CN110869671A - 用于锅炉应用的优化燃烧器 - Google Patents

Abstract

一种锅炉可以具有燃烧室、燃烧器、与燃烧室流体连通的换热器以及用于从锅炉去除燃烧产物的烟道。燃烧器具有诸如圆锥或类似形状的突出锥形。燃烧器的突出锥形将热量比圆柱形燃烧器更均匀地分配到换热器，从而减少燃烧室壁处的热量损失并提高热效率。燃烧器的突出锥形还降低与燃烧器的运行关联的噪声。

Description

用于锅炉应用的优化燃烧器

相关申请

本申请要求2017年6月8日向美国专利与商标局提交且标题为“OptimizedBurners For Boiler Applications”的美国临时专利申请No.62/517016的优先权，此处以引证的方式将该申请的整体内容并入。

技术领域

本公开总体涉及锅炉，具体涉及在锅炉中使用的燃烧器的形状。

背景技术

锅炉、热水器以及其他类似装置用于加热各种类型的液体。这些装置关于燃烧过程通常使用燃烧器。现有燃烧器的局限性之一是它们无法均匀地分配热量，而是将太多的热量集中在管板或装置的其他零件上。现有燃烧器的另一个局限性是在低燃烧率下，燃烧器和周围的部件可能生成显著的噪声，该噪声在此处被称为谐波。在具有除了到换热器的开口和用于气体和燃料混合物入口的开口之外被密封或封闭的燃烧室的锅炉中，噪声或谐波是一个特殊问题。锅炉设计领域的普通技术人员将理解，谐波是指由燃烧器运行生成的噪声的固有频率或固有频率的整数倍。燃烧器的固有频率由用于燃烧室和燃烧器的形状和材料来决定。

参照附图，图1是示出现有技术已知的典型锅炉的主要部件的示意图。具体地，图1例示了具有进水口114、出水口115、燃烧室108、换热器109以及烟气出口116的锅炉100。空气经由空气输入102提供给鼓风机105和歧管106，并且燃料经由燃料输入104提供给鼓风机105和歧管106。燃料和空气混合物在燃烧室108内的燃烧器110处被接收，在燃烧器中，它们被点燃，以产生燃烧产物。燃烧产物在鼓风机105的压力下流过换热器109，以加热锅炉100内的水。在将热量传递给水之后，燃烧产物经由烟气出口116离开锅炉。在图1所例示的示例中，燃烧室108具有圆柱形状，并且燃烧室108除了其中放置燃烧器110的燃烧室入口107和燃烧室出口111以外被封闭。燃烧室出口111与换热器入口112流体连通。换热器出口113与烟气出口116流体连通。

图2示出了具有圆柱形状并且安装在现有技术锅炉100的燃烧室108中的现有技术燃烧器110的截面示意图。图3提供了具有圆柱形状的典型燃烧器110的反向视图，该圆柱形状具有平坦的底表面和弯曲的侧壁，并且其中，燃烧器110如现有技术中已知地附接到歧管106。

如箭头从燃烧器110向下指向的图2例示，圆柱形燃烧器110将大部分热量引导到在圆柱形燃烧器110正下方的管板120的区域。管板120是在固定换热器管的换热器109的顶部处的板。作为热量集中在管板120中心处的结果，热量未均匀地分配到位于管板120下方的多个换热器管，这导致换热器109的管的低效运行。热量集中在管板120中心处还在管板120上并且特别是在将管板120接合到换热器的温度最高的换热器管的焊接处产生机械应力。该机械应力可能影响锅炉的性能和寿命。

如图2中还由从燃烧器110的每一侧指出的水平箭头示出的，圆柱形燃烧器110的弯曲侧壁将热量向外引向在燃烧室108的壁处存在热量损失的、燃烧室108的侧面，从而进一步加重了来自燃烧器的热量的低效分配。因为离开圆柱形燃烧器的弯曲侧壁的热量未朝向管板120下方的换热器集中，所以锅炉的运行效率更低。相反，最佳的是增加向下指向管板120和换热器109的管的热量，并且也将热量更均匀地分配在管板120和换热器109的管的上方。

如图4和图5例示，现有技术已知的圆柱形燃烧器110的另一个局限性是由锅炉100的燃烧器110和周围部件产生的噪声或谐波。当燃烧器110以低速率燃烧时发生谐波。与较低的燃烧率关联的较低空气压力连同燃烧器110的形状、燃烧器110上方的歧管106的形状以及燃烧室108的形状一起组合来产生谐波。作为非限制性示例，图4和图5中提供的数据是在以2.5MM BTU/小时运行的12英寸圆柱形燃烧器上的测试结果。如图4和图5中的数据所示，当二氧化碳水平为近似8％时，在燃烧器的燃烧率为全燃烧率能力的10-15％或更低时，产生谐波。数据还表明，随着二氧化碳水平增加到9.5％，产生谐波的燃烧率的范围显著增加直到全燃烧率能力的50-60％或更低。

以下公开描述了示例性燃烧器，这些示例性燃烧器可以解决与热分配和谐波关联的前述限制中的一个或多个。

发明内容

本公开涉及优化用于锅炉的燃烧器。在一个示例性实施方式中，锅炉包括具有燃烧室入口和燃烧室出口的燃烧室。具有突出锥形的燃烧器布置在燃烧室入口中并突出到燃烧室中。作为一些非限制性示例，燃烧器的突出锥形可以是圆锥、截锥、半球、半球体、圆顶、椭圆形圆顶、角锥体、截头角锥体或准角锥体。燃烧器被构造为接收空气和燃料的混合物。锅炉还包括具有换热器入口的换热器，该换热器入口与燃烧室流体连通。烟道与换热器出口流体连通，用于在燃烧产物穿过换热器之后去除燃烧产物。在某些示例实施方式中，燃烧器可以包括具有不均匀穿孔图案的网或具有不均匀穿孔图案的扩散板。

这些和其他方面、目的、特征以及实施方式将从以下描述和所附权利要求显而易见。

附图说明

现在将对不必等比例绘制的附图进行参照，并且附图中：

图1是现有技术已知的锅炉的主要部件的示意图。

图2是现有技术锅炉的局部横截面的示意图，其示出了位于燃烧室内且在现有技术锅炉的歧管下方的圆柱形燃烧器。

图3示出了现有技术已知的圆柱形燃烧器。

图4是表格，并且图5是曲线图，两者都包含反映现有技术锅炉中的谐波以指定的二氧化碳水平和燃烧率发生的数据。

图6例示了根据本公开的示例性实施方式的圆锥形燃烧器。

图7是锅炉的局部横截面的示意图，其示出了根据本公开的示例性实施方式的圆锥形燃烧器。

图8例示了根据本公开的示例性实施方式的圆锥形燃烧器。

图9a和图9b示出了根据本公开的示例性实施方式的、可以用于燃烧器网或可选的扩散板中的变化穿孔图案的示图。

图10是根据本公开的示例性实施方式的锅炉的主要部件的示意图。

图11和图12是根据本公开的示例实施方式的、均包含反映锅炉的谐波不存在的数据的曲线图。

具体实施方式

此处讨论的示例性实施方式致力于具有优化形状(诸如圆锥形状或其他类似类型的突出锥形)的燃烧器的系统、设备以及方法。虽然圆锥形燃烧器已经用于其他应用中，诸如在美国专利申请公报No.2013/0312700中描述的浓淡或低NOx系统，但具有圆锥形或突出锥形的燃烧器尚未用于具有密封燃烧室的系统中，诸如此处描述的锅炉，这些密封燃烧室具有燃料和气体的预混合供应。以下实施方式是非限制性示例，并且本领域技术人员应理解，在不偏离本公开的范围的情况下，可以对此处描述的示例应用各种修改。

参照图6、图7、图8以及图10，示出了用于诸如锅炉的加热装置中的圆锥形燃烧器的示例性实施方式。图6例示了示例圆锥形燃烧器410。在图6所示的示例中，圆锥形燃烧器410包括具有外网层430的多层，该外网层具有多个缝隙。如图7所示的锅炉400的示意局部横截面中例示的，圆锥形燃烧器410可以附接到歧管406，并且在燃烧室入口407处并朝向燃烧室出口411和管板420突出到燃烧室408中。换热器位于管板420的下方，换热器入口412与管板420相邻。在图7所示的示例中，圆锥形燃烧器被可选的陶瓷耐火材料425包围。图8中还示出了燃烧器410、陶瓷耐火材料425以及歧管406的另一个视图。

图10例示了根据本公开的示例性实施方式的具有进水口414、出水口415、燃烧室408、换热器409以及烟气出口416的锅炉400的主要部件。空气经由空气输入402提供给鼓风机405和歧管406，并且燃料经由燃料输入404提供给鼓风机405和歧管406。燃料和空气混合物在布置在燃烧室入口407处的圆锥形燃烧器410处被接收，在该燃烧器中，混合物被点燃，以产生燃烧产物。燃烧产物在鼓风机405的压力下流过燃烧室出口411、管板420以及换热器入口412，以加热锅炉400内围绕换热器409流动的水。在将热量传递给水之后，燃烧产物离开换热器出口413，到达烟气出口116。在图10所例示的示例中，燃烧室408具有圆柱形状，并且燃烧室408除了其中放置燃烧器410的燃烧室入口407和燃烧室出口411以外被封闭。

再次参照图7，示意局部截面图包括从圆锥形燃烧器410的成角度的侧面向外和向下指向的箭头，示出了从圆锥形燃烧器410引导的燃烧气体和关联热量朝向管板420下方的换热器流动。与图2所例示的圆柱形燃烧器相反，圆锥形燃烧器410不将热量集中在管板420的中心处。相反，如图7所示的箭头例示，圆锥形燃烧器410朝向管板420和位于管板420下方的换热器管提供更均匀的热分配。另外，离开圆锥形燃烧器410的侧面的热量被与来自图2所示的现有技术的圆柱形燃烧器的侧面的低效水平方向相反地以向下角度引向管板420。因此，圆锥形燃烧器410以更均匀且高效的分配将热量引向管板420和换热器管。用圆锥形燃烧器410实现的热量的更均匀且高效的分配减少了在现有技术的圆柱形燃烧器中遇到的热量在管板中心的集中。减少热量的集中又减小了管板420处以及接合管板420和换热器409的焊接处的机械应力，从而提高了锅炉的寿命。热量的更均匀且高效的分配还允许换热器更高效地运行，因为换热器的管接收更均匀分配的热量。

图11和图12所例示的曲线图包含根据此处描述的实施方式的具有突出锥形燃烧器的示例性锅炉的测试数据。图11和图12所示的测试数据从具有圆锥形燃烧器且容量为300万BTU/小时的锅炉收集，然而，从测试数据和此处描述的实施方式得出的结论可以应用于具有其他类型的突出锥形燃烧器的其他类型的锅炉和热水器。图11和图12中的曲线图所例示的数据表明，燃烧器的圆锥形状减少或完全消除谐波。

具体地，图11示出了在天然气作为燃料、鼓风机的速度被设置为800rpm且燃烧器的燃烧率被设置为250000BTU/小时的情况下，对于在从7.5％到9.5％范围内的燃烧器中的二氧化碳水平收集的测试数据。对于图11在不同二氧化碳水平下所示的每个测试，在测试期间未检测到谐波。在燃烧器中的7.5％至9.5％的二氧化碳范围内的测试成功证明，圆锥形燃烧器将在减少一系列燃料和空气比的谐波方面取得成功。图12例示了从与图11中的测试数据相同的锅炉收集的测试数据。图12中的测试数据在将鼓风机速度从800rpm变为7200rpm的同时并在将燃烧器的燃烧率从200000变为250万BTU/小时的同时收集。与图11关联的测试一样，在图12中的数据所例示的测试期间，未检测到谐波。作为另一个示例，燃烧器的突出锥形消除了以锅炉最大燃烧额定值的2％到40％之间的燃烧率且以天然气燃料的7％至11.7％的二氧化碳范围从锅炉发出的谐波。

燃烧器的突出锥形对于图7和图10所例示类型的锅炉中的均匀热分布和噪声降低这两者特别有利。具体地，突出锥形的燃烧器提供超过用于仅具有单个燃烧器的锅炉的圆柱形燃烧器的优点，该单个燃烧器定心并安装到歧管并定位在燃烧室内，在燃烧室内，除了接收燃料和空气混合物的燃烧室入口和将加热的燃烧产物排出到换热器的燃烧室出口之外，封闭或密封燃烧室。作为另一个示例，对于具有单个燃烧器的锅炉(其中，燃烧器的高度大于燃烧室的高度的一半，并且燃烧器的宽度大于燃烧室的宽度的三分之一)，突出的锥形燃烧器关于更均匀的热分布和降低噪声提供了超过圆柱形燃烧器的优点。

与图11和图12所例示的测试关联的谐波的改进涉及与于歧管和燃烧室的形状不同的燃烧器的形状。虽然图11和图12所例示的数据与特定锅炉中使用的圆锥形燃烧器有关，但应理解，可以将变化的优化形状用于在装置中使用的燃烧器来将此处描述的改进应用于各种锅炉和加热装置。作为一个非限制性示例，形成燃烧器使得其具有突出锥形是提供此处描述的一种或多种益处的一类形状。燃烧器被描述为突出锥形，因为它从歧管朝向换热器突出，并且燃烧器的更靠近换热器的端部是锥形的或者具有比燃烧器的靠近歧管的端部更小的横截面。下面进一步描述燃烧器的突出锥形的若干非限制性示例。

参照图9a和图9b，示出了用于燃烧器的外网层430的穿孔图案的示例。图9a所示的网432的图案是均匀的穿孔图案，其中，缝隙沿着网432在水平和垂直方向上以大致相同的距离彼此隔开。相反，图9b所示的网434的图案是不均匀的穿孔图案，其中，缝隙不在水平和垂直方向上以大致相同的距离彼此隔开。图7所示的穿孔图案可以应用于燃烧器的网层。

另外或作为将穿孔图案应用于网层430的另选方案，穿孔图案可以应用于位于歧管406与燃烧器410之间的可选的扩散板。改变穿孔图案可以对于变化的应用改变来自燃烧器的热量的分配。在其他示例性实施方式中，可以采用其他穿孔图案，诸如将穿孔聚集在网层或扩散板的特定区域中的图案。而且，可以使用不同形状的穿孔(诸如圆形、椭圆形以及开槽的)来控制热分配。扩散板可以由各种材料中的一种或多种制成，作为非限制性示例，包括不锈钢和铬镍铁(Inconel)合金。燃烧器上的网层同样可以使用各种材料中的一种或多种制成，包括但不限于铬镍铁合金、铁以及铬。也可以使用包括针织、编织以及烧结的各种不同的工艺来制造网层。

此处描述的实施方式的燃烧器的优化形状可以采取各种形式。优化燃烧器的一般实施方式可以具有突出的锥形。在一个另选示例中，圆锥的窄端可以被截断而不是尖锐的。另外，圆锥的角度可以改变。可以实现此处描述的一个或多个益处的用于燃烧器的突出锥形的其他示例包括半球形、圆顶、椭圆形圆顶、角锥体、截头角锥体以及具有不同数量的侧面和不同角度的侧面的锥体。圆锥形燃烧器形状的这些变化可以应用于优化不同的应用。

虽然此处讨论了圆锥形燃烧器的示例性实施方式，但所述实施方式的原理可以应用于各种类型的燃烧器。因此，具有在前面描述和关联附图中呈现的示教的益处的领域中的技术人员将想到此处阐述的实施方式的许多修改。因此，要理解，圆锥形燃烧器不限于所公开的具体实施方式，并且修改和其他实施方式旨在被包括该申请的范围内。虽然此处采用具体术语，但它们仅是在一般和描述意义上使用，而不是用于限制的目的。

Claims (20)

1.一种锅炉，所述锅炉包括：

燃烧室，所述燃烧室除了燃烧室入口和燃烧室出口之外被封闭；

燃烧器，所述燃烧器布置在所述燃烧室的所述燃烧室入口中，所述燃烧器具有突出锥形，所述燃烧器被构造为接收空气和燃料的混合物；

换热器，所述换热器具有换热器入口和换热器出口，所述换热器入口与所述燃烧室的所述燃烧室出口流体连通；以及

烟道，所述烟道与所述换热器出口流体连通，用于从所述换热器出口去除燃烧产物。

2.根据权利要求1所述的锅炉，其中，所述燃烧器的所述突出锥形是圆锥、截锥、半球、半球体、圆顶、椭圆形圆顶、角锥体、截头角锥体以及准角锥体中的一个。

3.根据权利要求1所述的锅炉，其中，所述燃烧器包括具有不均匀穿孔图案的网。

4.根据权利要求1所述的锅炉，还包括布置在所述燃烧器与岐管之间的扩散板，所述扩散板具有不均匀穿孔图案。

5.根据权利要求1所述的锅炉，还包括包围所述燃烧器的陶瓷耐火材料。

6.根据权利要求1所述的锅炉，其中，所述燃烧器的所述突出锥形消除从所述锅炉发出的谐波。

7.根据权利要求1所述的锅炉，其中，所述燃烧器的所述突出锥形消除以所述锅炉的最大燃烧额定值的2％到40％之间的燃烧率且以天然气燃料的7％至11.7％的二氧化碳范围从所述锅炉发出的谐波。

8.根据权利要求1所述的锅炉，其中，所述燃烧室在形状上为圆柱形。

9.根据权利要求1所述的锅炉，还包括岐管，所述岐管从空气输入接收空气，并且从燃料输入接收燃料，并且将空气和燃料的混合物提供给所述燃烧器。

10.根据权利要求9所述的锅炉，其中，所述岐管包括主体和凸缘。

11.根据权利要求10所述的锅炉，其中，所述岐管的所述主体具有圆柱形状。

12.根据权利要求9所述的锅炉，其中，所述燃烧器附接到所述岐管。

13.根据权利要求12所述的锅炉，其中，所述燃烧器包括与所述岐管相邻的最宽部分。

14.根据权利要求13所述的锅炉，其中，所述燃烧器包括最远离所述岐管的最窄部分。

15.根据权利要求1所述的锅炉，还包括布置在所述燃烧室出口处的管板。

16.根据权利要求15所述的锅炉，其中，所述燃烧器的所述突出锥形朝向所述换热器更均匀地分配热量。

17.根据权利要求1所述的锅炉，其中，所述燃烧器的高度多于所述燃烧室的高度的一半。

18.根据权利要求17所述的锅炉，其中，所述燃烧器的宽度多于所述燃烧室的宽度的三分之一。

19.根据权利要求18所述的锅炉，其中，所述燃烧器是所述锅炉中的唯一燃烧器。

20.根据权利要求15所述的锅炉，其中，所述管板焊接到所述换热器。

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