CN107166395A - 一种自循环低氮氧化物旋流燃烧器 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种自循环低氮氧化物旋流燃烧器，属于燃烧领域。本发明包括燃烧器主体和连接管。燃烧器主体为双层环状套筒结构。导管通过减压阀接气瓶或空气压缩机，空气从导管流入外孔，从外孔喷入环形腔，在环形腔形成低压区，随后，切向射入气流进入空腔，随着弧形壁面不断旋转产生旋流，点火后形成均匀稳定的旋流火焰；气流到达燃烧室主体出口时，主要成分为燃烧完成的燃气，由于旋流的流动特性和低压区的作用，部分燃烧器主体出口处的气体从环形腔回流至入口处，再次进入燃烧室，循环往复达到燃气循环的目的。本发明解决的技术问题是：减少燃烧产生有害气体的排放；提高液体和固体燃料燃烧效率，并抑制液体和固体燃料粘壁；增加使用寿命。

Description

一种自循环低氮氧化物旋流燃烧器

技术领域

本发明属于燃烧领域，涉及一种燃烧器，具体涉及一种自循环低氮氧化物旋流燃烧器。

背景技术

当前化石燃料是社会生产和生活能源的主要来源，其燃烧产生的温室气体、硫化物和氮氧化物等废气带来了环境污染问题，严重影响了人们的日常生活，如何更高效环保地利用化石燃料，发展低污染物排放的经济兼环保型能源技术，成为人们日益关注的重点。

燃烧污染物排放造成的环境污染，如雾霾、气候变暖、酸雨等问题，一直困扰着人类生活的各个方面。各国环境研究学者也正在积极研究各种燃烧技术，解决污染物的排放以及能源消耗的问题，提高燃烧效率和热效率。如今国内火电站锅炉均采用了烟气循环的燃烧方式，大大降低了烟气和污染物的排放，提高了燃烧效率。此外，随着固有化石燃料的不断消耗，能源问题越发严峻，因此发展高效燃烧技术以及可再生能源燃烧技术迫在眉睫。目前，工业锅炉中多使用含碳量较高的液体和固体燃料，这使得掺混以及粘壁成为突出问题，这很大程度上影响了锅炉的效率和寿命。因此，设计一种环保型且能长时间安全稳定高效运行的自循环低氮氧化物旋流火焰燃烧器具有现实意义。

发明内容

本发明公开的一种自循环低氮氧化物旋流燃烧器要解决的技术问题是：(1)减少燃烧产生的氮氧化物、一氧化碳以及碳烟等有害气体的排放；(2)针对液体和固体燃料，能够提高液体和固体燃料燃烧效率，并抑制液体和固体燃料粘壁；(3)增加燃烧器使用寿命。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的一种自循环低氮氧化物旋流燃烧器，包括燃烧器主体、连接管，燃烧器主体与连接管同心安装。所述燃烧器主体为双层环状套筒结构，定义密封一侧为左侧底部，与连接管紧密连接轴向开口侧为右侧；内层环装套与外层环状套之间形成环形腔。内层环状套筒即为旋流框，内层环状套筒内侧空间为燃烧室，旋流框上开有用于使燃烧室内气体形成旋流的切向内孔。在外层环状套筒上开有与切向内孔相应数量的、用于使空气从导管流入得外孔，所述的外孔直径小于切向内孔直径。燃烧器主体与连接管紧密连接，导管通过减压阀接气瓶或空气压缩机，空气从导管流入外层环状套筒上开的外孔，首先从外孔喷入环形腔，由于喷入气体流速高于周围环境气体流速，在环形腔形成低压区，随后，切向射入气流进入圆柱形空腔，随着弧形壁面不断旋转，产生旋流，点火器点着后形成均匀稳定的旋流火焰；气流到达燃烧室主体出口时，主要成分为燃烧完成的燃气，由于旋流的流动特性和入口处低压区的作用，部分燃烧器主体出口处的气体从环形腔回流至入口处，再次进入燃烧室，循环往复，从而达到燃气循环的目的，即组成完整的自循环低氮氧化物排放的旋流燃烧器。

采用固体燃料时，使用伴随流将固体燃料颗粒轴向喷入旋流燃烧室；液体燃料经出口处的雾化装置后，细小液滴同伴随流轴向喷入燃烧室；气体燃料喷入燃烧室有两种方式：(一)从导管流入外层环状套筒上开的外孔，从外孔切向喷入孔径较大内孔进而切向注入燃烧室内；(二)通过轴向入口通道喷入。

由于形成完整的自循环低氮氧化物排放的旋流燃烧器而带来下述优点：1)将气体氧化剂从外孔切向喷入孔径较大内孔进而切向喷入燃烧室内，由于喷入气体流速高于周围环境气体流速，在环形腔形成低压区，同时切向喷入燃烧室内气流产生旋流，由于旋流的流动特性以及气体入口与燃气出口处的压差，使得燃气回流至未燃气入口并再次进入燃烧室，起到预热未燃气的作用，并且燃气循环能有效降低火焰区温度，进而降低氮氧化物排放，具有节能减排、保护环境的优点；2)将液体燃料液滴和固体燃料颗粒从轴向入口处喷入燃烧室燃烧，氧化剂从切向入口喷入圆柱形燃烧室，产生的旋流包裹着喷入的燃料，抑制燃料的粘壁，并且在旋流作用下，促进燃料与氧化剂的掺混，提高燃烧效率；3)火焰稳定在混合气径向速度与燃烧速度相平衡的位置，形成均匀稳定的旋流火焰，火焰与燃烧室壁间为低温高密度的未燃气体，火焰内部为高温低密度的燃气，根据瑞利准则，火焰具有良好的气动稳定性，同时避免火焰与燃烧器内壁面的直接接触，减少火焰与壁面之间的热传导，有效降低热量损失，对燃烧器起到有效的保护作用，延长燃烧器的使用寿命，提高热稳定性和热效率；4)该燃烧器同样适用于气体燃料，且气体燃料由切向入口喷入圆柱形燃烧室，根据实际需求选择预混合燃烧和非预混合燃烧，预混合燃烧时，将气体燃料与氧化剂充分混合后通过燃烧室燃烧；非预混燃烧时，气体燃料与氧化剂分别通入燃烧室混合燃烧，后者能够有效防止回火的发生。总之，所述的燃烧器适用于固、液、气态燃料，获得均匀稳定的旋流火焰，稳定性好，温度和热效率高，能广泛用于工业锅炉应用中，具有较高价值。

所述的气体流速高指高于周围环境气体流速。

调节切向内孔直径或者增加外孔和切向内孔的数量能够调节燃料与氧化剂的混合效果，使燃烧更加充分。

本发明公开的一种自循环低氮氧化物旋流燃烧器的工作方法为：使用气体燃料时，将分别装有燃料和氧化剂的高压气瓶通过减压阀和导管连接至燃烧器主体入口处，根据燃烧方式选择切向、轴向入口或混合方式；使用液体或者固体颗粒燃料时，将雾化后的液体燃料液滴或者固体燃料颗粒通过伴随气流从轴向入口注入燃烧室，氧化剂从切向入口注入。非预混合燃烧时，将燃料和氧化剂分别通入燃烧器主体即可；预混合燃烧时，将气体燃料和氧化剂混合充分后再通入燃烧器主体。液体或者固体颗粒燃料预混燃烧时，将部分氧化剂当作伴随流与燃料共同从轴向入口注入，气体流量由质量流量计控制。从切向入口进入的气体通过气管后，首先喷入环形腔，由于流速高于周围环境气体流速，形成低压区；随后，切向射入气流进入圆柱形空腔，随着弧形壁面不断旋转，产生旋流，点火器点着后形成均匀稳定的旋流火焰；气流到达燃烧室主体出口时，主要成分为燃烧完成的燃气，由于旋流的流动特性和入口处低压区的作用，部分燃烧器主体出口处的气体从环形腔回流至入口处，再次进入燃烧室，循环往复，从而达到燃气循环的目的，混合气的氧气浓度和当量比降低，温度降低，有利于减少氮氧化物的生成，同时具有预热未燃气的作用，提高燃烧效率。

有益效果：

1.本发明公开的一种自循环低氮氧化物旋流燃烧器，将气体氧化剂从外孔切向喷入孔径较大内孔进而切向喷入燃烧室内，由于喷入气体流速高于周围环境气体流速，在环形腔形成低压区，同时切向喷入燃烧室内气流产生旋流，由于旋流的流动特性以及气体入口与燃气出口处的压差，使得燃气回流至未燃气入口并再次进入燃烧室，起到预热未燃气的作用，并且燃气循环能有效降低火焰区温度，进而降低氮氧化物排放，具有节能减排、保护环境的优点。

2.本发明公开的一种自循环低氮氧化物旋流燃烧器，将液体燃料液滴和固体燃料颗粒从轴向入口处喷入燃烧室燃烧，气体氧化剂从切向入口喷入圆柱形燃烧室，产生的旋流包裹着喷入的燃料，抑制燃料的粘壁，并且在旋流作用下，促进燃料与氧化剂的掺混，提高燃烧效率。

3.本发明公开的一种自循环低氮氧化物旋流燃烧器，火焰稳定在混合气径向速度与燃烧速度相平衡的位置，形成均匀稳定的旋流火焰，火焰与燃烧室壁间为低温高密度的未燃气体，火焰内部为高温低密度的燃气，根据瑞利准则，火焰具有良好的气动稳定性，同时避免火焰与燃烧器内壁面的直接接触，减少火焰与壁面之间的热传导，有效降低热量损失，对燃烧器起到有效的保护作用，延长燃烧器的使用寿命，提高热稳定性和热效率。

4.本发明公开的一种自循环低氮氧化物旋流燃烧器，能用于非预混合和预混合两种不同燃烧情况，均能形成温度分布均匀、安全稳定的层流火焰，非预混燃烧能有效防止回火的发生。

5.本发明公开的一种自循环低氮氧化物旋流燃烧器，调节切向内孔直径或者增加外孔和切向内孔的数量能够调节燃料与氧化剂的混合效果，使燃烧更加充分。

附图说明

图1为燃烧器剖面结构示意图；

图2为燃烧器入口喉部A-A处剖面结构示意图；

图3为燃烧器D处结构局部放大视图。

其中：1—燃烧器主体、2—连接管。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合图示对本发明的具体实施方式来进一步说明。

实施例1

如图所示1，本实施例公开的一种自循环低氮氧化物旋流燃烧器，主要由燃烧器主体1和连接管2组成，燃烧器主体1与连接管2同心安装。燃烧器主体1起到混合、燃烧与燃气循环的作用，连接管2作为燃烧室延长段。燃烧器主体1主要由内层环状套筒与外层环状套筒组成，内层环装套与外层环状套之间形成环形腔。如图2、3所示。内层环状套筒即为旋流框，内层环状套筒内侧空间为燃烧室，旋流框上开有用于使燃烧室内气体形成旋流的六个切向内孔。在外层环状套筒上开有六个用于使空气从导管流入得外孔，所述的外孔直径小于切向内孔直径。燃烧器主体1与连接管2紧密连接，导管通过减压阀接气瓶或空气压缩机，空气从导管流入外层环状套筒上开的外孔，首先从外孔喷入环形腔，由于喷入气体流速高于周围环境气体流速，在环形腔形成低压区，随后，切向射入气流进入圆柱形空腔，随着弧形壁面不断旋转，产生旋流，点火器点着后形成均匀稳定的旋流火焰；气流到达燃烧室主体1出口时，主要成分为燃烧完成的燃气，由于旋流的流动特性和入口处低压区的作用，部分燃烧器主体1出口处的气体从环形腔回流至入口处，再次进入燃烧室，循环往复，从而达到燃气循环的目的，即组成完整的自循环低氮氧化物排放的旋流燃烧器。

采用固体燃料时，使用伴随流将固体燃料颗粒轴向喷入旋流燃烧室；液体燃料经出口处的雾化装置后，细小液滴同伴随流轴向喷入燃烧室；气体燃料喷入燃烧室有两种方式：方式一：从导管流入外层环状套筒上开的外孔，从外孔切向喷入孔径较大内孔进而切向注入燃烧室内。方式二：通过轴向入口通道喷入。

本实施例公开的一种自循环低氮氧化物旋流燃烧器的工作方法为：使用气体燃料时，将分别装有燃料和氧化剂的高压气瓶通过减压阀和导管连接至如上所述的燃烧器1入口处，根据燃烧方式选择切向或者轴向入口以及混合方式。使用液体或者固体颗粒燃料时，将雾化后的液体燃料液滴或者固体燃料颗粒通过伴随气流从轴向入口注入燃烧室，氧化剂从切向入口注入。非预混合燃烧时，将燃料和氧化剂分别通入燃烧器即可，预混合则将气体燃料和氧化剂混合充分后再通入燃烧器，液体或者固体颗粒燃料预混燃烧时，可将部分氧化剂当做伴随流与燃料共同从轴向入口注入，气体流量由质量流量计控制。从切向入口进入的气体通过气管后，首先喷入环形腔，由于流速高于周围环境气体流速，形成低压区；随后，切向射入气流进入圆柱形空腔，随着弧形壁面不断旋转，产生旋流，点火器点着后形成均匀稳定的旋流火焰；气流到达图1所示的燃烧室主体1出口时，主要成分为燃烧完成的燃气，由于旋流的流动特性和入口处低压区的作用，部分燃烧器主体1出口处的气体从环形腔回流至入口处，再次进入燃烧室，循环往复，从而达到燃气循环的目的，混合气的氧气浓度和当量比降低，有利于减少氮氧化物的生成，同时具有预热未燃气的作用，提高燃烧效率。

以上所述的描述对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施过程，用于解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种自循环低氮氧化物旋流燃烧器，包括燃烧器主体(1)、连接管(2)，燃烧器主体(1)与连接管(2)同心安装；其特征在于：所述燃烧器主体(1)为双层环状套筒结构，定义密封一侧为左侧底部，与连接管(2)紧密连接轴向开口侧为右侧；内层环装套与外层环状套之间形成环形腔；内层环状套筒即为旋流框，内层环状套筒内侧空间为燃烧室，旋流框上开有用于使燃烧室内气体形成旋流的切向内孔；在外层环状套筒上开有与切向内孔相应数量的、用于使空气从导管流入得外孔，所述的外孔直径小于切向内孔直径；燃烧器主体(1)与连接管(2)紧密连接，导管通过减压阀接气瓶或空气压缩机，空气从导管流入外层环状套筒上开的外孔，首先从外孔喷入环形腔，由于喷入气体流速高于周围环境气体流速，在环形腔形成低压区，随后，切向射入气流进入圆柱形空腔，随着弧形壁面不断旋转，产生旋流，点火器点着后形成均匀稳定的旋流火焰；气流到达燃烧室主体(1)出口时，主要成分为燃烧完成的燃气，由于旋流的流动特性和入口处低压区的作用，部分燃烧器主体(1)出口处的气体从环形腔回流至入口处，再次进入燃烧室，循环往复，从而达到燃气循环的目的，即组成完整的自循环低氮氧化物排放的旋流燃烧器。

2.如权利要求1所述的一种自循环低氮氧化物旋流燃烧器，其特征在于：采用固体燃料时，使用伴随流将固体燃料颗粒轴向喷入旋流燃烧室；液体燃料经出口处的雾化装置后，细小液滴同伴随流轴向喷入燃烧室；气体燃料喷入燃烧室有两种方式：(一)从导管流入外层环状套筒上开的外孔，从外孔切向喷入孔径较大内孔进而切向注入燃烧室内；(二)通过轴向入口通道喷入。

3.如权利要求2所述的一种自循环低氮氧化物旋流燃烧器，其特征在于：由于形成完整的自循环低氮氧化物排放的旋流燃烧器而带来下述优点：1)将气体氧化剂从外孔切向喷入孔径较大内孔进而切向喷入燃烧室内，由于喷入气体流速高于周围环境气体流速，在环形腔形成低压区，同时切向喷入燃烧室内气流产生旋流，由于旋流的流动特性以及气体入口与燃气出口处的压差，使得燃气回流至未燃气入口并再次进入燃烧室，起到预热未燃气的作用，并且燃气循环能有效降低火焰区温度，进而降低氮氧化物排放，具有节能减排、保护环境的优点；2)将液体燃料液滴和固体燃料颗粒从轴向入口处喷入燃烧室燃烧，氧化剂从切向入口喷入圆柱形燃烧室，产生的旋流包裹着喷入的燃料，抑制燃料的粘壁，并且在旋流作用下，促进燃料与氧化剂的掺混，提高燃烧效率；3)火焰稳定在混合气径向速度与燃烧速度相平衡的位置，形成均匀稳定的旋流火焰，火焰与燃烧室壁间为低温高密度的未燃气体，火焰内部为高温低密度的燃气，根据瑞利准则，火焰具有良好的气动稳定性，同时避免火焰与燃烧器内壁面的直接接触，减少火焰与壁面之间的热传导，有效降低热量损失，对燃烧器起到有效的保护作用，延长燃烧器的使用寿命，提高热稳定性和热效率；4)该燃烧器同样适用于气体燃料，且气体燃料由切向入口喷入圆柱形燃烧室，根据实际需求选择预混合燃烧和非预混合燃烧，预混合燃烧时，将气体燃料与氧化剂充分混合后通过燃烧室燃烧；非预混燃烧时，气体燃料与氧化剂分别通入燃烧室混合燃烧，后者能够有效防止回火的发生。

4.如权利要求1、2或3所述的一种自循环低氮氧化物旋流燃烧器，其特征在于：调节切向内孔直径或者增加外孔和切向内孔的数量能够调节燃料与氧化剂的混合效果，使燃烧更加充分。

5.如权利要求4所述的一种自循环低氮氧化物旋流燃烧器，其特征在于：所述的燃烧器适用于固、液、气态燃料，获得均匀稳定的旋流火焰，稳定性好，温度和热效率高，能广泛用于工业锅炉应用中，具有较高价值。

6.如权利要求5所述的一种自循环低氮氧化物旋流燃烧器，其特征在于：工作方法为，

使用气体燃料时，将分别装有燃料和氧化剂的高压气瓶通过减压阀和导管连接至燃烧器主体(1)入口处，根据燃烧方式选择切向、轴向入口或混合方式；使用液体或者固体颗粒燃料时，将雾化后的液体燃料液滴或者固体燃料颗粒通过伴随气流从轴向入口注入燃烧室，氧化剂从切向入口注入；非预混合燃烧时，将燃料和氧化剂分别通入燃烧器主体(1)即可；预混合燃烧时，将气体燃料和氧化剂混合充分后再通入燃烧器主体(1)；液体或者固体颗粒燃料预混燃烧时，将部分氧化剂当作伴随流与燃料共同从轴向入口注入，气体流量由质量流量计控制；从切向入口进入的气体通过气管后，首先喷入环形腔，由于流速高于周围环境气体流速，形成低压区；随后，切向射入气流进入圆柱形空腔，随着弧形壁面不断旋转，产生旋流，点火器点着后形成均匀稳定的旋流火焰；气流到达燃烧室主体(1)出口时，主要成分为燃烧完成的燃气，由于旋流的流动特性和入口处低压区的作用，部分燃烧器主体(1)出口处的气体从环形腔回流至入口处，再次进入燃烧室，循环往复，从而达到燃气循环的目的，混合气的氧气浓度和当量比降低，温度降低，有利于减少氮氧化物的生成，同时具有预热未燃气的作用，提高燃烧效率。