CN111828971A

CN111828971A - 一种强预混燃烧的燃气燃烧器

Info

Publication number: CN111828971A
Application number: CN202010713174.8A
Authority: CN
Inventors: 王志强; 周广栋; 许焕焕; 程星星; 付加鹏
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2020-07-22
Filing date: 2020-07-22
Publication date: 2020-10-27
Anticipated expiration: 2040-07-22
Also published as: CN111828971B

Abstract

本发明涉及一种强预混燃烧的燃气燃烧器，包括引射器、燃烧器、引气管，引气管的一端伸入引射器的入口端，引射器的出口端伸入燃烧器，引射器的壳体为为双层结构，内层壳体和外层壳体的两端封闭，之间形成空腔，中部设置若干挡板，挡板沿着径向将空腔隔开，内层壳体设置若干回流孔，外层壳体设置若干进气口，进气口与空腔相通，若干回流孔分别与若干单独的空腔相通；燃烧器的壁部设置回流通道，回流通道与引射器的空腔连通，燃烧器的内侧壁设置若干烟气孔，烟气孔与空腔相通。进气口进入的空气与天然气进行交叉射流混合，在本发明的引射器中混合效果更好，将烟气回流引入到引射器中，降低燃烧流的温度，减少了氮氧化物的产生。

Description

一种强预混燃烧的燃气燃烧器

技术领域

本发明属于燃气燃烧器技术领域，具体涉及一种强预混燃烧的燃气燃烧器。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

随着工业的快速发展，对环境的污染也逐渐加重，能源日益紧缺，人类所面临的问题迫在眉睫。我国是一个煤炭大国，在我国消费能源总量里，煤炭的消耗占比高达70％，然而在煤炭燃烧时产生的大量二氧化硫、烟尘和氮氧化合物，对环境造成了极大的破坏。随着我国环保意识的提高，对更加清洁的能源的关注度越来越高，其中天然气作为比较清洁的能源，在我国也逐渐被加以研究利用。根据BP公司发布的《2035 世界能源展望》，预计到2035年，天然气作为一次清洁能源，将成为增长速度最快的化石燃料。据美国能源信息署(EIA)预测结果，估计全球石油开采可供45年，天然气约为60年，煤炭的存储最多可供230年，而我国煤炭储量在世界占11％，原油占 2.4％，天然气仅占1.2％，预计到2040年将短缺24％左右。因此能源短缺问题将成为世界未来最大的难题，对于中国来说，情况更加不容乐观。

煤炭、石油等能源的使用产生了二氧化硫、氮氧化物等污染物，进而引起了大气污染这一问题。大量的燃料使用造成的环境污染问题也愈演愈烈，在2019年，我国生态环境部公布的各污染类型占比报告中显示，大气污染占据48.1％，位居各污染类型占比排行第一，由此可见，煤炭、石油在我国的大量使用，已经造成了严重的环境污染。根据我国环境污染治理报告显示，全国环境污染治理总投资逐年上升，占GDP 的比重一直高居不下，可见我国对治理污染的决心以及付出的沉重代价。因此，通过探究新的燃烧机制强化燃烧减少能源浪费以及使用清洁能源减少污染物的排放是未来研究的两个方向。

天然气含硫量和含氮量均远低于煤炭和石油等化工燃料，可以减少燃料型NOx 的产生，但天然气燃烧时温度高，此时与空气混合后会将空气中的大量氮气在高温下形成热力型NOx，对环境造成严重的危害。

为了控制燃烧装置排放的氮氧化物对生态环境的危害,国外从50年代起就开始了燃烧过程中氮氧化物生成机理和控制方法的研究。到70年代末和80年代,低NOx 燃烧技术的研究和开发达到高潮,开发出了低NOx燃烧器等实用技术。

发明人发现，控制NOx排放的技术措施可分为两大类:一是所谓的一次措施,其特征是通过各种技术手段,控制燃烧过程中NOx的生成反应。属于这类措施的有所有的运行改进措施和除燃料分级技术外的燃烧技术措施。另一类是二次措施,其特征是把已经生成的NOx通过某种手段还原为N₂，从而降低NOx的排放量。属于这类措施的有选择性催化还原法(SCR)、非催化还原法(SNCR),以及80年代后期才出现的燃料分级燃烧技术。第二类措施中的SCR、SNCR法又称为烟气净化技术,它能大幅度地把NOx排放量降低到200mg/m³(指标准状态下干烟气，当O₂＝60％时,按NO₂计的质量浓度。下同。)以下,但存在设备昂贵、运行费用高的问题。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种强预混燃烧的燃气燃烧器。可以降低氮氧化物的排放，减少对环境的污染，还可以加强燃料空气混合，提高能源利用率，节约能源。

为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：

一种强预混燃烧的燃气燃烧器，包括引射器、燃烧器、引气管，引射器为空心的管状结构，引气管的一端伸入引射器的入口端，引射器的出口端伸入燃烧器，引射器的壳体为为双层结构，分别为内层壳体和外层壳体，内层壳体和外层壳体的两端封闭，之间形成空腔，中部设置若干挡板，挡板沿着径向将空腔隔开，内层壳体设置若干回流孔，外层壳体设置若干进气口，进气口与空腔相通，若干回流孔分别与若干单独的空腔相通；

燃烧器的壁部设置回流通道，回流通道与引射器的空腔连通，燃烧器的内侧壁设置若干烟气孔，烟气孔与空腔相通。

引气管向引射器内通入燃料天然气，燃烧的壳体设置回流通道，用于向引射器内通入烟气，引射器的外层壳体设置进气口，用于向引射器内通入空气，引射器通过设置双层壳体，实现了回流烟气与空气、天然气的充分混合。

第二方面，上述强预混燃烧的燃气燃烧器在小功率燃烧器领域中的应用。

本发明一个或多个技术方案具有以下有益效果：

本发明中引射器的结构设置中实现天然气、空气、烟气的充分混合，先经过交叉射流再经过螺旋涡流，提高了混合的效果，然后再与烟气混合，烟气有助于稀释和降低燃料流的温度，从而降低天然气燃烧产生的氮氧化物，减少对环境的污染，提高能源利用率。

烟气再次进入燃料流中，提高了烟气的充分燃烧，使燃烧更加的充分，提高了烟气的利用率。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明发明实施例的引射器与燃烧器部分的结构；

图2为本发明发明的实施例的引气管的喷气孔和内层壳体的回流孔形成夹角的示意图；

图3为本发明发明的实施例的内层壳体的结构示意图；

图4为本发明发明的引射器的整体结构示意图；

其中，1、引气管，2、二次风进管，3、烟气回流入口，4、烟气回流管，5、第一扩张段，6、挡板，7、燃烧器，8、一次风进管，9、抽风机，10、收缩段，11、第二扩张段。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

天然气在燃烧过程中，产生的燃料型NOx是微乎其微的，快速型NOx的出现也极少，主要NOx类型还是热力型。热力型NOx是空气中氮元素在高温情况下被分解，并通过氧化反应生成的，燃烧区留置时间、氧气浓度及温度都是影响热力型NOx产生的要点因素。以下为NOx化学反应式：

根据公式可知，天然气在燃烧的过程中，温度越高热力型NOx生成量越大，温度低则热力型NOx的生成量会减少。

本发明对燃气燃烧器进行改造，通过本发明的燃烧器，降低天然气的燃烧过程中的峰值温度，有效的降低NOx的生成，实现低氮高效燃烧。

如图1所示，本发明的强预混燃烧的燃气燃烧器，包括引射器、燃烧器7、引气管1，引射器为空心的管状结构，引气管1的一端伸入引射器的入口端，引射器的出口端伸入燃烧器，引射器的壳体为为双层结构，分别为内层壳体和外层壳体，内层壳体和外层壳体的两端封闭，之间形成空腔，中部设置若干挡板6，挡板6沿着径向将空腔隔开，内层壳体设置若干回流孔，外层壳体设置若干进气口，进气口与空腔相通，若干回流孔分别与若干单独的空腔相通；

首先，本发明的燃烧器，其壳体设置回流通道，如果其内壁由耐火砖组成，则可以通过在耐火砖上设置烟气孔，燃烧产生的烟气进入回流通道，然后通过烟气回流管 4进入引射器的内层壳体与外层壳体之间的空腔，然后进入引射器的内部，烟气进入到引射器的燃烧气流里，由于温度低的烟气可以降低火焰总体温度，并且烟气中的惰性气体能够冲淡氧的浓度,从而导致热力生成的减少。低温烟气可以抑制热力型氮氧化物排放，烟气中的二氧化碳等组分通过稀释作用、热效应和化学作用三个方面，进一步降低了氮氧化物和一氧化碳等污染物排放。并且烟气再次进行燃烧可以使烟气中的可燃气燃烧的更加充分。

其次，在引射器的内部，由引气管1引入的天然气与外层壳体的进气口引入的空气相遇形成天然气和空气的混合流，然后再与烟气相遇，形成燃料流进入到燃烧器7。天然气和空气的加入方式，提高了天然气和空气的混合效果，因为天然气和空气呈对冲的趋势，并达到漩涡的效果。

在本发明的一些实施方式中，引气管1为空心的管状结构，位于引射器内部的引气管周向侧壁上和端部侧壁上设置若干喷气孔。由于引气管1为空心的管状结构，天然气分别从引气管1的端部和环向侧壁上的喷气孔喷出。

在本发明的一些实施方式中，内层壳体的两端为喇叭状结构，分别对应的是扩张段，分别为第一扩张段5、第二扩张段10，中部相对于两端形成收缩段10的结构。内层壳体的中部为收缩段10，内层壳体的两端为扩张段，扩张段为喇叭状结构，所以其喇叭状结构的小径端与收缩段连接。主要是为了能够使回流孔的中心与水平面之间成一个夹角，这样经扩张段的回流孔喷出的气体喷射角度就会不同，以便于形成交叉射流的效果，如图2所示。

气体先后经过第一扩张段5、收缩段10、第二扩张段11的流动过程。压力较高的一次流体(天然气)以很高的速度从喷嘴流出，进入收缩段10内，在射流的紊动扩散作用下，卷吸周围压力较低的二次流体与燃料流在混合室内二次混合，进行动量交换，使速度逐渐分布均匀，在此期间压力升高，随后混合流进入第二扩张段，混合流因速度降低而压力升高，以较高流速从第二扩张段出口喷出进入燃烧器内。引射器具有升高引射流体压力而不直接消耗机械能的优点。

在本发明的一些实施方式中，内层壳体和外层壳体之间设置两个挡板6，将空腔分隔为三个独立的空腔，分别为第一空腔、第二空腔、第三空腔。设置挡板的作用是设置三个独立的空腔，有助于分别进入不同的气体，同时为了在引射器的不同段加入气体，每段加入的气体不同，作用是不同的，加入挡板避免了烟气和空气的混合，一级一次风和二次风的混合。

在本发明的一些实施方式中，第三空腔与燃烧器的回流通道连通，第一空腔对应的是第一扩张段5，第二空腔位于第一空腔和第三空腔之间，第二空腔对应收缩段10，第三空腔对应的是烟气的进入通道。这样烟气是在引射器靠近燃烧器的一端引入到引射器中的。其作用是能够降低进入燃烧器的气体的温度，有助于减少氮氧化物的产生。

在本发明的一些实施方式中，第一空腔对应的外层壳体设置一次空气入口，第二空腔对应的外层壳体设置二次空气入口。本发明中分别引入了一次空气和二次空气，相当于天然气先后分别与一次空气、二次空气相遇，与一次风相遇在第一扩张段，具有加强混合的作用，使燃料流的后期具有更好的燃烧效果。这样可以使空气与天然气的接触更加的充分，混合更加的均匀。

一次空气从靠近引气管的扩张段倾斜喷出，与引气管的天然气通过交叉射流进行混合，使混合效果更好。

收缩段处的交叉射流，在交叉汇合点附近，射流速度出现分量，射流受到侧面切应力的作用，进而形成卷吸掺混作用，进一步加强了预混效果。引气管的端部侧壁设置的喷气孔喷出的燃料流主要负责与空气混合加强混合效果，喷嘴末端细孔喷出的燃料流用以提供动力，将混合后的燃料空气带入燃烧器。

如图3所示，在本发明的一些实施方式中，第一扩张段5相对于收缩段的夹角大于第二扩张段11相对于收缩段的夹角。也就是说，第二扩张段11相比于第一扩张段 5，使气体形成收缩。能够更好的保证升压效果，气体经过第二扩张段使气体的压力升高。

在本发明的一些实施方式中，第一扩张段10的回流孔与引气管上的喷气孔的中心的夹角为20-30°，所述第一扩张段为内层壳体上靠近引气管的一端。优选为25°。夹角的角度有利于燃料和一次风的交叉射流效果更好。

在本发明的一些实施方式中，引气管1伸入引射器的长度为30-40mm。有助于充分的引入天然气。

在本发明的一些实施方式中，引气管1为圆柱型，引气管1的直径为3-5mm，喷气孔的直径为0.8-1.5mm，相邻喷气孔的中心距离为1.5-2.5mm，位于引气管端部侧壁的喷气孔的直径小于喷气管周向侧壁上的喷气孔的直径，并且，位于引气管端部侧壁的相邻喷气孔之间的间距小于引气管周向侧壁上的相邻喷气孔的间距。优选的，位于引气管周向侧壁上的透气孔沿着周向侧壁上呈环状分布。

在本发明的一些实施方式中，回流孔的直径为1.5-2.5mm，相邻回流孔的间距为5-7mm，回流孔在内层壳体上成环状分布。

在本发明的一些实施方式中，在引射器中一次风与天然气混合，一次风的空气过剩系数为1.4-1.75。燃料经喷嘴进入引射器中，助燃空气经一次空气进口进入引射器并与燃料混合，形成空气过剩系数为1.4-1.75的预混和混合气体，混合气经交叉射流混合后继续向引射器中间部分流去。

在本发明的一些实施方式中，还包括风箱，风箱分别与一次风进口、二次风进口连接。风箱用于向引射器中引入空气。一次风进口与一次风进管8连接，二次风进口与二次风进管2连接，如图4所示。

在本发明的一些实施方式中，还包括抽风机9，抽风机9设置在燃烧室7外侧，与烟气回流管4相连。燃烧产生的烟气经抽风机的抽力作用下，进入烟气回流通道。

本发明中通过三个方面实现减少氮氧化物排放，一、降低燃烧峰值温度；二、降低氧浓度(过量空气系数)；三、缩短燃烧产物在高温火焰区的停留时间。通过引入烟气降低燃烧峰值温度，通过引入烟气降低氧浓度，通过强化混合和引入烟气缩短燃烧产物在高温火焰区的停留时间。

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

1.一种强预混燃烧的燃气燃烧器，其特征在于：包括引射器、燃烧器、引气管，引射器为空心的管状结构，引气管的一端伸入引射器的入口端，引射器的出口端伸入燃烧器，引射器的壳体为为双层结构，分别为内层壳体和外层壳体，内层壳体和外层壳体的两端封闭，之间形成空腔，中部设置若干挡板，挡板沿着径向将空腔隔开，内层壳体设置若干回流孔，外层壳体设置若干进气口，进气口与空腔相通，若干回流孔分别与若干单独的空腔相通；

2.如权利要求1所述的强预混燃烧的燃气燃烧器，其特征在于：引气管为空心的管状结构，位于引射器内部的引气管周向侧壁上和端部侧壁上设置若干喷气孔。

3.如权利要求1所述的强预混燃烧的燃气燃烧器，其特征在于：内层壳体的两端为喇叭状结构，分别对应的是扩张段，分别为第一扩张段、第二扩张段，中部相对于两端形成收缩段的结构。

4.如权利要求1所述的强预混燃烧的燃气燃烧器，其特征在于：内层壳体和外层壳体之间设置两个挡板，将空腔分隔为三个独立的空腔，分别为第一空腔、第二空腔、第三空腔。

5.如权利要求4所述的强预混燃烧的燃气燃烧器，其特征在于：第三空腔与燃烧器的回流通道连通，第一空腔对应的是第一扩张段，第二空腔位于第一空腔和第三空腔之间，第二空腔对应收缩段，第三空腔对应的是烟气的进入通道。

6.如权利要求4所述的强预混燃烧的燃气燃烧器，其特征在于：第一空腔对应的外层壳体设置一次空气入口，第二空腔对应的外层壳体设置二次空气入口；

或，第一扩张段相对于收缩段的夹角大于第二扩张段相对于收缩段的夹角。

7.如权利要求3所述的强预混燃烧的燃气燃烧器，其特征在于：第一扩张段的回流孔与引气管上的喷气孔的中心的夹角为20-30°，所述第一扩张段为内层壳体上靠近引气管的一端；优选为25°。

8.如权利要求1所述的强预混燃烧的燃气燃烧器，其特征在于：引气管伸入引射器的长度为30-40mm。

9.如权利要求1所述的强预混燃烧的燃气燃烧器，其特征在于：引气管为圆柱型，引气管的直径为3-5mm，喷气孔的直径为0.8-1.5mm，相邻喷气孔的中心距离为1.5-2.5mm，位于引气管端部侧壁的喷气孔的直径小于喷气管周向侧壁上的喷气孔的直径，并且，位于引气管端部侧壁的相邻喷气孔之间的间距小于引气管周向侧壁上的相邻喷气孔的间距；

或，回流孔的直径为1.5-2.5mm，相邻回流孔的间距为5-7mm，回流孔在内层壳体上成环状分布；

或，在引射器中一次风与天然气混合，一次风的空气过剩系数为1.4-1.75；

或，还包括风箱，风箱分别与一次风进口、二次风进口连接；

或，还包括抽风机，抽风机设置在燃烧室外侧，与烟气回流管相连。

10.如权利要求1-9任一所述的强预混燃烧的燃气燃烧器在小功率燃烧器领域的应用。