CN112797406A - 一种高速节能环保燃气烧嘴及燃烧方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高速节能环保燃气烧嘴及燃烧方法,燃气烧嘴包括烧嘴基座、一级燃气筒、一级助燃风筒、稳燃锥、二级燃气筒、二级助燃风筒、冷却风筒以及碳化硅筒;该燃气烧嘴能够有效解决燃烧初期燃气和空气混合不均匀,烧嘴易脱火以及燃烧不稳定的问题,该烧嘴具有燃烧充分、刚性强和低氮环保等特点。
Description
技术领域
本发明涉及燃气烧嘴技术领域,具体涉及一种高速节能环保燃气烧嘴及燃烧方法。
背景技术
烧嘴是工业燃料炉上用的燃烧装置的俗称,可理解为“烧火的喷嘴”的简称。通常指的是燃烧装置本体部分,有燃料入口、空气入口和喷出孔,起到分配燃料和助燃空气并以一定方式喷出后燃烧的作用。对于窑炉设备而言,烧嘴是窑炉燃烧的核心部件,也是窑炉的基础,烧嘴能否满足窑炉结构及制品烧成工艺的要求,严重影响着其经济效益。
燃气燃烧可分为扩散燃烧、部分预混燃烧和预混燃烧。目前的燃气烧嘴大多采用扩散燃烧,存在初期混合不均匀,燃烧产生炭黑、后期混合不均匀,燃烧不充分等问题。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷,本发明的目的在于提供一种高速节能环保燃气烧嘴及燃烧方法,该燃气烧嘴能够有效解决燃烧初期燃气和空气混合不均匀产生炭黑积碳和后期燃烧不充分、烧嘴易脱火以及燃烧不稳定的问题,实现充分燃烧、碳化硅出口烟气刚性强和低氮环保等特点。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案如下:
第一方面,本申请实施例提供一种燃气烧嘴,所述燃气烧嘴包括烧嘴基座、第一燃气进气口以及助燃风进口,所述燃气烧嘴还包括:
一级燃气筒,所述一级燃气筒安装在所述烧嘴基座上,所述一级燃烧筒的一端与所述第一燃气进气口相连通;
一级助燃风筒,所述一级助燃风筒布置在所述一级燃气筒的外周,所述一级助燃风筒与所述助燃风进口相连通;
二级燃气筒,所述二级燃气筒布置在所述一级助燃风筒的外周,所述二级燃气筒与所述第一燃气进气口相连通或与不同于所述第一燃气进气口的第二燃气进气口相连通;以及
二级助燃风筒,所述二级助燃风筒布置在所述二级燃气筒的外周,所述二级助燃风筒所述助燃风进口相连通。
在第一方面一种优选的实施方式中,所述燃气烧嘴还包括稳燃锥,所述稳燃锥安装在所述一级燃气筒的另一端并形成封闭结构,所述稳燃锥端面布置有多个一级燃气筒出口小孔。
在第一方面一种优选的实施方式中,所述一级燃气筒、一级燃气助风筒、二级燃气筒以及二级燃气助风筒由内至外依次同心设置。
在第一方面一种优选的实施方式中,所述二级燃气筒末端封闭且设置有多个二级燃气筒出口小孔。
在第一方面一种优选的实施方式中,所述二级燃气筒通过设置有的多根燃气管与所述燃气进气口相连通。
在第一方面一种优选的实施方式中,所述燃气烧嘴还包括有碳化硅筒,所述碳化硅筒一端安装在所述烧嘴基座邻近燃气燃烧的一端外侧面处,所述碳化硅筒另一端向外水平延伸伸出,形成燃烧火焰的燃烧区。
在第一方面一种优选的实施方式中,所述碳化硅筒的内侧面与所述烧嘴基座的外侧面之间形成有冷却风筒。
在第一方面一种优选的实施方式中,所述一级助燃风筒内腔处布置有一级助燃风筒旋流器,所述一级燃气筒内腔处设置有一级燃气筒调节装置。
在第一方面一种优选的实施方式中,所述二级助燃风筒内腔处布置有二级助燃风筒旋流器,所述二级燃气筒的内腔中布置有二级燃气筒均流装置。
在第一方面一种优选的实施方式中,所述二级燃烧筒末端采用采用外形尺寸逐渐缩小的缩口结构。
在第一方面一种优选的实施方式中,所述二级助燃风筒末端包括有外形尺寸逐渐缩小的缩口结构和外形尺寸逐渐扩大的扩口结构,其中所述缩口结构和扩口结构沿助燃风流动方向依次布置在所述二级助燃风筒末端处。
第二方面,本申请实施例提供一种利用上述燃气烧嘴的燃气燃烧方法,包括:
通过一级燃气筒引入一级燃气形成中心富燃料区,
通过一级助燃风筒引入一级助燃风以在中心富燃料区***形成一级助燃空气区;
通过二级燃气筒引入二级燃气以在一级助燃空气区***形成二级主燃区富燃料区;
通过二级助燃风筒引入二级助燃风以在所述二级主燃区富燃料区***形成二级助燃空气区。
在第二方面一种优选的实施方式中,所述中心富燃料区和二级主燃区富燃料区的燃气和助燃风的当量比>1。
与现有技术相比,本方案具有的有益技术效果为:
1、能够有效地解决燃气烧嘴低功率下回火烧损烧嘴,大功率下脱火、燃烧不稳问题;
2、能够有效地解决燃气烧嘴存在燃烧不充分问题,燃烧后期助燃风不能有效与中心燃气接触的问题;
3、能够有效地解决燃气烧嘴燃烧过程产生大量的炭黑,燃烧不充分和堵塞碳化硅管问题;
4、能够有效地解决燃气烧嘴NOx排放浓度高问题;
5、能够有效地解决目前燃气烧嘴刚性不足问题。
附图说明
图1为本申请实施例中的高速节能环保燃气烧嘴的结构原理示意图;
图2为本申请实施例高速节能环保燃气烧嘴另一种结构的结构原理示意图;
图3为本申请实施例燃烧烧嘴内的燃气燃烧时的火焰组成结构示意图;
图4为本申请实施例一级燃烧筒末端采用扩口结构的结构示意图;
图5为本申请实施例中的一级燃烧筒末端采用直筒结构的结构示意图;
图6为本申请实施例中的一级燃烧筒末端采用V型结构的结构示意图;
图7为本申请实施例中的二级燃烧筒末端采用渐缩结构的结构示意图;
图8为本申请实施例中的二级燃烧筒末端采用直筒结构的结构示意图;
图9为本申请实施例中的二级燃烧筒末端采用稳燃环结构的结构示意图。
图10为本申请实施例燃烧嘴内的一级燃气及二级燃气燃烧时形成的燃烧区域分布示意图。
图中的附图标记说明:
1-烧嘴基座,2-一级燃气筒,3-一级燃气筒调节装置,4-一级助燃风筒均流装置,5-一级助燃风筒,6-一级助燃风筒旋流器,7-稳燃锥,8-二级燃气筒,9-二级燃气筒均流装置,10-二级助燃风筒,11-二级助燃风筒旋流器,12-冷却风筒,13-缩口装置,14-碳化硅筒,15-燃气进气口,16-助燃风进口,21-二级燃气筒出口小孔,22-一级燃气筒出口小孔,31-中心长明火焰稳燃区,32-二级燃气预混区,33-二级燃气着火燃烧区,34-高温区,35-燃尽区,41-中心回流富燃料区,42-空气区,43-二级主燃区富燃料区,44-二级助燃空气区(***冷却空气区)。
具体实施方式
下面结合说明书附图与具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。
为了更好地理解本申请中的实施例,首先对本申请实施例的应用场景进行简单的说明。燃气燃烧可分为扩散燃烧、部分预混燃烧和预混燃烧,燃气烧嘴作为燃气燃烧的主要构件,其结构设计的好坏对于燃气燃烧结果和燃烧效率有着直接影响。目前的燃气烧嘴大多采用扩散燃烧,燃烧时存在初期混合不均匀,烧嘴易脱火以及燃烧不稳定的问题;需要对现有的燃气烧嘴进行改进。
请参照附图1所示,图1为本申请实施例中的高速节能环保燃气烧嘴的结构原理示意图。本申请实施例中的燃气烧嘴包括烧嘴基座1、一级燃气筒2、一级助燃风筒5、稳燃锥7、二级燃气筒8、二级助燃风筒10、冷却风筒12以及碳化硅筒14。
一级燃气筒2安装在烧嘴基座1上,并与外部的燃气(即燃气进气口15)相连通。在本申请实施例中,一级燃气筒2为圆筒状的外形结构,其内部沿其长度方向设置有燃气通道,燃气通道与外部燃气相连通。一级燃气筒2布置在整个烧嘴中心位置。需要说明的是,一级燃气筒2其外形形状可采用其它形状,不以为限。
请继续参阅附图1,稳燃锥7布置在一级燃气筒2的末端,即一级燃气筒2内邻近燃气燃烧的一端。稳燃锥7的末端为闭合的端面结构,稳燃锥7与一级燃气筒2形成首端开口(即与外部燃气相连通的一端),末端闭合的管道状外形结构。一级助燃风筒5布置在一级燃气筒2的外表面,外部的助燃风(即助燃风进口16)进入到一级助燃风筒5内,并与一级燃气筒2末端的燃气进行混合燃烧。为了便于描述,在本申请实施例中将进入到一级助燃风筒5内腔中的助燃风简称为一级助燃风。在稳燃锥7的末端(即邻近燃气燃烧的一端)布置有多个一级燃气筒出口小孔22,使得位于一级燃气筒2内的燃气(同样为了便于描述,在本申请实施例中将位于一级燃气筒2内的燃气简称为一级燃气)与一级助燃风进行混合,以便在稳燃锥7下游形成中心长明稳定蓝色火焰。在本申请实施例中,在稳燃锥7末端均布有3-8个一级燃气筒出口小孔22,小孔直径为0.6-1.5mm。可以理解的是,一级燃气筒出口小孔22的数量和直径大小可以灵活变动,以保证燃气燃烧形成稳定蓝色火焰为基本要求。在另一些实施例中,一级燃气筒小孔与稳燃锥7轴线存在夹角,夹角为30°-90°,优先的夹角为45°。
请继续参阅附图1所示,在一级助燃风筒5内腔处布置有一级助燃风筒旋流器6,用于使得位于一级助燃风筒5中的一级助燃风在出口处(即燃气燃烧处)形成均匀旋转气流。本申请实施例通过一级燃气筒2、一级助燃风旋流器与稳燃锥7相配合,燃气燃烧时可在稳燃锥7下游位置形成中心回流区,形成稳定的长明蓝色火焰,进而解决烧嘴脱火以及燃烧不稳定的问题。同样,在一级燃气筒2内腔中布置有一级燃气筒调节装置3,调节一级燃气比率实现不同燃气成分、不同负荷和功率下形成稳定蓝色火焰。
请继续参阅附图1所示,为了提高燃气效率以及燃烧更加充分,本申请实施例采用二级燃气进气方案,即在燃气烧嘴处有两路燃气进行燃烧。为了便于描述,将进入到一级燃气筒2内的燃气简称为一级燃气,进入到二级燃气筒8内的燃气简称为二级燃气。二级燃气筒8的首端(即为其上燃气进入的一端)为开口结构,用于外部燃气进入,其末端(即邻近燃气燃烧的一端)为闭合结构,二级燃气筒8的末端设置在一级燃气筒2的末端附近周围,以便使得二级燃气筒8内的二级燃气与一级助燃风和二级助燃风混合,并通过中心处的长明火焰点燃,形成蓝色火焰。并且在此位置处,二级燃气与助燃风(一级助燃风和二级助燃风)达到分子级别混合,碳氢化合物与氧气充分燃烧,形成CO、CO2和H2O,有效的避免炭黑的生成。
请参阅附图1所示,二级助燃风筒10布置在二级燃气筒8的外周面,一级燃气筒2、一级燃气助风筒、二级燃气筒8以及二级燃气助风筒由内至外依次布置,并且依次同心设置。同样为了便于描述,进入到二级助燃风筒10内的助燃风简称为二级助燃风。在本申请实施例中,二级助燃风筒10的末端延伸到二级燃气筒8的末端,用于使得二级助燃风与二级燃气进行混合。
请继续参阅附图1所示,进入到二级燃气筒8内的燃气可以从外部主燃气管中引出,即通过从主燃气管中引出n个燃气管并与二级燃气筒8相连通,其中n≥1。参照附图1所示,本申请实施例中为通过从主燃气管中上下对称引出2个燃气管,2个燃气管与二级燃气筒8相连通。参照附图2所示,附图2为本申请实施例高速节能环保燃气烧嘴另一种结构的结构原理示意图。附图2中的燃气烧嘴与附图1中的不同之处仅在于,附图2中的二级燃气筒8内的二级燃气为从外部单独引入,即不是类似附图1中的通过从主燃气管中引出燃气管的方式。在本申请实施例中,对于进入到二级燃气筒8中的二级燃气的进入方式,不做具体的限定,只需要二级燃气能够安全顺利地进入到二级燃气筒8内即可。通过采用双级燃气进气方案,燃烧时通过调节一级燃气、二级燃气的混合比率(示例性的,例如通过调节各级燃气的进气阀门),以适应不同负荷、不同功率的作业需求。
请结合参照附图1和附图2所示,在二级燃气筒8的出口处布置有多个二级燃气筒出口小孔21,用于二级燃气筒8内的燃气与二级助燃风混合。在一些实施例中,二级燃气筒小孔21与轴线夹角为0°-90°,优选的为45°。
在本申请实施例中的二级燃气筒出口小孔21布置在二级燃气筒8出口内筒或外筒上,即可以单独布置在内筒上,也可单独布置在外筒上。本申请实施例中,二级燃气筒出口小孔21优先的布置在内外筒上,并且二级燃气筒出口小孔21采用均匀布置的方式,小孔的直径为0.6-2mm,可以理解的是,二级燃气筒出口小孔21的数目依据燃气量决定,并且小孔可布置成一排或两排,实现二级燃气与一级、二级助燃风混合均匀。可以理解的是,在其它实施方式中,二级燃气筒出口小孔21的布置方式以及直径尺寸可以采用其它布置方式和外形尺寸,不以为限。
请继续参阅附图1和附图2所示,本申请实施例中的助燃风优先采用侧边进风方式,即助燃风设置在烧嘴基座1一侧,助燃风的进风口分别与一级助燃风筒5和二级助燃风筒10相连通,进入到一级助燃风筒5中的助燃风为一级助燃风,进入到二级助燃风筒10内的助燃风为二级助燃风。
继续参阅附图1和附图2所示,本申请实施例中的燃烧烧嘴还包括有碳化硅筒14,碳化硅筒14一端安装在烧嘴基座1邻近燃气燃烧的一端外侧面处,碳化硅筒14另一端向外水平延伸伸出,形成燃烧火焰的燃烧区。同时,碳化硅筒14的内侧面与烧嘴基座1的外侧面之间形成冷却风筒12。
请参阅附图3所示,附图3为本申请实施例燃烧烧嘴内的燃气燃烧时的火焰组成结构示意图。火焰燃烧区包含五个区域,燃烧火焰由内向外依次为:中心长明火焰稳燃区31、二级燃气预混区32、二级燃气着火燃烧区33、高温区34以及燃尽区35。在碳化硅筒14喷口形成高温高速烟气气流喷入窑炉。
请参阅附图10所示,附图10为本申请实施例燃烧嘴内的一级燃气及二级燃气燃烧时形成的燃烧区域分布示意图。一级燃气和二级燃气分别与空气接触区域,形成了由中向外的中心回流富燃料区41、空气区42、二级主燃区富燃料区43和***冷却空气区44。富燃料区的燃气和助燃风的当量比>1,实现了燃料、空气分级燃烧,延长了碳化硅套筒内最高温度生成位置,减小了碳化硅套管内烟气最高温度区域,有效的抑制热力型NOx生成空间,降低NOx生成。
请参阅附图1和附图2所示,在二级助燃风筒10内腔处布置有二级助燃风筒旋流器11,用于使得位于二级助燃风筒10中的二级助燃风在出口处(即燃气燃烧处)形成均匀旋转气流。本申请实施例中的一级燃气筒2旋流器和二级燃气筒旋流器的作用为:1)、强化初期燃气与助燃风混合;2)、强化后期***助燃风与中心烟气混合,实现燃气中间产物充分燃尽,在碳化硅筒14出口实现燃气充分燃烧燃尽。
请参阅附图1和附图2所示,在二级燃气筒8的内腔中布置有二级燃气筒均流装置9,用于调节进入到二级燃气筒8内的二级燃气的均匀性。同样的,在一级燃气筒2的内腔中布置有一级助燃风筒均流装置4,用于调节进入到一级燃气筒2内的一级燃气的均匀性。此外,在本申请实施例中,一级燃气筒旋流器叶片角度为20-45℃,二级燃气筒旋流器叶片角度为30-50℃。需要说明的是,在其它实施例中,一级燃气筒旋流器叶片和二级燃气筒旋流器叶片的角度可以采用其它角度,不以为限。
请参阅附图4所示,附图4为本申请实施例一级燃烧筒末端采用扩口结构的结构示意图。本申请实施例中的一级燃烧筒末端采用扩口结构,该扩口结构为一级燃烧筒末端设置为向外边缘扩张的“喇叭口”外形结构。请参阅附图5所示,附图5为本申请实施例中的一级燃烧筒末端采用直筒结构的结构示意图。本申请实施例中的一级燃烧筒末端也可采用直筒结构,即一级燃烧筒末端为水平向外延伸的直筒状外形结构。请参阅附图6所示,附图6为本申请实施例中的一级燃烧筒末端采用V型结构的结构示意图。本申请实施例中的一级燃烧筒末端也可以采用V型结构,即一级燃烧筒末端设置为两侧斜向外延伸凸起,中间内凹的V型外形结构。在本申请实施例中,无论一级燃烧筒末端具体采用那种外形结构,都需要保证在稳燃锥7下游位置形成稳定的中心回流区。
请参阅附图7所示,附图7为本申请实施例中的二级燃烧筒末端采用渐缩结构的结构示意图。在本申请实施例中,二级燃烧筒末端采用渐缩结构的外形结构,即二级燃烧筒末端采用外形尺寸逐渐缩小的缩口结构。请参阅附图8所示,附图8为本申请实施例中的二级燃烧筒末端采用直筒结构的结构示意图,即二级燃烧筒末端也可采用直筒结构,即二级燃烧筒末端为水平向外延伸的直筒状外形结构。请参阅附图9所述,附图9为本申请实施例中的二级燃烧筒末端采用稳燃环结构的结构示意图。本申请实施例中的二级燃烧筒末端还可以采用稳燃环结构。在实际外形结构的选择中,二级燃烧筒末端优先的采用渐缩结构,渐缩结构的缩口角度可以在20-90°之间。而对于发热量低,着火困难燃气的情况下,二级燃烧筒末端采用稳燃环结构。
请参阅附图1和附图2所示,二级助燃风筒10末端采用先逐渐缩小的缩口结构,然后采用外形尺寸逐渐扩大的扩口结构。具体的,二级助燃风筒10末端处的缩口结构对应布置在邻近二级助燃风筒10的出口处,其可以有效地强化燃气与助燃风混合、提高烧嘴喷口气流刚性。可以理解的是,对于不同的燃气特性,缩口装置13布置成不同的长度,即对于着火较易的燃气,缩口装置13的布置长度可以相对较短;对于着火较困难的燃气,缩口装置13的布置长度可以相对较长。二级助燃风筒10末端处的扩口结构对应布置在火焰燃烧处,由于位于此处的燃气与助燃风已经充分混合,二级燃气在此部分被中心长明火焰点燃,而扩口结构的设置,可以进一步保证二级燃气的充分燃烧。
在实际使用时,操作者还可以通过调节一级燃气筒小孔和二级燃气筒出口小孔21的位置,来调整不同燃气着火位置。对于燃点低、火焰传播速度高的燃气,小孔距喷口距离近一些;燃点高、火焰传播速度低的燃气,小孔距喷口远一些。
本申请实施例还提供一种利用上述燃烧嘴的燃气燃烧方法,该燃气燃烧方法为:首先通过一级燃气筒引入一级燃气形成中心富燃料区,接着通过一级助燃风筒引入一级助燃风以在中心富燃料区***形成一级助燃空气区;再接着通过二级燃气筒引入二级燃气以在一级助燃空气区***形成二级主燃区富燃料区;随后通过二级助燃风筒引入二级助燃风以在二级主燃区富燃料区***形成二级助燃空气区,其中所述中心流富燃料区的燃气和助燃风的当量比>1,以实现燃料和空气分级燃烧,该燃烧方法延长了燃气烧嘴内(对应于燃气烧嘴碳化套筒内)最高温度生成位置,减小了燃气烧嘴(碳化硅套管)内烟气最高温度区域,有效的抑制热力型NOx生成空间,降低NOx生成。
显然,本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样,倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内,则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (13)
1.一种燃气烧嘴,所述燃气烧嘴包括烧嘴基座、第一燃气进气口以及助燃风进口,其特征在于,所述燃气烧嘴还包括:
一级燃气筒,所述一级燃气筒安装在所述烧嘴基座上,所述一级燃烧筒的一端与所述第一燃气进气口相连通;
一级助燃风筒,所述一级助燃风筒布置在所述一级燃气筒的外周,所述一级助燃风筒与所述助燃风进口相连通;
二级燃气筒,所述二级燃气筒布置在所述一级助燃风筒的外周,所述二级燃气筒与所述第一燃气进气口相连通或与不同于所述第一燃气进气口的第二燃气进气口相连通;以及
二级助燃风筒,所述二级助燃风筒布置在所述二级燃气筒的外周,所述二级助燃风筒所述助燃风进口相连通。
2.根据权利要求1所述的燃气烧嘴,其特征在于,
所述燃气烧嘴还包括稳燃锥,所述稳燃锥安装在所述一级燃气筒的另一端并形成封闭结构,所述稳燃锥端面布置有多个一级燃气筒出口小孔。
3.根据权利要求1所述的燃气烧嘴,其特征在于,所述一级燃气筒、一级燃气助风筒、二级燃气筒以及二级燃气助风筒由内至外依次同心设置。
4.根据权利要求1所述的燃气烧嘴,其特征在于,所述二级燃气筒末端封闭且设置有多个二级燃气筒出口小孔。
5.根据权利要求1所述的燃气烧嘴,其特征在于,所述二级燃气筒通过设置有的多根燃气管与所述燃气进气口相连通。
6.根据权利要求2或3所述的燃气烧嘴,其特征在于,所述燃气烧嘴还包括有碳化硅筒,所述碳化硅筒一端安装在所述烧嘴基座邻近燃气燃烧的一端外侧面处,所述碳化硅筒另一端向外水平延伸伸出,形成燃烧火焰的燃烧区。
7.根据权利要求6所述的燃气烧嘴,其特征在于,所述碳化硅筒的内侧面与所述烧嘴基座的外侧面之间形成有冷却风筒。
8.根据权利要求2或3所述的燃气烧嘴,其特征在于,所述一级助燃风筒内腔处布置有一级助燃风筒旋流器,所述一级燃气筒内腔处设置有一级燃气筒调节装置。
9.根据权利要求3所述的燃气烧嘴,其特征在于,所述二级助燃风筒内腔处布置有二级助燃风筒旋流器,所述二级燃气筒的内腔中布置有二级燃气筒均流装置。
10.根据权利要求3或9所述的燃气烧嘴,其特征在于,所述二级燃烧筒末端采用采用外形尺寸逐渐缩小的缩口结构。
11.根据权利要求3或9所述的燃气烧嘴,其特征在于,所述二级助燃风筒末端包括有外形尺寸逐渐缩小的缩口结构和外形尺寸逐渐扩大的扩口结构,其中所述缩口结构和扩口结构沿助燃风流动方向依次布置在所述二级助燃风筒末端处。
12.一种利用权利要求1-11任一项所述燃气烧嘴的燃气燃烧方法,其特征在于,包括:
通过一级燃气筒引入一级燃气形成中心富燃料区,
通过一级助燃风筒引入一级助燃风以在中心富燃料区***形成一级助燃空气区;
通过二级燃气筒引入二级燃气以在一级助燃空气区***形成二级主燃区富燃料区;
通过二级助燃风筒引入二级助燃风以在所述二级主燃区富燃料区***形成二级助燃空气区。
13.根据权利要求12所述的燃气燃烧方法,所述中心富燃料区和二级主燃区富燃料区的燃气和助燃风的当量比>1。
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