CN110145737A - 一种旋流稳焰径向喷射低氮燃烧器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种旋流稳焰径向喷射低氮燃烧器，由燃烧器气路主管、燃烧器稳焰盘、中心燃料供给管、主路离散燃料直喷装置、稳焰燃料喷射头、点火路系统构成；燃烧器气路主管末端与燃烧器稳焰盘之间形成径向开口的缝槽，空气经主路离散燃料直喷装置顺径向缝槽加速流出，混合气气流与炉膛碰撞后，一股向下游偏转，形成下游旋涡，另一股向上游偏转，形成上游旋涡；稳焰盘中心为旋流叶片结构，下游形成中心回流结构，扩散燃烧方式使得中心火焰更加稳定可靠，降低了炉膛的震荡风险；主路燃烧属于半预混燃烧，离散燃料直喷使得当量比分布均匀，上游旋涡的存在，形成了烟气内循环，以上综合特性起到了降低燃烧器氮氧化物排放的功效。
Description
技术领域
本发明涉及燃烧器的技术领域，特别涉及一种旋流稳焰径向喷射低氮燃烧器，其为使用气态燃料的燃烧器，适用于使用气态燃料的工业炉或者燃气锅炉，其能够使燃烧当量比分布更均匀，烟气内循环，降低氮氧化物的排放。
背景技术
目前全国范围内受雾霾的影响一年比一年严重，治理雾霾的重要手段之一是降低锅炉的燃气排放污染。目前北京市燃气锅炉产生的氮氧化物平均值约为146毫克/立方米。2015年6月10日，北京市环保局发布大气污染物排放地方标准，其中《锅炉大气污染物排放标准》修订实施的主要目的即为严控氮氧化物排放。2016年7月1日起，标准中第一阶段的排放限值将开始施行，即新建锅炉排放限值由现行的150毫克/立方米收严到80毫克/立方米。2017年4月1日起，新建锅炉将实施第二阶段排放限值，即氮氧化物进一步收严到30毫克/立方米。
针对低氮的要求，各单位提出了不同燃气锅炉定制专门的改造技术方案，主要包括：更换新型低氮燃烧器，采用空气分级、燃料分级等多种先进技术，控制燃烧速率、扩大还原区域；优化燃烧控制系统，精确调节助燃风与燃料量配比；增加烟气再循环系统,控制燃烧区的含氧量；采用燃料与空气预混方式，控制燃烧区当量比分布。通过以上措施，抑制热力型氮氧化物的生成，从而降低排放。
烟气再循环又分为烟气外循环和烟气内循环。烟气外循环需要再搭建一套烟气外循环系统，目前应用较广泛，但是其增加了电量的消耗以及增加了系统的复杂性。而烟气内循环在实现烟气循环的同时而不增加新的系统，是一个性价比较高的方案。目前烟气内循环也有很多方案，多是在燃烧器头部做一些设计，使进入工业炉或者燃气锅炉内的气流能够回流，产生内循环，或者是从炉膛的角落通过角涡回流实现，内循环的循环量有限，如果要进一步提升内循环的烟气量就需要与炉膛耦合来产生回流。
贫燃预混燃烧又分为表面燃烧（即金属网全表面预混燃烧）和预混稳焰燃烧两种方式。目前表面预混燃烧方案较为成熟，但是存在金属网堵塞造成锅炉爆炸的风险；预混稳焰燃烧，存在的问题主要是点火过程的爆轰和燃烧过程的震荡，这都是预混燃烧面临的问题和挑战。
综上所述，对于降低工业炉或者燃气锅炉的氮氧化物排放，很多改造技术都会增加很大的建设成本及运行成本，而预混燃烧又会带来无法预测的潜在危险。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种旋流稳焰径向喷射低氮燃烧器，通过离散错排孔管直喷的方案设计，发挥类比于预混燃烧当量比分布均匀的优势，但是避免了回火的风险，而且采用旋流稳焰盘的中心扩散燃烧方式，有效避免燃烧震荡等问题，并采用径向喷射方式，通过与炉膛耦合，来产生两类型旋涡，使烟气能够内循环，控制燃烧温度以降低氮氧化物排放。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种旋流稳焰径向喷射低氮燃烧器，由燃烧器气路主管、燃烧器稳焰盘、中心燃料供给管、主路离散燃料直喷装置、稳焰燃料喷射头构成；燃烧器要伸入工业炉或者燃气锅炉的炉膛内部，保证一定的燃烧器伸入长度；燃烧器稳焰盘与燃烧器气路主管末端通过间隔窄段焊接上；点火电极固定在点火路燃料管上，整体插入到燃烧器内的中心燃料供给管附近，保证点火电极能够工作；首先从燃烧器气路主管进口通入空气，接着给点火路燃料管单独供给气态燃料，点火电极工作；当点火路燃料管出口形成一股点火用高温燃气后，给中心燃料供给管通入气态燃料；燃烧器稳焰盘的中心会有一圈旋流叶片，以提供稳定火焰的气流，外侧有两圈直射孔，以将中心气流与径向射流分离；主路离散燃料直喷装置由直喷孔和直喷小管间隔排布构成，燃烧器气路主管末端与燃烧器稳焰盘之间形成径向开口的缝槽，缝槽宽度即间隔窄段的长度，空气经由主路离散燃料直喷装置顺径向缝槽加速流出，气态燃料经间隔排布的直喷孔和直喷小管横向喷入径向加速的空气流中，离散燃料直喷装置的直喷小管伸入到径向缝槽中央，使得燃料在轴向更加均匀的分布在径向缝槽中，空气与燃料的掺混更加均匀，混合气经径向缝槽喷射至炉膛；混合气气流与炉膛碰撞后，分成两股，一股偏转向上游，形成一个上游旋涡，另外一股沿炉膛壁面偏转向下游，形成一个下游旋涡；混合气气流在炉膛壁面附近形成低速区，被之前点火路产生的高温燃气点燃并稳火，此时关闭点火路燃料管的气态燃料；另一路气流经燃烧器稳焰盘中心的旋流叶片后，形成下游中心回流旋涡，旋流扩散燃烧方式使得中心火焰更加稳定可靠，也降低了炉膛的震荡风险；主路燃烧属于半预混燃烧，离散燃料直喷使得当量比分布均匀，减少了高温释热区域，此外，火焰冲击炉膛壁面，加速换热，使燃烧温度降低，而且上游旋涡流动的存在，形成了烟气内循环。
进一步的，所述燃烧器伸入长度与燃烧器气路主管的外环直径的比例为1~3；燃烧器气路主管外环直径与炉膛的中间直径即炉膛中径的比例为0.15~0.5。
进一步的，所述燃烧器气路主管末端与燃烧器稳焰盘之间形成径向开口的缝槽宽度与燃烧器气路主管外环直径的比例为0.05~0.2。
进一步的，所述主路离散燃料直喷装置由直喷孔和直喷小管圆周间隔排布，且直喷孔径向位置在直喷小管的外侧，直喷孔和直喷小管的排数为1-5，孔与管周向错排，每排孔与管的个数为10-80。
进一步的，所述中心燃料供给管的内环直径与燃烧器气路主管的外环直径的比例为0.2~0.4，中心燃料供给管与主路离散燃料直喷装置连接，并且直通稳焰燃料喷射头。
进一步的，所述燃烧器稳焰盘上的旋流叶片的偏转角度为15°-60°，个数为8-16。
进一步的，所述稳焰燃料喷射头主体由中心燃料供给管伸出燃烧器稳焰盘构成，稳焰燃料喷射孔的个数为3-12。
本发明的工作原理：首先从燃烧器气路主管进口通入空气，接着给点火路燃料管单独供给气态燃料，点火电极工作；当点火路燃料管出口形成一股点火用高温燃气后，中心燃料供给管通入气态燃料；中心空气经稳焰盘旋流叶片槽后形成稳定的中心回流漩涡，气态燃料经稳焰燃料喷射孔后径向射入中心回流结构中，形成稳定的中心扩散火焰；主路空气经由主路离散燃料直喷装置顺径向缝槽加速流出，气态燃料经主路离散燃料直喷装置的间隔孔管直射喷入加速的空气流中，离散燃料直喷装置的间隔小管伸入到径向缝槽的中央，使得燃料在轴向更加均匀的分布在径向缝槽中，空气与燃料的掺混更加均匀，混合气经径向槽喷射至炉膛；混合气气流与炉膛碰撞后，一股向下游偏转，形成下游旋涡，另一股向上游偏转，形成上游旋涡；混合气气流在炉膛壁面附近形成低速区，被之前点火路产生的高温燃气点燃并稳火，此时关闭点火路燃料管的气态燃料。
本发明与现有技术相比具有的优点如下：
（1）本发明的低氮燃烧器，采用离散孔管错排直喷的掺混模式，实现燃料与空气的快速掺混，使气态燃料与主路径向空气在径向槽的轴向上掺混更均匀，降低释热集中；
（2）本发明的低氮燃烧器，采用径向喷射组织稳火，燃烧器与炉膛耦合来产生旋涡，实现烟气内循环，可以增大烟气的循环量；
（3）本发明的低氮燃烧器，采用中心旋流稳焰盘结构，可有效消除燃烧震荡；
（4）本发明的低氮燃烧器，结构简单，易于加工，成本低。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图；
图2为本发明的燃烧器头部内部结构示意图；
图3为本发明的燃烧器主路离散燃料直喷装置示意图；
图4为本发明的燃烧器头部外部结构示意图；
图中：1为燃烧器气路主管，2为燃烧器稳焰盘，3为中心燃料供给管，4为主路离散燃料直喷装置，5为稳焰燃料喷射头，6为炉膛，7为燃烧器深入长度，8为间隔窄段，9为点火电极，10为点火路燃料管，11为旋流叶片，12为主路离散燃料直喷孔，13为主路离散燃料直喷管，14为径向缝槽，15为缝槽宽度，16为上游漩涡，17为下游漩涡，18为中心回流漩涡，19为炉膛中径，20为稳焰燃料喷射孔，21为稳焰盘外围直射孔，22为气路主管外环直径，23为中心燃料供给管内环直径。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示，本发明实施例主要由燃烧器气路主管1、燃烧器稳焰盘2、中心燃料供给管3、主路离散燃料直喷装置4构成；燃烧器要伸入工业炉或者燃气锅炉的炉膛6内部，保证一定的燃烧器伸入长度7；
如图2所示，点火电极9固定在点火路燃料管10上，整体插入到燃烧器内的中心燃料供给管3附近，保证点火电极9能够工作；燃烧器气路主管1末端与燃烧器稳焰盘2之间形成径向开口的缝槽14，缝槽宽度15与燃烧器气路主管外环直径22，有一定的比例范围，保证气流加速径向喷射到炉膛6壁面，以形成上游旋涡16与下游旋涡17；
如图3所示，燃烧器稳焰盘2与燃烧器气路主管1末端通过多个间隔窄段8焊接上；主路离散燃料直喷孔12与主路离散燃料直喷管径向分布且周向错排，个数有要求，以保证周向均匀性；
如图4所示，燃烧器稳焰盘2上的旋流叶片11有一定的角度和个数，中心气流通过后形成中心回流漩涡18；
本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。
以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种旋流稳焰径向喷射低氮燃烧器，其特征在于：由燃烧器气路主管（1）、燃烧器稳焰盘（2）、中心燃料供给管（3）、主路离散燃料直喷装置（4）、稳焰燃料喷射头（5）构成；燃烧器要伸入工业炉或者燃气锅炉的炉膛（6）内部，保证一定的燃烧器伸入长度（7）；燃烧器稳焰盘（2）与燃烧器气路主管（1）末端通过间隔窄段（8）焊接上；点火电极（9）固定在点火路燃料管（10）上，整体插入到燃烧器内的中心燃料供给管（3）附近，保证点火电极（9）能够工作；首先从燃烧器气路主管（1）进口通入空气，接着给点火路燃料管（10）单独供给气态燃料，点火电极（9）工作；当点火路燃料管（10）出口形成一股点火用高温燃气后，给中心燃料供给管（3）通入气态燃料；燃烧器稳焰盘（2）的中心会有一圈旋流叶片（11），以提供稳定火焰的气流，外侧有两圈直射孔（21），以将中心气流与径向射流分离；主路离散燃料直喷装置（4）由直喷孔（12）和直喷小管（13）间隔排布构成，燃烧器气路主管（1）末端与燃烧器稳焰盘（2）之间形成径向开口的缝槽（14），缝槽宽度（15）即间隔窄段（8）的长度，空气经由主路离散燃料直喷装置（4）顺径向缝槽（14）加速流出，气态燃料经间隔排布的直喷孔（12）和直喷小管（13）横向喷入径向加速的空气流中，离散燃料直喷装置的直喷小管（13）伸入到径向缝槽中央，使得燃料在轴向更加均匀的分布在径向缝槽（14）中，空气与燃料的掺混更加均匀，混合气经径向缝槽（14）喷射至炉膛（6）；混合气气流与炉膛（6）碰撞后，分成两股，一股偏转向上游，形成一个上游旋涡（16），另外一股沿炉膛壁面偏转向下游，形成一个下游旋涡（17）；混合气气流在炉膛壁面附近形成低速区，被之前点火路产生的高温燃气点燃并稳火，此时关闭点火路燃料管（10）的气态燃料；另一路气流经燃烧器稳焰盘（2）中心的旋流叶片（11）后，形成下游中心回流旋涡（18），旋流扩散燃烧方式使得中心火焰更加稳定可靠，也降低了炉膛的震荡风险；主路燃烧属于半预混燃烧，离散燃料直喷使得当量比分布均匀，减少了高温释热区域，此外，火焰冲击炉膛（6）壁面，加速换热，使燃烧温度降低，而且上游旋涡（16）流动的存在，形成了烟气内循环。
2.根据权利要求1所述的一种旋流稳焰径向喷射低氮燃烧器，其特征在于：所述燃烧器伸入长度（7）与燃烧器气路主管（1）的外环直径（22）的比例为1~3；燃烧器气路主管外环直径（22）与炉膛（6）的中间直径即炉膛中径（19）的比例为0.15~0.5。
3.根据权利要求1所述的一种旋流稳焰径向喷射低氮燃烧器，其特征在于：燃烧器气路主管（1）末端与燃烧器稳焰盘（2）之间形成径向开口的缝槽宽度（15）与燃烧器气路主管外环直径（22）的比例为0.05~0.2。
4.根据权利要求1所述的一种旋流稳焰径向喷射低氮燃烧器，其特征在于：所述主路离散燃料直喷装置（4）由直喷孔（12）和直喷小管（13）圆周间隔排布，且直喷孔（12）径向位置在直喷小管（13）的外侧，直喷孔（12）和直喷小管（13）的排数为1-5，孔与管周向错排，每排孔与管的个数为10-80。
5.根据权利要求1所述的一种旋流稳焰径向喷射低氮燃烧器，其特征在于：所述中心燃料供给管（3）的内环直径（23）与燃烧器气路主管（1）的外环直径（22）的比例为0.2~0.4，中心燃料供给管（3）与主路离散燃料直喷装置（4）连接，并且直通稳焰燃料喷射头（5）。
6.根据权利要求1所述的一种旋流稳焰径向喷射低氮燃烧器，其特征在于：所述燃烧器稳焰盘（2）上的旋流叶片（11）的偏转角度为15°-60°，个数为8-16。
7.根据权利要求1所述的一种旋流稳焰径向喷射低氮燃烧器，其特征在于：所述稳焰燃料喷射头（5）主体由中心燃料供给管（3）伸出燃烧器稳焰盘（2）构成，稳焰燃料喷射孔（20）的个数为3-12。
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