CN108397772A - 一种燃烧头 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种燃烧头，其包括外壁筒、内壁筒和两端封闭面的内缘和外缘形成的环形腔体，所述外壁筒和内壁筒与燃烧器火焰筒同轴向，燃气通过至少一个二级燃气连接管注入环形腔体，在所述外壁筒和内壁筒上分布有燃气分配孔，燃气通过所述燃气分配孔流出环形腔体，所述燃气分配孔上安装有燃气喷嘴。本发明的环形腔体燃烧头能够将助燃风分隔开，形成两种不同的混合比气流，中心的一次气流能够确保产生稳定的一次火焰（中心火焰），分层的二次风气流也能很好的保证二次火焰的分级燃烧，从而达到大大降低NOx的生成。
Description
技术领域
本发明属于燃烧器及其相关的空气-燃气混合装置技术领域，特别涉及一种燃烧头和燃烧器。本发明涉及关联的工业燃烧器，类型涵盖包括安装在燃烧室上的燃烧头，燃料为天然气，可用于带有或者不带有外部烟气循环的***。
背景技术
对于燃烧化石类燃料的燃烧装置，尾气会产生对环境有害的污染物，尤其是氮和氧的化合物的生成（例如NO、NO2），通常称之为氮氧化物NOx。在设计燃烧装置时可采取多种措施，使得污染物的生成能够被影响/或者减少，尤其是这当中使用的燃烧器。
就热能***的燃烧器而言，燃烧产生的氮氧化物，在燃烧温度达到某一临界温度时，其生成量直接与火焰温度成指数级增加。对于以上类型的所知燃烧器，推荐的解决方案都是在如何降低火焰温度上做文章。
一般来讲，降低或者减少NOx的生成，一直是工业燃烧器的目标理想。以往采用了一些有效果的降氮方法，主要是利用燃料/空气混合物组成主燃烧为贫燃燃烧（或称稀薄燃烧，主要是指可燃气体在混合物中的含量低于正常完全燃烧所需的空燃比燃气量，燃料相对贫乏称之为贫燃燃烧），再配合另一部分燃气燃料分级的次级燃烧。主贫燃燃烧方式在一些装置上可以达到比较满意的效果，因为贫燃燃烧中过量的空气提供了降低火焰温度的负载，于是也就降低了氮氧化物。分级的燃气稍后通过燃烧器边缘气嘴混入燃烧区或者通过伸出燃气喷嘴出口外的中心气嘴进入燃烧区。次级燃烧的燃料与贫燃燃烧的过剩空气是在有了一些烟气的环境下燃烧，达到可燃混合气被稀释了的反应效果。但是这些布置方式并不能够总是成功的将氮氧化物降低到理想值。
例如，主贫燃燃料混合需要在燃烧区加入大量的过剩空气，所以空气流速相对会非常快。如此高的流速有时会超过火焰燃烧速度，产生不稳定的燃烧火焰环境，火焰不稳定，燃烧甚至不能持续下去。
在专利号为DE 3811477 A1的专利文件中记载，对于燃气燃烧器，燃气与空气混合在燃烧室入口处，燃气通过一些混合管进入。其中燃气直接经由混合气管及其喷嘴送入燃烧室入口，与助燃空气混合进入燃烧室。燃气管出口在燃烧器混合腔内按照发散方向分布在不同的切面。
DE 195 09 219的表述是一种方式及其燃烧器的燃烧头，关于燃料气燃烧的同时供应助燃空气，利用带非活性气体降低氮氧化物，其中燃料气分两级，一级叠加在另一级后面，在助燃空气的流动方向上由火焰的根部吹入，第一级超化学反应比的助燃空气与燃料气的混合气体流向火焰，补充的燃料气在第二级切面加入，在哪里循环回来的烟气作为非活性气体加入到第二级，一部分的燃烧气体注入第二级与循环烟气形成低于化学反应比的混合气体，在到达火焰前进行混合。
EP 0 347 834的记载的是一种强制鼓风燃气燃烧器的燃烧头，带有一个燃烧器管包含燃料气和助燃空气的分配装置，以及相关的燃料气喷嘴和空气通道，燃烧器管与火焰管相连，在燃烧器管与火焰管连接的位置有径向开孔的循环烟气口，循环烟气由这些辐射式开口逆向流入火焰根部，同时燃料气和空气通过喷嘴和空气通道正向流入火焰，燃气在燃烧头内部纵向轴线方向发散式的伸入火焰区域。
EP 0 635 676的记载的是一种方法用在液体燃料或者气体燃料的低NOx燃烧装置，所用燃烧器伸入到锅炉的燃烧室中，它的燃烧器火焰筒中至少有一个燃料喷嘴用于供应燃料并邻近稳焰盘，这种方法将大量的燃气由稳焰盘向外送到火焰筒的内壁区域，在火焰筒与稳焰盘间隙流过的快速气流会在火焰筒的前缘处产生负压，燃烧室内产生的烟气而通过内部循环，被送到了该负压区，火焰筒上有多个深入到负压区的导流尖角。
中国专利CN107120652记载了一种分级燃气低氮燃烧器，涉及燃烧器技术领域。分级燃气低氮燃烧器包括分配器、导流盘、点火电极、点火燃料管和燃烧筒体。分配器用于给燃气和空气提供流动路径，包括本体、多个燃气喷管、燃气分配环和多个空气分配管。本体为带有第一夹层的筒体，燃气通过本体进入燃气管后由燃气分配环喷出。空气流经本体的中空部、空气分配管和分配器外侧形成空气流动路径，给燃气提供助燃气体。CN107120652的分配环厚度较薄，图中所示不大于燃气分配孔的4倍直径，只是将燃气作为内外圈分配，并没有将空气分隔的功能。CN107120652的导流盘对于多个空气分配管导入的空气进行导流，形成旋转空气气流，主体是空气，未设置燃气分配装置。
上述专利使得燃气经过燃气分配环后分为两级喷出，给中心火焰提供足够的空气，强化了空气和燃气混合，缩短烟气在高温区的停留时间，有利于降低火焰温度。上述专利能控制空气与燃气的流量与速度，控制空燃比，使燃气与空气充分混合燃烧，减小氮氧化物的产生。
但是，上述已知的这些专利方法和结构要想实现日益增加的对于燃烧设备降低污染物排放的需求是不够的，尤其是当法律规定要求达到低氮氧化物的排放指标时，这些方法和结构是有限的，还是存在氮氧化物过高的问题。
本发明的目的是克服现有燃烧头的上述缺陷，本发明的燃烧头通过使用一个环形的腔体的创新的分配方式，在靠近火焰区域的位置将燃气非常精确地分配，同时将助燃空气分隔为一次风和二次风后流出燃烧头。能够将一次风和二次风完全分隔开，同时精准的控制一次气流和二次气流的空气与燃气的混合比。借助于这种对于空气燃气混合的精准控制，可以制造出空气量超过化学反应比的二次气流（贫燃料区）和空气量低于化学反应比的一次气流（富燃料区）。增加一次气流燃气浓度和减少二次气流燃气浓度可以造就氮氧化物生成量减少。
发明内容
本发明的目的在于提供能够精准的控制一次气流和二次气流的空气与燃气混合，达到大大降低氮氧化物生成量的燃烧头和燃烧器。
本发明的技术方案是一种燃烧头，其包括外壁筒、内壁筒和两端封闭面的内缘和外缘形成的环形腔体，所述外壁筒和内壁筒与燃烧器火焰筒同轴向，燃气通过至少一个二级燃气连接管注入环形腔体，在所述外壁筒和内壁筒上分布有燃气分配孔，燃气通过所述燃气分配孔流出所述环形腔体，所述燃气分配孔上安装有燃气喷嘴。
优选地，所述环形腔体在燃烧头的轴向方向上具有一定的长度以生成分隔的一次风通道和二次风通道，在所述一次风通道空气气流形成一次风的旋转气流，在所述二次风通道形成二次风的平直气流。
优选地，所述环形腔体的长度大于或者等于燃烧器火焰筒直径的20%。
优选地，所述燃气喷嘴上集成有空气导流部件，所述燃气喷嘴按照所需的燃气分配方向进行安装固定。
优选地，燃气通过环形腔体的出口区域被分配到火焰区。
优选地，所述燃气喷嘴与所述燃气分配孔的丝牙螺纹连接，通过调整所述燃气喷嘴的旋入深度，调节燃气流量，完全旋到底能够关闭所述燃气喷嘴。
优选地，沿所述燃烧头的轴线方向，延伸的纵向长度上，在稳焰盘前侧和后侧布置有燃气喷嘴。
优选地，所述二级燃气连接管的进口端与燃气分配管的出口端通过活塞式嵌套连接，能够前后伸缩调节燃烧头的轴向位置，同时配合所述燃烧器火焰筒内壁前端的锥形收口之间的间隙来调节二次风的流量。
优选地，还包括柱形腔体和稳焰盘，所述燃烧器火焰筒的出口成锥形收口形状，所述环形腔体与所述燃烧器火焰筒的锥形收口部分的间隙空间形成二次风喉颈，所述柱形腔体提供对所述稳焰盘的安装支撑，所述柱形腔体能够在一次燃气分配管上沿着燃烧头的轴线方向前后伸缩滑动，用以调整与环形腔体的相对位置。
综上所述，本发明的有益效果在于：本发明的环形腔体燃烧头能够将助燃风分隔开，形成两种不同的混合比气流，旋转的一次气流能够确保产生稳定的一次火焰（中心火焰），分层的二级风气流也能很好的保证二次火焰的分级燃烧，从而达到大大降低NOx的生成。
下面通过实施例来更详细说明本发明。
附图说明
图1所示为本发明的燃烧头用于燃烧器并置于燃烧室的示意图。
图2所示为本发明的燃烧头的横向剖视图和沿图中A-A方向的剖视图。
图3为本发明的燃烧头的横向剖视图和沿图中的A-A方向的剖视图。
图 4本发明燃烧头的结构示意图。
图 5本发明燃烧头的外筒壁上安装有空气导流片的结构示意图。
图6本发明燃烧头的结构示意图。
图7本发明燃烧头的结构剖视图。
本发明的附图标记指代如下：1、燃烧头，2、主进气管，3、一次燃气分配管，4、二次燃气分配管，5、环形腔体-燃气集流器，6、燃气喷嘴，7、稳焰盘，8、火焰筒，9、内壁筒，10、外壁筒，11、内缘，12、外缘，13、一次燃气集流器-柱形腔体，14、一次风通道，15、二次风通道，16、二次风喉颈，17、一次火焰生成区（小虚线循环区），18、二次火焰生成区（大虚线循环区），19、主燃气流，20、一次燃气流，21、二次燃气流，22、燃烧头轴线，23、燃气分配孔，24、二级燃气连接管，25、锅炉，26、燃烧室，27、空气导流片，28、火焰筒锥形出口，29燃烧头出口区域（长虚线）。
具体实施方式
下面以实施例结合附图的方式对本发明进行进一步说明。
如图1至图7所示，其示出了本发明燃烧头的具体结构，本发明的燃烧头1设计了环形腔体的燃气集流器5来引导燃气流入燃烧头产生着火的区域，该燃烧头包括由外壁筒10、内壁筒9和两端封闭面的内缘11和外缘12形成的环形腔体，外壁筒10、内壁筒9与燃烧器火焰筒8同轴，在燃烧室26的中心轴向的延长线上，该环形腔体具有足够长度以确保能够布置足量的燃气喷嘴6，将燃气定量阶梯分级的分配到燃烧器的火焰区17和18，同时将助燃空气分隔为一次风和二次风。
本发明的环形腔体的燃烧头（即燃气集流器5）具有双重功能：第一个功能是环形腔体5的外壁筒10和内壁筒9上的燃气分配孔23上集成了很多燃气喷嘴6，这些喷嘴6可以在环形腔体5的长度方向和直径方向分布，也可以分布在气流流动方向的环形腔体5的内缘11和外缘12的表面上。配合使用不同通径和数量的喷嘴6，可以实现对于燃气按所需的流量大小和喷射方向，准确的将燃气分配到火焰区域17和18内。
本发明的环形腔体的燃烧头的第二个功能将助燃的空气分成两部分，助燃风经由环形腔体5的内壁9建立的一次风通道14，气流经过一次风通道14流出时形成一次风，而二次风是助燃风经由环形腔体5的外壁10与火焰筒8形成的二次风通道15流出时形成二次风。燃气通过它在燃烧头1的出口区域29被分配到火焰区，用于对锅炉25加热。
一次风和二次风的比例可以通过设计来控制，通过选择环形腔体的外壁筒10和内壁筒9的恰当直径尺寸来实现。一次风和二次风的比例还可以通过其他方式控制，相对于环形腔体5的位置，减小稳焰盘7的直径，可以增加一次风的流量，火焰筒8与环形腔体5的外壁10间隙大小决定了是二次风的流通截面积，我们称作喉颈16，它的大小控制着二次风的风量大小。
多个燃气喷嘴6安装在环形腔体5的内外壁9和10以及外缘12的表面上，喷嘴6可以选择不同的通径尺寸，数量和形状，以获得在燃烧火焰区域17和18的理想燃气分配。
多个空气导流部件27可以是金属材质的翼片，安装在环形腔体5的内壁或者外壁，用来引导空气气流，增强空气旋转气流的强度可以缩短火焰的长度，也可以用来调节一次风和二次风的配比。
燃气喷嘴6和空气导流片27与环形腔体5设计为螺纹连接，可以轻松拧入。通过调整喷嘴6的旋入深度，调节燃气流量，完全旋到底可以关闭该喷嘴。
环形腔体5能够集成安装很多其他部件来满足附加功能，通过设计恰当的支架可以安装点火电极和火焰探测电极，实现点火和火焰检测功能，可以安装一些外部部件来校准其在火焰筒8的中心位置，或者安装万向滚珠，方便安装和维护保养时轻松滑动拖拉。
主进气管2中流过主燃气流19，也是总的燃气气流量。燃气集流器通过二次燃气分配管4和24与主进气管2相连来接收燃气注入，二次燃气分配管4和24的数量可以不止一根，可以是多根。由主进气管2辐射发散向外延长，然后二次燃气分配管4与燃烧头轴向22平行。主燃气19经由二次燃气分配管4内形成二次燃气流21，同时经由一次燃气分配管3内形成一次燃气流20。二次燃气分配管4和二次燃气连接管24采用活塞式同轴嵌套，保证燃气集流器5在燃烧头的轴向22可以向前或后滑动，目的是确保可以通过调整环形空腔5相对于火焰筒锥形出口28和稳焰盘7的位置来改变空气气流的分配。本发明的一次燃气分配管3是指中心燃气分配管，二次燃气分配管4和24是指用于环形腔体5的燃气分配管。
因为环形腔体5仅包含了燃烧头外圈区域的燃气分配，本发明还配合使用了一次燃气分配***引导燃气由主进气管2的出口到达一次火焰生成区17的着火区间。在一次火焰生成区17，稳焰盘7前侧建立了一个相对低压力高旋转气流的环境，在燃烧头的轴线上形成一次火焰（中心火焰）。一次燃气分配***可由多个燃气喷管组成，本发明使用了一次燃气集流器-柱形腔体13，它同时提供了对稳焰盘7的支撑和安装位置，包含一次燃气喷嘴6。一次燃气集流器-柱形腔体13能够在一次燃气分配管3上沿着燃烧头的轴线22方向前后伸缩滑动，用以调整与环形腔体-燃烧头5的相对位置。
燃烧器1包括一个火焰筒8，火焰筒8的外端敞口位于燃烧室26的接口处。火焰筒8的出口可做成锥形收口形状，环形腔体燃烧器5与火焰筒8的锥形收口部分28的间隙空间形成二次风喉颈16，这个用来调节二次风的流量。在燃烧头轴线22上，向外滑动调节环形腔体5可以减小二次风喉颈通风截面积来减少二次风流量。
由于有了环形腔体5结构的燃烧头1，能够将一次风和二次风完全分隔开，同时精准的控制一次气流和二次气流的空气与燃气的混合比。借助于这种对于空气燃气混合的精准控制，可以制造出空气量超过化学反应比的二次气流（贫燃料区）和空气量低于化学反应比的一次气流（富燃料区）。增加一次气流燃气浓度和减少二次气流燃气浓度可以造就氮氧化物生成量减少的相同物化机理（贫燃燃烧和富燃燃烧）。
引进使用环形腔体结构的燃烧头5能够将助燃风分隔开，形成两种不同的混合比气流，旋转的一次气流能够确保产生稳定的一次火焰生成区17（中心火焰），分层的二级风气流也能很好的保证二次火焰生成区18的分级燃烧，从而达到降低NOx的生成。
本发明的燃烧头不限于上述实施例的结构，可以进行多种变型。总之，在不脱离本发明精神范围内的所有改进都落入本发明的范围内。
Claims (9)
1.一种燃烧头，其特征在于，包括外壁筒（10）、内壁筒（9）和两端封闭面的内缘（11）和外缘（12）形成的环形腔体，所述外壁筒（10）和内壁筒（9）与燃烧器火焰筒（8）同轴向，燃气通过至少一个二级燃气连接管（24）注入环形腔体，在所述外壁筒（10）和内壁筒（9）上分布有燃气分配孔（23），燃气通过所述燃气分配孔（23）流出所述环形腔体，所述燃气分配孔（23）上安装有燃气喷嘴（6）。
2.根据权利要求1所述的燃烧头，其特征在于，所述环形腔体在燃烧头的轴向方向上具有一定的长度以生成分隔的一次风通道（14）和二次风通道（15），在所述一次风通道（14）空气气流形成一次风气流，在所述二次风通道（15）形成二次风气流。
3.根据权利要求2所述的燃烧头，其特征在于，所述环形腔体的长度大于或者等于燃烧器火焰筒（8）直径的20%。
4.根据权利要求1所述的燃烧头，其特征在于，所述燃气喷嘴（6）上集成有空气导流部件（27），所述燃气喷嘴（6）按照所需的燃气分配方向进行安装固定。
5.根据权利要求1所述的燃烧头，其特征在于，燃气通过环形腔体的出口区域被分配到火焰区。
6.根据权利要求4所述的燃烧头，其特征在于，所述燃气喷嘴（6）与所述燃气分配孔（23）的丝牙螺纹连接，通过调整所述燃气喷嘴（6）的旋入深度，调节燃气流量，完全旋到底能够关闭所述燃气喷嘴（6）。
7.根据权利要求1所述的燃烧头，其特征在于，沿所述燃烧头的轴线（22）方向，延伸的纵向长度上，在稳焰盘前侧和后侧布置有燃气喷嘴（6）。
8.根据权利要求1所述的燃烧头，其特征在于，所述二级燃气连接管（24）的进口端与燃气分配管（4）的出口端通过活塞式嵌套连接，能够前后伸缩调节燃烧头的轴向位置，同时配合所述燃烧器火焰筒（8）内壁前端的锥形收口（28）之间的间隙来调节二次风的流量。
9.根据权利要求1所述的燃烧头，其特征在于，还包括柱形腔体（13）和稳焰盘（7），所述燃烧器火焰筒（8）的出口成锥形收口形状，所述环形腔体（5）与所述燃烧器火焰筒（8）的锥形收口部分（28）的间隙空间形成二次风喉颈（16），所述柱形腔体（13）提供对所述稳焰盘（7）的安装支撑，所述柱形腔体（13）能够在一次燃气分配管（3）上沿着燃烧头的轴线（22）方向前后伸缩滑动，用以调整与环形腔体（5）的相对位置。
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