CN114484436B - 一种亚音速多循环协同超混合超净燃气锅炉 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种亚音速多循环协同超混合超净燃气锅炉，涉及燃气燃烧技术领域。包括燃烧器，燃烧器包括由内至外依次套设的燃料输入管、第一钝体构件和外壳体，燃料输入管的外壁上套设有用于使空气旋转上升的导流部件，外壳体包括无缝隙连接的空气输入管和第二钝体构件，空气输入管的一端具有环形凹陷部，环形凹陷部的侧壁上开设有至少一个径向孔，环形凹陷部和第一钝体构件之间形成能够抽吸炉膛内高温烟气的抽气通道；燃料输入管的一端设置有燃料喷头，第二钝体构件套设在燃料喷头的外部，燃料喷头和第二钝体构件之间具有供燃料、空气和烟气混合物通过的渐缩间隙。本申请用于利用烟气内循环实现MILD燃烧。

Description

一种亚音速多循环协同超混合超净燃气锅炉

技术领域

本申请涉及燃气燃烧技术领域，尤其涉及一种亚音速多循环协同超混合超净燃气锅炉。

背景技术

燃气燃烧器的研究我国起步比较晚，而且当前的燃气燃烧器的研究主要关注燃烧器单一的燃烧性能，实际上燃烧器的燃烧性能不仅取决于燃烧器本身的结构设计，还会受到燃烧器与炉膛配合关系的影响。近年来，MILD燃烧，即中低温温和燃烧，由于其超低NOx排放的燃烧特性受到了人们的广泛关注。形成MILD燃烧模式的主要思想就是使燃烧发生在低氧低燃料高温气氛下。

现有技术常采用以下技术方案：通过预热空气实现温和燃烧；通过烟气外循环使烟气与空气混合后送入炉膛实现温和燃烧；通过合理设置空气射流与燃料射流的距离实现温和燃烧；通过在往空气中添加惰性气体稀释氧气实现温和燃烧。但现有技术大多系统复杂，运行维护成本较高，总体热效率有待提高，给工业应用带来一定的难度。

发明内容

本发明提供一种亚音速多循环协同超混合超净燃气锅炉，通过烟气内循环和高温烟气的余热回收，实现炉内温和燃烧、燃气锅炉NOx超低排放。

为达到上述目的，本发明提供了一种亚音速多循环协同超混合超净燃气锅炉，其包括燃烧器，所述燃烧器包括由内至外依次套设的燃料输入管、第一钝体构件和外壳体，所述燃料输入管的外壁上套设有用于使空气旋转上升的导流部件，所述外壳体包括无缝隙连接的空气输入管和第二钝体构件，所述空气输入管的一端具有环形凹陷部，环形凹陷部的侧壁上开设有至少一个径向孔，所述环形凹陷部和第一钝体构件之间形成能够抽吸炉膛内高温烟气的抽气通道；

所述燃料输入管的一端设置有燃料喷头，所述第二钝体构件套设在燃料喷头的外部，所述燃料喷头和第二钝体构件之间具有供燃料、空气和烟气混合物通过的渐缩间隙。

进一步地，所述第一钝体构件的直径自中部向两端逐渐减小，环形凹陷部的最低点与第一钝体构件的中部相对应。

进一步地，所述燃料喷头为中空的半球状结构，所述燃料喷头的侧壁上开设有多个径向喷口，所述第二钝体构件内壁为弧形面。

进一步地，还包括中空结构的外炉体和内炉体，所述内炉体限制出炉膛，外炉体的侧壁在靠近燃烧器的一端上开设有烟气排出口；所述燃烧器的一端依次穿出外炉体底壁和内炉体的底壁，并与外炉体的底壁卡接配合，燃烧器的侧壁和内炉体底壁之间具有能够使烟气通过的环缝；所述外炉体和内炉体之间形成有烟气通道。

进一步地，烟气通道包括由外炉体的底壁和内炉体的底壁之间限制出的第一烟道、由未设有烟气排出口的外炉体的侧壁和其对应的内炉体侧壁之间限制出的第二烟道、由外炉体的顶壁和内炉体的顶壁之间限制出第三烟道以及由设有烟气排出口的外炉体的侧壁与其对应的内炉体侧壁之间限制出的第四烟道；第一烟道、第二烟道、第三烟道和第四烟道之间相互连通；

所述外炉体和内炉体之间一体连接有用于阻挡第一烟道和第四烟道、第二烟道和第四烟道连通的挡板。

进一步地，所述第一烟道、第二烟道、第三烟道和第四烟道内均设置有换热设备。

进一步地，所述导流部件位于第一钝体构件的下方。

进一步地，所述导流部件包括多个沿燃料输入管轴向均匀布置的导流叶片。

本申请相比现有技术具有以下有益效果：

(1)本申请的超低NOx排放燃气锅炉，可以利用烟气内循环从而实现MILD燃烧，在没有烟气处理设备的条件下达到国家关于污染物排放的标准。同时通过加长高温烟气的流程，达到了烟气余热回收的目的。空气不预热温和燃烧，避免炉膛出现局部高温区，降低氮氧化物的生成，在达到相同排放标准的条件下，减少制造与运行维护成本，提高锅炉运行稳定性及热效率。

(2)本申请通过空气流道的起抽吸作用的结构设计实现高温烟气的抽吸；通过燃烧器头部的钝体结构实现亚音速射流卷吸烟气；通过双层炉体结构，烟气由靠近燃烧器端、开有环缝的炉膛底流出，再通过烟气通道后排出，并在烟道与烟箱内设置换热设备，实现烟气的余热回收，提高锅炉热效率。利用烟气多重循环来稀释加热空气，提供低氧气氛，降低燃烧速率，消除局部高温区，减少氮氧化物的生成。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请燃气器的3/4剖视图；

图2为本申请燃气锅炉的3/4剖视图；

图3为本申请燃气锅炉的俯视图；

图4为本申请燃气锅炉C-C剖视图；

图5为本申请燃气锅炉A-A剖视图；

图6为本申请燃气锅炉A-A剖视图的局部视图；

图7为本申请燃气锅炉点火运行状态示意图；

图8为本申请燃气锅炉正常运行状态示意图。

图中，1-燃料输入管，2-导流叶片，3-外壳体，4-燃料喷头，5-第一钝体构件，6-第二钝体构件，7-炉膛，8-外炉体，9-内炉体，10-空气输入管，11-径向孔，12-烟气排出口，13-第一烟道，14-第二烟道，15-第三烟道，16-第四烟道。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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申请和简化描述，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申请的限制。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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申请中的具体含义。

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一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

参照图1、图3和图4，本申请提供了一种亚音速多循环协同超混合超净燃气锅炉，包括燃烧器和炉膛7，燃烧器的一端伸进炉膛7内。燃烧器包括由内至外依次同轴套设的燃料输入管1、第一钝体构件5和外壳体3，燃料输入管1的外壁上还套设有用于使空气旋转上升的导流部件，第一钝体构件5位于导流部件的上方。外壳体3包括空气输入管10和第二钝体构件6，空气输入管10和第二钝体构件6为一体件，空气输入管10连接第一钝体构件5的一端具有环形凹陷部，环形凹陷部的侧壁上开设有至少一个径向孔11，环形凹陷部和第一钝体构件5之间形成能够抽吸炉膛7内高温烟气的抽气通道；燃料输入管1的一端设置有燃料喷头4，第二钝体构件6套设在燃料喷头4的外部，燃料喷头4和第二钝体构件6之间具有渐缩间隙，即第二钝体构件6内壁面的直径沿燃料、空气和烟气混合物通过的方向逐渐减小。

具体地，第一钝体构件5的直径自中部向两端逐渐减小，环形凹陷部的最低点与第一钝体构件5的中部相对应，空气在经过由环形凹陷部内壁和第一钝体构件5外壁之间形成的抽气通道时被加速至亚音速，炉膛7内高温烟气被抽吸至抽气通道内。从而达到加热并稀释空气的目的，实现烟气的一次内循环。

具体地，燃料喷头4为中空的半球状结构，燃料喷头4的侧壁上开设有多个径向喷口，多个径向喷口沿燃料喷头4的周向均布。第二钝体构件6内壁面为弧形面。燃料喷头4的具体安装方式为公知常识，这里不过多赘述。燃料喷头4、第二钝体构件6以及两者之间间隙形成一个环形射流喷口，燃料以及空气混合物可从环形射流喷口处喷出，不但加速燃料与空气混合物的射流速度，还加强了射流的卷吸效果，有利于加强烟气的回流，实现烟气的二次内循环，从而进一步稀释燃料与空气射流，加强燃烧区域的低氧低燃料高温的气氛。调节燃料喷头4伸出燃烧器外壳体3的距离，可实现点火和正常运行两种状态的燃烧。

参见图2、图4-6，锅炉还包括中空结构的外炉体8和内炉体9，内炉体9位于外炉体8内部，不与外炉体8接触，内炉体9限制出炉膛7，外炉体8的侧壁在靠近燃烧器的一侧开设有烟气排出口12，烟气排出口12出口位置具有可变性，只要靠近燃烧器端流出即可，烟气从靠近燃烧器端流出，能够强制烟气回流掺混，再进入烟道，其开口形状与具体位置可根据需要设置。燃烧器的一端依次穿出外炉体8底壁和内炉体9的底壁，并与外炉体8的底壁卡接配合，燃烧器的侧壁和内炉体9底壁之间具有能够使烟气通过的环缝；外炉体8和内炉体9之间形成有烟气通道。

烟气通道包括由外炉体8的底壁和内炉体9的底壁之间限制出的第一烟道13、由未设有烟气排出口12的外炉体8的侧壁和其对应的内炉体9侧壁之间限制出的第二烟道14、由外炉体8的顶壁和内炉体9的顶壁之间限制出第三烟道15以及由设有烟气排出口12的外炉体8侧壁与其对应的内炉体9侧壁之间限制出的第四烟道16；第一烟道13、第二烟道14、第三烟道15和第四烟道16之间相互连通。外炉体8和内炉体9之间一体连接有用于阻挡第一烟道13和第四烟道16、第二烟道14和第四烟道16连通的挡板，使得烟气仅能从第一烟道13流至第二烟道14，再经第三烟道15流至第四烟道16后排出。外炉体8在未设有烟气排出口12的其他三个侧壁和与其相对应的内炉体9侧壁之间也均设置有挡板，使得从第一烟道13流出的烟气从三个方向流出再汇聚至第三烟道15。挡板、外炉体8和内炉体9可以为一体件也可以为分体件，连接处需密封，不允许烟气通过。第一烟道13、第二烟道14、第三烟道15和第四烟道16内均设置有换热设备，可实现余热的回收。

具体地，导流部件包括多个沿燃料输入管1轴向均匀布置的导流叶片2，导流叶片2可使空气产生一个径向方向上的速度，实现旋流燃烧，通过第二钝体构件6和燃料喷头4组成的渐缩结构可使空气流速增加至亚音速，实现高速射流。在具体的实施过程中，可在燃料输入管1和第一钝体构件5、导流叶片2之间套设一个套管，并将套管与外壳体3固定，燃料输入管1可相对于套管滑动，从而保证燃料输入管1伸缩时，第一钝体构件5和导流叶片2的位置不变。

参照图4-6，本申请实施例1的工作原理如下：燃料进入燃料输入管1，被输送至燃料喷头4，从设置在燃料喷头4上的径向喷口喷出；空气进入空气输入管10，在经过导流部件时产生径向的速度，然后空气再经由环形凹陷部和第一钝体构件5之间形成能够抽吸炉膛7内高温烟气的抽气通道后被加速至亚音速，并抽吸炉膛7内的高温烟气，形成烟气的一次内循环，从而加热并稀释空气；在正常运行状态下，由于燃料喷头4顶部与第二钝体构件6顶部平齐，空气进入炉膛7的速度较高，形成含有燃料与空气的高速射流，高速的射流会在射流边界产生负压，从而引起周围烟气的贴附稀释效果；炉膛7中产生的高温烟气从开有环缝的内炉体9的底壁进入近燃烧器侧的第一烟道13中，然后通过与其连通的第二烟道14进入远离燃烧器侧的第三烟道15中，最后通过与其连通的第四烟道16后从烟气排出口12排出。

本申请的一种亚音速多循环协同超混合超净燃气锅炉实际操作过程分为点火运行状态与正常运行状态。

参见图7，点火运行状态下，燃料喷头4顶部高于第二钝体构件6顶部。具体运行模式为：燃料进入燃料输入管1，被输送至燃料喷头4，从设置在燃料喷头4上的喷口喷出；空气进入由空气输入管10，在经过空气导流叶片2时产生径向的速度，然后空气在由第一钝体构件5与开有径向孔11的外壳体3构成的抽吸炉膛7内烟气的结构后被加速至亚音速，并抽吸炉膛7的高温烟气，从而加热并稀释空气；此时由于燃料喷头4顶部高于钝体构件6顶部，空气进入炉膛7的速度较低，有利于点火。点火后，通过滑动燃料输入管1调节燃料喷头4的顶部至与第一钝体构件5顶部平齐，将燃烧器切换至正常运行状态。

参见图4和图8，正常运行状态下，燃料喷头4顶部与第二钝体构件6顶部平齐。具体运行模式为：燃料进入燃料输入管1，被输送至燃料喷头4，从设置在燃料喷头4上的径向喷口喷出；空气进入空气输入管10，在经过导流叶片2时产生径向的速度，然后空气再由第一钝体构件5与开有径向孔11的燃烧器外壳构成的抽吸炉膛7内烟气的结构后被加速至亚音速，抽吸炉膛7的高温烟气，形成烟气的一次内循环，从而加热并稀释空气；此时由于燃料喷头4顶部与第二钝体构件6顶部平齐，空气进入炉膛7的速度较高，形成含有燃料与空气的高速射流，有利于加强烟气的回流，形成烟气的二次内循环，从而进一步稀释燃料与空气射流，加强燃烧区域的低氧低燃料高温的气氛；炉膛7中产生的高温烟气从开有环缝的内炉体9的底壁进入近燃烧器侧的第一烟道13中，然后通过与其连通的第二烟道14进入远离燃烧器侧的第三烟道15中，再通过与其连通的第四烟道16后从烟气排出口12排出。

以上，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何在本申请揭露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种亚音速多循环协同超混合超净燃气锅炉，其特征在于，包括燃烧器，所述燃烧器包括由内至外依次套设的燃料输入管、第一钝体构件和外壳体，所述燃料输入管的外壁上套设有用于使空气旋转上升的导流部件，所述外壳体包括无缝隙连接的空气输入管和第二钝体构件，所述空气输入管的一端具有环形凹陷部，环形凹陷部的侧壁上开设有至少一个径向孔，所述环形凹陷部和第一钝体构件之间形成能够抽吸炉膛内高温烟气的抽气通道；

所述燃料输入管的一端设置有燃料喷头，所述第二钝体构件套设在燃料喷头的外部，所述燃料喷头和第二钝体构件之间具有供燃料、空气和烟气混合物通过的渐缩间隙；所述第一钝体构件的直径自中部向两端逐渐减小，环形凹陷部的最低点与第一钝体构件的中部相对应；所述燃料喷头的侧壁上开设有多个径向喷口，所述第二钝体构件内壁面为弧形面；

在燃料输入管和第一钝体构件、导流部件之间套有套管，所述套管与外壳体固定，所述燃料输入管可相对于套管滑动，当燃料输入管伸缩时，第一钝体构件和导流部件的位置不变；

还包括中空结构的外炉体和内炉体，所述内炉体限制出炉膛，外炉体的侧壁在靠近燃烧器的一端上开设有烟气排出口；所述燃烧器的一端依次穿出外炉体底壁和内炉体的底壁，并与外炉体的底壁卡接配合，燃烧器的侧壁和内炉体底壁之间具有能够使烟气通过的环缝；所述外炉体和内炉体之间形成有烟气通道；

所述烟气通道包括由外炉体的底壁和内炉体的底壁之间限制出的第一烟道、由未设有烟气排出口的外炉体的侧壁和其对应的内炉体侧壁之间限制出的第二烟道、由外炉体的顶壁和内炉体的顶壁之间限制出第三烟道以及由设有烟气排出口的外炉体的侧壁与其对应的内炉体侧壁之间限制出的第四烟道；第一烟道、第二烟道、第三烟道和第四烟道之间相互连通；

所述外炉体和内炉体之间一体连接有用于阻挡第一烟道和第四烟道、第二烟道和第四烟道连通的挡板；所述第一烟道、第二烟道、第三烟道和第四烟道内均设置有换热设备。

2.根据权利要求1所述的一种亚音速多循环协同超混合超净燃气锅炉，其特征在于，所述导流部件位于第一钝体构件的下方。

3.根据权利要求2所述的一种亚音速多循环协同超混合超净燃气锅炉，其特征在于，所述导流部件包括多个沿燃料输入管轴向均匀布置的导流叶片。