室相 連；貧氧入口管位于燃料入口管外側(cè)，徑向旋流葉片圍繞預(yù)混室布置，穩(wěn)焰器位于預(yù)混室頂 部出口中心位置，富氧入口管與燃燒裝置外側(cè)套筒切向連接，切向旋流葉片與外側(cè)套筒內(nèi) 壁面連接；燃燒裝置整體為圓柱形，三層套筒結(jié)構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的燃燒裝置，其特征在于所述的穩(wěn)焰器是切向旋流穩(wěn)焰器或多 孔介質(zhì)穩(wěn)焰器。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的低氮氧化物燃燒工藝的應(yīng)用，其特征在于可用于地面燃 氣輪機、燃油燃氣鍋爐及燃油燃氣加熱爐動力設(shè)備。全文摘要
本發(fā)明涉及一種低氮氧化物燃燒工藝和燃燒裝置以及應(yīng)用。利用氧濃度為13％-21％的貧氧與碳氫燃料組織化學(xué)當(dāng)量比為1.1-1.3的部分預(yù)混燃燒過程，以抑制溫度型NOx的生成，同時利用氧濃度為21％-30％的富氧在主燃區(qū)外側(cè)組織補燃過程，以降低碳煙和CO的生成量；整個燃燒過程的總體化學(xué)當(dāng)量比控制在1.0以下。具體是利用空氣分離設(shè)備制備的貧氧與碳氫燃料組織部分預(yù)混、燃燒過程，在穩(wěn)焰器下游形成還原性主燃區(qū)，可有效抑制溫度型NOx的生成；然后將富氧以旋流形式從主燃區(qū)外側(cè)送入，組織剩余燃料及熱分解產(chǎn)物的補燃過程，可有效降低燃燒產(chǎn)物中碳煙和CO的生成量。本發(fā)明具有燃燒效率高、污染物排放低、火焰穩(wěn)定及火焰溫度場均勻等特點，適用于地面燃氣輪機、燃油燃氣鍋爐及加熱爐等動力設(shè)備。
文檔編號F23D14/02GK101968220SQ20101052211
公開日2011年2月9日 申請日期2010年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月28日
發(fā)明者劉聯(lián)勝, 吳晉湘, 林博穎, 王恩宇, 茍湘 申請人:河北工業(yè)大學(xué)