旋流烟气再循环燃气燃烧器
技术领域
本发明涉及燃烧
技术领域
，具体而言，本发明涉及旋流烟气再循环燃气燃烧器。背景技术
气体燃料的燃烧器是一种燃烧气体燃料、提供热量或者热烟气的设备，广泛地应用在燃气锅炉、热风炉等燃烧设备中。气体燃料，如天然气、煤气、解析气、热解气等，其燃烧后的主要污染物是氮氧化物和二氧化硫。二氧化硫的生成主要决定于燃料中的含硫量，而氮氧化物的生成与燃烧器的设计密切相关。近些年来，我国对于燃烧设备的环保要求越来越严格，以燃气锅炉为例，北京市颁布了《锅炉大气污染物排放标准》(DB11/139-2015)，要求新建锅炉大气污染物排放浓度不得高于30mg/Nm3(换算到3.5％的排烟O2浓度)。这对于气体燃料的燃烧器技术提出新的挑战。
目前主流的非预混式低氮燃烧器技术在不投入烟气再循环技术的条件下，氮氧化物的原始排放一般在70～120mg/Nm3，使用了烟气再循环技术后，少数燃烧器的原始排放可达到小于30mg/Nm3的氮氧化物排放标准。但是，当使用了较高比例的烟气再循环之后，由于燃烧火焰温度降低，许多燃烧器出现了火焰不稳、震荡、熄火等问题，这给燃烧设备的运行带来了很大的危险。另外一些预混的燃烧技术，例如表面燃烧、多孔介质燃烧等，能够在保证稳定燃烧的前提下实现氮氧化物排放小于30mg/Nm3。然而，预混燃烧技术要求燃烧前燃料和空气已经完全混合，如果操作不当则可能发生爆炸，带来很大的安全隐患。另外一方面，工业生产中经常需要因地制宜，选择低热值燃气，例如煤气、工业合成气、解析气等作为燃料。由于这些低热值燃气的热值低、火焰温度低，在低氮燃烧过程中稳定性出现了更大的问题。因此，市场上急需开发一种低氮燃烧器，在保证稳定燃烧的同时，通过旋流燃烧和烟气再循环燃烧技术有效地控制氮氧化物生成。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的目的在于提出旋流烟气再循环燃气燃烧器，在保证燃烧稳定的前提下，实现了氮氧化物的排放量小于30mg/Nm3，从而满足了日益严苛的环保标准。
本发明提出了一种旋流烟气再循环燃气燃烧器。根据本发明的实施例，该旋流烟气再循环燃气燃烧器包括：
喷口，所述喷口的截面为环形；
燃气枪中心管，所述燃气枪中心管设在所述喷口内，所述燃气枪中心管为环形的腔室，所述燃气枪中心管的外壁与所述喷口的内壁之间的区域形成外空气流道，所述燃气枪中心管的内壁之间的区域形成中心空气流道，所述燃气枪中心管的靠近燃烧端的壁上设有第一燃气喷头；
燃气喷枪，所述燃气喷枪通过支管与所述燃气枪中心管相连通，所述燃气喷枪为环形的腔室，且所述燃气喷枪设在所述燃气枪中心管与所述喷口的内壁之间，所述燃气喷枪的靠近所述燃烧端的壁上设有第二燃气喷头；
外烟气引射单元，所述外烟气引射单元包括外烟气进气口和折流壁，所述外烟气进气口设在所述喷口的靠近所述燃烧端的壁上，所述折流壁的一端与所述喷口的内壁相连，所述折流壁沿着向所述燃烧端的方向延伸，所述外烟气进气口、所述折流壁、所述燃气喷枪的外壁和所述喷口的内壁之间形成外烟气循环腔室；
内烟气引射单元，所述内烟气引射单元包括环形折流壁和环形板，所述环形折流壁的一端与所述燃气喷枪的内壁相连，所述环形折流壁沿着向所述燃烧端的方向延伸，所述环形板通过筋板与所述燃气喷枪的内壁相连，所述环形板沿着向所述燃烧端的方向延伸，所述环形折流壁、所述环形板、所述燃气喷枪的内壁和所述燃气枪中心管的外壁之间形成内烟气循环腔室；
点火枪组件，所述点火枪组件设在靠近所述燃烧端的所述中心空气流道中；
旋流叶片，所述旋流叶片设在靠近所述燃烧端的所述中心空气流道中，且所述旋流叶片与所述燃气枪中心管的内壁面相连。
根据本发明上述实施例的旋流烟气再循环燃气燃烧器，第一，所述环形折流壁、所述环形板、所述燃气喷枪的内壁和所述燃气枪中心管的外壁之间形成内烟气循环腔室，其中，环形折流壁与燃气枪中心管外壁之间形成带喉部的空气流道，环形板和燃气喷枪的内壁面之间形成折流缝隙；当助燃空气流经带喉部的空气流道和折流缝隙时会加速，形成低压区，从而引射燃气喷枪的喷口附近的高温烟气依次流经折流缝隙和带喉部的空气流道，至燃气枪中心管出口端(即燃气枪中心管的燃料喷口位置)，从而该高温烟气流经内烟气循环腔室，与内烟气循环腔室内的助燃空气混合，对该助燃空气加热的同时，还降低该助燃空气的氧浓度，从而有效抑制氮氧化物的生成，同时还提高了火焰稳定性。第二，所述外烟气进气口、所述折流壁、所述燃气喷枪的外壁和所述喷口的内壁之间形成外烟气循环腔室，其中，外烟气进气口使得外空气流道与喷口壁面外的炉膛连通，抽吸外部烟气，而折流壁、喷口内壁和燃气喷枪的外壁面之间的空气流道形成喉部；当助燃空气流经由该喉部时，该喉部处气流速度会增加，也形成低压区，从而通过外烟气进气口抽吸炉膛内的烟气与外烟气循环腔室中的助燃空气混合，稀释了该助燃空气的氧浓度，使得主燃烧区的温度降低，减少氮氧化物的排放。第三，旋流叶片加强了中心燃气和中心助燃空气的混合，燃气枪中心管的燃气出口附近由于旋流叶片的旋流作用，使助燃空气和燃气混合均匀，增强了燃烧稳定性，达到了稳燃的作用。第四，燃气枪中心管和燃气喷枪上分别设置燃气喷头，能够有效地增强中心火焰和主燃烧火炬之间火焰的连接，有效地保证燃烧稳定性。由此，以天然气为燃料时，在保证锅炉出力的情况下，内烟气循环腔室和外烟气循环腔室能够抽吸的烟气与助燃空气的质量比高达0.2:1左右，能够有效的提高助燃空气的温度，降低助燃空气的氧浓度；在锅炉负荷30％～100％范围内，燃烧稳定，无熄火或燃烧震荡现象；不投入外烟气再循环(FGR)时，氮氧化物的排放为50～60mg/Nm3；配合外烟气再循环技术(FGR)时，当烟气再循环的比例高于18％时，氮氧化物的排放可控制在30mg/Nm3以下，且燃烧稳定，无熄火现象。
另外，根据本发明上述实施例的旋流烟气再循环燃气燃烧器还可以具有如下附加的技术特征：
在本发明的一些实施例中，所述折流壁为梯形折流壁，所述梯形折流壁包括斜壁面和水平壁面。
在本发明的一些实施例中，所述斜壁面与所述喷口的壁面线之间的夹角α为20～45°。
在本发明的一些实施例中，所述环形折流壁的背风侧与所述燃气喷枪的内壁面线之间的夹角β为15～45°。
在本发明的一些实施例中，所述第一燃气喷头包括外喷口和内喷口，所述外喷口设在所述燃气枪中心管的外壁上，所述内喷口设在所述燃气枪中心管的内壁上。
在本发明的一些实施例中，所述外喷口和所述内喷口设在所述燃气枪中心管的相对位置，所述外喷口和所述内喷口沿圆周均匀分布。
在本发明的一些实施例中，所述第二燃气喷头包括侧喷孔和斜喷孔，所述侧喷孔设在所述燃气喷枪的侧壁上，所述斜喷孔设在所述燃气喷枪的前壁上。
在本发明的一些实施例中，所述斜喷孔的喷射角度θ为25～45°。
在本发明的一些实施例中，所述旋流叶片与所述燃气枪中心管的内壁面之间的夹角为30～60°。
在本发明的一些实施例中，所述燃气枪中心管与所述燃气喷枪为同心环形腔体。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明实施例的旋流烟气再循环燃气燃烧器的结构示意图。
图2是根据本发明实施例的外烟气循环腔室示意图。
图3是根据本发明实施例的折流壁的三维示意图。
图4是根据本发明实施例的内烟气循环腔室的示意图。
图5是根据本发明实施例的燃气喷枪的燃气喷头示意图。
图6是根据本发明实施例的燃气枪中心管的燃气喷头示意图。
图中：1－炉墙；2—喷口；3—燃气喷枪；4—燃气枪中心管；5—点火枪组件；6—旋流叶片；7—外烟气进气口；8—折流壁；9—环形折流壁；10—环形板；11—侧喷孔；12—斜喷孔；13—外喷口；14—内喷口；A—外空气流道；B—中心空气流道；C—外烟气循环腔室；D—内烟气循环腔室。
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。
在本发明的描述中，需要理解的是，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”、“轴向”、“径向”、“周向”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。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，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发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”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。
本发明提出了一种旋流烟气再循环燃气燃烧器，参考附图1，所述燃烧器包括：喷口2、燃气枪中心管4、燃气喷枪3、外烟气引射单元、内烟气引射单元、点火枪组件5和旋流叶片6。下面进一步对根据本发明实施例的旋流烟气再循环燃气燃烧器进行详细描述。
在本发明的实施例中，参考附图1，喷口2，所述喷口2的截面为环形，喷口2穿过炉墙1伸入炉膛内，喷口2后端与风箱(在图中未示出)连接，供给燃烧所需的空气。
在本发明的实施例中，参考附图1，燃气枪中心管4，所述燃气枪中心管4设在所述喷口2内，所述燃气枪中心管4为环形的腔室，所述燃气枪中心管4的外壁与所述喷口的内壁之间的区域形成外空气流道A，所述燃气枪中心管4的内壁之间的区域形成中心空气流道B，所述燃气枪中心管4的靠近燃烧端的壁上设有第一燃气喷头。在本发明的实施例中，上述第一燃气喷头的具体数量并不受特别限制，本领域人员可根据实际需要随意设置。
根据本发明的一个具体实施例，参考附图6，所述第一燃气喷头包括外喷口13和内喷口14，所述外喷口13设在所述燃气枪中心管4的外壁上，所述内喷口14设在所述燃气枪中心管4的内壁上。由此，进一步有效地增强了中心火焰和主燃烧火炬之间火焰的连接，有效地保证燃烧稳定性。
根据本发明的再一个具体实施例，所述外喷口13和所述内喷口14设在所述燃气枪中心管4的相对位置，所述外喷口13和所述内喷口14沿圆周均匀分布。由此，进一步有效地增强了中心火焰和主燃烧火炬之间火焰的连接，有效地保证燃烧稳定性。
在本发明的实施例中，参考附图1，燃气喷枪3，所述燃气喷枪3通过支管与所述燃气枪中心管4相连通，所述燃气喷枪3为环形的腔室，且所述燃气喷枪3设在所述燃气枪中心管4与所述喷口的内壁之间，所述燃气枪中心管4与所述燃气喷枪3为同心环形腔体，并且从喷口的出口端穿出进入炉膛。所述燃气喷枪3的靠近所述燃烧端的壁上设有第二燃气喷头。在本发明的实施例中，上述第二燃气喷头的具体数量并不受特别限制，本领域人员可根据实际需要随意设置。
根据本发明的又一个具体实施例，参考附图5，所述第二燃气喷头包括侧喷孔11和斜喷孔12，所述侧喷孔11设在所述燃气喷枪3的侧壁上，所述斜喷孔12设在所述燃气喷枪3的前壁上。由此，进一步有效地增强了中心火焰和主燃烧火炬之间火焰的连接，有效地保证燃烧稳定性。
根据本发明的又一个具体实施例，所述斜喷孔12的喷射角度θ为25～45°。由此，进一步有效地增强了中心火焰和主燃烧火炬之间火焰的连接，有效地保证燃烧稳定性。
在本发明的实施例中，参考附图1和2，外烟气引射单元，所述外烟气引射单元包括外烟气进气口7和折流壁8，所述外烟气进气口7设在所述喷口的靠近所述燃烧端的壁上，所述折流壁8的一端与所述喷口的内壁相连，所述折流壁8沿着向所述燃烧端的方向延伸，所述外烟气进气口7、所述折流壁8、所述燃气喷枪3的外壁和所述喷口的内壁之间形成外烟气循环腔室C。由此，外烟气进气口7使得外空气流道与喷口壁面外的炉膛连通，抽吸外部烟气，而折流壁8、喷口内壁和燃气喷枪3的外壁面之间的空气流道形成喉部；当助燃空气流经由该喉部时，该喉部处气流速度会增加，也形成低压区，从而通过外烟气进气口7抽吸炉膛内的烟气与外烟气循环腔室C中的助燃空气混合，稀释了该助燃空气的氧浓度，使得主燃烧区的温度降低，减少了氮氧化物的排放。
根据本发明的又一个具体实施例，参考附图2和3，所述折流壁8为梯形折流壁，所述梯形折流壁包括斜壁面和水平壁面；进一步地，所述斜壁面与所述喷口的壁面线之间的夹角α为20～45°。由此，将所述斜壁面与所述喷口的壁面线之间的夹角α限定在上述范围内，进一步有利于折流壁8与喷口内壁和燃气喷枪3的外壁面之间形成带喉部的空气流道，从而增加该喉部处气流速度形成低压区。
在本发明的实施例中，参考附图1和4，内烟气引射单元，所述内烟气引射单元包括环形折流壁9和环形板10，所述环形折流壁9的一端与所述燃气喷枪3的内壁相连，所述环形折流壁9(形状为圆台薄壁连接圆筒薄壁)沿着向所述燃烧端的方向延伸，所述环形板10通过筋板支撑并与所述燃气喷枪3的内壁相连，所述环形板10沿着向所述燃烧端的方向延伸，所述环形折流壁9、所述环形板10、所述燃气喷枪3的内壁和所述燃气枪中心管4的外壁之间形成内烟气循环腔室D。由此，环形折流壁9与燃气枪中心管4外壁之间形成带喉部的空气流道，环形板10和燃气喷枪3的内壁面之间形成折流缝隙；当助燃空气流经带喉部的空气流道和折流缝隙时会加速，形成低压区，从而引射燃气喷枪3的喷口附近的高温烟气依次流经折流缝隙和带喉部的空气流道，至燃气枪中心管4出口端(即燃气枪中心管4的燃料喷口位置)，从而该高温烟气流经内烟气循环腔室D与内烟气循环腔室D内的助燃空气混合，对该助燃空气加热的同时，还降低该助燃空气的氧浓度，从而有效抑制氮氧化物的生成，同时还提高了火焰稳定性。
根据本发明的又一个具体实施例，所述环形折流壁9的背风侧与所述燃气喷枪3的内壁面线之间的夹角β为15～45°，由此，将所述环形折流壁9的背风侧与所述燃气喷枪3的内壁面线之间的夹角β限定在上述范围内，进一步有利于环形折流壁9与燃气枪中心管4外壁之间形成带喉部的空气流道，从而增加该喉部处气流速度形成低压区。
在本发明的实施例中，参考附图1，点火枪组件5，所述点火枪组件5设在靠近所述燃烧端的所述中心空气流道中，点火枪组件5包括点火电极和点火燃气管(在图中未示出)，火焰监测器起检测火焰作用。同时，在中心空气流道中，还设置对应的火焰检测器(在图中未示出)。
在本发明的实施例中，参考附图1，旋流叶片6，所述旋流叶片6设在靠近所述燃烧端的所述中心空气流道中，且所述旋流叶片6与所述燃气枪中心管4的内壁面相连。由此，旋流叶片6加强了中心燃气和中心助燃空气的混合，燃气枪中心管4的燃气出口附近由于旋流叶片6的旋流作用，使助燃空气和燃气混合均匀，增强了燃烧稳定性，达到了稳燃的作用。
根据本发明的又一个具体实施例，所述旋流叶片6与所述燃气枪中心管4的内壁面之间的夹角为30～60°。由此，将所述旋流叶片6与所述燃气枪中心管4的内壁面之间的夹角限定在上述范围内，进一步有利于旋流叶片6促使中心燃气和中心助燃空气的混合。
在本发明的实施例中，燃气枪中心管4入口端通入气体燃料，并且一部分气体燃料通过燃气喷枪3与燃气枪中心管4之间的若干圆管进入燃气喷枪3，点火组件在燃气枪中心管4出口端点燃气体燃料，并进一步引燃燃气喷枪3出口端的气体燃料。燃气枪中心管4环形腔体内壁面之间的中心空气流道为中心火焰的燃烧提供空气，过量空气系数1.2～1.3，旋流叶片6加强空气和气体燃料的混合。
根据本发明上述实施例的旋流烟气再循环燃气燃烧器，第一，所述环形折流壁9、所述环形板10、所述燃气喷枪3的内壁和所述燃气枪中心管4的外壁之间形成内烟气循环腔室D，其中，环形折流壁9与燃气枪中心管4外壁之间形成带喉部的空气流道，环形板10和燃气喷枪3的内壁面之间形成折流缝隙；当助燃空气流经带喉部的空气流道和折流缝隙时会加速，形成低压区，从而引射燃气喷枪3的喷口附近的高温烟气依次流经折流缝隙和带喉部的空气流道，至燃气枪中心管4出口端(即燃气枪中心管4的燃料喷口位置)，从而该高温烟气流经内烟气循环腔室D，与内烟气循环腔室D内的助燃空气混合，对该助燃空气加热的同时，还降低该助燃空气的氧浓度，从而有效抑制氮氧化物的生成，同时还提高了火焰稳定性。第二，所述外烟气进气口7、所述折流壁8、所述燃气喷枪3的外壁和所述喷口的内壁之间形成外烟气循环腔室C，其中，外烟气进气口7使得外空气流道与喷口壁面外的炉膛连通，抽吸外部烟气，而折流壁8、喷口内壁和燃气喷枪3的外壁面之间的空气流道形成喉部；当助燃空气流经由该喉部时，该喉部处气流速度会增加，也形成低压区，从而通过外烟气进气口7抽吸炉膛内的烟气与外烟气循环腔室C中的助燃空气混合，稀释了该助燃空气的氧浓度，还有效降低了主燃烧区的温度，降低了氮氧化物的排放。第三，旋流叶片6加强了中心燃气和中心助燃空气的混合，燃气枪中心管4的燃气出口附近由于旋流叶片6的旋流作用，使助燃空气和燃气混合均匀，增强了燃烧稳定性，达到了稳燃的作用。第四，燃气枪中心管4和燃气喷枪3上分别设置燃气喷头，能够有效地增强中心火焰和主燃烧火炬之间火焰的连接，有效地保证燃烧稳定性。
经过现场实施验证，本发明可以达到如下的性能指标：
(1)内烟气循环腔室和外烟气循环腔室能够抽吸的烟气与助燃空气的质量比可达0.2:1，能够有效的提高助燃空气温度，降低氧浓度；
(2)在锅炉负荷30％～100％范围内，燃烧稳定，无熄火或燃烧震荡现象；
(3)不投入外烟气再循环(FGR)时，氮氧化物的排放为50～60mg/Nm3；
(4)配合外烟气再循环技术(FGR)时，当烟气再循环的比例高于18％时，氮氧化物的排放可控制在30mg/Nm3以下，且燃烧稳定，无熄火现象。
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不必须针对的是相同的实施例或示例。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。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
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