CN114811581A - 空气燃料双分级高比例掺氢超低氮燃烧器、方法、锅炉 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种空气燃料双分级高比例掺氢超低氮燃烧器、方法、锅炉，该燃烧器包括同轴设置的二级外旋流叶片、环形氢燃料分配室、二次风通道、预混室、外旋流叶片、内旋流叶片、二级氢燃料喷嘴、一级混合燃料分配室以及二级内旋流叶片；通过设置内外旋流叶片，设两级燃料喷嘴分两次送入氢燃料，采用贫预混燃烧与扩散燃烧相结合的方法，有效改善燃料在贫预混工况下的燃烧工况，在实现更低氮氧化物排放的同时，拥有更稳定的燃烧状态；另一方面引入旋流二次风对燃烧腔内的流场实现有效控制，从而兼容不同掺氢比例的天然气掺氢混合气体并提升最高掺氢比例至50％，显著减少燃烧产生的二氧化碳和一氧化碳的排放量，推动能源结构低碳化调整。

Description

空气燃料双分级高比例掺氢超低氮燃烧器、方法、锅炉

技术领域

本发明属于热能工程技术领域，具体是通过空气和燃料分级以及优化燃烧器结构从而实现超低氮氧化物排放的一种空气燃料双分级高比例掺氢超低氮燃烧器、方法、锅炉。

背景技术

随着全球范围内碳减排政策的不断推进，氢气作为一种在其直接利用过程中不直接产生诸如含碳化合物与硫氧化物以及烟尘等污染物的高能量密度的气体燃料和绿色清洁高效的新型储能介质，被视为如今最有发展潜力的清洁能源之一，目前中国已经正式将氢能列入能源范畴，并不断推进相应产业的建设。氢能的蓬勃发展主要得益于其对能源结构过渡过程的润滑作用，氢能可以通过电解水的方式有效地消纳风力发电、水力发电和光伏发电等可再生能源发电所产生的弃电，从而将无法并网的电量通过储氢的方式进行储存并在氢能产业链的下游进行灵活地利用。

目前氢气主要作为化工原料和气体燃料被用于工业领域，其中氢气作为燃料通过燃料电池和燃烧器等设备进行利用是推进我国热电行业碳减排的重要驱动力之一，但受制于经济性、配套基础设施建设以及相关技术瓶颈等问题，纯氢气作为燃料利用目前除了在移动交通领域通过质子交换膜燃料电池进行了初步商业化之外，在其他领域的建设利用仍需要较长一段时间，整体上对能源结构低碳化调整的贡献十分有限。而将氢气掺入天然气中形成掺氢天然气混合气并对其进行燃烧利用是目前氢能推进能源结构低碳化调整的最佳过渡方案之一。

借助于四通八达的天然气管网，氢气可以通过天然气管道与天然气进行混输，并在下游进行分离或者是直接对混合气进行利用，但是由于氢气自身的物理化学特性与天然气相差较大，且氢气存在较高的泄漏和渗漏风险并对金属存在氢脆效应，为了保证运输过程中的安全性，目前天然气管道掺氢运输的掺氢比例一般被限制在30％以下。同时，由于氢气的可燃范围、燃烧温度、燃烧速度等燃烧特性参数与天然气相差较大，所以使用天然气燃烧器直接燃烧氢气很容易引发热声不稳定和回火等燃烧不稳定问题，同时其氮氧化物排放也难以达到超低排放的标准，因此如果不对燃烧器的结构进行针对性的优化设计，那么传统天然气燃烧器仅仅只能对掺氢比例在10％-20％的低比例天然气掺氢混合气进行燃烧，难以实现20％以上的高比例掺氢的天然气掺氢混合气的稳定燃烧。

另一方面，目前天然气燃烧器为了追求更低的氮氧化物排放、更高的燃烧效率以及更紧凑的燃烧器结构，大多都采用燃料空气当量比小于1的贫预混燃烧技术，使天然气的实际燃烧工况偏离其理论上的完全燃烧工况，迫使其在更接近其本身贫燃极限的工况下燃烧。虽然贫预混燃烧技术能够更充分地混合燃料和空气，并通过降低燃烧时的火焰温度来有效地降低氮氧化物的排放量，但是由于其偏离理论上的化学当量比较多导致其对扰动的抵抗能力极差，而且燃烧器的实际运行过程中经常会对工况进行调整，因此贫预混燃烧过程中存在十分严重的燃烧不稳定问题，危害燃烧器的正常工作。

综上所述，如果可以通过一定的技术手段去改善天然气的贫预混燃烧过程，并对燃烧器的结构进行有针对性地优化，使其可以燃烧20％以上的高比例掺氢的天然气掺氢混合气，那么不仅可以在保证稳定燃烧的情况下有效降低燃烧时氮氧化物的排放量，还可以有效降低燃烧时二氧化碳和一氧化碳的排放量，利用氢气推进我国能源结构低碳化调整。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种空气燃料双分级高比例掺氢超低氮燃烧器，改善天然气的贫预混燃烧过程，使其可以燃烧20％以上的高比例掺氢的天然气掺氢混合气，不仅可以在保证稳定燃烧的情况下有效降低燃烧时氮氧化物的排放量，还可以有效降低燃烧时二氧化碳和一氧化碳的排放量，利用氢气推进能源结构低碳化调整，利用空气和燃料分级的思想有针对性地优化燃烧器结构，通过设置内外旋流叶片和两级燃料喷嘴分两次送入空气和氢燃料(本发明所述的氢燃料特指纯氢气或氢气氨气混合气)，一方面利用氢燃料可燃范围更广的燃烧特性改善燃料在贫预混工况下的燃烧工况，在实现更低氮氧化物排放的同时，拥有更稳定的燃烧状态，另一方面借助二级燃料喷嘴，在保证燃烧稳定性的同时，有效提高天然气掺氢混合气的掺氢比例，从而显著减少二氧化碳和一氧化碳的排放量，推动我国能源结构低碳化调整。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：一种空气燃料双分级高比例掺氢超低氮燃烧器，包括二级外旋流叶片、环形氢燃料分配室、二次风通道、燃料扩散孔、预混室、外旋流叶片、内旋流叶片、二级氢燃料喷嘴、二级内旋流叶片、法兰盘、二级掺氢燃料管路、一级混合燃料分配室、一级燃料管路，其中二级外旋流叶片、环形氢燃料分配室、二次风通道、预混室、外旋流叶片、内旋流叶片、二级氢燃料喷嘴、一级混合燃料分配室以及二级内旋流叶片同轴设置，环形氢燃料分配室和一级混合燃料分配室布置在预混室外侧，二次风通道位于一级混合燃料分配室外侧，内旋流叶片和二级内旋流叶片分别设置在预混室入口端和出口端，外旋流叶片和二级外旋流叶片分别设置在二次风通道的入口端和出口端；环形氢燃料分配室的入口端和出口端分别连通二级掺氢燃料管路和二级氢燃料喷嘴，一级混合燃料分配室的入口和出口端分别连通一级燃料管路和一级混合燃料分配室；预混室的壁面上开设多个燃料扩散孔；一级燃料管路连接有一级掺氢燃料管路。

二级氢燃料喷嘴沿周向均匀布置多个氢燃料喷头，氢燃料喷头为渐缩式喷头，氢燃料喷头的孔径小于1.2mm。

氢燃料喷头采用径向喷头或轴向直喷头。

二级内旋流叶片和内旋流叶片的旋向与二级外旋流叶片和外旋流叶片的旋向相反；内旋流叶片与二级内旋流叶片的旋向相同，二级外旋流叶片和外旋流叶片的旋向相同。

二级外旋流叶片、外旋流叶片、内旋流叶片和二级内旋流叶片均采用高角度可连续调节的结构。

燃料扩散孔设置改变孔径的结构，预混室的壁面上可以设置有多排与预混室同轴分布的圆柱形挡板，挡板上设置有与燃料扩散孔完全对应的孔，可以通过旋转圆柱形挡板实现燃料扩散孔中部分孔的关闭或开启；一级混合燃料分配室与燃料扩散孔沿轴向分布范围相同。

二级掺氢燃料管路与氢燃料分配室之间设置第一流量调节阀；二级掺氢燃料管路经第二流量调节阀连接一级燃料管路，一级燃料管路连通第一流量调节阀的阀前管道。

环形氢燃料分配室的壁面采用铁素体钢或者是添加镍、铜的抗氢脆钢材，或环形氢燃料分配室的壁面涂覆铝化物涂层、铂涂层或新型氧化物涂层。

燃烧器整体为筒状，燃料扩散孔沿轴向分布范围为预混室长度的一半，一级燃料管路的直径大于一级掺氢燃料管路直径，燃烧器外侧设置法兰盘。

本发明还提供一种锅炉，采用上述空气燃料双分级高比例掺氢超低氮燃烧器。

基于本发明所述的空气燃料双分级高比例掺氢超低氮燃烧器的燃烧方法，经过内旋流叶片进入预混室的来流空气作为一次风与进入预混室内的天然气氢燃料混合气混合形成预混气后经二级内旋流叶片旋转引流到燃烧腔进行点火和燃烧，经过外旋流叶片进入二次风通道的来流空气作为二次风经二级外旋流叶片旋转引流到燃烧腔参与燃烧；

燃料分为两股，分别从一级燃料管路和二级掺氢燃料管路进入燃烧器，其中来自一级燃料管路的天然气与来自一级掺氢燃料管路的氢燃料混合后被输送到一级混合燃料分配室再经预混室壁面上均匀分布的燃料扩散孔进入预混室与一次风进行混合，二级燃料氢燃料通过二级掺氢燃料管路进入环形氢燃料分配室，经由二级氢燃料喷嘴喷出到燃烧腔，提高整体掺氢比例。

氢燃料为纯氢燃料或氢燃料氨气混合气，天然气掺氢混合气的掺氢比例应控制在20％以下；二级掺氢燃料管路中的纯氢燃料的流量在天然气掺氢混合气流量的30％以下。

天然气掺氢混合气和一次风的流量来控制天然气掺氢混合气空气当量比小于1。

通过改变内旋流叶片和二级内旋流叶片的叶片角度改变预混气体的旋流强度，调整对预混气体燃烧产生的回流区的位置与大小和预混燃烧火焰的位置，使燃烧器在燃烧具有不同掺氢比例的天然气掺氢混合时能处于最优的燃烧工况。

燃料扩散孔通过改变天然气掺氢混合气的流通面积来适应天然气掺氢混合气整体扩散性的变化，控制天然气掺氢混合气通过燃料扩散孔向预混室的扩散，使天然气掺氢混合气与一次风在预混室中具有最优的预混效果。

外旋流叶片和二级外旋流叶片采用叶片角度能够连续调整的结构，通过改变外旋流叶片和二级外旋流叶片的叶片角度改变旋流二次风的旋流强度，并调整二级外旋流叶片在二次风通道中的轴向位置改变旋流二次风的轴向速度和切向速度相对大小，控制旋流二次风在离开二次风通道后在燃烧腔中的流场分布。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明采用燃料分级的思想，将氢燃料分为两股分别进行输送，在保证燃烧器燃料输送管路以及燃烧系统安全性的前提下，能极大地提高燃烧器能够稳定燃烧的天然气掺氢混合气的最高掺入氢燃料的总体比例，通过使氢燃料高比例替代天然气有效地减少燃烧器的碳排放，有助于推动能源结构低碳化调整。

2.在一级燃烧时通过控制天然气掺氢混合气与空气的流量，使天然气掺氢混合气的当量比小于1处于贫预混燃烧状态，不仅可以更充分地混合燃料和空气，缩短火焰的长度使燃烧器结构更加的紧凑，还能够通过降低燃烧时的火焰温度来有效地降低氮氧化物的排放量。

3.利用氢燃料贫燃极限低的特点，通过向天然气中掺入氢燃料有效地提高了预混气体在贫预混燃烧状态下的稳定性，与纯天然气燃烧相比在相同的燃料空气当量比下天然气掺氢混合气的预混燃烧不仅能够显著降低碳排放，还具有更强的抗干扰能力，显著减少燃烧器运行时发生热声不稳定和回火等燃烧不稳定现象的可能性。

4.将一级燃料天然气低比例掺氢混合气的预混燃烧和二级燃料氢燃料的扩散燃烧相结合，利用氢燃料易点火容易燃烧的特点，通过天然气低比例掺氢混合气预混火焰引燃氢燃料并使氢燃料进行稳定的扩散燃烧，氢燃料扩散燃烧的火焰可以起到值班火焰的作用，为天然气低比例掺氢混合气火焰提供稳定的热源，有效提高其燃烧稳定性。

5.通过设置内旋流叶片和二级内旋流叶片引入旋流一次风，一方面有效促进空气和天然气掺氢混合气的均匀预混，从而缩短预混室的长度使燃烧器的整体结构更加紧凑，另一方面当预混气体进入燃烧腔后，在其旋转射流的中心区域形成负压区，在压力的作用下产生回流卷吸周围的烟气与燃料，使燃烧腔部分区域处于还原性气氛的同时降低火焰燃烧温度，从而有效减少氮氧化物的生成量。

6.通过设置外旋流叶片和二级外旋流叶片引入旋流二次风，不仅能够有效地控制燃烧腔中的流场分布，改变燃烧腔内压力脉动和火焰热释放率脉动的耦合方式，减少其发生热声不稳定问题的可能性，还可以通过旋流二次风形成的回流区卷吸氢燃料有效改善预混火焰的贫预混燃烧状态，提高整个燃烧器的安全性与可靠性。

预混室后端设置有同轴分布的内旋流叶片，可以组织来流空气形成旋转流场，使一次风在预混室内能够更均匀地与其中的天然气掺氢混合气进行预混，从而使燃烧器火焰更加紧凑并有效提高燃烧效率，降低氮氧化物的排放。所述预混室后部壁面上设置有多排均匀分布的燃料扩散孔，从一级燃料管路进入一级混合燃料分配室的天然气掺氢混合气可以通过沿圆柱面均匀分布的燃料扩散孔从一级混合燃料分配室进入到预混室中，多排均匀分布的燃料扩散孔可以帮助天然气掺氢混合气与经过内旋流叶片所形成的旋流一次风在圆柱形空间中实现更加充分的混合，有效改善预混燃烧的效果。

进一步的，通过控制天然气掺氢混合气和一次风的流量来控制天然气掺氢混合气空气当量比小于1，使预混气体的燃烧处于贫预混燃烧状态，从而有效降低燃烧时的火焰温度，抑制氮氧化物的生成。

进一步的，预混室前端设置有与内旋流叶片具有相同旋向的二级内旋流叶片，通过二级内旋流叶片的预混气体可以形成更为强烈的轴对称旋转射流，与普通的自由射流相比，由二级内旋流叶片流出的预混气体会在旋转射流的中心部分形成一个低于周围介质静压的负压区，在压力差的作用下发生回流和卷吸，从而进一步促进一次风和天然气掺氢混合气的混合，提高预混气体点火以及燃烧时的稳定性，还可以在燃烧时通过烟气内循环在燃烧腔中形成局部还原区并降低燃烧温度从而有效降低燃烧产生的氮氧化物的排放量。

进一步的，内旋流叶片和二级内旋流叶片的叶片角度能够连续调整，可以通过改变内旋流叶片和二级内旋流叶片的叶片角度改变预混气体的旋流强度，进而对预混气体燃烧产生的回流区的位置与大小和预混燃烧火焰的位置进行调整，确保烟气内循环和燃料分级可以发挥作用，从而保证燃烧器在燃烧具有不同掺氢比例的天然气掺氢混合时有能处于最优的燃烧工况。

进一步的，一级燃料管路末端连接一级混合燃料分配室，首端连接天然气掺氢混合气，为保证天然气掺氢混合气预混燃烧的稳定性以及整个燃烧器的安全性，其中天然气掺氢混合气的掺氢比例应控制在20％以下。天然气掺氢混合气经过一级燃料管路充满环形一级混合燃料分配室后，通过环形一级混合燃料分配室和预混室交界面上的多排燃料扩散孔进入预混室，所述环形一级混合燃料分配室可以为天然气掺氢混合气的输送起到缓冲作用，在通过一级燃料管路的天然气掺氢混合气的流量发生局部波动时，消除或减弱其对燃烧的影响。

进一步的，预混室壁面上可以设置多排与预混室同轴分布的圆柱形挡板，挡板上设置有与燃料扩散孔完全对应的孔，可以通过旋转圆柱形挡板实现燃料扩散孔中部分孔的关闭和开启，燃料扩散孔可以通过开启或关闭部分孔来改变可以流通天然气掺氢混合气的孔的数量来适应因掺入氢燃料比例的改变所导致的天然气掺氢混合气整体扩散性的变化，从而控制天然气掺氢混合气的通过燃料扩散孔向预混室的扩散效果，保证天然气掺氢混合气与一次风在预混室中具有最优的预混效果。

进一步的，二次风通道后端设置有同轴分布的外旋流叶片，可以组织来流空气形成旋转气流，旋转气流作为二次风通过二次风通道从其前端的二级外旋流叶片流出，二级外旋流叶片和外旋流叶片具有相同的旋向，可以进一步提高二次风的旋流强度。二级内旋流叶片的旋向和内旋流叶片，二级外旋流叶片和外旋流叶片的旋向均相反，可以更好的帮助旋流预混气和旋流二次风在旋流预混气产生的回流区后进行混合，并产生新的回流区从而卷吸通过二级氢燃料喷嘴喷出的氢燃料到预混气体火焰前端改善预混气体的燃烧状态。

进一步的，二次风通道中的二次风流量根据二级掺氢燃料管路中的氢燃料流量进行确定，使整体的氢燃料空气当量在1以上，引入旋流二次风一方面可以利用旋流二次风产生的回流区帮助天然气掺氢混合气和空气在燃烧时均匀混合，并卷吸通过二级氢燃料喷嘴喷出的氢燃料，使其能够参与到天然气掺氢混合气的燃烧过程中，另一方面是可以通过调整旋流二次风的流量与旋流强度，改变天然气掺氢混合气预混燃烧时流场和温度场的分布，优化其热释放率的脉动和压力脉动之间的耦合关系，从而提高燃烧稳定性，减少发生热声不稳定以及回火等燃烧不稳定现象的可能性。

进一步的，外旋流叶片和二级外旋流叶片的叶片角度能够连续调整，可以通过改变外旋流叶片和二级外旋流叶片的叶片角度改变旋流二次风的旋流强度，并调整二级外旋流叶片在二次风通道中的轴向位置改变旋流二次风的轴向速度和切向速度相对大小，从而有效地控制旋流二次风在离开二次风通道后在燃烧腔中的流场分布，确保旋流二次风在不过早和旋流一次风混合的情况下充分卷吸并搅拌由二级氢燃料喷嘴喷出的氢燃料，从而保证燃烧器在燃烧具有不同掺氢比例的天然气掺氢混合气时都能够处于最优的燃烧工况。

进一步的，由于通过二级氢燃料喷嘴喷出的氢燃料的燃烧实质上为扩散燃烧，与天然气掺氢混合气的贫预混燃烧工况相比，氢燃料的扩散燃烧工况会更加的稳定，因此二级掺氢燃料管路中可以通入纯氢燃料，从而在不破坏燃烧稳定性的情况下提高整个燃烧器的掺氢总量，但是由于扩散燃烧会产生较高的氮氧化物排放，经过实验验证应控制二级掺氢燃料管路中的纯氢燃料的流量在天然气掺氢混合气流量的30％以下，可以在将燃烧器燃烧总掺氢比例提高至50％以上的同时，保证燃烧产生的总氮氧化物排放量符合超低排放的标准；氢燃料经过二级掺氢燃料管路后进入环形氢燃料分配室，然后通过二级氢燃料喷嘴喷出到燃烧腔进行扩散燃烧，所述环形氢燃料分配室一方面可以为氢燃料的输送起到缓冲作用，在通过二级掺氢燃料管路的氢燃料的流量发生局部波动时，消除或减弱其对燃烧的影响，另一方面可以把通过二级掺氢燃料管路进入的氢燃料均匀地分配给二级氢燃料喷嘴的各个喷头，保证氢燃料通过二级氢燃料喷嘴喷出后能够均匀地分布在燃烧腔中。

进一步的，二级掺氢燃料管路通过流量调节阀与一级掺氢燃料管路相连通，并通过设置在二级掺氢燃料管路的流量调节阀和设置在一级掺氢燃料管路上的流量调节阀对氢燃料的流量进行控制进而控制整个燃烧器的掺氢比例。

进一步的，二级氢燃料喷嘴包含多个沿圆周均匀分布的氢燃料喷头，不仅可以通过和环形氢燃料分配室配合在喷送氢燃料后使氢燃料均匀地分布在燃烧腔中，从而使旋流二次风能够更充分地对二级氢燃料喷嘴喷出的氢燃料进行卷吸，帮助其进入预混气火焰前端改善其燃烧状态，还可以形成多股自由射流，比起单股自由射流可以更有效地控制燃烧腔内的流场分布和温度分布，改变火焰燃烧热释放率脉动和压力脉动的耦合关系，从而使燃烧更加稳定，避免发生热声不稳定和回火等燃烧不稳定现象；二级氢燃料喷嘴喷出的氢燃料在通过外旋流叶片和二级外旋流叶片形成的旋流二次风产生的回流区的卷吸作用下，可以进入预混气体火焰前端并进行燃烧，在几乎不提高燃烧温度产生额外氮氧化物排放的同时，使火焰前端的预混气体较火焰根部的预混气体更偏离其贫燃极限，从而有效促进预混气体稳定燃烧；另一方面，从二级氢燃料喷嘴喷出的氢燃料可以被预混气体的火焰点燃，并依靠旋流二次风提供的氧气维持扩散燃烧的状态，从而作为一股值班火焰有效改善预混气体燃烧的稳定性，减少燃烧不稳定现象的发生。

进一步的，二级氢燃料喷嘴的氢燃料喷头可以采用渐缩式径向直喷喷头和渐缩式轴向直喷喷头，其喷射方向与燃烧器的径向或者轴向平行，同时氢燃料喷头的喷孔孔径应在1.2mm以下；氢燃料喷头的渐缩式结构以及微小孔径可以有效地加快所喷出氢燃料的流速，不仅可以在一定程度上加强其与预混气和二次旋流风的混合，防止回火现象的发生，还可以抬升氢燃料的扩散火焰，保护二级氢燃料喷嘴不发生烧蚀。

附图说明

图1是一种空气燃料双分级高比例掺氢超低氮燃烧器剖面图。

图2是一种空气燃料双分级高比例掺氢超低氮燃烧器侧视图。

图3是一种空气燃料双分级高比例掺氢超低氮燃烧器的燃料扩散孔开关结构。

图4是一种空气燃料双分级高比例掺氢超低氮燃烧器的二级氢燃料喷嘴。

图5是一种空气燃料双分级高比例掺氢超低氮燃烧器的轴向渐缩式氢燃料喷头。

图6a是一种空气燃料双分级高比例掺氢超低氮燃烧器的径向渐缩式氢燃料喷头。

图6b是一种空气燃料双分级高比例掺氢超低氮燃烧器的径向渐缩式氢燃料喷头剖面图。

图7是一种空气燃料双分级高比例掺氢超低氮燃烧器的燃料管路连接方式图

图中，1-二级外旋流叶片，2-环形氢燃料分配室，3-二次风通道，4-燃料扩散孔，41-圆柱形挡板，5-预混室，6-外旋流叶片，7-内旋流叶片，8-二级氢燃料喷嘴，81-氢燃料喷头，9-二级内旋流叶片，10-法兰盘，11-二级掺氢燃料管路，12-一级混合燃料分配室，13-一级燃料管路，131-一级掺氢燃料管路，14-流量调节阀，15-流量调节阀。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”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一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，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；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

参考图1和图2，图示为一种空气燃料双分级高比例掺氢超低氮燃烧器示意图，来流空气通过预混室5后端的内旋流叶片7和外旋流叶片6分别形成旋流流场进入燃烧器，其中经过内旋流叶片7进入预混室5的来流空气作为一次风与进入预混室5内的天然气氢燃料混合气混合形成预混气后经二级内旋流叶片9旋转引流到燃烧腔进行点火和燃烧，经过外旋流叶片6进入二次风通道3的来流空气作为二次风经二级外旋流叶片1旋转引流到燃烧腔参与燃烧。燃料分为两股，分别从一级燃料管路13和二级掺氢燃料管路11进入燃烧器，其中来自一级燃料管路13的天然气与来自一级掺氢燃料管路131的氢燃料混合后被输送到一级混合燃料分配室12再经预混室5壁面上均匀分布的燃料扩散孔4进入预混室5与一次风进行混合，二级燃料氢燃料通过二级掺氢燃料管路11进入环形氢燃料分配室2，经由二级氢燃料喷嘴8喷出到燃烧腔帮助预混气体在提高整体掺氢比例的同时，帮助预混火焰稳定燃烧，燃烧器中使用的氢燃料可以为纯氢燃料或氢燃料氨气混合气。

预混室5后端设置有同轴分布的内旋流叶片7，用于组织来流空气形成旋流一次风，使其在预混室5内能够更均匀地与其中的天然气掺氢混合气进行预混，能使预混气体的火焰更加紧凑并有效提高燃烧效率，降低氮氧化物的排放。预混室5后部壁面上设置有多排均匀分布的燃料扩散孔4，从一级燃料管路13进入一级混合燃料分配室12的天然气掺氢混合气可以通过沿圆柱面均匀分布的燃料扩散孔4从一级混合燃料分配室12进入到预混室5中，多排均匀分布的燃料扩散孔4可以帮助天然气掺氢混合气与经过内旋流叶片7所形成的旋流一次风在预混室5的圆柱形空间中实现更加充分的混合。燃烧器在工作过程中需要通过控制天然气掺氢混合气和一次风的流量来控制天然气掺氢混合气空气当量比小于1，使预混气体进行贫预混燃烧，从而有效降低燃烧时的火焰温度来减少氮氧化物的生成量。

本发明所述燃料扩散孔4相邻两排可以错列分部。

预混室5前端设置有与内旋流叶片7具有相同旋向的二级内旋流叶片9，二级内旋流叶片9与预混室5和内旋流叶片7均同轴分布，通过二级内旋流叶片9的预混气体可以形成更为强烈的轴对称旋转射流，从而引发预混气体的回流或卷吸，一方面可以有效促进一次风和天然气掺氢混合气的均匀混合，提高预混气体点火以及燃烧时的稳定性，另一方面还可以在燃烧时通过烟气内循环在燃烧腔中形成局部还原区并降低燃烧温度从而有效降低氮氧化物的排放量。根据实际需求在二级内旋流叶片9前部设置合适的点火装置，用于点燃预混气体形成火焰。

进一步的，内旋流叶片7和二级内旋流叶片9采用叶片角度连续可调的结构，可以通过改变内旋流叶片7和二级内旋流叶片9的叶片角度改变预混气体的旋流强度，进而对预混气体燃烧产生的回流区的位置与大小和预混燃烧火焰的位置进行调整，确保烟气内循环和燃料分级可以发挥作用，从而保证燃烧器在燃烧具有不同掺氢比例的天然气掺氢混合时有能处于最优的燃烧工况。

一级混合燃料分配室12沿预混室外侧布置，一级混合燃料分配室12的长度方向布置在燃料扩散孔4的范围，一级燃料管路13出口端连通一级混合燃料分配室12，进口端连接天然气掺氢混合气管路，为保证天然气掺氢混合气预混燃烧的稳定性以及整个燃烧器的安全性，其中天然气掺氢混合气的掺氢比例应控制在20％以下。天然气掺氢混合气经过一级燃料管路13充满环形的一级混合燃料分配室12后，通过环形一级混合燃料分配室12和预混室5交界面上的燃料扩散孔4进入预混室5，所述环形一级混合燃料分配室12可以为天然气掺氢混合气的输送起到缓冲作用，在通过一级燃料管路13的天然气掺氢混合气的流量发生局部波动时，消除或减弱其对燃烧的影响。

二次风通道3后端设置有与其同轴分布的外旋流叶片6，可以组织来流空气形成旋转流场，旋转气流作为二次风通过二次风通道3经其前端的二级外旋流叶片1旋转引出，二级外旋流叶片1和外旋流叶片6具有相同的旋向，二级外旋流叶片1用于进一步提高二次风的旋流强度。二级内旋流叶片9和内旋流叶片7与二级外旋流叶片1和外旋流叶片6的旋向相反，可以更好的帮助旋流预混气和旋流二次风在回流区后进行混合，并产生新的回流区从而卷吸通过二级氢燃料喷嘴8喷出的氢燃料到预混气体火焰前端，改善预混气体的燃烧状态。

二次风通道3中的二次风流量需要根据二级掺氢燃料管路11中的氢燃料流量进行确定，从而使整体的氢燃料空气当量在1以上，引入旋流二次风最重要的作用是改善燃烧而非提供氧气，由于预混气体本身已经处于贫预混燃烧状态，其天然气掺氢混合气空气的当量比已经小于1，并不需要额外的氧气，因此引入旋流二次风的主要作用一方面是利用旋流二次风产生的回流区帮助天然气掺氢混合气和空气在燃烧时均匀混合，并卷吸通过二级氢燃料喷嘴8喷出的氢燃料，使其能够参与到天然气掺氢混合气的燃烧过程中，另一方面是可以通过调整旋流二次风的流量与旋流强度，改变天然气掺氢混合气预混燃烧时流场和温度场的分布，优化其热释放率的脉动和压力脉动之间的耦合关系，从而提高燃烧稳定性，减少发生热声不稳定以及回火等燃烧不稳定现象的可能性。

外旋流叶片6和二级外旋流叶片1采用叶片角度能够连续调整的结构，可以通过改变外旋流叶片6和二级外旋流叶片1的叶片角度改变旋流二次风的旋流强度，并调整二级外旋流叶片1在二次风通道3中的轴向位置改变旋流二次风的轴向速度和切向速度相对大小，从而有效地控制旋流二次风在离开二次风通道3后在燃烧腔中的流场分布，确保旋流二次风在不过早和旋流一次风混合的情况下充分卷吸并搅拌由二级氢燃料喷嘴8喷出的氢燃料，从而保证燃烧器在燃烧具有不同掺氢比例的天然气掺氢混合气时都能够处于最优的燃烧工况。

二级掺氢燃料管路11的出口端连通环形氢燃料分配室2，二级掺氢燃料管路11进口端连接氢燃料管道，由于通过二级氢燃料喷嘴8喷出的氢燃料的燃烧实质上为扩散燃烧，与天然气掺氢混合气的贫预混燃烧工况相比，氢燃料的扩散燃烧工况会更加的稳定，因此二级掺氢燃料管路11中可以通入纯氢燃料，从而提高整个燃烧器的掺氢总量，但是由于扩散燃烧会产生较高的氮氧化物排放，经过基础理论探索和实验验证应控制二级掺氢燃料管路11中的纯氢燃料的流量在天然气掺氢混合气流量的30％以下。氢燃料经过二级掺氢燃料管路11后进入环形氢燃料分配室2，然后通过二级氢燃料喷嘴8喷出到燃烧腔进行扩散燃烧，所述环形氢燃料分配室2一方面可以为氢燃料的输送起到缓冲作用，在通过二级掺氢燃料管路11的氢燃料的流量发生局部波动时，消除或减弱其对燃烧的影响，另一方面可以把通过二级掺氢燃料管路11进入的氢燃料均匀地分配给二级氢燃料喷嘴8的各个喷头，保证氢燃料通过二级氢燃料喷嘴8喷出后能够均匀地分布在燃烧腔中。

环形氢燃料分配室2的壁面应采用X70、X80等以铁素体组织为主或者是添加了镍、铜元素具有优异抗氢脆性能的钢材，也可以对环形氢燃料分配室2的壁面添加铝化物涂层、铂涂层以及新型氧化物涂层从而有效地抑制氢燃料在环形氢燃料分配室2壁面中的扩散，减弱氢燃料和环形氢燃料分配室2壁面的相互作用，最大程度上避免环形氢燃料分配室2的壁面氢脆现象的发生，保证燃烧器运行的安全性与可靠性。

参考图3，预混室5壁面上可以设置有多排与预混室5同轴分布的圆柱形挡板41，挡板上设置有与燃料扩散孔4完全对应的孔，可以通过旋转圆柱形挡板41实现燃料扩散孔4中部分孔的关闭和开启，燃料扩散孔4可以通过开启或关闭部分孔来改变可以流通天然气掺氢混合气的孔的数量来适应因掺入氢燃料比例的改变所导致的天然气掺氢混合气整体扩散性的变化，从而控制天然气掺氢混合气的通过燃料扩散孔4向预混室5的扩散效果，保证天然气掺氢混合气与一次风在预混室5中具有最优的预混效果。

参考图4，二级氢燃料喷嘴8包含多个沿圆周均匀分布的氢燃料喷头81，氢燃料喷头81连通环形氢燃料分配室2，不仅可以通过和环形氢燃料分配室2配合在喷送氢燃料后使氢燃料均匀地分布在燃烧腔中，从而使旋流二次风能够更充分地对二级氢燃料喷嘴8喷出的氢燃料进行卷吸，帮助其进入预混气火焰前端改善其燃烧状态，还可以形成多股自由射流，比起单股自由射流可以更有效地控制燃烧腔内的流场分布和温度分布，改变火焰燃烧热释放率脉动和压力脉动的耦合关系，从而使燃烧更加稳定，避免发生热声不稳定和回火等燃烧不稳定现象。

二级氢燃料喷嘴8喷出的氢燃料在通过外旋流叶片6和二级外旋流叶片1形成的旋流二次风产生的回流区的卷吸作用下，可以进入预混气体火焰前端并进行燃烧。由于氢燃料空气的可燃当量比为0.1-0.8，而天然气空气的可燃当量比为0.4-1.5，所以氢燃料的贫燃极限要远低于天然气的贫燃极限，因此由二级氢燃料喷嘴8喷出的氢燃料回流至预混气体前端后可以有效地改善通过二级内旋流叶片9流出的预混气体的贫预混燃烧状态，在几乎不提高燃烧温度产生额外氮氧化物排放的同时，使火焰前端的预混气体较火焰根部的预混气体更偏离其贫燃极限，从而有效促进预混气体稳定燃烧；另一方面，天然气的最小点火能为0.28MJ，而氢燃料的最小点火能只有0.02MJ，约为天然气最小点火能的十四分之一，与天然气相比氢燃料极易被点燃并维持燃烧，所以在通过外旋流叶片6和二级外旋流叶片1形成的旋流二次风的卷吸作用下，从二级氢燃料喷嘴8喷出的氢燃料可以被预混气体的火焰点燃，并依靠旋流二次风提供的氧气维持扩散燃烧的状态，从而作为一股值班火焰有效改善预混气体燃烧的稳定性，减少燃烧不稳定现象的发生。

参考图5，二级氢燃料喷嘴8的氢燃料喷头81采用渐缩式的轴向直喷喷头，其喷射方向与燃烧器的轴向平行，同时氢燃料喷头81的喷孔孔径应在1.2mm以下。氢燃料喷头81的渐缩式结构以及微小孔径可以有效地加快所喷出氢燃料的流速，不仅可以在一定程度上加强氢燃料与预混气和二次旋流风的混合，防止回火现象的发生，还可以抬升氢燃料的扩散火焰，保护二级氢燃料喷嘴8不发生烧蚀。

参考图6a和图6b，二级氢燃料喷嘴8的氢燃料喷头81可以采用渐缩式的径向直喷喷头，其喷射方向和燃烧器的径向平行，同时氢燃料喷头的喷孔沿圆周均匀分布在喷头的侧面，有助于氢燃料均匀的充满二级燃烧区域，同时氢燃料喷头81沿周向分布的喷孔呈现出渐缩式结构，其孔径保持在1.2mm以下，可以有效加快所喷出氢燃料的流速，防止回火现象的发生，同时保护二级氢燃料喷嘴8不发生烧蚀。

参考图7，一级掺氢燃料管路131可以与二级掺氢燃料管路11通过流量调节阀14相连通，并通过设置在二级掺氢燃料管路11的流量调节阀15和在一级掺氢燃料管路131上的流量调节阀14对氢燃料的流量进行控制进而控制整个燃烧器的掺氢比例。

以上，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明专利构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (16)

1.一种空气燃料双分级高比例掺氢超低氮燃烧器，其特征在于：包括二级外旋流叶片(1)、环形氢燃料分配室(2)、二次风通道(3)、燃料扩散孔(4)、预混室(5)、外旋流叶片(6)、内旋流叶片(7)、二级氢燃料喷嘴(8)、二级内旋流叶片(9)、法兰盘(10)、二级掺氢燃料管路(11)、一级混合燃料分配室(12)、一级燃料管路(13)，其中二级外旋流叶片(1)、环形氢燃料分配室(2)、二次风通道(3)、预混室(5)、外旋流叶片(6)、内旋流叶片(7)、二级氢燃料喷嘴(8)、一级混合燃料分配室(12)以及二级内旋流叶片(9)同轴设置，环形氢燃料分配室(2)和一级混合燃料分配室(12)布置在预混室(5)外侧，二次风通道(3)位于一级混合燃料分配室(12)外侧，内旋流叶片(7)和二级内旋流叶片(9)分别设置在预混室(5)入口端和出口端，外旋流叶片(6)和二级外旋流叶片(1)分别设置在二次风通道(3)的入口端和出口端；环形氢燃料分配室(2)的入口端和出口端分别连通二级掺氢燃料管路(11)和二级氢燃料喷嘴(8)，一级混合燃料分配室(12)的入口和出口端分别连通一级燃料管路(13)和一级混合燃料分配室(12)；预混室(5)的壁面上开设多个燃料扩散孔(4)；一级燃料管路(13)连接有一级掺氢燃料管路(131)。

2.根据权利要求1所述的空气燃料双分级高比例掺氢超低氮燃烧器，其特征在于：二级氢燃料喷嘴(8)沿周向均匀布置多个氢燃料喷头(81)，氢燃料喷头(81)为渐缩式喷头，氢燃料喷头(81)的孔径小于1.2mm。

3.根据权利要求1所述的空气燃料双分级高比例掺氢超低氮燃烧器，其特征在于：氢燃料喷头(81)采用径向喷头或轴向直喷头。

4.根据权利要求1所述的空气燃料双分级高比例掺氢超低氮燃烧器，其特征在于：二级内旋流叶片(9)和内旋流叶片(7)的旋向与二级外旋流叶片(1)和外旋流叶片(6)的旋向相反；内旋流叶片(7)与二级内旋流叶片(9)的旋向相同，二级外旋流叶片(1)和外旋流叶片(6)的旋向相同。

5.根据权利要求1所述的空气燃料双分级高比例掺氢超低氮燃烧器，其特征在于：二级外旋流叶片(1)、外旋流叶片(6)、内旋流叶片(7)和二级内旋流叶片(9)均采用高角度可连续调节的结构。

6.根据权利要求1所述的空气燃料双分级高比例掺氢超低氮燃烧器，其特征在于：燃料扩散孔(4)设置改变孔径的结构，预混室(5)的壁面上可以设置有多排与预混室(5)同轴分布的圆柱形挡板(41)，挡板上设置有与燃料扩散孔(4)完全对应的孔，可以通过旋转圆柱形挡板(41)实现燃料扩散孔(4)中部分孔的关闭或开启；一级混合燃料分配室(12)与燃料扩散孔(4)沿轴向分布范围相同。

7.根据权利要求1所述的空气燃料双分级高比例掺氢超低氮燃烧器，其特征在于：二级掺氢燃料管路(11)与氢燃料分配室之间设置第一流量调节阀(14)；二级掺氢燃料管路(11)经第二流量调节阀(15)连接一级燃料管路(13)，一级燃料管路(13)连通第一流量调节阀(14)的阀前管道。

8.根据权利要求1所述的空气燃料双分级高比例掺氢超低氮燃烧器，其特征在于：环形氢燃料分配室(2)的壁面采用铁素体钢或者是添加镍、铜的抗氢脆钢材，或环形氢燃料分配室(2)的壁面涂覆铝化物涂层、铂涂层或新型氧化物涂层。

9.根据权利要求1所述的空气燃料双分级高比例掺氢超低氮燃烧器，其特征在于：燃烧器整体为筒状，燃料扩散孔(4)沿轴向分布范围为预混室长度的一半，一级燃料管路(13)的直径大于一级掺氢燃料管路(131)直径，燃烧器外侧设置法兰盘。

10.一种锅炉，其特征在于：基于权利要求1至9任一项所述的空气燃料双分级高比例掺氢超低氮燃烧器。

11.基于权利要求1至9任一项所述的空气燃料双分级高比例掺氢超低氮燃烧器的燃烧方法，其特征在于：经过内旋流叶片(7)进入预混室(5)的来流空气作为一次风与进入预混室(5)内的天然气氢燃料混合气混合形成预混气后经二级内旋流叶片(9)旋转引流到燃烧腔进行点火和燃烧，经过外旋流叶片(6)进入二次风通道(3)的来流空气作为二次风经二级外旋流叶片(1)旋转引流到燃烧腔参与燃烧；

燃料分为两股，分别从一级燃料管路(13)和二级掺氢燃料管路(11)进入燃烧器，其中来自一级燃料管路(13)的天然气与来自一级掺氢燃料管路(131)的氢燃料混合后被输送到一级混合燃料分配室(12)再经预混室(5)壁面上均匀分布的燃料扩散孔(4)进入预混室(5)与一次风进行混合，二级燃料氢燃料通过二级掺氢燃料管路(11)进入环形氢燃料分配室(2)，经由二级氢燃料喷嘴(8)喷出到燃烧腔，提高整体掺氢比例。

12.根据权利要求11所述的燃烧方法，其特征在于：氢燃料为纯氢燃料或氢燃料氨气混合气，天然气掺氢混合气的掺氢比例应控制在20％以下；二级掺氢燃料管路(11)中的纯氢燃料的流量在天然气掺氢混合气流量的30％以下。

13.根据权利要求11所述的燃烧方法，其特征在于：天然气掺氢混合气和一次风的流量来控制天然气掺氢混合气空气当量比小于1。

14.根据权利要求11所述的燃烧方法，其特征在于：通过改变内旋流叶片(7)和二级内旋流叶片(9)的叶片角度改变预混气体的旋流强度，调整对预混气体燃烧产生的回流区的位置与大小和预混燃烧火焰的位置，使燃烧器在燃烧具有不同掺氢比例的天然气掺氢混合时能处于最优的燃烧工况。

15.根据权利要求11所述的燃烧方法，其特征在于：燃料扩散孔(4)通过改变天然气掺氢混合气的流通面积来适应天然气掺氢混合气整体扩散性的变化，控制天然气掺氢混合气通过燃料扩散孔(4)向预混室(5)的扩散，使天然气掺氢混合气与一次风在预混室(5)中具有最优的预混效果。

16.根据权利要求11所述的燃烧方法，其特征在于：通过改变外旋流叶片(6)和二级外旋流叶片(1)的叶片角度改变旋流二次风的旋流强度，并调整二级外旋流叶片(1)在二次风通道(3)中的轴向位置改变旋流二次风的轴向速度和切向速度相对大小，控制旋流二次风离开二次风通道(3)后在燃烧腔中的流场分布。

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