CN113864775A - 掺氨多相燃料分级旋流燃烧器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种掺氨多相燃料分级旋流燃烧器，包括：燃烧筒体，所述燃烧筒体具有相对设置的第一端与第二端，所述燃烧筒体还具有中空的燃烧室，所述燃烧室通过所述第二端连通至所述燃烧筒体的外侧，所述燃烧室沿轴向方向从燃烧室的中部区域具有中心燃烧区、氨‑燃料混合燃烧区和燃尽区；中心燃烧结构，设置于所述燃烧筒体的第一端，所述中心燃烧结构的一端穿过所述第一端伸入所述燃烧室的中心燃烧区；以及氨‑燃料混合燃烧结构，设置于所述燃烧筒体的第一端，并套设于所述中心燃烧结构的外侧，所述氨‑燃料混合燃烧结构的一端穿过所述第一端伸入所述燃烧室的氨‑燃料混合燃烧区。实现多级稳燃及多级贫富燃抑制NO_x生成多效耦合。

Description

掺氨多相燃料分级旋流燃烧器

技术领域

本发明涉及燃烧设备技术领域，特别是涉及一种掺氨多相燃料分级旋流燃烧器。

背景技术

发展可再生能源是我国实现双碳目标的重要举措，当前我国风电、太阳能等可再生能源正处于规模化发展阶段。随着可再生能源装机比例不断提高，可再生能源生产和消耗之间的矛盾日显突出，亟需发展便捷、可大规模利用的可再生能源储能技术。

研究表明，将可再生能源转化为“绿氨”被诸多国家认定为未来可再生能源储运的最佳选择。氨作为一种无碳燃料，具有氢密度高、容易液化、单位储能成本低等突出优点；同时，氨利用现有的基础设施更易于生产、处理、储存和分配。综合而言，氨是一种非常有前景的绿色能源载体和氢能储运媒介，有望成为未来电力生产系统的基础燃料。然而，氨燃烧强度较低、可燃范围窄、燃烧稳定性差；此外，氨气中含有氮元素，燃烧时由燃料氮产生的NO_x量可达数千ppmv，如何实现氨气的高效、低NO_x的燃烧是目前面临的技术难题。

为解决氨燃烧不稳定的问题，通常采用氨和易燃燃料的混烧提高氨的火焰速度，改善氨混合物的燃烧特性。另外，目前采用燃料分段掺混燃烧成为降低燃料型NO_x的有效方法，其特点是将燃烧分成多个区域，同时控制各个区域的空气量来调控不同区域氧化、还原气氛，从而还原燃烧产生的NO_x，降低氮氧化物排放。然而，由于空气、燃气的扩散混合方式的限制，这种燃烧方式对于高热值易燃气体的分级燃烧有较好的效果，但是针对燃烧稳定性差、热值低的氨气来说分级燃烧效果差，从而导致燃料燃烧不充分。此外，由于掺氨燃烧过程燃料燃烧不稳定，较难准确调整分级风量来调控NO_x。

综上所述，目前利用氨燃料燃烧燃烧过程中存在高NO_x排放量和燃烧不稳定的问题，不利于氨燃料的燃烧利用。

发明内容

基于此，有必要针对氨燃料燃烧燃烧过程中存在高NO_x排放量和燃烧不稳定的问题，提供一种降低NO_x排放量、保证燃烧稳定的掺氨多相燃料分级旋流燃烧器。

一种掺氨多相燃料分级旋流燃烧器，包括：

燃烧筒体，所述燃烧筒体具有相对设置的第一端与第二端，所述燃烧筒体还具有中空的燃烧室，所述燃烧室通过所述第二端连通至所述燃烧筒体的外侧，所述燃烧室沿轴向方向从燃烧室的中部区域具有中心燃烧区、氨-燃料混合燃烧区和燃尽区；

中心燃烧结构，设置于所述燃烧筒体的第一端，所述中心燃烧结构的一端穿过所述第一端伸入所述燃烧室的中心燃烧区；以及

氨-燃料混合燃烧结构，设置于所述燃烧筒体的第一端，并套设于所述中心燃烧结构的外侧，所述氨-燃料混合燃烧结构的一端穿过所述第一端伸入所述燃烧室的氨-燃料混合燃烧区。

在其中一个实施例中，所述中心燃烧结构包括中心燃料管、内空气管以及燃料浓缩管，所述中心燃料管的一端穿过所述燃烧筒体的第一端伸入所述中心燃烧区，所述燃料浓缩管设置于所述中心燃料管内，并靠近所述中心燃料管位于所述燃烧室的端部设置，所述内空气管套设于所述中心燃料管的外侧，其一端穿过所述燃烧筒体并凸出所述中心燃料管设置，以围设成内空气通道。

在其中一个实施例中，所述燃料浓缩管呈中空的圆台形设置，所述圆台形的直径沿气流流动方向之间减小；

所述中心燃烧结构还包括多个轴向叶片，多个所述轴向叶片设置于所述中心燃料管与所述内空气管之间，并位于所述中心燃料管在所述燃烧室的端部。

在其中一个实施例中，所述氨-燃料混合燃烧结构包括氨气管，所述氨气管套设于所述内空气管的外侧，并围设成氨气通道，所述氨气管的一端穿过所述燃烧筒体伸入所述氨-燃料混合燃烧区，并与所述内空气管密封连接，并且，所述内空气管沿周向方向开设多个连通所述氨气通道的氨气喷口，所述氨气喷口的轴线角度与所述氨气管径向方向的夹角范围为0°～70°；

所述氨气通道的长度小于所述内空气通道的长度。

在其中一个实施例中，所述燃烧筒体包括空气入口、分隔板、第一筒体与第二筒体，所述第一筒体套设于所述第二筒体的外侧，并围设成两端封闭的预热通道，所述分隔板设置于所述预热通道中并将所述预热通道分割成第一通道与第二通道，所述空气入口在所述第一端沿切向方向设置并连通所述第一通道，所述第一通道与所述第二通道在所述第二端连通。

在其中一个实施例中，所述氨-燃料混合燃烧结构还包括空气分流环、燃气分流环、一级燃烧组件以及二级燃烧组件，所述空气分流环设置于所述燃烧筒体的第一端，并连通所述第二通道，所述燃气分流环设置于所述燃烧室中，所述一级燃烧组件与所述二级燃烧组件设置于所述燃烧室中，并围设于所述内空气管的周侧，所述空气分流环及所述燃气分流环分别连通所述一级燃烧组件的一端以及所述二级燃烧组件的一端，用于输送空气或燃气，所述一级燃烧组件的另一端延伸至所述氨-燃料混合燃烧区的上游，所述二级燃烧组件的另一端延伸至所述氨-燃料混合的下游。

在其中一个实施例中，所述一级燃烧组件包括多个一级燃气管以及多个一级空气管，多个所述一级燃气管与多个所述一级空气管间隔布置于所述内空气管的周侧，每一所述一级燃气管的一端连接所述燃气分流环，所述一级燃气管的另一端延伸至所述氨-燃料混合燃烧区的上游，每一所述一级空气管的一端连接所述空气分流环，每一所述一级空气管的另一端延伸至所述氨-燃料混合燃烧区的上游。

在其中一个实施例中，所述一级燃气管位于所述氨-燃料混合燃烧区的端部朝向所述燃烧筒体的中心弯折；

所述一级空气管位于所述氨-燃料混合燃烧区的端部朝向所述燃烧筒体的中心弯折；

所述一级燃气管的数量大于等于所述一级空气管的数量；

所述一级燃烧组件还包括多个一级流量阀，多个所述一级流量阀分别设置于多个所述一级燃气管与多个一级空气管。

在其中一个实施例中，所述二级燃烧组件包括多个二级燃气管以及多个二级空气管，多个所述二级燃气管与多个所述二级空气管间隔布置于所述内空气管的周侧，每一所述二级燃气管的一端连接所述燃气分流环，所述二级燃气管的另一端延伸至所述氨-燃料混合燃烧区的上游，每一所述二级空气管的一端连接所述空气分流环，每一所述二级空气管的另一端延伸至所述氨-燃料混合燃烧区的上游。

在其中一个实施例中，所述二级燃气管位于所述氨-燃料混合燃烧区的端部朝向所述燃烧筒体的中心弯折；

所述二级空气管位于所述氨-燃料混合燃烧区的端部朝向所述燃烧筒体的中心弯折；

所述二级空气管的数量大于等于所述二级燃气管的数量；

所述二级空气管的直径和所述二级燃气管的直径大于所述一级空气管和所述一级燃气管的直径；

所述二级燃烧组件还包括多个二级流量阀，多个所述二级流量阀分别设置于多个所述二级燃气管与多个二级空气管。

采用上述技术方案后，本发明至少具有如下技术效果：

本发明的掺氨多相燃料分级旋流燃烧器，将燃烧筒体的中空燃烧室沿轴向方向设置为中心燃烧区、氨-燃料混合燃烧区以及燃尽区，中心燃烧结构的一端穿过燃烧筒体的第一端伸入中心燃烧区，氨-燃料混合燃烧结构套设于中心燃烧结构的外侧，且其一端穿过燃烧筒体的第一端伸入氨-燃料混合燃烧区。工作时，燃料及空气通过中心燃烧结构输送至中心燃烧区混合发生燃烧，氨-燃料混合燃烧结构输送氨气、空气以及燃料至氨-燃料混合燃烧区，实现燃料与空气的分级输送，通过精准调控各燃烧区燃料及空气配比，实现多级稳燃及多级贫富燃抑制NO_x生成多效耦合，提高燃料燃烧效率的同时，降低高氮含量燃料燃烧过程中燃料型和热力型NO_x的排放，同时还能够保证氨气燃烧的稳定性。

附图说明

图1为本发明一实施例的掺氨多相燃料分级旋流燃烧器切开后的结构示意图；

图2为图1所示的掺氨多相燃料分级旋流燃烧器切开后的立体图；

图3为图1所示的掺氨多相燃料分级旋流燃烧器中中心燃烧组件与氨气管的局部立体剖视图；

图4为图1所示的掺氨多相燃料分级旋流燃烧器在A-A处的截面图；

图5为图1所示的掺氨多相燃料分级旋流燃烧器中氨气管以及氨气喷口的示意图；

图6为图1所示的掺氨多相燃料分级旋流燃烧器在B-B处的截面图；

图7为图1所示的掺氨多相燃料分级旋流燃烧器在C-C处的轴向截面图；

图8为图1所示的掺氨多相燃料分级旋流燃烧器在C-C处圆周切向旋流的示意图；

图9为图1所示的掺氨多相燃料分级旋流燃烧器的气流流动及原理图。

其中：100、掺氨多相燃料分级旋流燃烧器；110、燃烧筒体；111、燃烧室；112、第一端；113、第二端；114、第一筒体；115、第二筒体；116、分隔板；117、空气入口；120、中心燃烧结构；121、中心燃料管；122、内空气管；123、燃料浓缩管；124、轴向叶片；130、氨-燃料混合燃烧结构；131、氨气管；1311、氨气喷口；132、空气分流环；133、燃气分流环；134、一级燃烧组件；1341、一级燃气管；1342、一级空气管；135、二级燃烧组件；1351、二级燃气管；1352、二级空气管；136、一级流量阀；137、二级流量阀。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

参见图1至图8，本发明提供一种掺氨多相燃料分级旋流燃烧器100。该掺氨多相燃料分级旋流燃烧器100用于实现氨燃料燃烧利用，以减少NO_x的生成，实现氨气的稳定燃烧。当然，在本发明的其他实施方式中，该氨燃料旋流燃烧器还可应用于除氨气外的其他难燃清洁气体的燃烧利用领域。

可以理解的，目前利用氨燃料燃烧燃烧过程中存在高NOx排放量和燃烧不稳定的问题，不利于氨燃料的燃烧利用。为此，本发明提供一种新型的掺氨多相燃料分级旋流燃烧器100，能够实现氨气的稳定燃烧，同时还能保证氨气充分燃烧，减少NO_x的生成，便于氨燃料燃烧技术的推广应用。以下具体介绍掺氨多相燃料分级旋流燃烧器100的具体结构。

参见图1和图2，在一实施例中，掺氨多相燃料分级旋流燃烧器100包括燃烧筒体110、中心燃烧结构120以及氨-燃料混合燃烧结构130。燃烧筒体110具有相对设置的第一端112与第二端113，燃烧筒体110还具有中空的燃烧室111，燃烧室111通过第二端113连通至燃烧筒体110的外侧，燃烧室111沿轴向方向从燃烧室111的中部区域具有中心燃烧区、氨-燃料混合燃烧区和燃尽区。中心燃烧结构120设置于燃烧筒体110的第一端112，中心燃烧结构120的一端穿过第一端112伸入燃烧室111的中心燃烧区。氨-燃料混合燃烧结构130设置于燃烧筒体110的第一端112，并套设于中心燃烧结构120的外侧，氨-燃料混合燃烧结构130的一端穿过第一端112伸入燃烧室111的氨-燃料混合燃烧区。

燃烧筒体110为掺氨多相燃料分级旋流燃烧器100进行燃烧的主体结构。燃烧筒体110具有第一端112与第二端113，燃烧筒体110具有中空的燃烧室111，第二端113为开口结构，第二端113能够连通燃烧室111与燃烧筒体110的外部。氨气流被输送至燃烧室111后，在燃烧室111中进行燃烧。如图所示，燃烧壳体的第一端112在左侧，第二端113在右侧。

在燃烧室111的中心区域，沿燃烧筒体110的轴向方向上顺次为中心燃烧区、氨-燃料混合燃烧器以及燃尽区，并且，中心燃烧区、氨-燃料混合燃烧器以及燃尽区同轴设置。中心燃烧区、氨-燃料混合燃烧区以及燃尽区沿气流方向顺次设置。这样，在中心燃烧区输送燃料与空气，向氨-燃料混合燃烧区输送氨气、燃料以及空气，实现分级燃烧，保证氨气的燃烧效果，减少燃烧过程中NO_x的生成，便于氨燃料燃烧的推广利用。

具体的，在燃烧筒体110的一端设置中心燃烧结构120，中心燃烧结构120的一端穿过燃烧筒体110的第一端112伸入燃烧室111中。此时，中心燃烧结构120的一端位于燃烧筒体110外侧，一端位于燃烧筒体110的内侧，并且，位于燃烧筒体110一侧的中心燃烧结构120朝向中心燃烧区域延伸，使得中心燃烧结构120的端部位于中心燃烧区域。中心燃烧结构120能够将空气以及燃料输送至中心燃烧区，以使燃料能够在中心燃烧区燃烧。

在燃烧筒体110的一端还设置氨-燃料混合燃烧结构130，氨-燃料混合燃烧结构130的一端穿过燃烧筒体110的第一端112伸入燃烧室111中，而且，氨-燃料混合燃烧结构130套设在中心燃烧结构120的外侧。也就是说，氨-燃料混合燃烧结构130与中心燃烧结构120套设设置，二者之间存在一定的间距。此时，氨-燃料混合燃烧结构130的一端位于燃烧筒体110的外侧，氨-燃料混合燃烧结构130的另一端伸入燃烧筒体110中的氨-燃料混合燃烧结构130混合燃烧区中，并且，中心燃烧结构120位于燃烧筒体110中的一端位于氨-燃料混合燃烧结构130的内侧。也就是说，中心燃烧结构120在燃烧筒体110中的长度小于氨-燃料混合燃烧结构130在燃烧筒体110中的长度。这样，中心燃烧结构120发生贫燃，贫燃产生的热量对氨-燃料混合燃烧结构130中的氨气流进行预热，保证氨气的燃烧效果。

本发明的掺氨多相燃料分级旋流燃烧器100工作时，燃料及空气通过中心燃烧结构120输送至中心燃烧区混合发生燃烧，并对氨-燃料混合燃烧结构130中的氨气进行预热，氨-燃料混合燃烧结构130输送氨气、空气以及燃料至氨-燃料混合燃烧区，氨气能够与中心输送结构输出的热烟气以及易混燃料进行混合燃烧，实现氨气的稳定燃烧。

上述实施例的掺氨多相燃料分级旋流燃烧器100，通过中西能燃烧结构与氨-燃料混合结构实现燃料与空气的分级输送，通过精准调控各燃烧区燃料及空气配比，实现多级稳燃及多级贫富燃抑制NO_x生成多效耦合，提高燃料燃烧效率的同时，降低高氮含量燃料燃烧过程中燃料型和热力型NO_x的排放，具有低NO_x的效果，同时还能够保证氨气燃烧的稳定性。

参见图1和图2，在一实施例中，中心燃烧结构120包括中心燃料管121、内空气管122以及燃料浓缩管123，中心燃料管121的一端穿过燃烧筒体110的第一端112伸入中心燃烧区，燃料浓缩管123设置于中心燃料管121内，并靠近中心燃料管121位于燃烧室111的端部设置，内空气管122套设于中心燃料管121的外侧，其一端穿过燃烧筒体110并凸出中心燃料管121设置，以围设成内空气通道。

中心燃烧结构120用于实现燃料的输送，以使得燃料能够在中心燃烧结构120的出口端的中心燃烧区进行贫燃，在实现燃料浓淡分离输送、并实现燃料输送的同时，还能够对氨-燃料混合燃烧结构130中的氨气预热，便于后期氨气的稳定燃烧。这里的燃料可以为天然气、煤粉、生物质、固废等。

具体的，中心燃烧结构120包括中心燃料管121、内空气管122以及燃料浓缩管123，内空气管122套设于中心燃料管121的外侧，燃料浓缩管123设置在中心燃料管121中，并位于中心燃料管121靠近中心燃烧区的端部。也就是说，中心燃料管121与内空气管122套接而成。中心燃料管121用于输送燃料，内空气管122用于输送经燃烧筒体110预热后的空气，燃料浓缩管123用于实现燃料的浓淡分离。可选地，中心燃料管121的轴线、内空气管122的轴线与燃烧筒体110的轴线重合。

中心燃料管121中的燃料通过燃料浓缩管123后，燃料浓缩管123能够将燃料分离加速成浓淡两股气流，分别为浓燃料气流与淡燃料气流，分离后的淡燃料气流经燃料浓缩管123与中心燃料管121之间的空间流出，浓燃料气流经燃料浓缩管123流出。淡燃料气流与预热后的空气加热后发生贫燃，燃烧后产生含氧及活性自由基的热烟气不仅能够预热氨-燃料混合燃烧结构130中的氨气，还能为下游氨的燃烧提供高温环境和活性自由基。氨-燃料混合燃烧结构130输出的氨气能够与上游的热烟气和燃料浓缩管123浓缩加速的易混燃料及浓燃料气流混合，高温环境和易燃燃料的双重作用极大促进了氨气的稳定燃烧。

掺氨多相燃料分级旋流燃烧器100的中心燃料管121可以通气体燃料和固体燃料(煤粉、生物质或固废颗粒等)，通过调节中心燃料、氨气和燃气的综合配比，实现能源与资源的高效综合利用以及低碳燃烧。

参见图3，在一实施例中，燃料浓缩管123呈中空的圆台形设置，圆台形的直径沿气流流动方向之间减小。也就是说，燃料浓缩管123为内径尺寸渐缩的管状结构，并且，沿燃料的流动方向，燃料浓缩管123的内径尺寸之间减小。中心燃料管121输送燃料的过程中，当燃料与燃料浓缩管123接触时，中空圆台形的燃料浓缩管123能够对燃料进行浓淡分离，分离后的淡燃料气流经燃料浓缩管123与中心燃料管121之间的空间流出，浓燃料气流经燃料浓缩管123流出。当然，在本发明的其他实施方式中，燃料浓缩管123也可以采用其他能够实现浓淡分离的结构。

可选地，浓燃料气流与淡燃料气流的浓缩比及加速程度可以通过调节空气和燃料的流率或中心燃料管121和燃料浓缩管123上下圆面的直径来实现。如图3所示，图3中示意出d₁、d₂、d₃分别为中心燃气管的内径、燃气浓缩管的底面直径和上面直径。

参见图1和图2，在一实施例中，中心燃烧结构120还包括多个轴向叶片124，多个轴向叶片124设置于中心燃料管121与内空气管122之间，并位于中心燃料管121在燃烧室111的端部。轴向叶片124的一侧与中心燃料管121的外壁连接，轴向叶片124的另一侧与内空气管122的内壁连接，多个轴向叶片124间隔设置。轴向叶片124能够对内空气管122中的空气进行导向，使得经过轴向叶片124的空气为旋流气流，增强空气与燃料的混合。可选地，轴向叶片124套接于中心燃料管121外壁的出口处。

中心燃烧区为贫燃区，由中心燃料管121和燃料浓缩管123环隙流出的淡燃料气流与经过轴向叶片124的空气混合燃烧，调节该处燃烧的当量比略大于燃料的熄灭极限，并确保火焰不熄灭。中心燃烧区燃烧产生一定含量的氧和活性自由基的热烟气，能够为下游燃料氨的稳定高效燃烧提供很好的条件。

参见图1、图2、图4至图5，在一实施例中，氨-燃料混合燃烧结构130包括氨气管131，氨气管131套设于内空气管122的外侧，并围设成氨气通道，氨气管131的一端穿过燃烧筒体110伸入氨-燃料混合燃烧区，并与内空气管122密封连接，并且，内空气管122沿周向方向开设多个连通氨气通道的氨气喷口1311。

氨-燃料混合燃烧结构130为氨气与燃料分级混合燃烧的区域。氨气管131与内空气管122套接而成，氨气管131套设在内空气管122的外侧。而且，内空气管122的端部与氨气管131的端部在燃烧室111中密封连接，并在内空气管122开设氨气喷口1311，氨气喷口1311连通氨气通道。这样氨气管131中的氨气能够通过氨气喷口1311喷出，喷射管中的氨气通过氨气喷口1311喷射到氨-燃料混合燃烧区中，与上游的热烟气及燃料浓缩管123浓缩加速的浓燃料气流混合，实现氨气的稳定燃烧。

可选地，氨气喷口1311的轴线角度与氨气管131径向方向的夹角范围为0°～70°。氨气喷口1311在氨气管131后端(氨-燃料混合燃烧区)内壁上对称设置多个氨气喷口1311，氨气喷口1311与径向方向之间存在夹角，该夹角的范围为0°～70°。这样能够保证氨气能够与热烟气及浓燃料气流混合，保证氨气的燃烧效果。如图3所示，α为氨气喷口1311的喷射角度与径向方向的夹角。

自氨气喷口1311喷射出来的氨气在燃烧筒体110轴线区域被中心燃烧区产生的含氧高温烟气点燃，形成对冲的圆形或锥形火焰；同时由于中心燃烧区产生的高温烟气中氧气含量和浓度均不高，喷射出的氨气发生富燃的同时，被热烟气加热发生热裂解，从而促进氨气在氨-燃料混合燃烧区的燃烧；另外由中心燃烧区的燃料浓缩管123产生的高速易燃射流燃气可以在燃烧筒体110的轴线上形成稳定的火焰，能够进一步卷吸点燃氨气；氨-燃料混合燃烧区的燃烧为富燃，过量的氨气能够有效的还原生成的NO_x，从而降低NO_x的排放。

可选地，氨-燃料混合燃烧区的燃烧当量比可通过调节中心燃烧区燃气、空气及燃气浓缩比来实现。

在一实施例中，氨气通道的长度小于内空气通道的长度。并且内空气管122与中心燃料管121围设成内空气通道，氨气管131与内空气管122围设成氨气通道。氨气通道在燃烧筒体110中的长度大于内空气通道在燃烧筒体110中的长度，这样能够使得氨气能够被中心燃烧区产生的高温烟气预热以便更好的燃烧。

参见图1和图2，在一实施例中，燃烧筒体110包括空气入口117、分隔板116、第一筒体114与第二筒体115，第一筒体114套设于第二筒体115的外侧，并围设成两端封闭的预热通道，分隔板116设置于预热通道中并将预热通道分割成第一通道与第二通道，空气入口117在第一端112沿切向方向设置并连通第一通道，第一通道与第二通道在第二端113连通。

燃烧筒体110的内部为燃烧室111，燃烧室111中的燃烧时会产生热量，该热量能够传输到燃烧筒体110上，使得燃烧筒体110的壳体的温度升高。本发明的掺氨多相燃料分级旋流燃烧器100利用燃烧筒体110的热量对空气预热，保证氨气的燃烧效果，促进氨气的稳定燃烧，同时，还无需增加额外的结构，降低结构的复杂程度。

燃烧筒体110为中空结构，燃烧筒体110的内部能够供空气通过，这样，空气能够与燃烧筒体110进行热交换，以实现空气的预热。具体的，燃烧筒体110为双层结构，分别为第一筒体114与第二筒体115，在第一筒体114与第二筒体115之间设有分隔板116，第一筒体114位于第二筒体115的外侧，并且，分隔板116与燃烧筒体110的第一端112连接，并与第二端113之间存在间距。

第一筒体114与分隔板116围设成第一通道，第二筒体115与分隔板116围设成第二通道，并且，由于分隔板116与燃烧筒体110的第二端113之间存在一定的间距，分隔板116与第二端113之间形成连接通道，通过连接通道连通第一通道与第二通道，使得第一通道中的空气能够通过连接通道进入第二通道。

燃烧筒体110具有空气入口117，空气入口117设置在第一筒体114，并靠近第一端112设置，空气入口117与第一通道连通，第二通道在燃烧筒体110的第二端113的位置直接或间接连接内空气管122。值得说明的是，第二通道通过空气分流环132与内空气管122连通，实现空气的分流输送，这一点在后文提及，此处为了便于描述预热后的空气的流通引出。

这样，掺氨多相燃料分级旋流燃烧器100燃烧室111所需的空气通过空气入口117进入燃烧筒体110中，具体先进入第一筒体114的第一通道中，并吸收第一筒体114的热量，吸热后的空气通过连接通道进入第二通道中，并吸收第二筒体115的热量，吸热后的空气进入到空气分流环132中进行分流。

需要说明的是，相较于第二筒体115而言，第一筒体114位于外侧，进而第一筒体114远离燃烧室111，这样会使得第一筒体114的温度第一第二筒体115的温度。空气先经过第一筒体114再经过第二筒体115能够保证空气进行很好的预热，实现热量的重复利用。

参见图1、图2、图6至图8，在一实施例中，氨-燃料混合燃烧结构130还包括空气分流环132、燃气分流环133、一级燃烧组件134以及二级燃烧组件135，空气分流环132设置于燃烧筒体110的第一端112，并连通第二通道，燃气分流环133设置于燃烧室111中，一级燃烧组件134与二级燃烧组件135设置于燃烧室111中，并围设于内空气管122的周侧，空气分流环132及燃气分流环133分别连通一级燃烧组件134的一端以及二级燃烧组件135的一端，用于输送空气或燃气，一级燃烧组件134的另一端延伸至氨-燃料混合燃烧区的上游，二级燃烧组件135的另一端延伸至氨-燃料混合的下游。

空气分流环132与燃气分流环133均设置在燃烧筒体110的第一端112，并且，空气分流环132的进气口与燃烧筒体110连接，具体连接到燃烧筒体110的第二通道的出口。空气分流环132用于实现空气的分流，燃气分流环133用于实现燃料的分流。空气分流环132与燃气分流环133分别连接一级燃烧组件134以及二级燃烧组件135，空气分流环132分别向一级燃烧组件134以及二级燃烧组件135通入预热后的空气，燃气分流环133分别向一级燃烧组件134以及二级燃烧组件135通入燃料。当空气与燃料输出后能够实现氨气的燃烧。

氨-燃料混合燃烧区包括沿轴向方向依次设置的主燃烧区、一级燃烧区以及二级燃烧区，氨气喷口1311对应主燃烧区，氨气喷口1311将氨气喷射到主燃烧区后，氨气能够与上游的热烟气以及浓燃料气流混合，促进氨气的燃烧。

一级燃烧组件134的一端与空气分流环132及燃气分流环133连接后，另一端伸入到一级燃烧区，为一级燃烧区提供空气和燃料。这样，未燃尽的氨气和中心燃料管121输送的燃料进入一级燃烧区，并与一级燃烧区中的空气及燃料混合，使得氨气的燃烧处于富燃，进一步提高氨气的燃烬率、还原氨燃烧区产生的NO_x。

二级燃烧组件135的一端与空气分流环132及燃气分流环133连接后，另一端伸入到二级燃烧区，为二级燃烧区提供空气和燃料。剩余未燃烬燃料和很少量的氨气与二级燃烬区过量空气和易燃燃料进一步混合反应，从而提高燃烧器整体的燃烧效率，降低低NO_x的生成。

在一实施例中，一级燃烧组件134包括多个一级燃气管1341以及多个一级空气管1342，多个一级燃气管1341与多个一级空气管1342间隔布置于内空气管122的周侧，每一一级燃气管1341的一端连接燃气分流环133，一级燃气管1341的另一端延伸至氨-燃料混合燃烧区的上游，每一一级空气管1342的一端连接空气分流环132，每一一级空气管1342的另一端延伸至氨-燃料混合燃烧区的上游。

一级空气管1342的一端与空气分流环132连通，一级空气管1342的另一端延伸至氨-燃料混合燃烧区的一级燃烧区，一级燃气管1341的一端与燃气分流环133连通，一级燃气管1341的另一端延伸至氨-燃料混合燃烧区的一级燃烧区。通过多个一级空气管1342向一级燃烧区输送空气，通过多个一级燃气管1341向一级燃烧区输送燃料。

在氨气管131的外侧圆周区域对称布置多根一级空气管1342和一级燃气管1341，通过合理布置一级空气管1342和一级燃气管1341的数量以及控制一级燃气管1341和一级空气管1342中气体流量使该区域处于富燃状态，可使上游未燃烬的氨气进一步被燃烧裂解，同时可进一步还原氨气燃烧区产生的NO_x。

在一实施例中，一级燃气管1341位于氨-燃料混合燃烧区的端部朝向燃烧筒体110的中心弯折。一级空气管1342位于氨-燃料混合燃烧区的端部朝向燃烧筒体110的中心弯折。也就是说，一级空气管1342和一级燃气管1341的出口向内侧弯曲形成稳定的内切旋流火焰面，旋流火焰面内部的高温低氧氛围可使上游来的氨气被最大程度上的热裂解和燃烧。

在一实施例中，一级燃气管1341的数量大于等于一级空气管1342的数量。这样能够保证通入到一级燃烧区中燃料的气流量，通过合理布置一级空气管1342和一级燃气管1341的数量以及控制一级燃气管1341和一级空气管1342中气体流量使该区域处于富燃状态，可使上游未燃烬的氨气进一步被燃烧裂解，同时可进一步还原氨气燃烧区产生的NOx。

在一实施例中，一级燃烧组件134还包括多个一级流量阀136，多个一级流量阀136分别设置于多个一级燃气管1341与多个一级空气管1342。一级流量阀136能够调节对应管道中气流的流量。可以根据燃烧排出烟气中NO_x含量的在线测量反馈，及不同负荷的要求，通过调节一级燃气管1341和一级空气管1342对应的气流调节阀的开度来实现时时灵活调控，实现氨气的充分燃烧。

在一实施例中，二级燃烧组件135包括多个二级燃气管1351以及多个二级空气管1352，多个二级燃气管1351与多个二级空气管1352间隔布置于内空气管122的周侧，每一二级燃气管1351的一端连接燃气分流环133，二级燃气管1351的另一端延伸至氨-燃料混合燃烧区的上游，每一二级空气管1352的一端连接空气分流环132，每一二级空气管1352的另一端延伸至氨-燃料混合燃烧区的上游。

二级空气管1352的一端与空气分流环132连通，二级空气管1352的另一端延伸至氨-燃料混合燃烧区的二级燃烧区，二级燃气管1351的一端与燃气分流环133连通，二级燃气管1351的另一端延伸至氨-燃料混合燃烧区的二级燃烧区。通过多个二级空气管1352向二级燃烧区输送空气，通过多个二级燃气管1351向二级燃烧区输送燃料。

在氨气管131的外侧圆周区域对称布置多根二级空气管1352和二级燃气管1351，通过合理布置二级空气管1352和二级燃气管1351的数量以及控制二级燃气管1351和二级空气管1352中气体流量使该区域处于富燃状态，可使上游未燃烬的氨气进一步被燃烧裂解，同时可进一步还原氨气燃烧区产生的NO_x。

在一实施例中，二级燃气管1351位于氨-燃料混合燃烧区的端部朝向燃烧筒体110的中心弯折。二级空气管1352位于氨-燃料混合燃烧区的端部朝向燃烧筒体110的中心弯折。也就是说，二级空气管1352和二级燃气管1351的出口向内侧弯曲形成稳定的内切旋流火焰面，旋流火焰面内部的高温低氧氛围可使上游来的氨气被最大程度上的热裂解和燃烧。

在一实施例中，二级空气管1352的数量大于等于二级燃气管1351的数量。这样能够保证通入到二级燃烧区中燃料的气流量，通过合理布置二级空气管1352和二级燃气管1351的数量以及控制二级燃气管1351和二级空气管1352中气体流量使该区域处于富燃状态，可使上游未燃烬的氨气进一步被燃烧裂解，同时可进一步还原氨气燃烧区产生的NO_x。

在一实施例中，二级燃烧组件135还包括多个二级流量阀137，多个二级流量阀137分别设置于多个二级燃气管1351与多个二级空气管1352。二级流量阀137能够调节对应管道中气流的流量。可以根据燃烧排出烟气中NO_x含量的在线测量反馈，及不同负荷的要求，通过调节二级燃气管1351和二级空气管1352对应的气流调节阀的开度来实现时时灵活调控，调节气流和氨气的配比和用量，实现氨气的充分燃烧。

在一实施例中，二级空气管1352的直径和二级燃气管1351的直径大于一级空气管1342和一级燃气管1341的直径。这样能够保证二级燃烧区处于富燃，实现氨气的充分燃烧。

本发明的掺氨多相燃料分级旋流燃烧器100工作过程中，燃料(可为天然气、煤粉、生物质、固废等)首先由中心燃料管121通入燃烧筒体110中心，并经燃料浓缩管123分离加速成浓淡两股气流，淡燃料气流与被燃烧筒体110加热后自内空气管122流出的过量空气混合发生贫燃，燃烧产生的含氧及活性自由基的热烟气不仅能够预热氨气管131内的氨气，还可为下游氨的燃烧提供高温环境和活性自由基。被加热的氨气自氨气喷口1311流出，与上游来的热烟气和燃料浓缩管123浓缩加速的易燃燃料在主燃烧区混合，高温环境和易燃燃料的双重作用极大地促进了氨的稳定燃烧。此外，为控制氨燃烧NO_x的排放量，调整此处的燃烧当量比大于1，高当量比下氨的热裂解和NO_x的还原均得到了显著的增强，大幅降低NO_x的生成。

随后未燃烬的氨和中心燃料流入一级燃烧区，通过精确控制空气和一级燃料区、二级燃料区中空气与燃料的配比，使该区域的燃烧同样处于富燃，进一步提高氨的燃烬率、还原氨燃烧区产生的NO_x。剩余未燃烬燃料和很少量的氨气与燃烬区过量空气和易燃燃料进一步混合反应，从而提高燃烧器整体的燃烧效率。

一级空气管1342、一级燃气管1341、二级空气管1352和二级燃气管1351出口朝向及旋流作用能够进一步促进了燃料和空气的混合，提高燃烧稳定性和燃烧效率。此外，各气路管道上安装的气流调节阀可灵活调节各区域燃料和空气的配比，实现多级低NO_x燃烧和负荷灵活调节的高效耦合。

本发明的掺氨多相燃料分级旋流燃烧器100，通过精准调控各燃烧区燃料及空气配比，实现多级稳燃及多级贫富燃抑制NO_x生成多效耦合，提高燃料燃烧效率的同时，降低高氮含量燃料燃烧过程中燃料型和热力型NO_x的排放。多燃料联合供给燃烧，燃烧器燃料适应性强；通过氨、生物质及固废等可再生能源的高比例掺烧，可实现能源与资源的高效综合利用及低碳燃烧，具有低NO_x的效果。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种掺氨多相燃料分级旋流燃烧器，其特征在于，包括：

燃烧筒体，所述燃烧筒体具有相对设置的第一端与第二端，所述燃烧筒体还具有中空的燃烧室，所述燃烧室通过所述第二端连通至所述燃烧筒体的外侧，所述燃烧室沿轴向方向从燃烧室的中部区域具有中心燃烧区、氨-燃料混合燃烧区和燃尽区；

中心燃烧结构，设置于所述燃烧筒体的第一端，所述中心燃烧结构的一端穿过所述第一端伸入所述燃烧室的中心燃烧区；以及

氨-燃料混合燃烧结构，设置于所述燃烧筒体的第一端，并套设于所述中心燃烧结构的外侧，所述氨-燃料混合燃烧结构的一端穿过所述第一端伸入所述燃烧室的氨-燃料混合燃烧区。

2.根据权利要求1所述的掺氨多相燃料分级旋流燃烧器，其特征在于，所述中心燃烧结构包括中心燃料管、内空气管以及燃料浓缩管，所述中心燃料管的一端穿过所述燃烧筒体的第一端伸入所述中心燃烧区，所述燃料浓缩管设置于所述中心燃料管内，并靠近所述中心燃料管位于所述燃烧室的端部设置，所述内空气管套设于所述中心燃料管的外侧，其一端穿过所述燃烧筒体并凸出所述中心燃料管设置，以围设成内空气通道。

3.根据权利要求2所述的掺氨多相燃料分级旋流燃烧器，其特征在于，所述燃料浓缩管呈中空的圆台形设置，所述圆台形的直径沿气流流动方向之间减小；

所述中心燃烧结构还包括多个轴向叶片，多个所述轴向叶片设置于所述中心燃料管与所述内空气管之间，并位于所述中心燃料管在所述燃烧室的端部。

4.根据权利要求2所述的掺氨多相燃料分级旋流燃烧器，其特征在于，所述氨-燃料混合燃烧结构包括氨气管，所述氨气管套设于所述内空气管的外侧，并围设成氨气通道，所述氨气管的一端穿过所述燃烧筒体伸入所述氨-燃料混合燃烧区，并与所述内空气管密封连接，并且，所述内空气管沿周向方向开设多个连通所述氨气通道的氨气喷口，所述氨气喷口的轴线角度与所述氨气管径向方向的夹角范围为0°～70°；

所述氨气通道的长度小于所述内空气通道的长度。

5.根据权利要求2至4任一项所述的掺氨多相燃料分级旋流燃烧器，其特征在于，所述燃烧筒体包括空气入口、分隔板、第一筒体与第二筒体，所述第一筒体套设于所述第二筒体的外侧，并围设成两端封闭的预热通道，所述分隔板设置于所述预热通道中并将所述预热通道分割成第一通道与第二通道，所述空气入口在所述第一端沿切向方向设置并连通所述第一通道，所述第一通道与所述第二通道在所述第二端连通。

6.根据权利要求5所述的掺氨多相燃料分级旋流燃烧器，其特征在于，所述氨-燃料混合燃烧结构还包括空气分流环、燃气分流环、一级燃烧组件以及二级燃烧组件，所述空气分流环设置于所述燃烧筒体的第一端，并连通所述第二通道，所述燃气分流环设置于所述燃烧室中，所述一级燃烧组件与所述二级燃烧组件设置于所述燃烧室中，并围设于所述内空气管的周侧，所述空气分流环及所述燃气分流环分别连通所述一级燃烧组件的一端以及所述二级燃烧组件的一端，用于输送空气或燃气，所述一级燃烧组件的另一端延伸至所述氨-燃料混合燃烧区的上游，所述二级燃烧组件的另一端延伸至所述氨-燃料混合的下游。

7.根据权利要求6所述的掺氨多相燃料分级旋流燃烧器，其特征在于，所述一级燃烧组件包括多个一级燃气管以及多个一级空气管，多个所述一级燃气管与多个所述一级空气管间隔布置于所述内空气管的周侧，每一所述一级燃气管的一端连接所述燃气分流环，所述一级燃气管的另一端延伸至所述氨-燃料混合燃烧区的上游，每一所述一级空气管的一端连接所述空气分流环，每一所述一级空气管的另一端延伸至所述氨-燃料混合燃烧区的上游。

8.根据权利要求7所述的掺氨多相燃料分级旋流燃烧器，其特征在于，所述一级燃气管位于所述氨-燃料混合燃烧区的端部朝向所述燃烧筒体的中心弯折；

所述一级空气管位于所述氨-燃料混合燃烧区的端部朝向所述燃烧筒体的中心弯折；

所述一级燃气管的数量大于等于所述一级空气管的数量；

所述一级燃烧组件还包括多个一级流量阀，多个所述一级流量阀分别设置于多个所述一级燃气管与多个一级空气管。

9.根据权利要求7所述的掺氨多相燃料分级旋流燃烧器，其特征在于，所述二级燃烧组件包括多个二级燃气管以及多个二级空气管，多个所述二级燃气管与多个所述二级空气管间隔布置于所述内空气管的周侧，每一所述二级燃气管的一端连接所述燃气分流环，所述二级燃气管的另一端延伸至所述氨-燃料混合燃烧区的上游，每一所述二级空气管的一端连接所述空气分流环，每一所述二级空气管的另一端延伸至所述氨-燃料混合燃烧区的上游。

10.根据权利要求9所述的掺氨多相燃料分级旋流燃烧器，其特征在于，所述二级燃气管位于所述氨-燃料混合燃烧区的端部朝向所述燃烧筒体的中心弯折；

所述二级空气管位于所述氨-燃料混合燃烧区的端部朝向所述燃烧筒体的中心弯折；

所述二级空气管的数量大于等于所述二级燃气管的数量；

所述二级空气管的直径和所述二级燃气管的直径大于所述一级空气管和所述一级燃气管的直径；

所述二级燃烧组件还包括多个二级流量阀，多个所述二级流量阀分别设置于多个所述二级燃气管与多个二级空气管。

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