一种烟风预混管束自冷却低氮燃烧装置及其燃烧方法技术领域
本发明涉及燃气锅炉低氮燃烧技术领域，尤其涉及一种烟风预混管束自冷却低氮
燃烧装置及其燃烧方法。
背景技术
燃料燃烧过程中产生的氮氧化物主要是NO和少量的NO2，这两者统称为NOx。燃气
在燃烧的过程中生成的氮氧化物中NO约占90％，其余为NO2。氮氧化物是形成光化学烟雾和
酸雨的一个重要原因。
NOx的生成量和排放量与燃烧温度、过量空气系数等条件有关。各种燃烧过程中
NOx的生成主要机理有三种，分别是热力型NOx、瞬时反应型NOx和燃料型NOx。根据NOx生成
机理，影响NOx生成量的因素主要有火焰温度、燃烧器区段氧浓度、燃烧产物在高温区停留
时间和燃料的特性，一般火焰温度越高，NOx的生成越多，反之亦然。而降低氮氧化合物生成
量的途径主要是控制火焰温度，防止局部高温。
近年来我国大部分地区受到雾霾不同程度的影响，全国各地都在下大力气治理雾
霾。锅北京市于2015年7月1日正式出台新的《锅炉大气污染物排放标准》新建锅炉排放氮氧
化物必须低于30毫克/立方米。现有的锅炉燃烧机结构形式和控制方式存在着空气过剩系
数大，局部火焰温度高等问题，使得氮氧化物排放超标，因此，设计合理的燃烧器结构，精准
控制燃烧温度是燃气锅炉低氮燃烧的关键。
发明内容
针对现有燃气锅炉燃烧机存在的不足，本发明的目的在于：提供一种烟风预混管
束自冷却低氮燃烧装置及其燃烧方法，该装置具有结构简单、设计合理，低氮燃烧、精准控
制等特点，确保了燃气锅炉的氮氧化物排放量极低。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案实现：
一种烟风预混管束自冷却低氮燃烧装置，其特征在于：设有燃气管路、鼓风机、烟
风预混管束自冷却低氮燃烧器；鼓风机进风口连有烟风混合器，鼓风机出口连有烟风混气
管道，烟风混气管道上连接有烟风混气引射器；所述低氮燃烧器设有风套，风套内设有主燃
气喷管，该主燃气喷管穿过风套后端的法兰盘，固定设置在风套中间，在其前端外周设有位
置可调的旋流片，在风套内主燃气喷管周围设有一圈烟风混气冷却管束，该烟风混气管束
均匀排列固定设置在主燃气喷管的外周，其后端口在风套内，与进入风套内的烟风混气相
通，其前端伸入锅炉炉膛内；在风套上设有烟风混气进口；所述主燃气喷管后端伸出风套法
兰盘外面，分别与大火燃气管路和小火燃气管路连通，大火燃气管路和小火燃气管路上分
别设有阀门和阀门；烟风预混管束自冷却低氮燃烧器上还设有点火枪，点火枪设置在烟风
混气管束的外边；所述点火枪的后端也伸出风套法兰盘外面，点火枪上设有三个接口，分别
连接火花塞接口，点火燃气管路和由风套上的烟风混气进口引出的点火助燃风管道，点火
燃气管路和点火助燃风管道上分别设有阀门和阀门，点火枪端头设有火焰检测器。
本发明进一步完善和实施的补充方案是：
所述鼓风机进风口连接烟风混合器，该烟风混合器设有空气进口和烟气进口，空
气进口与大气相通，烟气进口连接锅炉的烟道引出的烟气回流管道，烟风混合器出口连接
烟风混气管道；在所述烟气回流管道上设有调节烟气流量的烟气调节阀；在所述烟气回流
管道和烟风混气管道的最低点均设有排水阀；在烟风混气管道上设有引出烟风混气回流到
烟道，以调节烟风混气压力的混气引射器，该混气引射器上设有引气阀门；所述鼓风机设有
风机控制柜。
所述大火燃气管路、小火燃气管路、点火燃气管路分别与设置的主燃气管路连通，
主燃气管路上设有手动调节阀、双切断电磁阀和燃气压力开关。
所述大火阀门、小火阀门、点火燃气阀门、双切断电磁阀均为可控电磁阀门，烟气
调节阀为电控阀门，所述鼓风机设变频控制器，该电磁阀门、变频控制器、火焰传感器分别
与设置的PLC控制器进行开关控制连接，PLC控制器设有操作面板。
所述主燃气管路和烟气回流管道上均设有流量传感器和压力传感器；在炉膛内设
有火焰传感器，在烟道上设有温度传感器，该流量传感器、压力传感器和温度传感器均分别
与所述PLC控制器进行信号传送连接，在PLC控制器上设有数据存储模块和数据分析模块，
对各管道的压力、流量进行适时监控和数据记录存储，并进行分析，当发现其中有管道或炉
膛运行不正常时发出报警信号，当炉膛无火焰时，燃气压力、烟气压力低于设定值时，在报
警的同时立刻关闭燃气管路、烟风混气管道和鼓风机。
6、根据权利要求5所述的低氮燃烧装置的燃烧方法，其特征是包括如下步骤：
1)开机：PLC控制器、操作面板和风机控制柜上电，设置燃气、烟风混气的正常压力
值，在10－20kPa，在操作面板上将燃烧器运行设定到点火运行，确保烟气调节阀关闭，启动
鼓风机运行；
2)开启燃气管路和烟风混气管道：调节燃气压力10－20kPa，打开燃气主管道上设
置的手动调节阀，燃气进入到燃气主管道内；打开烟气回流管上的烟气调节阀和鼓风机，烟
风混气管道打开，烟风混气进入风套；
3)启动点火过程：打开燃气点火支路上点火燃气电磁阀，点火燃气管路通入燃气，
打开点火混气电磁阀，点火变压器打火，点燃点火枪，点火枪运行；
4)点火过程成功：点火枪运行后，PLC控制器打开小火燃气电磁阀；燃气、混气进入
风套和管束式燃烧头，点火枪点燃小火，火检测器检测到小火运行后，视为点火成功，点火
过程结束，转入步骤6)；
5)点火失败：点火过程中火检测器未检测到小火运行信号，即视为点火失败；PLC
控制器控制关闭所有电磁阀，切断天然气供应，并启动报警器报警；鼓风机吹扫炉膛5分钟，
然后返回步骤3)，重新启动点火过程；
6)正常运行：点火成功后，在小火档位运行10－20分钟，通过操作面板打开大火燃
气电磁阀，将燃烧器运行设定到大火档位，烟气调节阀开启，同时开启烟风混气引射管道上
的引气阀门，燃烧器进入正常运行。
7)停车步骤：
(1)正常停车：
在操作面板上点击熄火按钮，PLC控制器控制自动关闭燃气管路上电磁阀，并进行
炉膛吹扫运行后停止鼓风机的运行，实现正常停车；
(2)故障停车：
当低氮燃烧装置在运行过程中，燃气压力、烟风混气压力低于或高于设定值或者
点枪灭火、主火焰熄灭、燃气泄漏时，PLC控制器控制自动启动报警器报警，并自动关闭各电
磁阀，切断燃气管路，关闭鼓风机，停止燃烧器运行，并进行吹扫，实现安全地故障停车。
本发明的降低氮氧化物排放的机理：本低氮燃烧装置的风套中设置的烟风混气管
束在主燃气喷管周围，由于其前端长于主燃气喷管，并伸入炉膛，在燃烧头处形成一个由间
隔钢管围成的管束式燃烧头，天然气与烟风混合气在管束式燃烧头内混合后，由钢管缝隙
处喷出在炉膛内燃烧，由于烟风混气的掺入，降低了燃气的燃烧值，从而降低了天然气的燃
烧温度。并且混合气在管束表面进行燃烧，另外管束中通入的低温烟风混合气体带走燃烧
时管束表面产生的热量，进一步降低了炉膛内燃气的燃烧温度和管束表面火焰温度，大大
减少氮氧化物的产生，同时对管束钢管进行冷却保护。
与现有技术中锅炉燃烧装置相比，本发明的烟风预混烟风预混管束自冷却低氮燃
烧装置及其燃烧方法具有如下优点：
(1)风套内的烟风混合气与天然气枪喷射出的天然气在管束围成的燃烧头空腔内
混合，然后通过管隙喷入炉膛并且在管束表面充分燃烧，另外管束中通入烟风混合气体降
温，升温后的混合气体进入炉膛同时带走燃烧时管束表面产生的热量，降低了天然气的燃
烧温度和表面火焰温度，大大减少氮氧化物的产生，从根本上控制了氮氧化物的产生，对于
环保意义重大。
(2)回流烟气进入炉膛提高了锅炉的对流换热量。
(3)变频鼓风机设置在炉尾排烟管附近，并且外设烟风混合器，降低了风机噪音。
(4)结构简单，设计合理，操作简便，特别是自动控制程度高。
(5)本发明的操作完全智能化，设置了完备的控制功能和报警功能，运行安全系数
非常高，能充分保障生产运行的安全。
附图说明
附图1为本发明的整体结构示意图。
附图2为本发明的低氮燃烧器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图本发明做进一步说明：
实施例：参阅附图1、2，一种烟风预混管束自冷却低氮燃烧装置及其燃烧方法，设
有燃气管路、鼓风机2、烟风预混管束自冷却低氮燃烧器1；鼓风机进风口连有烟风混合器3，
鼓风机出口连有烟风混气管道9，烟风混气管道上连接有烟风混气引射器7；所述低氮燃烧
器设有风套34，风套内设有主燃气喷管35，该主燃气喷管穿过风套后端的法兰盘，固定设置
在风套中间，在其前端外周设有位置可调的旋流片29，在风套内主燃气喷管周围设有一圈
烟风混气冷却管束28，该烟风混气管束均匀排列固定设置在主燃气喷管的外周，其后端口
在风套内，与进入风套内的烟风混气相通，其前端伸入锅炉32炉膛内；在风套上设有烟风混
气进口25；所述主燃气喷管后端伸出风套法兰盘27外面，分别与大火燃气管路12和小火燃
气管路22连通，大火燃气管路和小火燃气管路上分别设有阀门14和阀门15；烟风预混管束
自冷却低氮燃烧器上还设有点火枪26，点火枪设置在烟风混气管束的外边；所述点火枪的
后端也伸出风套法兰盘27外面，点火枪上设有三个接口，分别连接火花塞接口4，点火燃气
管路23和由风套上的烟风混气进口引出的点火助燃风管道24，点火燃气管路和点火助燃风
管道上分别设有阀门16和阀门11，点火枪端头设有火焰检测器。
所述鼓风机进风口连接烟风混合器3，该烟风混合器设有空气进口和烟气进口，空
气进口与大气相通，烟气进口连接锅炉32的烟道31引出的烟气回流管道10，烟风混合器出
口连接烟风混气管道9；在所述烟气回流管道上设有调节烟气流量的烟气调节阀6；在所述
烟气回流管道和烟风混气管道的最低点均设有排水阀5；在烟风混气管道上设有引出烟风
混气回流到烟道31，以调节烟风混气压力的混气引射器7，该混气引射器上设有引气阀门8；
所述鼓风机设有风机控制柜。
所述大火燃气管路、小火燃气管路、点火燃气管路分别与设置的主燃气管路连通，
主燃气管路上设有手动调节阀17、双切断电磁阀13和燃气压力开关21。所述大火阀门、小火
阀门、点火燃气阀门、双切断电磁阀均为可控电磁阀门，烟气调节阀为电控阀门，所述鼓风
机设变频控制器，该电磁阀门、变频控制器、火焰传感器分别与设置的PLC控制器进行开关
控制连接，PLC控制器设有操作面板。
所述主燃气管路和烟气回流管道上均设有流量传感器和压力传感器；在炉膛内设
有火焰传感器，在烟道上设有温度传感器，该流量传感器、压力传感器和温度传感器均分别
与所述PLC控制器进行信号传送连接，在PLC控制器上设有数据存储模块和数据分析模块，
对各管道的压力、流量进行适时监控和数据记录存储，并进行分析，当发现其中有管道或炉
膛运行不正常时发出报警信号，当炉膛无火焰时，燃气压力、烟气压力低于设定值时，在报
警的同时立刻关闭燃气管路、烟风混气管道和鼓风机。
上述的低氮燃烧装置的燃烧方法，使用如下步骤：
1)开机：PLC控制器、操作面板和风机控制柜上电，设置燃气、烟风混气的正常压力
值，在10－20kPa，在操作面板上将燃烧器运行设定到点火运行，确保烟气调节阀关闭，启动
鼓风机运行；
2)开启燃气管路和烟风混气管道：调节燃气压力10－20kPa，打开燃气主管道上设
置的手动调节阀，燃气进入到燃气主管道内；打开烟气回流管上的烟气调节阀和鼓风机，烟
风混气管道打开，烟风混气进入风套；
3)启动点火过程：打开燃气点火支路上点火燃气电磁阀，点火燃气管路通入燃气，
打开点火混气电磁阀，点火变压器打火，点燃点火枪，点火枪运行；
4)点火过程成功：点火枪运行后，PLC控制器打开小火燃气电磁阀；燃气、混气进入
风套和管束式燃烧头，点火枪点燃小火，火检测器检测到小火运行后，视为点火成功，点火
过程结束，转入步骤6)；
5)点火失败：点火过程中火检测器未检测到小火运行信号，即视为点火失败；PLC
控制器控制关闭所有电磁阀，切断天然气供应，并启动报警器报警；鼓风机吹扫炉膛5分钟，
然后返回步骤3)，重新启动点火过程；
6)正常运行：点火成功后，在小火档位运行10－20分钟，通过操作面板打开大火燃
气电磁阀，将燃烧器运行设定到大火档位，烟气调节阀开启，同时开启烟风混气引射管道上
的引气阀门，燃烧器进入正常运行。
7)停车步骤：
(1)正常停车：
在操作面板上点击熄火按钮，PLC控制器控制自动关闭燃气管路上电磁阀，并进行
炉膛吹扫运行后停止鼓风机的运行，实现正常停车；
(2)故障停车：
当低氮燃烧装置在运行过程中，燃气压力、烟风混气压力低于或高于设定值或者
点枪灭火、主火焰熄灭、燃气泄漏时，PLC控制器控制自动启动报警器报警，并自动关闭各电
磁阀，切断燃气管路，关闭鼓风机，停止燃烧器运行，并进行吹扫，实现安全地故障停车。
应当指出，在不脱离本发明基本结构的前提下，还可以做出若干改进和变化，这些
改进和变化的大同小异的技术方案也应视为本专利的保护范围。