一种双热回流部分预混低氮燃烧器及其燃烧方法
技术领域
本发明涉及一种双热回流部分预混低氮燃烧器及其燃烧方法，属于燃烧技术领域。
背景技术
随着环保标准的日益提高，需要进一步降低NOx排放至15mg/Nm3乃至近零排放。天然气等气体燃烧产生的NOx主要是热力型和快速型，其中热力型NOx占比可达到95％，抑制热力型NOx生成是降低NOx的主要途径。
目前，各种低氮燃烧技术中，主要措施是降低火焰燃烧温度，分散高温区和减小高温区的停留时间。天然气低氮燃烧技术包括烟气再循环、烟气内循环以及预混贫燃技术等。在烟气再循环技术中，为了稳定火焰，主要采用富燃料燃烧和回流区来提高值班火焰的稳定性，这带来了局部高温和局部高NOx生成速率，使得提高值班火焰稳定性和NOx降低成为矛盾，是进一步降低NOx的主要技术难点。
烟气内循环的方式是空气或燃料射流形成的，尤其燃料射流实现了燃料着火前与高温烟气的混合，可形成局部无焰燃烧，对于着火稳定性和抑制NOx生成有着显著的作用。然而，实现上述的燃烧特性，需要形成稳定的射流卷吸、混合以及着火位置。中国专利文献CN2078153提出采用文丘里原理获得燃料射流卷吸，该方式易受炉内大流场的影响，燃烧器根部的卷吸背压随着回流区的波动而震荡，导致卷吸量的急剧变化，引起燃烧的剧烈脉动，甚至造成熄火。为了解决上述问题，中国专利文献CN 108738333公开了把射流引射区埋在炉膛壁面内，但会导致炉墙外壁超温、布置困难等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双热回流部分预混低氮燃烧器及低氮燃烧方法，利用烟气内循环回流热量加热混合燃气及氧化剂，在降低氮氧化物的同时，稳定燃烧文火。利用引射挡板维持引射高温烟气的压力稳定，同时采用多孔介质燃烧形成贫燃料值班火焰，提高值班火焰稳定性，实现NOx排放小于15mg/Nm3(@3.5％O2)。
本发明通过以下技术方案实现：
一种双热回流部分预混低氮燃烧器，能够设置在燃烧室中，包括导流筒以及设置在导流筒中心的燃料母管，所述燃料母管前端包括设置在所述导流筒中心的值班燃料管和均匀设置在所述导流筒外周的若干主燃料管；所述主燃料管前部设置有引射控制挡板，所述引射控制挡板环绕着设置在所述主燃料管的外周，形成引射区；所述主燃料管出口选用渐缩口，且所述渐缩口前端设置有引射管，所述引射管出口延伸出引射区；所述导流筒前部设置有值班燃料预混腔且所述值班燃料预混腔外壁与所述导流筒内壁之间形成主空气通道；所述值班燃料管前端顶部封闭，所述值班燃料管前部壁面沿圆周均匀设置有若干值班燃料喷口，且设置有值班燃料喷口的值班燃料管前部伸入所述值班燃料预混腔内；所述值班燃料预混腔内从后往前设置有旋流盘和多孔介质单元，且多孔介质单元设置在所述值班燃料预混腔前端形成值班火焰燃烧载体；所述多孔介质单元包括从后往前依次设置的第一多孔介质单元和第二多孔介质单元，且第一多孔介质单元的孔隙率小于第二多孔介质单元的孔隙率。
上述技术方案中，所述主空气通道按空气流速为30～50m/s设置。
上述技术方案中，所述旋流盘按照旋流数大于0.35设置。
上述技术方案中，所述值班燃料预混腔中部还设置有均流孔板，所述均流孔板设置在所述旋流盘和所述第一多孔介质单元之间，且所述均流孔板的开孔率为0.1-0.3。
上述技术方案中，所述第一多孔介质单元和第二多孔介质单元均选用碳化硅泡沫陶瓷或者氧化铝泡沫陶瓷；且第一多孔介质单元孔隙率大于等于0.8，孔密度为20-40PPI；第二多孔介质单元孔隙率大于等于0.85，孔密度为10-20PPI。
上述技术方案中，所述值班燃料喷口沿值班燃料管轴向设置前后两组，形成前后两组值班燃料喷口组，且所述旋流盘设置在前后两组值班燃料喷口组之间；每组值班燃料喷口组包括沿圆周均匀设的置若干值班燃料喷口。
一种双热回流部分预混低氮燃烧方法，包括：
使燃料气进入燃料母管，然后分别通过值班燃料管和主燃料管分流成为值班燃料气和主燃料气；
使空气通过导流筒进入所述燃烧器，一部分空气进入到值班燃料预混腔中作为值班火焰助燃气，使其余的空气作为主助燃气通过值班燃料预混腔与外壁与所述导流筒内壁之间的主空气通道高速喷射进入燃烧室并形成卷吸回流区；
使值班燃料气通过值班燃料管喷口呈射流式喷入值班燃料预混腔内，与值班火焰助燃气一起，在旋流盘的旋流作用下混合形成预混气，并经过均流孔板均流使其速度分布均匀，然后在第一多孔介质单元被预热并最终在第二多孔介质单元及其出口面形成贫燃预混值班火焰；
使主燃料气通过主燃料管从渐缩口喷出，形成高速射流，卷吸引射挡板内的高温烟气，并在引射管内与燃料混合，并在引射管和引射控制挡板稳流作用下喷入燃烧室，与主助燃气混合并被值班火焰点燃产生高温烟气；
主助燃气持续通过主空气通道以高速喷射进入燃烧室，形成大回流区，卷吸燃烧室内的高温烟气回流到燃烧器附近，促进高温烟气与主燃料气的混合，回流的热量提高了主燃料气温度及随后混合的主助燃气，降低了高温混合气的氧分压，使持续进入的主燃料气高速射流被快速混合，同时在值班火焰的稳燃作用下实现低氮燃烧。
上述技术方案中，所述值班燃料气量为燃料气量的5％-15％。
上述技术方案中，所述值班燃料预混腔内值班燃料气和值班火焰助燃气当量比小于1。
本发明具有以下优点及有益效果：
值班火焰采用多孔介质燃烧技术，通过多孔介质骨架的高蓄热和高辐射能力，扩展了值班火焰的稳燃范围，从而能够保证整个燃烧器调适性和燃烧稳定性；采用多孔介质贫燃燃烧，可实现值班火焰的低氮燃烧；两个不同孔隙率的多孔介质单元的应用能够避免回火现象；主助燃空气高速喷入燃烧室，在燃烧室内形成了大回流区，使燃烧室内烟气回流至燃烧器附近，通过主燃料的高速引射与主燃料快速混合，实现了主燃料的无焰燃烧,大幅降低NOX的生成；引射控制挡板控制主燃料的引射，减少燃烧室内烟风环境波动对主燃料引射效率的影响，实现了主燃料气与主助燃气混合前的双热回流加热和氧分压的降低，从而保证了稳定和超低氮燃烧。
附图说明
图1为本发明所涉及的循环氮燃烧器结构示意图。
图2为本发明所涉及的旋流盘结构示意图。
图中：1―导流筒；2―主燃料管；201―渐缩口；202―引射管；3―引射控制挡板；4―值班燃料管；401―值班燃料喷口；5―旋流盘；6―值班燃料预混腔；7―均流孔板；8―第一多孔介质单元；9―第二多孔介质单元；10―燃料母管；11―进料管。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式及工作过程作进一步的说明。
本申请文件中的上、下、左、右、前和后等方位用语是基于附图所示的位置关系而建立的。附图不同，则相应的位置关系也有可能随之发生变化，故不能以此理解为对保护范围的限定。
如图1所示，一种双热回流部分预混低氮燃烧器，出口设置在燃烧室中，包括导流筒1以及设置在导流筒1中心的燃料母管10。燃料母管配有进料管11，进料管11具体根据使用情况设置，可以设置在如图1所示的燃烧器侧面，也可以设置在燃烧器底部外。
按照燃料流向为前后向。燃料母管10前端包括设置在导流筒1中心的值班燃料管4和均匀设置在导流筒1外周的若干主燃料管2。使燃料气进入燃料母管10，然后分别通过值班燃料管4和主燃料管2分流成为值班燃料气和主燃料气。
主燃料管2前部设置有引射控制挡板3，引射控制挡板3环绕着设置在主燃料管2的外周，形成引射区。引射控制挡板3使得引射区压强保持相对稳定，从而使得主燃料引射量稳定。主燃料管2出口选用渐缩口201，且渐缩口201前端设置有引射管202，引射管202出口延伸出引射区。通常渐缩口201和引射管202同轴设置，且引射管202的内径大于渐缩口201出口内径，使得从渐缩口喷出的主燃料气能够完全在引射管202内高速射流通过。
导流筒1前部设置有值班燃料预混腔6且值班燃料预混腔6外壁与导流筒1内壁之间形成主空气通道。主空气通道按空气流速为30～50m/s设置。使空气通过导流筒1进入燃烧器，一部分空气进入到值班燃料预混腔6中作为值班火焰助燃气，其余的空气作为主助燃气通过值班燃料预混腔6与外壁与导流筒1内壁之间的主空气通道高速喷射进入燃烧室形成卷吸回流区。
值班燃料管4前端顶部封闭，值班燃料管4前部壁面沿圆周均匀设置有若干值班燃料喷口401，且设置有值班燃料喷口的值班燃料管前部伸入值班燃料预混腔6内。值班燃料预混腔6后部设置有旋流盘5，使值班燃料气通过值班燃料管喷口401呈射流式喷入值班燃料预混腔6内，与值班火焰助燃气一起，在旋流盘5的旋流作用下混合形成预混气。作为一种优化的技术方案，值班燃料喷口401沿值班燃料管4轴向设置，形成每组均包括若干值班燃料喷口的前后两个值班燃料喷口组，且旋流盘5设置在前后两个值班燃料喷口组之间，使得值班燃料与值班火焰助燃气迅速混合。
旋流盘5包括若干旋流叶片，如图2所示，旋流盘的旋流数为：
其中，R1为旋流叶片内半径，R2为旋流叶片外半径，β为旋流叶片与轴向的夹角。在此，旋流盘5按照旋流数为大于0.35设置。
值班燃料预混腔6中部还设置有均流孔板7，均流孔板7设置在旋流盘5和第一多孔介质单元8之间，且均流孔板7的开孔率为0.1-0.3。通过均流孔板7的均流作用，使得预混气在预混腔6内速度分布均匀。
值班燃料预混腔6前端设置有多孔介质单元形成的值班火焰燃烧载体。多孔介质单元包括从后往前依次设置的第一多孔介质单元8和第二多孔介质单元9，第一多孔介质单元8和第二多孔介质单元9均选用碳化硅泡沫陶瓷或者氧化铝泡沫陶瓷；且第一多孔介质单元8孔隙率大于等于0.8，孔密度为20-40PPI；第二多孔介质单元9孔隙率大于等于0.85，孔密度为10-20PPI。且第一多孔介质单元8的孔隙率小于第二多孔介质单元9的孔隙率。
多孔介质单元满足：第一多孔介质单元Pe<65，第二多孔介质单元Pe≥65，使得值班火焰稳定在第二多孔介质单元或第一多孔介质和第二多孔介质之间，并在第一多孔介质内淬熄，防止值班燃料气回流形成回火。Pe(佩克莱数)为：
其中，SL为层流火焰速度，dm为多孔介质特征孔径，cp为预混气体的比热容，ρg为预混气体的密度，λg为预混气体的导热系数。
预混气经过均流孔板7均流使其速度分布均匀，然后在第一多孔介质单元8被预热并经点火最终在第二多孔介质单元9内部及其出口面形成值班火焰，在第一多孔介质单元与第二多孔介质单元之间也可能形成值班火焰。
使主燃料气通过主燃料管2从渐缩口201喷出，形成高速射流，卷吸引射控制挡板3内的高温烟气，并在引射管202内与燃料混合，在引射管202和引射控制挡板3稳流作用下进入燃烧室，与主助燃气混合并被值班火焰点燃产生高温烟气。主助燃气持续通过主空气通道以高速喷射进入燃烧室，形成大回流区，卷吸燃烧室内的高温烟气回流到燃烧器附近，促进高温烟气与主燃料气的混合，回流的热量提高了主燃料气温度及随后混合的主助燃气，降低了高温混合气的氧分压。同时从渐缩口201喷出的主燃料气形成的高速气流可以引射烟气，实现高温烟气、烟气混合燃料和主助燃气的快速混合，实现低氮无焰燃烧。主燃料管缩口201位于引射控制挡板内，使得主燃料气引射烟气不受燃烧室内烟风环境的影响，从而保证引射效率。此外，燃烧室内的回流区在燃烧器喷口附近压缩回流流线汇聚到中心附近，形成了值班火焰的虚拟滞止稳焰面，同时实现了在值班火焰的稳燃作用下燃烧。使持续进入的主燃料气高速射流被快速混合均匀的同时在值班火焰的稳燃作用下实现低氮燃烧。
值班燃料气量为燃料气量的5％-15％。值班燃料预混腔6内值班燃料气和值班火焰助燃气当量比小于1，通常为0.6～0.95。使得值班火焰为贫燃料燃烧状态，保证了值班燃料的充分稳定燃烧。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
