CN113883517A - 一种自然进风式低氮燃烧器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种自然进风式低氮燃烧器，包括：直流喷嘴、旋流喷嘴、球型喷嘴和耐火砖，直流喷嘴在上方与在下方的旋流喷嘴通过连接件连接；直流喷嘴上方布置有连通管道，所述连通管道为水平通气管道，直流喷嘴上方布置的连通管道穿过耐火砖上的孔，与球型喷嘴连接，直流喷嘴和旋流喷嘴包括文丘里管，文丘里管左侧起始端与右侧结束端直径等大，中间候部直径为起始端直径的0.6倍；渐缩部分长度与渐扩部分长度的比例为1:2，当小火使用时使用直流燃烧喷嘴；中火使用时使用直流燃烧喷嘴和旋流燃烧喷嘴，大火使用时，同时使用直流燃烧喷嘴、旋流燃烧喷嘴和球型喷嘴。本发明结构简单、拆卸和跟换便捷、生产成本低、能充分满足烟气简易净化技术要求。
Description
技术领域
本发明涉及燃烧器领域，尤其涉及一种自然进风式低氮燃烧器。
背景技术
目前，氮氧化合物是造成大气污染的主要污染物之一。在石油开采过程中，原油稳定区会产生大量的伴生气，多数油井将其简单过滤后直接燃烧，用来加温加热炉。现有燃烧器无低氮效果。大部分燃烧器为鼓风式，相对来说比较复杂，造价高昂。
中国专利CN202020478489.4具体涉及与热能设备配套的燃烧器，具体为一种烟气内循环低氮燃烧器，包括：风管，风管的出口端具有缩径管，缩径管尾端连接有环形管；环形引射器，环形引射器包括内环和外环，环形管设置在内环和外环之间，环形管和内环之间形成环形空气喷嘴，内环内设有旋流盘，旋流盘与风管同轴；一级燃气管，一级燃气管位于风管的中心，且垂直贯穿旋流盘；二级燃气管，二级燃气管与一级燃气管连接，且环布于内环和环形管之间；三级燃气管，三级燃气喷管均匀环布于风管的***。本实用新型通过设置两级助燃空气、三级燃气，充分利用燃气和空气的动能，将较大流量的烟气掺入到空气与燃气中，降低燃烧反应速度，降低火焰的温度，从而控制NOx的生成浓度。
但现有技术中主要低氮燃烧技术包括分级燃烧(空气分级、燃料分级)、贫燃预混燃烧、烟气再循环、无焰燃烧、旋流燃烧等。现有油田原油伴生气燃烧喷嘴为简易火管或简易扩散喷嘴无法降低氮氧化物排放。随着国家对环保标准及要求越来越高，氮氧化合物的排放量受到严格控制。烟气中氮氧化物如果进行尾气处理，则极大的增加了成本。而在石油开采一线，环境差、路途遥远、维修设备不足等因素限制了复杂结构、强制送风的低氮燃烧器使用。因此迫切需要设计一种结构简单、拆卸和跟换便捷、生产成本低、满足烟气简易净化技术要求且能在恶劣环境下使用的自然进风低氮燃烧器。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种自然进风式低氮燃烧器，从而提高燃烧效率，减少燃烧成本。
为了实现上述目的，本发明实施例采用如下技术方案实现：一种自然进风式低氮燃烧器，包括：直流喷嘴(1)、旋流喷嘴(2)、球型喷嘴(3)和耐火砖(4)，直流喷嘴(1)在上方与在下方的旋流喷嘴(2)通过连接件连接；
直流喷嘴(1)上方布置有连通管道(5)，所述连通管道(5)为水平通气管道，直流喷嘴(1)上方布置的连通管道(5)向右穿过耐火砖(4)上的孔，与球型喷嘴(3)连接。
优选的，直流喷嘴(1)或旋流喷嘴(2)包括外部壳体(101)、燃气进气管(102)、格栅(103)、燃气喷嘴(104)、文丘里管(105)、孔网隔板(106)和稳焰盘(107)；
旋流喷嘴(2)包括外部壳体(101’)、燃气进气管(102’)、格栅(103’)、燃气喷嘴(104’)、文丘里管(105’)、孔网隔板(106’)和稳焰盘(107’)；
所述外部壳体(101)结构为圆柱形封底薄壳，底部圆心处外接贯通的燃气进气管(102)，内部靠近燃气进气管(102)位置为环绕加厚的半圆弧状，外部壳体(101)左端与格栅(103)相连，右端与孔网隔板(106)相连，整体被支架(108)包裹固定。
优选的，所述燃气进气管(102)左端为圆形气源进气口，右端穿过外部壳体(101)，并与燃气喷嘴(104)相连，所述燃气进气管(102)外径略大于燃气喷嘴(104)外径。
格栅(103)：所述格栅(103)左侧与外部壳体(101)连接，右侧与文丘里管(105)连接，环形布置，将圆环分为12个渐缩空档，每个格栅(103)均垂直于轴线方向，无旋转角度。
燃气喷嘴(104)：所述燃气喷嘴(104)置于外部壳体(101)和燃气进气管(102)右侧，外径略小于燃气进气管(102)外径，左侧内径与燃气进气管(102)保持一致；
燃气喷嘴(104)右侧为渐缩管，渐缩角度为45度。
优选的，所述文丘里管(105)置于格栅(103)右侧，与格栅(103)有一定距离，该距离能根据工作时气体燃烧程度进行相应的调节；所述文丘里管(105)右侧与孔网隔板(106)和稳焰盘(107)相连。
进一步的，文丘里管(105)左侧起始端与右侧结束端直径等大，中间候部直径为起始端直径的0.6倍；
渐缩部分长度与渐扩部分长度的比例为1:2。
优选的，网孔隔板(106)：所述网孔隔板(106)置于燃烧器右端，内外分别与文丘里管(105)和外部壳体(101)相连，由内到外环形分布四层圆形网孔。
稳焰盘(107)：所述稳焰盘(107)置于燃烧器尾部，稳焰盘为中心圆形钝体，四周环绕六个扇形开口。
优选的，所述直流喷嘴(1)的出口为直流，旋流喷嘴(2)的出口为斜45度角。这为直流喷嘴(1)、旋流喷嘴(2)的唯一不同点，旋流喷嘴(2)其它结构同直流喷嘴(1)一样；即直流喷嘴(1)的出口的扇形开口为轴向方向无倾斜角的开口，旋流喷嘴(2)的出口的扇形开口为轴向方向45°倾斜角的开口；
球型喷嘴(3)为环形布置的4x6的共24个的圆形喷口。
耐火砖(4)：41个孔环形填充在耐火砖(4)的面区域上。
优选的，直流喷嘴(1)与旋流喷嘴(2)上下布置，尾部依次是耐火砖(4)和球型喷嘴(3)。
本发明的技术方案至少具有如下优点和有益效果：
1、本发明的直流喷嘴和旋流喷嘴结构上通过自然的烟气内部再循环加强了燃气与烟气、燃气与氧气的掺混，有效减少热力型氮氧化物的生成。
2、本发明的直流喷嘴、旋流喷嘴和球型喷嘴相结合，达到分散和分级燃烧的效果，减少了热力型NOx和快速型NOx的生成，燃烧稳定性增强。
3、本发明能减少不完全反应的发生，使得燃烧器尾部的烟尘量降低，达到烟气简易净化技术要求。
4、本发明具有结构简单、生产成本低、拆卸更换便捷等特点。
5、本发明中文丘里管渐缩渐扩是一体的，当气体在文丘里管里面流动时，在管道的喉部动态压力达到最大值，静态压力达到最小值，气体的速度因为通流横截面面积减小而上升。整个涌流都要在同一时间内经历管道缩小过程，因而压力也在同一时间减小。进而产生压力差，这个压力差给气体提供吸力，将左侧回流的烟气吸入管内部。简单的说，就是加快气体流速形成压力差，将回流烟气卷吸进去。
6、本发明使空气和燃烧后的烟气依次经过稳焰盘网孔隔板和格栅回流，与燃气充分接触，实现烟气内部再循环，从而减小燃气浓度和最大燃烧温度，改善因局部燃烧不均而导致燃烧产物中氮氧化合物浓度升高的情况。
7.本发明结构简单：无两级助燃空气、三级燃气。无电子控制***，无点火装置，无阀门、电机、风门、控制箱等用电设施。其使用功率在100KW以下；其使用低压燃气供应方式(一般低于20KPa)；正常燃气输送压力为175.6KPa；无燃烧检测装置；与现有技术相比虽然都有大功率、中等功率和小功率的燃烧模式区分，但本发明燃烧炉较大，所适用于较小的燃烧炉。无需任何电子设备(风机等)的前提下，实现自然吸气(无风机)的烟气内循环技术，相比之下无分级燃烧技术，但整体上结构更简单、拆卸和更换更便捷、生产成本低、能在恶劣环境下使用。
附图说明
图1是本发明整体结构图。
图2是本发明直流旋流喷嘴结构剖视图。
图3是本发明旋流旋流喷嘴结构剖视图。
图4为本发明旋流旋流喷嘴结构局部放大图；
图5为本发明旋流旋流喷嘴网孔隔板正视图；
图6为本发明旋流旋流喷嘴网孔隔板中的旋流喷嘴的出口放大图
图7为本发明旋流旋流喷嘴网孔隔板中的格栅；
图8为本发明三种工况使用时切面温度分布云图；
图9为本发明三种工况使用时切面NO分布云图；
其中，附图标记对应的零部件名称如下：
直流喷嘴1，旋流喷嘴2，球型喷嘴3，耐火砖4，连通管道5,外部壳体101，燃气进气管102，格栅103，燃气喷嘴104，文丘里管105，孔网隔板106，稳焰盘107，支架108；
外部壳体a 101’，燃气进气管a 102’，格栅a 103’，燃气喷嘴a 104’，文丘里管a105’，孔网隔板a 106’，稳焰盘a 107’，支架108’；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行说明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
因此，以下对本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的部分实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“背面”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系。这类术语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。
还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1-7所示，本发明的具体实施方式是，本发明分为三种使用模式：
1)小火使用时：
室外温度较高，燃烧热量需求小，仅使用直流喷嘴1；
燃气由燃气进气管102经燃气喷嘴104加速喷至文丘里管105中，燃气在文丘里管105中绝热膨胀、降低压力、增加流速，最终燃气冲出文丘里管105进行燃烧，并产生烟气。
作为本发明一个优选的实施例，燃气从燃气喷嘴104处膨胀并向下游扩展时，燃气喷嘴104附近压力较低，燃气射流与空气射流之间的速度差，使空气和燃烧后的烟气依次经过稳焰盘107网孔隔板106和格栅103回流，与燃气充分接触，实现烟气内部再循环；从而减小燃气浓度和最大燃烧温度，改善因局部燃烧不均而导致燃烧产物中氮氧化合物浓度升高的情况。
进一步的，耐火砖4延缓烟气向后方流动，协助直流喷嘴加大烟气内循环中烟气含量。
2)中火使用时：
室外温度适中，燃烧热量需求适中，仅使用直流喷嘴1和旋流喷嘴2。燃气由燃气进气管a102’经燃气喷嘴a104’加速喷至文丘里管a105’中，燃气在文丘里管a105’中绝热膨胀、降低压力、增加流速；最终燃气冲出文丘里管a105’进行燃烧，并产生烟气。
进一步的，燃气从燃气喷嘴a104’处膨胀并向下游扩展时，燃气喷嘴a104’附近压力较低，燃气射流与空气射流之间的速度差，使空气和燃烧后的烟气依次经过稳焰盘a107’网孔隔板a106’和格栅a103’回流，与燃气充分接触，实现烟气内部再循环。减小燃气浓度和最大燃烧温度，改善因局部燃烧不均而导致燃烧产物中氮氧化合物浓度升高的情况。
燃气由燃气进气管102经燃气喷嘴104加速喷至文丘里管105中，燃气在文丘里管105中绝热膨胀、降低压力、增加流速；最终燃气冲出文丘里管105进行燃烧，并产生烟气。
进一步的，燃气从燃气喷嘴104处膨胀并向下游扩展时，燃气喷嘴104附近压力较低，燃气射流与空气射流之间的速度差，使空气和燃烧后的烟气依次经过稳焰盘107网孔隔板106和格栅103回流，与燃气充分接触，实现烟气内部再循环；从而减小燃气浓度和最大燃烧温度，改善因局部燃烧不均而导致燃烧产物中氮氧化合物浓度升高的情况。通过旋流器的作用，在燃烧器出口火焰前端产生烟气回流的稳定燃烧区域。
进一步的，耐火砖4延缓烟气向后方流动，协助旋流喷嘴2加大烟气内循环中烟气含量。
3)大火使用时：
室外温度较低，燃烧热量需求大，同时使用直流喷嘴1、旋流喷嘴2和球型喷嘴3。
同理，当燃气进入直流喷嘴1和旋流喷嘴2时，也会出现跟中火使用时相同的效果。
作为本发明一个优选的实施例，耐火砖4延缓烟气向后方流动，协助直流喷嘴1和旋流喷嘴2加大烟气内循环中烟气含量。
作为本发明一个优选的实施例，燃料按照一定比例分别从直流喷嘴1、旋流喷嘴2何球型喷嘴3喷出，设置二次燃料喷口，使得燃料在空间上产生浓淡分布，达到分散和分级燃烧的效果，降低火焰燃烧温度，使得燃烧器出口的温度场均匀，大大减少了热力型NOx和快速型NOx的生成，燃烧稳定性增强。
对此模型流体域采用四面体网格和六面体网格混合划分，在燃烧器附近及燃烧区域加密，得出网格数量为436.6万；本发明的三种使用模式中：
小火使用时，室外温度较高，燃烧热量需求小，仅使用直流喷嘴，功率为10KW；
中火使用时，室外温度适中，燃烧热量需求适中，使用旋流喷嘴2和直流喷嘴1，功率为20KW；
大火使用时，室外温度较低，燃烧热量需求大，同时使用直流喷嘴1、旋流喷嘴2和球型喷嘴，功率为50KW；
进一步的，燃烧器最高温度约为2000K左右，最低温度为环境温度298K，高温区主要集中在回流喷嘴的内部及喷嘴下游，高温区的下游为烟气区域，烟气以CO2和H2O为主。烟气在冷却后从出口排出。
由于燃料中不含N元素，燃烧过程所生成的NO仅包含热力型NO及快速型NO。高浓度NO区主要集中在高温区附近，该区的NO以热力型NO为主。而在高温区的下游，随着烟气温度的降低，热力型NO逐渐下降。
如图8-9所示，基于模拟数据，统计了燃烧炉出口处NO和O2的摩尔浓度，并按照国标《锅炉大气污染物排放标准》中新建燃气锅炉标准折算为烟气氧浓度3.5％的情况对NO按照下式进行折算，折算结果如表1所示。
表1不同工况下出口NOx折算浓度
参照《锅炉大气污染物排放标准》(GB 13271-2014)在用锅炉氮氧化物排放量≤80mg/m3，新建锅炉氮氧化物排放量≤30mg/m3的要求，根据折算后的数值可以看出，在模拟工况中，折算后10KW、20KW和50KW三种不同工况的氮氧化物含量均有效降低，满足《锅炉大气污染物排放标准》(GB 13271-2014)排放标准。
以上实施方案仅用于说明而非限制本发明的技术方案。不脱离本发明精神的任何修改或局部替换，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (9)
1.一种自然进风式低氮燃烧器，其特征在于，包括：直流喷嘴(1)、旋流喷嘴(2)、球型喷嘴(3)和耐火砖(4)，直流喷嘴(1)在上方与在下方的旋流喷嘴(2)通过连接件连接；
直流喷嘴(1)上方布置有连通管道(5)，所述连通管道(5)为水平通气管道，直流喷嘴(1)上方布置的连通管道(5)穿过耐火砖(4)上的孔，与球型喷嘴(3)连接。
2.根据权利要求1所述的一种自然进风式低氮燃烧器，其特征在于：直流喷嘴(1)或旋流喷嘴(2)包括外部壳体(101)、燃气进气管(102)、格栅(103)、燃气喷嘴(104)、文丘里管(105)、孔网隔板(106)和稳焰盘(107)；
旋流喷嘴(2)包括外部壳体(101’)、燃气进气管(102’)、格栅(103’)、燃气喷嘴(104’)、文丘里管(105’)、孔网隔板(106’)和稳焰盘(107’)；
所述外部壳体(101)结构为圆柱形封底薄壳，底部圆心处外接贯通的燃气进气管(102)，内部靠近燃气进气管(102)位置为环绕加厚的半圆弧状，外部壳体(101)左端与格栅(103)相连，右端与孔网隔板(106)相连，整体被支架(108)包裹固定。
3.根据权利要求2所述的一种自然进风式低氮燃烧器，其特征在于：所述燃气进气管(102)左端为圆形气源进气口，右端穿过外部壳体(101)，并与燃气喷嘴(104)相连，所述燃气进气管(102)外径略大于燃气喷嘴(104)外径；
所述格栅(103)左侧与外部壳体(101)连接，右侧与文丘里管(105)连接，环形布置，将圆环分为十二个渐缩空档，每个格栅(103)均垂直于轴线方向，无旋转角度；
所述燃气喷嘴(104)置于外部壳体(101)和燃气进气管(102)右侧，外径略小于燃气进气管(102)外径，左侧内径与燃气进气管(102)保持一致；
燃气喷嘴(104)右侧为渐缩管，渐缩角度为45度。
4.根据权利要求2所述的一种自然进风式低氮燃烧器，其特征在于：所述文丘里管(105)置于格栅(103)右侧，与格栅(103)有一定距离，该距离能根据工作时气体燃烧程度进行相应的调节；所述文丘里管(105)右侧与孔网隔板(106)和稳焰盘(107)相连；
进一步的，文丘里管(105)左侧起始端与右侧结束端直径等大，中间候部直径为起始端直径的0.6倍；
渐缩部分长度与渐扩部分长度的比例为1:2。
5.根据权利要求4所述的一种自然进风式低氮燃烧器，其特征在于：所述网孔隔板(106)置于燃烧器右端，内外分别与文丘里管(105)和外部壳体(101)相连，由内到外环形分布四层圆形网孔。
6.根据权利要求2所述的一种自然进风式低氮燃烧器，其特征在于：所述稳焰盘(107)置于燃烧器尾部，稳焰盘为中心圆形钝体，四周环绕六个扇形开口；
所述直流喷嘴(1)的出口为直流，旋流喷嘴(2)的出口为斜45度角；
球型喷嘴(3)为环形布置的4x6的24个的圆形喷口。
7.一种自然进风式低氮燃烧器的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)小火使用时，使用直流喷嘴(1)，燃气由燃气进气管(102)经燃气喷嘴(104)加速喷至文丘里管(105)中，燃气在文丘里管(105)中绝热膨胀、降低压力、增加流速，最终燃气冲出文丘里管(105)进行燃烧，并产生烟气；
2)燃气从燃气喷嘴(104)处膨胀并向下游扩展时，燃气喷嘴(104)附近压力较低，燃气射流与空气射流之间的速度差，使空气和燃烧后的烟气依次经过稳焰盘(107)网孔隔板(106)和格栅(103)回流，与燃气充分接触，实现烟气内部再循环，减小燃气浓度和最大燃烧温度，改善因局部燃烧不均而导致燃烧产物中氮氧化合物浓度升高的情况。
8.根据权利要求7所述的一种自然进风式低氮燃烧器的使用方法，其特征在于：中火使用时，使用直流喷嘴(1)和旋流喷嘴(2)，其步骤跟小火使用时一致。
9.根据权利要求7所述的一种自然进风式低氮燃烧器的使用方法，其特征在于：大火使用时，同时使用直流喷嘴(1)、旋流喷嘴(2)和球型喷嘴(3)。
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