一种自冷热循环利用的预混内焰低氮燃烧器

技术领域

本发明涉及气体燃烧技术领域，具体涉及一种自冷热循环利用的预混内焰低氮燃烧器。

背景技术

燃烧产生的氮氧化物溶于水后会生成为酸雨，酸雨会对环境带来广泛的危害，造成巨大的经济损失。目前低氮燃烧器主要有燃料分级燃烧器、空气分级燃烧器、烟气再循环燃烧器、高温空气燃烧器、多孔介质燃烧器与复合型燃烧器。

对于使用燃气的锅炉，实现低氮燃烧的技术主要有三种，分别为烟气再循环技术、全预混表面燃烧技术和水冷预混燃烧技术。其中烟气再循环与全预混表面燃烧技术都降低了燃烧效率。而水冷预混燃烧技术能实现低氮燃烧而不降低燃烧效率。

在现有技术中，相似专利技术有公开日为2019年10月22日，公布号为CN110360558A的中国发明专利申请《冷却火焰低氮燃烧器及其燃烧方法》，另外还有公开日为2017年10月17日，公布号为CN107255277A的中国发明专利申请《一种水冷翅片管火排全预混低氮燃烧器》，对于完全预混燃烧，两者都是氮氧化物排放低的燃烧器。本发明可以对预混气再次预混，增加预混程度，且不需要另外增加辅助结构。另外，国内相似专利技术并没有对冷却液吸收的热量提出相关的说明，本发明可以将冷却液吸收的热量传递给预混燃气，不影响锅炉的燃烧效率。

对于预混低氮燃烧器，控制燃气的回燃、燃气与助燃气的完全混合是实现低氮预混燃烧的2个关键要素。本发明中管冷室内的燃烧头为预混气体流道，保持快流速防止回火，燃烧头管外的冷却介质对气流通道内的气体有降温作用，可有效阻止回火现象的发生。预混室中的间壁式换热器对预混气体的扰流作用可进一步加强预混效果，同时可回收冷却介质从燃烧室内吸收的热量。综上，本发明一种自冷热循环利用的预混内焰低氮燃烧器，具有运行安全、燃烧效率高和氮氧化物超低排放的优点。

发明内容

本发明针对燃气燃烧器安全、高效率和低排放的要求，同时考虑预混低氮燃烧器燃气与助燃气的混合完全性，提出一种自冷热循环利用的预混内焰低氮燃烧器，由均流防回火装置、预混室、间壁式换热器、管冷室、燃烧头、燃烧室、内焰烧嘴、点火电极等组成。预混气体经由均流防回火装置进入预混室，预混室内布置有间壁式换热器，间壁式换热器可使预混气体进一步混合，可将从燃烧室内带出的热量传递给预混气体，同时可大大压缩预混气体在预混腔中的体积，降低回火爆燃的风险。预混室内间壁式换热器内的冷却介质在与预混气体换热后，进入管冷室，再由管冷室回到间壁式换热器，热量在系统内循环，不影响燃烧器热效率。预混气体在燃烧头根部开始燃烧，内焰烧嘴将火焰根部包裹，降低局部火焰高温，同时将火焰分隔，可有效抑制氮氧化物的生成。

具体技术方案如下：

一种自冷热循环利用的预混内焰低氮燃烧器，包括沿预混气体流向依次连接的均流防回火装置、预混室、管冷室和燃烧室；

预混室内设有间壁式换热器；间壁式换热器顶端与管冷室顶端连通，间壁式换热器底端与管冷室底端连通，冷却介质在间壁式换热器和管冷室之间循环流动；

管冷室内设有连通预混室和燃烧室的燃烧头；燃烧头尾部设置内焰烧嘴；燃烧头内为预混气体通道，燃烧头外为冷却介质；

燃烧室内设有点火电极。

上述自冷热循环利用的预混内焰低氮燃烧器的工作过程中，预混气体经由均流防回火装置进入预混室，在预混室中与间壁式换热器换热后进入管冷室。这些混合气经穿过管冷室内的燃烧头尾部的内焰烧嘴，进入燃烧室，由点火电极引燃并燃烧。冷却介质流向为间壁式换热器-管冷室-间壁式换热器。

所述的自冷热循环利用的预混内焰低氮燃烧器，均流防回火装置对预混气体有促进混合功能。

所述的自冷热循环利用的预混内焰低氮燃烧器，间壁式换热器可以为光管式或翅片式。低功率运行布置光管式换热器，高功率运行时布置翅片式换热器。

所述的自冷热循环利用的预混内焰低氮燃烧器，间壁式换热器优选蛇形布置于预混室内，可以单排或多排布置，也可以顺列或错列布置。

所述的自冷热循环利用的预混内焰低氮燃烧器，燃烧头可以为圆形或矩形管。

所述的自冷热循环利用的预混内焰低氮燃烧器，内焰烧嘴优选为锥形结构、矩形结构或这两种的组合结构。

在一优选例中，所述的自冷热循环利用的预混内焰低氮燃烧器，内焰烧嘴如图3(a)所示，为圆形或矩形结构，其长度L≤20mm，当量直径D满足d＜D＜10d，d为燃烧头当量直径。

在一优选例中，所述的自冷热循环利用的预混内焰低氮燃烧器，内焰烧嘴如图3(b)所示，为沿预混气体气流方向渐扩的锥形结构，其锥形夹角θ满足0°＜θ≤75°，长度L≤20mm。

在一优选例中，所述的自冷热循环利用的预混内焰低氮燃烧器，内焰烧嘴如图3(c)所示，为沿预混气体气流方向依次设置的矩形结构和渐扩的锥形结构的组合结构；

内焰烧嘴的长度L≤20mm；

锥形结构的长度L1≤15mm，锥形夹角θ满足0°＜θ≤75°；

矩形结构当量直径D满足d＜D＜10d，d为燃烧头当量直径。

所述的自冷热循环利用的预混内焰低氮燃烧器，所述冷却介质可以为气体或液体，包括水、导热油或空气等。

所述的自冷热循环利用的预混内焰低氮燃烧器，所述冷却介质的循环动力可以为自循环动力或由介质循环泵提供补偿循环动力。

本发明的自冷热循环利用的预混内焰低氮燃烧器，主要特点为①燃烧器冷却介质采用自冷方式，热量循环利用；②预混气体烧嘴采用内焰方式，烧嘴出口燃烧火焰受介质冷却。该燃烧器包括均流防回火装置、预混室、间壁式换热器、管冷室、燃烧头、内焰烧嘴、燃烧室、点火电极等。预混气体经由均流防回火装置进入预混室，预混室内布置有间壁式换热器，可使预混气体进一步混合，将冷却介质从管冷室带出的热量传递给预混气体，加热预混气体，同时冷却循环介质。间壁式换热器内的冷却介质在预混室与预混气体换热后，进入管冷室。预混气体通过燃烧头，由内焰烧嘴喷出。冷却介质可使管冷室中的燃烧头冷却形成低温壁面，防止火焰回火。内焰烧嘴将火焰根部包裹，降低火焰根部温度，可有效抑制氮氧化物的生成。

本发明与现有技术相比，有益效果有：

考虑预混低氮燃烧器控制燃气回燃、燃气与助燃气的混合完全性这2个关键要素，受介质冷却和其中安全流速的燃烧头是燃烧器安全运行的关键；燃气和助燃气体预混室二级混合，混合均匀性好是燃烧效率高和低氮产物的保证；内焰式冷却烧嘴对火焰包裹进一步降低氮氧化物生成；此外，燃烧器冷却介质热循环自利用，减少燃烧器外围配套系统，系统简单，成本低廉。本发明提出的燃烧器具有系统简单、热循环自利用、安全、氮氧化物超低排放的优点，效果佳。

附图说明

图1为本发明的一种自冷热循环利用的预混内焰低氮燃烧器的结构示意图；

图2为本发明的间壁式换热器顺列(a图)或错列(b图)布置方式示意图；

图3为本发明的内焰烧嘴结构示意图；

图中：1-均流防回火装置；2-预混室；3-间壁式换热器；4-管冷室；5-燃烧头；6-内焰烧嘴；7-燃烧室；8-点火电极；9-介质循环泵。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

实施例1

如图1所示，本实施例的自冷热循环利用的预混内焰低氮燃烧器包括均流防回火装置1、预混室2、翅片换热管(间壁式换热器)3、管冷室4、燃烧头5、内焰烧嘴6、燃烧室7、点火电极8和介质循环泵9。

均流防回火装置1、预混室2、管冷室4和燃烧室7沿预混气体流向依次连接。

预混室2内设置间壁式换热器3；间壁式换热器3顶端与管冷室4顶端连通，间壁式换热器3底端与管冷室4底端连通，冷却介质在间壁式换热器3和管冷室4之间循环流动。

管冷室4内设置连通预混室2和燃烧室7的燃烧头5；燃烧头5尾部设置内焰烧嘴6；燃烧头5内为预混气体通道，燃烧头5外为冷却介质。

预混气体经由均流防回火装置1进入预混室2，预混室腔体内布置有翅片换热管3，翅片换热管3单排布置。

沿混合气体流向，预混室2与管冷室4连接，管冷室4内有燃烧头5，燃烧头5为φ4mm(外径)×1mm(壁厚)的圆管。燃烧头5尾部有内焰烧嘴6，内焰烧嘴6为渐扩圆锥形结构，如图3(b)所示，渐扩角θ＝60°，长度L为15mm。内焰烧嘴6与燃烧室7相连，燃烧室7中布置有点火电极8。

翅片换热管3、管冷室4内含有冷却介质。冷却介质循环动力由介质循环泵9提供补偿。

初级预混气体经由均流防回火装置1进入预混室2，预混室2中的翅片换热管3可对初级预混气体再次预混。预混后的混合气体经由管冷室4的燃烧头后的内焰烧嘴6进入燃烧室7，被点火电极8点燃后燃烧。在燃烧室7，内焰烧嘴6将火焰根部包裹并吸收燃烧火焰的热量，将热量传递给燃烧头5和管冷室4，管冷室4内冷却介质温度升高，密度降低，形成自循环动力。在预混室2，冷却介质将热量传递给翅片换热管3周围的预混气体。冷却介质温度降低，密度增加，形成自循环动力。冷却介质在燃烧器内单向运动，介质循环泵9可提供动力补偿，保证循环顺利。冷却介质的流向为：翅片换热管3-管冷室4-翅片换热管3。

预混气体进入燃烧室7后，燃烧室7内的燃烧头5的冷壁面与内焰烧嘴6对火焰的包裹作用可降低燃烧室7的局部火焰高温，降低热力型NO

实施例2

如图1与图2所示，本实施例的自冷热循环利用的预混内焰低氮燃烧器包括均流防回火装置1、预混室2、光管换热器(间壁式换热器)3、管冷室4、燃烧头5、内焰烧嘴6、燃烧室7、点火电极8。

均流防回火装置1、预混室2、管冷室4和燃烧室7沿预混气体流向依次连接。

预混室2内设置间壁式换热器3；间壁式换热器3顶端与管冷室4顶端连通，间壁式换热器3底端与管冷室4底端连通，冷却介质在间壁式换热器3和管冷室4之间循环流动。

管冷室4内设置连通预混室2和燃烧室7的燃烧头5；燃烧头5尾部设置内焰烧嘴6；燃烧头5内为预混气体通道，燃烧头5外为冷却介质。

预混气体经由均流防回火装置1进入预混室2，预混室腔体内布置有不含有翅片的光管换热器3，光管换热器3沿气流方向顺列或错列布置6排，分别如图2(a)、图2(b)所示。

沿混合气体流向，预混室2与管冷室4连接，管冷室4内有矩形燃烧头5，燃烧头5内预混气通道尺寸为10mm×1mm，其当量直径为1.82mm。燃烧头5尾部有内焰烧嘴6，内焰烧嘴6为矩形含渐扩角的组合结构，如图3(c)所示，内焰烧嘴6的长度L为20mm，锥形结构的长度L1为15mm，渐扩角θ＝75°，矩形结构较预混气通道边长增加，具体尺寸为11mm×2mm，其当量直径D为3.38mm。内焰烧嘴6与燃烧室7相连，燃烧室7中布置有点火电极8。

光管换热器3、管冷室4内含有冷却介质。冷却介质依靠自循环动力循环流动。

初级预混气体经由均流防回火装置1进入预混室2，预混室2中的光管换热器3可对初级预混气体再次预混。预混后的混合气体经由管冷室4的燃烧头5后的内焰烧嘴6进入燃烧室7，被点火电极8点燃后燃烧。在燃烧室7，内焰烧嘴6将火焰根部包裹并吸收燃烧火焰的热量，将热量传递给燃烧头5和管冷室4，管冷室4内冷却介质温度升高，密度降低，形成自循环动力。在预混室2，冷却介质将热量传递给光管换热器3周围的预混气体。冷却介质温度降低，密度增加，形成自循环动力。冷却介质在燃烧器内单向运动。冷却介质的流向为：翅片换热管3-管冷室4-翅片换热管3。

预混气体进入燃烧室后，燃烧室内的燃烧头5管内的冷壁面与锥形内焰烧嘴对火焰的包裹作用可降低燃烧室的局部火焰高温，降低热力型NO

此外应理解，在阅读了本发明的上述描述内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。