CN111492180A - 燃烧器及紧凑型燃烧器的组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种预混燃烧器(1)，该预混燃烧器由长度为L的空气进入管(2)和单个特定的气体注入装置(3)组成，所述气体注入装置包括上游气体注入部(4)、混合器(5)、下游气体注入部(6)以及稳定元件(7)，该下游气体注入部位于距空气进入管(2)的上游端一距离L3处；其中，气体注入装置(3)构成提供自稳定基本火焰(82)的一体式机械组件。因此，燃烧器更紧凑且更简单。

Description

燃烧器及紧凑型燃烧器的组件
本发明涉及一种燃烧器以及工业气体燃烧器的组。这些燃烧器排放的氮氧化物(NOx)是污染源。
获得低氮氧化物排放的稳定火焰是开发工业燃烧器时的主要考虑因素。
需要易于并入现有设备中的装置，这些设备通常只有单个进气口而且尺寸小，因此它需要小尺寸的燃烧器。
设备具有多种形式，而燃烧器必须尽可能地符合燃烧室的几何结构。
还根据需要期望灵活性以及因此期望高装料变化，以便优化燃料的消耗。
尽管如此，有必要保持低NOx和CO排放以及适当的产量。
本发明的主题是一种基于预混技术并且由单个进气口构成的紧凑型气体燃烧器。该燃烧器构成这样的基本模块，该基本模块实现低NOx和低CO的火焰并且具有符合燃烧室形式的受控形式。
本发明的主题还是成组的多个基本模块的组合，使得能够获得较大的热功率，同时保持低等级的NOx和CO排放。还可以增加该组的可变性，以便可在功率管理中提供更大的灵活性。
根据本发明的预混燃烧器由长度为L的空气进入管和特定气体注入装置构成，所述气体注入装置包括上游气体注入部、混合器、下游气体注入部和稳定元件，下游气体注入部位于距空气进入管的上游端一距离L3处，并且其中，该气体注入装置构成确保自稳定基本火焰的一体式机械组件。因此，燃烧器更紧凑且更简单。
有利地，空气进入管具有长度L和直径D1，并且使得长度L在直径D1的三倍与六倍之间。这种尺寸可以获得既紧凑且有效的燃烧器。
有利地，上游气体注入部位于距离空气进入管的上游端一距离L1处，该距离在直径D1的0.5倍与长度L之间。
有利地，上游气体注入部包括相对于空气进入管径向布置的至少两个元件，这两个元件具有轴线x和x’，每个元件具有沿其轴线布置的气体注入孔。
有利地，上游气体注入部包括具有轴线y和y’的至少两个混合元件，这些混合元件相对于空气进入管的半径倾斜并连接该空气进入管和气体注入管道，并且每个混合元件具有沿其轴线y或y’布置的气体注入孔。这样可以同时确保这样的湍流，该湍流能够促进气体和空气的混合，并使空气侧的压力损失最小化。
注意，上述上游气体注入部可用于除上述燃烧器以外的其他类型的燃烧器。
为了使用预混技术来获得超低NOx性能，不仅需要按特定比例供给气体和空气，而且要确保气体和空气在可能的最短的距离内均匀混合。
现有技术包括确保通过注入器进行气体注入的功能以及通过位于气体注入器上游或下游的特定机械部件(混合器、罩盘等)进行混合的功能。该实现方式的主要问题在于混合器产生的显著压力损失，因为它涉及到选择功率更大的鼓风机(成本、功耗)，所以这与用户的建议不兼容。
上述上游气体注入部的目的在于经由单个机械部件来确保气体注入和混合的两种功能。上游气体注入部可以通过空气动力学的形式来使压力损失最小化，并通过相对于空气进入管的半径倾斜的扭曲形式来产生湍流。
有利地，扩散器位于距空气进入管的上游端一距离L4处，该距离在L与L-D1之间。
有利地，扩散器所具有的截面小于或等于空气进入管的截面的0.5倍。
有利地，扩散器包括直径为D5的稳定元件和直径为D8且长度为L7的集中器，稳定元件由分布在直径为D6和D7的两个同心圆上的孔穿过，D7<D8<D6，并且长度L7在0与D5之间。
上述扩散器和集中器的组合可用于除本说明书中描述的燃烧器之外的其他类型的燃烧器。
为了使用预混技术来获得超低NOx性能，需要将待燃烧气体保持在可燃范围中的同时按特定比例供给气体和空气。例如，天然气的主要成分甲烷的可燃范围在5％与15％之间。
如果空气系数R由以下公式定义：
R＝(Q空气)/(Q气体×PCO)，其中，PCO＝根据化学计算的空气需求甲烷的可燃范围定义为：0.66<R<2
可操作空气系数大于2的燃烧器来获得更低的NOx值，这对于常规燃烧器来说是不可能的，这是因为火焰无法从足够的稳定性中受益。
如上文所述，采用与稳定元件和集中器的组合相结合的下游气体注入部可通过局部气体富集产生引燃火焰，所述引燃火焰确保主火焰的稳定性，由此使空气系数增加到R＝2以上，从而进一步降低NOx。
稳定元件为柱形盘的形式，并具有包括校正截面(calibrated cross section)的多个孔，这些孔设置在不同直径上，集中器在稳定元件的上游机械地连接到稳定元件。
有利地，下游气体注入部位于距空气进入管的上游端一距离L3处，该距离在L4-(0.5×D1)与L4之间。
有利地，空气进入管通过壁来延长以用于机械地保护火焰。
在某些工业应用中，后燃烧燃烧器安装在燃气轮机的下游(热电联产)。当燃气轮机处于静止状态时，燃烧器必须能够在新鲜空气模式下运行，同时遵守现行的环境法规(NOx和CO)。在这种运行模式下，燃烧器具有加热大量空气的功能。作为本发明主题的燃烧器组可通过预混技术来获得低NOx值。同时，为了将CO排放量限制在规定值以下，必须保护预混火焰不受来自护套的新鲜空气流的影响，以免火焰快速冷却(急冷)，这会形成未燃尽的气体残留物(CO)。
采用用于机械地保护火焰的壁可阻止大量新鲜空气与火焰混合，从而限制CO的形成。
有利地，用于机械地保护火焰的壁的直径D2在空气进入管的直径D1和5×D1之间。
有利地，用于机械地保护火焰的壁相对于燃烧器的轴线的倾斜角α2在0°到20°之间。
有利地，周边气体注入部位于距空气进入管的上游端一距离L6处，使得：
0≤(L-L6)≤2×D1。
结合预混技术，并且为了将多余的空气减少到可利用的比例，在空气进入管的周边设置气体注入部。在某些工业应用中，这种周边气体注入部是必要的，其实现为使得：
-使氮氧化物排放量的增加保持在规定值以下。
-限制燃烧室内火焰的变长。
使周边气体注入部相对于空气进入管设置在后面的可能性可以限制以上两种现象的作用。
有利地，混合器位于距空气进入管的上游端一距离L2处，使得：
(L-L3)≤(L-L2)≤L。
有利地，混合器的截面小于或等于空气进入管截面的0.5倍。
有利地，该燃烧器组包括直径为D4的第二次级空气管，该第二次级空气管与直径为D1的空气管同心，使得D4>D1。将气体注入空气进入管与第二管之间的环形空间，可以通过文丘里效应(Venturi effect)吸入一部分预混燃烧所需的气流，从而可以降低燃烧器的总压力损失并增加燃烧器的功率。
有利地，中间气体注入部位于距空气进入管的上游端一距离L8处，使得L8>0。
根据本发明的燃烧器组的特征在于，其包括数量为N最大的燃烧器，所述燃烧器具有上述特征中的至少一个。可以为燃烧室选择合适的实施例，并且可以获得具有更大功率的燃烧器组。燃烧器优选地并列设置在火室中，并且可以具有多个气体入口或用于所有燃烧器的单个入口。
有利地，数量为N最大的燃烧器传递位于P最大与P最小之间的功率，该燃烧器组能够用数量为N最小的燃烧器工作，并且其功率可以根据运行中的燃烧器的数量N而变化，使得其功率变化Vp＝(N最大×P最大)/(N最小×P最小)。燃烧器组的功率(或装载(charge))变化对用户来说是一个重要的参数，因为它可以在安装性上赋予操作灵活性。最大功率根据需要确定，而最小功率根据技术上可实现的可能性确定。对于给定的最大功率，最小装载越低，则功率变化越大，安装越灵活。
例如，城市锅炉房在夏季期间，较低的最小装载可以避免燃烧器的不合时宜的开/关循环，从而节约能源。
功率变化Vp由最大功率P最大与最小功率P最小的比值决定，使得Vp＝P最大/P最小。
在设备包括具有可以从P最小到P最大变化的等效功率P的多个燃烧器的情况下，则该燃烧器组的功率变化Vp还取决于在用燃烧器的最大数量N最大和在用燃烧器的最小数量N最小，使得Vp＝(N最大×P最大)/(N最小×P最小)。
有利地，该燃烧器组包括m个周边气体注入部，使得m>1。这样对于同样大小的组来说可以获得更大的功率。与燃烧器组相关联的气体注入部的目的是将过量空气减少到可利用的比例并限制燃烧室内的火焰变长。该气体注入部布置在燃烧器组的周边处，并可设置在空气进入管的上游后面。
在矿业中的某些应用中，使用应用预混技术且空气系数R在0.25与1之间的这种类型的燃烧器可以通过以下两种现象来减少氮氧化物：
-通过产生这样的火焰，在该火焰中，所产生的NOx通过“再燃”效应经由复杂的化学机制转化为分子态氮，该化学机制示意性地表示如下：
CH4→Chi自由基(在还原区中)
CHi+NO→HCN
HCN+NO→N2
-通过产生短火焰，该短火焰完全附着在燃烧器的顶端而不具有混合物的点燃距离。混合物没有点燃区防止了次级空气参与主要区域的燃烧，并限制NOx的形成。
对于本领域技术人员而言，在阅读下文由附图示出并且作为示例性给出的示例时，进一步的优点仍然可能变得显而易见：
-图1示出了根据本发明的燃烧器的截面，
-图1a是图1中的燃烧器的正视图，
-图2是带有用于机械地保护火焰的壁的燃烧器的截面，
-图3是带有周边气体注入部的燃烧器的截面，
-图4是带有同心的第二空气管的燃烧器的截面，
-图5a是扩散器的截面，
-图5b是图5a中的扩散器的正视图，
-图6是根据第一实施例的带有气体注入部的进气口的正视图，
-图7是根据第二实施例的带有气体注入部的进气口的正视图，
-图8a和图8b示出了根据本发明的一组燃烧器中的燃烧器的不同布置，
-图9是带有气体注入部的一组燃烧器，
-图10和图11示出了在矿业应用中使所用的燃烧器的可能设置的不同示例，
-图12a、图12b和图12c是扩散器的示例。
在本说明书的其余部分中，术语“上游”将用于燃烧器的相对于气流或空气流位于更前方的部分，术语“下游”将用于在所述流的方向上位于更远方的部分。
图1所示的燃烧器1包括具有长度L和轴线X的空气进入管2，以及一体式特定气体注入系统3，该气体注入系统由若干个元件组成：
■气体进入管道31，位于空气进入管2中，
■上游气体注入部4，位于空气进入管2中并且在距所述管2的上游端20距离L1处，
■下游气体注入部6，位于距空气进入管2的上游端20距离L3处，并在空气进入管内部，
■空气/气体混合元件5，位于空气进入管2内部，并且在距所述管2的上游端距离L2处，
■稳定元件(诸如空气/气体扩散器7)，位于距空气进入管2的端部距离L4处。
气体沿箭头G到达，空气沿箭头A，并且次级空气沿箭头A2。气体经由特定的气体注入系统3、穿过管道31到达，从而通过上游气体注入部4和下游气体注入部6离开。就此而言，空气流经空气进入管2。
在图6和图7中详细地示出了上游气体注入部4。
在图6所示的示例中，上游气体注入部包括径向布置的两个元件40。这些元件每个都从气体进入管道31开始并且一直延伸到空气进入管2。用布置在下游部分中的孔400将这些元件40穿孔。孔400在中间或两侧处对齐，或以如图6所示的交错方式分布。
在图7中的示例中，元件41相对于空气进入管2的半径倾斜，并且每个元件从气体进入管道31开始并一直延伸到空气进入管2。它们可以有符合空气动力学的形状。
在图5a和图5b中详细地示出了扩散器7。该扩散器由直径为D5的盘71和集中器73组成，盘上贯穿有孔72。集中器73具有直径为D8且长度为L7的柱形形状。孔72以不同的同心直径：D6和D7布置。具有直径D6的一系列孔720布置在集中器73的外部，并且具有直径D7的一系列孔721布置在集中器73的内部。下游气体注入部6位于集中器73内部。在所示的示例中，仅有两个系列的孔720、721，但还可以有更多系列的孔。
图2示出了用于机械地保护火焰82的系统，所述系统位于火室8内部，并且由锥形的壁9组成，该锥形的壁长度为L5并且最小内径为D2，且位于空气进入管2的下游端21处。该锥形部相对于管2的轴线X成角度α2。未在图2中示出气体注入部。
在图3中的示例中，周边气体注入部10布置在空气进入管2的正外周边处。周边气体注入部由燃烧器1的特定气体注入系统3供给。优选地，更好地是提供相对于轴线X对称的两个注入部以使火焰82平衡。
根据图4中的变型，空气进入管2由同心且长度相同的第二次级空气进入管22包围，中间气体注入部11布置在由两个管2和22限定的环形空间23中。该中间气体注入部11进入环形空间23一长度L8。长度L8必须不是零，以避免气体被输送到环形空间以外的某处。诸如扩散器70的稳定元件位于环形空间23的出口处。
图10和图11示出了根据本发明的燃烧器的不同设置，其可以以具有空气系数R的预混技术用在矿物工业中。这两个图中未示出气体注入部。
在图10中，预混的空气系数R设置在1与2之间。显然，在这种情况下，火焰82长，因此次级空气被直接引入到火焰82中，导致过量的空气燃烧，并且在主要区域80中产生少量NOx，在次级区域81中产生大量NOx。
在图11中，预混的空气系数R设置在0.25与1之间。在这种情况下，火焰82短，因此次级空气的引入被阻挡在火焰82之后，导致空气不足的燃烧，并且在主要区域80和次级区域81二者中均产生少量NOx，从而产生“再燃”效应。
图12a、图12b和图12c示出了扩散器7的不同变型。
燃烧器1以不同的布置方式设置在火室8中，以构成燃烧器1的组12，如图8a、图8b或图9所示。组中的燃烧器的数量和布置取决于考虑的应用类型和所需功率。
在图8a中，燃烧器1在两个均具有五个燃烧器的竖直的线中竖直对齐，并且另外两个燃烧器在中间处设置在每侧，从而使火焰82集中。
在图8b中，燃烧器1在单个线上水平对齐。
在图9中，燃烧器1在几个竖直的线中竖直对齐，周边气体注入部10位于火室8的周边。还可以在火室8的其他位置设置另外的周边注入部。
燃烧器1的数量和布置可根据所需功率而变化。所需要的燃烧器的最少数量取决于燃烧室的特征。
因此，如果燃烧器1的最大功率P最大＝1MW且最小功率P最小＝0.2MW，则其功率变化为
Vp＝(1/0.2)＝5。
由9个基本燃烧器组成的组12的最大功率为P最大＝9×1＝9MW。
如果燃烧室运行所需的在用燃烧器1的最小数量为两个，则该燃烧器组的最小功率将为P最小＝2×0.2＝0.4MW。
燃烧器组12的功率变化将为
Vp＝9/0.4＝22.5。
超低NOx 32MW燃烧器的示例：
在直径D1为324mm的情况下进行测量。
测量值如下：
D1-空气进入管2的直径
L-空气进入管2的长度
L1-从空气进入管2的上游端20到气体注入部4的距离
L4-从空气进入管2的上游端20到扩散器7的距离
D8-集中器73的直径
L7-从空气进入管2的上游端20到集中器73的距离
L3-从空气进入管2的上游端20到下游气体注入部6的距离
D2-壁9的内径
α2-壁9的锥形部相对于管2的轴线X的角度α2
L6-从空气进入管2的上游端20到周边气体注入部10的距离
L2-从空气进入管2的上游端20到混合器5的距离
L8-从空气进入管2的上游端20到中间气体注入部11的距离；如果中间气体注入部11布置在端20的上游，则该长度为负。
δP是燃烧器1与火室8之间的压力差。
Figure BDA0002548719240000141
Figure BDA0002548719240000151
(单位：mm)。

Claims (20)

1.一种预混燃烧器(1)，由具有长度L的空气进入管(2)和单个特定的气体注入装置(3)组成，所述气体注入装置(3)包括上游气体注入部(4)、混合器(5)、下游气体注入部(6)以及扩散器(7)，所述下游气体注入部位于距所述空气进入管(2)的上游端一距离L3处，其特征在于，所述气体注入装置(3)构成确保自稳定基本火焰(82)的一体式机械组件。
2.根据权利要求1所述的燃烧器(1)，其特征在于，所述空气进入管(2)具有长度L和直径D1，并且使得长度L在直径D1的三倍与六倍之间。
3.根据前述权利要求中的一项所述的燃烧器(1)，其特征在于，所述上游气体注入部(4)位于距所述空气进入管(2)的上游端一距离L1处，该距离在直径D1的0.5倍与长度L之间。
4.根据权利要求1所述的燃烧器(1)，其特征在于，所述上游气体注入部(4)包括具有轴线x和x’的至少两个元件(40)，所述至少两个元件相对于所述空气进入管(2)径向布置，每个元件均具有沿其轴线布置的气体注入孔。
5.根据权利要求1所述的燃烧器(1)，其特征在于，所述上游气体注入部(4)包括具有轴线y和y’的至少两个混合元件(41)，所述至少两个混合元件相对于所述空气进入管(2)的半径倾斜并连接所述空气进入管(2)与所述气体注入管道(31)，并且其中，每个混合元件(41)均具有沿其轴线y或y’布置的气体注入孔(410)。
6.根据权利要求2所述的燃烧器(1)，其特征在于，所述扩散器(7)位于距所述空气进入管(2)的上游端一距离L4处，该距离在L与L-D1之间。
7.根据权利要求1所述的燃烧器(1)，其特征在于，所述扩散器(7)的截面小于或等于所述空气进入管的截面的0.5倍。
8.根据权利要求1所述的燃烧器(1)，其特征在于，所述扩散器(7)包括具有直径D5的稳定元件(71)并包括具有直径D8和长度L7的集中器(14)，其中，所述稳定元件(71)由分布在直径为D6和D7的两个同心圆中的孔穿过，其中，D7<D8<D6，并且其中，长度L7在0与D5之间。
9.根据权利要求6所述的燃烧器(1)，其特征在于，所述下游气体注入部(6)位于距所述空气进入管(2)的上游端一距离L3处，该距离在L4-(0.5×D1)与L4之间。
10.根据权利要求1所述的燃烧器(1)，其特征在于，所述空气进入管通过壁(9)延长以用于机械地保护所述火焰(82)。
11.根据前述权利要求中的一项所述的燃烧器(1)，其特征在于，用于机械地保护所述火焰(82)的所述壁(9)的直径D2在所述空气进入管(2)的直径D1与5×D1之间。
12.根据权利要求10所述的燃烧器(1)，其特征在于，用于机械地保护所述火焰(82)的所述壁(9)相对于所述燃烧器的轴线的倾斜角α2在0o与20o之间。
13.根据权利要求1所述的燃烧器(1)，其特征在于，所述空气进入管(2)具有直径D1，并且其中，周边气体注入部(10)位于距所述空气进入管(2)的上游端一距离L6处，使得：0≤(L-L6)≤2*D1。
14.根据权利要求1所述的燃烧器(1)，其特征在于，所述混合器(5)位于距所述空气进入管(2)的上游端一距离L2处，使得：(L-L3)≤(L-L2)≤L。
15.根据权利要求1所述的燃烧器(1)，其特征在于，所述混合器(5)的截面小于或等于所述空气进入管的截面的0.5倍。
16.根据权利要求1所述的燃烧器(1)，其特征在于，所述燃烧器包括与直径为D1的所述空气进入管(2)同心的直径为D4的第二次级空气管(22)，使得D4>D1。
17.根据前述权利要求中的一项所述的燃烧器(1)，其特征在于，中间气体注入部(11)位于距所述空气进入管(2)的上游端一距离L8处，使得L8>0。
18.燃烧器组(12)，其特征在于，所述燃烧器组包括数量为N最大的根据前述权利要求中的一项所述的燃烧器(1)。
19.根据前一权利要求所述的燃烧器组(12)，其特征在于，数量为N最大的所述燃烧器(1)传递P最大与P最小之间的功率，其中，所述燃烧器组(12)能用数量为N最小的所述燃烧器(1)工作，并且其中，所述燃烧器组的功率能根据运行中的所述燃烧器(1)的数量N来变化，使得所述燃烧器组的功率变化Vp＝(N最大×P最大)/(N最小×P最小)。
20.根据权利要求18和19中任一项所述的燃烧器组(12)，其特征在于，所述燃烧器组包括m个周边气体注入部，使得m>1。
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