CN110388643A - 富氢燃料气低污染燃烧的燃气空气预混器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种富氢燃料气低污染燃烧的燃气空气预混器，包括外周圆筒及其内上游进气端的中心燃气筒和下游出气端的中心体；在中心燃气筒的外筒壁上沿径向设置燃气喷管，在燃气喷管的管壁上设置燃气喷孔；燃气以中心燃气筒上游端口为入口，由燃气喷孔喷向由外周圆筒和中心燃气筒形成的环形空腔内；位于燃气喷管的下游设置空气喷管，由空气喷管引入的空气在外周圆筒内形成中心旋流；中心体的上游段为渐扩的圆锥体，下游段为圆柱体，在圆柱体的外圆周面设置旋流导叶片；对应于圆锥体的中段位置，在外周圆筒的内筒壁上设置锥形挡板。本发明能显著提升燃气与空气的预混均匀度，提高贫预混燃烧的火焰稳定性，大幅度降低富氢燃料气燃烧后NOx的排放。

Description

富氢燃料气低污染燃烧的燃气空气预混器

技术领域

本发明涉及燃气燃烧技术领域，更具体地说是一种用于富氢燃料气低污染燃烧的燃气-空气预混器。

背景技术

富氢燃料气，包括合成气、炼厂气、焦炉气等，相比于天然气，具有体积热值低、可燃范围宽和火焰传播速度快等特点，在工业燃烧器和燃气轮机上获得了迅速的推广。随着常规燃气燃烧器功率和级别的提升，常规燃烧器内燃烧温度呈逐步增加趋势，CO和未燃碳氢化合物UHC排放量很低，但NOx和烟排放量增加，即火焰温度的提高与氮氧化物NOx排放的降低是相互矛盾的。因此，需不断优化改进燃烧方式以满足富氢燃料气低污染排放指标要求。

燃气低污染燃烧技术主要是通过降低火焰温度的方式减小NOx的生成，按技术手段可以分为两大类，即：带有稀释剂喷注的扩散燃烧(以下简称“稀释扩散燃烧”)，以及不需要喷注稀释剂的干式低NOx(dry low-NOx,DLN)燃烧或稀相预混燃烧。由于稀释扩散燃烧技术具有工作稳定、燃料调节策略简单等优势，这一技术已经在IGCC工程中广泛应用。但是，为了使NOx排放降低到50mg/m³以下，通常需要向燃烧室内注入与燃料体积流量相当的稀释剂，这不仅增加了发电设备的复杂性，还严重影响了机组的发电效率。

干式低NOx燃烧技术，是用预混器将燃料和空气在进入燃烧室之前混合均匀，形成燃料-空气比例低于燃烧化学当量比的贫混合气后再送入燃烧室进行燃烧，这种贫预混式燃料器已成为主流技术并且在燃气燃烧器行业中普遍应用。

研究表明，对于燃气干式低NOx燃烧器的设计，在保证燃烧稳定性的前提下获得更优的燃气与空气掺混均匀性是实现低NOx排放的关键。在预混器中，燃料和空气分别进入，在流动中接触并混合。如果预混器中混合过程需要时间较长并且不可控制，那么在燃烧室较高的空气进气温度和压力下，燃料-空气混合气容易因流动和浓度不均匀，在一些局部发生自燃和回火，导致燃烧发生在预混器内，损坏部件，使燃烧室不能安全稳定工作。

为了达到苛刻的NOx排放指标，预混器出口处的燃料-空气的混合气接近燃料的贫燃极限。如果混合不够均匀，按照接近贫燃极限加注的燃料容易在局部不满足着火条件从而引起火焰局部淬熄，也容易在混合器内部发生自燃和回火问题，造成燃烧震荡甚至脱火。同时，不均匀混合会导致局部燃烧剧烈，火焰温度升高，出现局部高温区，造成NOx的排放量较大。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种富氢燃料气低污染燃烧的燃气空气预混器，以期通过显著提升燃气与空气预混的均匀度，提高贫预混燃烧的火焰稳定性，大幅度降低富氢燃料气燃烧后NOx的排放。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明富氢燃料气低污染燃烧的燃气空气预混器的结构特点是：包括外周圆筒，以及外周圆筒内处在上游进气端的中心燃气筒和处在下游出气端的中心体，所述外周圆筒、中心燃气筒和中心体为同轴构件；

所述中心燃气筒的上游端口为敞开，下游端口为封闭端面，在紧贴下游端口的中心燃气筒的外筒壁上沿径向设置燃气喷管，所述燃气喷管的一端口与中心燃气筒相接且相连通，燃气喷管的另一端口为封闭端面，在燃气喷管的管壁上设置燃气喷孔；燃气是以中心燃气筒的上游端口为入口，依次经中心燃气筒、燃气喷管和燃气喷孔，喷向由外周圆筒和中心燃气筒形成的环形空腔内；

位于所述燃气喷管的下游设置空气喷管，所述空气喷管的入口端凸伸于外周圆筒的外部，外周圆筒内部的空气喷管沿着与外周圆筒的外筒壁的切线平行的方向设置，并且空气喷管的轴线偏离外周圆筒的中心，使得由空气喷管引入的空气在外周圆筒内、且处在中心燃气筒的封闭端面的下游形成中心旋流；

所述中心体的上游段为渐扩的圆锥体，下游段为圆柱体，在圆柱体的外圆周面设置旋流导叶片；对应于圆锥体的中段位置，在外周圆筒的内筒壁上设置锥形挡板。

本发明富氢燃料气低污染燃烧的燃气空气预混器的结构特点也在于：

所述燃气喷管至少为两只，各燃气喷管在中心燃气筒的外筒壁上沿圆周均匀分布，所有燃气喷管处在中心燃气筒的同一轴向位置上；

所述空气喷管至少为三只，各空气喷管在外周圆筒的筒壁上均匀分布，所有空气喷管处在外周圆筒的同一轴向位置上。

本发明富氢燃料气低污染燃烧的燃气空气预混器的结构特点也在于：

空气喷管的轴线偏离外周圆筒的中心的直线距离为(1/20-1/5)D，D为外周圆筒直径；

空气喷管所在平面与燃气喷管所在平面之间的直线距离为(1-3)d，d＝d1+d2，d1为空气喷管的外径,d2为燃气喷管的外径，d1＝d2；

凸伸在环形空腔内的空气喷管的长度为L1，燃气喷管的长度为L2，外周圆筒半径为R，中心燃气筒半径为r，L1＝L2＝(1/3-1/2)(R-r)；

中心燃气筒的封闭端面与中心体中上游圆锥体的锥顶面之间的距离为(4-8)d。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明通过燃气喷管上的微小燃气喷孔的设置，使得燃气以微小的射流喷入中心燃气筒与外周圆筒之间环形腔体内，使其在同一圆周截面上最大程度的均匀分布开来；通过偏转设置的空气喷嘴高速射入的空气，在外周圆筒内形成快速旋转，高速卷吸其上游截面上的燃气，快速形成稀释的富氢燃气与空气的均匀混合物，达到高速均匀混合的效果，避免由于局部的混合不均容易导致的局部高温和回火的问题。

2、本发明通过中心体的上游圆锥段的渐扩设计、锥形挡板的渐缩设计及旋流导叶片的设计与布置，避免了混合气体在流出预混器后的贴壁流动，减缓了混合气体在流出预混器后产生的外扩扰动，实现对混合气流的平顺导向，增强了后续富氢燃料气燃烧火焰的稳定性。

附图说明

图1为本发明中用于富氢燃料气低污染燃烧的燃气-空气预混器的内部结构示意图；

图2为本发明中燃气喷管的圆周截面示意图；

图3为本发明中空气喷嘴的圆周截面示意图；

图中标号：11外周圆筒；12空气喷管；13锥形挡板；21中心燃气筒；22燃气喷管；23燃气喷孔；31中心体；32旋流导叶片。

具体实施方式

参见图1，本实施例中富氢燃料气低污染燃烧的燃气空气预混器：包括外周圆筒11，以及外周圆筒11内处在上游进气端的中心燃气筒21和处在下游出气端的中心体31，外周圆筒11、中心燃气筒21和中心体31为同轴构件。

如图1和图2所示，中心燃气筒21的上游端口为敞开，下游端口为封闭端面，在紧贴下游端口的中心燃气筒21的外筒壁上沿径向设置燃气喷管22，燃气喷管22的一端口与中心燃气筒21相接且相连通，燃气喷管22的另一端口为封闭端面，在燃气喷管22的管壁上设置燃气喷孔23；燃气是以中心燃气筒21的上游端口为入口，依次经中心燃气筒21、燃气喷管22和燃气喷孔23，喷向由外周圆筒11和中心燃气筒21形成的环形空腔内。

如图1和图3所示，位于燃气喷管22的下游设置空气喷管12，空气喷管12的两端均为敞口，空气喷管12的入口端凸伸于外周圆筒11的外部，为空气引入端口；处在外周圆筒11的内部的空气喷管12沿着与外周圆筒11的外筒壁的切线平行的方向设置，并且空气喷管12的轴线偏离外周圆筒11的中心，使得由空气喷管12引入的空气在外周圆筒内、且处在中心燃气筒21的封闭端面的下游形成中心旋流。

如图1所示，中心体31的上游段为渐扩的圆锥体，下游段为圆柱体，在圆柱体的外圆周面设置旋流导叶片32；对应于圆锥体的中段位置，在外周圆筒的内筒壁上设置锥形挡板13；锥形挡板13的底边与外周圆筒11的内筒壁相连接，锥形挡板13顶边朝向圆锥体的中段位置凸伸。

具体实施中，燃气喷管至少为两根，可以为2-10根，各燃气喷管在中心燃气筒21的外筒壁上沿圆周均匀分布，所有燃气喷管处在中心燃气筒21的同一轴向位置上；空气喷管至少为三根，可以为3-6根，各空气喷管在外周圆筒11的筒壁上均匀分布，所有空气喷管处在外周圆筒11的同一轴向位置上。

本实施例中，如图2和图3所示，设置燃气喷管22和空气喷管12均为四根，四根燃气喷管22在中心燃气筒21的外筒壁上呈“十”字分布；四根空气喷管12在外周圆筒11中按同一方向(图3中所示为均按顺时针方向)偏离外周圆筒11的中心，且偏离的距离相同，呈均匀分布；如此，由喷入的空气所形成的中心旋流即是以外周圆筒11的中心为中心，以空气喷管的轴线偏离外周圆筒的中心的直线距离为半径的空气旋流。

相关的结构配置包括：

空气喷管的轴线偏离外周圆筒的中心的直线距离为(1/20-1/5)D，D为外周圆筒直径；

空气喷管所在平面与燃气喷管所在平面之间的直线距离为(1-3)d，d＝d1+d2，d1为空气喷管的外径,d2为燃气喷管的外径，d1＝d2；

凸伸在环形空腔内的空气喷管的长度为L1，燃气喷管的长度为L2，外周圆筒半径为R，中心燃气筒半径为r，L1＝L2＝(1/3-1/2)(R-r)；

中心燃气筒的封闭端面与中心体中上游圆锥体的锥顶面之间的距离为(4-8)d；

燃气喷孔的直径为0.5-2毫米，燃气喷孔在燃气喷管的管壁上均匀密布。

工作过程中，富氢燃料气通过中心燃气筒、燃气喷管和燃气喷孔，呈微细射流喷入中心燃气筒与外周圆筒之间环形腔体内，使其在同一圆周截面上最大程度地均匀分布开来；燃烧所需要的空气从空气喷管高速射入，在外周圆筒内形成快速空气旋转，并高速卷吸其上游截面上的微小燃气流，快速形成稀释的富氢燃气与空气的均匀混合物，达到高速均匀混合的效果，有效避免由于局部混合不均导致的局部高温和回火的问题。其中心体中上游圆锥段的渐扩设计、锥形挡板的渐缩设计及旋流导叶片的设计与布置，有效避免了混合气体在流出预混器后的贴壁流动，减缓了混合气体在流出预混器后产生的外扩扰动，实现对混合气流的平顺导向，增强了后续富氢燃料气燃烧火焰的稳定性。

Claims (3)

1.一种富氢燃料气低污染燃烧的燃气空气预混器，其特征是：包括外周圆筒(11)，以及外周圆筒(11)内处在上游进气端的中心燃气筒(21)和处在下游出气端的中心体(31)，所述外周圆筒(11)、中心燃气筒(21)和中心体(31)为同轴构件；

所述中心燃气筒(21)的上游端口为敞开，下游端口为封闭端面，在紧贴下游端口的中心燃气筒(21)的外筒壁上沿径向设置燃气喷管(22)，所述燃气喷管(22)的一端口与中心燃气筒(21)相接且相连通，燃气喷管的另一端口为封闭端面，在燃气喷管(22)的管壁上设置燃气喷孔(23)；燃气是以中心燃气筒(21)的上游端口为入口，依次经中心燃气筒(21)、燃气喷管和燃气喷孔，喷向由外周圆筒(11)和中心燃气筒(21)形成的环形空腔内；

位于所述燃气喷管(22)的下游设置空气喷管(12)，所述空气喷管的入口端凸伸于外周圆筒(11)的外部，外周圆筒内部的空气喷管沿着与外周圆筒(11)的外筒壁的切线平行的方向设置，并且空气喷管的轴线偏离外周圆筒(11)的中心，使得由空气喷管引入的空气在外周圆筒内、且处在中心燃气筒的封闭端面的下游形成中心旋流；

所述中心体(31)的上游段为渐扩的圆锥体，下游段为圆柱体，在圆柱体的外圆周面设置旋流导叶片(32)；对应于圆锥体的中段位置，在外周圆筒的内筒壁上设置锥形挡板(13)。

2.根据权利要求1所述的富氢燃料气低污染燃烧的燃气空气预混器，其特征是：

所述燃气喷管(22)至少为两只，各燃气喷管在中心燃气筒(21)的外筒壁上沿圆周均匀分布，所有燃气喷管处在中心燃气筒(21)的同一轴向位置上；

所述空气喷管(12)至少为三只，各空气喷管在外周圆筒(11)的筒壁上均匀分布，所有空气喷管处在外周圆筒(11)的同一轴向位置上。

3.根据权利要求1所述的富氢燃料气低污染燃烧的燃气空气预混器，其特征是设置：

空气喷管的轴线偏离外周圆筒的中心的直线距离为(1/20-1/5)D，D为外周圆筒直径；

空气喷管所在平面与燃气喷管所在平面之间的直线距离为(1-3)d，d＝d1+d2，d1为空气喷管的外径,d2为燃气喷管的外径，d1＝d2；

凸伸在环形空腔内的空气喷管的长度为L1，燃气喷管的长度为L2，外周圆筒半径为R，中心燃气筒半径为r，L1＝L2＝(1/3-1/2)(R-r)；

中心燃气筒的封闭端面与中心体中上游圆锥体的锥顶面之间的距离为(4-8)d。