低NOx集成式锅炉燃烧器装置

低NOx集成式锅炉燃烧器装置

本发明总体上涉及到用来产生蒸气和/或发电用的工厂组装的锅炉，也被称为整装锅炉，特别是涉及一种在它的进口风箱中有一个多喷嘴燃烧器组件(阵列)的低NOx集成式锅炉燃烧器装置的新的整装锅炉组件，还有一些改进其运行的其它特点。

我们知道多喷嘴组件燃烧器(就是常常所说的管道式燃烧器)是设计成工厂组装中用的整装锅炉。例如见美国专利号4,462,795和3,173,523。一种特别成功的整装锅炉设计是Babcock & Wilcox公司制造的并在“蒸气：它的产生和使用”一书中(第40版第25-8页)披露的FM整装锅炉。其它类型的整装锅炉包括所谓的“F”型锅炉，特别是“蒸气：它的产生和使用”一书中(第39版第25章第25-8页和25-9)所描述的PFI(工业用动力)型和PFT(涡轮用动力)型。还有“蒸气：它的产生和使用”第39版中第27-10页和图10所示的以及“蒸气：它的产生和使用”第40版中第31-8页所示的“三汽包废热锅炉”。最后的锅炉类型也称为“FO”型锅炉，在工业中简称为“O”型锅炉。

我们也知道在锅炉炉室的进口区使用补充冷却管。例如见美国专利号2,653,447。另外还有，在许多锅炉上都应用间隔壁形式或翼壁形式的水冷表面以增加热吸收和降低炉温。我们还知道在整装锅炉中应用通过侧壁上开口的配置空气来降低NOx。

美国专利号3,781,162披露了带有燃烧器的进口管道中肋片的应用。对于有助于分配管道燃烧器中热量的各种隔板和控制表面见美国专利号4,767,319。

本发明的一个方面是关于低NOx集成式锅炉燃烧器装置，它包括有被一个多喷嘴燃烧器(MNB)组件横跨过的进口压力通风系统和炉室组成的水平点火的、工厂组装的整装锅炉的集成组件，以及一个或几个在MNB(多喷嘴燃烧器)组件的炉室下游的垂直延伸冷却管组件，它们安装在可使已燃气迅速冷却以使形成的NOx降到最低程度的位置上。冷却管组件装入炉室的特定位置和距离大约为1/3的炉室的水平深度，剩余的炉室任其空空而未被阻塞，这样就可在锅炉热水管抑制废气之前进行一氧化碳的最终完全燃烧。

本发明的另一方面是关于用来降低废气侧压力降的翼板的应用，多喷嘴燃烧器(MNB)组件的燃烧器喷嘴装在翼板后缘处。本发明的更进一步细节包括在多喷嘴燃烧器MNB组件中的每列燃烧器喷嘴对中心地装在水平间隔而垂直延伸的冷却管组件的相邻二排之间。这样就减少在冷却管组件上的火焰撞击，而同时使已燃气上的冷却管组件表面得到最大的冷却效果。

本发明的另一个特点是，使用从压力通风系统抽出的空气，也可以将其供给予一个或几个垂直延伸的多孔的内部管道组件，内部管道与冷却管间置的或其组合的下游，当锅炉使用富燃料和空气混合物，在多喷嘴燃烧器(MNB)组件运行情况下，此最终燃烧将发生在内部管道组件的下游处。

本发明拥有的另外一些特点是从整装锅炉出口处烟囱区域延伸的烟气再循环管道，把废气返回到整装锅炉的进口风箱或压力通风系统中以稀释在燃烧过程中所提供的氧含量。

所有上述的特点都可按各种组合结合在一起，这些组合可能结合进一些其它特点。

各种表现本发明新特性特别是在权利要求中指出的特征，形成本申请的一个部分。为了更好地理解本发明，通过它的使用获得它的操作优点和特定的成果，本申请有附有图解的一些最佳实施例。

图1是按照本发明的低NOx集成式锅炉燃烧器装置的第一个实施例的局部剖开的立体视图，在其锅炉室中装有一个或几个冷却管组件。

图2是低NOx集成式锅炉燃烧器装置的第二个实施例的局部剖开的立体视图，在其锅炉炉室中装有一个或几个内部空气管道组件。

图3是低NOx集成式锅炉燃烧器装置的第三个具体实施例的局部剖开的立体视图，显示在锅炉炉室中有一个或几个装在上游和下游位置(根据燃气通过燃烧器装置的流向)的内部空气管道组件。

图4是低NOx集成式锅炉燃烧器装置的第四个实施例的局部剖开的立体视图，在其锅炉炉室中装有一个或几个冷却管组件和一个或几个内部空气管道组件。

图5是低NOx集成式锅炉燃烧器装置的第五个实施例的局部剖开的立体视图，一个或几个冷却管组件和一个或几个内部空气管道组件互相间置在锅炉炉室中。

图6是低NOx集成式锅炉燃烧器装置的炉室的局部剖开的放大立体视图，显示出一个或几个冷却管组件和一个或几个内部空气管道组件的安装位置。

图7是低NOx集成式锅炉燃烧器装置的炉室的局部剖开的放大立体视图，显示出一个或几个冷却管组件和一个或几个内部空气管道组件的安装位置，而一个或几个冷却管组件中的一些被安装在一个或几个内部空气管道组件之中。

图8显示(不带炉室冷却管或内部空气管道组件的常规燃烧器的锅炉装置的)计算的已燃气温度与离炉室进口的距离的分布关系曲线，还显示NOx最小时的最佳温度分布曲线，以及使用本发明时可能达到的温度分布曲线。

图9是低NOx集成式锅炉燃烧器装置的第六个实施例的局部剖开的立体视图，在其锅炉炉室中装有一个或几个冷却管组件，并且具有从锅炉的出口返回到锅炉燃烧器装置进口的烟气再循环以便在燃烧过程中稀释氧含量。

图10是低NOx集成式锅炉燃烧器装置的第七个实施例的局部剖开的立体视图，在其锅炉炉室中装有一个或几个内部空气管道组件，其中，设有从锅炉出口返回到锅炉燃烧器装置的进口的烟气再循环以便在燃烧过程中稀释氧含量。

图11是低NOx集成式锅炉燃烧器装置的第八个实施例的局部剖开的立体视图，显示在锅炉炉室中有一个或几个内部空气管道组件装在上游和下游位置(根据燃气通过燃烧器装置的流向)，并且具有从锅炉出口返回到锅炉燃烧器装置的进口的烟气再循环以便在燃烧过程中稀释氧气含量。

图12是低NOx集成式锅炉燃烧器装置的第九个实施例的局部剖开的立体视图，在其锅炉炉室中装有一个或几个冷却管组件和一个或几个内部空气管道组件，并且具有从锅炉出口返回到锅炉燃烧器装置的进口的烟气再循环以便在燃烧过程中稀释氧含量。

图13是低NOx集成式锅炉燃烧器装置的第十个实施例的局部剖开的立体视图，一个或几个冷却管组件和一个或几个内部空气管道组件互相间置在锅炉炉室中，并且具有从锅炉出口返回到锅炉燃烧器装置进口的烟气再循环以便在燃烧过程中稀释氧含量。

总的来说图中的数字编号代表几张图中同样的元件或功能相似的元件，特别是，图1显示本发明的第一个实施例，它包括一个标号20的水平点火的、工厂组装的整装锅炉，该锅炉有一个用来接受来自一个多喷嘴燃烧室(MNB)组件16火焰的炉室18。MNB组件16装在炉室18的进口处，最好装在与整装锅炉20进口管道12连接的进口风箱或压力通风系统14的里面。MNB组件16提供用于将燃烧的燃料喷入整装锅炉20的炉室18中。整装锅炉20为已知的设计，它有一个后壁26，沿着炉室18水平流动的燃烧废气在后壁处转过180°，然后，燃烧废气水平地流过一排锅炉管道(未示出)，该锅炉管道分别流体连接在上汽包22和下汽包24之间。燃烧废气随后通过废气管道28再经过烟囱管30脱离锅炉。鼓风机装置10按预定流动速率和静压力提供燃烧所需要的空气，以克服系统中所有阻力并把燃烧废气通过烟囱30排出。

MNB组件16最好由装在许多翼板42后缘上的许多按垂直和水平方向隔开的燃烧器喷嘴32组成。每个燃烧器喷嘴接受来自燃料管路34的燃料并延伸到各自的翼板中。燃烧器喷嘴32以排和列分布在翼板42上，成排成列的燃烧器喷嘴32按照炉室18的进口宽度和高度隔开一定距离以把燃烧用燃料均匀地喷入炉室18中。最好提供有许多水平延伸和垂直隔开的翼板42，它们横过进口延伸到炉室18，每个翼板42带一排水平的燃烧器喷嘴32。反过来也可提供许多按垂直方向延伸和按水平方向隔开的翼板42，它们横过进口延伸到炉室18，每个翼板42带一列垂直的燃烧器喷嘴32。

图1的低NOx集成式锅炉燃烧器装置还在炉室18内装有一个或几个垂直延伸和水平隔开的冷却管组件36。组件36由流体连接在整装锅炉的上汽包22和下汽包24之间的锅炉管路38组成，以便立即吸收来自燃烧器火焰的热量。管路38的数量和它们的直径、间距和材料用已知的流体流量和热传导关系来选择，以达到预定的水/蒸汽侧压降和预定的吸收废气的热量以使燃烧过程中产生的NOx降到最小。最好，每个冷却管组件36由许多以一单排形式安置的且与流过炉室18的燃烧废气平行延伸的管路38组成。可以提供有一个或几个冷却管组件36，按照炉室18的宽度彼此相邻地安置。如图1所示，一个或几个冷却管组件36也可以一排或几排布置，而在每排中有二个或多个冷却管组件36。图1显示出四排，而每排有一对冷却管组件36。优点是燃烧器喷嘴32的排和列是如此安排的以使它们的火焰定位在相邻冷却管组件36之间的中心，即最接近于MNB组件16的下游。这样使得燃烧废气和冷却管组件36之间的热传导达到最大值，而使撞击到管路38上的火焰减到最小。这样也有快速吸收来自燃烧废气中热量的效果，使废气温度水平低于形成NOx温度水平是不成问题的。

图2图解本发明的第二个实例，在炉室18中装有一个或几个垂直方向延伸、侧向穿孔的和水平方向隔开的内部空气管道组件40。内部空气管道组件40通过空气配置管道44和空气管道压力通风系统46连接到压力通风系统14，使配置空气越过MNB组件16进入炉室18。每个空气管道组件40有许多用来把配置空气释放入炉室18的开口或槽48。在空气配置管道44和/或空气管道压力通风系统46中应该有用来进行控制和测量的合适的阻尼器和流量测量装置(未示出)。通过限制燃烧放热率，经过内部空气管道组件40放出的配置空气会使燃烧温度的峰值最小，使NOx形成减到最小，而在炉室18的下游进行最终的完全燃烧。有利的是，空气管道组件40离炉室进口只有一部分间距装入炉室18中，大约为炉室深度的1/3到3/4。剩余的炉室下游任其空空没有障碍，这样就可在锅炉热水管(未示出)抑制废气燃烧之前、在废气在水平发火的整装锅炉20中的后壁26处转向180°之后进行一氧化碳的最终完全燃烧。

某些整装锅炉20的应用会要求在炉室18中有多个空气配置引入点，以达到适应低NOx操作的预定燃烧温度和热释放分布曲线。于是，如图3所示，在本发明的第三个实施例中，在整装锅炉20的炉室18内部的上游和下游位置(根据燃气通过设备的流向)设有一个或几个内部空气管道组件40。对下游内部空气管道组件40提供有一第二互连的空气配置管道50和一个第二空气管道压力通风系统52。此外，对于下游内部空气管道40应提供有合适的阻尼器和空气流量测量装置(未示出)。

本发明认为冷却管组件36和内部空气管道组件40最好组合在一起。如图4所示，本发明的第四个实施例，在炉室18中装有一个或几个冷却管组件36和一个或几个内部空气管道组件40。图中示出三排排列的三对冷却管组件，及一对在冷却管组件36最后一排下游处的内部空气管道组件40。当然，本发明不限于这种特殊的安排，这些元件可以采用任一相互组合。

图5显示了一个这样的变型，这只是举例并不只限于此种安排。图5是本发明的第五个实施例，一个或几个冷却管组件36和一个或几个内部空气管道组件40互相间置在炉室18中。图中示出二对冷却管组件36和二对内部空气管道组件40，它们分别交替地安排成二排，在本发明范围内也可作其它的安排。不同类型的组件36和40不需要交替，它们不需要数量相等。一种类型的组件可以按需要放在其它组件之前。

图6是本发明的低NOx集成式锅炉燃烧器装置炉室18的局部剖开的特写立体视图，它显示出炉室中一个或几个冷却管组件36和一个或几个内部空气管道组件40的安排位置。最好冷却管组件36按燃烧废气通过炉室18的流向放置在内部空气管道组件40之前，这样它们就相互串联。于是，已燃气温度可减到最小并且然后在下游空气管道组件40处完全燃烧。此时用来把配置空气卸入炉室18中的结构由图示的开口或槽48组成，也可应用其它的方式。例如，开口48可呈许多圆孔的形状，或按任一图案类型隔开的穿孔，以及沿着壁54的整个周边的任一位置设置，以形成一个内部空气管道组件40。

图7是本发明的低NOx集成式锅炉燃烧器装置炉室18的另一个局部剖开的特写立体视图，它显示出炉室中一个或几个冷却管组件36和一个或几个内部空气管道组件40的安排位置。在这个特殊安排中，一个或几个冷却管组件36中的一些装在一个或几个内部空气管道组件40中的一些之内。这种安排特别有利于冷却组件40和/或如果炉室18中的空间受到限制，而不允许冷却管组件36和内部空气管道组件40分开安排的话。开口48或取槽、孔或其它的按图案类型间隔穿孔的形状，沿着壁54的整个周边任一位置设置，以形成一个内部空气管道组件40。

图8显示三种单独情况下的计算已燃烧气体温度与离炉室18进口的距离的关系曲线。较高的燃气温度分布曲线56表示是在使用常规燃烧器和炉室布局时的已燃气体温度计算值的变化。说明一下，最大的燃气温度大约为2800°F，这会产生不希望的NOx水平。中间的已燃气温度分布曲线58表示应用本发明相信可达到的计算已燃气温度分布。所示的最大已燃气温度在应用冷却管组件36时大约为2300°F。中间的燃气温度曲线58的第二个峰值可以预料出现在通过一下游内部空气管道组件40提供补充配置空气以完全燃烧的时候，因而提高了气体温度。下面的燃气温度曲线60表示所希望的最佳理论曲线，大约1800°F的最大已燃气温度从NOx观点来看是最优化的。

图9-13分别显示低NOx集成式锅炉燃烧器装置的第六个到第十个实施例。这些实施例与图1-5显示的那些相似，但不同的是这些实施例每一个都有一个连接在废气排出烟道28和锅炉燃烧器装置进口管道12之间的烟气再循环装置。此烟气再循环装置提供再循环气体以给燃烧过程提供稀释的氧含量。在图9-13中所示的全部实施例中，燃气再循环管道62的附加结构和与其相连的烟气再循环风机64分别提供流动通道和燃气流动装置，使来自废气烟道28的废气返回到进口管道12。图9-13的实施例的下面说明与前面的图1-5相关的说明是类似的。  图9-13也应用冷却管组件36和内部空气管道组件40以及它们的变化组合，就像图6和7中所述结构一样的布置。

图9示出在整装锅炉20炉室18中装有与烟气再循环装置组合在一起的一个或几个冷却管组件的低NOx集成式锅炉燃烧器装置的第六个实施例。它可以提供有像与图1相关的说明那样的结构和布置。

图10示出在整装锅炉20炉室18中装有与烟气再循环装置组合在一起的一个或几个内部空气管道组件40的低NOx集成式锅炉燃烧器装置的第七个实施例。它提供有像与图2相关的说明那样的合适的空气配置管44，空气管道压力通风系统46以及阻尼器和流量测量装置(未示出)。这些空气管道组件40装入炉室18中，且仅与炉室进口与相隔的一部分距离，大约1/3到3/4的炉室深度，剩余的炉室18下游基本上让其空空而没有被阻塞，这样就可进行一氧化碳的最终完全燃烧。

图11示出在整装锅炉20炉室18中上和下游处装有与烟气再循环装置组合在一起的一个或几个内部空气管道组件40的另一种布局的低NOx集成式锅炉燃烧器装置的第八个实施例。它还提供有附加的互连的空气配置管50和空气管道压力通风系统52，以及合适的阻尼器和流量测量装置(未示出)。

图12示出在炉室18中如何安装有与烟气再循环装置组合在一起的一个或几个冷却管组件36和一个或几个内部空气管道组件40的本发明的第九个实施例。特别应注意到的是三对冷却管组件36排成三排，以及在最后一排冷却管组件36的下游位置示出了一对内部空气管道组件40，本发明不限于这种特殊安排，可以使用这些元件的相互组合。

只是通过举例并不局限于此，图13示出与烟气再循环装置组合在一起的一个或几个冷却管组件36和一个或几个内部空气管道组件40互相间置在炉室18中的本发明的第十个实施例。图中示出二对冷却管组件36和二对内部空气管道组件40，它们分别交替地安排成二排，在本发明范围内也可作其它的安排。可以按需要选择组件的类型、数量和以及一个组件置在另一组件之前面或后面的变型。

同样可以理解图6和7所示的冷却管组件36和内部空气管道组件40的布置，特别是图7的布置，实际上将一个或几个冷却管组件36中的一些放在内部空气管道组件40中的一些之中的布置方式还可应用在图9-13所示的各个实施例中。

按照本发明，当炉室18中燃烧燃料的有效性和完全程度最大时可将NOx的形成降低到最小。上述的烟气再循环的应用提高了本发明对各种情况的应用性，并且再把废气引入燃烧过程中而降低NOx的产生。

于是，当本发明的专门实施例已被揭示出来并且详细地说明了本发明原理的应用时，熟悉本专业的技术人员将按下述权利要求中叙述理解本发明的形式上的改变不背离本发明的原理。例如，本发明可用于工厂组装的整装锅炉的新结构，或者用于现有的工厂组装了的整装锅炉的更换、修理或改进。上面所述几个例子已清楚地加以例举，本发明的一些实施例中，本发明的某些特点有时可有利地应用而不用与别的特点一起应用。因此，所有这种改变和实施例都处于下面权利要求的范围内。