CN114811580A - 一种水冷预混风燃比可控的面式燃烧器及其燃烧控制方法 - Google Patents

一种水冷预混风燃比可控的面式燃烧器及其燃烧控制方法 Download PDF

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张明杰
徐向通
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Abstract

本发明公开了一种水冷预混风燃比可控的面式燃烧器及其燃烧控制方法，包括燃烧头、混合器、手动调节阀、阀组、风压开关、鼓风机以及点火装置、控制系统。燃烧头通过混气管道A与混合器连接，混合器通过天然气管路B与阀组连接，混合器的另一端通过空气管路C与鼓风机连接，手动调节阀设置在天然气管路B上，风压开关设置在空气管路C上。本发明具有以下优点和效果：通过控制系统及相关传感器的设计，实现以蒸汽压力、燃烧头热量为指标信号控制空气进给量，再由空气进给量指标信号通过控制系统来控制阀组的开度，实现天然气的配比。另外，通过燃烧头若干间隔相等的金属片排列设计，在不对空气做粉尘过滤等额外处理下，也可避免积碳堵塞燃烧头。

Description

一种水冷预混风燃比可控的面式燃烧器及其燃烧控制方法
技术领域
本发明涉及一种燃烧器，特别涉及一种水冷预混风燃比可控的面式燃烧器及其燃烧控制方法。
背景技术
氮氧化物形成酸雨，是大气污染物的成分之一，同时也是形成雾霾的主要成分之一，北京市颁布了新的《锅炉大气污染物排放标准》，规定自2017年4月1日开始，所有在用燃气锅炉氮氧化物排放限值为80mg/m3，新建燃气锅炉氮氧化物排放限值为30mg/m3，这就对当前的燃烧装置提出了低氮要求。
燃烧器，是使燃料和空气以一定方式喷出混合燃烧的装置统称。常用燃烧器会排出大量的氮氧化合物，排放到大气中会影响空气质量，通常需要处理之后才能排放，同样的，但是废气处理也是需要很高的成本。目前低氮燃烧控制技术主要通过降低火焰温度来降低氮氧化物的形成。根据NOx的生成机理，可将其分为热力型氮氧化物、燃料型氮氧化物和快速型氮氧化物。其中，燃料型氮氧化物是燃料中的氮氧化合物在氧化过程中生成的，占整个燃烧过程生成量的90％以上。水冷预混风燃比可控的燃烧技术依靠水冷壁的低温对火焰进行冷却，达到低氮燃烧的目的。
现有专利CN202110332325.X技术有通过炉内温度作为指标的电磁铁和空气进给量来协同控制天然气阀的开关，但是通过该技术并不能根据空气流量来控制天然气的进给量，达到预设的混合比；专利CN201910775293.3技术中操作步骤上有提到关于空气和天然气的预混风燃比可控的配合比例，但是没有对如何配成预混风燃比可控的配合比例进行说明；另外，现有技术在燃烧头的结构设计上存在缺陷，由于参与燃烧的空气含有粉尘，经长时间燃烧会产生一些积碳，这些积碳会堵住现有燃烧头的气流通道，致使燃烧器发生爆炸，因而有待改进。
发明内容
本发明的目的是提供一种水冷预混风燃比可控的面式燃烧器及其燃烧控制方法，相比传统燃烧器，该燃烧器不仅对风燃比可调控，而且可避免因燃烧的细小积碳堵塞而发生爆炸，威胁人生安全，另一方面可提升燃烧器工作效率和使用寿命。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种水冷预混风燃比可控的面式燃烧器，包括燃烧头、混合器、手动调节阀、阀组、风压开关、鼓风机以及点火装置、控制系统，所述燃烧头通过混气管道A与混合器连接，所述混合器下方通过天然气管路B与阀组连接，所述混合器的另一端通过空气管路C与鼓风机连接，所述手动调节阀设置在连接混合器和阀组中间的天然气管路B上，所述风压开关设置在混合器和鼓风机中间的空气管路C上。
所述燃烧头由燃烧面罩、水冷管以及燃烧面组成，所述燃烧面罩通过混气管路A与混合器相通，水冷管之间留有缝隙，水冷管并排穿过燃烧面罩，所述水冷管的两端分别连接水管构成循环水路，所述燃烧面呈矩形，由若干间隔相等的金属片排列而成，所述金属片之间留出的间隙作为混合气游走的通道，所述点火装置靠近燃烧面且处于燃烧头的平行平面上；
当手动调节阀开启状态，鼓风机送进一定空气时，阀组根据空气量做出相应开度的开阀动作，送进与空气成一定比例的天然气，一起在混合器中进行均匀混合后经混气管道A送入燃烧头，混合均匀的空气和天然气流经各水冷管之间的缝隙直至由若干间隔相等的金属片排列而成的燃烧面，相比传统网孔设计，该燃烧面一方面可避免因燃烧的细小积碳堵塞而发生爆炸，威胁人生安全，另一方面可提升燃烧器工作效率和使用寿命。
本发明的进一步设置为：所述混合器内设涡旋轮和混合室，所述涡旋轮与混合室的进入端相对旋转配合，所述混合室呈圆筒锥状，混合室的圆筒壁上开设有若干出气孔，混合室还通过天然气管路B依次与手动调节阀、阀组连接，所述阀组通过天然气管路B与天然气供端连接。
本发明的进一步设置为：所述涡旋轮上设有若干金属扇叶，所述金属扇叶沿涡旋轮一圈呈360度分布，所有金属扇叶各自都不在同一平面上。
驱动涡旋轮使得天然气和空气被送入混合室，在涡旋轮形成的涡旋气流下，天然气和空气进行充分混合后由出气孔排出并通过混气管路A直至燃烧头。
本发明的进一步设置为：所述控制系统通过信号处理控制混合器、阀组、风压开关、鼓风机以及点火装置。
本发明的进一步设置为：所述水冷预混风燃比可控的面式燃烧器的燃烧控制方法如下：
1)蒸汽压力采集阶段：外部的锅炉燃烧时产生蒸汽，通过采集蒸汽压力将压力信号传送到控制系统，控制系统发出指令控制鼓风机，实现空气进给量的控制，空气经过空气管路C进入混合器。
2)鼓风机空气进给和天然气进给阶段：打开手动调节阀，由步骤1进给一定量的空气，通过风压开关调节空气压力，将风压开关的动作信号和流量计采集的流量信号传送至控制系统，由控制系统及设定好风燃比的阀组实现对天然气进给量的控制，控制系统在对阀组进行开度调节控制流量的同时，还接收着通过内置的压力传感器实时反馈的压力信号，以达到预设空气和天然气的进量配比和适配压力，其天然气通过天然气管路B进入混合器。
3)混合器混合阶段：从鼓风机来的空气从混合器设有涡旋轮的一端进入混合器，在金属扇叶旋转的作用下，空气被带进混合室，而天然气从混合室下方的管路B进入混合室，空气和天然气在混合室中混合，由于空气和天然气不断的涌入，混合室内的混合气体积增大，混合气体从混合室开设的出气孔流出，并通过混合器另一端排出后经混气管道A流入燃烧头；
4)点火装置点火阶段：在步骤2中，当阀组被打开时，此时点火装置由控制系统发出信号指令同步点火，使点火动作不晚于天然气从燃烧头流出的时间；
5)热量采集与反馈阶段：步骤3中，由天然气和空气组成一定比例的混合气流入燃烧头，在步骤4的前提下，该股混合气被点燃，混合气燃烧产生的热量被采集反馈至控制系统；
6)闭环调节阶段：在步骤5的热量信号反馈下，若热量值超出需求，则通过控制系统减少鼓风机空气进给量，从而减少天然气的进给量；若热量值达不到需求，则通过控制系统增加鼓风机空气进给量，在预混风燃比可控的比例不变得情况下，天然气进给量增加，混合气燃烧热量提高；
需要说明的是，本申请存在一个技术效果：在锅炉开始产生蒸汽的初始阶段，热量值信号还未出现，蒸汽压力的信号优先级高，控制系统通过蒸汽压力信号来控制鼓风机空气进给量；若蒸汽压力信号存在明显的变化率，蒸汽压力信号变为优先级更高的信号，此时控制系统根据蒸汽压力信号控制鼓风机的空气进给量。
需要说明的是，本申请还存在另一个技术效果：锅炉蒸汽处于稳定时，在点火装置点燃混合气后，若热量值超出设定的需求值，此时热量值信号优先级比蒸汽压力优先级高，控制系统根据热量值信号适当调低鼓风机空气进给量，进而调节阀组来减少天然气进给量，以达到降低燃烧热；若热量值低于设定的需求值，此时热量值信号优先级同样比蒸汽压力优先级高，控制系统根据热量值信号适当调高鼓风机空气进给量，进而调节阀组来增加天然气进给量，以达到增加燃烧热量；通过该技术，使燃烧头的热量始终稳定在设定值水平。
本发明的进一步设置为：所述鼓风机进给的空气粉尘含量范围为≤10mg/m3。
本发明的进一步设置为：所述水冷预混风燃比可控的面式燃烧器通过控制鼓风机(6)空气的进给量和阀组(4)天然气的进给量来调节风燃比后，控制排出的燃烧产物中氮氧化物含量＜25mg/Nm3。
综上所述，本发明具有以下有益效果：通过控制系统及相关传感器的设计，实现以蒸汽压力、燃烧头热量为指标信号控制空气进给量，再由空气进给量指标信号通过控制系统来控制阀组的开度，实现天然气的配比，达到预设的空气与天然气的混合比例。用空气进给量来决定天然气的进给量，能稳稳控制住风燃比，也更利于燃烧头热量的控制。另外，通过燃烧头若干间隔相等的金属片排列设计，在不对空气做粉尘过滤等额外处理下，也可避免由于粉尘燃烧不尽产生的积碳使燃烧头气流间隙堵塞，使爆炸等危险情况不再发生。排出的燃烧产物中氮氧化物含量＜25mg/Nm3，低于现有技术排放量。
附图说明
图1为一种水冷预混风燃比可控的面式燃烧器的结构示意图；
图2为水冷预混风燃比可控的面式燃烧器中燃烧头结构示意图；
图3为水冷预混风燃比可控的面式燃烧器的燃烧头中燃烧面结构示意图；
图4为水冷预混风燃比可控的面式燃烧器中混合器剖面示意图。
附图标记：1.燃烧头、2.混合器、3.手动调节阀、4.阀组、5.风压开关、6.鼓风机、11.燃烧面罩、12.水冷管、13.燃烧面、21.涡旋轮、22.混合室、131.金属片、132.间隙、211.金属扇叶、221.出气孔。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1-图4所示，一种水冷预混风燃比可控的面式燃烧器，包括燃烧头1、混合器2、手动调节阀3、阀组4、风压开关5、鼓风机6以及点火装置、控制系统，燃烧头1通过混气管道A与混合器2连接，混合器2下方通过天然气管路B与阀组4连接，混合器2的另一端通过空气管路C与鼓风机6连接，手动调节阀3设置在连接混合器2和阀组4中间的天然气管路B上，风压开关5设置在混合器2和鼓风机6中间的空气管路C上。
进一步的，燃烧头1，由燃烧面罩11、水冷管12以及燃烧面13组成，燃烧面罩11通过混气管路A连接与混合器2相通，水冷管之间留有缝隙，水冷管12并排穿过燃烧面罩11，水冷管12的两端分别连接水管构成循环水路，燃烧面13呈矩形由若干间隔相等的金属片131排列而成，金属片131之间留出的间隙132作为混合气游走的通道，所述点火装置靠近燃烧面13且处于燃烧头1的平行平面上。
当手动调节阀开启状态，鼓风机6送进一定空气时，阀组4根据空气量做出相应开度的开阀动作，送进与空气成一定比例的天然气，一起在混合器中进行均匀混合后经混气管道A送入燃烧头1，混合均匀的空气和天然气流经各水冷管12之间的缝隙直至由若干间隔相等的金属片131排列而成的燃烧面13，相比传统网孔设计，该燃烧面13一方面可避免因燃烧的细小积碳堵塞而发生爆炸，威胁人生安全，另一方面可提升燃烧器工作效率和使用寿命。
进一步的，混合器2内设涡旋轮21和混合室22，涡旋轮21与混合室22的进入端相对旋转配合，混合室22呈圆筒锥状，混合室22的圆筒壁上开设有若干出气孔221，混合室22还通过天然气管路B依次与手动调节阀3、阀组4连接，阀组4通过天然气管路B与天然气供端连接。
进一步的，涡旋轮21上设有若干金属扇叶211，金属扇叶211沿涡旋轮21一圈呈360度分布，所有金属扇叶211各自都不在同一平面上。
驱动涡旋轮21使得天然气和空气被送入混合室22，在涡旋轮21形成的涡旋气流下，天然气和空气进行充分混合后由出气孔221排出并通过混气管路A直至燃烧头1。
进一步的，控制系统通过信号处理控制混合器2、阀组4、风压开关5、鼓风机6以及点火装置的动作。
进一步的，水冷预混风燃比可控的面式燃烧器的燃烧控制方法如下：
1)蒸汽压力采集阶段：锅炉燃烧时产生蒸汽，通过采集蒸汽压力将压力信号传送到控制系统，控制系统发出指令控制鼓风机6，实现空气进给量的控制，空气经过空气管路C进入混合器2；
2)鼓风机空气进给和天然气进给阶段：控制鼓风机6进给一定量的空气，通过风压开关5调节空气压力，将风压开关5的动作信号和流量计采集的流量信号传送至控制系统，由控制系统及设定好风燃比的阀组4的开度实现对天然气进给量的控制，控制系统在对阀组4进行开度调节控制流量的同时，还接收着通过内置的压力传感器实时反馈的压力信号，以达到预设空气和天然气的进量配比和适配压力，其中天然气通过天然气管路B进入混合器2；
3)混合器混合阶段：从鼓风机6来的空气从混合器2设有涡旋轮21的一端进入混合器2，在金属扇叶211旋转的作用下，空气被带进混合室22，而天然气从混合室22下方的管路B进入混合室22，空气和天然气在混合室22中混合，由于空气和天然气源源不断的涌入，混合室22内的混合气体积增大，混合气体从混合室22开设的出气孔流出，并通过混合器2另一端排出后经混气管道A流入燃烧头1；
4)点火装置点火阶段：当阀组4被打开时，点火装置由控制系统发出信号指令同步点火，使点火动作不晚于天然气从燃烧头1流出的时间。
5)热量采集与反馈阶段：由天然气和空气组成一定比例的混合气流入燃烧头1，该股混合气被点燃，混合气燃烧产生的热量被采集反馈至控制系统。
6)闭环调节阶段：若热量值超出需求，则通过控制系统减少鼓风机6空气进给量，从而减少天然气的进给量；若热量值达不到需求，则通过控制系统增加鼓风机6空气进给量，在预混风燃比可控的比例不变得情况下，天然气进给量增加，混合气燃烧热量提高。
需要说明的是，本申请存在一个技术效果：在外部的锅炉开始产生蒸汽的初始阶段，热量值信号还未出现，蒸汽压力的信号优先级高，控制系统通过蒸汽压力信号来控制鼓风机6空气进给量；若蒸汽压力信号存在明显的变化率，蒸汽压力信号变为优先级更高的信号，此时控制系统根据蒸汽压力信号控制鼓风机6的空气进给量。
需要说明的是，本申请还存在另一个技术效果：外部的锅炉蒸汽处于稳定时，在点火装置点燃混合气后，若热量值超出设定的需求值，此时热量值信号优先级比蒸汽压力优先级高，控制系统根据热量值信号适当调低鼓风机6空气进给量，进而调节阀组4来减少天然气进给量，以达到降低燃烧热；若热量值低于设定的需求值，此时热量值信号优先级同样比蒸汽压力优先级高，控制系统根据热量值信号适当调高鼓风机6空气进给量，进而调节阀组4来增加天然气进给量，以达到增加燃烧热量；通过该技术，使燃烧头1的热量始终稳定在设定值水平。
进一步的，鼓风机6进给的空气粉尘含量范围为≤10mg/m3。
进一步的，水冷预混风燃比可控的面式燃烧器通过控制鼓风机(6)空气的进给量和阀组(4)天然气的进给量来调节风燃比后，控制排出的燃烧产物中氮氧化物含量＜25mg/Nm3。
本实施例通过控制系统及相关传感器的设计，实现以蒸汽压力、燃烧头热量为指标信号控制空气进给量，再由空气进给量指标信号通过控制系统来控制阀组的开度，实现天然气的配比，达到预设的空气与天然气的混合比例。用空气进给量来决定天然气的进给量，能稳稳控制住风燃比，也更利于燃烧头热量的控制。另外，通过燃烧头若干间隔相等的金属片排列设计，在不对空气做粉尘过滤等额外处理下，也可避免由于粉尘燃烧不尽产生的积碳使燃烧头气流间隙堵塞，使爆炸等危险情况不再发生。排出的燃烧产物中氮氧化物含量＜25mg/Nm3，低于现有技术排放量。
具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (7)

1.一种水冷预混风燃比可控的面式燃烧器，其特征在于，包括燃烧头(1)、混合器(2)、手动调节阀(3)、阀组(4)、风压开关(5)、鼓风机(6)、点火装置以及控制系统，所述燃烧头(1)通过混气管道A与混合器(2)的一端连接，所述混合器(2)下方通过天然气管路B与阀组(4)连接，所述混合器(2)的另一端通过空气管路C与鼓风机(6)连接，所述手动调节阀(3)设置在天然气管路B上，所述风压开关(5)设置在空气管路C上；
所述燃烧头(1)由燃烧面罩(11)、水冷管(12)以及燃烧面(13)组成，所述燃烧面罩(11)通过混气管路A与混合器(2)相通，水冷管(12)之间留有缝隙，水冷管(12)并排穿过燃烧面罩(11)，所述水冷管(12)的两端分别连接水管构成循环水路，所述燃烧面(13)呈矩形，由若干间隔相等的金属片(131)排列而成，所述金属片(131)之间留出的间隙(132)作为混合气游走的通道，所述点火装置靠近燃烧面(13)且处于燃烧头(1)的平行平面上；
当手动调节阀开启状态，鼓风机(6)送进一定空气时，阀组(4)根据空气量做出相应开度的开阀动作，送进与空气成一定比例的天然气，一起在混合器中进行均匀混合后经混气管道A送入燃烧头(1)，混合均匀的空气和天然气流经各水冷管(12)之间的缝隙直至由若干间隔相等的金属片(131)排列而成的燃烧面(13)。
2.根据权利要求1所述的一种水冷预混风燃比可控的面式燃烧器，其特征在于：所述混合器(2)内设涡旋轮(21)和混合室(22)，所述涡旋轮(21)与混合室(22)的空气进入端相对旋转配合，所述混合室(22)呈圆筒锥状，混合室(22)的圆筒壁上开设有若干出气孔(221)，混合室(22)通过天然气管路B依次与手动调节阀(3)、阀组(4)连接，所述阀组(4)通过天然气管路B与天然气供端连接。
3.根据权利要求2所述的一种水冷预混风燃比可控的面式燃烧器，其特征在于：所述涡旋轮(21)上设有若干金属扇叶(211)，所述金属扇叶(211)沿涡旋轮(21)一圈呈360度分布，所有金属扇叶(211)各自都不在同一平面上；
驱动涡旋轮(21)使得天然气和空气被送入混合室(22)，在涡旋轮(21)形成的涡旋气流下，天然气和空气进行充分混合后由出气孔(221)排出并通过混气管路A直至燃烧头(1)。
4.根据权利要求1所述的一种水冷预混风燃比可控的面式燃烧器，其特征在于：所述控制系统通过信号处理控制混合器(2)、阀组(4)、风压开关(5)、鼓风机(6)以及点火装置的动作。
5.一种权利要求3所述水冷预混风燃比可控的面式燃烧器的燃烧控制方法，其特征在于燃烧控制方法包括如下步骤：
1)蒸汽压力采集阶段：外部的锅炉燃烧时产生蒸汽，通过采集蒸汽压力将压力信号传送到控制系统，控制系统发出指令控制鼓风机(6)，实现空气进给量的控制，空气经过空气管路C进入混合器(2)；
2)鼓风机空气进给和天然气进给阶段：控制鼓风机(6)进给一定量的空气，通过风压开关(5)调节空气压力，将风压开关(5)的动作信号和流量计采集的流量信号传送至控制系统，打开手动调节阀(3)，由控制系统及设定好风燃比的阀组(4)实现对天然气进给量的控制，控制系统在对阀组(4)进行开度调节控制流量的同时，还接收着通过内置的压力传感器实时反馈的压力信号，以达到预设空气和天然气的进量配比和适配压力，天然气通过天然气管路B进入混合器(2)；
3)混合器混合阶段：从鼓风机(6)来的空气从混合器(2)设有涡旋轮(21)的一端进入混合器(2)，在金属扇叶(211)旋转的作用下，空气被带进混合室(22)，而天然气从混合室(22)下方的管路B进入混合室(22)，空气和天然气在混合室(22)中混合，由于空气和天然气不断的涌入，混合室(22)内的混合气体积增大，混合气体从混合室(22)开设的出气孔流出，并通过混合器(2)另一端排出后经混气管道A流入燃烧头(1)；
4)点火装置点火阶段：当阀组(4)被打开时，点火装置由控制系统发出信号指令同步点火，使点火动作不晚于天然气从燃烧头(1)流出的时间；
5)热量采集与反馈阶段：由天然气和空气组成一定比例的混合气流入燃烧头(1)，该股混合气被点燃，混合气燃烧产生的热量被采集反馈至控制系统；
6)闭环调节阶段：若控制系统采集到的热量值超出需求，则通过控制系统控制鼓风机(6)减少空气进给量，同时控制阀组(4)减少天然气的进给量,混合气燃烧热量减少；若热量值达不到需求，则通过控制系统控制鼓风机(6)增加空气进给量，在预混风燃比可控的比例不变得情况下，阀组天然气进给量增加，混合气燃烧热量提高。
6.根据权利要求5所述的燃烧控制方法，其特征在于：所述鼓风机(6)进给的空气粉尘含量范围为≤10mg/m3。
7.根据权利要求5所述的燃烧控制方法，其特征在于：通过控制鼓风机(6)空气的进给量和阀组(4)天然气的进给量来调节风燃比，控制排出的燃烧产物中氮氧化物含量＜25mg/Nm3。
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