CN111033122B - 具有低NOx排放的用于燃烧器的燃烧头部及包括该头部的燃烧器 - Google Patents

Abstract

一种用于燃烧器的燃烧头部(1)，包括：用于引导燃烧空气的外部管状体(2)、用于引导燃料的内部管状体(3)、以及在内部管状体(3)和外部管状体(2)之间延伸的扩散器(11)，所述扩散器是盘形的，并且限定了用于在所述扩散器(11)和所述外部管状体(2)之间通行空气的缝隙(12)。所述外部管状体(2)具有唇缘(15)，该唇缘(15)在所述排放部分(5)处向所述主轴线(4)会聚，以限定用于所述燃烧空气通行的所述缝隙(12)的狭窄部，使得对于燃料和燃烧空气的预定的流率，即排出的燃料的速度与从通行缝隙排出的燃烧空气的速度的比率范围在1.8和3之间。

Description

具有低NOx排放的用于燃烧器的燃烧头部及包括该头部的燃 烧器

技术领域

本发明的目的是一种适于应用在燃烧器中的燃烧头部(combustion head)，该燃烧器可以被安装在燃烧室中，特别是安装在锅炉、熔炉、烘干机等上。可以利用可燃气体或气体混合物(气体和柴油燃料、或气体和燃油、或其他气体和在此未明确指明的类似的气体)为燃烧器提供燃料。

优选地(但不限于)，本发明被应用于适合在适当的安装条件下以高达1.5兆瓦/立方米的热负荷来运行的燃烧器。然而，本发明也可以被应用于适合以高于1.5兆瓦/立方米的热负荷来运行的燃烧器。

更详细地，本发明的目的是燃烧器的前部(被称为“燃烧头部”)，并且该燃烧头部在使用中被引入到燃烧室内，其功能是优化将燃料和燃烧剂混合的过程，以用于根据燃烧的功率(kW，千瓦)和根据确保有效燃烧所需的最小过量空气水平来实现最佳火焰生发，从而避免产生CO的目的。

现有技术

目前有多种已知的燃烧头部形状，它们均具有用于供应气体的外部管状体和内部管状体，所述管状体的后部被固定于燃烧器本体，并且在其前端形成气体分配器。换句话说，这两个管状体是同轴的，并且在它们之间供应燃烧空气。

如现有技术中所设想的，燃烧头部的终端具有扩散器，该扩散器通常为盘状(在下文也称之为盘)。

此外，燃料分配管道(conduit)从内部管状体处分支，并且将气体带向燃烧头部的外围区域。

在某些情况下，这些管道可能相对于燃烧空气的排放方向稍微向前倾斜。在被布置在盘外的鼻部的一部分处，内部管状体优选地可以具有小尺寸的孔，用于排放所谓的根部气体，其避免了火焰与燃烧头部1分离，并且确保火焰的稳定性，从而促进点燃燃烧器。

扩散器通常具有通道孔或开口，这些通道孔或开口均匀地分布在扩散器的环形扁平底部上，该底部被固定在内部管状体的轴环(collar)上，该轴环也被穿孔。这些孔使得燃烧空气能够进入到该区域中以将其与燃料混合并且用于点燃火焰。

外部管状壳体利用其圆柱体，输送由燃烧器的风扇吹出的燃烧空气。

但是，上述技术方案在被应用到目前已知的燃烧头部时，其并不能保持NOx(氮氧化物及其混合物)的排放低于进一步的限值，该限值由目前即将被强制实施的条例所规定，并且该条例为民用和工业用途的燃烧器设定了不断下降的限值(毫克/千瓦时)。

发明内容

在本文中，本发明的目的是实现能够克服所提及的缺点的燃烧头部1。

本发明的特定的目的是实现能够在所产生的功率保持相等的情况下降低NOx排放水平的燃烧头部。

本发明的另一个目的是实现能够减少NOx排放水平而不增加其他污染物质(例如一氧化碳)的数值的燃烧头部。

上述目标实质上通过根据所附权利要求所述的用于燃烧器的燃烧头部以及包括有所述燃烧头部1的燃烧器100来实现。

附图说明

本发明的进一步特征和优点将通过一些优选但不排他的实施例的详细描述而变得更加明显，并在附图中示出，附图中：

-图1是包括有根据本发明的燃烧头部的燃烧器的轴测图。

-图2是图1所示的燃烧器从正面看的正视图。

-图3是图2的燃烧器的沿A-A截面(section)线的截面的轴侧图。

-图4是图3的截面的侧视图。

-图5是图4的截面中的空气和燃料混合部分的放大的侧视图。

-图6示出了根据沿纵向剖面(section plane)的侧视和剖视图的空气和气体流在出口区域的速度场，该纵向剖面与其上部的径向气体排放管道的中心线相交并与其下部的两个径向气体管之间的空间中的中心线相交。

-图7示出了根据与图6相同的视图中的绝对速度的加阴影的流线。

-图8示出了根据图6中指示的同一类型的截面的侧视图中的火焰温度。

-图9示出了与图6相同的视图中的火焰温度的较热区域。

具体实施方式

参考所引用的附图，根据本发明的包括有燃烧头部1的燃烧器在整体上由附图标记100表示。

如上文所部分描述的，燃烧头部1包括：用于引导燃烧空气的外部管状体2以及用于引导燃料的内部管状体3。特别地，在内部管状体3和外部管状体2之间供应燃烧空气，而在内部管状体3中供应燃料。

两个管状体2、3沿着燃烧头部1的主轴线4延伸至相应排放部分5、6，所述排放部分5、6被布置在混合区域7附近，在使用时在混合区域7产生火焰。

换句话说，这两个管状体是相对于彼此同轴的，并且终止于混合区域7。

如将在下面进一步详细解释的，内部管状体3优选地以“类鼻状”的突出部向混合区域7突出至更大程度。

内部管状体3具有从内部管状体3向外部管状体2径向延伸的多个燃料排放管道8(也被称为“喷嘴”)。这些管道连接至相应孔9，而这些孔被设置在内部管状体3的周围，从而沿径向分配燃料。更详细地，每一个燃料排放管道8的终端具有燃料出口孔9，燃料出口孔9面向燃烧头部1的外围区域(沿着相对于主轴线4的径向方向)。

优选地，燃料排放管道8是以直线型延伸的，并且甚至更优选地，垂直于内部管状体3。

这些燃料排放管道8的数量可以随结构设计的需要而变化，如将在下文中进一步地详细解释的。

此外，燃烧头部1包括扩散器11，该扩散器11在内部管状体3和外部管状体2之间径向地延伸。该扩散器优选地通过在每一个燃料排放管道8上实现的螺纹连接的方式而被固定在内部管状体3上。

此外，扩散器11优选地是盘状的(下文也简化地由术语“盘”来定义)，并且扩散器11的直径小于外部管状体2的直径，使得其也可以适配在外部管状体2的内部。特别地，在所述扩散器11和所述外部管状体2之间具有(周向的)通行缝隙12，用于在燃烧头部1的外围区域13处通行燃烧空气。

燃料排放管道8具有被布置在通行缝隙12处的相应的燃料出口孔9，用于通行燃烧空气，从而实现燃料和燃烧空气的混合。在图6中可以观察到出口区域中的空气流的速度(更浅的阴影＝更高的速度)。

扩散器盘11优选地被布置在沿假想平面并且相对于燃烧剂和燃料供应方向14与通行缝隙12基本上对准的位置处，其中所述假想平面被布置为搁置在外部管状体2的出口部分上。

根据附图所示的实施例，燃料排放管道8(喷嘴)相对于燃烧空气供应方向14被布置在扩散器11的上游。更准确地，燃料排放管道8被布置在空气扩散器盘11的背面。更详细地，这些燃料排放管道8(例如通过螺钉的方式)连接至盘。因此，该盘与外部管状体2的通行缝隙12对准，并且燃料排放管道8位于相对于外部管状体2处于内部的位置。

在并未在附图中示出的可替代的实施例中，燃料排放管道8相对于燃烧剂和燃料供应方向14处于盘的前面。

在这种情况下，该盘与通行缝隙12对准，并且管道处于相对于外部管状体2稍微更向外的位置。

在这两种情况下，燃料排放管道8都是优选地具有相对于盘状扩散器11的边缘平齐设置的相应出口孔9。换句话说，圆盘的外径限定了所述燃料排放管道8的终端部分。

根据本发明，外部管状体2具有唇缘15，该唇缘15在排放部分5、6处向主轴4线会聚，从而限定用于燃烧空气通行的所述通行缝隙12的狭窄部。换句话说，会聚的唇缘(convergent lip)15定义了一种倾斜的边缘，该倾斜的边缘使外部管状体2的出口部分变窄。

优选地，所述会聚的唇缘15以弯曲的方式成形，而不是作为斜切面。

有利地，这种会聚的唇缘15能够提高空气朝向混合区域7的出口速度，并且产生从外部管状体2排出的湍动的涡流。在图7中，在该图的上部和下部中可以看到，流线闭合并返回。

进一步详细地，扩散器11的直径与在会聚的唇缘15处的外部管状体2的直径的尺寸比率范围在0.78和0.9之间，因此，对于燃料和燃烧空气的预定的流率，从燃料出口孔9流出的燃料的速度与从通行缝隙(passage slot)12流出的燃烧空气的速度的比率范围在1.8和3之间。

有利地，燃烧头部1的这种形状使得能够产生火焰相对于盘的轻微的分离，从而减少了NOx的产生。换句话说，气体速度与空气速度的比率以及由燃烧头部1的特定几何形状所确定的流动方向，能够降低盘处的火焰温度，从而获得较低的NOx水平。这种情况可在图9中观察到，其中表示了恒定温度的等值面。特别地，可以看到，保持器火焰的较热部分在靠近扩散器盘处生发(develop)，而主火焰的较热部分从燃烧头部分离。

优选地，扩散器11的直径与会聚的唇缘15处的外部管状体2的直径的比率约等于0.8。

优选地，所述从燃料出口孔9排出的燃料的速度与从通行缝隙12排出的燃烧空气的速度的比率约等于2.8。

应当指出的是，外围区域13处的空气流的平均速度范围为每秒40米至50米。外围区域13处的燃料流的平均速度范围为每秒130米至140米。

换句话说，燃料以高于(大于两倍的)空气速度的速度从燃料排放管道8排出。

在一个示例性的实施例中，在会聚的唇缘15处的外部管状体2的直径等于约320毫米，而盘的直径等于260毫米。

在会聚的唇缘15处的通行缝隙12的厚度(被测定为盘与会聚的唇缘15的外缘之间的沿垂直于主轴线4的方向的距离)与每一个燃料排放管道8的孔的直径的比率，是所应用的燃料排放管道8的数量的函数。

在会聚的唇缘15处的通行缝隙12的厚度优选地大于每一个燃料排放管道8的孔的直径。

在图中所表示的优选的情况中，每一个燃料排放管道8的孔的直径等于约13毫米。

在本实施例中，有9个燃料排放管道8。然而，在其他实施例中，燃料排放管道8的数量可以大于或小于9。在管道的数量大于给定的预创建数量(例如9个)的情况中，每一个燃料排放管道8的孔的直径减小(例如小于13毫米)，或者如果管道的数量小于给定的预创建数量(例如9个)，则每一个燃料排放管道8的孔的直径增大(例如增至小于13毫米)。换句话说，每一个燃料排放管道8的孔的内径是所应用的燃料排放管道8的数量的函数，以确保燃烧剂速度值与设计数据相一致。

此外，应当指出的是，扩散器11优选地连接至内部管状体3，并且与内部管状体3一起，限定了相对于外部管状体2可轴向地移动的单个结构。有利地，操作者可以从外部移动该结构，从而调节火焰。

应当指出的是，这种单个结构可以从盘与通行缝隙12基本上对准的位置沿燃烧空气供应方向14移动到相对于通行缝隙12更上游的位置。换句话说，该盘不能够相对于通行缝隙12向更外侧的位置移动。

此外，内部管状体3相对于燃烧空气供应方向延伸超出扩散器11，从而限定出类鼻状的突出部16。所述类鼻状的突出部16具有燃料出口孔17，以限定火焰保持器。出口孔17相对于主轴线4被径向地设置。

优选地，气体出口孔17的尺寸从外部是可调的，以改变相同燃料的流出量。特别地，这种调节可以通过额外的管状体来进行，该额外的管状体相对于内部管状体3可滑动，从而部分地或完全地覆盖孔17，以调节孔17的直径。所述额外的管道的滑动可以从外部手动地执行，也可以通过自动调节装置执行。

优选地，类鼻状的突出部16相对于盘轴向地突出大约15毫米。

此外，扩散器11具有通孔18，用于使空气向燃烧区域流出，其中，所述通孔18沿着与燃烧空气供应方向14相同的方向延伸。

例如，可以在图1中看到，通孔18分布在盘上，并且优选地沿着相应的径向对准。

在盘和外部管状体2之间，具有间隔突片(spacer tab)19，该间隔突片19优选地被固定至外部管状体2的内表面。所述盘在内部靠在所述突片19上，使得突片限定了一种对中。每一个突片19从会聚的唇缘15向外部管状体2的内部延伸预定的长度，以在向前和向后的运动过程中支撑所述盘。换句话说，突片19相对于外部管状体2“沿边缘”布置。

除上文所描述的，燃烧头部1可包括用于燃烧空气的额外的管道20，该额外的管道20被布置在内部管状体3的内部(与内部管状体3同轴)，并且具有出口部分22，该出口部分22相对于燃烧空气供应方向14被布置为超出扩散器11。

换句话说，空气被引入到额外的管道20中，而在该管道20的外部，但在内部管状体3内部，供应燃料(气体)。

此外，在所附附图中，可以观察到用于产生试点点火火焰的喉部21，在此不再对其进行详细的描述，因为其在现有技术中是已知的。

在所述喉部21处，优选地具有一个或多个已知类型的火焰点火电极，其并未在附图中示出。此外，在盘附近，也优选地存在有火焰检测器。所述火焰探测器也是已知的类型，并且其并未显示在附图中。

本发明的目的由燃烧器100构成，该燃烧器100包括上述的燃烧头部1以及用于根据预定流率来供应燃烧空气的装置101(优选为风扇)。

此外，燃烧器100还包括用于根据预定的流率来供应燃料的装置102。

应当指出的是，空气供应装置101被连接在内部管状体3和外部管状体2之间，并且燃料供应装置102被连接至内部管状体3。

参考图6至图9中所示的模拟，仅通过实例的方式示出了完全操作条件，其中空气流率为6790Sm³/h和燃料流率为614Sm³/h。

特别是，结合以下参数，可以进一步降低由燃烧所产生的NOx水平：

-由空气供应装置101所产生的空气流率，和/或

-由燃料供应装置102所产生的燃料流率，和/或

-会聚的唇缘15的形状，和/或

-扩散器11的直径与在会聚的唇缘15处的外部管状体2的直径的尺寸比率范围在0.78和0.9之间，和/或

-从燃料出口孔9排出的燃料的速度与从通行缝隙12排出的燃烧空气的速度的比率范围在1.8和3之间，和/或

-燃料排放管道8的数量和直径，和/或

-盘与通行缝隙12对准的位置，和/或

-调整在类鼻状的突出部16处的燃料出口孔17的孔径。

对于燃烧头部1的操作，其直接地源于上文所描述的内容。

特别地，空气在内部管状体3和外部管状体2之间流动，直到其到达盘。空气从盘孔排向混合区域7并从处于盘的周围的外围区域13的通行缝隙12排出。

燃料被提供至内部管状体3的内部，并且从燃料排放管道8(喷嘴)向通行缝隙12径向地排出，从而在外围区域13处实现混合。

同时，气体也从出口孔17排出，从而定义了所谓的根部气体。

在实践中，在外围区域和混合区域13中，气体从燃料排放管道8流出，并且遇到从通行缝隙12排出的空气，从而实现两者的混合。由于燃烧头部1的特殊几何形状以及气体速度相对于空气速度的比率(大约2.8)，发生了火焰温度的降低，以及火焰相对于盘的分离—这种现象可以减少NOx的生成。

应当指出的是，燃烧头部也可以被应用为附加到废气再循环系统，以获得更低的NOx值(在废气中，大约NOx<30mg/m³，其中O₂为3.5％，并且热负荷高达1.5MW/m³或更高)。因此，本发明不排除所述燃烧头部应用在当前已被用于降低NOx水平的现有技术的废气再循环系统中。

本发明达到了所设定的目的。

特别是，由于燃烧头部1的特殊形状，出于上述原因，本发明能够降低NOx的排放。

还应当指出的是，本发明证明易于实现，并且本发明的实施成本并不是很高。

Claims (15)

1.一种燃烧器(100)，包括：

-用于根据预定的流率供应燃烧空气的空气供应装置(101)；

-用于根据预定的流率供应燃料的燃料供应装置(102)；

所述燃烧器(100)包括燃烧头部(1)，所述燃烧头部(1)包括：

外部管状体(2)，其用于引导燃烧空气，所述外部管状体沿着所述燃烧头部(1)的主轴线(4)延伸至所述外部管状体的排放部分(5)，所述外部管状体的排放部分(5)被布置为靠近火焰；

内部管状体(3)，其用于引导燃料，所述内部管状体(3)沿着所述燃烧头部(1)的所述主轴线(4)延伸至所述内部管状体(3)的排放部分(6)，所述内部管状体的排放部分(6)被布置为靠近火焰，所述内部管状体(3)具有从所述内部管状体(3)向所述外部管状体(2)径向延伸的多个燃料排放管道(8)；

扩散器(11)，其在所述内部管状体(3)和所述外部管状体(2)之间延伸，所述扩散器为盘状并且具有比所述外部管状体(2)的直径小的直径，在所述扩散器(11)和所述外部管状体(2)之间限定有通行缝隙(12)，所述通行缝隙(12)用于在所述燃烧头部(1)的外围区域(13)处通行所述燃烧空气，所述燃料排放管道(8)具有相应的燃料出口孔(9)，所述燃料出口孔(9)被布置在所述通行缝隙(12)处，用于通行所述燃料，以实现所述燃料和所述燃烧空气的混合；

其特征在于，所述外部管状体(2)具有唇缘(15)，所述唇缘(15)在所述排放部分(5)处向所述主轴线(4)会聚，从而限定用于所述燃烧空气通行的所述通行缝隙(12)的狭窄部；所述扩散器(11)的直径与在会聚的所述唇缘(15)处的所述外部管状体(2)的直径的尺寸比率范围在0.78至0.9之间，使得对于燃料和燃烧空气的预定的流率，从所述燃料出口孔(9)流出的所述燃料的速度与从通行缝隙(12)排出的所述燃烧空气的速度的比率范围在1.8和3之间；

其中，所述空气供应装置(101)被连接在所述内部管状体(3)和所述外部管状体(2)之间，并且所述燃料供应装置(102)被连接至所述内部管状体(3)，并且所述装置(101，102)被配置为以相应的流率来供应空气和燃料，使得从所述燃料出口孔(9)排出的所述燃料的速度与从通行缝隙(12)排出的所述燃烧空气的速度的比率范围在1.8和3之间。

2.根据权利要求1所述的燃烧器(100)，其特征在于，从所述燃料出口孔(9)排出的所述燃料的速度与从所述通行缝隙(12)排出的所述燃烧空气的速度的所述比率等于2.8。

3.根据权利要求1或2所述的燃烧器(100)，其特征在于，所述会聚的唇缘(15)以弯曲的形式成型。

4.根据权利要求1或2所述的燃烧器(100)，其特征在于，所述扩散器(11)的直径与在会聚的唇缘(15)处的所述外部管状体(2)的直径的比率等于0.8。

5.根据权利要求1或2所述的燃烧器(100)，其特征在于，在会聚的所述唇缘(15)处的所述通行缝隙(12)的厚度大于每一个所述燃料排放管道(8)的孔的直径。

6.根据权利要求1或2所述的燃烧器(100)，其特征在于，所述扩散器(11)被布置在与所述通行缝隙(12)基本上对准的位置。

7.根据权利要求1或2所述的燃烧器(100)，其特征在于，所述扩散器(11)与所述内部管状体(3)连接，并且与所述内部管状体(3)一起限定了相对于所述外部管状体(2)轴向可移动的单个结构，所述单个结构从基本上与所述通行缝隙(12)对准的位置沿燃烧空气供应方向(14)可移动到相对于所述通行缝隙(12)更上游的位置。

8.根据权利要求1或2所述的燃烧器(100)，其特征在于，所述燃料排放管道(8)相对于燃烧空气供应方向(14)被布置在所述扩散器(11)的上游。

9.根据权利要求1或2所述的燃烧器(100)，其特征在于，所述燃料排放管道(8)是以直线型延伸的，并且相对于所述内部管状体(3)是垂直的。

10.根据权利要求1或2所述的燃烧器(100)，其特征在于，所述燃料排放管道(8)具有相应的燃料出口孔(9)，所述相应的燃料出口孔(9)相对于盘状的所述扩散器(11)的边缘是平齐设置的。

11.根据权利要求1或2所述的燃烧器(100)，其特征在于，所述内部管状体(3)相对于燃烧空气供应方向(14)延伸超出所述扩散器(11)，从而限定出类鼻状的突出部。

12.根据权利要求11所述的燃烧器(100)，其特征在于，所述类鼻状的突出部(16)具有燃料出口孔(17)，以限定火焰保持器。

13.根据权利要求12所述的燃烧器(100)，其特征在于，所述燃烧头部包括：用于调节所述类鼻状的突出部(16)的燃料出口孔(17)的调节装置，所述调节装置被配置以调节所述类鼻状的突出部(16)的燃料出口孔(17)的孔径，并且是从所述燃烧头部的外部手动地或者以自动的方式可控制的。

14.根据权利要求1或2所述的燃烧器(100)，其特征在于，所述扩散器(11)具有通孔(18)，所述通孔(18)用于使空气向火焰流出，其中，所述通孔(18)沿着与所述燃烧空气供应方向(14)相同的方向延伸。

15.根据权利要求1或2所述的燃烧器(100)，其特征在于，所述燃烧头部包括：用于所述燃烧空气的额外的管道(20)，所述额外的管道(20)被布置在所述内部管状体(3)的内部并且具有出口部分，所述出口部分相对于燃烧空气供应方向(14)被布置为超出所述扩散器(11)。

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