CN109442403B - 双旋燃烧器及其燃烧控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种双旋燃烧器及其燃烧控制方法，该双旋燃烧器包括：燃气管路，包括中心燃料喷头；空气管路，包括内环空气旋流通道和外环空气旋流通道，所述内环空气旋流通道的下游出口端环绕所述中心燃料喷头的下游出口端设置，且所述外环空气旋流通道的下游出口端环绕所述内环空气旋流通道的下游出口端设置，所述内环空气旋流通道和所述外环空气旋流通道内分别设置有内环旋流器和外环旋流器，且所述内环旋流器和所述外环旋流器旋向相反。本发明的双旋燃烧器及其燃烧控制方法保证了燃料与空气在短时间混合均匀，减少了由于火焰热斑而产生的NOx污染并提高了燃烧效率。

Description

双旋燃烧器及其燃烧控制方法
技术领域
本发明涉及燃烧器领域，更具体地涉及一种双旋燃烧器及其燃烧控制方法。
背景技术
近年来，随着“西气东输”工程的完工和“煤改气”政策的推广，天然气作为一种优质、高效、清洁能源在一次能源中所占的比重逐年增加。虽然天然气在燃烧时具有热效率高、SO2和粉尘排放少等优点，但其燃烧时产生的高温更易于生成氮氧化物NOx。随着人们环保意识的不断提高以及国家环保法律法规的逐渐完善，氮氧化物污染正逐渐引起大家的高度重视。
然而，现今使用的各种燃气工业炉的燃烧器大多为简单扩散式燃烧，即燃料气从一种大粗燃料管中喷射出来，空气从燃料管周围直流或单级旋流出来，喷射出的一股燃料流很难与空气流在短时间内混合均匀，容易产生热斑和火焰局部高温，产生大量的NOx并造成没有混合均匀的燃料燃烧不充分。因此，这种传统的燃烧方法存在产生大量NOx污染和燃料燃烧不充分的问题。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种双旋燃烧器及其燃烧控制方法，以至少部分解决上述的技术问题。
(二)技术方案
根据本发明的一个方面，提供了一种双旋燃烧器，包括：
燃气管路，包括中心燃料喷头；
空气管路，包括内环空气旋流通道和外环空气旋流通道，所述内环空气旋流通道的下游出口端环绕所述中心燃料喷头的下游出口端设置，且所述外环空气旋流通道的下游出口端环绕所述内环空气旋流通道的下游出口端设置，所述内环空气旋流通道和所述外环空气旋流通道内分别设置有内环旋流器和外环旋流器，且所述内环旋流器和所述外环旋流器旋向相反。
在一些实施例中，内环旋流器和所述外环旋流器均为轴向旋流器，或者均为径向旋流器。
在一些实施例中，内环空气旋流通道内还设置有控制其开度的风门。
在一些实施例中，中心燃料喷头为圆锥状结构并且圆锥侧面上均匀分布有多个第一燃料喷孔；所述第一燃料喷孔的轴线垂直于所述中心燃料喷头的圆锥面母线，并且所述中心燃料喷头的所述圆锥面母线与其轴线的夹角α为30°～60°。
在一些实施例中，燃气管路还包括沿所述中心燃料喷头周向分布的多根出燃支管，所述出燃支管被设置在所述内环空气旋流通道和所述外环空气旋流通道的出口下游。
在一些实施例中，内环空气旋流通道的出口截面积小于所述外环空气旋流通道的出口截面积；所述出燃支管位于所述外环空气旋流通道的出口下游的部分管径两侧半圆面上开设第二燃料喷孔，开设于所述出燃支管上。
在一些实施例中，出燃支管位于所述内环空气旋流通道的出口下游的部分管径两侧半圆面上未开设燃料喷孔，其中所述第二燃料喷孔的孔径约为所述第一燃料喷孔的孔径的1～2倍。
在一些实施例中，还包括燃烧口套筒，所述燃烧口套筒与所述外环空气旋流通道的下游出口端连接且由所述内环旋流器和所述外环旋流器产生的不同强度的强湍流剪切带形成于其内，并且所述燃烧口套筒的内壁面向中心渐缩且收缩角β为0～30°。
在一些实施例中，还包括点火器和离子火焰检测器，所述点火器的点火头被设置在所述出燃支管旁边，并且所述离子火焰检测器被设置在离子火焰检测器电路中，且其探头被设置在所述燃烧口套筒内。
在一些实施例中，还包括鼓风机，所述外环空气旋流通道的上游与所述鼓风机连接，所述鼓风机连接鼓风变频器以调节转速。
在一些实施例中，燃气管路还包括进燃总管，所述进燃总管从上游到下游依次设置有手动球阀、压力变送器和燃气电磁阀。
在一些实施例中，其中还包括PLC运行控制器，所述PLC运行控制器被设置在PLC运行控制器电路中，所述PLC运行控制器与所述燃气电磁阀、所述点火器、所述离子火焰检测器和所述鼓风变频器电性连接，并与所述压力变送器进行压力数据传输连接，所述双旋燃烧器还设有声讯报警器，当燃气总压值不在设定值范围内时并且运行中调节负荷火焰熄灭时，所述PLC运行控制器启动所述声讯报警器以发出警报声。
本发明的另一方面提供一种根据上述任一种的双旋燃烧器的燃烧控制方法，包括步骤：通过所述PLC运行控制器检测燃气总压值是否在设定值范围内，如果所述燃气总压值在所述设定值范围内，则进行以下步骤：首先通过PLC运行控制器电路控制所述鼓风机进行吹扫动作，随后所述鼓风机停机并转入点火程序；通过所述PLC运行控制器电路控制所述点火器与所述鼓风机同时工作，然后通过所述PLC运行控制器电路控制打开所述燃气电磁阀，所述点火器工作5～10秒后自行断电；当所述离子火焰检测器检测到火焰时，所述离子火焰检测器电路闭合，通过所述离子火焰检测器电路控制所述燃气电磁阀和所述鼓风机保持上电状态，视为点火成功，进入下一步骤；在点火成功之后，设置所述双旋燃烧器在设定负荷条件下工作。
在一些实施例中，设置所述双旋燃烧器在设定负荷条件下工作包括以下任一种方式：在低负荷运行条件下，将所述鼓风变频器负荷值调节为20％-40％，关闭所述内环空气旋流通道的风门并关小所述进燃总管上的所述手动球阀；在高负荷运行条件下，将所述鼓风变频器负荷值调节为100％，打开所述风门并开大所述手动球阀；在所述低负荷运行条件和所述高负荷运行条件之间的某个负荷运行条件下，通过调节所述风门以及所述手动球阀来实现不同的燃料和空气分配，以在所述燃烧口套筒内形成不同强度的强湍流剪切带。
(三)有益效果
从上述技术方案可看出，本发明的双旋燃烧器及其燃烧控制方法具有以下有益效果其中之一：
(1)内环旋流器和外环旋流器旋向相反，可产生不同强度的强湍流剪切带，这保证了燃料与空气在短时间混合均匀，减少了由于火焰热斑而产生的NOx污染并提高了燃烧效率；
(2)可通过调节风门控制内环空气旋流通道来准确设置炉膛内的气体流场，实现对火焰形状的调节和控制，以匹配不同的炉膛结构和形状；
(3)该双旋燃烧器操作运行智能化程度高，具备完备的控制功能和报警功能，运行安全系数高，能可靠保障生产过程的安全。
附图说明
通过附图所示，本发明公开的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分，并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本公开的主旨。
图1为根据本发明实施例的一种双旋燃烧器的剖视结构示意图；
图2为根据本发明实施例的图1的双旋燃烧器的俯视图；
图3为根据本发明实施例的另一种双旋燃烧器的剖视结构示意图；
图4为根据本发明实施例的图3的双旋燃烧器的俯视图；
图5为根据本发明实施例的燃烧控制方法的流程图。
<附图标记说明>
1-进燃总管，2-中心燃料喷头，3-出燃支管，4-内环空气旋流通道，5-风门，6-内环旋流器，7-外环空气旋流通道，8-外环旋流器，9-燃烧口套筒，10-点火器，11-离子火焰检测器，12-PLC运行控制器，13-手动球阀，14-压力变送器，15-燃气电磁阀，16-鼓风机，17-鼓风变频器
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
近年来，随着“西气东输”工程的完工和“煤改气”政策的推广，天然气作为一种优质、高效、清洁能源在一次能源中所占比重逐年增加。虽然天然气在燃烧时具有热效率高、SO2和粉尘排放少等优点，但其燃烧时产生的高温更易于生成氮氧化物NOx。随着人们环保意识的不断提高以及国家环保法律法规的逐渐完善，氮氧化物污染正逐渐引起大家的高度重视。
然而，现今使用的各种燃气工业炉的燃烧器大多为简单扩散式燃烧，即燃料气从一种大粗燃料管中喷射出来，空气从燃料管周围直流或单级旋流出来，喷射出的一股燃料流很难与空气流在短时间内混合均匀，容易产生热斑和火焰局部高温，产生大量的NOx并造成没有混合均匀的燃料燃烧不充分。因此，这种传统的燃烧方法存在产生大量NOx污染和燃料燃烧不充分的问题。基于此，本发明实施例提供的一种双旋燃烧器及其燃烧控制方法的制造方法，该双旋燃烧器利用双级旋流器产生强湍流剪切带，增强了掺混效果，提高了空气和燃料的混合均匀程度，减少了由于火焰热斑而产生的NOx污染并提高了燃烧效率，从而解决了现今使用的各种燃气工业炉的燃烧器所存在的产生大量NOx污染和燃料燃烧不充分的问题。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种双旋燃烧器。图1为根据本发明实施例的一种双旋燃烧器的剖视结构示意图。如图1所示，本发明的双旋燃烧器包括燃气管路、空气管路、点火装置和PLC运行控制器。
燃气管路可包括一根进燃总管1、中心燃料喷头2和八根出燃支管3。
具体地，在该燃气管路的进燃总管1上从上游到下游依次设置手动球阀13、压力变送器14和燃气电磁阀15。该手动球阀13通过旋转阀芯来控制进燃总管的天然气进气情况；压力变送器14可由测压元件传感器、测量电路和过程连接件三部分组成，其能将由测压元件传感器所感受到的气体、液体等的物理压力参数转变成标准的电信号供PLC运行控制器读取；燃气电磁阀15是燃气管路的安全紧急切断装置，其与燃气熄火报警系统连接，以在发生燃气熄火时自动关闭。
具体地，该中心燃料喷头2为圆锥状结构并且圆锥侧面上均匀分布有16个第一燃料喷孔，该第一燃料喷孔的轴线垂直于中心燃料喷头2的圆锥面母线，并且该中心燃料喷头2的圆锥面母线与其轴线的夹角α为30°～60°，优选地为45°。
具体地，八根出燃支管3在中心燃料喷头2上游附近且沿周向均匀分布，从而有助于进行均匀的燃烧。
空气管路包括内环空气旋流通道4及控制其开度的风门5、内环旋流器6、外环空气旋流通道7、外环旋流器8和燃烧口套筒9。
具体地，内环空气旋流通道4和外环空气旋流通道7为在内环旋流器6和外环旋流器8下游产生强湍流剪切带，以使得空气与燃料在短时间内混合均匀的通道。
其中，出燃支管3被设置在内环空气旋流通道4和外环空气旋流通道7的出口下游及燃烧口套筒9的上游，并且内环空气旋流通道4的出口截面积小于外环空气旋流通道7的出口截面积，其中出燃支管3位于外环空气旋流通道7的出口下游的部分管径较大且所述部分的两侧半圆面上开设第二燃料喷孔且每根出燃支管3上均匀地开设6个第二燃料喷孔，并且出燃支管3位于内环空气旋流通道4的出口下游的部分管径较小且所述部分的两侧半圆面上未开设燃料喷孔，其中第二燃料喷孔的孔径为所述第一燃料喷孔的孔径的1～2倍，优选地为1.7倍。
具体地，风门5控制内环空气旋流通道4的开度，通过调节风门5来实现不同的助燃空气分配调节，实现燃气和空气的快速均匀掺混，从而达到减少NOx污染并使燃料燃烧充分的目的。
具体地，内环旋流器6和外环旋流器8为径向旋流器且旋向相反，本发明正是利用内环旋流器6和外环旋流器8产生强湍流剪切带，增强了掺混效果，提高了空气和燃料的混合均匀程度，从而减少了由于火焰热斑而产生的NOx污染并提高燃烧效率。
具体地，燃烧口套筒9的内壁面向中心渐缩且收缩角β为0～30°，优选地为20°，其中不同强度的强湍流剪切带在该燃烧口套筒9内形成。
点火装置包括被设置在外环空气旋流通道7内的点火器10和离子火焰检测器11。
具体地，该点火器10的点火头被设置在出燃支管3旁边。目前常用的典型的点火器可以为如下三种类型：电子式脉冲式点火器、电子式高频高压点火器和线圈矽钢片式点火器。
具体地，离子火焰检测器11的探头被设置在燃烧口套筒9内并被包括在离子火焰检测器电路中，其通过确定是否检测到火焰来确定点火操作是否成功。
PLC运行控制器12进行启动吹扫、点火循环、正常运行和关机停车等步骤并被包括在与离子火焰检测器电路并联的PLC运行控制器电路中。
图2为根据本发明实施例的图1的双旋燃烧器的俯视图，从而能够从另一个角度对该双旋燃烧器进行观察。
类似地，图3为根据本发明实施例的另一种双旋燃烧器的剖视结构示意图，图4为根据本发明实施例的图3的双旋燃烧器的俯视图，其中图3和图4与图1和图2不同之处仅在于内环旋流器6和外环旋流器8同为轴向旋流器且旋向相反，其他条件均相同。
在现有技术中，现今使用的各种燃气工业炉的燃烧器大多为简单扩散式燃烧，即燃料气从一种大粗燃料管中喷射出来，空气从燃料管周围直流或单级旋流出来，喷射出的一股燃料流很难与空气流在短时间内混合均匀，容易产生热斑和火焰局部高温，产生大量的NOx并造成没有混合均匀的燃料燃烧不充分。因此，这种传统的燃烧方法存在产生大量NOx污染和燃料燃烧不充分的问题，从而产生大量的污染。
在本发明的又一实施例中，对现有技术进行了改进，从而提供了一种燃烧控制方法。如图5所示，其为根据本发明实施例的燃烧控制方法的流程图，该燃烧控制方法的具体步骤包括：
步骤501：连接好燃气气源，将燃气压力调节为20KPa-40KPa，优选地为25KPa，将手动球阀打开，接通电源并打开燃烧器，该PLC运行控制器检测燃气总压值是否在设定值范围内，如果燃气总压值不在该设定值范围内，则声讯报警器报警并且燃烧器不进行任何动作；如果该燃气总压值在该设定值范围内，则进行以下步骤：
步骤502：将鼓风变频器负荷值调节为100％，电源通过PLC运行控制器电路来控制鼓风机进行吹扫动作30秒-1分钟，优选地为1分钟，随后关闭鼓风机并进入步骤503；
步骤503：将鼓风变频器负荷值调节为20％-50％，优选地为30％，电源通过PLC运行控制器电路来控制点火器与鼓风机同时上电并持续相同时间，如10-15秒，优选地为15秒，在两者启动2秒后，电源通过PLC运行控制器电路打开燃气电磁阀并对其上电直至与点火器及鼓风机同时断电；
步骤504，当离子火焰检测器检测到火焰时，离子火焰检测器电路闭合，电源通过离子火焰检测器电路来控制燃气电磁阀和鼓风机保持上电状态，视为点火成功，点火结束并进入步骤505；
当离子火焰检测器未检测到火焰时，离子火焰检测器电路断开，电源通过离子火焰检测器电路来使燃气电磁阀和鼓风机断电，视为点火失败，随后燃烧器不进行任何动作，重新启动燃烧器，自步骤502重新开始；
步骤505：在点火成功之后，手动设置燃烧器以在不同负荷条件下工作，在低负荷运行条件下，将鼓风变频器负荷值调节为20％-40％，关闭内环空气旋流通道的风门并关小手动球阀；在高负荷运行条件下，将鼓风变频器负荷值调节为100％，打开风门并开大手动球阀；在低负荷运行条件和高负荷运行条件之间的某个负荷运行条件下，通过调节风门以及手动球阀来实现不同的燃料和空气分配，以在燃烧口套筒内形成不同强度的强湍流剪切带；
步骤506：关闭燃烧器并关闭手动球阀。
这样，通过该燃烧控制方法，解决了现今使用的各种燃气工业炉的燃烧器所存在的产生大量NOx污染和燃料燃烧不充分的问题。
尽管上述实施例阐述了诸多细节，然而，此等细节不应被理解为是对已主张发明或可主张内容的范围的限制，而仅是对特定实施例所特有的特征的说明。
综上所述，本发明实施例针对在现今使用的各种燃气工业炉的燃烧器及燃烧方法中存在的问题提出了一种双旋燃烧器及其燃烧控制方法。该双旋燃烧器利用双级旋流器产生强湍流剪切带，增强了掺混效果，提高了空气和燃料的混合均匀程度，减少了由于火焰热斑而产生的NOx污染并提高了燃烧效率。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开有了清楚的认识。但值得注意的是，在这里示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。
需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，所述对各元件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种双旋燃烧器，包括：
燃气管路，包括一根进燃总管、中心燃料喷头；
其中，所述进燃总管从上游到下游依次设置有手动球阀、压力变送器和燃气电磁阀；
所述中心燃料喷头为圆锥状结构并且圆锥侧面上均匀分布有多个第一燃料喷孔；所述第一燃料喷孔的轴线垂直于所述中心燃料喷头的圆锥面母线，并且所述中心燃料喷头的所述圆锥面母线与其轴线的夹角α为30°～60°；
空气管路，包括内环空气旋流通道和外环空气旋流通道，所述内环空气旋流通道的下游出口端环绕所述中心燃料喷头的下游出口端设置，且所述外环空气旋流通道的下游出口端环绕所述内环空气旋流通道的下游出口端设置，所述内环空气旋流通道和所述外环空气旋流通道内分别设置有内环旋流器和外环旋流器，且所述内环旋流器和所述外环旋流器旋向相反，所述内环空气旋流通道的出口截面积小于所述外环空气旋流通道的出口截面积，所述内环空气旋流通道内还设置有控制其开度的风门；
燃烧口套筒，所述燃烧口套筒与所述外环空气旋流通道的下游出口端连接且由所述内环旋流器和所述外环旋流器产生的不同强度的强湍流剪切带形成于其内，并且所述燃烧口套筒的内壁面向中心渐缩且收缩角β为0～30°；
所述燃气管路还包括沿所述中心燃料喷头周向分布的多根出燃支管，所述出燃支管被设置在所述内环空气旋流通道和所述外环空气旋流通道的出口下游；
所述出燃支管位于所述外环空气旋流通道的出口下游的部分管径两侧半圆面上开设第二燃料喷孔，开设于所述出燃支管上；
所述出燃支管位于所述内环空气旋流通道的出口下游的部分管径两侧半圆面上未开设燃料喷孔，其中所述第二燃料喷孔的孔径为所述第一燃料喷孔的孔径的1～2倍。
2.根据权利要求1所述的双旋燃烧器，其中所述内环旋流器和所述外环旋流器均为轴向旋流器，或者均为径向旋流器。
3.根据权利要求1所述的双旋燃烧器，其中还包括点火器和离子火焰检测器，所述点火器的点火头被设置在所述出燃支管旁边，并且所述离子火焰检测器被设置在离子火焰检测器电路中，且其探头被设置在所述燃烧口套筒内。
4.根据权利要求3所述的双旋燃烧器，其中还包括鼓风机，所述外环空气旋流通道的上游与所述鼓风机连接，所述鼓风机连接鼓风变频器以调节转速。
5.根据权利要求4所述的双旋燃烧器，其中还包括PLC运行控制器，所述PLC运行控制器被设置在PLC运行控制器电路中，所述PLC运行控制器与所述燃气电磁阀、所述点火器、所述离子火焰检测器和所述鼓风变频器电性连接，并与所述压力变送器进行压力数据传输连接，所述双旋燃烧器还设有声讯报警器，当燃气总压值不在设定值范围内时并且运行中调节负荷火焰熄灭时，所述PLC运行控制器启动所述声讯报警器以发出警报声。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的双旋燃烧器的燃烧控制方法，包括步骤：
通过PLC运行控制器检测燃气总压值是否在设定值范围内，如果所述燃气总压值在所述设定值范围内，则进行以下步骤：
首先通过所述PLC运行控制器电路控制鼓风机进行吹扫动作，随后所述鼓风机停机并转入点火程序；
通过所述PLC运行控制器电路控制点火器与所述鼓风机同时工作，然后通过所述PLC运行控制器电路控制打开所述燃气电磁阀，所述点火器工作5～10秒后自行断电；
当离子火焰检测器检测到火焰时，离子火焰检测器电路闭合，通过所述离子火焰检测器电路控制所述燃气电磁阀和所述鼓风机保持上电状态，视为点火成功，进入下一步骤；
在点火成功之后，设置所述双旋燃烧器在设定负荷条件下工作。
7.根据权利要求6所述的燃烧控制方法，其特征在于，设置所述双旋燃烧器在设定负荷条件下工作包括以下任一种方式：
在低负荷运行条件下，将鼓风变频器负荷值调节为20％-40％，关闭所述内环空气旋流通道的风门并关小所述进燃总管上的所述手动球阀；
在高负荷运行条件下，将所述鼓风变频器负荷值调节为100％，打开所述风门并开大所述手动球阀；
在所述低负荷运行条件和所述高负荷运行条件之间的某个负荷运行条件下，通过调节所述风门以及所述手动球阀来实现不同的燃料和空气分配，以在所述燃烧口套筒内形成不同强度的强湍流剪切带。
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