CN101846319B - 一种弱旋滞止气体燃烧器 - Google Patents

Abstract

本发明属于工业燃烧装置技术领域，特别涉及一种弱旋滞止气体燃烧器。该燃烧器内预混气体分成两条通道，即旋流装置和直流中心管，混合后的气体经过旋流发展段在燃烧出口发生发散，形成了弱旋流场，并在燃气喷口处钝体的作用下形成滞止火焰，起到稳定火焰的作用。该燃烧器可产生稳定的推举火焰，自由火焰的驻点存在于燃气喷口中心发散流场上平均预混气体速度和湍流燃烧火焰速度相等的位置上；这种极限贫燃料燃烧，使得燃烧生成的NO_X小于5ppm，烟气中CO的含量可以降低到400ppm以下；该燃烧器具有的燃料适应性广，结构简单可靠，适合于工业炉、重整器以及燃气轮机燃烧使用。

Description

一种弱旋滞止气体燃烧器

技术领域

本发明属于工业燃烧装置技术领域，特别涉及一种用于工业炉的，具有低NO_X排放、燃烧完全特点的弱旋滞止气体燃烧器。

背景技术

在当今世界能源严重短缺，石油、天然气等自然资源再使用若干年面临枯竭的可能，同时使用石油、煤等不可再生能源对大气环境造成严重影响，严重破坏了人类赖以生存的自然环境。因此高效清洁的利用能源是解决现有能源和环境问题的一个有效途径。随着天然气、石油液化气以及煤合成气的燃烧利用，气体燃烧的污染问题，尤其降低NO_X的排放，是一项刻不容缓的任务。

在气体燃烧中，通过在燃烧器出口组织起热烟气回流点燃来流的气体燃料来保证燃烧稳定性。而且，贫燃料燃烧是一种有效的降低NO_X形成的有效技术。然而，研究结果表明，贫预混燃烧由于火焰发生形变而引起局部燃烧的熄灭，从火焰外部到内部强烈改变反应区域的结构，从而弱化了火焰对热回流区的附着强度，导致燃烧的不稳定。

发明内容

本发明的目的是提供一种弱旋滞止气体燃烧器，以解决极限贫燃料燃烧不稳定的问题。

本发明的基本原理是通过燃烧器喷口上游的直流和旋流两股气流的相互作用，在燃烧器出口产生弱旋流，降低了当地的平均气流速度，同时通过滞止钝体的作用，在燃烧器出口燃烧火焰中产生类似于滞止流的稳定燃烧区域。

在弱旋流燃烧中，旋流数是主要控制参数之一。旋流数是切向流动动量和轴向流动动量之比。在本发明中，旋流数只与燃烧器的结构尺寸和两种流动气流流量有关，如式(1)所示，旋流数可表示为：

$S=\frac{2}{3}\tan \mathrm{\α}\frac{1-R^3}{1-R^2+m^2(1/R^2-1)R^2}---\left(1\right)$

式中，α为旋流装置出口叶片角度，R为中心孔半径R_c和燃烧器喷口半径R_i之比，m为通过直流中心管气流流量m_c和通过旋流装置气体流量m_s之比。因此，在确定燃烧结构中，可以通过调节两股气流流量来改变旋流数。

本发明的技术方案为：所述燃烧器的内部放置直流中心管和旋流装置，在旋流装置前的预混气体入口处设置流量调节孔网，直流中心管后方为旋流发展段和燃气喷口，在燃气喷口处设置钝体；该燃烧器内预混气体分成两条通道，即旋流装置和直流中心管，混合后的气体经过旋流发展段在燃烧出口发生发散，形成了弱旋流场，并在钝体的作用下形成滞止火焰，起到稳定火焰的作用。

所述燃气喷口的气体流线发散度具有以下几种调节手段：

(1)通过调整流量调节孔网的开孔率来分配进入直流中心管和旋流装置的预混气体流量，获取不同的旋流数；

(2)通过调节直流中心管的高度L_C和旋流装置的高度来调节燃气喷口的气体流线发散度；

(3)通过调节直流气体和旋流气体间的相互作用程度，即调节旋流发展段的长度L_i来控制燃气喷口气体流线的发散度；

(4)通过调节钝体的位置，控制缓流区的强弱和位置；

(5)通过改变直流中心管的形状来改变燃气喷口的气体流线发散度。

所述旋流装置的实现方式包括：采用涡轮叶片、采用档板叶片或采用圆射流孔，所述旋流装置的出口角度为20-60°，所述涡轮叶片或挡板叶片或圆射流孔的数量为8-20。

所述直流中心管的喷口形状包括圆形、方形、六边形、长方形、十字形、椭圆形以及其他不规则多边形，不同的喷口形状影响并控制直流和旋流流体在旋流发展段中的滞止程度。

所述直流中心管的高度L_C和旋流装置的高度L_S比值为1-1.5。

所述钝体为耐高温陶瓷材料，其位置的调节范围为旋流发展段内的任何位置以及燃烧火焰燃烧位置，钝体通过对火焰的滞止作用，以及强化火焰区中的缓流作用，实现火焰的稳定燃烧。

本发明的有益效果为：

(1)所述燃烧器具有燃烧效率高，燃烧污染物排放少，结构简单可靠的特点，燃料适应性广，适合于工业炉、重整器以及燃气轮机燃烧使用。

(2)所述燃烧器可产生稳定的推举火焰，自由火焰的驻点存在于燃气喷口中心发散流场上平均预混气体速度和湍流燃烧火焰速度相等的位置上。这种推举火焰确保了燃气喷口管壁温度处于低温状态，有效提高了燃烧器的寿命；并且这种极限贫燃料燃烧，使得燃烧生成的NO_X小于5ppm，烟气中CO的含量可以降低到400ppm以下。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明旋流装置为叶片的结构示意图。

图3为本发明旋流装置为圆形射流孔的结构示意图。

图4为本发明旋流装置为圆形射流孔的剖面结构示意图。

图5为本发明直流中心管的方形喷口结构示意图。

图6为本发明直流中心管的其它喷口结构示意图。

图7为本发明流量调节孔网结构示意图。

图8为本发明钝体结构示意图。

图中标号：

1-预混气体入口；2-流量调节孔网；3-旋流装置；4-直流中心管；5-旋流发展段；6-钝体；7-燃气喷口；8-叶片；9-圆形射流孔。

具体实施方式

本发明提供了一种弱旋滞止气体燃烧器，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

如图1所示，燃烧器的内部放置直流中心管4和旋流装置3，在旋流装置3前的预混气体入口1处设置流量调节孔网2，直流中心管4后方为旋流发展段5和燃气喷口7，在燃气喷口7处设置钝体6；该燃烧器内预混气体分成两条通道，即旋流装置3和直流中心管4，混合后的气体经过旋流发展段5在燃烧出口7发生发散，形成了弱旋流场，并在钝体6的作用下形成滞止火焰，起到稳定火焰的作用。燃气喷口7的角度为45°。

所述旋流装置3的实现方式包括：采用涡轮叶片、采用档板叶片或采用圆射流孔，图2是本发明旋流装置为叶片的结构示意图，图3是本发明旋流装置为圆形射流孔的结构示意图，图4为本发明旋流装置为圆形射流孔的剖面结构示意图，所述叶片8或圆射流孔9的数量为12，叶片8或圆射流孔9的出口角度α为50°。

直流中心管4的喷口形状包括圆形、方形、六边形、长方形、十字形、椭圆形以及其他不规则多边形，不同的喷口形状影响并控制直流和旋流流体在旋流发展段中的滞止程度，如图4和图5所示。

直流中心管4的高度L_C和旋流装置3的高度L_S比值为1。

钝体6为耐高温陶瓷材料，其位置设置在直流中心管4的轴线上，位于燃气喷口7的外侧，钝体6通过对火焰的滞止作用，以及强化火焰区中的缓流作用，实现火焰的稳定燃烧。如图8所示，钝体6为圆形、钝角等腰三角形、锐角等腰三角形、矩形或其他异形件。

燃气喷口7的气体流线发散度具有以下几种调节手段：

(1)通过调整流量调节孔网2的开孔率来分配进入直流中心管4和旋流装置3的预混气体流量，获取不同的旋流数；根据不同燃烧设备，孔板的开孔率可从50-100％改变；

(2)通过调节直流中心管4的高度L_C和旋流装置3的高度来调节燃气喷口7的气体流线发散度；

(3)通过调节直流气体和旋流气体间的相互作用程度，即调节旋流发展段5的长度L_i来控制燃气喷口7气体流线的发散度；

(4)通过调节钝体6的位置，控制缓流区的强弱和位置；

(5)通过改变直流中心管4的形状来改变燃气喷口7的气体流线发散度。

本发明可形成推举弱旋滞止火焰，实现极限贫燃料燃烧，提高燃烧效率、降低NO_X的排放、以及延长燃烧器的寿命。

Claims (7)

1.一种弱旋滞止火焰燃烧器，其特征在于，燃烧器的内部放置直流中心管(4)和旋流装置(3)，在旋流装置(3)前的预混气体入口(1)处设置流量调节孔网(2)，直流中心管(4)后方为旋流发展段(5)和燃气喷口(7)，在燃气喷口(7)处设置钝体(6)；该燃烧器内预混气体分成两条通道，即旋流装置(3)和直流中心管(4)，混合后的气体经过旋流发展段(5)在燃气喷口(7)发生发散，形成了弱旋流场，并在钝体(6)的作用下形成滞止火焰，起到稳定火焰的作用。

2.根据权利要求1所述的一种弱旋滞止火焰燃烧器，其特征在于，所述燃气喷口(7)的气体流线发散度采用以下调节手段中的一种或几种：

通过调整流量调节孔网(2)的开孔率来分配进入直流中心管(4)和旋流装置(3)的预混气体流量，获取不同的旋流数；

通过调节直流中心管(4)的高度L_C和旋流装置(3)的高度L_S来调节燃气喷口(7)的气体流线发散度；

通过调节直流气体和旋流气体间的相互作用程度来控制燃气喷口(7)气体流线的发散度；

通过调节钝体(6)的位置，控制缓流区的强弱和位置；

通过改变直流中心管(4)的喷口形状来改变燃气喷口(7)的气体流线发散度。

3.根据权利要求2所述的一种弱旋滞止火焰燃烧器，其特征在于，所述调节直流气体和旋流气体间的相互作用程度为调节旋流发展段(5)的长度L_i。

4.根据权利要求1所述的一种弱旋滞止火焰燃烧器，其特征在于，所述旋流装置(3)的构成方式包括：采用涡轮叶片、采用档板叶片或采用圆射流孔，所述旋流装置(3)的出口角度为20～60°，所述涡轮叶片或挡板叶片或圆射流孔的数量为8～20。

5.根据权利要求1或2所述的一种弱旋滞止火焰燃烧器，其特征在于，所述直流中心管(4)的喷口形状包括圆形、方形、六边形、长方形、十字形、椭圆形以及其他不规则多边形，不同的喷口形状影响并控制直流和旋流流体在旋流发展段中的滞止程度。

6.根据权利要求1或2所述的一种弱旋滞止火焰燃烧器，其特征在于，所述直流中心管(4)的高度L_C和旋流装置(3)的高度L_S比值为1～1.5。

7.根据权利要求1或2所述的一种弱旋滞止火焰燃烧器，其特征在于，所述钝体(6)为耐高温陶瓷材料，其位置的调节范围为旋流发展段(5)内的任何位置以及燃烧火焰燃烧位置，钝体(6)通过对火焰的滞止作用，以及强化火焰区中的缓流作用，实现火焰的稳定燃烧。

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