CN108397774B - 一种用于天然气和煤粉单独燃烧或混烧的燃烧器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于天然气和煤粉单独燃烧或混烧的燃烧器，包括中心管，中心管的外部依次套有内一次风套筒、内二次风套筒、外一次风套筒和外二次风套筒；且中心管、内一次风套筒、内二次风套筒、外一次风套筒和外二次风套筒均与预燃室连通；中心管的内部设置有伸入预燃室的高能点火器和枪体，与高能点火器和枪体连接的点火推进器能够推动高能点火器和枪体在中心管内移动。该装置能够单独燃烧天然气或者煤粉，或者混合燃烧上述燃料；增强了燃烧器对燃烧原料的适应性，提高了天然气和煤粉的稳定性，降低了其燃烧过程中NOx的生成。
Description
技术领域
本发明属于热能与动力工程技术领域；涉及一种旋流燃烧器；具体涉及一种用于天然气和煤粉单独燃烧或混烧的燃烧器。
背景技术
我国是世界上少数几个以煤炭为主的能源消费大国之一，是世界上最大的煤炭生产国和消费国，煤炭消费量占世界煤炭消费的27％。据国家统计局数据，煤炭占我国能源消费总量的70％左右。然而煤在燃烧过程中产生大量的NOx、SO2等腐蚀性气体和颗粒物、温室气体，不经严格处理直接排放至空气中会造成大气环境的显著恶化。因此，大力发展清洁能源技术成为升级我国能源结构，推动我国进步道路上的一项重要任务。
天然气的含氮量和含硫量均很低，因此其燃烧产生的燃料型氮氧化物和硫化物等污染物均远低于煤炭石油等化石燃料。根据BP公司发布的2035世界能源展望，天然气作为一次清洁能源有望成为最快增长的化石燃料。然而，天然气在燃烧过程中温度较高，主燃区内的氮气高温下易被氧化为NOx，生成热力型NOx对环境造成危害。因此，对天然气燃烧来说，其中一项关键技术在于控制热力型NOx排放。
然而，由于煤改气政策实施，天然气在冬季供暖时期易发生气荒。因此，将煤与天然气两种燃料混合燃烧，能有效解决时效性问题，使应用更加灵活广泛。然而，由于天然气和煤粉作为气固两种不同的燃料，其燃烧特性差异较大，目前燃烧器仅适用于天然气或煤粉单独燃烧，并没有适合两种燃料混合稳定燃烧的燃烧器出现。同时，在燃烧时需要尽量降低NOx排放，以免造成环境问题。
发明内容
本发明提供了一种用于天然气和煤粉单独燃烧或混烧的燃烧器；该装置能够单独燃烧天然气或者煤粉，或者混合燃烧上述燃料；增强了燃烧器对燃烧原料的适应性，提高了天然气和煤粉的稳定性，降低了其燃烧过程中NOx的生成。
本发明的技术方案是：一种用于天然气和煤粉单独燃烧或混烧的燃烧器，包括中心管，中心管的外部依次套有内一次风套筒、内二次风套筒、外一次风套筒和外二次风套筒；且中心管、内一次风套筒、内二次风套筒、外一次风套筒和外二次风套筒均与预燃室连通；中心管的内部设置有伸入预燃室的高能点火器和枪体，与高能点火器和枪体连接的点火推进器能够推动高能点火器和枪体在中心管内移动；其中预燃室的外部设置有燃尽风套筒，燃尽风套筒绕轴方向上周向对称设置有多个有燃尽风径向直流喷口，燃尽风套筒末端沿轴线方向开设有燃尽风轴向直流喷口；其中预燃室的内壁弧度为15°-25°；中心管与预燃室连接的出口处向内收缩，且收缩角度为15°-20°；其中内一次风套筒与中心管之间的环形通道与预燃室连通的出口处设置有第一可调径向挡板，第一径向可调挡板上开设有喷出天然气的孔；其中外一次风套筒与内二次风套筒之间的环形通道用于通入煤粉，且该环形通道与预燃室连通的出口处设置有第二可调径向挡板，第二可调径向挡板上开有孔。
更进一步的，本发明的特点还在于：
其中预燃室由预燃室壳体组成，预燃室壳体的内壁与外壁的弧度相等。
其中燃尽风套筒内壁与预燃室壳体外壁的弧度相等。
其中燃尽风径向直流喷口和燃尽风轴向直流喷口的直径比为1:1.5。
其中内一次风套筒与中心管之间的环形通道用于通入天然气，且该环形通道沿着朝向预燃室的方向直径变大。
其中内二次风筒与内一次风筒之间的环形通道内设置有第二切向旋流叶片。
其中外二次风套筒和外一次风套筒之间的环形通道设置有第一切向旋流叶片。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：空气分级作为低NOx燃烧技术的典型代表，通过多级配风将助燃空气分段送入燃烧区域，形成富燃料区与局部还原性气氛，可以在燃料燃烧过程中明显抑制NOx生成。同时，空气分级技术还能通过控制燃烧进风量，来适当降低天然气燃烧温度，减少热力型NOx生成。本发明通过燃烧器的合理设计，增强燃烧器对燃烧原料的适应性，提高天然气/煤粉燃烧的稳定性和降低天然气/煤粉燃烧过程中NOx生成，起到精简燃烧装置和节约燃料成本的作用。
更进一步的，燃尽风径向直流喷口和燃尽风轴向直流喷口能够防止燃烧器出口结渣。
更进一步的，通过合理组织燃烧器结构，实现天然气/煤粉单独燃烧或混烧稳定性，同时降低燃烧过程中NOx生成；该燃烧器供风方式分为内一次风、内二次风、外一次风、外二次风和燃尽风；因此，可针对供给不同燃料，在通入燃尽风的情况下，通过改变不同风道的送风用途，进而调节预燃室内空气对燃料的扰动情况以及燃烧温度，在确保燃烧稳定充分的同时避免因燃料过多而造成的局部温度过高，以减少热力型NOx的生成。比如，对于天然气单独燃烧，选择内一次风套筒与中心管之间的环形通道输送天然气，其他环形通道送风；对于煤粉单独燃烧，选择外一次风套筒与内二次风套筒之间的环形通道输送煤粉，内二次风风道与燃尽风风道送风，外一次风与外二次风风道关闭；对于天然气与煤粉混烧，选择内一次风套筒与中心管之间的环形通道输送天然气，外一次风套筒和内二次风套筒之间的环形通道输送煤粉，内二次风风道、外二次风风道与燃尽风风道送风；这样，通过燃烧器的合理组织，增强燃烧器对燃烧原料的适应性，起到精简燃烧装置和节约燃料成本的作用。
更进一步的，当通天然气时，第一可调径向挡板放下，天然气从第一可调径向挡板上的孔中通入预燃室；当通煤粉时，第二可调径向挡板抬起，煤粉进入预燃室，有利于天然气与空气混合均匀，提高燃烧效率与稳定性。同时旋流内二次风从射流边界卷吸大量高温低氧的烟气回流，使得主燃区呈现还原性气氛，促进燃烧过程中NOx还原，进一步降低NOx生成。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为图1中A-A方向的剖视图；
图3为图1中B-B方向的剖视图；
图4为图1中C-C方向的剖视图。
图中：1为高能点火器；2为枪体；3为点火推进器；4为中心管；5为内一次风套筒；6为内一次风入口；7为内二次风入口；8为外一次风入口；9为外二次风入口；10为燃尽风入口；11为预燃室壳体；12为预燃室；13为燃尽风套筒；14为燃尽风径向直流喷口；15为燃尽风轴向直流喷口；16为第一可调径向挡板；17为第二可调径向挡板；18为外二次风套筒；19为第一切向旋流叶片；20为外一次风套筒；21为内二次风套筒；22为第二切向旋流叶片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进一步说明。
本发明提供了一种用于天然气和煤粉单独燃烧或混烧的燃烧器，如图1所示，包括中心管4，中心管4的一端与预燃室12连通，中心管4的内部设置有高能点火器1和枪体2，枪体2为油枪或者燃气枪，且高能点火器1和枪体2与点火推进器3连接，点火推进器3能够推动高能点火器1和枪体2在中心管1内移动。
如图1所示，预燃室12由预燃室壳体11组成，预燃室壳体11围成内壁和外壁弧度相等的预燃室12，且其弧度为15°-25°；预燃室12的外部设置有燃尽风套筒13，燃尽风套筒13的内壁弧度与预燃室12的外壁弧度相等。如图1和4所示，燃尽风套筒13与预燃室12之间的环形通道为燃尽风风道，且燃尽风套筒13上开有燃尽风入口10，燃尽风风道的末端沿轴线方向上开设有燃尽风轴向直流喷口15，燃尽风套筒13绕轴方向上周向对称设置有多个连通预燃室12和燃尽风风道的燃尽风径向直流喷口14，且燃尽风径向直流喷口14和燃尽风轴向直流喷口15均与预燃室12连通。
优选的，燃尽风径向直流喷口14与燃尽风轴向直流喷口15的直径比为1:1-1.5。
如图1所示，中心管4的外侧依次套设有内一次风套筒5、内二次风套筒21、外一次风套筒20和外二次风套筒18；其中内一次风套筒5与中心管4之间的环形通道为内一次风风道，内二次风套筒21与内一次风套筒5之间的环形通道为内二次风风道，外一次风套筒20与内二次风套筒21之间的环形通道为外一次风风道，外二次风套筒18与外一次风套筒20之间的环形通道为外二次风风道。其中，内一次风风道、内二次风风道、外一次风风道和外二次风风道均与预燃室12连通。其中内一次风套筒5上设置有与内一次风风道连通的内一次风入口6，内二次风套筒21上设置有与内二次风风道连通的内二次风入口7，外一次风套筒20上设置有与外一次风风道连通的外一次风入口8，外二次风套筒18上设置有与外二次风风道连通的外二次风入口9。
优选的，如图1所示，中心管4与预燃室12连通的出口处向内收缩，且向内收缩的角度为15°-20°。
优选的，如图1和4所示，内一次风道与预燃室12连通的出口处设置有第一可调径向挡板16；外一次风风道与预燃室12连通的出口处设置有第二可调径向挡板17。如图4所示，第一可调径向挡板16与第二可调径向挡板17上均开设有通孔。
如图2所示，内二次风套筒21内设置有多个第二切向旋流叶片22，多个第二切向旋流叶片22周向均匀分布在内二次风风道中，且第二切向旋流叶片22向左倾斜50°-70°。
如图3所示外二次风套筒18内设置有多个第一切向旋流叶片19，多个第一切向旋流叶片19周向均匀分布在外二次风风道中，且第一切向旋流叶片19向左倾斜50°-70°。
本发明燃烧器的工作原理是：该燃烧器中内一次风风道与外一次风风道中分别设置第一可调径向挡板16和第二可调径向挡板17，使得通入的天然气能够分散开，避免天然气聚集而导致局部燃烧温度过高，降低热力型NOx的生成。当该燃烧器单独燃烧天然气时，利用空气作为助燃剂，理论燃烧温度能够达到2300℃，而热力型NOx是空气中的N2在燃烧火焰的峰值温度下氧化形成，对温度的依赖很大。当燃烧温度超过1500℃时，温度每增加100℃，反应速度将增大6～7倍。因此，在燃烧天然气时，要控制通道进风量与进风分布，保证预燃室内平均燃烧温度低于1500℃，且局部燃烧温度尽可能降低，以避免燃烧氧化生成热力型NOx。
内二次风风道和外二次风风道中分别设置有第二切向旋流叶片22和第一切向旋流叶片19，能够使内二次风和外二次风旋流，同时燃尽风从燃尽风入口10处送入，并且预燃室壳体11内开设的燃尽风轴向直流喷口15喷入预燃室12中，预燃室旋流喷口14沿预燃室壳体11末端边缘沿轴线周向开设，从而使燃尽风旋流喷入预燃室12内，从而防止燃烧器出口结渣。
本发明的工作过程是：首先，将内二次风、外一次风和外二次风分别通过内二次风入口7、外一次风入口8和外二次风入口9通入。内二次风在内二次风风道内流动，外一次风在外一次风风道内流动，外二次风在外二次风风道内流动，并进入预燃室12内，对预燃室12进行1分钟以上的吹扫。
然后将点火推进器3向前运行，将高能点火器1和枪体2送入到指定点火位置。高能点火器1工作，点燃枪体2出口的燃料。针对天然气、煤粉或二者混燃工况，调节使用风的方式如下：对于天然气单独燃烧，选择内一次风风道输送天然气，选择内二次风风道、外二次风风道与燃尽风风道送风；对于煤粉单独燃烧，选择内一次风风道通煤粉，内二次风风道与燃尽风风道送风，外一次风风道和外二次风风道封闭；对于天然气与煤粉混烧，选择内一次风风道输送天然气，外一次风风道输送煤粉，内二次风风道、外二次风风道与燃尽风风道送风；这样，内一次风风道内的第一可调径向挡板16与外一次风风道内的第二可调径向挡板17将通入的天然气分散开，避免天然气聚集而导致局部燃烧温度过高，可有效减少热力型NOx的生成。内二次风风道与外二次风风道内分别设置有第一切向旋流叶片19和第二切向旋流叶片22，其产生的旋流二次风卷吸周围高温烟气，从而稳定燃烧，同时回流的高温烟气中氧气含量较低，进一步降低了NOx的生成。
对于单独燃烧天然气，由内一次风入口6与外一次风入口8送入天然气；对于单独燃烧煤粉，由外一次风入口8送入天然气；对于天然气与煤粉混燃，由内一次风入口6送入天然气，由外一次风入口8送入煤粉。
燃尽风由燃尽风入口10送入，在燃尽风风道内流动，并由预燃室壳体11内开设的燃尽风径向直流喷口14与燃尽风轴向直流喷口15喷入预燃室12。燃尽风轴向直流喷口15使燃尽风直流喷入预燃室12，防止燃烧器出口结渣燃尽风径向直流喷口14沿预燃室出口轴线方向周向对称开设，个数为20。这样，燃尽风能补充氧气使燃料充分燃烧。
待预燃室12燃烧稳定后，点火推进器3动作，将高能点火器1和枪体2缩回中心管4内，以延长其使用寿命。
本发明的使用方法是：
当单独燃烧天然气时，天然气由内一次风入口6和外一次风口8送入，第一可调径向挡板16向下闭合，第二可调径向挡板17向下闭合，天然气从两个径向挡板上的孔中喷出；内二次风由内二次风入口7送入，并在内二次风风道内流动；外二次风由外二次风入口9送入，并在外二次风风道内流动；燃尽风由燃尽风入口10送入，并在燃尽风风道内流动。
当单独燃烧煤粉时，煤粉由内一次风入口6送入，并在内一次风风道内流动，第一可调径向挡板16向上抬起；内二次风由内二次风入口7送入，并在内二次风风道内流动；外一次风入口8和外二次风入口9封闭不用；燃尽风由燃尽风入口10送入，并在燃尽风风道内流动。
当天然气与煤粉混烧时，天然气由内一次风入口6送入，并在内一次风风道内流动，第一可调径向挡板16向下闭合，天然气从第一可调径向挡板16上的孔中射流喷出；内二次风由内二次风入口7送入，并在内二次风风道内流动；煤粉由外一次风入口8送入，并在外一次风风道内流动，第二可调径向挡板17向上抬起；外二次风由外二次风入口9送入，并在外二次风风道内流动；燃尽风由燃尽风入口10送入，并在燃尽风风道内流动。
Claims (5)
1.一种用于天然气和煤粉单独燃烧或混烧的燃烧器，其特征在于，包括中心管（4），中心管（4）的外部依次套有内一次风套筒（5）、内二次风套筒（21）、外一次风套筒（20）和外二次风套筒（18）；且中心管（4）、内一次风套筒（5）、内二次风套筒（21）、外一次风套筒（20）和外二次风套筒（18）均与预燃室（12）连通；
所述中心管（4）的内部设置有伸入预燃室（12）的高能点火器（1）和枪体（2），与高能点火器（1）和枪体（2）连接的点火推进器（3）能够推动高能点火器（1）和枪体（2）在中心管（4）内移动；
所述预燃室（12）的外部设置有燃尽风套筒（13），燃尽风套筒（13）绕轴方向上周向对称设置有多个有燃尽风径向直流喷口（14），燃尽风套筒（13）末端沿轴线方向开设有燃尽风轴向直流喷口（15）；其中预燃室（12）的内壁弧度为15°-25°；所述预燃室（12）由预燃室壳体（11）组成，预燃室壳体（11）的内壁与外壁的弧度相等；
所述中心管（4）与预燃室（12）连接的出口处向内收缩，且收缩角度为15°-20°；
所述内一次风套筒（5）与中心管（4）之间的环形通道与预燃室（12）连通的出口处设置有第一可调径向挡板（16），第一可调径向挡板（16）上开设有喷出天然气的孔；所述内一次风套筒（5）与中心管（4）之间的环形通道用于通入天然气，且该环形通道沿着朝向预燃室（12）的方向直径变大；
所述外一次风套筒（20）与内二次风套筒（21）之间的环形通道用于通入煤粉，且该环形通道与预燃室（12）连通的出口处设置有第二可调径向挡板（17），第二可调径向挡板（17）上开有孔。
2.根据权利要求1所述的用于天然气和煤粉单独燃烧或混烧的燃烧器，其特征在于，所述燃尽风套筒（13）内壁与预燃室壳体（11）外壁的弧度相等。
3.根据权利要求1或2所述的用于天然气和煤粉单独燃烧或混烧的燃烧器，其特征在于，所述燃尽风径向直流喷口（14）和燃尽风轴向直流喷口（15）的直径比为1:1.5。
4.根据权利要求1所述的用于天然气和煤粉单独燃烧或混烧的燃烧器，其特征在于，所述内二次风套筒（21）与内一次风套筒（5）之间的环形通道内设置有第二切向旋流叶片（22）。
5.根据权利要求1所述的用于天然气和煤粉单独燃烧或混烧的燃烧器，其特征在于，所述外二次风套筒（18）和外一次风套筒（20）之间的环形通道设置有第一切向旋流叶片（19）。
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