CN108413382B - 一种用于生物质和天然气单独燃烧或混合燃烧的燃烧器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于生物质和天然气单独燃烧或混合燃烧的燃烧器，包括中心管，中心管的外部依次套接有内一次风套筒、内二次风套筒、天然气风套筒和外二次风套筒；中心筒、内一次风套筒、内二次风套筒、天然气风套筒和外二次风套筒的一端均连通预燃室；预燃室外部设置有燃尽风套筒，燃尽风套筒与预燃室内部连通；所述中心管内设置有的一端设置有延伸至预燃室内的用于点火的枪体和高能点火器，以及提供枪体和高能点火器在中心管内移动的点火推进器。该燃烧器能够避免燃料聚集而导致的局部燃烧温度过高，从而抑制热力型NOx的形成，并且增强了对燃烧原料的适应性，提高了生物质或天然气燃烧的稳定性。
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，具体涉及一种用于生物质和天然气单独燃烧或混合燃烧的燃烧器。
背景技术
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。生物质作为可再生能源，其消耗量仅次于石油、煤炭与天然气，居第四位。其在燃烧过程中产生的CO2相较于煤炭大大降低，有利于改善温室效应。同时生物质能源来源广泛，挥发分含量高，灰分含量低，含硫量低，是一种环境友好，经济耐用的能源。
然而，生物质燃料因其多以秸秆、树枝和木屑等为原料，储量随季节变化较为明显。在非秋冬时节以生物质燃料作为单一能源，易出现供给不足等现实问题。同时由于煤改气政策实施，天然气在冬季供暖时期也易发生气荒。因此，考虑到生物质与天然气易供应不足的时期相互错开，将两种燃料混合燃烧，能有效解决时效性问题，使应用更加灵活广泛。而且将天然气与生物质混合燃烧，其燃烧温度比生物质单独燃烧要高得多，有利于促进生物质着火，同时提高燃烧率。然而，由于天然气和生物质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生物质单独燃烧，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。
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，提高生物质/天然气燃烧的稳定性和降低生物质/天然气燃烧过程中NOx生成，起到精简燃烧装置和节约燃料成本的作用。
发明内容
本发明提供了一种用于生物质和天然气单独燃烧或混合燃烧的燃烧器；该燃烧器能够避免燃料聚集而导致的局部燃烧温度过高，从而抑制热力型NOx的形成，并且增强了对燃烧原料的适应性，提高了生物质或天然气燃烧的稳定性。
本发明的技术方案是：一种用于生物质和天然气单独燃烧或混合燃烧的燃烧器，包括中心管，中心管的外部依次套接有内一次风套筒、内二次风套筒、天然气风套筒和外二次风套筒；中心管、内一次风套筒、内二次风套筒、天然气风套筒和外二次风套筒的一端均连通预燃室；预燃室外部设置有燃尽风套筒，燃尽风套筒与预燃室内部连通；所述中心管内设置有的一端设置有延伸至预燃室内的用于点火的枪体和高能点火器，以及提供枪体和高能点火器在中心管内移动的点火推进器；所述内二次风套筒的出口处设置有均匀分布的多个第二径向挡板；内二次风套筒的出口处还设置有用于调节内二次风量的内二次风扩口；所述天然气风套筒的出口处设置有均匀分布的多个第一径向挡板；且第一径向挡板和第二径向挡板分布方向交错。
更进一步的，本发明的特点还在于：
其中燃尽风套筒与预燃室之间环形通道的出口为燃尽风直流喷口，通过燃尽风直流喷口向预燃室内通入燃尽风，且该环形通道与预燃室之间设置有燃尽风旋流喷口。
其中燃尽风旋流喷口沿预燃室的出口轴线方向周向对称开设，且燃尽风旋流喷口的周向定位角度为25°-35°。
其中燃尽风直流喷口与燃尽风旋流喷口的直径比为1:1.5-2。
其中内一次风套筒和中心管之间的环形通道用于向预燃室输送生物质燃料，且内一次风套筒上设有内一次风入口。
其中内二次风套筒和内一次风套筒之间的环形通道用于向预燃室输送内二次风，且内二次风套筒上开设有内二次风入口，内二次风套筒内设置有第二切向旋流叶片。
其中内二次风套筒与内一次风套筒之间的环形通道内设置有周向挡板，周向挡板与内二次风套筒之间的距离为所述环形通道环形间隙的1/4-1/3。
其中天然气风套筒和内二次风套筒之间的环形通道用于向预燃室输送天然气，且天然气风套筒上设有天然气风入口。
其中外二次风套筒和天然气风套筒之间的环形通道用于向预燃室输送外二次风，外二次风套筒上设有外二次风入口，外二次风套筒内设置有第一切向旋流叶片。
其中枪体为油枪或燃气枪。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：该燃烧器通过合理组织结构，提高生物质或天然气单独燃烧或混烧的稳定性，同时降低燃烧过程中产生的NOx。该燃烧器供风方式分为内一次风、内二次风、天然气或直流中二次风、外二次风、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，对于生物质单独燃烧，选择内一次风通道输送燃料，选择内二次风风道、直流中二次风风道与燃尽风风道送风，外二次风风道关闭；对于天然气单独燃烧，选择内一次风与天然气风风道通天然气，内二次风风道、外二次风风道与燃尽风风道送风；对于生物质与天然气混烧，选择内一次风通道输送生物质，天然气风通道输送天然气，内二次风风道、外二次风风道与SOFA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。
进一步的，本发明内二次风通道尾端设置有第二径向挡板，挡板个数为12个，且均匀分布；第二径向挡板连接有周向挡板，挡板位于内一次风套筒与内二次风套筒间的环形通道内，与内二次风套筒距离为1/3～1/4环形间隙，使得部分内二次风射向天然气直流风方向，部分内二次风射向内一次风方向，有利于内二次风与从天然气风道和内一次风风道分别通入的燃料混合均匀，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。
进一步的，天然气风通道尾端设置有第一径向挡板，挡板个数为12个，均匀分布；所述的天然气风通道尾端的径向挡板与所述的内二次风通道尾端的径向挡板交错分布，使得天然气直流风通道内所通天然气与内二次风通道内所通空气间隔分布，有利于天然气与空气混合均匀，同时挡板也避免天然气在预燃室内聚结导致的局部燃烧温度过高，避免热力型NOx生成。
进一步的，本发明燃尽风直流喷口产生的直流燃尽风可防止燃烧器出口结渣，燃尽风旋流喷口产生的旋流燃尽风卷吸烟气，可以降低局部燃烧温度，抑制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方向剖视图。
图中：1为点火推进器；2为枪体；3为高能点火器；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为内二次风套筒；9为天然气风入口；10为天然气风套筒；11为外二次风入口；12为外二次风套筒；13为燃尽风入口；14为燃尽风套筒；15为预燃室壳体；16为预燃室；17为燃尽风直流喷口；18为燃尽风旋流喷口；19为内二次风扩口；20为第一径向挡板；21为第二径向挡板；22为第一切向旋流叶片；23为第二切向旋流叶片；24为周向挡板。
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生物质和天然气单独燃烧或混合燃烧的燃烧器，如图1所示，包括中心管4，中心管4内部设置有枪体2和高能点火器3，优选的枪体2为油枪或者燃气枪；中心管4的一端设置有点火推进器1，点火推进器1能够使枪体2和高能点火器3在中心管4内移动；中心管4的另一端与预燃室16连通，且枪体2和高能点火器3伸入到预燃室16内；预燃室16的内壁为弧形。
中心管4的外部设置有内一次风套筒5，内一次风套筒5与中心管4之间的环形通道为内一次风道，且内一次风套筒5上开有内一次风口6；内一次风套筒5的外部设置有内二次风套筒8，内二次风套筒8与内一次风套筒5之间的环形通道为内二次风风道，且内二次封套筒8上开有内二次风口7；内二次风套筒8的外部设置有天然气风套筒10，天然气风套筒10与内二次风套筒8之间的环形通道为天然气风风道，天然气风套筒10上开有天然气风口9；天然气风套筒10外部设置有外二次风套筒12，外二次风套筒12与天然气风套筒10之间的环形通道为外二次风通道，且外二次风套筒12上开有外二次风口11。且上述内一次风道、内二次风道、天然气风道和外二次风道均与预燃室16连通。
预燃室壳体15为预燃室16的外部壳体，且预燃室壳体15外部设置有燃尽风套筒14，燃尽风套筒14与预燃室壳体15之间的环形通道为燃尽风风道，且燃尽风风道的出口为燃尽风直流喷口17，且燃尽风风道与燃烧室16之间还设置有燃尽风旋流喷口18，且燃尽风旋流喷口18沿预燃室16出口轴线方向周向对称开设，优选其个数为20，且燃尽风旋流喷口18周向定位角的范围为25°-35°，使燃尽风能够围绕预燃室出口轴线方向形成旋转气流。
如图2所示，内二次风套筒8内均匀分布有若干个第二切向旋流叶片23，第二切向旋流叶片23的旋流角度范围为50°-70°；如图1和4所示，内二次风套筒8靠近燃烧室16的出口处的内壁上设置有第二径向挡板21和轴向挡板24，且轴向挡板24与内二次风套筒8之间的距离为内二次风通道直径的1/4-1/3，并且如图1所示，内二次风套筒8的出口处设置有内二次风扩口19，且内二次风扩口19向外扩口的角度为20°-40°，内二次风扩口19设置在预燃室16内。如图4所示，天然气风套筒10的出口处设置有第一径向挡板20，第一径向挡板20。
其中第二径向挡板21和第一径向挡板20交错设置。
如图3所示，外二次风套筒12内设置有第一切向旋流叶片22，第一切向旋流叶片22的旋流角度为50°-70°。
本发明的工作过程是：
首先，将内二次风、直流中二次风和外二次风分别通过内二次风入口7、天然气风入口9和外二次风入口11通入内二次风风道、天然气风风道和外二次风风道，并进入预燃室16内，对预燃室16进行至少1分钟的吹扫。
然后将点火推进器1向前运行，将高能点火器3和枪体2送入到指定点火位置。高能点火器3工作，点燃枪体2出口的油料或燃气。针对生物质或天然气或二者混燃工况，调节投用风方式如下：对于生物质单独燃烧，选择内一次风风道输送燃料，选择内二次风风道、天然气风风道与燃尽风风道送风，外二次风风道关闭；对于天然气单独燃烧，选择内一次风风道与天然气风风道通天然气，内二次风风道、外二次风风道与燃尽风风道送风；对于生物质与天然气混烧，选择内一次风风道输送生物质，天然气风风道输送天然气，内二次风风道、外二次风风道与燃尽风风道送风；这样，内二次风风道内的周向挡板24将内二次风分为射向生物质与射向天然气两部分，内二次风风道内的第二径向挡板21与天然气风风道内的第一径向挡板20交错分布，使得射向天然气的部分内二次风与天然气混合均匀，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；第一切向旋流叶片22和第二切向旋流叶片23产生的旋流二次风卷吸周围高温烟气稳定燃烧，同时回流的高温烟气中氧气含量较低，进一步降低NOx生成。
对于单独燃烧生物质，由内一次风入口6送入生物质与空气混合物；对于天然气燃烧单独，由内一次风6与天然气风入口9送入天然气；对于天然气与生物质混燃，由内一次风入口6送入生物质，由天然气风入口9送入天然气。
燃尽风由燃尽风入口13送入，在燃尽风风道内流动，并由预燃室壳体15内开设的直流喷口17与旋流喷口18喷入预燃室16。直流喷口17于预燃室壳体15末端外缘沿轴线开设，使燃尽风直流喷入预燃室16，防止燃烧器出口结渣；燃尽风旋流喷口18沿预燃室出口轴线方向周向对称开设，优选个数为20，燃尽风旋流喷口18周向定位角为25°-35°，使燃尽风能够围绕预燃室16出口轴线方向形成旋转气流，从而燃尽风在补充氧气使燃料充分燃烧的同时，还能卷吸大量高温烟气，稳定预燃室16内燃烧，同时营造缺氧环境，维持预燃室16内还原性气氛，促进NOx还原。
待预燃室16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。
本发明的使用方法为：
当单独燃烧生物质时，生物质与空气混合物由内一次风入口6送入，并在内一次风风道内流动；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；直流中二次风由天然气风入口9送入，并在天然气风风道内流动；外二次风入口11封闭不用；燃尽风由燃尽风入口13送入，并在燃尽风风道内流动。
当单独燃烧天然气时，天然气由内一次风入口6与天然气风入口9送入；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11送入，并在外二次风风道内流动；燃尽风由燃尽风入口13送入，并在燃尽风风道内流动。
当生物质与天然气混烧时，生物质与空气混合物由内一次风入口6送入，并在内一次风风道内流动；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；天然气由天然气风入口9送入，并在天然气风风道内流动；外二次风由外二次风入口11送入，并在外二次风风道内流动；燃尽风由燃尽风入口13送入，并在燃尽风风道内流动。
本发明的工作原理是：在内二次风套筒8内设置周向挡板24与第二径向挡板21，在天然气风套筒10内设置第一径向挡板20，第一径向挡板20和第二径向挡板21交错分布，使得通入燃料有天然气时，能够使射向天然气的部分内二次风与天然气混合均匀；同时，该设计也将天然气分散开，避免天然气聚集而导致局部燃烧温度过高，降低热力型NOx生成；当燃烧器单独燃烧天然气时，利用空气作助燃剂，理论燃烧温度可达到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。
内二次风套筒8与外二次风套筒12内分别设置有第二切向旋流叶片23和第二切向旋流叶片22，使内二次风与外二次风旋流；同时，燃尽风由燃尽风入口送入，并由预燃室壳体15内开设的燃尽风旋流喷口18与燃尽风直流喷口17喷入预燃室；燃尽风直流喷口17于预燃室壳体15末端外缘沿轴线开设，使燃尽风直流喷入预燃室，防止燃烧器出口结渣；燃尽风旋流喷口18沿预燃室16出口轴线方向周向对称开设，使燃尽风能够围绕预燃室16出口轴线方向形成旋转气流。这样，旋流风在补充氧气使燃料充分燃烧的同时，还能卷吸大量高温烟气，稳定预燃室内燃烧，同时营造缺氧环境，维持预燃室内还原性气氛，促进NOx还原。
Claims (8)
1.一种用于生物质和天然气单独燃烧或混合燃烧的燃烧器，其特征在于，包括中心管(4)，中心管(4)的外部依次套接有内一次风套筒(5)、内二次风套筒(8)、天然气风套筒(10)和外二次风套筒(12)；中心管(4)、内一次风套筒(5)、内二次风套筒(8)、天然气风套筒(10)和外二次风套筒(12)的一端均连通预燃室(16)；预燃室(16)外部设置有燃尽风套筒(14)，燃尽风套筒(14)与预燃室(16)内部连通；
所述中心管(4)内的一端设置有延伸至预燃室(16)内的用于点火的枪体(2)和高能点火器(3)，以及设置有用于枪体(2)和高能点火器(3)在中心管(4)内移动的点火推进器(1)；
所述内二次风套筒(8)的出口处设置有均匀分布的多个第二径向挡板(21)；内二次风套筒(8)的出口处还设置有用于调节内二次风量的内二次风扩口(19)；
所述天然气风套筒(10)的出口处设置有均匀分布的多个第一径向挡板(20)；
所述第一径向挡板(20)和第二径向挡板(21)分布方向交错；
所述内一次风套筒(5)和中心管(4)之间的环形通道用于向预燃室(16)输送生物质燃料，且内一次风套筒(5)上设有内一次风入口(6)；
所述内二次风套筒(8)和内一次风套筒(5)之间的环形通道用于向预燃室(16)输送内二次风，且内二次风套筒(8)上开设有内二次风入口(7)，内二次风套筒(8)内设置有第二切向旋流叶片(23)。
2.根据权利要求1所述的用于生物质和天然气单独燃烧或混合燃烧的燃烧器，其特征在于，所述燃尽风套筒(14)与预燃室(16)之间环形通道的出口为燃尽风直流喷口(17)，通过燃尽风直流喷口(17)向预燃室(16)内通入燃尽风，且该环形通道与预燃室(16)之间设置有燃尽风旋流喷口(18)。
3.根据权利要求2所述的用于生物质和天然气单独燃烧或混合燃烧的燃烧器，其特征在于，所述燃尽风旋流喷口(18)沿预燃室(16)的出口轴线方向周向对称开设，且燃尽风旋流喷口(18)的周向定位角度为25°-35°。
4.根据权利要求3所述的用于生物质和天然气单独燃烧或混合燃烧的燃烧器，其特征在于，所述燃尽风直流喷口(17)与燃尽风旋流喷口(18)的直径比为1:1.5-2。
5.根据权利要求1所述的用于生物质和天然气单独燃烧或混合燃烧的燃烧器，其特征在于，所述内二次风套筒(8)与内一次风套筒(5)之间的环形通道内设置有周向挡板(24)，周向挡板(24)与内二次风套筒之间的距离为所述环形通道环形间隙的1/4-1/3。
6.根据权利要求1所述的用于生物质和天然气单独燃烧或混合燃烧的燃烧器，其特征在于，所述天然气风套筒(10)和内二次风套筒(8)之间的环形通道用于向预燃室(16)输送天然气，且天然气风套筒(10)上设有天然气风入口(9)。
7.根据权利要求1所述的用于生物质和天然气单独燃烧或混合燃烧的燃烧器，其特征在于，所述外二次风套筒(12)和天然气风套筒(10)之间的环形通道用于向预燃室(16)输送外二次风，外二次风套筒(12)上设有外二次风入口(11)，外二次风套筒(12)内设置有第一切向旋流叶片(22)。
8.根据权利要求1所述的用于生物质和天然气单独燃烧或混合燃烧的燃烧器，其特征在于，所述枪体(2)为油枪或燃气枪。
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