CN118031212A - 氢气富氧燃烧器和加热炉 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种氢气富氧燃烧器和加热炉。由于环形氢气通道和外围氢气通道沿径向间隔设置，且二者连通，因此一部分氢气会通过环形氢气通道的出口喷出，另一部分氢气会进入外围氢气通道，并通过外围氢气通道的出口喷入燃料稀释通道中；由于燃料稀释通道与炉膛连通，因此在氢气高速射流的卷吸作用下，炉膛内的高温烟气会被卷吸进入燃料稀释通道内，使得燃料稀释通道出口的氢气被烟气稀释，从而降低了外围氢气燃烧形成火焰的温度，有效的抑制了高温环境下大量产生的氮氧化物。同时，由于环形氢气通道和外围氢气通道的设置，使得氢气可以分两级燃烧，降低局部高温的可能，从而实现低氮氧化物排放，降低对环境的污染程度。
Description
技术领域
本申请涉及燃烧器技术领域，特别是涉及氢气富氧燃烧器和加热炉。
背景技术
加热炉大都以碳氢可燃气体如天然气、氢气、高炉煤气、焦炉煤气、发生炉煤气和混合煤气等作为燃料。通过提高常规空气中的氧浓度从而实现富氧燃烧，可以降低着火温度、提高炉膛燃烧温度和传热效率、减少排烟损失，将之用于加热炉上不仅扩大了燃料的来源，而且使得高炉煤气等低热值燃料的高效利用成为可能，同时可以有效解决钢铁生产过程中存在的氧气耗散问题。
相关技术中，在燃烧过程中，燃烧器易出现局部高温，破坏了炉内温度分布，导致氮氧化物排放升高，而氮氧化物是重要的大气污染物，是引发酸雨、雾霾的重要因素，因而会对环境产生负面影响。
发明内容
基于此，有必要针对现有的燃烧器易出现氮氧化物排放升高的问题，提供一种氢气富氧燃烧器。
一种氢气富氧燃烧器，应用于加热炉，所述氢气富氧燃烧器包括：
助燃空气通道；
氢气通道，与所述助燃空气通道沿径向间隔设置；所述氢气通道包括沿径向间隔设置的环形氢气通道和外围氢气通道，且所述外围氢气通道与所述环形氢气通道连通；
燃料稀释通道，所述燃料稀释通道的入口与所述外围氢气通道的出口连通，且与所述加热炉的炉膛连通；
富氧空气通道，设置于所述助燃空气通道内，且与所述环形氢气通道间隔设置。
在其中一个实施例中，所述环形氢气通道和所述外围氢气通道之间连接有分配支管，位于所述环形氢气通道的部分氢气能够通过所述分配支管进入所述外围氢气通道。
在其中一个实施例中，所述外围氢气通道的出口设置有射流喷嘴，在亚声速条件下，自所述外围氢气通道入口指向所述外围氢气通道出口的方向，所述射流喷嘴的口径逐渐减小；或
所述外围氢气通道的出口设置有射流喷嘴，在超声速条件下，自所述外围氢气通道入口指向所述外围氢气通道出口的方向，所述射流喷嘴的口径先逐渐减小后逐渐增大。
在其中一个实施例中，所述助燃空气通道与所述炉膛之间设置有烟气导流结构，所述烟气导流结构用于将所述炉膛内的部分烟气引入所述助燃空气通道。
在其中一个实施例中，所述烟气导流结构包括倾斜设置的导流板，所述导流板与所述氢气富氧燃烧器中轴线的夹角为15°至40°。
在其中一个实施例中，所述富氧空气通道包括多个，多个所述富氧空气通道沿周向间隔布置；和/或
所述富氧空气通道为管型结构；和/或
所述燃料稀释通道包括多个，多个所述燃料稀释通道沿周向间隔布置。
在其中一个实施例中，所述富氧空气通道的出口设置有用于供富氧空气喷出的径向射流孔和斜向射流孔。
在其中一个实施例中，所述径向射流孔包括多个，多个所述径向射流孔沿周向间隔布置；和/或
所述斜向射流孔包括多个，多个所述斜向射流孔沿周向间隔布置。
在其中一个实施例中，所述氢气富氧燃烧器还包括与所述环形氢气通道沿径向间隔设置的中心空气通道。
一种加热炉，包括如上所述的氢气富氧燃烧器。
上述氢气富氧燃烧器，包括助燃空气通道、富氧空气通道、氢气通道和燃料稀释通道。由于环形氢气通道和外围氢气通道沿径向间隔设置，且二者连通，因此进入燃烧器的一部分氢气会通过环形氢气通道的出口喷出，另一部分氢气会进入外围氢气通道，并通过外围氢气通道的出口喷入燃料稀释通道中；由于燃料稀释通道与炉膛连通，因此在氢气高速射流的卷吸作用下，炉膛内的高温烟气会被卷吸进入燃料稀释通道内，使得燃料稀释通道出口的氢气被烟气稀释，燃烧反应速率被削弱，从而降低了外围氢气燃烧形成火焰的温度，有效的抑制了高温环境下大量产生的氮氧化物。同时，由于环形氢气通道和外围氢气通道的设置，使得氢气在燃烧器内部实现了径向位置的分级，并在燃烧器出口位置与助燃空气和富氧空气混合，在燃烧器下游形成稳定的高温燃烧区域，降低局部高温的可能，从而实现低氮氧化物排放，降低对环境的污染程度。
附图说明
图1为本申请一实施例提供的氢气富氧燃烧器的示意图。
图2为图1所示的氢气富氧燃烧器中的A处的局部放大图。
图3为图1所示的氢气富氧燃烧器的局部剖视图。
图4为图1所示的氢气富氧燃烧器的正视图。
图5为图4所示的氢气富氧燃烧器的侧视图。
图6为图4所示的氢气富氧燃烧器的B-B截面的剖面图。
附图标号：1、中心空气通道；2、环形氢气通道；3、助燃空气通道；4、富氧空气通道；5、外围氢气通道；6、分配支管；7、轴向喷孔；8、射流喷嘴；9、燃料稀释通道；10、冷却空气孔；11、火焰稳定器；12、烟气导流结构；13、径向射流孔；14、斜向射流孔；100、氢气富氧燃烧器。
具体实施方式
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。
在本申请的描述中，需要理解的是，若有出现这些术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等，这些术语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。
此外，若有出现这些术语“第一”、“第二”，这些术语仅用于描述目的，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。在本申请的描述中，若有出现术语“多个”，“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。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，若有出现术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等，这些术语应做广义理解。例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。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。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，若有出现第一特征在第二特征“上”或“下”等类似的描述，其含义可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
需要说明的是，若元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。若一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。如若存在，本申请所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
氮氧化物是重要的大气污染物，是引发酸雨、雾霾的重要因素。随着环保要求的日益提高，对于氮氧化物排放量的限制也日趋严格。近些年，以氢气为燃料的清洁型燃气燃烧器得到了大力发展。在钢铁、石化、冶金等行业，为进一步实现能源的节约，需有效利用富氧空气对燃气进行助燃，通过将燃料气和助燃空气进行混合并组织燃烧来达到释放热量的目的，从而取得更高的燃烧温度，更大的换热效率，以及更少的高温烟气排放。相关技术中，在燃烧过程中，燃烧器易出现局部高温，破坏了炉内温度分布，导致氮氧化物排放升高，而氮氧化物是重要的大气污染物，是引发酸雨、雾霾的重要因素，因而会对环境产生负面影响。
基于此，本案提供了一种应用于加热炉的氢气富氧燃烧器，能够解决上述技术问题。下面将结合附图，对本申请实施例提供的氢气富氧燃烧器做详细介绍。
参阅图1至图3所示，本申请一实施例提供的氢气富氧燃烧器100，应用于加热炉，氢气富氧燃烧器100包括助燃空气通道3、氢气通道、燃料稀释通道9和富氧空气通道4；氢气通道与助燃空气通道3沿径向间隔设置；氢气通道包括沿径向间隔设置的环形氢气通道2和外围氢气通道5，且外围氢气通道5与环形氢气通道2连通；燃料稀释通道9的入口与外围氢气通道5的出口连通，且与加热炉的炉膛连通；富氧空气通道4设置于助燃空气通道3内，且与环形氢气通道2间隔设置。其中，外围氢气通道5与环形氢气通道2公用一个氢气进口。
上述氢气富氧燃烧器100，由于环形氢气通道2和外围氢气通道5沿径向间隔设置，且二者连通，因此进入燃烧器的一部分氢气会通过环形氢气通道2的出口喷出，另一部分氢气会进入外围氢气通道5，并通过外围氢气通道5的出口喷入燃料稀释通道9中；由于燃料稀释通道9与炉膛连通，因此在氢气高速射流的卷吸作用下，炉膛内的高温烟气会被卷吸进入燃料稀释通道9内，使得燃料稀释通道9出口的氢气被烟气稀释，燃烧反应速率被削弱，从而降低了外围氢气燃烧形成火焰的温度，有效的抑制了高温环境下大量产生的氮氧化物。同时，由于环形氢气通道2和外围氢气通道5的设置，使得氢气在燃烧器内部实现了径向位置的分级，并在燃烧器出口位置与助燃空气和富氧空气混合，在燃烧器下游形成稳定的高温燃烧区域，降低局部高温的可能，从而实现低氮氧化物排放，降低对环境的污染程度。
参阅图3至图4所示，在一些实施例中，环形氢气通道2的出口处设置有多个轴向喷孔7，多个轴向喷孔7沿燃烧器的周向布置。通过设置多个轴向喷孔7，使得氢气能够从多个位置喷出，氢气的分布位置更为均匀，进而更好地与助燃空气和富氧空气混合，以形成稳定的高温燃烧区域，降低局部高温的可能。优选的，轴向喷孔7的直径为1mm至4mm，孔数为36个至60个。助燃空气通道3出口处设置有多个火焰稳定器11，使得助燃空气在火焰稳定器11下游形成弱旋流的低速区，并在燃烧器出口与中心氢气和外围氢气混合，在燃烧器下游形成稳定火焰。
参阅图3和图6所示，在其中一个实施例中，环形氢气通道2和外围氢气通道5之间连接有分配支管6，使得进入燃烧器的氢气能够经由分配支管6分成中心氢气和外围氢气两部分，中心氢气最终从环形氢气通道2出口处的轴向喷孔7中喷出；外围氢气通过分配支管6进入外围氢气通道5，并通过外围氢气通道5的出口喷入燃料稀释通道9中，在氢气高速射流的卷吸作用下，炉膛内的高温烟气会被卷吸进入燃料稀释通道9内，使得燃料稀释通道9出口的氢气被烟气稀释，燃烧反应速率被削弱，从而降低了外围氢气燃烧形成火焰的温度，有效的抑制了高温环境下大量产生的氮氧化物。
参阅图3至图6所示，在其中一个实施例中，外围氢气通道5的出口设置有射流喷嘴8，在亚声速条件下，自外围氢气通道5入口指向外围氢气通道5出口的方向，射流喷嘴8的口径逐渐减小。由于流量等于流速和流通面积的乘积，因此通过将射流喷嘴8的口径设置成减缩结构，使得外围氢气通道5流出的氢气的流速增加，形成高速射流，使得炉膛内的高温烟气会在高速射流氢气的卷吸作用下，进入燃料稀释通道9内，使得燃料稀释通道9出口的氢气被烟气稀释，燃烧反应速率被削弱，从而降低了外围氢气燃烧形成火焰的温度，有效的抑制了高温环境下大量产生的氮氧化物。在超声速条件下，自外围氢气通道5入口指向外围氢气通道5出口的方向，射流喷嘴8的口径先逐渐减小后逐渐增大。
参阅图3和图6所示，在其中一个实施例中，氢气富氧燃烧器100还包括与环形氢气通道2沿径向间隔设置的中心空气通道1。助燃空气进入燃烧器后分为两部分，一部分助燃空气进入中心空气通道1，从中心空气通道1出口处的冷却空气孔10中喷出，其中，冷却空气孔10位于环形氢气通道2的轴向喷孔7内侧；另一部分助燃空气进入助燃空气通道3，流经助燃空气通道3出口处的火焰稳定器11，在火焰稳定器11下游形成弱旋流的低速区，并在燃烧器出口与中心氢气和外围氢气混合，在燃烧器下游形成稳定火焰。
参阅图3和图6所示，在其中一个实施例中，助燃空气通道3与炉膛之间设置有烟气导流结构12，烟气导流结构12用于将炉膛内的部分烟气引入助燃空气通道3。通过烟气导流结构12将炉膛内的部分烟气引入助燃空气通道3内，实现了烟气对助燃空气的稀释，从而降低了单位体积下助燃空气中的氧气含量，从而降低燃烧温度，进一步控制中心火焰温度，实现低氮氧化物排放。
参阅图3和图6所示，在其中一个实施例中，烟气导流结构12包括倾斜设置的导流板。通过燃料稀释通道9和烟气导流结构12，实现了将燃烧后的烟气分两级引入燃烧器内部，一部分烟气会经过导流板进入助燃空气通道3，实现了烟气对助燃空气的稀释，降低火焰核心温度；一部分烟气会进入燃料稀释通道9，对氢气燃料进行稀释，能有效降低火焰高温区，大幅降低燃烧后烟气中氮氧化物的排放。优选的，导流板的倾斜角度为15°至40°，即导流板与氢气富氧燃烧器100的中轴线的夹角为15°至40°。
参阅图3和图4所示，在其中一个实施例中，富氧空气通道4包括多个，多个富氧空气通道4沿周向间隔布置。通过设置多个富氧空气通道4，使得富氧空气能够从多个位置喷出，富氧空气的分布位置更为均匀，进而更好地与助燃空气和氢气混合，以形成稳定的高温燃烧区域，降低局部高温的可能。
其中，富氧空气通道4的数量可以根据实际供应的富氧空气流量调整，富氧空气通道4的设置位置可根据富氧空气中的氧含量进行调整，从而保证最优的氢气火焰稳定性。富氧空气通道4可以为管状结构。通过设置富氧空气通道4、中心空气通道1以及助燃空气通道3，可实现常规空气或富氧空气对氢气火焰的助燃，并能根据富氧空气流量和富氧空气中氧浓度的不同，调整相应结构实现对各类工业炉膛的适应。优选的，富氧空气通道4的数量为四根至八根。
参阅图3和图5所示，在其中一个实施例中，燃料稀释通道9包括多个，多个燃料稀释通道9沿周向间隔布置。通过设置多个燃料稀释通道9，使得被稀释后的氢气能够从多个位置喷出，氢气的分布位置更为均匀，进而更好地与助燃空气和富氧空气混合，以形成稳定的高温燃烧区域，降低局部高温的可能，进而降低氮氧化物的排放。优选的，燃料稀释通道9的个数为6个至12个，燃料稀释通道9的出口直径可以为10mm至40mm。
参阅图3和图4所示，在其中一个实施例中，富氧空气通道4的出口设置有用于供富氧空气喷出的径向射流孔13和斜向射流孔14。通过设置径向射流孔13和斜向射流孔14，使得富氧空气从多个位置喷出，并与中心氢气、外围氢气、助燃空气相混合，共同形成稳定的高温火焰。
参阅图3和图4所示，在其中一个实施例中，径向射流孔13包括多个，多个径向射流孔13沿周向间隔布置。进一步地，斜向射流孔14包括多个，多个斜向射流孔14沿周向间隔布置。如此，富氧空气的分布更为均匀，更好地与助燃空气和氢气混合，形成温度的高温燃烧区域，降低局部高温的可能，进而降低氮氧化物的排放。优选的，径向喷射孔的直径为2mm至6mm，孔数为6个至12个。斜向喷射孔的直径为2mm至6mm，孔数为4个至10个。
参阅图1至图6所示，上述氢气富氧燃烧器100，通过分配支管6将外围氢气通道5和环形氢气通道2连通，实现氢气的内、外分级燃烧，少量的中心氢气用于保证燃烧器下游火焰的稳定性，大量的外围氢气通过烟气稀释的方式，降低火焰核心温度，有助于降低烟气中氮氧化物排放。该分级策略有利于增大燃烧器的调节比。通过设置助燃空气通道3和富氧空气通道4，可实现三种模式下的氢气燃烧，包括常规空气助燃模式、富氧空气助燃模式以及常规空气和富氧空气同时助燃的模式，且能根据富氧空气流量和富氧空气中氧浓度的不同，调整富氧空气通道4的数量和位置，实现火焰的可调性，加强对各类工业炉膛的适应能力。通过燃料稀释通道9实现烟气对外围氢气的稀释，降低了单位体积下燃气的热值，从而降低燃烧温度，实现对氮氧化物的控制；通过烟气导流结构12实现烟气对助燃空气的稀释，降低了单位体积下助燃空气中的氧气含量，从而降低燃烧温度，进一步控制中心火焰温度，实现低氮氧化物排放。
进一步地，本申请一实施例还提供一种加热炉（图未示），包括炉膛和设置于炉膛内的上述任一实施例的氢气富氧燃烧器100。在燃烧过程中，炉膛内的高温烟气会被卷吸进入燃料稀释通道9内，使得燃料稀释通道9出口的氢气被烟气稀释，燃烧反应速率被削弱，从而降低了外围氢气燃烧形成火焰的温度，有效的抑制了高温环境下大量产生的氮氧化物。同时，由于环形氢气通道2和外围氢气通道5的设置，使得氢气在燃烧器内部实现了径向位置的分级，并在燃烧器出口位置与助燃空气和富氧空气混合，在燃烧器下游形成稳定的高温燃烧区域，降低局部高温的可能，从而实现低氮氧化物排放，降低对环境的污染程度。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种氢气富氧燃烧器，其特征在于，应用于加热炉，所述氢气富氧燃烧器包括：
助燃空气通道（3）；
氢气通道，与所述助燃空气通道（3）沿径向间隔设置；所述氢气通道包括沿径向间隔设置的环形氢气通道（2）和外围氢气通道（5），且所述外围氢气通道（5）与所述环形氢气通道（2）连通；
燃料稀释通道（9），所述燃料稀释通道（9）的入口与所述外围氢气通道（5）的出口连通，且与所述加热炉的炉膛连通；
富氧空气通道（4），设置于所述助燃空气通道（3）内，且与所述环形氢气通道（2）间隔设置。
2.根据权利要求1所述的氢气富氧燃烧器，其特征在于，所述环形氢气通道（2）和所述外围氢气通道（5）之间连接有分配支管（6），位于所述环形氢气通道（2）的部分氢气能够通过所述分配支管（6）进入所述外围氢气通道（5）。
3.根据权利要求1所述的氢气富氧燃烧器，其特征在于，所述外围氢气通道（5）的出口设置有射流喷嘴（8），在亚声速条件下，自所述外围氢气通道（5）入口指向所述外围氢气通道（5）出口的方向，所述射流喷嘴（8）的口径逐渐减小；或
所述外围氢气通道（5）的出口设置有射流喷嘴（8），在超声速条件下，自所述外围氢气通道（5）入口指向所述外围氢气通道（5）出口的方向，所述射流喷嘴（8）的口径先逐渐减小后逐渐增大。
4.根据权利要求1所述的氢气富氧燃烧器，其特征在于，所述助燃空气通道（3）与所述炉膛之间设置有烟气导流结构（12），所述烟气导流结构（12）用于将所述炉膛内的部分烟气引入所述助燃空气通道（3）。
5.根据权利要求4所述的氢气富氧燃烧器，其特征在于，所述烟气导流结构（12）包括倾斜设置的导流板，所述导流板与所述氢气富氧燃烧器中轴线的夹角为15°至40°。
6.根据权利要求1所述的氢气富氧燃烧器，其特征在于，所述富氧空气通道（4）包括多个，多个所述富氧空气通道（4）沿周向间隔布置；和/或
所述富氧空气通道（4）为管型结构；和/或
所述燃料稀释通道（9）包括多个，多个所述燃料稀释通道（9）沿周向间隔布置。
7.根据权利要求1所述的氢气富氧燃烧器，其特征在于，所述富氧空气通道（4）的出口设置有用于供富氧空气喷出的径向射流孔（13）和斜向射流孔（14）。
8.根据权利要求7所述的氢气富氧燃烧器，其特征在于，所述径向射流孔（13）包括多个，多个所述径向射流孔（13）沿周向间隔布置；和/或
所述斜向射流孔（14）包括多个，多个所述斜向射流孔（14）沿周向间隔布置。
9.根据权利要求1所述的氢气富氧燃烧器，其特征在于，所述氢气富氧燃烧器还包括与所述环形氢气通道（2）沿径向间隔设置的中心空气通道（1）。
10.一种加热炉，其特征在于，包括如权利要求1至9任一项所述的氢气富氧燃烧器。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202410240372.5A CN118031212A (zh) | 2024-03-04 | 2024-03-04 | 氢气富氧燃烧器和加热炉 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410240372.5A CN118031212A (zh) | 2024-03-04 | 2024-03-04 | 氢气富氧燃烧器和加热炉 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN118031212A true CN118031212A (zh) | 2024-05-14 |
Family
ID=90994807
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202410240372.5A Pending CN118031212A (zh) | 2024-03-04 | 2024-03-04 | 氢气富氧燃烧器和加热炉 |
Country Status (1)
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| CN (1) | CN118031212A (zh) |
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2024
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