CN109297019A - 一种具有圆柱形火焰面的大气式火排燃烧器 - Google Patents

一种具有圆柱形火焰面的大气式火排燃烧器 Download PDF

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赵钦新
倪永涛
王云刚
梁志远
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    • F23D14/64—Mixing devices; Mixing tubes with injectors

Abstract

本发明一种具有圆柱形火焰面的大气式火排燃烧器，包括二次风管，以及以二次风管为圆周中心呈环状设置的一圈内混合气管；二次风管末端封闭，侧壁上设置有若干出风口，在圆周中心朝四周辐射二次风；内混合气管采用大气引射式燃烧方式，其过量空气系数小于1；内混合气管的火孔均朝外布置，形成圆柱形火焰面，相邻内混合气管之间呈间隙设置；内混合气管前端设有第一进水集箱，内混合气管后端设有第一出水集箱；第一进水集箱和第一出水集箱之间的第一水冷通道沿内混合气管的火孔一侧设置。采用大气式燃烧方法，通过优化燃烧器设计，实现一次风系数的大范围调节，达到空燃比接近于1的工况，燃烧器结构精巧，大幅缩小了燃烧器体积。

Description

一种具有圆柱形火焰面的大气式火排燃烧器
技术领域
本发明涉及燃气锅炉中配套的大气式火排燃气燃烧器，具体为一种具有圆柱形火焰面的大气式火排燃烧器。
背景技术
随着国家环保、节能政策的发布实施，我国许多城市开始控制燃煤锅炉的建造，而作为使用清洁能源的中小型燃气锅炉以其方便快捷、热效率高、污染小的优良品质而受到市场青睐，成为替代燃煤锅炉的理想产品。
冷凝燃气锅炉由于其高能效低排放，逐渐成为我国燃气锅炉市场的主流。如今，冷凝燃气锅炉的燃烧器多为全预混燃烧器，但是全预混燃烧器有许多问题。尽管全预混燃烧器宣传其烟气含氧量低，但是真实排放情况并非如此，烟气中含氧量高，影响冷凝燃气锅炉效率。全预混燃烧器对设备的要求高，比如金属网上有很多的微小孔隙，使用一段时间后空气中的杂质堵塞小孔，需要定期清洗。全预混燃烧器容易产生燃烧震荡问题，且消除手段复杂，并且稳定燃烧范围低，更容易回火和脱火。全预混燃烧器的阀组控制装置全由外国公司垄断，国内产品想突破十分困难，但是大气式燃烧器的设备全部可以国产化，有利于摆脱对外国的依赖。
传统大气式火排式燃烧器由于其火力猛、功效高，目前已被普遍使用在各种燃气用具当中。然而目前市面上存在的火排式燃烧器均为板型布置，平面燃烧，占用炉膛面积大，燃气燃烧不充分，降低了燃烧器的功效且污染物排放大。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种具有圆柱形火焰面的大气式火排燃烧器，采用大气式燃烧方法，通过优化燃烧器设计，实现一次风系数的大范围调节，达到空燃比接近于1的工况，燃烧器结构精巧，大幅缩小了燃烧器体积。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种具有圆柱形火焰面的大气式火排燃烧器，包括二次风管，以及以二次风管为圆周中心呈环状设置的一圈内混合气管；所述的二次风管末端封闭，侧壁上设置有若干出风口，在圆周中心朝四周辐射二次风；所述的内混合气管采用大气引射式燃烧方式，其过量空气系数小于1；内混合气管的火孔均朝外布置，形成圆柱形火焰面，相邻内混合气管之间呈间隙设置；所述的内混合气管前端设有第一进水集箱，内混合气管后端设有第一出水集箱；第一进水集箱和第一出水集箱之间的第一水冷通道沿内混合气管的火孔一侧设置。
优选的，内混合气管包括依次连接的减缩圆锥型第一引射段，圆柱形第一喉管段，圆转方型的第一扩散段，第一整流段，流通面积减缩的第一矩形分配段，一端设置在减缩圆锥型第一引射段内的压力可调的第一引射管，以及设置在第一矩形分配段外侧出口端的第一缝隙式火孔；第一水冷通道布置在第一缝隙式火孔两侧。
进一步，共设置有两种长度的第一整流段，内混合气管在沿圆周布置时交替采用两种长度的混合气管使其在炉膛内部沿轴向错开。
优选的，内混合气管外部同心设置有一圈呈环状布置的外混合气管；
所述的外混合气管为两级引射预混式燃烧，其过量空气系数大于1，所用燃气量为燃烧器总燃气量的80％～90％；内混合气管所用燃气量为燃烧器总燃气量的10％～20％；外混合气管火孔均朝外布置，形成圆柱形火焰面，相邻外混合气管之间呈间隙设置；
所述的外混合气管前端设有第二进水集箱，外混合气管后端设有第二出水集箱；第二进水集箱和第二出水集箱之间的第二水冷通道沿外混合气管的火孔一侧设置。
进一步，所述的外混合气管包括依次连接的二级引射器渐缩圆锥型第二引射段，二级引射器圆柱形第二喉管段，二级引射器圆转方型的第二扩散段，第二整流段，流通面积减缩的第二矩形分配段，出口端设置在二级引射器渐缩圆锥型第二引射段内的一级引射器，一端设置在一级引射器入口端内的压力可调的第二引射管，以及设置在第二矩形分配段外侧出口端的第二缝隙式火孔；第二水冷通道布置在第二缝隙式火孔两侧。
进一步，共设置有两种长度的第二整流段，外混合气管在沿圆周布置时交替采用两种长度的混合气管使其在炉膛内沿轴向错开。
进一步，所述的第一进水集箱和第二进水集箱均包括若干独立水腔，每个独立水腔连通一个对应的第一水冷通道或第二水冷通道，第一水冷通道的出水进入第一出水集箱，第二水冷通道的出水进入第二出水集箱。
进一步，缝隙式火孔均由交替固定在对应矩形分配段外侧出口端两侧的肋片压缩形成；两侧的肋片相互插接形成的肋片间缝隙作为缝隙式火孔。
优选的，所述的二次风管内部同轴设置有等压填充器，在深入炉膛部分沿轴向和周向均匀设置出风口，出风口方向指向相邻内混合气管间隙。
进一步，所述的等压填充器呈圆锥体设置，直径从上游到下游渐变增大，用于使二次风管内二次风沿轴向等压分布。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明中心二次风管向外均匀喷射二次风，保证了内混合气管燃烧的稳定性，助燃二次风使燃气完全燃尽，减少了CO的排放，并将内火孔混合气燃烧生成的烟气带入燃烧器外部，实现烟气再循环，进一步降低排放。并且由于内混合气管和二次风管的布置，使本燃烧器火焰稳定性增强，有效防止脱火现象的发生。本发明采用空气径向分级和内部烟气再循环技术提高燃烧效率并降低氮氧化物，可实现30mg/m3超低NOx排放。本发明摒弃了传统火排式燃烧器只能形成平板式火焰面排列的结构，使混合气管按圆周等距排列形成圆柱形火焰面排列的结构，使火排式燃烧器结构紧凑，体积小，更适合铸铝硅、铜翅片、不锈钢等商用燃气冷凝式锅炉的圆柱体炉膛空间。
进一步，本发明通过设置外混合气管，从而实现燃气周向分级、空气分级、烟气再循环和水冷火焰技术技术，大部分通过外混合气管中从周向喷出，混合气在火孔受到第二水冷通道的冷却，降低了燃烧温度，有效防止回火现象，并在炉膛被换热装置继续冷却，因此火焰温度比常规火排式燃烧器低，有效降低了NOx的排放。
进一步的，将大约90％的混合气自本发明所示的燃烧器的外混合气管中周向喷出，10％的混合气自内混合管向外喷射燃烧。少部分混合气自内混合管向外喷射燃烧，燃烧产生的烟气与二次风从外混合气管间隙进入炉膛，降低了外混合气的氧气浓度与温度，实现内部烟气再循环。
进一步，二次风管为强制送风，由电磁阀控制，精确控制二次风量，配合一次风可适应不同工况的要求。
进一步的，由于外混合气管众多，单一集箱会造成流速不足、分配不均等问题，因此，本发明将第二进水集箱内隔绝成多部分，每部分单独设置进水管。
附图说明
图1为本发明的主视图。
图2为本发明的右视图。
图3为本发明的左视图。
图4a为本发明的内混合气管主视图。
图4b为本发明的内混合气管俯视图。
图5a为本发明外混合气管的主视图。
图5b为本发明外混合气管的俯视图。
图6为本发明火孔局部放大图。
图7为本发明二次风管主视图。
图中：内混合气管1，第一引射段1-1，第一喉管段1-2，第一扩散段1-3，第一矩形分配段1-4，第一缝隙式火孔1-5，第一引射管1-6，第一整流段1-7，第一水冷通道1-8，外混合气管2，第二引射段2-1，第二喉管段2-2，第二扩散段2-3，第二矩形分配段2-4，第二缝隙式火孔2-5，第二引射管2-6，第二整流段2-7，第二水冷通道2-8，一级引射器2-9，肋片2-10，二次风管3，等压填充器3-1，出风口3-2，第二进水集箱4，第二出水集箱5。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明一种具有圆柱形火焰面的大气式火排燃烧器，适用于2.8MW以内的商业燃气采暖锅炉，采用大气式燃烧技术，并比传统大气式火排燃烧器进一步缩小燃烧器体积，降低火焰温度，减少NOx排放。
其包括二次风管3，以二次风管3为圆周中心，由内向外同心布置有一圈内混合气管1和一圈外混合气管2，内混合气管1和外混合气管2之间径向呈等距布置，内混合气管1前端设有第一进水集箱，内混合气管1后端设有第一出水集箱；外混合气管2前端设有第二进水集箱4，外混合气管2后端设有第二出水集箱5。
本优选实例中，内混合气管1、外混合气管2呈同心圆周等距布置，内混合气管1布置在里，外混合气管2布置在外，火孔朝外布置，形成的火焰面为圆柱形，二次风管3在圆周中心朝四周辐射二次风，可有效节省燃烧器体积，充分利用炉膛空间。
其中，内混合气管1为大气引射式燃烧方式，其过量空气系数小于1，所用燃气量为10％～20％，如图4a和图4b所示，结构上包括依次连接的压力可调的第一引射管1-6，减缩圆锥型第一引射段1-1，圆柱形第一喉管段1-2，圆转方型的第一扩散段1-3，第一整流段1-7，流通面积减缩的第一矩形分配段1-4，肋片2-10压缩形成的第一缝隙式火孔1-5；以及布置在第一缝隙式火孔1-5周围的矩形第一水冷通道1-8，第一缝隙式火孔1-5设置在第一矩形分配段1-4的出口端；采用两种长度的第一整流段1-7，使其在沿圆周布置时交替采用两种长度的混合气管使其在炉膛外沿轴向错开，可增加同一圆周可布置的内混合气管1的数量。
其中，外混合气管2为两级引射预混式燃烧，其过量空气系数大于1，所用燃气量占80％～90％，如图5a、图5b和图6所示，其结构包括依次连接的压力可调的第二引射管2-6，一级引射器2-9，二级引射器渐缩圆锥型第二引射段2-1，二级引射器圆柱形第二喉管段2-2，二级引射器圆转方型的第二扩散段2-3，第二整流段2-7流通面积减缩的第二矩形分配段2-4，肋片2-10压缩形成的第二缝隙式火孔2-5，以及布置在第二缝隙式火孔2-5周围的矩形第二水冷通道2-8，第二缝隙式火孔2-5设置在第二矩形分配段2-4的出口端；采用两种长度的第二整流段2-7，沿圆周布置时交替采用两种长度的混合气管使其在炉膛内沿轴向错开，可增加同一圆周可布置的混合气管的数量；其中第二缝隙式火孔2-5肋片2-10由导热系数高的材料制成，如铜等。
内混合气管1的第一缝隙式火孔1-5由肋片2-10相互叠加压缩形成的缝隙组成，在第一缝隙式火孔1-5的两侧为第一水冷通道，肋片2-10加强了第一水冷通道冷却混合气的效果，防止发生回火，降低火焰温度和燃烧器温度，可延长燃烧器寿命，降低污染物排放。
外混合气管2的第二缝隙式火孔2-5由肋片2-10相互叠加压缩形成的缝隙组成，在第二缝隙式火孔2-5的两侧为第二水冷通道2-8，肋片2-10加强了第二水冷通道2-8冷却混合气的效果，防止发生回火，降低火焰温度和燃烧器温度，可延长燃烧器寿命，降低污染物排放。
二次风管3是强制送风，风量由电磁阀控制可精确调节，如图7所示，内部装有等压填充器3-1，在深入炉膛部分沿轴向和周向均匀设置出风口3-2，出风口方向指向相邻内混合气管1间隙。
等压填充器3-1为外表面光滑的材料构成，其直径渐变，可以使二次风管3内二次风沿轴向等压分布。
第二进水集箱4由互不相通的多部分组成，每部分配置有一个进水管，给第二水冷通道2-8均匀供水。第一进水集箱由互不相通的多部分组成，每部分配置有一个进水管，给第一水冷通道1-8均匀供水。
外混合气管2采用两级引射器，可使提高引射效率增加引射系数，使外混合气管2引射的一次风系数超过1，实现预混燃烧。
燃烧器属组合式燃烧器，圆周中心二次风管和内混合气管组合可独立形成大气式燃烧器；而外混合气管也可独立形成两级引射全预混燃烧器。
具体的，参见图1、图2和图3，一种具有圆柱形火焰面的大气引射式火排燃烧器，包括内混合气管1，数根内混合气管1和外混合气管2同心圆周等距布置，圆周中心为二次风管3，内混合气管1外围布置有外混合气管2，内混合气管1前端设有第一进水集箱，内混合气管1后端设有第一出水集箱，外混合气管2前端设有第二进水集箱4，外混合气管2后端设有第二出水集箱5。
从气路来看，本发明的每根内混合气管1单独引射，内混合气管1所用燃气约占总燃气量的10％～20％，混合气由燃气喷头第一引射管1-6喷射燃气，引射空气进入第一引射段1-1，其引射空气的空燃比小于1，喷入的燃气和吸入的空气在第一引射段1-1的第一喉管段1-2和第一扩散段1-3混合后，进入内混合气管1的第二整流段1-7和第一矩形分配段1-4，混合气在沿轴向均匀通过条缝型的第一缝隙式火孔1-5朝外混合气管2间隙喷出燃烧，并通过二次风管3喷出的二次风使CO含量降低，燃烧的烟气被送进炉膛，实现内部烟气再循环。第一缝隙式火孔1-5外为第一水冷通道1-8，第一水冷通道1-8在火孔段由于流通通道变窄，冷却水流速增加，加强了冷却效果，并且由于肋片2-10的影响，进一步增加了水冷效果，降低了回火风险。
从水路上看，第一水冷通道的入水由第一进水集箱提供，第一进水集箱内部分为多个独立水腔，保障各个第一水冷通道1-8进水均匀，第一水冷通道1-8的出水进入第一出水集箱。
本发明的外混合气管2也为单独引射，所用燃气占总燃气的80％～90％，采用两级引射器方法引射空气，使其引射的空燃比大于1，在第二扩散段2-3混合后，进入第二整流段2-7和等压第二矩形分配段2-4，混合气从第二矩形分配段2-4进入由许多肋片2-10间隙形成的第二缝隙式火孔2-5，第二缝隙式火孔2-5外为第二水冷通道2-8，第二水冷通道2-8在火孔段由于流通通道变窄，冷却水流速增加，加强了冷却效果，并且由于肋片2-10的影响，进一步增加了水冷效果，降低了回火风险。二次风通过强制送风的二次风管3送入炉膛，通过二次风管3周围的出风口向内混合气管1间隙送入二次风助燃。内混合气和二次风在燃烧后，形成的烟气从外混合气管2间隙送入炉膛，形成内部烟气再循环，降低污染物排放。从水路上看，第二水冷通道2-8的入水由第二进水集箱4提供，第二进水集箱4内部分为多个独立水腔，保障各个第二水冷通道2-8进水均匀，第二水冷通道2-8的出水进入第二出水集箱5。
本发明采用燃气分级和空气分级和烟气再循环技术，大约80％～90％的混合气自本发明所示的燃烧器的外混合气管2中周向喷出，混合气在火孔受到第二水冷通道2-8的冷却，降低了燃烧温度，有效防止回火现象，并在炉膛被换热装置继续冷却，因此火焰温度比常规火排式燃烧器低，有效降低了NOx的排放。10％～20％的混合气自内混合管1向外喷射燃烧，燃烧产生的烟气与二次风从外混合气管2间隙进入炉膛，降低了外混合气的氧气浓度与温度，实现内部烟气再循环。
中心二次风管3向外均匀喷射二次风，保证了内混合气管1燃烧的稳定性，助燃二次风使燃气完全燃尽，减少了CO的排放，并将内火孔混合气燃烧生成的烟气带入燃烧器外部，实现烟气再循环，进一步降低排放。并且由于内混合气管1和二次风管3的布置，使本燃烧器火焰稳定性增强，有效防止脱火现象的发生。
本发明采用燃气周向分级、空气径向分级、内部烟气再循环和水冷火焰技术提高燃烧效率并降低氮氧化物，可实现30mg/m3超低NOx排放。本发明摒弃了传统火排式燃烧器只能形成平板式火焰面排列的结构，使混合气管按圆周等距排列形成圆柱形火焰面排列的结构，使火排式燃烧器结构紧凑，体积小，更适合铸铝硅、铜翅片、不锈钢等商用燃气冷凝式锅炉的圆柱体炉膛空间。由于内混合气管1和外混合气管2众多，单一集箱会造成流速不足、分配不均等问题，因此，本发明将呈环状设置的第一进水集箱和第二进水集箱4内隔绝成多部分，每部分单独设置进水管。二次风管3为强制送风，由电磁阀控制，精确控制二次风量，配合一次风可适应不同工况的要求。
本燃烧器属组合式燃烧器，可以适应多种炉膛，圆周中心二次风管和内混合气管组合可独立形成大气式燃烧器；而外混合气管也可独立形成两级引射全预混燃烧器。

Claims (10)

1.一种具有圆柱形火焰面的大气式火排燃烧器，其特征在于，包括二次风管(3)，以及以二次风管(3)为圆周中心呈环状设置的一圈内混合气管(1)；
所述的二次风管(3)末端封闭，侧壁上设置有若干出风口，在圆周中心朝四周辐射二次风；
所述的内混合气管(1)采用大气引射式燃烧方式，其过量空气系数小于1；内混合气管(1)的火孔均朝外布置，形成圆柱形火焰面，相邻内混合气管(1)之间呈间隙设置；
所述的内混合气管(1)前端设有第一进水集箱，内混合气管(1)后端设有第一出水集箱；第一进水集箱和第一出水集箱之间的第一水冷通道(1-8)沿内混合气管(1)的火孔一侧设置。
2.根据权利要求1所述的一种具有圆柱形火焰面的大气式火排燃烧器，其特征在于，内混合气管(1)包括依次连接的减缩圆锥型第一引射段(1-1)，圆柱形第一喉管段(1-2)，圆转方型的第一扩散段(1-3)，第一整流段(1-7)，流通面积减缩的第一矩形分配段(1-4)，一端设置在减缩圆锥型第一引射段(1-1)内的压力可调的第一引射管(1-6)，以及设置在第一矩形分配段(1-4)外侧出口端的第一缝隙式火孔(1-5)；第一水冷通道(1-8)布置在第一缝隙式火孔(1-5)两侧。
3.根据权利要求2所述的一种具有圆柱形火焰面的大气式火排燃烧器，其特征在于，共设置有两种长度的第一整流段(1-7)，内混合气管(1)在沿圆周布置时交替采用两种长度的混合气管使其在炉膛内部沿轴向错开。
4.根据权利要求1所述的一种具有圆柱形火焰面的大气式火排燃烧器，其特征在于，内混合气管(1)外部同心设置有一圈呈环状布置的外混合气管(2)；
所述的外混合气管(2)为两级引射预混式燃烧，其过量空气系数大于1，所用燃气量为燃烧器总燃气量的80％～90％；内混合气管(1)所用燃气量为燃烧器总燃气量的10％～20％；外混合气管(2)火孔均朝外布置，形成圆柱形火焰面，相邻外混合气管(2)之间呈间隙设置；
所述的外混合气管(2)前端设有第二进水集箱(4)，外混合气管(2)后端设有第二出水集箱(5)；第二进水集箱(4)和第二出水集箱(5)之间的第二水冷通道(2-8)沿外混合气管(2)的火孔一侧设置。
5.根据权利要求4所述的一种具有圆柱形火焰面的大气式火排燃烧器，其特征在于，所述的外混合气管(2)包括依次连接的二级引射器渐缩圆锥型第二引射段(2-1)，二级引射器圆柱形第二喉管段(2-2)，二级引射器圆转方型的第二扩散段(2-3)，第二整流段(2-7)，流通面积减缩的第二矩形分配段(2-4)，出口端设置在二级引射器渐缩圆锥型第二引射段(2-1)内的一级引射器(2-9)，一端设置在一级引射器(2-9)入口端内的压力可调的第二引射管(2-6)，以及设置在第二矩形分配段(2-4)外侧出口端的第二缝隙式火孔(2-5)；第二水冷通道(2-8)布置在第二缝隙式火孔(2-5)两侧。
6.根据权利要求5所述的一种具有圆柱形火焰面的大气式火排燃烧器，其特征在于，共设置有两种长度的第二整流段(2-7)，外混合气管(2)在沿圆周布置时交替采用两种长度的混合气管使其在炉膛内沿轴向错开。
7.根据权利要求4所述的一种具有圆柱形火焰面的大气式火排燃烧器，其特征在于，所述的第一进水集箱和第二进水集箱(4)均包括若干独立水腔，每个独立水腔连通一个对应的第一水冷通道或第二水冷通道(2-8)，第一水冷通道的出水进入第一出水集箱，第二水冷通道(2-8)的出水进入第二出水集箱(5)。
8.根据权利要求2-7中任意一项所述的一种具有圆柱形火焰面的大气式火排燃烧器，其特征在于，缝隙式火孔均由交替固定在对应矩形分配段外侧出口端两侧的肋片(2-10)压缩形成；两侧的肋片(2-10)相互插接形成的肋片(2-10)间缝隙作为缝隙式火孔。
9.根据权利要求1所述的一种具有圆柱形火焰面的大气式火排燃烧器，其特征在于，所述的二次风管(3)内部同轴设置有等压填充器(3-1)，在深入炉膛部分沿轴向和周向均匀设置出风口(3-2)，出风口方向指向相邻内混合气管(1)间隙。
10.根据权利要求9所述的一种具有圆柱形火焰面的大气式火排燃烧器，其特征在于，所述的等压填充器(3-1)呈圆锥体设置，直径从上游到下游渐变增大，用于使二次风管(3)内二次风沿轴向等压分布。
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