CN108413394A - 一种具有分割狭缝喷口结构的天然气预混燃烧器 - Google Patents

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Abstract

一种具有分割狭缝喷口结构的天然气预混燃烧器，本发明涉及一种天然气的燃烧器，具体涉及一种天然气预混燃烧器。它解决了天然气预混燃烧火焰稳定性差，容易发生回火、爆燃和吹熄的问题。它包括预混天然气管道、渐扩连接管道、喷口管排、冷却介质入口集箱和冷却介质出口集箱，所述喷口管排的狭缝喷口内分割为多个矩形喷口。它还包括稳燃装置，稳燃装置由多根平行竖直排成一排的圆管或圆管异型管组成，所述稳燃装置的每根圆管或圆管异型管对应喷口管排形成的一个狭缝喷口，所述圆管异型管的背风面为平面，该平面与狭缝喷口宽度方向的中线垂直；所述圆管或圆管异型管下端与冷却介质入口集箱连通，所述圆管或圆管异型管上端与冷却介质出口集箱连通。

Description

一种具有分割狭缝喷口结构的天然气预混燃烧器
技术领域
本发明涉及一种天然气的燃烧器，具体涉及一种天然气预混燃烧器。
背景技术
天然气含硫量低、热值高、热效率高，世界上公认是经济、环保的一次能源。尽管如此，天然气燃烧生成的氮氧化物是大气中的主要污染物之一，能形成酸雨和雾霾，危害人体健康和环境。近年来，国家相继出台了一系列法律法规和强制性标准限制氮氧化物的排放。《火力发电厂大气污染物排放标准》(GB 13223-2011)对燃气锅炉的氮氧化物的排放限值为100mg/m3，2015年5月13日北京市发布了《锅炉大气污染物排放标准》(DB11/139-2015)，规定自2017年4月1日起，新建燃气锅炉氮氧化物排放限值为30mg/m3。国家和地方法规对氮氧化物排放要求日益严格，天然气燃烧产生的氮氧化物排放要达到排放要求，必须采用低氮燃烧技术。
现有天然气锅炉多采用扩散燃烧方式，天然气和空气边混合边燃烧，扩散混合的速度和进程控制着扩散燃烧的速度和进程。天然气扩散燃烧火焰稳定性好，不发生回火，但氮氧化物排放较高，采用分级燃烧技术后氮氧化物排放可以降低到80mg/m3。要控制氮氧化物排放在30mg/m3以下，必须同时采用烟气再循环技术，成本较高。分级燃烧和烟气再循环技术会使燃烧趋于不稳定，增加不完全燃烧损失和锅炉排烟热损失。
天然气预混燃烧技术是一种低氮燃烧技术，在燃烧前天然气和空气按一定比例充分混合，相比扩散燃烧，相同反应条件下预混燃烧的燃烧效率更高、氮氧化物排放更低，可以满足氮氧化物排放低于30mg/m3的要求。工业用燃烧器出口预混燃气速度一般远高于火焰传播速度，容易发生脱火、吹熄，而在点火、停炉和低负荷时又容易发生回火、爆燃。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有分割狭缝喷口结构的天然气预混燃烧器，以解决天然气预混燃烧火焰稳定性差，容易发生回火、爆燃和吹熄的问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：它包括预混天然气管道1、渐扩连接管道2、喷口管排3、冷却介质入口集箱4和冷却介质出口集箱5，所述喷口管排3由N根平行竖直排成一排的平椭圆管或带平行侧肋的圆管组成，平椭圆管或圆管的下端与冷却介质入口集箱4连通，平椭圆管或圆管的上端与冷却介质出口集箱5连通，所述喷口管排3排布在渐扩连接管道2出气端口上，N根平椭圆管或N根圆管的侧肋形成N-1个狭缝喷口；所述喷口管排3的每个狭缝喷口内焊接多个矩形金属片7，所述矩形金属片7在狭缝喷口高度方向上等间距设置，将喷口管排形成的狭缝喷口分割为多个矩形喷口。
它还包括稳燃装置6，稳燃装置6由N-1根平行竖直排成一排的圆管或圆管异型管组成，所述稳燃装置6的每根圆管或圆管异型管对应喷口管排3形成的一个狭缝喷口，所述圆管或圆管异型管的外接圆的直径方向的延长线与狭缝喷口宽度方向的中线重合，所述圆管异型管的背风面为平面，该平面与狭缝喷口宽度方向的中线垂直；所述圆管或圆管异型管下端与冷却介质入口集箱4连通，所述圆管或圆管异型管上端与冷却介质出口集箱5连通。
本发明相对于现有技术的有益效果是：喷口管排采用水冷或空冷的平椭圆管或带平行侧肋的圆管，喷口管排形成的狭缝喷口宽度小于预混天然气燃烧的淬熄距离，可以防止预混天然气发生回火、爆燃。本发明将狭缝喷口分割为多个矩形喷口，降低了射流的高宽比，提高射流的刚性，同时改善了狭缝喷口气流速度分布的均匀性和燃烧的均匀性，降低燃烧器区的截面热负荷，有利于低氮燃烧。预混天然气经过分割的狭缝喷口后，扰流稳焰装置的圆管或圆管异型管管排，由于气体粘性力的作用，在圆管或圆管异型管外壁附近形成流动边界层，产生气流速度较低的区域，满足稳定燃烧的条件，同时圆管或圆管异型管背风面形成气流回流区，可以卷吸高温烟气加热预混燃气，进一步增强了燃烧的稳定性。采用圆管异型管，其背风面为平面，相比于圆管，在背风面可以形成更大的气流回流区，进一步增强了燃烧的稳定性。圆管或圆管异型管采用水冷或空冷，可以保证燃烧区的温度不超过1500℃，实现低氮氧化物排放。
本发明的天然气预混燃烧器适用负荷范围宽，可以在12％-100％负荷下保证燃烧稳定，不发生回火和吹熄，天然气预混燃烧器的氮氧化物排放低于30mg/m3，最低可达10mg/m3，燃烧器阻力小，具有良好的应用前景。
附图说明
图1是本发明结构示意图，图2是图1的A-A剖视图，图3是图1的B-B剖视图，图4是本发明燃烧过程的原理示意图。图5是实施方式二的结构示意图，图6是实施方式三的示意图，图7是图6的M-M剖视图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1至图4具体说明本实施方式。本实施方式包括预混天然气管道1、渐扩连接管道2、喷口管排3、冷却介质入口集箱4和冷却介质出口集箱5，所述喷口管排3由N根平行竖直排成一排的带平行侧肋的圆管组成。所述带平行侧肋的圆管外径为18-32mm，所述圆管的平行侧肋与圆管等高且对称布置，平行侧肋内壁的中点与圆管外壁连接，平行侧肋的厚度为1-3mm，平行侧肋的长度Y与圆管外径相等。所述圆管的下端与冷却介质入口集箱4连通，所述圆管的上端与冷却介质出口集箱5连通，所述喷口管排3排布在渐扩连接管道2出气端口上；所述喷口管排高度为300-1500mm，根据燃烧器功率选择N为5-40；N根圆管的平行侧肋形成N-1个狭缝喷口；所述狭缝喷口宽度b为1.0-2.0mm；所述喷口管排3的每个狭缝喷口内焊接多个矩形金属片7，矩形金属片7的高度g为3-4mm，厚度等于狭缝喷口宽度，宽度等于狭缝喷口深度。每个狭缝喷口内的矩形金属片7在高度方向上等间距设置。矩形金属片7将喷口管排形成的狭缝喷口分割为多个矩形喷口，矩形喷口高度f为20-40mm，狭缝喷口的预混天然气出口速度为4-32m/s。将狭缝喷口分割为多个矩形喷口，降低了射流的高宽比，提高射流的刚性，同时改善了狭缝喷口气流速度分布的均匀性和燃烧的均匀性，降低燃烧器区的截面热负荷，有利于低氮燃烧。
它还包括稳燃装置6，稳燃装置6由N-1根平行竖直排成一排的圆管或圆管异型管组成，所述稳燃装置6的每根圆管或圆管异型管对应喷口管排3形成的一个狭缝喷口，所述圆管或圆管异型管的外接圆的直径方向的延长线与狭缝喷口宽度方向的中线重合；所述稳燃装置6的圆管外径为16-32mm，所述稳燃装置6的圆管异型管的背风面为平面，该平面与狭缝喷口宽度方向的中线垂直，所述稳燃装置6的圆管异型管的外接圆直径为16-32mm，圆管异型管的平面外壁6-1距圆管圆心距离为圆管异型管的外接圆半径的0-2/3倍。预混天然气扰流稳焰装置的圆管或圆管异型管管排，由于气体粘性力的作用，在圆管或圆管异型管外壁附近形成流动边界层，产生气流速度较低的区域，满足稳定燃烧的条件，同时圆管或圆管异型管背风面形成气流回流区，可以卷吸高温烟气加热预混燃气，进一步增强了燃烧的稳定性。采用圆管异型管，其背风面为平面，相比于圆管，在背风面可以形成更大的气流回流区，进一步增强了燃烧的稳定性。
所述稳燃装置6的圆管或圆管异型管管排的外壁面最小间距e为3-8mm。稳燃装置6的圆管或圆管异型管迎风面外壁面端点距狭缝喷口出口距离c为5-9mm。
所述稳燃装置6的圆管或圆管异型管下端与冷却介质入口集箱4连通，所述圆管或圆管异型管上端与冷却介质出口集箱5连通。冷却介质经冷却介质入口集箱4进入喷口管排3的圆管和稳燃装置6的圆管或圆管异型管，由冷却介质出口集箱5引出。以水为冷却介质时喷口管排3的管内水流速和稳燃装置6的管内水流速为0.3m/s至1.5m/s，以空气为冷却介质时喷口管排3的管内流速和稳燃装置6的管内流速为15m/s至50m/s。冷却介质是外循环，用来加热锅炉给水或对外供热。
具体实施方式二：下面结合图5具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式一的不同之处是：所述喷口管排3由N根平行竖直排成一排的平椭圆管组成。所述平椭圆管的外壁轮廓由2个圆弧段和2个直段组成，平椭圆管的直段长度为20-30mm，平椭圆管宽度(2直段的外壁间距离)为20-38mm。所述平椭圆管的下端与冷却介质入口集箱4连通，所述平椭圆管的上端与冷却介质出口集箱5连通。平椭圆管易于制造，成本较低，对狭缝喷口的冷却效果好。
所述稳燃装置6的圆管或圆管异型管迎风面外壁面距平椭圆管的圆弧段外壁面的最小距离w为3-5mm。
具体实施方式三：下面结合图6和图7具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式二的不同之处是：它还包括环形肋16，稳燃装置6的每个圆管或圆管异型管的外表面上都设置多个环形肋16，每个环形肋16的厚度方向中间截面与矩形金属片7分割狭缝喷口形成的矩形喷口高度方向的中间截面在同一平面。环形肋16的肋片高度2-3mm，肋片厚度2-3mm。
由于每一个环形肋16对着矩形喷口高度方向的中间截面，火焰冲刷环形肋16，环形肋能够强化稳燃装置6的圆管或圆管异型管的换热，降低了火焰的温度。因气体粘性在环形肋的壁面附近形成流动边界层，气流速度低，有利于稳燃。
实施例1：
如图1-3所示，本实施方式包括预混天然气管道1、渐扩连接管道2、喷口管排3、冷却介质入口集箱4和冷却介质出口集箱5，所述喷口管排3由15根平行竖直排成一排的带平行侧肋的圆管组成。所述带平行侧肋的圆管外径为22mm，所述圆管的平行侧肋对称布置，侧肋内壁的中点与圆管外壁连接，侧肋的厚度为1.5mm，侧肋的长度Y为22mm。所述圆管的下端与冷却介质入口集箱4连通，所述圆管的上端与冷却介质出口集箱5连通，所述喷口管排3排布在渐扩连接管道2出气端口上；所述喷口管排高度为676mm；15根圆管的侧肋形成14个狭缝喷口；所述狭缝喷口宽度b为1.5mm；所述喷口管排3的每个狭缝喷口内焊接厚度为1.5mm、宽度为22mm、高度g为4mm的19个矩形金属片7，矩形金属片7在狭缝喷口高度方向等间距设置，矩形金属片7将喷口管排形成的每个狭缝喷口分割为20个矩形喷口，矩形喷口高度f为30mm，狭缝喷口的预混天然气出口速度为4-32m/s。将狭缝喷口分割为多个矩形喷口可以降低了射流的高宽比，提高射流的刚性，同时改善了狭缝喷口气流速度分布的均匀性和燃烧的均匀性，降低燃烧器区的截面热负荷，有利于低氮燃烧。
它还包括稳燃装置6，稳燃装置6由14根平行竖直排成一排的圆管组成，所述稳燃装置6的每根圆管对应喷口管排3形成的一个狭缝喷口，所述稳燃装置6的圆管直径方向的延长线与狭缝喷口宽度方向的中线重合；所述稳燃装置6的圆管的外径为22mm，所述稳燃装置6的圆管管排的外壁面最小间距e为4.5mm。所述稳燃装置6的圆管的迎风面外壁面端点距狭缝喷口出口距离c为5mm。
所述稳燃装置6的圆管下端与冷却介质入口集箱4连通，所述稳燃装置6的圆管上端与冷却介质出口集箱5连通。冷却介质经冷却介质入口集箱4进入喷口管排3的圆管和稳燃装置6的圆管，由冷却介质出口集箱5引出。以水为冷却介质时喷口管排3的管内水流速和稳燃装置6的管内水流速为1m/s，冷却介质是外循环，用来加热锅炉给水。
本实施例中预混天然气扰流稳焰装置的圆管管排，由于气体粘性力的作用，在圆管外壁附近形成流动边界层，产生气流速度较低的区域，满足稳定燃烧的条件，同时圆管背风面形成气流回流区，可以卷吸高温烟气加热预混燃气，进一步增强了燃烧的稳定性。喷口管排形成的狭缝喷口宽度b为1.5mm是优化的参数，狭缝喷口宽度过小，对制造加工的要求更高，在相同燃气量下狭缝喷口的射流速度更高，会增加燃烧噪音，狭缝喷口宽度过大会增加了预混天然气发生回火的可能。该燃烧器在12％-100％负荷下可以实现稳定燃烧，不发生回火吹熄，氮氧化物排放为16-28mg/m3。
实施例2：
本实施例与实施例1的区别仅在于稳燃装置6由14根平行竖直排成一排的圆管异型管组成，所述稳燃装置6的每根圆管异型管对应喷口管排3形成的一个狭缝喷口，所述稳燃装置6的圆管异型管的外接圆直径方向的延长线与狭缝喷口宽度方向的中线重合；所述圆管异型管的背风面为平面，该平面与狭缝喷口宽度方向的中线垂直，所述圆管异型管的外接圆外径为22mm，圆管异型管的平面外壁6-1距圆管圆心距离为8mm。所述圆管异型管管排的外壁面最小间距e为4.5mm，所述圆管异型管的迎风面外壁面端点距狭缝喷口出口距离c为5mm。
所述稳燃装置6的圆管异型管下端与冷却介质入口集箱4连通，所述圆管异型管的上端与冷却介质出口集箱5连通。冷却介质经冷却介质入口集箱4进入喷口管排3的圆管和稳燃装置6的圆管异型管，由冷却介质出口集箱5引出。以水为冷却介质时稳燃装置6的圆管异型管的管内水流速为1m/s。
本实施例中预混天然气扰流稳焰装置的圆管异型管管排，由于气体粘性力的作用，在圆管异型管外壁附近形成流动边界层，产生气流速度较低的区域，满足稳定燃烧的条件，同时圆管异型管的背风面为平面，相比于圆管，在背风面可以形成更大的气流回流区，进一步增强了燃烧的稳定性。该燃烧器在12％-100％负荷下可以实现稳定燃烧，不发生回火吹熄，氮氧化物排放为14-26mg/m3。
实施例3：
本实施例与实施例1的区别仅在于喷口管排3由N根平行竖直排成一排的平椭圆管组成，所述平椭圆管的外壁轮廓由2个圆弧段和2个直段组成，平椭圆管的直段长度为20mm，平椭圆管宽度(2直段的外壁间距离)为25mm，平椭圆管直段外壁形成的狭缝喷口的宽度为1.5mm。所述平椭圆管的下端与冷却介质入口集箱4连通，所述平椭圆管的上端与冷却介质出口集箱5连通，所述稳燃装置6的圆管的迎风面外壁面距平椭圆管的圆弧段外壁面的最小距离w为4mm。
本实施例中的喷口管排采用平椭圆管，易于加工制造，成本较低，对狭缝喷口的冷却效果好。该燃烧器在12％-100％负荷下可以实现稳定燃烧，不发生回火吹熄，氮氧化物排放为13-25mg/m3。
实施例4：
如图5所示，本实施例与实施例2的区别仅在喷口管排3由N根平行竖直排成一排的平椭圆管组成，所述平椭圆管的外壁轮廓由2个圆弧段和2个直段组成，平椭圆管的直段长度为20mm，平椭圆管宽度(2直段的外壁间距离)为25mm，平椭圆管直段外壁形成的狭缝喷口的宽度为1.5mm。所述平椭圆管的下端与冷却介质入口集箱4连通，所述平椭圆管的上端与冷却介质出口集箱5连通，所述稳燃装置6的圆管异型管的迎风面外壁面距平椭圆管的圆弧段外壁面的最小距离w为4mm。
本实施例中的喷口管排采用平椭圆管，易于加工制造，成本较低，对狭缝喷口的冷却效果好。该燃烧器在12％-100％负荷下可以实现稳定燃烧，不发生回火吹熄，氮氧化物排放为12-24mg/m3。
实施例5：
如图6和图7所示，本实施例与实施例4的区别仅在于稳燃装置6的每个圆管异型管外表面上都设置多个环形肋16，每个环形肋16厚度方向的中间截面与矩形金属片7分割狭缝喷口形成的矩形喷口高度方向的中间截面在同一平面。环形肋16的肋片高度3mm，肋片厚度2mm。
本实施例中稳燃装置的每个圆管异型管外表面上设置多个环形肋16，对着喷口管排和矩形金属片形成的矩形喷口的中心，火焰冲刷环形肋16能够强化换热，降低了火焰的温度。同时因气体粘性环肋附近形成流动边界层，气流速度低，有利于稳燃。该燃烧器在12％-100％负荷下可以实现稳定燃烧，不发生回火吹熄，氮氧化物排放为10-18mg/m3。
实施例6：
本实施例与实施例1的区别仅在于冷却介质为空气，空气由风机加压后由冷却介质入口集箱4流经喷口管排3的带平行侧肋的圆管和稳燃装置6的圆管，由冷却介质出口集箱5引出，喷口管排3的管内流速和稳燃装置6的圆管管内流速为40m/s。
本实施例采用空气冷却时喷口管排的圆管和稳燃装置的圆管管内压力较低，流动阻力小，不存在采用水冷可能导致的管内结垢问题。该燃烧器在12％-100％负荷下可以实现稳定燃烧，不发生回火吹熄，氮氧化物排放为20-30mg/m3。

Claims (10)

1.一种具有分割狭缝喷口结构的天然气预混燃烧器，它包括预混天然气管道(1)、渐扩连接管道(2)、喷口管排(3)、冷却介质入口集箱(4)和冷却介质出口集箱(5)，所述喷口管排(3)由N根平行竖直排成一排的带平行侧肋的圆管或平椭圆管组成，所述圆管或平椭圆管的下端与冷却介质入口集箱(4)连通，所述圆管或平椭圆管的上端与冷却介质出口集箱(5)连通，所述喷口管排(3)排布在渐扩连接管道(2)出气端口上，N根圆管的侧肋或N根平椭圆管形成N-1个狭缝喷口；所述喷口管排(3)的每个狭缝喷口内焊接多个矩形金属片(7)，所述矩形金属片(7)在狭缝喷口的高度方向上等间距设置，将喷口管排形成的狭缝喷口分割为多个矩形喷口。
其特征在于它还包括稳燃装置(6)，稳燃装置(6)由N-1根平行竖直排成一排的圆管或圆管异型管组成，所述稳燃装置(6)的每根圆管或圆管异型管对应喷口管排(3)形成的一个狭缝喷口，所述圆管或圆管异型管的外接圆的直径方向的延长线与狭缝喷口宽度方向的中线重合；所述圆管异型管的背风面为平面，该平面与狭缝喷口宽度方向的中线垂直；所述圆管或圆管异型管下端与冷却介质入口集箱(4)连通，所述圆管或圆管异型管上端与冷却介质出口集箱(5)连通。
2.根据权利要求1所述的一种具有分割狭缝喷口结构的天然气预混燃烧器，其特征在于所述喷口管排高度和稳燃装置(6)的圆管或圆管异型管高度相等，为300-1500mm，N为5-40；所述狭缝喷口宽度b为1.0-2.0mm；所述矩形金属片(7)的高度g为3-4mm，厚度等于狭缝喷口宽度，宽度等于狭缝喷口深度；所述矩形金属片(7)将喷口管排形成的狭缝喷口分割为多个矩形喷口，矩形喷口高度f为20-40mm。
3.根据权利要求1所述的一种具有分割狭缝喷口结构的天然气预混燃烧器，其特征在于所述喷口管排(3)的带平行侧肋的圆管之中圆管外径为18-32mm；所述圆管的平行侧肋与圆管等高且对称布置，平行侧肋内壁的中点与圆管外壁连接，平行侧肋的厚度为1-3mm，平行侧肋的长度Y与圆管外径相等；所述稳燃装置(6)的圆管或圆管异型管的迎风面外壁面端点距狭缝喷口出口距离c为5-9mm。
4.根据权利要求1所述的一种具有分割狭缝喷口结构的天然气预混燃烧器，其特征在于所述喷口管排(3)的平椭圆管的外壁轮廓由2个圆弧段和2个直段组成，平椭圆管的直段长度为20-30mm，平椭圆管宽度为20-38mm；所述稳燃装置(6)的圆管或圆管异型管的迎风面外壁面距平椭圆管的圆弧段外壁面的最小距离w为3-5mm。
5.根据权利要求1所述的一种具有分割狭缝喷口结构的天然气预混燃烧器，其特征在于所述稳燃装置(6)的圆管的外径为16-32mm，所述圆管管排的外壁面最小间距e为3-8mm。
6.根据权利要求1所述的一种具有分割狭缝喷口结构的天然气预混燃烧器，其特征在于所述稳燃装置(6)的圆管异型管的外接圆直径为16-32mm，圆管异型管的平面外壁(6-1)距圆管圆心距离为圆管异型管的外接圆半径的0-2/3倍，所述圆管异型管管排的外壁面最小间距e为3-8mm。
7.根据权利要求2所述的一种具有分割狭缝喷口结构的天然气预混燃烧器，其特征在于所述狭缝喷口宽度b为1.5mm，所述矩形金属片(7)的高度g为4mm，厚度为1.5mm，宽度等于狭缝喷口深度，所述矩形金属片(7)将喷口管排形成的狭缝喷口分割为多个矩形喷口，矩形喷口高度f为30mm。
8.根据权利要求3所述的一种具有分割狭缝喷口结构的天然气预混燃烧器，其特征在于所述圆管外径为22mm，所述圆管的平行侧肋与圆管等高且对称布置，平行侧肋内壁的中点与圆管外壁连接，平行侧肋的厚度为1.5mm，平行侧肋的长度Y为22mm。
9.根据权利要求6所述的一种具有分割狭缝喷口结构的天然气预混燃烧器，其特征在于所述圆管异型管的外接圆直径为22mm，所述圆管异型管的平面外壁(6-1)距所述圆管异型管的外接圆圆心的距离为8mm。
10.根据权利要求1所述的一种具有分割狭缝喷口结构的天然气预混燃烧器，其特征在于它还包括环形肋(16)，所述稳燃装置(6)的每个圆管或圆管异型管外表面都设置多个环形肋(16)，每个环形肋(16)的厚度方向的中间截面与矩形金属片(7)分割狭缝喷口形成的矩形喷口的高度方向的中间截面在同一平面上；环形肋(16)的肋片高度2-3mm，肋片厚度2-3mm。
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