CN114659105B - 一种直棒式预混燃烧器及低氮燃烧方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直棒式预混燃烧器及低氮燃烧方法，燃烧器包括：气流管道、烧嘴和燃料气流管道，气流管道包括同轴设置的内侧气流通道和外侧气流通道，烧嘴包括文丘里气流管道，文丘里气流管道的一端连接出口扩张管道，在出口扩张管道内设置旋流叶片，旋流叶片的一端与出口扩张管道内壁固定连接，旋流叶片的另一端固定连接回流钝体。该燃烧器采用表面燃烧的组织方法，控制燃气均匀分布在燃烧器的表面，燃烧稳定，杜绝局部高温区，控制热力型NOx的生成；不需要大空腔进行燃气预混，杜绝爆炸的安全隐患，预混效果得到保障，控制CO等污染物的形成；该燃烧器能够适应现有多数锅炉燃烧室的结构，能够布置安装在有限直径的燃烧器安装孔上。

Description

一种直棒式预混燃烧器及低氮燃烧方法

本申请要求2022年1月7日提交的中国优先权专利申请202210016345.0的权益，将其全部内容通过引用的方式合并在此。

技术领域

本发明涉及低氮燃烧技术领域，尤其涉及一种气体燃料的直棒式预混燃烧器及低氮燃烧方法。

背景技术

清洁的气体燃料在燃烧的过程中，产生的污染物主要是NOx。近些年来，NOx引发的环境污染问题愈发受到人们的重视。对于中小燃气锅炉而言，目前中国多地开始实行了

<30mg/m³的NOx排放标准，这促使了一系列低氮燃烧技术的推广使用。

目前，常见的低氮燃烧技术包括全预混表面燃烧技术和水冷预混燃烧技术。全预混表面燃烧技术是将事先在风箱内预混好的燃烧气体通过表面燃烧的方式使燃气均匀分布于燃烧器的表面，所以燃烧稳定，而且分布均匀，杜绝了局部高温的产生，从而减少NOx的生成，可以将NOx排放控制在30mg/m³以下。

相当数量的锅炉燃烧室内部采用水冷预混燃烧技术，水冷元件由多根并排的水冷管组成，管间存在一定大小的缝隙，燃料和空气在风箱内混合均匀之后，从水冷管间的缝隙喷入燃烧室进行燃烧，水冷管控制火焰温度，杜绝局部高温区，控制NOx的生成。

全预混表面燃烧技术和水冷预混燃烧技术都采用了风箱预混的技术方案，风箱的容积较大，预混气体量大，发生回火时容易引发风箱内可燃气体爆炸，存在十分严重的安全隐患；采用风箱进行预混燃气输送时，由于沿程进入燃烧室内部进行燃烧的气体流速不均匀，导致燃烧火焰温度各处差异较大，难以控制NOx，CO等污染物的形成；另外，水冷预混燃烧技术通常采用强制水冷的方法防止燃烧器过热，控制热力型NOx，保证燃烧安全，但是长时间使用容易在水冷管管壁产生裂纹从而导致燃烧室内部漏水，积水严重影响燃烧稳定；相当数量的锅炉燃烧室在设计建造时仅留下了有限大小的安装孔，用于安装伸入燃烧室内部的燃烧器，这些燃烧室改造成本高，无法针对燃烧室本身的结构进行低氮燃烧方法的改进。

发明内容

针对上述采用风墙式燃烧方法锅炉燃烧室存在的具有安全隐患，混合不完全的技术问题，本发明提出了一种直棒式预混燃烧器及低氮燃烧方法。

根据本发明的直棒式预混燃烧器，包括：

气流管道，所述气流管道包括同轴设置的内侧气流通道和外侧气流通道，所述内侧气流通道用于通入气体燃料，所述外侧气流通道用于通入助燃气流；

烧嘴，所述烧嘴包括文丘里气流管道，所述文丘里气流管道的一端连接出口扩张管道，在所述出口扩张管道内设置旋流叶片，所述旋流叶片的一端与所述出口扩张管道内壁固定连接，所述旋流叶片的另一端固定连接回流钝体；

燃料气流管道，所述燃料气流管道固定设置在所述内侧气流通道外表面，所述燃料气流管道与所述烧嘴可拆卸连接，所述燃料气流管道包括燃料气流收缩喷管，所述燃料气流收缩喷管伸入所述文丘里气流管道内部。

在一些实施例中，所述燃料气流管道还包括外螺纹段，所述外螺纹段的一端连接所述燃料气流收缩喷管，所述外螺纹段远离所述燃料气流收缩喷管的一端固定在所述内侧气流通道外表面。

在一些实施例中，所述文丘里气流管道远离所述出口扩张管道的一端通过支撑部连接烧嘴内螺纹段。

在一些实施例中，所述支撑部具有空隙，所述助燃气流通过所述支撑部的所述空隙进入所述文丘里气流管道。

在一些实施例中，所述烧嘴内螺纹段与所述燃料气流管道的所述外螺纹段配合。

在一些实施例中，所述气体燃料和所述助燃气流在所述燃料气流收缩喷管出口处混合形成预混气流，所述预混气流经所述文丘里气流管道加速后进入所述出口扩张管道。

在一些实施例中，所述旋流叶片的数量为3-5个。

在一些实施例中，所述旋流叶片所在平面的法向与气流方向的夹角为40°-60°。

在一些实施例中，所述回流钝体呈圆锥形。

在一些实施例中，所述烧嘴呈平行阵列排布或者交错阵列排布。

在一些实施例中，所述气流管道的外侧气流通道管壁上开有若干个小孔，所述助燃气流从小孔处流出。

在一些实施例中，所述气流管道的进气端设置法兰盘，可将所述的气体燃烧器安装在燃烧室的炉膛上的燃烧器开孔处，法兰盘上开有透孔，点火枪从透孔中伸入燃烧室，用于所述气体燃烧器的点火。

根据本发明的低氮燃烧方法，利用本发明提出的燃烧器，包括以下步骤：

(1)所述气体燃料通过所述内侧气流通道进入燃烧器内部腔室，并通过所述燃料气流管道的所述燃料气流收缩喷管进行气流加速后，进入所述文丘里气流管道；

(2)所述气体燃料和所述助燃气流在所述文丘里气流管道混合均匀形成预混气流；

(3)所述预混气流在所述回流钝体和所述旋流叶片的作用下产生旋流，并在烧嘴的所述出口扩张管道喷口处形成所述回流钝体下游的回流区；

(4)所述预混气流从所述出口扩张管道喷出后在高温火焰的作用下被点燃。

相对于现有技术，本发明的有益效果为：

本发明的燃烧器能够控制燃气均匀分布在燃烧器的表面，燃烧稳定，防止产生局部高温区，控制热力型NOx的生成；

本发明的气体燃料和助燃气体的预混过程发生在烧嘴内部的文丘里气流管道，高速混合卷吸使得预混更加充分，控制CO等污染物的形成，不需要大空腔进行燃气预混，防止了采用大空腔进行预混造成爆炸的安全隐患；

本发明的烧嘴采用独立式螺纹连接，烧嘴更换方便，维修操作简单；

本发明的燃烧器能够适应现有多数锅炉燃烧室的结构，能够布置安装在有限直径的燃烧器安装孔上，无需改造现有的锅炉燃烧室，且燃烧器不需要水冷控制局部温度，克服了水冷管道容易破裂产生积水的问题，在维护燃烧器的成本上具有更大的优势。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明气体燃烧器的整体结构示意图及半剖图；

图2为本发明气体燃烧器气流通道示意图；

图3为本发明烧嘴与燃料气流管道配合安装的结构示意图；

图4为本发明旋流叶片与回流钝体的结构示意图；

图5为本发明烧嘴的平行阵列排布和交错阵列排布示意图；

图6为本发明气体燃烧器内部气流通道结构示意图。

附图标记说明：

回流钝体1、出口扩张管道2、旋流叶片3、文丘里气流管道4、燃料气流收缩喷管5、支撑杆6、助燃气流抽吸通道7、燃料气流管道8、内侧气流通道9、外侧气流通道10、烧嘴内螺纹段11、法兰盘12。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的直棒式预混燃烧器及低氮燃烧方法。

如图1-6所示，本发明的直棒式预混燃烧器，包括气流管道、烧嘴和燃料气流管道8。

气流管道整体为直筒型，在外形上呈现棒式结构。气流通道内部包含同轴设置的双层气流通道，具体为，气流通道包括内侧气流通道9和外侧气流通道10，内侧气流通道9和外侧气流通道10同轴设置。

可以理解的是，内侧气流通道9呈直筒状通道，外侧气流通道10呈环形通道。

在一些实施例中，内侧气流通道9用于通入气体燃料，外侧气流通道10用于通入助燃气流，其中，气体燃料为天然气或其他合适的气体燃料，助燃气体为空气或其他合适的助燃气体。

在一些实施例中，燃料气流管道8固定设置在内侧气流通道9的外表面，用于输送气体燃料。具体为，燃料气流管道8包括外螺纹段和燃料气流收缩喷管5，燃料气流管道8的外螺纹段一端固定焊接在内侧气流通道9的外壁，另一端与燃料气流收缩喷管5固定连接，气体燃料依次通过外螺纹段和燃料气流收缩喷管5进入烧嘴的文丘里气流管道4。

燃料气流管道8的外螺纹段用于连接烧嘴，燃料气流管道8的燃料气流收缩喷管5呈现出收缩管状的结构，收缩段的设计可以采用维多辛斯基曲线，但不限于维多辛斯基曲线。

在一些实施例中，烧嘴呈阵列排布在外侧气流通道10内，烧嘴的阵列排布方式可以为平行阵列排布或交错阵列排布以及其他合适的排布方式，如图5所示，其中，图5(a)为烧嘴的平行阵列排布示意图；图5(b)为烧嘴的交错阵列排布示意图。烧嘴和烧嘴之间紧密排列，如果某个烧嘴熄灭，与之临近的烧嘴可以将其点燃，起到一定稳定燃烧的作用。

在一些实施例中，烧嘴包括文丘里气流管道4，文丘里气流管道4的一端连接出口扩张管道2，文丘里气流管道4远离出口扩张管道2的一端通过支撑部连接烧嘴内螺纹段11。

在一些实施例中，烧嘴具有内螺纹段，烧嘴内螺纹段11与燃料气流管道8的外螺纹段配合。也就是说，烧嘴通过内螺纹段与燃料气流管道8可拆卸螺纹连接，从而将烧嘴整体结构可拆卸固定在外侧气流通道10内。烧嘴采用独立式螺纹连接，使得烧嘴更换方便，维修操作简单。

另外，文丘里气流管道4与烧嘴内螺纹段11之间设置支撑部，支撑部用于支撑烧嘴的其他结构。

在一些实施例中，支撑部具有空隙，助燃气流通过支撑部的空隙进入文丘里气流管道4。可以理解的是，外侧气流通道10内的助燃气体可以通过支撑部的空隙进入文丘里气流管道4，从而与气体燃料混合。也就是说，助燃气体和气体燃料的混合发生在文丘里气流管道4内，使得混合更充分，燃烧器不需要大空腔进行燃气预混，杜绝爆炸的安全隐患。

支撑部的结构不做具体限定，只要能实现使助燃气体通过支撑部的空隙进入文丘里气流管道4的功能即可。

在一些实施例中，支撑部可以由支撑杆6组成，支撑杆6的数量、直径大小、分布方式不做具体限定。可以理解的是，支撑部还可以采用其他结构，比如中间具有通孔的圆柱结构。

如图3所示，以设置均匀分布的3根直径为2mm的支撑杆6为例，具体为，支撑杆6为直径为2mm的立柱，三根支撑杆6呈现圆周分布，每两根支撑杆6之间对应的圆心角均为120°，支撑杆6的一端连接烧嘴的内螺纹段，另一端连接文丘里气流管道4。三根支撑杆6之间的空隙形成了助燃气流抽吸通道7，助燃气流抽吸通道7将外侧气流通道10内的助燃气流抽吸进入文丘里气流管道4，从而与气体燃料混合。

燃料气流收缩喷管5伸入文丘里气流管道4内部，燃料气流收缩喷管5出口端位于文丘里气流管道4收缩段的上游，气体燃料和助燃气体在燃料气流收缩喷管5出口端混合。具体为，从燃料气流管道8喷出的高速气体燃料从燃料气流收缩喷管5出口端喷出后立即进入文丘里气流管道4，经过文丘里气流管道4的收缩段后，由于文丘里气流管道4横截面积缩小，气体流速增大，气体压力降低，形成负压，从而将助燃气流从外侧气流通道10经助燃气流抽吸通道7抽吸进入文丘里气流管道4，使得助燃气流和气体燃料在燃料气流收缩喷管5出口端发生超强混合，形成预混气流。另外，燃烧器的高速混合卷吸使得预混效果能够得到充分的保障，控制CO等污染物的形成。

气体燃烧器气流通道示意图如图3所示，从图中可以看出，气体燃料经燃料气流管道8进入文丘里气流管道4，助燃气流经支撑部的助燃气流抽吸通道7进入文丘里气流管道4，预混气流随着喷嘴的扩口形状向四周扩散，从而在烧嘴下游的高温火焰区域被点燃。

出口扩张管道2的一端连接文丘里气流管道4，另一端固定在外侧气流通道10的外壁，开口朝向外侧气流通道10外表面，混合气流从出口扩张管道2流出后被点燃。

在出口扩张管道2内设置旋流叶片3，旋流叶片3的一端与出口扩张管道2内壁固定连接，旋流叶片3的另一端固定连接回流钝体1。旋流叶片3的数量为3-5个，回流钝体1呈圆锥形，回流钝体1架焊在旋流叶片3上。旋流叶片3数量为3个时，旋流叶片3与回流钝体1的结构示意图如图4所示。旋流叶片3所在平面的法向与气流方向的夹角为40°-60°，即气流方向沿文丘里气流管道4的中心轴向，旋流叶片3所在平面的法向与沿文丘里气流管道4的中心轴向方向的气流方向的夹角为40°-60°。

旋流叶片3一方面可以固定回流钝体1，一方面可以引导气流旋转扩张，拓宽火焰面，降低局部高温，使得NOx的生成量降低。

预混气体在回流钝体1的作用下，产生回流区，使得燃烧过程中传热传质均匀，燃烧温度场均匀，不会局部温度过高，燃烧更加充分降低CO等污染物的排放。

在燃料气流收缩喷管5出口端形成预混气流，预混气流经过文丘里气流管道4加速后，进入烧嘴上半段的出口扩张管道2，烧嘴在出口扩张管道2处的喷嘴面积扩张，预混气流在扩张的烧嘴喷口下游形成扩张气流，并在旋流叶片3的作用下产生旋流，在回流钝体1的作用下，在喷嘴出口处下游产生回流区引导气流返混，使得气体燃烧更加充分，从而控制污染物的形成。

在一些实施例中，外侧气流通道10用于通入助燃气流，如图1和图5所示，外侧气流通道的管壁上开有阵列排布的大孔和小孔，其中大孔的孔径与烧嘴的出口扩张管道2的直径保持一致，用于安装烧嘴单元；小孔的孔径为1-3mm，用于引导助燃气流从小孔流出，吹扫直棒式燃烧器的外表面，防止火焰长时间烘烤外表面导致燃烧器温度过高烧损。

在一些实施例中，气流管道的进气端设置法兰盘，法兰盘上开设有使点火枪穿过的透孔。具体为，法兰盘上开设有透孔，点火枪从透孔中伸入燃烧室，用于气体燃烧器的点火。

在安装过程中，可将直棒式燃烧器通过有限直径的燃烧室前墙安装孔伸入燃烧室内部，利用法兰盘12将燃烧器固定在燃烧室前墙。气体燃烧器包括两层同轴设置的的气流管道，内侧气流通道9和外侧气流通道10。内侧气流通道9输送燃料气流CH₄，外侧气流通道10输送助燃空气气流Air。燃料气流和助燃空气气流在每个烧嘴预混合后，在烧嘴下游的高温火焰区域被点燃，从而在低氮直棒式气体燃烧器的外表面形成表面燃烧火焰。

本发明提出的低氮燃烧方法，利用上述的燃烧器，包括以下步骤：

(1)气体燃料通过内侧气流通道进入燃烧器内部腔室，并通过燃料气流管道的燃料气流收缩喷管进行气流加速后，进入文丘里气流管道；

(2)气体燃料和助燃气流在文丘里气流管道混合均匀形成预混气流；

(3)预混气流在回流钝体和旋流叶片的作用下产生旋流，并在烧嘴的出口扩张管道喷口处形成回流钝体下游的回流区；

(4)预混气流从出口扩张管道喷出后在高温火焰的作用下被点燃。

具体为：气体燃料通过内侧气流通道进入燃烧器内部腔室，并沿着内侧气流通道壁面上的燃料气流管道进入燃料气流收缩喷管进行气流加速，从燃料气流收缩喷管的喷口喷出，进入烧嘴的文丘里气流管道，高速燃料气流在文丘里气流管道段具有卷吸作用，卷吸烧嘴所在的外侧气流通道中的助燃气流，燃料气流和助燃气流在文丘里气流管道段混合均匀，流经烧嘴的文丘里气流管道段，高速气流到达烧嘴出口前的回流钝体和旋流叶片处，在回流钝体和旋流叶片的阻挡和引导作用下，气流产生旋流，并在烧嘴的扩张喷口处，形成回流钝体下游的回流区，在高温火焰的作用下被点燃。

由于气流混合均匀，回流区燃烧更加充分，并且在旋流作用下不存在局部温度过高区域，NOx和CO等污染物的生成得以抑制。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述可以针对不同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

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。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种直棒式预混燃烧器，其特征在于，包括：

气流管道，所述气流管道包括同轴设置的内侧气流通道和外侧气流通道，所述外侧气流通道管壁上开设有若干个小孔，所述内侧气流通道用于通入气体燃料，所述外侧气流通道用于通入助燃气流；

烧嘴，所述烧嘴包括文丘里气流管道，所述文丘里气流管道的一端连接出口扩张管道，在所述出口扩张管道内设置旋流叶片，所述旋流叶片的一端与所述出口扩张管道内壁固定连接，所述旋流叶片的另一端固定连接回流钝体；

燃料气流管道，所述燃料气流管道固定设置在所述内侧气流通道外表面，所述燃料气流管道与所述烧嘴可拆卸连接，所述燃料气流管道包括燃料气流收缩喷管，所述燃料气流收缩喷管伸入所述文丘里气流管道内部。

2.如权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述燃料气流管道还包括外螺纹段，所述外螺纹段的一端连接所述燃料气流收缩喷管，所述外螺纹段远离所述燃料气流收缩喷管的一端固定在所述内侧气流通道外表面。

3.如权利要求2所述的燃烧器，其特征在于，所述文丘里气流管道远离所述出口扩张管道的一端通过支撑部连接烧嘴内螺纹段，所述烧嘴内螺纹段与所述燃料气流管道的所述外螺纹段配合。

4.如权利要求3所述的燃烧器，其特征在于，所述支撑部具有空隙，所述助燃气流通过所述支撑部的所述空隙进入所述文丘里气流管道。

5.如权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述气体燃料和所述助燃气流在所述燃料气流收缩喷管出口处混合形成预混气流，所述预混气流经所述文丘里气流管道加速后进入所述出口扩张管道。

6.如权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述旋流叶片的数量为3-5个，所述回流钝体呈圆锥形。

7.如权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述旋流叶片所在平面的法向与气流方向的夹角为40°-60°。

8.如权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述烧嘴呈平行阵列排布或者交错阵列排布。

9.如权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述气流管道的进气端设置法兰盘，所述法兰盘具有使点火枪穿过的透孔。

10.一种低氮燃烧方法，其特征在于，利用如权利要求书1-9任一所述的燃烧器，包括以下步骤：

(1)所述气体燃料通过所述内侧气流通道进入燃烧器内部腔室，并通过所述燃料气流管道的所述燃料气流收缩喷管进行气流加速后，进入所述文丘里气流管道；

(2)所述气体燃料和所述助燃气流在所述文丘里气流管道混合均匀形成预混气流；

(3)所述预混气流在所述回流钝体和所述旋流叶片的作用下产生旋流，并在烧嘴的所述出口扩张管道喷口处形成所述回流钝体下游的回流区；

(4)所述预混气流从所述出口扩张管道喷出后在高温火焰的作用下被点燃。

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