CN112902161A - 一种气流通道动态可调的全预混水冷燃气燃烧器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种气流通道动态可调的全预混水冷燃气燃烧器，包括预混器、均流孔板和水冷管束燃烧头，空气和燃气在预混器中完全混合后经均流孔板均匀分配给水冷管束燃烧头，水冷管束等间距布置、两端连通环形集箱，水冷管束之间布置有导流调节板，期间留有气流通道，布置在均流孔板导轨上的导流调节板连接调节机构的输出端；水冷管束设置纵向肋片，通过不同的调节机构改变导流调节板和水冷管束之间的气流通道，防止回火和脱火，使火焰分布、速度和方向均处于动态可调节状态；火焰受纵向肋片限制发生切向燃烧同时降低火焰径向长度及炉膛直径，使锅炉更紧凑；火焰和气流经过水冷管束和纵向肋片的双重连续冷却，有效降低火焰温度，深度减少氮氧化物的生成。

Description

一种气流通道动态可调的全预混水冷燃气燃烧器
技术领域
本发明属于天然气安全稳定低氮燃烧、燃烧器设计领域，具体涉及一种气流通道动态可调的全预混水冷燃气燃烧器。
背景技术
随着生态环境逐渐恶化，大气污染的防治已经迫在眉睫。许多燃煤电厂正在大力响应环保要求，努力实现超低排放改造即烟尘、二氧化硫、氮氧化物排放浓度分别不超过5mg/m3、35mg/m3、50mg/m3，NOx是大气污染物的主要来源之一，国内许多地方已经将NOx的排放限值降低到50mg/m3甚至30mg/m3以下。超低氮燃烧技术是目前市场上实现超低氮排放的应用较为广泛的新技术。燃气锅炉超低氮改造技术包括燃烧中脱氮和燃烧后脱氮，控制燃烧过程的温度和时间是降低NOx生成量的主要手段，空燃比是其中的主要控制因素，全预混燃烧器增加了空燃比，可以较好地实现低氮排放。水冷燃烧头则是通过降低火焰温度，来减少氮氧化物的生成。
目前已经有平面式水冷管排冷却火焰CN201721098931.5和圆柱形缝隙式水冷燃烧头CN202019001715026分别为平面和圆柱形结构的水冷燃烧头，使预混气体从水冷管束之间的缝隙喷出并点燃，但其缝隙是固定的，不能满足在不同流速下的燃烧要求。
发明内容
为了解决平板水冷燃烧器和圆柱形缝隙式水冷燃烧器缝隙不可调节的问题，本发明提供一种气流通道动态可调节的全预混水冷燃烧头，根据预混气体的速度不同，通过不同的调节机构改变导流调节板和水冷管束之间的距离，调节缝隙的大小，防止回火和脱火的发生，从缝隙间喷出的预混气体经过水冷管束的冷却，降低了火焰的温度，减少氮氧化物的生成。同时，水冷预混燃烧器的混合气流只从管束间缝隙喷出，喷出速度高，火焰长度大，增大了炉膛尺寸和锅炉体积，为解决这一难题，本发明在水冷管束上设置纵向肋片，火焰受纵向肋片限制发生切向燃烧同时降低火焰径向长度及炉膛直径，使锅炉更紧凑。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种气流通道动态可调的全预混水冷燃气燃烧器，包括预混器、均流孔板、水冷管束燃烧头、集箱、导流调节板、导轨、肋片和调节机构，预混器出口端与均流孔板连接，均流孔板上设置导轨，水冷管束燃烧头包括集箱和若干水冷管束，水冷管束两端连通集箱，水冷管束沿均流孔板的外侧等间距设置，相邻两根水冷管束之间布置导流调节板，导流调节板设置在导轨上，导流调节板连接调节机构的输出端，导流调节板与相邻的水冷管束之间始终保持有气流通道；水冷管束燃烧头沿其纵向设置纵向肋片，水冷管束燃烧头外侧靠近集箱处设置点火枪；燃烧器整体形状为平面或圆柱形。
均流孔板上导流调节板之间均匀开设圆形或多边形喷孔，均流孔板的孔隙率为3％～7％。
导流调节板包括第一连接段、第二连接段、导向段和圆弧段，导轨上均匀设置若干导轨槽，导流调节板设置在所述导轨槽中，与导轨槽接触的两段为导向段，导向段采用平直板，两个圆弧段沿着相邻两根水冷管束外侧布置，所述圆弧段与水冷管束外侧形成气流通道，圆弧段连接导向段，第一连接段连接两个导向段，第二连接段连接两个圆弧段。
纵向肋片采用弧形肋片、波纹形肋片或平直肋片，肋片宽度4～12mm；肋片的材质为耐高温抗干烧氧化的金属材料，肋片全熔透焊接在水冷管束外侧同一角向位置，肋片与其所在位置的法向设有一夹角，肋片上均匀开设通孔。
均流孔板的两端沿着导流调节板的位置设置有连接板，所述连接板可动的设置在均流孔板上；均流孔板两端的连接板通过连杆连接，每个导流调节板通过一根直杆与连接板连接，所述连接板连接伺服电机的输出端。
导向槽中设置弹簧，弹簧的一端连接均流孔板，弹簧另一端与导流调节板根部连接，同时导流调节板顶部和底部内侧连接耐高温绳，耐高温绳汇聚于一根缠绕轴上，耐高温绳的主动端缠绕在缠绕轴上，缠绕轴设置在均流孔板的中心轴线上或均流孔板背离水冷管束的一侧，缠绕轴连接电机输出轴。
导流调节板的两端均通过推拉杆连接一滑块，所述推拉杆与均流孔板滑动连接，所述滑块设置在一个倾斜的滑轨中，所述滑轨沿着其纵向逐渐靠近均流孔板或远离均流孔板，所述滑块或滑轨连接驱动机构的输出端。
在均流孔板的一侧设置第一导向杆件，第一导向杆件上设置有垂直于均流孔板的第二导向杆件，第一导向杆件上设置第一滑套，第二导向杆件上设置第二滑套，第二滑套延伸至均流孔板的另一侧连接导流调节板，第一滑套和第二滑套分别连接斜杆的两端，伺服电机的输出端连接齿轮齿条移动机构，齿条连接第一滑套，齿轮连接伺服电机的输出端。
对于真空相变、常压或微压锅炉，水冷管束的截面采用方形、长圆形、水滴形或爱心形等各种几何形状的管形，或水冷管束采用直管或盘管形的螺旋翅片管；对于承压锅炉，水冷管束采用圆形截面管。
预混器出口端的第一集箱内部设置隔板将其分为水进口段、中间连通段以及水出口段，另一端的第二集箱内部也设置相应隔板并作为中间流通集箱，工质水通过预混器出口端的第一集箱、另一端的第二集箱和水冷管束连通并折转往复流动。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
水冷管束与导流调节板的导流通大大小可以调节，适用于更多需求，保证预混气体在不同流速下都能被顺利点燃，而且避免全预混水冷燃烧器在流速大小不同时产生回火和脱火的现象，保证设备进行稳定安全的运行；在水冷管束上加装肋片，改变火焰长度，避免火焰冲刷炉墙造成的危害。并且肋片可以降低高温烟气的温度，再与预混气体混合燃烧，增加了过量空气系数，降低了理论燃烧温度，还可稳定火焰，不同调节缝隙大小的调节机构可以适用于不同需求，根据锅炉的不同可以选择不同调节方式，扩大适用范围，本发明所述水冷燃烧器用范围广，平板水冷燃烧器和圆柱形缝隙式水冷燃烧器均可适用。
进一步的，对肋片进行倾斜处理，压缩总的火焰高度，适配更小尺寸的炉膛，避免火焰冲刷炉墙，肋片压迫预混气体，以倾斜的角度射出，形成旋流。
进一步的，电机转动带动耐高温绳在电机轴上缠绕或解绕，拉动导流调节板在导向槽中滑动，弹簧在解绕时推动导流调节板，改变导流调节板和水冷管束之间的导流通道。
进一步的，肋片上均匀开设通孔，可以从主火焰上分流出小火焰，降低火焰的高度，可以使燃烧更加均匀，翅片背部的地方也能燃烧，还可以适配更小的炉膛，防止炉墙被烧灼。
附图说明
图1a本发明一种可实施平面型的全预混水冷燃气燃烧器整体结构示意图。
图1b为本发明一种可实施圆柱型的全预混水冷燃气燃烧器整体结构示意图。
图2a为本发明一种可实施的水冷管束及平直导流调节板示意图。
图2b为本发明一种可实施的水冷管束及弯曲导流调节板示意图。
图3a为本发明优选方案一调节机构整体结构示意图。
图3b为本发明优选方案一调节机构俯视示意示意图。
图4a为本发明一种可实施的耐高温绳调节机构示意图。
图4b为本发明一种可实施的耐高温绳调节机构俯视示意图。
图5a为本发明一种可实施的倾斜的滑轨调节机构结构示意图。
图5b为本发明一种图5a的俯视示意图。
图6a为本发明一种可实施的伞骨结构调节机构示意图。
图6b本发明一种可实施的伞骨结构调节机构俯视示意图。
图7为本发明凸轮机构用于驱动调节结构示意图。
图8a为本发明水冷管束截面为水滴状及导流调节板的示意图。
图8b为本发明水冷管束截面为桃心状及导流调节板的示意图。
其中：1-水冷管束燃烧头，2-集箱，3-耐火泥，4-导流调节板，5-均流孔板，6-导轨，7-肋片，8-调节机构，9-伺服电机，10-水冷管束，21-第一集箱，22-第二集箱。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
为了解决预混气体在不同流速下的燃烧要求，使其在速度大时尽量调大缝隙，防止脱火，在速度小时尽量调小缝隙，防止回火，提出了缝隙可以调节的全预混水冷燃烧头，通过一定的调节机构，调节导流调节板和水冷管束之间的距离，从而改变缝隙的大小，实现不同流速下的预混气体的充分燃烧。同时，和其他种类的全预混燃气燃烧器相比，因为水冷管束占据了混合气的流通截面，混合气喷出流速高，火焰尺寸长，势必增加炉膛的尺寸，本发明通过在水冷管束上焊接纵向肋片，迫使火焰由径向转变为切向展开，从而缩短火焰高度，以适配更小尺寸的炉膛，或者当炉膛尺寸小时，可避免火焰冲刷炉膛壁面，预混气体在纵向肋片作用下可以形成切向旋流燃烧。同时和传统的光管水冷燃烧头相比，增加了水冷管束上焊接纵向肋片的冷却效应，可以获得更低的NOx排放，本发明的目的就是使水冷预混燃烧火焰的速度和方向处于动态可调节状态。
如图1a，图1b所示，本发明一种导流通道动态可调的全预混水冷燃气燃烧器，包括预混器、均流孔板5、水冷管束燃烧头1、集箱2、导流调节板4、导轨6、肋片7、调节机构8和伺服电机9，全预混水冷燃气燃烧器形状为平面或圆柱形；当采用圆柱形时，预混器底部与均流孔板顶部紧密焊接，均流孔板5外侧设置导轨6，导轨6上等间距设置导向槽，导流调节板4设置在导向槽中，导轨上卡接导流调节板，导流调节板通过调节机构与伺服电机相连，均流孔板外侧设置一排或一圈水冷管束，水冷管束10等间距设置，并与集箱2焊接，水冷管束10上焊接有不同形状的肋片7，集箱受火处设置耐火泥，集箱底部设置点火枪，点火枪设置在水冷管束10的外侧。均流孔板5上开设若干喷孔，均流孔板5的孔隙率为3％～7％，所述喷孔可为圆形、方形等不同形状，喷孔均匀分布在均流孔板5相邻两组导轨之间，通过导流调节板4在导轨6的导向槽中滑动来改变导流调节板4和水冷管束10之间的气流通道；水冷管束沿平面或圆柱面均匀布置15～40根，相邻两根水冷管束间布置导流调节板4，导流调节板4通过不同的调节机构与伺服电机9动力输出端相连，伺服电机9正反转及转动不同角度时，导流调节板4在导轨上滑动不同距离，导流调节板4与水冷管束1间形成不同间隙。
作为可选的实施例在均流孔板5的两端设置条状耐高温钢板作为导轨6，导轨6上间隔均匀地焊接耐高温钢片作为导向槽。
如图2a和图2b所示导流调节板4由六段组成，与导轨6中导向槽卡接的两段为直段，与水冷管束形成间隙的两段为圆弧段，另外两段通过直段或弧段连接。水冷管束10上焊接纵向肋片包括弧形肋片、波纹形肋片或平直肋片，肋片宽度4～12mm。肋片7由耐高温抗氧化干烧的金属材料制成，肋片7均匀设置在水冷管束10外侧，肋片7的朝向相同，肋片7全熔透焊接在水冷管束10外侧同一角向位置，可以起到冷却混合气体和稳焰的作用。
可选的，肋片7根部与平面或圆柱径向呈30～60°，为了压缩总的火焰高度，适配更小尺寸的炉膛，避免火焰冲刷炉墙，对水冷管束的肋片进行倾斜处理，肋片压迫预混气体，以倾斜的角度射出，形成旋流，肋片根部垂直于水冷管束切向，其曲面或弧形部分与圆柱径向呈30～60°角度变化，肋片7顶部朝向同一方向，可沿顺时针或逆时针布置。
肋片上布置孔，肋片面上可开设圆形、方形或椭圆形等不同几何形状的孔，孔的布置可疏可密，可以从主火焰上分流出小火焰。
所述机械机构有以下四种方案：
优选方案一，均流孔板5的两端沿着导流调节板4的布置位置设置有连接板，所述连接板可动的设置在均流孔板上；均流孔板5两端的连接板通过连杆连接，每个导流调节板4通过一根直杆与连接板连接，直杆与导流调节板4和所述直杆均铰接，所述连接板连接伺服电机9的输出端。
如图3a和图3b所示，对于圆柱全预混水冷燃气燃烧器，在均流孔板5两端外侧安装有圆环形的连接板，圆环形的连接板以轴承或导轨方式连接在孔板上，上下两个圆环形的连接板通过连杆连接，每个导流调节板通过一根直杆与圆环形的连接板连接，所述直杆与圆环形的连接板以及导流调节板铰接，形成连杆滑块机构；对于平面全预混水冷燃气燃烧器，两块连接板通过连杆连接，直杆两端分别与导流调节板4和连接板铰接，均流孔板的一侧设置一滑轨，连接板设置在滑轨中，伺服电机转动通过齿轮齿条或凸轮推动两块连接板移动，连接板推动直杆和导流调节板4移动，使得导流调节板4靠近或远离水冷管束所在平面；直杆一端安装在导流调节板几何中心且所有直杆大小相同。
如图4a和图4b所示，方案二在均流孔板5上固定有一排或一圈弹簧，弹簧另一端与导流调节板4根部固接，导流调节板4卡接在导轨6的导向槽中，导流调节板4两端内侧连接耐高温绳，耐高温绳汇聚于一排导流调节板上方中间位置或导流调节板所在圆圆心位置，或耐高温绳的一端固定在一个绕轴上，所述绕轴连接电机输出轴，电机转动带动耐高温绳在绕轴上缠绕或解绕，拉动导流调节板在导轨上滑动结合弹簧的回弹作用，改变导流调节板4和水冷管束10之间的缝隙。
方案三，导流调节板4的两端均通过推拉杆连接一滑块，所述推拉杆与均流孔板滑动连接，所述滑块设置在一个倾斜的滑轨中，所述滑轨沿着其纵向逐渐靠近均流孔板5或远离均流孔板5，所述滑块或滑轨连接驱动机构的输出端。
参考图5a，图5b，对于圆柱型，导流调节板4通过推拉杆与一滑块相连，滑块设置在圆台侧面的滑轨中，圆台设置在导流调节板4的两端，圆台连接电机的输出端，圆台顶部或底部焊接一齿条，齿条通过齿轮连接直电机轴上，电机轴转动带动圆台上下移动，推拉杆与均流孔板5滑动连接，直杆沿着均流孔板5的径向滑动，带动直杆推动导流调节板4径向移动，改变导流调节板4与水冷管束10之间的缝隙；当然也可以是所述滑块连接驱动电机的输出端，具体的，滑块均连接一圆环，所述圆环连接所述齿条。
对于平面型全预混水冷燃气燃烧器，均流孔板5背离水冷管束的一侧设置一倾斜的滑轨，所述滑轨沿着其纵向逐渐远离或靠近均流孔板5，滑轨中设置滑块，滑块通过推拉杆连接导流调节板4，推拉杆与均流孔板5滑动连接，所述滑轨相对于均流孔板固定，所述滑轨可以与均流孔版固定连接，也可以与预混器连接，也可以与炉体支撑结构件连接，如锅筒、锅壳或支撑架。
基于连杆滑块机构的原理，在均流孔板的一侧设置第一导向杆件，第一导向杆件上设置有垂直于均流孔板的第二导向杆件，第一导向杆件上设置第一滑套，第二导向杆件上设置第二滑套，第二滑套延伸至均流孔板的另一侧连接导流调节板4，第一滑套和第二滑套分别连接斜杆的两端。
如图6a和图6b所示，方案四，对于圆柱型，可利用一种雨伞结构改变缝隙，包括伞骨直杆、伞骨倾斜杆和中心杆，中心杆设置在均流孔板的轴线上，伞骨直杆伞骨倾斜杆沿周向均匀设置，伞骨包括水平穿过孔板伞骨直杆的焊接在中心杆上；中心杆上设置第一滑套，伞骨直杆上设置第二滑套，第二滑套的一端延伸至均流孔板外侧与均流板4连接，倾斜直杆的一端铰接第一滑套，另一端铰接第二滑套，第一滑套沿着中心杆轴向移动，带动伞骨斜杆移动，进一步伞骨倾斜杆带动第二滑套移动，则导流调节板4随着第二滑套沿均流孔板5的径向移动，改变导流调节板4与水冷管束1之间的缝隙大小；伺服电机9的输出端连接齿轮齿条移动机构，齿条连接第二滑套，齿轮连接伺服电机9的输出端，齿条移动时带动第一滑套沿着中心杆轴向移动；所述中心杆作为第一导向杆件，所述伞骨直杆作为第二导向杆件，所述伞骨斜杆作为斜杆。
如图7所示为本发明采用的凸轮机构示意图。
如图8a，8b所示，所述水冷管束，对于真空相变、常压或微压锅炉来说，水冷管束可以布置成方形、长圆形、水滴形或爱心形等各种几何形状的管形，内侧间隙较小，可防止回火，外侧间隙较大，减小混合气出流速度，防止脱火并在后方形成涡流，易于着火和稳定燃烧，且间隙符合流线，流场均匀，强化换热；对于承压锅炉来说，水冷管束优选圆形截面管。
预混器出口端的第一集箱21内部设置隔板将其分为水进口段、中间连通段以及水出口段，另一端的第二集箱22内部也设置相应隔板并作为中间流通集箱，工质水通过预混器出口端的第一集箱21、另一端的第二集箱22和水冷管束10连通并折转往复流动，以保证其可靠冷却。
单圈的水冷管束燃烧头1采用如下水流程：根据水流量和合理水流速将预混器出口端的集箱2-1内部用隔板分为几个部分，将其中的一部作为水进口段，中间部分是水循环往复的中间连通段，最后一部分为水出口段，则另一端的集箱2-2也就成为水循环往复的中间流通集箱，水从上部的集箱2-1的进口段进入，沿和两端集箱2-2连接的水冷管束10、循环往复流动以冷却水冷管束10，最后从预混器出口端的集箱2-1的最后一部分为水出口段流出，以确保两端集箱2和水冷管束10始终得到可靠水冷却，确保水冷管束10降低火焰温度，最大程度地减少NOx排放；集箱2的截面可以是矩形也可以是圆形。

Claims (10)

1.一种气流通道动态可调的全预混水冷燃气燃烧器，其特征在于：包括预混器、均流孔板(5)、水冷管束燃烧头(1)、集箱(2)、导流调节板(4)、导轨(6)、肋片(7)和调节机构(8)，预混器出口端与均流孔板连接，均流孔板(5)上设置导轨(6)，水冷管束燃烧头(1)包括集箱(2)和若干水冷管束(10)，水冷管束(10)两端连通集箱(2)，水冷管束(10)沿均流孔板的外侧等间距设置，相邻两根水冷管束(10)之间布置导流调节板(4)，导流调节板(4)设置在导轨(6)上，导流调节板(4)连接调节机构(8)的输出端，导流调节板(4)与相邻的水冷管束(10)之间始终保持有气流通道；水冷管束燃烧头(1)沿其纵向设置纵向肋片(7)，水冷管束燃烧头(1)外侧靠近集箱(2)处设置点火枪；燃烧器整体形状为平面或圆柱形。
2.根据权利要求1所述的气流通道动态可调的全预混水冷燃气燃烧器，其特征在于：均流孔板(5)上导流调节板(4)之间均匀开设圆形或多边形喷孔，均流孔板(5)的孔隙率为3％～7％。
3.根据权利要求1所述的气流通道动态可调的全预混水冷燃气燃烧器，其特征在于：导流调节板(4)包括第一连接段、第二连接段、导向段和圆弧段，导轨(6)上均匀设置若干导轨槽，导流调节板(4)设置在所述导轨槽中，与导轨槽接触的两段为导向段，导向段采用平直板，两个圆弧段沿着相邻两根水冷管束外侧布置，所述圆弧段与水冷管束外侧形成气流通道，圆弧段连接导向段，第一连接段连接两个导向段，第二连接段连接两个圆弧段。
4.根据权利要求1所述的气流通道动态可调的全预混水冷燃气燃烧器，其特征在于：纵向肋片(7)采用弧形肋片、波纹形肋片或平直肋片，肋片宽度4～12mm；肋片(7)的材质为耐高温抗干烧氧化的金属材料，肋片(7)全熔透焊接在水冷管束(10)外侧同一角向位置，肋片(7)与其所在位置的法向设有一夹角，肋片(7)上均匀开设通孔。
5.根据权利要求1所述的气流通道动态可调的全预混水冷燃气燃烧器，其特征在于：均流孔板(5)的两端沿着导流调节板(4)的位置设置有连接板，所述连接板可动的设置在均流孔板上；均流孔板(5)两端的连接板通过连杆连接，每个导流调节板(4)通过一根直杆与连接板连接，所述连接板连接伺服电机(9)的输出端。
6.根据权利要求1所述的气流通道动态可调的全预混水冷燃气燃烧器，其特征在于：导向槽中设置弹簧，弹簧的一端连接均流孔板(5)，弹簧另一端与导流调节板(4)根部连接，同时导流调节板(4)顶部和底部内侧连接耐高温绳，耐高温绳汇聚于一根缠绕轴上，耐高温绳的主动端缠绕在缠绕轴上，缠绕轴设置在均流孔板的中心轴线上或均流孔板背离水冷管束(10)的一侧，缠绕轴连接电机输出轴。
7.根据权利要求1所述的气流通道动态可调的全预混水冷燃气燃烧器，其特征在于：导流调节板(4)的两端均通过推拉杆连接一滑块，所述推拉杆与均流孔板滑动连接，所述滑块设置在一个倾斜的滑轨中，所述滑轨沿着其纵向逐渐靠近均流孔板(5)或远离均流孔板(5)，所述滑块或滑轨连接驱动机构的输出端。
8.根据权利要求1所述的气流通道动态可调的全预混水冷燃气燃烧器，其特征在于：在均流孔板(5)的一侧设置第一导向杆件，第一导向杆件上设置有垂直于均流孔板的第二导向杆件，第一导向杆件上设置第一滑套，第二导向杆件上设置第二滑套，第二滑套延伸至均流孔板的另一侧连接导流调节板(4)，第一滑套和第二滑套分别连接斜杆的两端，伺服电机(9)的输出端连接齿轮齿条移动机构，齿条连接第一滑套，齿轮连接伺服电机(9)的输出端。
9.根据权利要求1所述的气流通道动态可调的全预混水冷燃气燃烧器，其特征在于：对于真空相变、常压或微压锅炉，水冷管束(10)的截面采用方形、长圆形、水滴形或爱心形等各种几何形状的管形，或水冷管束(10)采用直管或盘管形的螺旋翅片管；对于承压锅炉，水冷管束采用圆形截面管。
10.根据权利要求1所述的气流通道动态可调的全预混水冷燃气燃烧器，其特征在于：预混器出口端的第一集箱(21)内部设置隔板将其分为水进口段、中间连通段以及水出口段，另一端的第二集箱(22)内部也设置相应隔板并作为中间流通集箱，工质水通过预混器出口端的第一集箱(21)、另一端的第二集箱(22)和水冷管束(10)连通并折转往复流动。
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