CN114576622A - 一种水冷式燃气燃烧器和热能设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水冷式燃气燃烧器和热能设备，涉及燃气燃烧器结构技术领域。燃烧器包括固定连接的进气管和燃烧管，在进气管端面上固定一沿轴向设置的第一分隔管，将由第一进气孔通入的空气与第二进气孔通入的燃气分隔开。通过设置给水套，降低燃烧管内温度，降低氮氧化物排放浓度。与现有技术相比，该水冷式燃气燃烧器，通过在进气管内设置第一分隔管，可以避免燃气与空气两者之间发生冲撞，保证两者的气流能够正常地流通，提高该装置的实用性。通过在燃烧管内设置第二分隔管、燃气分流孔，可以将部分的燃气流通在燃烧管内，点火针先点小火，后利用小火引燃主混合气体燃烧口，更能提高点火成功率。

Description

一种水冷式燃气燃烧器和热能设备

技术领域

本发明涉及燃气燃烧器结构技术领域，特别是涉及一种水冷式燃气燃烧器和热能设备。

背景技术

燃烧器是一种将燃料和空气通过预混装置按适当比例混兑，按所要求的浓度、速度、湍流度和混合方式送入炉膛，并使燃料能在炉膛内稳定着火及燃烧的热能装置。燃料以燃油和天然气为主。

目前现有的一些水冷式燃气燃烧器在进行输送空气与燃气时，容易使空气气流与燃气气流发生对冲的现象，对冲产生压力，会阻碍燃气进气速度和进气量，当风速过大时可能把几千帕的燃气压力抵消回去，造成爆燃和燃烧回火的危险状况，爆燃的发生是因为空气和燃气混合不均匀，就会在点着火时，突然发生很响的震动，爆燃再严重就可能发生爆炸；并且气流对冲时燃气燃烧的不彻底，这样就会导致水冷式燃气燃烧器的实用性降低。

燃烧器广泛应用于锅炉行业、食品机械、烘干设备等各个行业，商用燃烧器和燃烧设备一般为100kW以上的额定输出热功率，风机风量大、带进炉膛的混合气体多，燃烧的负荷高；而家用的燃烧器设备输出热功率低、并且换热面积小。

同时，现有的一些燃气燃烧器由于燃烧室温度高于1500摄氏度，致使氮氧化物排放浓度较高，甚至超过170mg/m³的标准限度。

专利申请“一种燃烧器”(公开号：CN110864284A)提供的燃烧器通过燃气分配管将燃气再分布后送入引射管，通过引射器对进入其中的空气和燃气进行混合，并将混合气输送至燃烧头。然而，这种结构由于存在多个孔径较小的燃气引射管，虽然解决了大气流的对冲问题，但气流量受到限制，不利于高风量混合气体的混合，可用于家用燃烧器，但不适用于商业用途的燃烧器；另外，引射管容易引起管道阻塞，造成爆燃和点火困难的后果。

发明内容

为了解决现有技术中的以上问题，本发明提供了一种水冷式燃气燃烧器和热能设备，不仅能够解决燃气和空气气流对冲，同时还通过降低燃烧室温度降低氮氧化物排放浓度。本发明提供如下技术方案：

作为本发明的第一个方面，在于提供一种水冷式燃气燃烧器，包括固定连接的进气管和燃烧管，所述进气管外侧端面上设置通入空气的第一进气孔，在进气管侧壁上设置通入燃气的第二进气孔，在进气管内部外侧端面上固定一沿轴向设置的第一分隔管，第一分隔管末端距离进气管外侧端面的长度大于第二进气孔距离进气管外侧端面的长度，将由第一进气孔通入的空气与第二进气孔通入的燃气分隔开。

所述进气管的右侧面固定连接燃烧管；燃烧管的左端面设置点火检火装置。

所述第一进气孔与第一分隔管相连通；优选的，所述第一分隔管内径大于第一进气孔的孔径。

优选的，所述燃烧管与进气管连接处开有进气管通孔，将进气管引入的混合气体通入燃烧管中。

优选的，在进气管通孔上设置旋流排气扇，将进气管内的未混合均匀的燃气和空气混合均匀。安装旋流排气扇通过电力使风扇高速转动，旋流排气扇的高搅动频率带动和推动混合气体把空气(氧气)和燃气混合均匀。

优选的，所述燃烧管的左内侧面固定连接有第二分隔管，进气管通过进气管通孔与第二分隔管相连通；所述第二分隔管的侧表面开设有燃气分流孔，对混合气体进行分流。

优选的，所述第二分隔管的右侧端为喇叭收口形状，便于聚焦燃烧物，增加气流流速实现喷射燃烧。

优选的，所述进气管与燃烧管内径的比例范围为1:2.0～2.5；

进气管中第一分隔管与进气管内径的比例范围为1:1.2～1.5；

第二分隔管与燃烧管内径的比例范围为1:2.0～2.5；

燃气分流孔的直径与第二分隔管收口末端内径比例范围为1:10～12；

第二分隔管长度占燃烧管的比例范围为1:1.5～2；

第二分隔管收口末端内径与第二分隔管内径比例范围为1:1.8～2。

更进一步的，第一分隔管末端与旋流扇之间的距离与进气管轴向长度的比例范围为1:3～5，在这一空间内首先使得空气和燃气进行第一次预混，而后再经旋流排气扇旋流方式实现二次均匀混合。

本发明利用水冷水套(水包火的降温方式)可以降低燃烧管温度，1500摄氏度以下的燃烧室温度不易产生氮氧化物，从而达到降低炉体温度来降低氮氧化物的生成。具体的结构如下：

在燃烧管内壁依次设置给水套、导热套，所述给水套上部和下部分别连接进出水管，通过循环水对燃烧管内给水套包围的空腔进行换热降温，避免热量过高对燃烧管造成损伤，同时达到降低氮氧化物的目的；导热套采用导热材料，将炉膛内热能吸收并传递至给水套。

更进一步的，在导热套内部设置第三分隔管，所述第三分隔管采用碳钢 Q245R材质，吸热性、导热性好，烧后不易变形；燃烧产生的热量经过碳钢Q245R 材质传递给导热套和给水套内冷水。

更进一步的，在燃烧管内，所述点火检火装置位于第二分隔管与第三分隔管之间，用于引燃燃烧管内的混合气体，首先引燃由第二分隔管的燃气分流孔内输出的少量燃气，利用此处的小火焰将第二分隔管末端收口处的主要混合气体引燃，从而提升了点火成功率。

作为本发明的第二个方面，在于提供一种热能设备，所述热能设备包含所述的水冷式燃气燃烧器，所述热能设备包括蒸汽锅炉、真空相变锅炉、常压热水锅炉。采用本发明提供的水冷式燃气燃烧器和热能设备，不仅具有较高的安全性，同时大大降低了当氧化物的排放量，适合公共场所中大型热能设备的推广使用。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明提供的水冷式燃气燃烧器，通过在进气管内设置第一分隔管，可以避免燃气与空气两者之间发生冲撞，保证两种气流能够正常地流通并后续混合，避免发生爆燃和燃烧回火，同时提高该装置的实用性。

2、本发明提供的水冷式燃气燃烧器，通过在燃烧管内设置第二分隔管、燃气分流孔，可以将部分的燃气流通在燃烧管内第二分隔管外，点火针先点小火，后利用小火引燃主混合气体燃烧口，更能提高点火成功率。

3、本发明提供的水冷式燃气燃烧器，通过设置导热套、给水套，能够将燃烧管内壁的热量进行吸收，避免热量过高对燃烧管造成损伤，又能利用水冷换热来降低燃烧室表面温度，达到降低燃烧室内氮氧化物生成的作用。

4、本发明提供的水冷式燃气燃烧器，通过设置旋流排气扇，能够将空气和燃气的混合器均匀搅拌，达到快速搅合均匀的目的，便于燃烧时不易产生爆燃和回火现象的发生。

5、本发明提供的这种燃烧器以及应用该燃烧器的热能设备适用于大型的蒸汽锅炉、真空相变锅炉、常压热水锅炉，可运用在酒店、医院、学校、居民小区等公共场所的热能供应。大大降低了氮氧化物的排放，同时具有更好的安全性。

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。

图1为本发明提供的一种水冷式燃气燃烧器的剖面结构图；

图2为本发明提供的一种水冷式燃气燃烧器的整体结构图；

图3为本发明提供的一种水冷式燃气燃烧器的后视图；

图4为图3的A-A剖面图；

图5为图2去掉进气管后燃烧管的结构图；

图6为本发明提供的一种水冷式燃气燃烧器的给水套结构示意图；

图7为本发明提供的一种水冷式燃气燃烧器的第三分隔管结构示意图；

图8为本发明提供的一种水冷式燃气燃烧器中旋流排气扇结构示意图。

1、进气管；2、进气孔一；3、进气孔二；4、分隔管一；5、燃烧管；6、分隔管二；7、给水套；8、导热套；9、分隔管三；10、燃气分流孔；11、旋流排气扇；12、点火检火装置；13、进出水管；14、进气管通孔；15、点火检火装置孔；16、进出水管接口；17、水套进出水孔；18、通槽。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，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发明的示例性实施方式。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。

文中所述的“左侧”、“右侧”、“内侧”和“外侧”分别表示各组件的相对位置关系，并不限定使用时的方位。

如图1和图2所示，所述水冷式燃气燃烧器包括进气管1和燃烧管5，进气管1 和燃烧管5相连接，所述进气管1外侧设有端面，端面上设置通入空气的第一进气孔2，在进气管1侧壁上设置通入燃气的第二进气孔3，在进气管1端面上固定一沿轴向设置的第一分隔管4，所述第一分隔管4内径大于第一进气孔2的孔径，第一分隔管末端距离进气管外侧端面的长度大于第二进气孔距离进气管外侧端面的长度，将由第一进气孔2通入的空气与第二进气孔3通入的燃气分隔开；

如图5所示，所述燃烧管5与进气管1连接处开有进气管通孔14，将进气管1 引入的混合气体通入燃烧管5中；在进气管通孔14上设置旋流排气扇11，旋流排气扇结构如图8所示，并且旋流排气扇11与进气管通孔14接触的边缘位置密封安装，不透气，将进气管1内的未混合均匀的燃气和空气混合均匀。安装旋流排气扇11通过电力使风扇高速转动，旋流排气扇的高搅动频率带动和推动混合气体把空气(氧气)和燃气混合均匀。

如图1和图4所示，所述燃烧管5内设置第二分隔管6，第二分隔管6固定于进气管通孔14外围，所述第二分隔管6表面沿轴向设置多列燃气分流孔10，对混合气体进行分流；作为一个典型的实施例，燃气分流孔10的直径为10mm，每列设置13个，共均匀设置4列。经进气管通孔14引入的混合气体进入燃烧管5的第二分隔管6中，一部分经燃气分流孔10进行分流，大部分由第二分隔管6末端排出；所述第二分隔管6的末端收口，以增加第二分隔管6末端排出气体喷洒速度，从而实现稳焰高速燃烧，避免了燃烧过程中熄火故障率的发生。

如图4所示，所述第一分隔管4的末端与旋流排气扇11的距离为50mm。

如图1和图4所示，所述燃烧管5内壁设置给水套7，如图3和图6所示，所述给水套7上部和下部分别开设进出水孔17，进出水孔17上密封连接进出水管13，如图5所示，燃烧管5上部和下部对应进出水管13位置设置进出水管接口16，进出水管13贯穿进出水管接口16，通过两个进出水管13分别向给水套7供入冷水和排出被加热的水，便于水循环换热及降低燃烧管5内温度，从而达到降低氮氧化物的目的。

所述燃烧管5内部固定设置第三分隔管9，第三分隔管9的结构为圆柱形筒，如图7所示，第三分隔管9和给水套7之间设置导热套8，所述第三分隔管9使用的材料为碳钢Q245R材质，吸热性、导热性好，烧后不易变形。第三分隔管9相当于炉膛，混合气体在此处空腔内燃烧，产生热量后经过碳钢Q245R材质传递给吸热材料(导热套8)并且继续传递至给水套内冷水。从而冷却第三分割管9内空间及碳钢Q245R材质的表面温度，始终保持第三分割管9表面温度维持在300摄氏度～400摄氏度之间。

其中，进气管与燃烧管内径的比例范围为1:2.0～2.5；

进气管中第一分隔管与进气管内径的比例范围为1:1.2～1.5；

第二分隔管与燃烧管内径的比例范围为1:2.0～2.5；

燃气分流孔的直径与第二分隔管收口末端内径比例范围为1:10～12；

第一分隔管末端与旋流扇之间的距离与进气管轴向长度的比例范围为1： 3～5；

第二分隔管长度占燃烧管的比例范围为1:1.5～2；

第二分隔管收口末端内径与第二分隔管内径比例范围：1:1.8～2。

作为第一个典型的实施例，所述进气管1长度为255mm，内径

第一分隔管4长度210mm，内径

第一分隔管4末端与旋流排气扇11的距离为 50mm；所述燃烧管5长度为500mm，内径

第二分隔管6长度为280mm，内径

收口端内径

第三分隔管9长度为480mm，内径

导热套8采用铝材质制成，铝为银白色轻金属，具有良好的导热和延展性能，利用这种性能(其延展性)加工成铝套。

导热套8把炉膛(第三分隔管9内部)热能吸收并且换热给水套7，给水套7、导热套8和第三分隔管9依次紧密镶嵌。

通过导热套8，给水套7，能够将燃烧管5内壁的热量进行吸收，避免热量过高对燃烧管5造成损伤，同时利用循环回来的低水温来冷却导热套8从而冷却第三分隔管9，使第三分隔管9内燃烧温度降低从而降低氮氧化物的生成。

作为一个典型的实施例，所述进气管1采用304不锈钢材质，燃烧管5采用 Q235A碳钢，给水套7采用碳钢Q235A内壁涂覆烧成搪瓷，导热套8采用铝材质，第一分隔管4、第二分隔管6以及旋流排气扇11均采用304不锈钢，防止混合气体燃烧产生的酸性冷凝水腐蚀，第三分隔管9使用的材料为碳钢Q245R材质。

由于炉膛内燃烧温度过高，无法采用温度传感器，锅炉炉膛的温度可以用烟气排放浓度，反推炉膛温度，炉膛内氮氧化物含量低于50mg/m³，氧含量在6％左右时炉膛温度低于1500℃；或者通过测试炉体及炉膛专用工具——红外线热成像测温仪进行无线探测得出。这两种检测方式为本领域已常用的方法，在此不做赘述。

如图1、图3和图5所示，所述燃烧管5与进气管1接触端的端盖上设置点火检火装置孔15以及贯穿点火检火装置孔15的点火检火装置12，在燃烧管5内，所述点火检火装置12位于第二分隔管6与第三分隔管9之间，用于引燃燃烧管5内的混合气体。本发明利用第二分隔管6设置的多列燃气分流孔10释放少量燃气，点火检火装置12点火后，首先点燃由燃气分流孔10放出的少量燃气产生小火，再利用小火引燃第二分隔管6末端收口处喷出的主混合气体，可以保证每次点火成功。

如图1和图4所示，所述燃烧管5末端设置通槽18，通槽18作为燃烧器喷火口，起到导火焰的作用。

因为第一分隔管4内对应的小圆腔体体积大于圆腔外体积，可以保证由第二进气孔3通入的燃气进气量小于由第一进气孔2通入的空气量，避免了燃气聚集过多可能造成的燃气爆炸，提升安全性。

而且由第二进气孔3通入的燃气冲击到第一分隔管的圆柱腔体上会减慢气流速度，使得燃气缓慢地与空气结合，一方面提升了安全性，另一方面在第一分隔管4与旋流排气扇11之间首次混合，再经旋流排气扇搅拌进行二次混合，而后进入燃烧管5内。

工作原理：在使用时，燃气通过第二进气孔3进入到进气管1内，空气通过第一进气孔2进入到第一分隔管4内，进气管1内的燃气通过第一分隔管4可以避免与空气对冲，空气通过第一分隔管4的出口处与燃气混合在通过旋流排气扇11的均匀旋流搅拌，经过进气管通孔14进入到第二分隔管6内，可以更好的混合均匀，防止燃烧爆燃和中途熄火情况发生，再通过燃气分流孔10分流混合气体，利用点火检火装置12进行点火检火，随后引导火引燃第二分隔管6右端主混合气体，小火引大火燃烧方式可以提高点火成功率，燃烧火焰把第三分隔管9内壁加热后，热量传递给导热套8，随后导热套8吸收热能并且把热量传递给水套7，水套7内部连接有进出水管13有水循环，在热量传递出去的同时还能利用水冷给分割管三9内部进行降温，温度降低后抑制氮氧化物生产，从而达到低氮燃烧的目的。

通过对结构的改进，排出的氮氧化物(NOx)浓度均在30mg/m³以下，同时额定输出热功率约为120kW。

本发明提供的这种燃烧器适合大型的蒸汽锅炉、真空相变锅炉、常压热水锅炉，可运用在酒店、医院、学校、居民小区等公共场所的热能供应。

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 (10)

1.一种水冷式燃气燃烧器，其特征在于，包括固定连接的进气管和燃烧管，所述进气管外侧端面上设置通入空气的第一进气孔，在进气管侧壁上设置通入燃气的第二进气孔，在进气管内部外侧端面上固定一沿轴向设置的第一分隔管，第一分隔管末端距离进气管外侧端面的长度大于第二进气孔距离进气管外侧端面的长度，将由第一进气孔通入的空气与第二进气孔通入的燃气分隔开；

所述进气管的右侧面固定连接燃烧管；燃烧管的左端面设置点火检火装置。

2.根据权利要求1所述的一种水冷式燃气燃烧器，其特征在于，所述第一进气孔与第一分隔管相连通；所述第一分隔管内径大于第一进气孔的孔径；所述燃烧管与进气管连接处开有进气管通孔，在进气管通孔上设置旋流排气扇将进气管引入的混合气体通入燃烧管中。

3.根据权利要求2所述的一种水冷式燃气燃烧器，其特征在于，所述燃烧管的左内侧面固定连接有第二分隔管，进气管通过进气管通孔与第二分隔管相连通；所述第二分隔管的侧壁上开设有燃气分流孔。

4.根据权利要求3所述的一种水冷式燃气燃烧器，其特征在于，所述第二分隔管的右侧端为收口形状。

5.根据权利要求4所述的一种水冷式燃气燃烧器，其特征在于，所述进气管与燃烧管内径的比例范围为1:2.0～2.5；

进气管中第一分隔管与进气管内径的比例范围为1:1.2～1.5；

第二分隔管与燃烧管内径的比例范围为1:2.0～2.5；

燃气分流孔的直径与第二分隔管收口末端内径比例范围为1:10～12；

第二分隔管长度占燃烧管的比例范围为1:1.5～2；

第二分隔管收口末端内径与第二分隔管内径比例范围为1:1.8～2。

6.根据权利要求5所述的一种水冷式燃气燃烧器，其特征在于，所述第一分隔管末端与旋流扇之间的距离与进气管轴向长度的比例范围为1:3～5。

7.根据权利要求6所述的一种水冷式燃气燃烧器，其特征在于，所述燃烧管内依次设置给水套、导热套，所述给水套上部和下部分别连接进出水管；导热套采用导热材料。

8.根据权利要求7所述的一种水冷式燃气燃烧器，其特征在于，在导热套内部设置第三分隔管，所述第三分隔管采用导热材料。

9.根据权利要求8所述的一种水冷式燃气燃烧器，其特征在于，在燃烧管内，所述点火检火装置位于第二分隔管与第三分隔管之间。

10.一种热能设备，其特征在于，包括权利要求1～9任一项所述的一种水冷式燃气燃烧器，所述热能设备包括蒸汽锅炉、真空相变锅炉和常压热水锅炉。

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