CN112984508B - 一种氢气引射式氨低氮旋流燃烧器 - Google Patents

Abstract

一种氢气引射式氨低氮旋流燃烧器，包括防风罩，在防风罩内有同轴的一级旋流燃烧器和二级燃烧器，一级旋流燃烧器位于轴心位置，以低氢比例氨气为燃料，二级燃烧器位于一级旋流燃烧器外围，以氨气为燃料，掺混氢气，一级旋流燃烧器包括一级燃料喷头，一级燃料喷头中心为一级氢气燃料喷口，一级氢气燃料喷口周侧均匀布置若干一级氨气燃料喷口。一级燃料喷头的周向外围均匀布置有双旋流叶片，二级燃烧器包括均布在一级燃烧器外侧周向的若干二级燃料管，其中一部分二级燃料管连接二级氢气燃料喷口，另一部分二级燃料管连接二级氨气燃料喷口，本发明以氨气为主要燃料，低氮掺氢，多级旋流，能够使火焰更加稳定，减少氮氧化物的排放。

Description

一种氢气引射式氨低氮旋流燃烧器

技术领域

本发明属于热能工程技术领域，涉及一种燃烧器，特别涉及一种氢气引射式氨低氮旋流燃烧器。

背景技术

目前，“氢”能源被认为是未来全球能源结构发展的重要方向，氨气被称为“另一种氢”，是氢载体燃料和储氢介质，具有无碳的优点，完全燃烧后的排放物只有水和氮气，并且氨气作为一种无碳燃料，同时具有热值高、易于储存等优点。然而当氨气作为燃料引入了燃料氮，使得燃烧过程中氮氧化物的排放大量增加，造成了环境的污染。因此，设计一种低氮氧化物排放的氨气燃烧器对燃烧领域以及工业领域有着十分重要的现实意义以及使用价值。

燃烧器，是使燃料和空气以一定方式喷出混合燃烧的装置统称。燃烧器按类型和应用领域分工业燃烧器、燃烧机、民用燃烧器、特种燃烧器几种。燃烧器的作用是通过火焰燃烧使试样原子化。被雾化的试液进入燃烧器，在火焰温度和火焰气氛作用下，经过干燥、熔融、蒸发、离解等过程，产生大量的基态原子，以及部分激发态原子、离子和分子。

目前的燃烧器，在使用过程中普遍存在这样的技术问题：燃料喷出后被高温空气烟气迅速点燃，使得靠近燃烧室的温度过高。在高温和空气的作用下，工件的强度严重降低，使用寿命大大减少；燃料与空气混合不够均匀，燃烧不充分，燃烧效率低，导致了大量污染物的产生；火焰稳定性差，燃烧范围小，甚至有发生爆炸的危险。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种氢气引射式氨低氮旋流燃烧器，以氨气为主要燃料，低氮掺氢，多级旋流，能够使火焰更加稳定，减少氮氧化物的排放。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种氢气引射式氨低氮旋流燃烧器，包括防风罩8，在防风罩8内有同轴的一级旋流燃烧器和二级燃烧器，其中，一级旋流燃烧器位于轴心位置，二级燃烧器位于一级旋流燃烧器外围，均以以掺氢体积比为2％-5％的低氢比例氨气为燃料，实现轴心一级燃烧和外围二级燃烧的两级燃烧方式。

所述一级旋流燃烧器包括轴心位置的一级燃料喷头7，所述一级燃料喷头7中心为一级氢气燃料喷口2，一级氢气燃料喷口2周侧均匀布置若干一级氨气燃料喷口3，一级氢气燃料喷口2提供的氢气和一级氨气燃料喷口3提供的氨气满足掺氢比2％-5％。

所述一级燃料喷头7向前渐扩为圆台形钝体，张角为90度，所述一级氢气燃料喷口2的直径向前渐扩，所述一级氨气燃料喷口3有两圈，内圈八个、外圈十二个。

所述一级燃料喷头7的周向外围均匀布置有双旋流叶片4，双旋流叶片4由同轴且旋向相反的一级旋流叶片41和二级旋流叶片42组成，二级旋流叶片42位于一级旋流叶片41的外围，一级燃料通过一级燃料喷头7喷出，来流空气通过双旋流叶片4喷出，一级燃料和来流空气形成横风射流，通过一级旋流叶片41组织的气流与燃料气充分混合。

所述一级旋流叶片41和二级旋流叶片42均为平板叶片，叶片角度连续可调，一级旋流叶片41的叶片角度可调范围为30°到40°，二级旋流叶片42的叶片角度的叶片角度可调范围为40°到50°，通过调整叶片角度控制旋流燃烧回流区的大小，使得火焰稳定在远离一级燃料喷头7一定距离的位置。

所述防风罩8为渐扩状流线型，加强稳焰效果。

所述二级燃烧器包括均布在一级燃烧器外侧周向的若干二级燃料管，其中一部分二级燃料管连接二级氢气燃料喷口5，另一部分二级燃料管连接二级氨气燃料喷口6，所述二级氢气燃料喷口5和二级氨气燃料喷口6均为直喷喷头，伸出燃烧器出口端一段距离，二级氢气燃料喷口5提供的氢气和二级氨气燃料喷口6提供的氨气满足比例2％-5％。

所述二级燃料管数量为12根，双对角线位置的二级燃料管连接二级氢气燃料喷口5，其余二级燃料管连接二级氨气燃料喷口6。

所述二级氢气燃料喷口5和二级氨气燃料喷口6的喷射方向均朝向燃烧器中轴线且与燃烧器中轴向成30°夹角，与切向成45°夹角，向中轴线倾斜收缩，形成旋转射流。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本燃烧器以氨气作为燃料，大量减少二氧化碳的排放量。同时本燃烧器通过加入轴向的少量氢气以及加入火焰外部的少量氢气，促进了燃料的充分燃烧；使得火焰更加稳定，保证了火焰的燃烧喷射效果，防止脱火、回火等危险情况的发生。

2、本燃烧器通过多级燃烧，可以精确调整燃料与空气的比例关系；同时通过二级旋流以及圆台型一级燃料喷头，有利于形成更大的旋流区，实现燃料与空气快速均匀混合，使得燃烧更加充分，提高了燃烧效率，大量降低了氮氧化物的排放。

附图说明

图1是氨气低氮旋流掺氢燃烧器结构示意图。

图2是燃烧器结构正视图。

图3是燃烧器侧剖图。

图4是燃烧器爆炸示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

如图1、图2、图3和图4所示，一种氢气引射式氨低氮旋流燃烧器，采用氨气作为主要燃料，可实现掺混氢气的氨燃烧，从而大大减少二氧化碳的排放，同时，该装置通过掺混少量氢气实现稳焰效果，并利用旋流促进充分混合。其燃烧器主体1内部为燃烧腔，外侧为防风罩8，起到稳焰、防风的作用，可减少燃烧盲区引起的不充分燃烧，也起到渐扩作用，降低流速，增加停留时间，从而实现低氮排放。防风罩8可采用渐扩状流线型，以加强稳焰效果。防风罩8内(即燃烧腔内)有同轴的一级旋流燃烧器和二级燃烧器，其中，一级旋流燃烧器位于轴心位置，主要以掺氢体积比为2％-5％的低氢比例氨气为燃料，二级燃烧器位于一级旋流燃烧器外围，以氨气为燃料，掺混2％-5％的氢气，实现轴心一级燃烧和外围二级燃烧的两级燃烧方式。

一级旋流燃烧器包括轴心位置的一级燃料喷头7，一级燃料为低掺氢比的氨气。本实施例中，一级燃料喷头7向前渐扩为圆台形钝体，张角为90度，可扩大回流区，保证燃烧稳定。圆台形钝体带有中心通道和若干周围通道(本实施例中为20个，分两圈设置，内圈八个、外圈十二个，有利于燃料的充分燃烧)，其中，中心通道连通氢气，其前端为一级氢气燃料喷口2，中心通道(或一级氢气燃料喷口2)的直径向前渐扩，周围通道连通氨气，其前端为一级氨气燃料喷口3，即，氢气燃料喷口2位于一级燃料喷头7前端面中心，若干一级氨气燃料喷口3均匀布置在一级氢气燃料喷口2周侧，喷射方向均为轴线方向，即送入空气方向。一级氢气燃料喷口2提供的氢气和一级氨气燃料喷口3提供的氨气满足掺氢比2％-5％，可保证火焰稳定。

本实施例在一级燃料喷头7的周向外围均匀布置有双旋流叶片4，双旋流叶片4组织气流，使得一级燃料可以和空气充分且均匀混合，提高燃烧效率、降低氮氧化物排放。双旋流叶片4由同轴且旋向相反的一级旋流叶片41和二级旋流叶片42组成，二级旋流叶片42位于一级旋流叶片41的外围，根据上述结构，一级燃料通过一级燃料喷头7喷出，来流空气通过双旋流叶片4喷出，一级燃料和来流空气形成横风射流，通过一级旋流叶片41组织的气流与燃料气充分混合。双旋流叶片4配合圆台形钝体结构的一级燃料喷头7，可保证在流线型的防风罩8内充分稳燃。

本实施例中，一级旋流叶片41和二级旋流叶片42均为平板叶片，叶片角度连续可调，一级旋流叶片41的叶片角度可调范围为30°到40°，二级旋流叶片42的叶片角度的叶片角度可调范围为40°到50°，二级旋流叶片42与轴线的夹角应略大于一级旋流叶片41与轴线的夹角，通过调整叶片角度控制旋流燃烧回流区的大小，使得火焰稳定在远离一级燃料喷头7一定距离的位置，可有效稳定一级燃烧的火焰，同时防止双旋流叶片4被烧蚀，延长其使用寿命。

二级燃烧器包括均布在一级燃烧器外侧周向(具体为双旋流叶片4外侧周向)的若干二级燃料管，各燃料管均可作为备用，可根据实际情况决定是否开放。本实施例中二级燃料管共有12根，以便于精确调整合适的当量比，其中双对角线位置的4根二级燃料管连接氢气，前端为二级氢气燃料喷口5，其余8根二级燃料管连接氨气，前端为二级氨气燃料喷口6。二级氢气燃料喷口5提供的氢气和二级氨气燃料喷口6提供的氨气满足比例2％-5％，二级燃料氨气掺混氢气可有效稳定火焰的燃烧。

本发明中，燃料及空气流入装置、湍流产生部件及燃烧器材料均为黄铜、不锈钢或钛等金属材料。

本实施例中，各二级燃料管均伸出燃烧器出口端一段距离，二级氢气燃料喷口5和二级氨气燃料喷口6均为直喷喷头，喷射方向均朝向燃烧器中轴线且与燃烧器中轴向成30°夹角，与切向成45°夹角，向中轴线倾斜收缩，形成旋转射流，二级燃料喷口偏离轴线方向可促使来流空气产生径向旋流流场，进一步提高燃烧效率、降低氮氧化物排放。

在一个更具体的实施例中，一级氨气燃料喷口3孔径为1mm，一级氢气燃料喷口2孔径为2mm，喷射方向沿轴线方向，微小孔径可有效防止回火，使燃料安全稳定地燃烧。二级氢气燃料喷口5和二级氨气燃料喷口6孔径为1mm。

由此，本发明的一级旋流燃烧器采用叶片角度可变的双旋流结构，可用于低氢气掺混氨低氮燃烧，二级燃烧器采用径向旋流结构，有效提高氨的燃烧效率，配合一级燃烧，本发明可以实现氨燃烧的低氮燃烧，应用在燃气轮机中实现氨燃料的有效利用，降低氮氧化物的排放。

以上，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明专利构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (7)

1.一种氢气引射式氨低氮旋流燃烧器，包括防风罩(8)，在防风罩(8)内有同轴的一级旋流燃烧器和二级燃烧器，其中，一级旋流燃烧器位于轴心位置，二级燃烧器位于一级旋流燃烧器外围，均以掺氢体积比为2％-5％的低氢比例氨气为燃料，实现轴心一级燃烧和外围二级燃烧的两级燃烧方式，所述一级旋流燃烧器包括轴心位置的一级燃料喷头(7)，所述一级燃料喷头(7)中心为一级氢气燃料喷口(2)，一级氢气燃料喷口(2)周侧均匀布置若干一级氨气燃料喷口(3)，一级氢气燃料喷口(2)提供的氢气和一级氨气燃料喷口(3)提供的氨气满足掺氢体积比2％-5％，其特征在于，所述一级燃料喷头(7)向前渐扩为圆台形钝体，张角为90度，所述一级氢气燃料喷口(2)的直径向前渐扩，所述一级氨气燃料喷口(3)有两圈，内圈八个、外圈十二个。

2.根据权利要求1所述氢气引射式氨低氮旋流燃烧器，其特征在于，所述一级燃料喷头(7)的周向外围均匀布置有双旋流叶片(4)，双旋流叶片(4)由同轴且旋向相反的一级旋流叶片(41)和二级旋流叶片(42)组成，二级旋流叶片(42)位于一级旋流叶片(41)的外围，一级燃料通过一级燃料喷头(7)喷出，来流空气通过双旋流叶片(4)喷出，一级燃料和来流空气形成横风射流，通过一级旋流叶片(41)组织的气流与燃料气充分混合。

3.根据权利要求2所述氢气引射式氨低氮旋流燃烧器，其特征在于，所述一级旋流叶片(41)和二级旋流叶片(42)均为平板叶片，叶片角度连续可调，一级旋流叶片(41)的叶片角度可调范围为30°到40°，二级旋流叶片(42)的叶片角度的叶片角度可调范围为40°到50°，通过调整叶片角度控制旋流燃烧回流区的大小，使得火焰稳定在远离一级燃料喷头(7)一定距离的位置。

4.根据权利要求1所述氢气引射式氨低氮旋流燃烧器，其特征在于，所述防风罩(8)为渐扩状流线型，加强稳焰效果。

5.根据权利要求1所述氢气引射式氨低氮旋流燃烧器，其特征在于，所述二级燃烧器包括均布在一级燃烧器外侧周向的若干二级燃料管，其中一部分二级燃料管连接二级氢气燃料喷口(5)，另一部分二级燃料管连接二级氨气燃料喷口(6)，所述二级氢气燃料喷口(5)和二级氨气燃料喷口(6)均为直喷喷头，伸出燃烧器出口端一段距离，二级氢气燃料喷口(5)提供的氢气和二级氨气燃料喷口(6)提供的氨气满足掺氢体积比2％-5％。

6.根据权利要求5所述氢气引射式氨低氮旋流燃烧器，其特征在于，所述二级燃料管数量为12根，双对角线位置的二级燃料管连接二级氢气燃料喷口(5)，其余二级燃料管连接二级氨气燃料喷口(6)。

7.根据权利要求6所述氢气引射式氨低氮旋流燃烧器，其特征在于，所述二级氢气燃料喷口(5)和二级氨气燃料喷口(6)的喷射方向均朝向燃烧器中轴线且与燃烧器中轴向成30°夹角，与切向成45°夹角，向中轴线倾斜收缩，形成旋转射流。

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