CN110594739B - 一种无需预热切换的无焰燃烧器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于燃烧器领域，并具体公开了一种无需预热切换的无焰燃烧器，其中燃料供给器包括燃料喷嘴、辅助空气喷嘴和第一回流腔，燃料喷嘴竖直伸入第一回流腔的底部，辅助空气喷嘴对称设置在第一回流腔的顶部边缘，第一回流腔开设有第一环形卷吸口、第二环形卷吸口和燃料出口，用于卷吸烟气并为燃料进行无焰燃烧提供燃烧空间；空气供给器包括空气喷嘴和第二回流腔，空气喷嘴竖直伸入第二回流腔的底部，第二回流腔开设有第三环形卷吸口和空气出口，从而在炉膛内形成大尺度循环。本发明能够在第一回流腔内形成漩涡回流区，从而保证第一回流腔中温度分布均匀，燃料在烟气的作用下进行稳定的无焰燃烧，并且能够保证整个炉膛内的温度分布均匀。

Description

一种无需预热切换的无焰燃烧器
技术领域
本发明属于燃烧器领域，更具体地，涉及一种无需预热切换的无焰燃烧器。
背景技术
燃烧过程中产生的NOx作为大气污染的重要来源之一，需要进行严格控制。为降低NOx的产生，目前国内部分燃气锅炉采用国产分级低氮燃烧器加烟气外循环的方式，可以将天然气燃烧产生的NOx排放量降低至30mg/m3以下，但是锅炉最大出力降低约10％，牺牲了锅炉效率。而钢铁加热炉即使采用分级燃烧的方式也难以达到200mg/m3(8％基准氧)的最新钢铁行业超低排放标准。因此，从深度抑制NOx生成的方向进行深入研究和技术开发迫在眉睫。
无焰燃烧技术是一种新型燃烧技术，为实现无焰燃烧，需要利用高动量的初始直流射流在燃烧室内形成整体的大尺度卷吸及循环。与传统燃烧技术相比，无焰燃烧炉内不存在局部高温区，炉内温度场非常均匀，无明显火焰锋面，从源头上减少了NOx的排放量。
目前，国内外已存在一些基于无焰燃烧技术的专利。例如，CN201410020218.3提出了“一种斜流式常温无焰燃烧器”，其采用斜流式的喷管将燃料送入炉内，通过中心喷孔将空气送入炉内实现无焰燃烧。该设计运行时需要进行旋流风到直流风的切换，在切换过程中可能会产生熄火问题，可能存在安全隐患。CN201410019516.0提出了“一种直喷式燃气无焰燃烧器”，其采用直流式的喷管将燃料和空气送入锅炉内实现无焰燃烧。虽然该设计避免了旋流风到直流风的切换，但是由于燃料和空气射流速度高，在预热炉膛时容易熄火，也存在安全风险。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种无需预热切换的无焰燃烧器，其中结合无焰燃烧器自身的特征，相应设计了燃料供给器和空气供给器，并对其关键组件如第一回流腔和第二回流腔的结构及其具体设置方式进行研究和设计，相应的可有效解决燃烧状态切换过程中出现熄火的问题，因而尤其适用于无焰燃烧的应用场合。
为实现上述目的，本发明提出了一种无需预热切换的无焰燃烧器，该燃烧器包括沿炉膛中心线对称分布的燃料供给器和空气供给器，其中：
所述燃料供给器包括燃料喷嘴、辅助空气喷嘴和第一回流腔，所述燃料喷嘴沿所述第一回流腔的中心线竖直伸入所述第一回流腔的底部，用于向该第一回流腔喷射燃料，所述辅助空气喷嘴对称设置在所述第一回流腔的顶部边缘，用于向该第一回流腔喷射辅助空气，所述第一回流腔开设有第一环形卷吸口、第二环形卷吸口和燃料出口，用于卷吸烟气并为所述燃料进行无焰燃烧提供燃烧空间，所述第一环形卷吸口套设在所述燃料喷嘴的外侧，用于卷吸所述炉膛内的烟气，并在所述第一回流腔内形成漩涡回流区，所述第二环形卷吸口设置在所述辅助空气喷嘴的内侧，用于卷吸所述炉膛内的烟气，所述燃料出口开设在所述第一回流腔的顶部中心，用于将烟气以及无焰燃烧后的剩余燃料喷入所述炉膛；
所述空气供给器包括空气喷嘴和第二回流腔，所述空气喷嘴沿所述第二回流腔的中心线竖直伸入所述第二回流腔的底部，用于向该第二回流腔喷射空气，所述第二回流腔开设有第三环形卷吸口和空气出口，所述第三环形卷吸口套设在所述空气喷嘴的外侧，用于卷吸所述炉膛内的烟气，所述空气出口开设在所述第二回流腔的顶部中心，用于将所述烟气与空气的混合气体喷入所述炉膛，从而为所述剩余燃料在所述炉膛内进行无焰燃烧提供氧气。
作为进一步优选地，所述空气供给器还包括导流板，所述导流板为两个流线型下凹曲面，并且对称设置在所述第二回流腔的两侧，用于增强所述第三环形卷吸口的卷吸作用。
作为进一步优选地，所述燃料喷嘴的出口与所述第一回流腔底部的距离优选为所述燃料喷嘴直径的0.5～2倍，所述空气喷嘴的出口与所述第二回流腔底部的距离优选为所述空气喷嘴直径的0.5～2倍。
作为进一步优选地，所述第一回流腔和第二回流腔优选为圆柱体，并且所述第一回流腔和第二回流腔的直径为所述炉膛宽度的1/10～1/5，所述第一回流腔和第二回流腔的高度为所述炉膛高度的1/20～1/8。
作为进一步优选地，所述燃料出口的直径为所述燃料喷嘴直径的2～4倍，所述空气出口的直径为所述空气喷嘴直径的2～4倍。
作为进一步优选地，所述第一环形卷吸口的宽度为所述燃料喷嘴直径的0.8～1.5倍，所述第三环形卷吸口的宽度为所述空气喷嘴直径的0.8～1.5倍。
作为进一步优选地，所述辅助空气喷嘴的直径为所述燃料喷嘴直径的0.5～1倍。
作为进一步优选地，所述辅助空气喷嘴与所述空气喷嘴的流量之比为1:20～1:10。
作为进一步优选地，所述第二环形卷吸口的宽度为所述燃料喷嘴直径的0.8～1.5倍。
作为进一步优选地，所述导流板的长度与高度相等，均为所述炉膛宽度的1/3～1/4，所述导流板的宽度为所述第二回流腔直径的1～3倍。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1.本发明通过在燃料供给器中设置第一回流腔，并相应设置第一环形卷吸口和第二环形卷吸口，能够将炉膛中的烟气卷吸进入第一回流腔并形成漩涡回流区，从而保证第一回流腔中温度分布均匀，燃料在烟气的作用下能够进行稳定的无焰燃烧，同时对剩余燃料进行预热并将其送入炉膛，进而在炉膛内实现无焰燃烧，不需要有焰燃烧阶段便可进行预热，避免了燃烧状态切换过程中出现熄火的问题，尤其是即使炉膛内发生熄火，第一回流腔内的无焰燃烧也能够保持稳定并将炉膛重新点燃，具有较高的安全性和稳定性；
2.同时，本发明通过在空气供给器中设置第二回流腔，并相应设置第三环形卷吸口，能够有效稀释进入炉膛的空气氧气浓度，并利用卷吸进入第二回流腔的烟气对空气进行预热，使低氧浓度的空气喷出后在炉膛内部形成大尺度循环，保证整个炉膛内的温度分布均匀，从而实现无焰燃烧，并大幅降低NOx的生成；
3.此外，本发明在空气供给器外部设置导流板，因而无需设置烟气外循环风管便可加强炉膛内的烟气内循环，增强炉内温度均匀性，进一步效抑制NOx的生成，并且通过对燃料供给器和空气供给器中的各参数进行优化，能够保证无焰燃烧器具有较高的稳定性和良好的燃烧性能。
附图说明
图1是按照本发明优选实施例构建的无需预热切换的无焰燃烧器的剖视图；
图2是按照本发明优选实施例构建的无需预热切换的无焰燃烧器的仰视图；
图3是按照本发明优选实施例构建的燃料供给器的结构示意图；
图4是按照本发明优选实施例构建的空气供给器的结构示意图；
图5是图3提供的燃料供给器的工作示意图；
图6是图4提供的空气供给器的工作示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-燃料喷嘴，2-第一环形卷吸口，3-辅助空气喷嘴，4-第二环形卷吸口，5-燃料出口，6-第一回流腔，7-炉膛，8-空气喷嘴，9-第三环形卷吸口，10-空气出口，11-第二回流腔，12-导流板，13-燃料供给器，14-空气供给器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1～4所示，本发明实施例提出了一种无需预热切换的无焰燃烧器，该燃烧器包括沿炉膛7中心线对称分布的燃料供给器13和空气供给器14，其中：
燃料供给器13包括燃料喷嘴1、辅助空气喷嘴3和第一回流腔6，燃料喷嘴1沿第一回流腔6的中心线竖直伸入第一回流腔6的底部，用于向该第一回流腔6喷射燃料，辅助空气喷嘴3对称设置在第一回流腔6的顶部边缘，用于向该第一回流腔6喷射辅助空气，第一回流腔6开设有第一环形卷吸口2、第二环形卷吸口4和燃料出口5，用于卷吸烟气并为燃料进行无焰燃烧提供燃烧空间，第一环形卷吸口2套设在燃料喷嘴1的外侧，用于卷吸炉膛7内的烟气，从而为燃料进行无焰燃烧提供氧气，并在第一回流腔6内形成漩涡回流区，第二环形卷吸口4设置在辅助空气喷嘴3的内侧，用于卷吸炉膛7内的烟气，进一步为燃料进行无焰燃烧提供氧气，燃料出口5开设在第一回流腔6的顶部中心，用于将烟气以及无焰燃烧后的剩余燃料喷入炉膛7；
空气供给器14包括空气喷嘴8和第二回流腔11，空气喷嘴8沿第二回流腔11的中心线竖直伸入第二回流腔11的底部，用于向该第二回流腔11喷射空气，第二回流腔11开设有第三环形卷吸口9和空气出口10，第三环形卷吸口9套设在空气喷嘴8的外侧，用于卷吸炉膛7内的烟气，空气出口10开设在第二回流腔11的顶部中心，用于将烟气与空气的混合气体喷入炉膛7，从而为剩余燃料在炉膛7内进行无焰燃烧提供氧气。
进一步，空气供给器14还包括导流板12，导流板12为两个流线型下凹曲面，并且对称设置在第二回流腔11的两侧，用于增强第三环形卷吸口9的卷吸作用。
如图5所示，燃料供给器13工作时燃料通过燃料喷嘴1进入第一回流腔6内，由于燃料射流速度较高，会在燃料喷嘴1的出口附近形成负压，通过第一环形卷吸口2将炉膛7内的烟气卷吸入第一回流腔6，从而形成漩涡回流区，而漩涡产生的负压会将第二环形卷吸口4周围的烟气卷吸入第一回流腔6中，因烟气中氧气浓度较低并且在第一回流腔6中存在大尺度卷吸循环，同时燃料射流速度较高，故第一回流腔6内能够实现无焰燃烧，当第一回流腔6内燃烧不稳定时，可以通过辅助空气喷嘴3向第一回流腔6中注入空气，由于第一环形卷吸口2和第二环形卷吸口4的烟气流动方向以及辅助空气喷嘴3的空气流动方向与漩涡回流区的气体流动方向一致，因此漩涡回流区不会被扰乱破坏并且会被加强，最终无焰燃烧后剩余的燃料与烟气一同从燃料出口5进入炉膛7，参与炉膛7的燃烧。
燃料供给器13中的第一回流腔不会发生熄火问题的主要原因为：(一)第一回流腔6内始终存在腔体内的大尺度漩涡，燃料喷嘴1和空气喷嘴3对大尺度漩涡的加强作用进一步使燃烧通过漩涡回流区稳定发生；(二)第一回流腔6的外部炉膛为高温环境，因而通过第一环形卷吸口2和第二环形卷吸口4卷吸高温烟气进入第一回流腔6，进一步对第一回流腔6内的无焰燃烧起到稳焰作用，保证其稳定燃烧；(三)燃料出口5的下游也在进行燃烧，能够起到引燃作用的同时还能对第一回流腔6内的无焰燃烧起到稳焰作用和辐射换热作用。实验表明，燃烧稳定后即使短时(如1分钟)切断燃料喷嘴1的燃料供给，待恢复燃料供给后热烟气、热腔体以及保温炉膛壁面的热量仍能使第一回流腔6的燃烧恢复，进而继续加热并进一步恢复炉膛7的燃烧，因而本发明提供的无焰燃烧器中第一回流腔6和炉膛7之间能够相互稳燃、相互加热，具备较强的燃烧稳定性和运行安全性。
如图6所示，空气供给器14工作时空气通过空气喷嘴8进入第二回流腔11内，由于空气射流速度较高，会在空气喷嘴8的出口附近形成负压，并通过第三环形卷吸口9将炉膛7内的烟气卷吸入第二回流腔11中，导流板12可以加强此过程的卷吸效果，使卷吸的烟气不仅来自第三环形卷吸口9附近，也来自炉膛7靠近炉膛的位置，以充分利用高速空气产生的负压加强炉膛7的内循环，最终在第二回流腔11中形成漩涡回流区，漩涡产生的负压也会进一步加强对炉膛内烟气的卷吸作用，从而加大炉膛7内部的卷吸循环，并且卷吸的高温烟气能够在空气供给器14内对空气进行预热并稀释氧浓度，使炉膛7内部的温度分布均匀，有利于实现无焰燃烧，最终低氧浓度空气与高温烟气一同从空气出口10进入炉膛，参与炉膛7的燃烧。
进一步，燃料喷嘴1或空气喷嘴8略伸入第一回流腔6或第二回流腔11的内部，能够使其喷出的高速射流在回流腔腔体内引起漩涡大尺度循环，为充分利用高速射流引起的负压，以卷吸烟气进入腔体内部参与漩涡循环，燃料喷嘴1的出口与第一回流腔6底部的距离优选为燃料喷嘴1直径的0.5～2倍，空气喷嘴8的出口与第二回流腔11底部的距离优选为空气喷嘴8直径的0.5～2倍。
进一步，为保证实际操作中只需加装本发明提供的燃烧器即可完成锅炉低氮改造，而不对锅炉本体进行过多改动，第一回流腔6和第二回流腔11优选为圆柱体，并且第一回流腔6和第二回流腔11的直径为炉膛7宽度的1/10～1/5，第一回流腔6和第二回流腔11的高度为炉膛7高度的1/20～1/8，该参数范围能够保证第一回流腔6起到稳燃作用，第二回流腔11起到预热空气和降低其氧浓度的作用，同时不对炉膛7的整体燃烧产生过多干扰。
进一步，燃料出口5或空气出口10的直径过小可能引起较大流动阻力，不利于射流进一步喷入炉膛7，而其直径过大则不利于在第一回流腔6或第二回流腔11的腔体内形成漩涡大尺度循环，因此燃料出口5的直径优选为燃料喷嘴1直径的2～4倍，空气出口10的直径优选为空气喷嘴8直径的2～4倍，从而保证大尺度漩涡循环顺利形成的同时，大幅度减少射流动量的损失，使其喷出的射流能够保持高动量，从而在炉膛7内形成大尺度卷吸与内循环，有利于炉膛7内无焰燃烧的形成。
进一步，第一环形卷吸口2的宽度为燃料喷嘴1直径的0.8～1.5倍，第二环形卷吸口4的宽度为燃料喷嘴1直径的0.8～1.5倍，第三环形卷吸口9的宽度为空气喷嘴8直径的0.8～1.5倍，上述环形卷吸口的宽度过小可能无法引射足够的烟气进入第一回流腔或第二回流腔，而其宽度过大则会破坏第一回流腔或第二回流腔内的漩涡大尺度气流组织。
进一步，辅助空气喷嘴3的直径会影响其出口流速，直径过小会造成出口流速过高，需较强的供气初始压力，而其直径过大则会造成出口流速过低而难以通过第二环形卷吸口4充分卷吸烟气，因此辅助空气喷嘴3的直径为燃料喷嘴直径的0.5～1倍，同时辅助空气的流量过小无法起到助燃作用，辅助空气的流量过大则会影响炉膛7的燃烧效果，因此辅助空气喷嘴3与空气喷嘴8的流量之比为1:20～1:10，。
进一步，导流板12的作用主要是加强炉膛7的烟气内循环，充分利用高速射流引起的负压，使负压区域不仅卷吸第三环形卷吸口9附近的烟气，还能卷吸炉壁附近的烟气，因此导流板12的长度与高度相等，均为炉膛7宽度的1/3～1/4，导流板12的宽度为第二回流腔11直径的1～3倍。
下面对本发明提供的无需预热切换的无焰燃烧器的工作过程作具体描述。
将本发明提供的燃料供给器13和空气供给器14安装在炉膛7中心线的两侧，锅炉点火时，首先通过燃料供给器13和空气供给器14提供小流量的燃料和空气，此时燃烧主要发生在燃料供给器13的第一回流腔6和燃料出口5，点火成功后，逐渐增大燃料喷嘴1和空气喷嘴8的流量，射流速度也逐渐增大，第一回流腔6、第二回流腔11和炉膛7内的卷吸尺度逐渐变大，使整个炉膛内温度分布均匀，实现无焰燃烧，因第一回流腔6内始终能够实现稳定的无焰燃烧，即使炉膛7内熄火，第一回流腔6也会自动重新点燃，因此稳燃效果与流量无关，故增大流量的过程中无需担心出现突然熄火的问题，可实现大范围工况调节和安全稳定运行。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种无需预热切换的无焰燃烧器，其特征在于，该燃烧器包括沿炉膛(7)中心线对称分布的燃料供给器(13)和空气供给器(14)，其中：
所述燃料供给器(13)包括燃料喷嘴(1)、辅助空气喷嘴(3)和第一回流腔(6)，所述燃料喷嘴(1)沿所述第一回流腔(6)的中心线竖直伸入所述第一回流腔(6)的底部，用于向该第一回流腔(6)喷射燃料，所述辅助空气喷嘴(3)对称设置在所述第一回流腔(6)的顶部边缘，用于向该第一回流腔(6)喷射辅助空气，所述第一回流腔(6)开设有第一环形卷吸口(2)、第二环形卷吸口(4)和燃料出口(5)，用于卷吸烟气并为所述燃料进行无焰燃烧提供燃烧空间，所述第一环形卷吸口(2)套设在所述燃料喷嘴(1)的外侧，用于卷吸所述炉膛(7)内的烟气，并在所述第一回流腔(6)内形成漩涡回流区，所述第二环形卷吸口(4)设置在所述辅助空气喷嘴(3)的内侧，用于卷吸所述炉膛(7)内的烟气，所述燃料出口(5)开设在所述第一回流腔(6)的顶部中心，用于将烟气以及无焰燃烧后的剩余燃料喷入所述炉膛(7)；
所述空气供给器(14)包括空气喷嘴(8)和第二回流腔(11)，所述空气喷嘴(8)沿所述第二回流腔(11)的中心线竖直伸入所述第二回流腔(11)的底部，用于向该第二回流腔(11)喷射空气，所述第二回流腔(11)开设有第三环形卷吸口(9)和空气出口(10)，所述第三环形卷吸口(9)套设在所述空气喷嘴(8)的外侧，用于卷吸所述炉膛(7)内的烟气，所述空气出口(10)开设在所述第二回流腔(11)的顶部中心，用于将所述烟气与空气的混合气体喷入所述炉膛(7)，从而为所述剩余燃料在所述炉膛(7)内进行无焰燃烧提供氧气。
2.如权利要求1所述的无需预热切换的无焰燃烧器，其特征在于，所述空气供给器(14)还包括导流板(12)，所述导流板(12)为两个流线型下凹曲面，并且对称设置在所述第二回流腔(11)的两侧，用于增强所述第三环形卷吸口(9)的卷吸作用。
3.如权利要求1所述的无需预热切换的无焰燃烧器，其特征在于，所述燃料喷嘴(1)的出口与所述第一回流腔(6)底部的距离为所述燃料喷嘴(1)直径的0.5～2倍，所述空气喷嘴(8)的出口与所述第二回流腔(11)底部的距离为所述空气喷嘴(8)直径的0.5～2倍。
4.如权利要求1～3任一项所述的无需预热切换的无焰燃烧器，其特征在于，所述第一回流腔(6)和第二回流腔(11)为圆柱体，并且所述第一回流腔(6)和第二回流腔(11)的直径为所述炉膛(7)宽度的1/10～1/5，所述第一回流腔(6)和第二回流腔(11)的高度为所述炉膛(7)高度的1/20～1/8。
5.如权利要求1所述的无需预热切换的无焰燃烧器，其特征在于，所述燃料出口(5)的直径为所述燃料喷嘴(1)直径的2～4倍，所述空气出口(10)的直径为所述空气喷嘴(8)直径的2～4倍。
6.如权利要求1所述的无需预热切换的无焰燃烧器，其特征在于，所述第一环形卷吸口(2)的宽度为所述燃料喷嘴(1)直径的0.8～1.5倍，所述第三环形卷吸口(9)的宽度为所述空气喷嘴(8)直径的0.8～1.5倍。
7.如权利要求1所述的无需预热切换的无焰燃烧器，其特征在于，所述辅助空气喷嘴(3)的直径为所述燃料喷嘴直径的0.5～1倍。
8.如权利要求1所述的无需预热切换的无焰燃烧器，其特征在于，所述辅助空气喷嘴(3)与所述空气喷嘴(8)的流量之比为1:20～1:10。
9.如权利要求5～8任一项所述的无需预热切换的无焰燃烧器，其特征在于，所述第二环形卷吸口(4)的宽度为所述燃料喷嘴(1)直径的0.8～1.5倍。
10.如权利要求2所述的无需预热切换的无焰燃烧器，其特征在于，所述导流板(12)的长度与高度相等，均为所述炉膛(7)宽度的1/3～1/4，所述导流板(12)的宽度为所述第二回流腔(11)直径的1～3倍。
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