CN110822423B - 一种带有肋片异径燃气自旋预混多用途燃烧器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种带有肋片异径燃气自旋预混多用途燃烧器，包括燃烧器外二次风套筒外围由预燃室壳体围成的预燃室。预燃室壳体外侧套有燃尽风套筒，预燃室壳体尾部端面沿预燃室出口轴线周向对称开设有外扩式燃尽风喷口。外二次风套筒出口处和燃尽风套筒通道内设置有轴向旋流叶片。本发明作为燃气燃烧器投用时，内、外二次风均为高速射流，燃气在大尺度湍动条件下与空气以及烟气在炉膛内弥散混合，有效降低NOx生成量。当作为煤粉燃烧器投用时，预燃室壳体尾部端面开设的外扩式喷口在与燃尽风轴向旋流叶片的共同作用下，使喷出的燃尽风围绕预燃室出口轴线形成外扩式高速旋转射流，进入炉膛的气粉混合物在MILD燃烧条件下进行燃烧，NOx生成量显著降低。

Description

一种带有肋片异径燃气自旋预混多用途燃烧器
【技术领域】
本发明属于热能与动力工程技术领域，涉及一种旋流燃烧器，具体涉及一种带有肋片异径燃气自旋预混多用途燃烧器，用于增强燃烧器对燃料种类的适应性和降低燃料燃烧过程中NOx生成。
【背景技术】
化石能源在未来较长时期都将是能源的消费主体。近年来天然气消费量占能源消费总量的比重逐年上升。化石燃料燃烧是氮氧化物(NOx)的主要来源，NOx是光化学烟雾、酸雨、雾霾天气的主要原因之一，严重危害大气环境与人体健康。
MILD(Moderate or Intense Low Oxygen Dillution)燃烧技术可以有效控制NOx生成，在近几年得到了快速发展。MILD燃烧技术的燃料适应性强，能广泛应用于固、液、气态燃料；该种燃烧方式形成的火焰呈弥散状，燃烧区域大，峰值温度低，热流分布均匀，靠近燃烧器区域的氧气浓度显著低于传统燃烧方式，在抑制NOx生成的同时，可以保证较高的燃烧效率。通过燃烧器的合理组织，将MILD燃烧和空气分级两种低NOx燃烧技术相耦合，应用到天然气和煤粉的燃烧中，使其发挥协同脱硝效应，进一步降低NOx排放。
【发明内容】
本发明的目的在于克服上述现有技术中存在的不足，提供一种用于增强燃烧器对燃料种类的适应性和降低燃料燃烧过程中NOx生成的带有肋片异径燃气自旋预混多用途燃烧器，该燃烧器可以切换燃烧组织方式以分别适应天然气和煤粉的燃烧条件，实现燃烧器燃料种类适应性强的要求。同时，通过燃烧器的合理组织，将MILD燃烧和空气分级两种低NOx燃烧技术相耦合，应用到天然气和煤粉的燃烧中，使其发挥协同脱硝效应，进一步降低NOx排放。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种带有肋片异径燃气自旋预混多用途燃烧器，包括：
预燃室，预燃室由预燃室壳体围成，并于外二次风套筒的外围连接；预燃室入口处由内至外依次套装有燃气套筒、空气分流套筒、燃气助燃空气套筒、一次风套筒、耐火水泥隔离带、内二次风套筒和外二次风套筒；
预燃室壳体，预燃室壳体外侧套有燃尽风套筒，预燃室壳体尾部端面沿预燃室出口轴线周向对称开设有若干燃尽风喷口；
燃气套筒，燃气套筒设置有若干燃气预混喷口和若干燃气非预混喷口；
燃气预混喷口，燃气预混喷口管道通过旋流肋片嵌于空气分流套筒与燃气助燃空气套筒形成的环形通道内；燃气预混喷口至燃气助燃空气套筒出口之间的环形通道为燃气预混通道。
本发明进一步的改进在于：
燃气套筒侧面开设有燃气入口；燃气助燃空气套筒侧面开设有燃气助燃空气入口。
燃气套筒沿其轴线周向设置有8个椭圆形截面的异径燃气预混喷口，燃气预混喷口管道相对于燃气套筒的周向定位角为θ，30°≤θ≤60°，使喷出的燃气围绕燃气套筒轴线形成旋转射流，在燃气预混通道内和燃气助燃空气混合。
燃气预混喷口每根管道外周对称连接有两副旋流肋片，肋片的旋流角度与燃气预混喷口管道相对于燃气套筒的周向定位角相同，通过旋流肋片将燃气预混喷口管道嵌于空气分流套筒与燃气助燃空气套筒形成的环形通道内。
外二次风套筒出口处设置有外二次风轴向旋流叶片，外二次风轴向旋流叶片的旋流角度为η，50°≤η≤70°，外二次风以旋转射流方式进入预燃室。
燃尽风套筒通道内设置有燃尽风轴向旋流叶片，燃尽风轴向旋流叶片的旋流角度为δ，50°≤δ≤70°，燃尽风通过燃尽风喷口以旋转射流方式进入炉膛。
预燃室壳体尾部端面沿预燃室出口轴线周向对称开设有8个外扩式燃尽风喷口，喷口的扩张角度为20°～30°，在与燃尽风轴向旋流叶片的共同作用下，使喷出的燃尽风围绕预燃室出口轴线形成外扩式高速旋转射流。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明带有肋片异径燃气自旋预混多用途燃烧器。当作为燃气燃烧器投用时，关闭一次风通道和燃尽风通道；燃气预混喷口使喷出的燃气围绕燃气套筒轴线形成旋转射流，在燃气预混通道内和燃气助燃空气快速混合；从燃气非预混喷口喷出的燃气在预燃室内和助燃空气进行非预混燃烧；内二次风为高速直流射流(65～100m/s)，外二次风为高速旋转射流(65～100m/s)，内、外二次风从射流边界卷吸大量高温烟气回流，使预燃室和主燃区呈现还原性气氛，燃气受到强烈的扰动与空气以及烟气在炉膛内弥散混合，在MILD燃烧条件下进行燃烧，有效降低NOx生成量。当作为煤粉燃烧器投用时，关闭燃气通道和燃气助燃空气通道；一次风粉混合物通过蜗壳导流以旋转射流方式进入预燃室快速释放挥发分，内二次风适当补充氧气使挥发分部分燃烧提高煤粉着火稳定性，随后进入炉膛的煤粉颗粒在自身旋转射流连同外二次风以及燃尽风的旋转射流带动下，在炉膛内部弥散分布；同时，预燃室壳体尾部端面开设的外扩式燃尽风喷口，在与燃尽风轴向旋流叶片的共同作用下，使喷出的燃尽风围绕预燃室出口轴线形成外扩式高速旋转射流(65～100m/s)，延长了射流边界的长度和广度，回流区面积增大，大量高温烟气被卷吸回流，使得煤粉主燃区呈现还原性气氛，进入炉膛的气粉混合物在MILD燃烧条件下进行燃烧，NOx生成量显著降低。
进一步的，本发明燃气预混喷口管道通过旋流肋片嵌于空气分流套筒与燃气助燃空气套筒形成的环形通道内，燃气预混喷口管道与旋流肋片将空气分流套筒与燃气助燃空气套筒形成的环形通道分隔为若干路燃气助燃空气轴向旋流通道；部分燃气助燃空气经过燃气助燃空气轴向旋流通道导流后围绕燃气套筒轴线形成旋转射流，在燃气预混通道内和燃气快速混合进行预混燃烧，进一步降低NOx生成。
【附图说明】
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明A-A方向的剖视图；
图3为本发明B-B方向的剖视图；
图4为本发明的右视图；
图5为本发明燃气套筒与旋流肋片的结构示意图；
图6为本发明燃气预混喷口管道与旋流肋片的局部剖视图。
其中，1-燃气助燃空气入口；2-燃气助燃空气套筒；3-一次风套筒；4-外二次风套筒；5-预燃室壳体；6-预燃室；7-燃尽风套筒；8-燃尽风轴向旋流叶片；9-燃尽风喷口；10-燃气非预混喷口；11-空气分流套筒；12-燃气预混通道；13-燃气预混喷口；14-旋流肋片；15-外二次风轴向旋流叶片；16-内二次风套筒；17-耐火水泥隔离带；18-燃气套筒；19-燃气入口。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
参见图1-6，本发明带有肋片异径燃气自旋预混多用途燃烧器，包括燃烧器的外二次风套筒4，外二次风套筒4的外围连接由预燃室壳体5围成的预燃室6，预燃室6入口处由内至外依次套装有燃气套筒18、空气分流套筒11、燃气助燃空气套筒2、一次风套筒3、耐火水泥隔离带17、内二次风套筒16和外二次风套筒4。
预燃室壳体5外侧套有燃尽风套筒7，预燃室壳体5尾部端面沿预燃室6出口轴线周向对称开设有若干个外扩式燃尽风喷口9，喷口的扩张角度为20°～30°，在与燃尽风轴向旋流叶片8的共同作用下，使喷出的燃尽风围绕预燃室6出口轴线形成外扩式高速旋转射流。
燃气套筒18侧面开设有燃气入口19；燃气套筒18沿其轴线周向设置有若干个椭圆形截面的异径燃气预混喷口13，燃气预混喷口13管道相对于燃气套筒18的周向定位角为θ，30°≤θ≤60°；燃气预混喷口13每根管道外周对称连接有两副旋流肋片14，肋片的旋流角度与燃气预混喷口13管道相对于燃气套筒18的周向定位角相同，通过旋流肋片14将燃气预混喷口13管道嵌于空气分流套筒11与燃气助燃空气套筒2形成的环形通道内；燃气预混喷口13至燃气助燃空气套筒2出口之间的环形通道为燃气预混通道12；同时，燃气套筒18沿其轴线周向设置有若干个燃气非预混喷口10，燃气非预混喷口10位于燃气套筒18出口端面。
燃气预混喷口13管道与旋流肋片14将空气分流套筒11与燃气助燃空气套筒2形成的环形通道分隔为若干路燃气助燃空气轴向旋流通道；部分燃气助燃空气经过燃气助燃空气轴向旋流通道导流后围绕燃气套筒18轴线形成旋转射流。
燃气助燃空气套筒2侧面开设有燃气助燃空气入口1；一次风入口将通过蜗壳形成旋流的煤粉和空气的混合物送入一次风套筒3；煤粉和空气的混合物在一次风套筒3和燃气助燃空气套筒2之间的环形通道内流动，在一次风套筒3出口形成旋转射流。
内二次风套筒16与一次风套筒3之间设置有耐火水泥隔离带17；外二次风套筒4出口处设置有外二次风轴向旋流叶片15，叶片的旋流角度为η，50°≤η≤70°；燃尽风套筒7通道内设置有燃尽风轴向旋流叶片8，叶片的旋流角度为δ，50°≤δ≤70°。
天然气在燃气套筒18内流动，由燃气预混喷口13和燃气非预混喷口10喷出；燃气助燃空气在燃气助燃空气套筒2内流动；煤粉和空气的混合物由一次风入口送入，并在一次风套筒3和燃气助燃空气套筒2之间的环形通道内流动；内二次风在内二次风套筒16和耐火水泥隔离带17之间的环形通道内流动；外二次风在外二次风套筒4和内二次风套筒16之间的环形通道内流动；燃尽风在燃尽风套筒7和预燃室壳体5外表面之间的环形通道内流动。
本发明的原理：
当作为燃气燃烧器投用时，本发明燃气预混喷口使喷出的燃气围绕燃气套筒轴线形成旋转射流，在燃气预混通道内和燃气助燃空气快速混合；从燃气非预混喷口喷出的燃气在预燃室内和助燃空气进行非预混燃烧。燃气预混喷口管道与旋流肋片将空气分流套筒与燃气助燃空气套筒形成的环形通道分隔为8路燃气助燃空气轴向旋流通道；部分燃气助燃空气经过燃气助燃空气轴向旋流通道导流后围绕燃气套筒轴线形成旋转射流，在燃气预混通道内和燃气快速混合进行预混燃烧，降低NOx生成量。内二次风为高速直流射流(65～100m/s)，外二次风为高速旋转射流(65～100m/s)，内、外二次风从射流边界卷吸大量高温烟气回流，使预燃室和主燃区呈现还原性气氛，燃气受到强烈的扰动与空气以及烟气在炉膛内弥散混合，在MILD燃烧条件下进行燃烧，有效降低NOx生成量。
当作为煤粉燃烧器投用时，本发明利用一次风和外二次风的旋转射流在预燃室内形成回流区，卷吸高温烟气回流对预燃室内的煤粉进行加热，煤粉在预燃室内受热快速分解释放大量挥发分，挥发分部分燃烧，为预燃室提供热量。在过量空气系数小于1的还原性气氛下，挥发分中的含氮化合物在预燃室内经过一系列反应被还原成N2，使得NOx生成量下降。同时，回流进预燃室的高温烟气中氧气含量比较低，进一步降低了预燃室内的氧浓度，抑制NOx生成。
为了保证预燃室内的低氧环境，要求：
(一次风量(煤粉)+内二次风量+外二次风量)/煤粉燃烧所需理论计算总风量＜0.6。
也就是说预燃室内总的过量空气系数要小于0.6。
本发明预燃室壳体尾部端面开设的外扩式燃尽风喷口，在与燃尽风轴向旋流叶片的共同作用下，使喷出的燃尽风围绕预燃室出口轴线形成外扩式高速旋转射流(65～100m/s)，延长了射流边界的长度和广度，回流区面积增大，大量高温烟气被卷吸回流，使得煤粉主燃区呈现还原性气氛；进入炉膛的煤粉颗粒在自身旋转射流连同外二次风以及燃尽风的旋转射流带动下，在炉膛内部呈弥散分布，炉膛内的气粉混合物在MILD燃烧条件下进行燃烧，NOx生成量显著降低。
本发明的工作过程：
当作为燃气燃烧器投用时，关闭一次风通道和燃尽风通道。将燃气助燃空气、内二次风和外二次风通过燃气助燃空气入口1、内二次风入口和外二次风入口送入，燃气助燃空气在燃气助燃空气套筒2内流动，内二次风在内二次风套筒16和耐火水泥隔离带17之间的环形通道内流动，外二次风在外二次风套筒4和内二次风套筒16之间的环形通道内流动，燃气助燃空气、内二次风和外二次风进入预燃室6内，对预燃室6进行1分钟以上的吹扫。
通过点火推进器将高能点火器和油枪或燃气枪送入到指定点火位置进行点火。将燃气助燃空气、内二次风和外二次风通过燃气助燃空气入口1、内二次风入口和外二次风入口送入，燃气助燃空气在燃气助燃空气套筒2内流动，内二次风在内二次风套筒16和耐火水泥隔离带17之间的环形通道内流动，外二次风在外二次风套筒4和内二次风套筒16之间的环形通道内流动，燃气助燃空气、内二次风和外二次风进入预燃室6内。外二次风套筒4出口处设置有外二次风轴向旋流叶片15，外二次风以旋转射流方式进入预燃室6。
由燃气入口19送入天然气，天然气通过燃气套筒18由燃气预混喷口13和燃气非预混喷口10喷出。燃气预混喷口13使喷出的燃气围绕燃气套筒18轴线形成旋转射流，在燃气预混通道12内和燃气助燃空气快速混合；从燃气非预混喷口10喷出的燃气在预燃室6内和助燃空气进行非预混燃烧。燃气预混喷口13管道与旋流肋片14将空气分流套筒11与燃气助燃空气套筒2形成的环形通道分隔为8路燃气助燃空气轴向旋流通道；部分燃气助燃空气经过燃气助燃空气轴向旋流通道导流后围绕燃气套筒18轴线形成旋转射流，在燃气预混通道12内和燃气快速混合进行预混燃烧，降低NOx生成量。在进入预燃室6后，燃气被油枪或燃气枪出口产生的火焰点燃。内二次风为高速直流射流(65～100m/s)，外二次风为高速旋转射流(65～100m/s)，内、外二次风从射流边界卷吸大量高温烟气回流，使预燃室6和主燃区呈现还原性气氛，燃气受到强烈的扰动与空气以及烟气在炉膛内弥散混合，在MILD燃烧条件下进行燃烧，有效降低NOx生成量。
待预燃室6内燃气燃烧稳定后，通过点火推进器将高能点火器和油枪或燃气枪撤回。同时红外火焰监测装置通过窥火装置实时监测燃烧火焰状态，当发生灭火时，发出警报，并及时停止燃气的输入，重新执行吹扫和点火操作。
当作为煤粉燃烧器投用时，关闭燃气通道和燃气助燃空气通道。将内二次风和外二次风通过内二次风入口和外二次风入口送入，内二次风在内二次风套筒16和耐火水泥隔离带17之间的环形通道内流动，外二次风在外二次风套筒4和内二次风套筒16之间的环形通道内流动，内、外二次风进入预燃室6内，对预燃室6进行1分钟以上的吹扫。
通过点火推进器将高能点火器和油枪或燃气枪送入到指定点火位置进行点火。将内二次风和外二次风通过内二次风入口和外二次风入口送入，内二次风在内二次风套筒16和耐火水泥隔离带17之间的环形通道内流动，外二次风在外二次风套筒4和内二次风套筒16之间的环形通道内流动，内、外二次风进入预燃室6内。外二次风套筒4出口处设置有外二次风轴向旋流叶片15，外二次风以旋转射流方式进入预燃室6。
由一次风入口将通过蜗壳形成旋流的煤粉和空气的混合物送入一次风套筒3，煤粉和空气的混合物在一次风套筒3和燃气助燃空气套筒2之间的环形通道内流动，在一次风套筒3出口形成旋转射流。在进入预燃室6后，煤粉发生热解释放出挥发分，并被油枪或燃气枪出口产生的火焰点燃。在一次风和二次风携带的氧气含量不充足的情况下，预燃室6内呈现还原性气氛，煤粉热解产生的含氮化合物经过一系列反应被还原成N2，使得NOx生成量有效降低。未燃烧的挥发分、高温烟气和煤粉颗粒形成的混合物在预燃室6后半段均匀混合后进入炉膛燃烧。
燃尽风通过燃尽风入口送入，燃尽风在燃尽风套筒7和预燃室壳体5外表面之间的环形通道内流动。预燃室壳体5尾部端面沿预燃室6出口轴线周向对称开设有若干个外扩式燃尽风喷口9，喷口的扩张角度为20°～30°，在与燃尽风轴向旋流叶片8的共同作用下，使喷出的燃尽风围绕预燃室6出口轴线形成外扩式高速旋转射流(65～100m/s)，延长了射流边界的长度和广度，回流区面积增大，大量高温烟气被卷吸回流，使得煤粉主燃区呈现还原性气氛；进入炉膛的煤粉颗粒在自身旋转射流连同外二次风以及燃尽风的旋转射流带动下，在炉膛内部呈弥散分布，炉膛内的气粉混合物在MILD燃烧条件下进行燃烧，NOx生成量显著降低。
待预燃室6内煤粉着火稳定后，通过点火推进器将高能点火器和油枪或燃气枪撤回。同时红外火焰监测装置通过窥火装置实时监测燃烧火焰状态，当发生灭火时，发出警报，并及时停止煤粉的输入，重新执行吹扫和点火操作。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种带有肋片异径燃气自旋预混多用途燃烧器，其特征在于，包括：
预燃室（6），预燃室（6）由预燃室壳体（5）围成，并于外二次风套筒（4）的外围连接；预燃室（6）入口处由内至外依次套装有燃气套筒（18）、空气分流套筒（11）、燃气助燃空气套筒（2）、一次风套筒（3）、耐火水泥隔离带（17）、内二次风套筒（16）和外二次风套筒（4）；
预燃室壳体（5），预燃室壳体（5）外侧套有燃尽风套筒（7），预燃室壳体（5）尾部端面沿预燃室（6）出口轴线周向对称开设有若干燃尽风喷口（9）；
燃气套筒（18），燃气套筒（18）设置有若干燃气预混喷口（13）和若干燃气非预混喷口（10）；燃气套筒（18）沿其轴线周向设置有8个椭圆形截面的异径燃气预混喷口（13），燃气预混喷口（13）管道相对于燃气套筒（18）的周向定位角为θ，30°≤θ≤60°，使喷出的燃气围绕燃气套筒（18）轴线形成旋转射流，在燃气预混通道（12）内和燃气助燃空气混合；
燃气预混喷口（13），燃气预混喷口（13）管道通过旋流肋片（14）嵌于空气分流套筒（11）与燃气助燃空气套筒（2）形成的环形通道内；燃气预混喷口（13）至燃气助燃空气套筒（2）出口之间的环形通道为燃气预混通道（12）。
2.根据权利要求1所述的带有肋片异径燃气自旋预混多用途燃烧器，其特征在于，燃气套筒（18）侧面开设有燃气入口（19）；燃气助燃空气套筒（2）侧面开设有燃气助燃空气入口（1）。
3.根据权利要求1或2所述的带有肋片异径燃气自旋预混多用途燃烧器，其特征在于，燃气预混喷口（13）每根管道外周对称连接有两副旋流肋片（14），肋片的旋流角度与燃气预混喷口（13）管道相对于燃气套筒（18）的周向定位角相同，通过旋流肋片（14）将燃气预混喷口（13）管道嵌于空气分流套筒（11）与燃气助燃空气套筒（2）形成的环形通道内。
4.根据权利要求1所述的带有肋片异径燃气自旋预混多用途燃烧器，其特征在于，外二次风套筒（4）出口处设置有外二次风轴向旋流叶片（15），外二次风轴向旋流叶片（15）的旋流角度为η，50°≤η≤70°，外二次风以旋转射流方式进入预燃室（6）。
5.根据权利要求1所述的带有肋片异径燃气自旋预混多用途燃烧器，其特征在于，燃尽风套筒（7）通道内设置有燃尽风轴向旋流叶片（8），燃尽风轴向旋流叶片（8）的旋流角度为δ，50°≤δ≤70°，燃尽风通过燃尽风喷口（9）以旋转射流方式进入炉膛。
6.根据权利要求1所述的带有肋片异径燃气自旋预混多用途燃烧器，其特征在于，预燃室壳体（5）尾部端面沿预燃室（6）出口轴线周向对称开设有8个外扩式燃尽风喷口（9），喷口的扩张角度为20°~30°，在与燃尽风轴向旋流叶片（8）的共同作用下，使喷出的燃尽风围绕预燃室（6）出口轴线形成外扩式高速旋转射流。
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