[發明專利]低氮氧化物燃燒工藝和燃燒裝置以及應用

有效

• 申請號: 201010522117.8
• 申請日: 2010-10-28
• 公開（公告）號: CN101968220A
• 公開（公告）日: 2011-02-09
• 發明（設計）人: 劉聯勝;吳晉湘;茍湘;林博穎;王恩宇
• 申請（專利權）人: 河北工業大學
• 主分類號: F23D14/02
• 分類號: F23D14/02;F23D14/46
• 代理公司: 天津市杰盈專利代理有限公司 12207
• 代理人: 王小靜

技術領域

本發明涉及一種低氮氧化物燃燒工藝和燃燒裝置以及應用，具體說是一種利用貧氧(13％≤O₂≤21％)組織部分預混燃燒，利用富氧(21％≤O₂≤30％)完成燃盡過程的清潔、高效燃燒技術(貧氧部分預混-富氧補燃工藝)及燃燒裝置。

背景技術

傳統燃燒技術多采用擴散燃燒，利用旋轉射流或交叉射流實現燃料與空氣、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域將形成局部反應高溫區，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，各國學者相繼提出了空氣分級燃燒、濃淡燃燒、煙氣再循環、富燃/猝冷/貧燃等低NOx燃燒技術，通過降低主燃區溫度或氧濃度、縮短氧氣在高溫區的逗留時間、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系，上述低NOx燃燒技術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。基于上述理論發展而來的貧燃預混燃燒技術(Lean?premixed?combustion)和貧燃預混預蒸發燃燒技術(Lean?premixed?prevaporized?combustion)是目前最具發展潛力的低NOx燃燒技術。其基本原理是將燃料與空氣在較低的化學當量比下預先混合，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，貧燃預混燃燒可以實現更加清潔、高效的燃燒過程。但也恰恰是由于貧燃預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剪切邊界層內出現不穩定的渦漩進動(Processing?Vortex?Core)，易于造成火焰面內發生局部猝熄，致使火焰熱釋放出現周期性脈動；在某些情況下，脈動的火焰熱釋放會與燃燒室內的聲壓振蕩發生激勵振蕩，形成所謂的熱聲耦合振蕩，最終將導致預混火焰發生動力學失穩甚至熄滅。

通過對貧燃預混旋流燃燒過程NOx排放特性和火焰動力學穩定性的實驗及理論研究，專利申請人發現，利用多孔介質穩定火焰、采用部分預混/環流注氣可有效降低預混燃燒過程熱聲耦合振蕩的幅值，并可將NOx、碳煙和CO生產量控制在較低的范圍內。基于上述實驗和理論分析結果，特提出了一種利用貧氧(13％≤O₂≤21％)組織部分預混燃燒、利用富氧(21％≤O₂≤30％)組織燃盡過程的低NOx高效燃燒技術，同時設計了基于該技術的燃燒裝置。

發明內容

本發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用，它是有效降低碳氫燃料燃燒過程中NOx、碳煙及CO生成量的“貧氧部分預混-富氧補燃”燃燒工藝技術和以之為理論基礎的燃燒裝置。本發明一方面綜合了空氣分級燃燒、濃淡燃燒、貧燃預混燃燒及富氧燃燒技術的優點，另一方面克服了上述各技術各自的技術缺陷，具有污染物排放低、燃燒效率高、火焰穩定性好及火焰溫度場均勻等特點，應用廣泛。

本發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混燃燒過程，以抑制NOx的生成，同時利用富氧在主燃區外側組織補燃過程，以降低碳煙和CO的生成量；整個燃燒過程的總體化學當量比控制在1.0以下。

本發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當量比為1.1-1.3的部分預混燃燒過程，以抑制溫度型NOx的生成，同時利用氧濃度為21％-30％的富氧在主燃區外側組織補燃過程，以降低碳煙和CO的生成量；整個燃燒過程的總體化學當量比控制在1.0以下。

利用膜法富氧設備等產生氧濃度在13％-21％之間的貧氧(慢氣)實現與碳氫燃料組織化學當量比為1.1-1.3的部分預混燃燒過程。

所述的利用膜法富氧設備等產生的氧濃度在21％-30％之間的富氧組織總體當量比小于1.0的補燃過程。

所述的部分預混燃燒過程是在燃燒裝置的預混室內利用徑向旋流和直射流組織貧氧與碳氫燃料的部分預混過程。

所述的部分預混燃燒過程是利用旋流穩焰器和多孔介質穩焰器實現部分預混火焰的穩定，形成還原性氣氛的主燃區。