CN113310049B - 一种微小尺度预混分级燃烧器 - Google Patents

一种微小尺度预混分级燃烧器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种微小尺度预混分级燃烧器，包括多支微小尺度预混喷嘴、主燃料分配腔、值班燃料分配腔、主燃空气分配腔、燃烧器顶盖、喷嘴分配板、空气分配板、火焰筒、机匣和电点火器；燃料通过喷嘴燃料进口进入微小尺度预混喷嘴，再从喷嘴燃料出口孔喷射进入空气分配孔，并与来自于空气腔的逆流的主燃空气，在空气分配孔中以内交叉射流方式预混后进入火焰筒燃烧，生成烟气。本发明采用喷嘴周向矩阵分布形式、主燃级/值班级喷嘴径向分级、燃料与氧化剂在微小尺度条件下内交叉射流预混的技术路线，在提高燃料与氧化剂预混程度的同时，降低燃料与氧化剂预混时间和距离及烟气在高温区内的停留时间，进而实现NOx近零排放。

Description

一种微小尺度预混分级燃烧器
技术领域
本发明属于高效清洁燃烧技术领域，尤其是涉及一种微小尺度预混分级燃烧器。
背景技术
为了尽快实现“碳达峰、碳中和”，燃气轮机燃烧室、锅炉和窑炉等燃烧器需要燃用掺氢(或纯氢)燃料。由于氢气具有火焰传播速度快，传质扩散能力强的特点，掺氢(或纯氢)燃料在传统燃烧器上面临着火焰稳定性差、NOx排放高的问题。随着污染物排放要求越来越严格，传统燃烧器在高温高压运行条件下已经不能满足污染物排放和火焰稳定性要求，因此有必要设计一种新型的燃烧器来解决上述问题。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种微小尺度预混分级燃烧器，在提高燃料与氧化剂预混程度的同时，降低燃料与氧化剂预混时间和距离及烟气在高温区内的停留时间，进而实现NOx近零排放。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种微小尺度预混分级燃烧器，包括多支微小尺度预混喷嘴、主燃料分配腔、值班燃料分配腔、主燃空气分配腔、燃烧器顶盖、喷嘴分配板、空气分配板、火焰筒、机匣和电点火器；
在燃烧器顶盖中心处开有通孔，在燃烧器顶盖的内部设有与通孔同轴布置的值班燃料分配腔和主燃料分配腔，所述值班燃料分配腔靠近通孔布置，且值班燃料分配腔和主燃料分配腔未连通，所述的电点火器布置在通孔内，在燃烧器顶盖上设有与值班燃料分配腔连通的值班燃料进口及与主燃料分配腔连通的主燃料进口；
所述喷嘴分配板固定在燃烧器顶盖的末端，在喷嘴分配板上均匀开设有若干喷嘴定位孔，所述空气分配板平行固设在喷嘴分配板的后侧，所述空气分配板与喷嘴分配板之间设有间隙为主燃空气分配腔，在空气分配板上均匀开设有若干空气分配孔，喷嘴定位孔和空气分配孔一一对应布置，在每组一一对应的喷嘴定位孔和空气分配孔中插接一个微小尺度预混喷嘴，且在每支微小尺度预混喷嘴上开设有一个喷嘴燃料进口和若干个喷嘴燃料出口孔；
所述的燃烧器顶盖与机匣连接，所述的火焰筒设置在机匣内，所述的火焰筒插接在空气分配板上，且火焰筒外壁与机匣内壁之间形成空气腔，所述的空气腔与主燃空气分配腔连通，在机匣的末端设有空气进口；燃料通过喷嘴燃料进口进入微小尺度预混喷嘴，再从喷嘴燃料出口孔喷射进入空气分配孔与来自于空气腔的逆流的主燃空气在空气分配孔中以内交叉射流方式预混后进入火焰筒燃烧，生成烟气。
进一步的，所述喷嘴分配板为圆形板，若干喷嘴定位孔在所述喷嘴分配板上以喷嘴分配板的圆心呈多组圆周阵列分布，且多组圆周阵列均等间距布置。
进一步的，所述微小尺度预混喷嘴为管状结构，且一端为封闭端，一端为开口端，开口端为喷嘴燃料进口，在每支微小尺度预混喷嘴的管壁上沿周向均匀开设有2至8个喷嘴燃料出口孔，且喷嘴燃料出口孔靠近封闭端布置。
进一步的，所述空气分配孔的一端为空气分配孔进口，另一端为空气分配孔出口，喷嘴燃料进口内径为2-10mm，喷嘴燃料出口孔直径为0.3-5mm，喷嘴燃料出口孔与空气分配孔进口的距离为4-100mm，喷嘴燃料出口孔与空气分配孔出口的距离为2-50mm，空气分配孔内径为5-15mm。
进一步的，对应值班燃料分配腔的若干微小尺度预混喷嘴的喷嘴燃料出口孔与相应的空气分配孔出口的距离比对应主燃料分配腔的若干微小尺度预混喷嘴上的喷嘴燃料出口孔与相应的空气分配孔出口的距离小2-10mm。
进一步的，值班燃料进口通入值班燃料，主燃料进口通入主燃料，且值班燃料与主燃料的体积流量比为0.03-0.3。
进一步的，在火焰筒侧壁布置多列冷却孔，所述冷却孔与空气腔连通。
进一步的，在燃烧器顶盖的外边缘开设有若干定位螺纹孔，在喷嘴分配板的相应位置也开设有若干定位通孔，通过螺钉穿过同一位置处的定位通孔和定位螺纹孔将喷嘴分配板固定在燃烧器顶盖上。
相对于现有技术，本发明所述的一种微小尺度预混分级燃烧器具有以下优势：
本申请采用喷嘴周向矩阵分布形式、主燃级/值班级喷嘴径向分级、燃料与氧化剂在微小尺度条件下内交叉射流预混的技术路线，在提高燃料与氧化剂预混程度的同时，降低燃料与氧化剂预混时间和距离及烟气在高温区内的停留时间，进而实现NOx近零排放。
本申请结构集成化程度高，体积热强度大；易于维护，可与传统燃烧器的空气和燃料供给系统连接；稳燃负荷调节比大，燃烧效率高，出口烟气温度分布均匀；逆流式结构布置，增强对机匣、火焰筒冷却保护效果；燃料适应性强，可燃用掺氢合成气、纯氢及天然气等燃料。
本申请具有结构简单、维护方便的特点，可与传统的燃烧器装置实现互换。燃烧器体积热强度高，结构紧凑，集成化程度高。烟气出口平均温度高，运行范围宽，可在900～1600℃工况需求下运行，烟气出口温度分布均匀，出口温度分布系数OTDF≤15％。燃烧器污染物排放低，燃烧效率≥99％，NOx@15％O2≤20ppm。燃烧器采用逆流式布置，压力损失低，总压恢复系数≥95％，冷却空气能保持较低的温度从而起到对火焰筒冷却保护作用。燃料适应性强，可燃用掺氢合成气、纯氢及天然气等燃料。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，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。在附图中：
图1为本发明实施例所述的一种微小尺度预混分级燃烧器的立体结构示意图；
图2为本发明实施例所述的一种微小尺度预混分级燃烧器的剖视图；
图3为图2的A处结构放大图；
图4为图2的B处结构放大图；
图5为喷嘴分配板和空气分配板的结构示意图；
图6为图5的C-C向剖视图；
图7为分级喷嘴的结构示意图；
图8为图7的D-D向剖视图。
附图标记说明：
1-主燃料分配腔，2-燃烧器顶盖，3-电点火器，4-值班燃料分配腔，5-值班燃料进口，6-值班燃料，7-喷嘴分配板，8-微小尺度预混喷嘴，9-主燃空气分配腔，10-空气分配板，11-火焰筒，12-机匣，13-烟气，14-燃烧器出口，15-空气，16-空气进口，17-冷却空气，18-冷却孔，19-主燃空气，20-主燃料，21-主燃料进口，22-定位通孔，23-定位螺纹孔，24-空气分配孔进口，25-喷嘴定位孔，26-空气分配孔，27-空气分配孔出口，28-喷嘴燃料进口，29-喷嘴燃料出口孔。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1-图8所示，一种微小尺度预混分级燃烧器，燃烧器出口14平均温度为1500℃，空气15进口平均温度为300℃，包括60支微小尺度预混喷嘴8、主燃料分配腔1、值班燃料分配腔4、主燃空气分配腔9、燃烧器顶盖2、喷嘴分配板7、空气分配板10、火焰筒11、机匣12和电点火器3；
在燃烧器顶盖2中心处开有通孔，在燃烧器顶盖2的内部设有与通孔同轴布置的值班燃料分配腔4和主燃料分配腔1，所述值班燃料分配腔4靠近通孔布置，且值班燃料分配腔4和主燃料分配腔1未连通，所述的电点火器3布置在通孔内，在燃烧器顶盖2上设有与值班燃料分配腔4连通的值班燃料进口5及与主燃料分配腔1连通的主燃料进口21；
所述喷嘴分配板7固定在燃烧器顶盖2的末端，在喷嘴分配板7上均匀开设有若干喷嘴定位孔25，所述空气分配板10平行固设在喷嘴分配板7的后侧，所述空气分配板10与喷嘴分配板7之间设有间隙为主燃空气分配腔9，在空气分配板10上均匀开设有若干空气分配孔26，喷嘴定位孔25和空气分配孔26一一对应布置，在每组一一对应的喷嘴定位孔25和空气分配孔26中插接一个微小尺度预混喷嘴8，且在每支微小尺度预混喷嘴8上开设有一个喷嘴燃料进口28和若干个喷嘴燃料出口孔29；
所述的燃烧器顶盖2与机匣12通过法兰连接，所述的火焰筒11设置在机匣12内，所述的火焰筒11插接在空气分配板10上，且火焰筒11外壁与机匣12内壁之间形成空气腔，所述的空气腔与主燃空气分配腔9连通，在机匣12的末端设有空气进口16；燃料通过喷嘴燃料进口28进入微小尺度预混喷嘴，再从喷嘴燃料出口孔29喷射进入空气分配孔26与来自于空气腔的逆流的主燃空气19在空气分配孔26中以内交叉射流方式预混后进入火焰筒11燃烧，生成烟气13。
喷嘴分配板7为圆形板，若干喷嘴定位孔25在所述喷嘴分配板7上以喷嘴分配板7的圆心呈多组圆周阵列分布，且多组圆周阵列均等间距布置。
微小尺度预混喷嘴8为管状结构，且一端为封闭端，一端为开口端，开口端为喷嘴燃料进口28，在每支微小尺度预混喷嘴8的管壁上沿周向均匀开设有6个喷嘴燃料出口孔29，且喷嘴燃料出口孔29靠近封闭端布置。
空气分配孔的一端为空气分配孔进口，另一端为空气分配孔出口，喷嘴燃料进口28内径为2-10mm，喷嘴燃料出口孔29直径为0.3-5mm，喷嘴燃料出口孔29与空气分配孔进口24的距离为4-100mm，喷嘴燃料出口孔29与空气分配孔出口27的距离为2-50mm，空气分配孔26内径为5-15mm。具体可以为：喷嘴燃料进口28内径为2mm，喷嘴燃料出口孔30直径为0.6mm，喷嘴燃料出口孔29与空气分配孔进口24的距离为5mm，喷嘴燃料出口孔29与空气分配孔出口27的距离为5mm，空气分配孔26内径为5.5mm。根据燃料组分、运行工况条件的不同，分别输入主燃料20和值班燃料6的微小尺度预混喷嘴8及其对应的空气分配孔26可设置不同的结构参数。
对应值班燃料分配腔4的若干微小尺度预混喷嘴8的喷嘴燃料出口孔29与相应的空气分配孔出口的距离比对应主燃料分配腔1的若干微小尺度预混喷嘴8上的喷嘴燃料出口孔29与相应的空气分配孔出口27的距离小2-10mm。为了实现更好的点火。
值班燃料进口5通入值班燃料6，主燃料进口21通入主燃料20，且值班燃料6与主燃料20的体积流量比为0.03-0.3。
输入主燃料20的微小尺度预混分级喷嘴8分为4组，每组微小尺度预混喷嘴8的数量分别为8、12、16和20个，每组微小尺度预混喷嘴8均沿周向对称分布，每组微小尺度预混喷嘴8的分布半径分别为18、27、36和45mm；输入值班燃料6的微小尺度预混分级喷嘴8分为1组，数量为4个，分布半径为9mm。值班燃料6与主燃料20的体积流量比为0.07；在微小尺度预混分级燃烧器启动点火时，只输入值班燃料。随着负荷增加，再逐渐输入主燃料。
在火焰筒11侧壁布置多列冷却孔18，冷却孔18直径为0.5-2mm，可以为1mm，所述冷却孔18与空气腔连通。
在燃烧器顶盖2的外边缘开设有若干定位螺纹孔23，在喷嘴分配板7的相应位置也开设有若干定位通孔22，通过螺钉穿过同一位置处的定位通孔22和定位螺纹孔23将喷嘴分配板7固定在燃烧器顶盖2上。电点火器3布置于微小尺度预混分级燃烧器轴线上，通过其法兰盘与燃烧器顶盖3连接固定。
本申请的工作过程为：
主燃料20由主燃料进口21进入主燃料分配腔1，主燃料20进入主燃料分配腔1后，再通过喷嘴燃料进口28进入微小尺度预混喷嘴8；值班燃料6由值班燃料进口5进入值班燃料分配腔4，值班燃料6进入值班燃料分配腔4后，再通过喷嘴燃料进口28进入微小尺度预混喷嘴8；值班燃料6与主燃料20的体积流量比为0.07；在微小尺度预混分级燃烧器启动点火时，只输入值班燃料；随着负荷增加，再逐渐输入主燃料；
空气15由空气进口16进入燃烧器，并通过冷却孔18和主燃空气分配腔9，把空气15分为冷却空气17和主燃空气19；主燃空气19通过空气分配孔26与燃料混合后进入火焰筒11燃烧，生成烟气13，冷却空气17通过冷却孔18进入火焰筒11，并对火焰筒11和机匣12进行冷却保护。冷却空气17体积流量与空气15体积流量的比例为0.1。
下面给出几种具体示例：当空气15流量为947.2g/s，空气15中水蒸气体积稀释率为0.15，空气15的绝对压力为2.3MPa，燃料为掺氢合成气H2与CO体积浓度比为1，主燃料20和值班燃料6的总流量为99.1g/s，微小尺度预混分级燃烧器所排放的NOx@15％O2为4.71ppm，OTDF为6.57％，总压恢复系数为96.5％，燃烧效率为99.9％。
当空气15流量为971.1g/s，空气15中水蒸气体积稀释率为0.15，空气15的绝对压力为2.3MPa，燃料为H2，主燃料20和值班燃料6的总流量为14.3g/s，微小尺度预混分级燃烧器所排放的NOx@15％O2为8.46ppm，OTDF为10.10％，总压恢复系数为97.6％，燃烧效率为99.9％。
综上，可以看出，烟气出口平均温度高，运行范围宽，可在900～1600℃工况需求下运行，烟气出口温度分布均匀，出口温度分布系数OTDF≤15％。燃烧器污染物排放低，燃烧效率≥99％，NOx@15％O2≤20ppm。燃烧器采用逆流式布置，压力损失低，总压恢复系数≥95％，冷却空气能保持较低的温度从而起到对火焰筒冷却保护作用。
本申请具有结构简单、维护方便的特点，可与传统的燃烧器装置实现互换。燃烧器体积热强度高，结构紧凑，集成化程度高。燃料适应性强，可燃用掺氢合成气、纯氢及天然气等燃料。
本申请选择空气无旋流动，可避免燃料/氧化剂预混气回火进入喷嘴，单支喷嘴的稳燃特性有所下降，为了稳定燃烧，本申请选择了值班燃料喷嘴，从燃烧器整体角度出发来考虑稳燃设计。
本申请的主燃级/值班级喷嘴径向分级体现在不同径向位置的喷嘴具有不同的作用，与值班燃料分配腔连接的喷嘴位于燃烧器中心，径向位置小，与主燃料分配腔连接的喷嘴位于值班燃料喷嘴的外侧，径向位置大；在燃烧器启动时，只有值班燃料喷嘴输入燃料，起到点火火焰的作用；随着负荷增加，主燃料喷嘴开始逐渐输入燃料，值班燃料喷嘴逐渐减少燃料，直至设计工况点，此时值班燃料喷嘴起到对主燃料喷嘴稳定火焰的作用。
本申请在保持单支喷嘴结构尺寸不变的情况下，增加喷嘴数量，以多支喷嘴总流量，来满足燃烧器总热功率需求，如此设计可以在满足燃烧器总热功率需求和单支喷嘴内燃料/氧化剂良好预混的同时，能够控制火焰长度，以多支小火焰在径向和周向矩阵分布形式布置，保证了燃烧器内的高温区小，缩短了烟气在高温区内的停留时间，进而实现了NOx近零排放。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (5)

1.一种微小尺度预混分级燃烧器，其特征在于：包括多支微小尺度预混喷嘴(8)、主燃料分配腔(1)、值班燃料分配腔(4)、主燃空气分配腔(9)、燃烧器顶盖(2)、喷嘴分配板(7)、空气分配板(10)、火焰筒(11)、机匣(12)和电点火器(3)；
在燃烧器顶盖(2)中心处开有通孔，在燃烧器顶盖(2)的内部设有与通孔同轴布置的值班燃料分配腔(4)和主燃料分配腔(1)，所述值班燃料分配腔(4)靠近通孔布置，且值班燃料分配腔(4)和主燃料分配腔(1)未连通，所述的电点火器(3)布置在通孔内，在燃烧器顶盖(2)上设有与值班燃料分配腔(4)连通的值班燃料进口(5)及与主燃料分配腔(1)连通的主燃料进口(21)；
所述喷嘴分配板(7)固定在燃烧器顶盖(2)的末端，在喷嘴分配板(7)上均匀开设有若干喷嘴定位孔(25)，所述空气分配板(10)平行固设在喷嘴分配板(7)的后侧，所述空气分配板(10)与喷嘴分配板(7)之间设有间隙为主燃空气分配腔(9)，在空气分配板(10)上均匀开设有若干空气分配孔(26)，喷嘴定位孔(25)和空气分配孔(26)一一对应布置，在每组一一对应的喷嘴定位孔(25)和空气分配孔(26)中插接一个微小尺度预混喷嘴(8)，且在每支微小尺度预混喷嘴(8)上开设有一个喷嘴燃料进口(28)和若干个喷嘴燃料出口孔(29)；
所述的燃烧器顶盖(2)与机匣(12)连接，所述的火焰筒(11)设置在机匣(12)内，所述的火焰筒(11)插接在空气分配板(10)上，且火焰筒(11)外壁与机匣(12)内壁之间形成空气腔，所述的空气腔与主燃空气分配腔(9)连通，在机匣(12)的末端设有空气进口(16)；燃料通过喷嘴燃料进口(28)进入微小尺度预混喷嘴，再从喷嘴燃料出口孔(29)喷射进入空气分配孔(26)与来自于空气腔的逆流的主燃空气(19)在空气分配孔(26)中以内交叉射流方式预混后进入火焰筒(11)燃烧，生成烟气(13)；
所述微小尺度预混喷嘴(8)为管状结构，且一端为封闭端，一端为开口端，开口端为喷嘴燃料进口(28)，在每支微小尺度预混喷嘴(8)的管壁上沿周向均匀开设有2至8个喷嘴燃料出口孔(29)，且喷嘴燃料出口孔(29)靠近封闭端布置；
所述空气分配孔(26)的一端为空气分配孔进口(24)，另一端为空气分配孔出口(27)，喷嘴燃料进口(28)内径为2-10mm，喷嘴燃料出口孔(29)直径为0.3-5mm，喷嘴燃料出口孔(29)与空气分配孔进口(24)的距离为4-100mm，喷嘴燃料出口孔(29)与空气分配孔出口(27)的距离为2-50mm，空气分配孔(26)内径为5-15mm；
主燃级/值班级喷嘴径向分级体现在不同径向位置的喷嘴具有不同的作用，与值班燃料分配腔连接的喷嘴位于燃烧器中心，径向位置小，与主燃料分配腔连接的喷嘴位于值班燃料喷嘴的外侧，径向位置大；在燃烧器启动时，只有值班燃料喷嘴输入燃料，起到点火火焰的作用；随着负荷增加，主燃料喷嘴开始逐渐输入燃料，值班燃料喷嘴逐渐减少燃料，直至设计工况点，此时值班燃料喷嘴起到对主燃料喷嘴稳定火焰的作用；
采用喷嘴周向矩阵分布形式、主燃级/值班级喷嘴径向分级、燃料与氧化剂在微小尺度条件下内交叉射流预混的技术路线，在提高燃料与氧化剂预混程度的同时，降低燃料与氧化剂预混时间和距离及烟气在高温区内的停留时间，进而实现 NOx 近零排放；
所述喷嘴分配板(7)为圆形板，若干喷嘴定位孔(25)在所述喷嘴分配板(7)上以喷嘴分配板(7)的圆心呈多组圆周阵列分布，且多组圆周阵列均等间距布置；
值班燃料进口(5)通入值班燃料(6)，主燃料进口(21)通入主燃料(20)。
2.根据权利要求1所述的一种微小尺度预混分级燃烧器，其特征在于：对应值班燃料分配腔(4)的若干微小尺度预混喷嘴(8)的喷嘴燃料出口孔(29)与相应的空气分配孔出口(27)的距离比对应主燃料分配腔(1)的若干微小尺度预混喷嘴(8)上的喷嘴燃料出口孔(29)与相应的空气分配孔出口(27)的距离小2-10mm。
3.根据权利要求1或2所述的一种微小尺度预混分级燃烧器，其特征在于：值班燃料(6)与主燃料(20)的体积流量比为0.03-0.3。
4.根据权利要求3所述的一种微小尺度预混分级燃烧器，其特征在于：在火焰筒(11)侧壁布置多列冷却孔(18)，所述冷却孔(18)与空气腔连通。
5.根据权利要求1所述的一种微小尺度预混分级燃烧器，其特征在于：在燃烧器顶盖(2)的外边缘开设有若干定位螺纹孔(23)，在喷嘴分配板(7)的相应位置也开设有若干定位通孔(22)，通过螺钉穿过同一位置处的定位通孔(22)和定位螺纹孔(23)将喷嘴分配板(7)固定在燃烧器顶盖(2)上。
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