CN110887040A - 一种燃气燃烧器及其低氮燃烧方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃气燃烧器及其低氮燃烧方法，包括直筒式燃气通道和环绕式设置在燃气通道外的风道，以及设置在风道内的点火组件。风道与燃气通道呈同轴套筒式设置。燃气通道内同轴式设置有稳焰风筒，燃气通道出口与稳焰风筒出口相连形成环“凹”形的稳焰口，其内外侧分别设置有若干燃气内喷孔和若干燃气外喷孔。稳焰风筒出口端设置有值班火焰盘，其上设置有若干稳焰风孔。风道出口端设置有旋流环，旋流环包括梯级环套式设置的内旋流环和外旋流环。燃气通过燃气内喷孔和燃气外喷孔分为稳燃气和主燃气。空气被内、外旋流环分为助燃风和燃尽风，使燃气先富燃燃烧再燃尽，实现低氮燃烧。本发明具有结构简单、低NOx排放等优点。

Description

一种燃气燃烧器及其低氮燃烧方法

技术领域

本发明涉及一种燃气燃烧器及其低氮燃烧方法，属于燃烧技术领域。

背景技术

天然气是一种较为清洁的能源，其燃烧产生的污染物主要是NOx。近些年来，NOx引发的环境污染问题愈发受到人们的重视。对于中小燃气锅炉而言，目前中国多地开始实行了<30mg/Nm³的NOx排放标准，这促使了一系列低氮燃烧技术的推广使用。

目前常见的低氮燃烧技术有烟气再循环技术和全预混表面燃烧技术。烟气再循环技术是将燃烧换热后的低温烟气通过燃烧器送回炉膛，通过烟气的稀释作用，显著的降低燃烧的温度，从而起到降低NOx的效果。实践经验表明，如果操作得当，烟气再循环可以降低NOx排放达30～70％。但是烟气再循环常常会带来燃烧不稳定，造成燃烧振荡甚至熄火。全预混燃烧技术是在燃烧前将燃料和空气完全混合，在多孔介质的表面形成预混火焰面，当采用较高的过量空气系数(1.4～1.6)时，空气的稀释作用会使火焰温度较低，从而起到降低NOx的效果。全预混表面燃烧能够有效地解决燃烧不稳定的问题，但是由于燃气和空气提前混合，操作不当极易发生回火，造成爆炸的安全隐患。考虑到安全性的问题，全预混燃烧技术仅仅在20t/h以下的小燃气锅炉上有应用案例。除此之外，也有低氮燃烧技术，能够在保持燃烧稳定的前提下，结合少量的烟气再循环，达到<30mg/Nm³的排放标准。但总体上，目前市面上仍缺乏价格低廉、性能可靠的低氮燃烧技术。

因此，研制开发能够降低NOx生成且保证火焰燃烧稳定性的气体燃烧技术，就成为迫切需要解决的技术难题。

发明内容

本发明旨在提供一种燃气燃烧器及其低氮燃烧方法，能够通过喷孔和旋流环的设置对气体燃料进行分级燃烧，从而降低NOx初始排放。并且，由于燃烧器中心利用稳焰风形成稳定火焰，也能够使该燃烧器能够用在FGR技术中解决火焰温度低、燃烧不稳定等问题。

本发明通过以下技术方案实现：

一种燃气燃烧器，包括直筒式燃气通道和环绕式设置在所述燃气通道外的风道，以及设置在所述风道内的点火组件；所述风道与所述燃气通道呈同轴套筒式设置；

以燃气喷出端为前端，所述燃气通道内同轴式设置有稳焰风筒，所述稳焰风筒位于所述燃气通道的前部且所述燃气通道出口与稳焰风筒出口相连形成环“凹”形的稳焰口，所述稳焰口环“凹”形的高出段为所述燃气通道出口端壁面，其内外侧分别设置有若干燃气内喷孔和若干燃气外喷孔；所述稳焰口环“凹”形的中心平台为所述稳焰风筒出口端；

所述稳焰风筒入口端与所述风道连通；所述稳焰风筒出口端设置有值班火焰盘，且所述值班火焰盘设置有若干稳焰风孔；

所述风道出口端设置有旋流环，所述旋流环包括梯级环套式设置的内旋流环和外旋流环，且所述内旋流环和外旋流环按照径流通量比为2～3设置；所述内旋流环环绕着设置在所述燃气通道外周且其出口靠近所述燃气外喷孔设置；所述外旋流环环绕着设置在所述内旋流环外周且其出口设置在所述燃气通道出口前端。

上述技术方案中，所述燃气内喷孔和燃气外喷孔均按照气体喷射流速15m/s～100m/s设置。

上述技术方案中，所述燃气内喷孔总流通面积A_燃内与所述燃气外喷孔总流通面积A_燃外之和为A_燃，有A_燃内/A_燃＝(1.5％～3.5％)。

上述技术方案中，所述值班火焰盘选用直喷式值班火焰盘，所述直喷式值班火焰盘呈圆盘状，所述稳焰风孔以圆盘状值班火焰盘中心呈圆周式均匀分布。

上述技术方案中，所述值班火焰盘选用对冲式值班火焰盘，所述对冲式值班火焰盘中心朝向出口方向形成空心柱状伸出，使得对冲式值班火焰盘与稳焰风筒前部一起呈“凸”形设置，所述稳焰风孔均匀环绕着设置在“凸”形中心空心柱的壁面。

上述技术方案中，所述内旋流环和外旋流环分别包括若干均匀设置的内旋流叶片和外旋流叶片；所述内旋流叶片和所述外旋流叶片分别与中心轴形成夹角β₁和β₂，且30°<β₁<50°，60°<β₂<80°。

上述技术方案中，所述内旋流环和外旋流环长度分别为L₂和L₁，有L₂<L₁；且外旋流环长度L₁与所述燃气通道外径D之间有L₁/D＝0.7～1.5。

上述技术方案中，所述稳焰口环“凹”形的四周高出段长度L₀与燃气通道外径D有L₀/D＝0.1～0.25。

上述技术方案中，所述风道入口端环绕着设置有进风筒。

上述技术方案中，所述点火组件包括小燃气管和点火枪，所述小燃气管贴着所述燃气通道设置，所述点火枪点火端设置在所述小燃气管出口。

一种燃气燃烧器的低氮燃烧方法，包括：

使气体燃料通过燃气通道进入燃烧器，并分别通过燃气内喷孔和燃气外喷孔喷出作为稳燃气和主燃气，并使得通过燃气内喷孔喷出的稳燃气量为气体燃料量的1.5％～3.5％；

使空气通过风道进入燃烧器，其中一部分空气分流进入稳焰风筒作为稳焰风，其余空气通过风道出口端的旋流环再次分流，通过内旋流环作为助燃风和通过外旋流环作为燃尽风分别喷出；

通过所述点火组件将主燃气点燃，使主燃气和助燃风在所述内旋流环出口形成富燃燃烧，形成未完全燃烧烟气；

使稳焰风通过值班火焰盘喷出，与通过燃气内喷孔喷出的稳燃气体混合，在稳焰口被点燃并在所述燃烧器出口中心形成稳定的值班火焰；

富燃燃烧形成的未完全燃烧烟气与通过外旋流环喷出的燃尽风进一步反应，使气体燃料燃烧完全。

上述技术方案中，所述稳焰风量占总风量的2％～5％，燃尽风量占总风量的20％～30％。

本发明具有以下优点及有益效果：燃气内喷孔和燃气外喷孔的设置，一方面强化了燃气和空气的混合，另一方面把燃气分为稳燃气和主燃气；空气被内、外旋流环分为助燃风和燃尽风，使燃气先富燃燃烧再燃尽，实现低氮燃烧；稳焰风和稳燃气形成的值班火焰提高了富燃燃烧的稳定性。

附图说明

图1为本发明所涉及的其中一种实施方式的燃气燃烧器示意图。

图2为本发明所涉及的另一种实施方式的燃气燃烧器示意图。

图3为本发明所涉及的值班火焰盘示意图：(a)直喷式值班火焰盘；(b)对冲式值班火焰盘。

图4为本发明所涉及的旋流环示意图：(a)三维示意图；(b)正视图。

图5为本发明所涉及的其中一种实施方式的点火组件示意图。

图中：1–进风筒；2–风道；3–燃气通道；4–稳焰风筒；5–值班火焰盘；6–旋流环；61–内旋流环；62–外旋流环；63–内旋流叶片；64–外旋流叶片；7–稳焰口；8–燃气外喷孔；9–燃气内喷孔；10–点火组件；11–稳燃风孔；12–点火枪；13–小燃气管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式及工作过程作进一步的说明。

本申请文件中的上、下、左、右、前和后等方位用语是基于附图所示的位置关系而建立的。附图不同，则相应的位置关系也有可能随之发生变化，故不能以此理解为对保护范围的限定。

如图1和图2所示，一种燃气燃烧器，包括直筒式的燃气通道3和环绕在燃气通道3外的风道2。风道2入口端环绕着设置有进风筒1，通过返混式进风方式，使得进风更均匀。风道2与燃气通道3呈同轴套筒式设置。

使气体燃料通过燃气通道3进入燃烧器，以燃气喷出端为前端，入口端为后端。燃气通道3内同轴式设置有稳焰风筒4，稳焰风筒4布置在燃气通道3的前部，燃气通道3出口与稳焰风筒4出口相连形成环“凹”形的稳焰口7。稳焰口7环“凹”形的四周高出段为燃气通道3出口端壁面，高出段的长度(轴向距离差)为L₀。燃气通道3的外径为D，则有L₀/D＝0.1～0.25。高出段的内外侧分别设置有若干燃气内喷孔9和若干燃气外喷孔8，气体燃料分别通过燃气内喷孔9和燃气外喷孔8喷出，分别作为稳燃气和主燃气。所有燃气内喷孔流通面积即燃气内喷孔总流通面积A_燃内与所有燃气外喷孔流通面积即燃气外喷孔总流通面积A_燃外之和为A_燃，有A_燃内/A_燃＝(1.5％～3.5％)，使得通过燃气内喷孔喷出的稳燃气量为气体燃料量的1.5％～3.5％。

燃气内喷孔9和燃气外喷孔8均按照气体喷射流速15m/s～100m/s设置。

稳焰风筒4入口端与风道2连通，稳焰风筒4入口段为弧形过渡设置，开口处迎风侧设有引流装置。同时，可以在稳焰风筒4入口设置调节阀调节控制稳焰风筒流量。

稳焰口7环“凹”形中心的低平台中心区为稳焰风筒4出口端。稳焰风筒4出口端设置有值班火焰盘5，且值班火焰盘5设置有若干稳焰风孔11。

值班火焰盘5和稳焰风孔11的设置有多种实施方式。

其中一种如图3a所示，值班火焰盘5选用直喷式值班火焰盘，直喷式值班火焰盘呈圆盘状，稳焰风孔11以圆盘状的值班火焰盘中心为中心呈圆周式均匀分布。此时，稳焰风从稳焰风筒4通过稳焰风孔11呈轴向喷出，与从燃气内喷孔9喷出的燃气在“凹”形稳焰口7内交叉混合。

另一种如图3b所示，值班火焰盘5选用对冲式值班火焰盘，对冲式值班火焰盘中心朝向出口方向形成空心柱状伸出，使得对冲式值班火焰盘与稳焰风筒前部一起呈“凸”形设置，稳焰风孔11均匀环绕着设置在“凸”形中心空心柱的壁面。也可以说对冲式值班火焰盘呈高顶礼帽状，稳焰风孔11均匀环绕着设置在“高顶礼帽”的“帽冠”。此时，稳焰风从稳焰风筒4通过稳焰风孔11径向喷出，与从燃气内喷孔9喷出的燃气形成对冲混合。

风道2出口端设置有旋流环6。如图4所示，包括梯级环套式设置的内旋流环61和外旋流环62，内旋流环61环绕着设置在燃气通道3外周且其出口靠近燃气外喷孔8设置。如图1所示，外旋流环62环绕着设置在内旋流环61外周且其出口设置在燃气通道3出口前端。外旋流环62长(轴向)L₁，内旋流环61长L₂，有L₂<L₁；且外旋流环长度L₁与燃气通道3外径D之间有L₁/D＝0.7～1.5。

内旋流环61和外旋流环62按照径流通量比为2～3设置。内旋流环和外旋流环分别包括若干均匀设置的内旋流叶片63和外旋流叶片64。通常而言，内旋流叶片63和外旋流叶片64分别设置8个和16个。内旋流叶片63和外旋流叶片64分别与中心轴形成夹角β₁和β₂，且30°<β₁<50°，60°<β₂<80°。

使空气通过风道2进入燃烧器，其中一部分空气分流进入稳焰风筒4作为稳焰风，其余空气通过风道2出口端的旋流环6再次分流，通过内旋流环61作为助燃风和通过外旋流环62作为燃尽风分别喷出。其中，稳焰风量占总风量的2％～5％，燃尽风量占总风量的20％～30％。

风道2内设置有点火组件10，点火组件10包括点火枪12，通常选用电火花枪，点火枪伸入内旋流环61出口靠近燃气外喷口设置。另一种实施方式如图5所示，点火组件10还包括小燃气管13，即点火组件10包括小燃气管13和点火枪12，小燃气管13贴着燃气通道3设置，点火枪12点火端设置在小燃气管13出口。此时，点火枪12利用从小燃气管13通入的点火燃气点火。

通过点火组件10将主燃气点燃，使主燃气和助燃风在内旋流环61出口形成富燃燃烧，形成未完全燃烧烟气。

稳焰风通过值班火焰盘5喷出，与通过燃气内喷孔9喷出的稳燃气体混合，在稳焰口7被点燃并在燃烧器出口中心形成稳定的高温区；

富燃燃烧形成的未完全燃烧烟气与通过外旋流环62喷出的燃尽风进一步反应，使气体燃料燃烧完全。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种燃气燃烧器，其特征在于，所述燃烧器包括直筒式燃气通道(3)和环绕式设置在所述燃气通道(3)外的风道(2)，以及设置在所述风道(2)内的点火组件(10)和环绕着设置在所述风道(2)入口端的进风筒(1)；所述风道(2)与所述燃气通道(3)呈同轴套筒式设置；

以燃气喷出端为前端，所述燃气通道(3)内同轴式设置有稳焰风筒(4)，所述稳焰风筒(4)位于所述燃气通道(3)的前部且所述燃气通道(3)出口与稳焰风筒(4)出口相连形成环“凹”形的稳焰口(7)，所述稳焰口(7)环“凹”形的高出段为所述燃气通道(3)出口端壁面，其内外侧分别设置有若干燃气内喷孔(9)和若干燃气外喷孔(8)；所述稳焰口(7)环“凹”形的中心平台为所述稳焰风筒(4)出口端；

所述稳焰风筒(4)入口端与所述风道(2)连通；所述稳焰风筒(4)出口端设置有值班火焰盘(5)，且所述值班火焰盘(5)设置有若干稳焰风孔(11)；

所述风道(2)出口端设置有旋流环(6)，所述旋流环(6)包括梯级环套式设置的内旋流环(61)和外旋流环(62)，且所述内旋流环(61)和外旋流环(62)按照径流通量比为2～3设置；所述内旋流环(61)环绕着设置在所述燃气通道(3)外周且其出口靠近所述燃气外喷孔设置；所述外旋流环(62)环绕着设置在所述内旋流环(61)外周且其出口设置在所述燃气通道(3)出口前端。

2.根据权利要求1所述的一种燃气燃烧器，其特征在于，所述燃气内喷孔(9)和燃气外喷孔(8)均按照气体喷射流速15m/s～100m/s设置。

3.根据权利要求1所述的一种燃气燃烧器，其特征在于，所述燃气内喷孔总流通面积A_燃内与燃气外喷孔总流通面积A_燃外之和为A_燃，有A_燃内/A_燃＝(1.5％～3.5％)。

4.根据权利要求1所述的一种燃气燃烧器，其特征在于，所述值班火焰盘(5)选用直喷式值班火焰盘，所述直喷式值班火焰盘呈圆盘状，所述稳焰风孔(11)以圆盘状值班火焰盘中心呈圆周式均匀分布。

5.根据权利要求1所述的一种燃气燃烧器，其特征在于，所述值班火焰盘(5)选用对冲式值班火焰盘，所述对冲式值班火焰盘中心朝向出口方向形成空心柱状伸出，使得对冲式值班火焰盘与稳焰风筒前部一起呈“凸”形设置，所述稳焰风孔(11)均匀环绕着设置在“凸”形中心空心柱的壁面。

6.根据权利要求1所述的一种燃气燃烧器，其特征在于，所述内旋流环(61)和外旋流环(62)分别包括若干均匀设置的内旋流叶片(63)和外旋流叶片(64)；所述内旋流叶片(63)和所述外旋流叶片(64)分别与中心轴形成夹角β₁和β₂，且30°<β₁<50°，60°<β₂<80°。

7.根据权利要求1或6所述的一种燃气燃烧器，其特征在于，所述内旋流环(61)和外旋流环(62)长度分别为L₂和L₁，有L₂<L₁；且外旋流环长度L₁与燃气通道(3)外径D之间有L₁/D＝0.7～1.5。

8.根据权利要求1所述的一种燃气燃烧器，其特征在于，所述点火组件(10)包括小燃气管(13)和点火枪(12)，所述小燃气管(13)贴着所述燃气通道(3)设置，所述点火枪(12)点火端设置在所述小燃气管(13)出口。

9.一种燃气燃烧器的低氮燃烧方法，其使用如权利要求1所述的一种燃气燃烧器，其特征在于，所述方法包括：

使气体燃料通过燃气通道(3)进入燃烧器，并分别通过燃气内喷孔(9)和燃气外喷孔(8)喷出作为稳燃气和主燃气，并使得通过燃气内喷孔(9)喷出的稳燃气量为气体燃料量的1.5％～3.5％；

使空气通过风道(2)进入燃烧器，其中一部分空气分流进入稳焰风筒(4)作为稳焰风，其余空气通过风道(2)出口端的旋流环(6)再次分流，通过内旋流环(61)作为助燃风和通过外旋流环(62)作为燃尽风分别喷出；

通过所述点火组件(10)将主燃气点燃，使主燃气和助燃风在所述内旋流环(61)出口形成富燃燃烧，形成未完全燃烧烟气；

使稳焰风通过值班火焰盘(5)喷出，与通过燃气内喷孔(9)喷出的稳燃气体混合，在稳焰口(7)被点燃并在所述燃烧器出口中心形成稳定的高温区；

富燃燃烧形成的未完全燃烧烟气与通过外旋流环(62)喷出的燃尽风进一步反应，使气体燃料燃烧完全。

10.根据权利要求9所述的一种燃气燃烧器的低氮燃烧方法，其特征在于，所述稳焰风量占总风量的2％～5％，燃尽风量占总风量的20％～30％。

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