一种切向扩散耦合烟气外循环多元可调低氮燃烧设备的制作方法

本发明涉及清洁能源技术领域，具体涉及一种切向扩散耦合烟气外循环多元可调低氮燃烧设备实现天然气能源应用于膜式壁等结构真空实现低氮排放。

背景技术：

随着我国经济社会的发展，原有的能源发展模式已经不能满足社会发展需求，节能环保的能源利用形式是目前的发展的方向。国家长期能源发展战略计划在2030以前压缩煤炭在一次能源消费占比重降低至50%以下。数据显示：从2006年到2015年，全球煤炭和石油消费比重下降约2.3个百分点，而天然气比重提高约1个百分点。2015年我国的天然气消费量高达1931亿立方米。2015年天然气在一次能源消费中的比重从2010年的4.4%提高到5.9%，提高了1.5个百分点。2020年天然气的消费比重较2015年接近翻一倍，逐步将天然气发展成为我国的主体能源之一，是国家重点推广的一次能源，在一次能源应用中燃气锅炉是天然气能源利用的重要设备，天然气本身是一种清洁能源，但在能源转换过程中燃烧产生nox，燃气锅炉在燃烧时会产生大量氮氧化物，在大气环境中，氮氧化物主要有七种存在形式，分别包括：no、no2、n2o、no3、n2o3、n2o4、n2o5。其中，no和no2在光化学反应的条件下，以相互转化，它们共同被称为氮氧化物nox。氮氧化物的产生主要来自于自然界和人类活动的排放。2013年，全球氮氧化物排放近1300万吨，其中燃料燃烧排放占人类活动总排放的29%。发电行业是nox排放的主要源头，占工业总排放量370万吨的一半——近180万吨。氮氧化物进入大气环境后，会对环境和人体健康造成严重危害：（1）对人体的致毒作用，氮氧化物在一定浓度范围内时，具有强烈的刺激性，根据epa报道指出，短时间处于高浓度的no2中会诱发呼吸系统疾病，会增加5-12岁儿童呼吸道疾病的风险。epa认为，长时间处于no2中会引发肺部感染，并且在肺部形成病变。（2）对植物的损害作用no2影响农作物发育，抑制豌豆、西红柿生长，柑橘减产。（3）与碳氢化合物结合，在光照条件下，氮氧化物会反应形成光化学烟雾。（4）氮氧化物也是酸雨、酸雾形成的主要原因，no和no2会与周围空气中的水分形成no3-和h⁺，导致金属表面严重腐蚀。（5）nox参与臭氧层的破坏。通过研究燃气锅炉低氮燃烧技术，有效改善燃气锅炉燃烧过程中释放的氮氧化物情况，可以有效提高人们生存环境的质量，减少环境对人们身体健康造成的威胁。

根据2016年8月28日【北京大气办2016】34号文《关于深化燃气（油）锅炉氮氧化物治理确保污染物达标排放的通告》（以下简称“通告”），北京市全面开展了低氮改造等锅炉氮氧化物治理工作，以确保2017年4月1日后，在用燃气（油）锅炉氮氧化物排放浓度执行80mg/m³的排放限值，新建锅炉执行30mg/m³的排放限值。

技术实现要素：

本发明设计了一种切向扩散耦合烟气外循环多元可调低氮燃烧设备，其解决的技术问题是现有天然气燃烧装置在燃烧过程中产生nox，燃气锅炉在燃烧时会产生大量氮氧化物。

为了解决上述存在的技术问题，本发明采用了以下方案：

一种切向扩散耦合烟气外循环多元可调低氮燃烧设备，包括燃气调控系统、新风调控系统、烟气回收调控系统、引火装置、多元可调扩散燃烧装置以及综合控制系统；所述燃气调控系统为所述多元可调扩散燃烧装置提供燃气，所述新风调控系统为所述多元可调扩散燃烧装置提供助燃风，所述烟气回收调控系统将所述多元可调扩散燃烧装置燃烧燃气产生的烟气通过所述新风调控系统重新送回所述多元可调扩散燃烧装置燃烧调控烟气含氮量；所述综合控制系统对各个系统和所述多元可调扩散燃烧装置进行精确控制，耦合锅炉智能调控输出功率匹配用户端的用能变化。

优选地，所述燃气调控系统包括手动切断球阀、过滤器、一次燃气直读压力表、燃气超压检测传感器、双阀体组合切断调压阀、紧急切断执行器、切断调压执行器、燃气泄漏检测传感器、燃气低压检测传感器、二次燃气压力直读压力表、燃气流量调节阀、燃气流量调节执行器，引火减压阀和引火电磁阀，上述部件实现对燃气安全监测和全流量的全比例调节。

优选地，所述新风调控系统包括新风流量调节阀、新风流量调节执行器、鼓风机、风箱、风压传感器以及燃烧筒，上述部件实现对新风系统的全流量的比例调节。

优选地，所述燃烧筒其直径、长度和前端收口角度对燃烧效率和氮氧化物排放均有显著影响，经理论计算及大量试验验证其值，满足助燃气管轴向移动至最前端与燃烧筒收口起始端面平行为最佳，其收口角度为55°为最佳值。

优选地，所述烟气回收调控系统包括烟气回收管、烟气流量调节阀、烟气流量调节执行器、烟气温度传感器以及烟气新风混合器，上述部件实现对所述烟气回收调控系统的全流量的比例调节。

优选地，所述多元可调分散燃烧装置包括燃烧筒、光学传感器、高频点火变压器、点火器、点火枪、助燃风整流罩、中心补风装置、燃烧头调节器、可调节燃烧头、可调节稳焰盘、可更换燃气喷嘴，实现对助燃风与燃气的有效混合，通过多元调节使既保证扩散燃烧的反应烈度降低热力型氮氧化物，保证排放在30mg/nm³以下，又保证燃烧的充分性和稳定性，保证一氧化碳的排放在30mg/nm³以下。

优选地，所述多元可调分散燃烧装置通过燃烧头调节器调节燃烧头轴向移动可调节燃烧火焰直径和火焰长度降调整燃烧核心区温度调整热力型氮氧化物的产生；或，所述多元可调分散燃烧装置通过调节可调节稳焰盘沿着主燃气管轴向移动对助燃风与燃气两者或烟气、助燃风与燃气三者混合进行调节，确保混合的均匀性；或，所述多元可调分散燃烧装置通过燃烧头调节器调节燃烧头轴向移动与可调节稳焰盘沿着主燃气管轴向移动联动调节通过火焰直径、火焰长度及混合均匀性调节确保氮氧化物和一氧化碳排放均降低至30mg/nm³以下。

优选地，所述综合控制系统通过所述燃气调控系统可对燃气压力超高、燃气压力超低、燃气泄漏、燃气压力异常的检测、报警和显示，并依据报警情况对所述多元可调分散燃烧装置进行控制；或/和，所述综合控制系统通过所述燃气调控系统可对燃气进气压力进行一定单位内压力进行调压和稳压确保燃烧的稳定性和出力；或/和，所述综合控制系统通过对各个传感器感知运行参数，对于威胁到运行安全状态出现时立即切断燃气紧急切断执行器，切断燃气供给确保安全。

优选地，所述燃气调控系统的燃气流量调节阀使用异形设计确保流量调节的线性度，燃气流量调节执行器调节精度达到0.001，确保燃气流量变化的线性度和调节精度；或/和，所述新风调控系统的流量调节执行器调节精度达到0.001，确保燃气流量变化的线性度；或/和，所述烟气回收调控系统的所述烟气流量调节执行器调节精度达到0.001，确保燃气流量变化的线性度。

优选地，所述综合控制系统通过炉体传感器、燃烧装置传感器、环境温度传感器综合控制燃烧状态匹配用户输出，并根据程序进行自动补偿和安全检测；或/和，所述综合控制系统通过通讯模块进行远程通讯；或/和，所述综合控制系统具备以下扩展功能：物联网模块、多台联控模块和气候补偿模块。

优选地，所述多元可调扩散燃烧装置包括主燃气管（219），所述主燃气管（219）一端通过多元可调节燃烧头（2115）与可调节稳焰盘（2113）连接，所述可调节稳焰盘（2113）与所述多元可调节燃烧头（2115）之间能够相对运动以使得两者保持连接但总体长度发生改变；所述可调节稳焰盘（2113）上设有调节板，所述调节板在不同位置设有多个位置调节固定孔（2112a），所述多元可调节燃烧头（2115）通过螺栓能够与不同位置的调节固定孔（2112a）进行固定；所述主燃气管（219）另一端与固定板连接，所述固定板上连接环形整流罩（217），所述可调节稳焰盘（2113）沿着半径方向设有多个助燃风喷孔（2113a），所述可调节稳焰盘（2113）圆周方向间隔设有多个过剩风量溢口（2113b）；每个过剩风量溢口（2113b）对应设有一个可调节燃气喷嘴（2114）；所述固定板上设有引火枪燃气接口（215）和高压点火器接口（216），引火枪的一端与引火枪燃气接口（215）连接，引火枪的另一端与所述引火枪燃烧头（2116）连接，所述引火枪燃烧头（2116）通过导线与高压点火器接口（216）连接；燃烧头调节拉杆（218）一端通过多元可调节燃烧头固定架（2110）与所述多元可调节燃烧头（2115）外壁连接，所述燃烧头调节拉杆（218）另一端与所述固定板上的燃烧头位置调节器（213）连接，燃烧头位置调节器（213）旋转使得所述固定板沿着主燃气管（219）轴向移动从而带动所述多元可调节燃烧头（2115）和所述可调节稳焰盘（2113）移动；所述多元可调节燃烧头（2115）上还设有中心补风口（2111），所述固定板上还设有光电传感器（212）和火焰观察孔（214）。

该切向扩散耦合烟气外循环多元可调低氮燃烧设备具有以下有益效果：

（1）本发明可以实现天然气燃烧排样烟气中氮氧化物和一氧化碳均在30mg/nm³。

（2）本发明中多元可调分散燃烧装置具备可调燃烧头、可调稳焰盘耦合燃烧筒可对燃烧状态进行多目标调节，确保排放烟气中一氧化碳和氮氧化物的量。

（3）本发明多元可调分散燃烧装置中设计特殊排布整流罩可对助燃风与外循环烟气进行整流，整流后助燃风混合效果更好。

（4）本发明多元可调分散燃烧装置中设计中心补风口，通过中心补风口形成内外两级配风，提高燃烧效率降低一氧化碳排放量。

（5）本发明多元可调分散燃烧装置中具备燃气、助燃风、烟气回收各燃烧参与元素间的全比例调节，匹配灵活，调节进度高，线性度好。

（6）本发明多元可调分散燃烧装置中通过综合控制系统能高度耦合炉体根据用户需求变化自动调节输出负荷并具备多种扩展功能，灵活组合能适应不同用户间的需求。

附图说明

图1：本发明切向扩散耦合烟气外循环多元可调低氮燃烧设备结构示意图；

图2：图1中的多元可调节燃烧器结构示意图。

图3：图1中燃烧筒结构示意图

图4：图2中稳焰盘结构示意图

附图标记说明：

1—燃气进口连接法兰；2—燃气手动阀；3—第一燃气压力表；4—燃气紧急切断执行器；5—燃气超压检测传感器；6—燃气过滤器；7—燃气压力传感器；8—燃气调压切断执行器；9—燃气泄漏检测传感器；10—双阀体组合切断调压阀；11—第二燃气压力表；12—燃气流量调节执行器；13—燃气流量调节阀；14—引火减压阀；15—引火电磁阀；16—综合控制器；17—助燃风鼓风机；18—燃烧筒；19—新风流量调节执行器；20—风箱；21—多元可调节燃烧器；22—鼓风机消音罩；23—烟气流量调节阀；24—烟气流量调节执行器；25—气水分离箱；26—外部烟气循环管；27—设备固定底座；28—尾部烟箱；

181—燃烧筒收口；182—固定法兰；

211—燃气接口法兰；212—光电传感器；213—燃烧头位置调节器；214—火焰观察孔；215—引火枪燃气接口；216—高压点火器接口；217—整流罩；218—燃烧头调节拉杆；219—主燃气管；2110—多元可调节燃烧头固定架；2111—中心补风口；2112—可调节稳焰盘调节器；2112a—位置调节固定孔；2113—可调节稳焰盘；2113a—助燃风喷孔；2113b—过剩风量溢口；2114—可调节燃气喷嘴；2115—多元可调节燃烧头；2116—引火枪燃烧头。

具体实施方式

下面结合图1至图4，对本发明做进一步说明：

本发明切向扩散燃烧耦合烟气外循环多元可调低氮燃烧设备，包括燃气调控系统、新风调控系统、烟气回收调控系统，引火装置，燃烧安全监控系统，回收烟气与新风混合控制系统，多元可调分散燃烧装置和综合控制系统。

其中，燃气调控系统，其包括燃气手动切断阀2、燃气过滤器6、第一燃气压力表3、燃气超压检测传感器5、双阀体组合切断调压阀10、燃气紧急切断执行器4、燃气调压切断执行器8、燃气泄漏检测传感器9、燃气低压检测传感器7、第二燃气压力表11、燃气流量调节阀13、燃气流量调节执行器12，引火减压阀14以及引火电磁阀15实现对燃气安全监测和全流量的全比例调节。

新风调控系统，其包括新风流量调节阀、新风流量调节执行器19、助燃风鼓风机17、风箱20、风压传感器和燃烧筒18，实现对新风系统的全流量的比例调节。

烟气回收调控系统，其包括外部烟气循环管26、烟气流量调节阀23、烟气流量调节执行器19、烟气温度传感器和烟气新风混合器，实现对新风系统的全流量的比例调节。

多元可调节燃烧器21，其包括火焰观察孔214、光电传感器212、高频点火变压器、点火器、点火枪、助燃风整流罩217、中心补风装置、燃烧头位置调节器213、可调节燃烧头2115、可调节稳焰盘2113、可调节燃气喷嘴2114，实现对助燃风与燃气的有效混合，通过多元调节使既保证扩散燃烧的反应烈度降低热力型氮氧化物，保证排放在30mg/nm³以下，又保证燃烧的充分性和稳定性，保证一氧化碳的排放在30mg/nm³以下。

综合控制系统，其包括主控制器、火焰检测信号转换器、通讯模块、风机变频器、触摸屏、蜂鸣器、报警灯、环境温度传感器、复压传感器、炉体温度传感器、供回水温度传感器、实现对燃烧装置各组成系统的的精确控制，耦合锅炉智能调控输出功率匹配用户端的用能变化。

燃气经燃气进口连接法兰1，通过燃气手动阀2、经燃气过滤器6进第一燃气压力表3、燃气超压检测传感器5进入到双阀体组合切断调压阀10入口，未启动双阀体组合切断调压阀10前该阀门为双阀关闭状态，通过综合控制系统的人机交互界面触摸屏启动燃烧设备时，综合控制系统首先通过燃气压力传感器7对燃气压力，包括超高压、超低压和燃气泄漏等状况进行检测，燃气压力及气密性有异常综合系统会发出声光报警并中断运行，并显示报警信息，协助解决故障点。

确认燃气系统及燃气压力正常后，综合控制系统通过变频器启动助燃风鼓风机17，并通过鼓风机风压传感器对风压进行检测，若风压异常也将停机报警并进行报警信息显示，风压正常后通过新风流量调节执行器19带动新风流量调节阀将调节阀阀位调至全开对燃烧装置及炉膛进行前吹扫置换炉膛内气体，达到综合控制系统设定吹扫时间后，前吹扫结束后新风流量调节执行器19带动新风流量调节阀将调节阀阀位调至点火需要助燃风量的控制阀位，并将阀位信号反馈给综合控制系统，阀位反馈精度达到0.001。

此时，综合控制系统通过紧急切断执行器打开双阀体组合切断调压阀10第一个切断阀，燃气通过第一切断阀进去阀体内部，通过引火管进口进入引火调压阀14经调压后进入引火电磁阀15，此时综合控制系统接通点火变压器，点火变压器通过点火棒尖端在引火枪端部释放8kv电压起弧，将进入点火枪的燃气引燃，同时综合控制系统通过光电传感器212将检测到的光信号转换成电信号，经信号转换器对信号进行降噪隔离后给到综合控制系统，其获得稳定光信号后确定引火成功后给出信号，通过燃气调压切断执行器8将双阀体组合切断调压阀10的第二阀门打开，通过进入燃气流量调节阀13、同时燃气流量调节执行器12获得综合控制系统的控制信号将燃气流量调节阀13调整的引火设定阀位并将阀位信号反馈给综合控制器，位置反馈精度达到0.001。

燃气经燃气流量调节阀13后进入多元可调节燃烧器21，燃气经燃烧筒18分级匹配可调节燃烧喷嘴2114喷射而出，此时综合控制系统将控制信号给到新风流量调节执行器19，其带动新风流量调节阀将调节阀阀位调至点火设定位置并将阀位信号反馈给综合控制系统，阀位反馈精度达到0.001，新风通过调节阀后经风箱20导流、整流罩217整流后进入燃烧筒18通过特殊结构设计可调节稳焰盘2113布风后与可调节燃气喷嘴2114喷射燃气在可调节稳焰盘13切向进行混合经燃烧筒18特殊设计收口进一步进行混合，混合气体被引火枪火焰引燃。

其中燃烧筒18具体结构如图3所示，燃烧筒其直径、长度和前端收口角度对燃烧效率和氮氧化物排放均有显著影响，经理论计算及大量试验验证其值，满足助燃气管轴向移动至最前端与燃烧筒收口181起始端面平行为最佳，其收口角度为55°为最佳值。

其中图2中稳焰盘2113具体结构如图4所示，其上分布相同直径的圆孔为助燃风喷空，高压助燃风经此喷空与辅助燃气喷孔中喷射燃气形成局部射流混合后形成众多分散火焰进行稳定燃烧。稳焰盘3113边处均布10个缺口为助燃风溢流口，助燃风经溢流口与主燃气喷孔中喷射燃气形成射流混合，

其中综合控制器16通过光电传感器212检测到稳定火焰信号后感知引火成功后关闭引火电磁阀和引火变压器。

引火成功后进入转火过程，综合控制器16经控制信号分别给到新风流量调节执行器19和燃气流量调节器，将新风流量调节阀和燃气流量调节阀13调整到设定阀位并将反馈信号反馈给综合控制器16，综合控制器16通过光电信号确认燃烧状态，燃烧稳定综合控制器16判定转火成功，进入稳定燃烧状态。过程中出现信号火焰、风压、执行器反馈等异常信号，综合控制器16将切断双阀体组合切断调压阀10停机并声光报警，显示报警内容，以便检修排查。

通过排放烟气组分检测数据对新风流量调节阀和燃气流量调节阀13调整，找到助燃风和燃气的合适配比，然后综合控制器16将信号给到烟气流量调节执行器24，其带动烟气流量调节阀23至设定阀位，燃烧产生烟气经烟阀、外部烟气循环管26、烟气流量调节阀23进入到鼓风机进气消音罩22，进入助燃鼓风机17，经增压后经将新风流量调节阀进入风箱20经整流罩217充分混合后进入燃烧筒18，通过稳焰盘13将降低氧含量的助燃风与燃气混合进行低氮燃烧，助燃风、燃气和外循环烟气配比均可通过综合控制系统的人机交互系统触摸屏进行设置，确保配比无极调节且调节精度在0.001。

同时根据排放数据，通过调节多元可调燃烧器21的调节旋钮通过拉杆带动引火枪燃烧头2116移动调整引火枪燃烧头2116在燃烧筒18内的相对位置，其相对位置对燃烧产氮氧化物、一氧化碳和燃烧稳定性有显著影响，通过对稳焰盘2113和燃烧筒18的收口设计也对燃烧排放产氮氧化物、一氧化碳和燃烧稳定性有显著影响，引火枪燃烧头2116和燃气喷嘴2114的结构和布置形式与稳焰盘2113的布置形式及相对位置对燃烧产氮氧化物、一氧化碳和燃烧稳定性有显著影响，通过对引火枪燃烧头2116相对位置、稳焰盘结构、燃烧筒收口、稳焰盘的相对位置和喷嘴的布置及设计等多元可调的结构设计确保设备氮氧化物和一氧化碳排放均在30mg/nm³以下，并保持燃烧的稳定性。

多元可调扩散燃烧装置包括主燃气管219，主燃气管219一端通过多元可调节燃烧头2115与可调节稳焰盘2113连接，可调节稳焰盘2113与多元可调节燃烧头2115之间能够相对运动以使得两者保持连接但总体长度发生改变；可调节稳焰盘2113上设有调节板，调节板在不同位置设有多个位置调节固定孔2112a，多元可调节燃烧头2115通过螺栓能够与不同位置的调节固定孔2112a进行固定。主燃气管219另一端与固定板连接，固定板上连接环形整流罩217，可调节稳焰盘2113沿着半径方向设有多个助燃风喷孔2113a，可调节稳焰盘2113圆周方向间隔设有多个过剩风量溢口2113b；每个过剩风量溢口2113b对应设有一个可调节燃气喷嘴2114；固定板上设有引火枪燃气接口215和高压点火器接口216，引火枪的一端与引火枪燃气接口215连接，引火枪的另一端与引火枪燃烧头2116连接，引火枪燃烧头2116通过导线与高压点火器接口216连接；燃烧头调节拉杆218一端通过多元可调节燃烧头固定架2110与多元可调节燃烧头2115外壁连接，燃烧头调节拉杆218另一端与固定板上的燃烧头位置调节器213连接，燃烧头位置调节器213旋转使得固定板沿着主燃气管219轴向移动从而带动多元可调节燃烧头2115和可调节稳焰盘2113移动；多元可调节燃烧头2115上还设有中心补风口2111，固定板上还设有光电传感器212和火焰观察孔214。

上面结合附图对本发明进行了示例性的描述，显然本发明的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。

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