低氮氢气燃烧器

技术领域

本发明涉及氢气燃烧领域，具体地，涉及一种低氮氢气燃烧器。

背景技术

氢气作为一种清洁的能源，在燃烧利用过程中不直接产生CO

氢气燃烧器控制热力型氮氧化物采用的一个技术手段是烟气外循环，从氢气燃烧的烟道处引一部分的燃烧烟气，通过专门的风机、烟道等设备通入到氢气的助燃空气中，降低助燃空气的氧含量，以降低氢气在燃烧过程中的燃烧峰值，从而减小热力型氮氧化物的生成，然而，这种方法一方面要增加风机等方面的投资，另一方面会导致氢气燃烧的稳定性降低、锅炉出力下降、循环烟道产生酸性冷凝水进而腐蚀设备和材料等问题。

氢气燃烧器控制热力型氮氧化物采用的第二个技术手段是烟气内循环，将燃烧器本体的一部分放置在炉膛的燃烧燃烧空间中，利用燃烧器的结构来引射或吸引炉膛内的烟气进入助燃空气中，然而，这种方法燃烧器本体会占用部分炉膛燃烧空间，不适用炉膛燃烧空间受限制的改造项目。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的实施例提出一种低氮氢气燃烧器，该种燃烧器可有效地减少热力型氮氧化物的生成。

本发明实施例的低氮氢气燃烧器，包括沿第一方向延伸且由内向外依次套设的预留通道、内层氢气通道、烟气生成用风通道、烟气生成用氢气通道、内层助燃风通道和隔离风通道，所述隔离风通道的外部设有沿所述第一方向延伸的外环氢气通道，所述烟气生成用风通道和所述内层助燃风通道在所述第一方向上的尺寸均长于所述烟气生成用氢气通道的尺寸，所述烟气生成用风通道的外周面和所述内层助燃风通道的内周面之间形成燃烧空间，所述内层氢气通道的一端具有第一出口，所述烟气生成用风通道的一端具有第一出风口，所述烟气生成用氢气通道的一端具有第二出口，所述第一出口、所述第一出风口和所述第二出口与所述燃烧空间连通，从所述第一出风口流出的风和从所述第二出口流出的氢气在所述燃烧空间内混合燃烧并形成助燃火焰，所述助燃火焰与从所述第一出口流出的氢气混合形成中心火焰，所述中心火焰位于所述燃烧空间外，所述内层助燃风通道内的风为所述助燃火焰和所述中心火焰助燃，所述外环氢气通道具有第三出口，从所述第三出口流出的氢气与所述中心火焰混合形成主火焰，所述隔离风通道具有第三出风口，从所述第三出风口流出的风用于为所述中心火焰和所述主火焰助燃，所述助燃火焰、所述中心火焰和所述主火焰沿所述第一方向依次间隔布置。

本发明实施例的低氮氢气燃烧器，助燃火焰可为中心火焰和主火焰提供烟气，降低了中心火焰和主火焰的助燃气体中的氧含量，减少了氮氧化物的生成，相比于现有技术，避免了利用烟气外循环技术手段，规避了烟气外循环技术所导致的燃烧的稳定性降低、锅炉出力下降、循环烟道产生酸性冷凝水进而腐蚀设备和材料等问题，助燃火焰、所述中心火焰和所述主火焰沿所述第一方向依次间隔布置，避免了燃烧器局部高温的形成，使燃烧器内的温度分布更均匀。

在一些实施例中，所述低氮氢气燃烧器还包括连接部，所述连接部设在所述内层氢气通道的一端且位于所述燃烧空间内，所述连接部的横截面积从所述连接部邻近所述内层氢气通道的一端到所述连接部远离所述内层氢气通道的一端逐渐减小，所述连接部具有第一流道和第二流道，所述第一流道与所述内层氢气通道的一端连通，所述第一出口形成在所述第一流道远离所述内层氢气通道的一端，所述第二流道与所述烟气生成用风通道连通，所述第一出风口形成在所述第二流道远离所述烟气生成用风通道的一端。

在一些实施例中，所述第一出口的中心轴线与所述内层氢气通道的中心轴线之间具有第一夹角，所述第一夹角大于15度小于100度，所述第一出风口的中心轴线与所述烟气生成用风通道的中心轴线之间具有第二夹角，所述第二夹角大于45度小于225度。

在一些实施例中，所述烟气生成用氢气通道包括依次连接的第一段、过渡段和延伸段，所述第一段沿所述第一方向延伸，所述过渡段的横截面积从所述过渡段邻近所述第一段到所述过渡段邻近所述延伸段逐渐增大，所述延伸段的一端与所述过渡段相连，所述延伸段的另一端沿第二方向朝向所述烟气生成用风通道的外周面延伸并与所述烟气生成用风通道的外周面相连，所述第二方向正交于所述第一方向，所述第二出口形成在所述延伸段上。

在一些实施例中，所述内层助燃风通道包括依次连接的第二段、第一凸缘段和扩口段，所述第二段沿所述第一方向延伸，所述第一凸缘段朝向远离所述烟气生成用风通道的方向凸出，所述扩口段的横截面积从所述扩口段邻近所述第一凸缘段到所述扩口段远离所述第一凸缘段的方向逐渐增大，所述延伸段与所述第二段邻近所述第一凸缘段的一端对齐，所述燃烧空间形成在所述第一凸缘段的内周面、所述延伸段、所述烟气生成用风通道的外周面和所述连接部的外周面所围成的空间内。

在一些实施例中，所述第一凸缘段邻近所述扩口段的一端与所述连接部远离所述内层氢气通道的一端对齐。

在一些实施例中，所述第一凸缘段上具有烟气孔，所述烟气孔连通所述燃烧空间和所述隔离风通道。

在一些实施例中，所述隔离风通道包括依次连接的第三段和第二凸缘段，所述第三段沿所述第一方向延伸，所述第二凸缘段朝向远离所述外环氢气通道的方向凸出，所述第二凸缘段和所述第一凸缘段相对布置。

在一些实施例中，所述外环氢气通道为多个，多个所述外环氢气通道围绕所述隔离风通道的外周面间隔布置。

在一些实施例中，所述外环氢气通道包括沿所述第一方向延伸且依次连接的第一管段和第二管段，所述第二管段的横截面积沿所述第一方向从所述第二管段邻近所述第一管段的一端到所述第二管段远离所述第一管段的一端逐渐减小。

附图说明

图1是本发明实施例的低氮氢气燃烧器的示意图。

图2是本发明实施例的低氮氢气燃烧器的剖视图。

图3是本发明实施例的低氮氢气燃烧器的火焰的示意图。

图4是本发明实施例的低氮氢气燃烧器内氢气和风的流向示意图。

图5是本发明实施例的低氮氢气燃烧器的连接部的剖视图。

图6是本发明实施例的低氮氢气燃烧器的连接部的示意图。

图7是本发明实施例的低氮氢气燃烧器与炉膛连接的示意图。

附图标记：1、预留通道；2、内层氢气通道；3、烟气生成用风通道；4、烟气生成用氢气通道；41、第一段；42、过渡段；43、延伸段；431、第二出口；5、内层助燃风通道；51、第二段；52、第一凸缘段；521、烟气孔；53、扩口段；531、第二出风口；6、隔离风通道；61、第三段；62、第二凸缘段；621、第三出风口；7、外环氢气通道；71、第一管段；72、第二管段；721、第三出口；8、燃烧空间；9、连接部；91、第一流道；911、第一出口；92、第二流道；921、第一出风口；10、卡接部；100、炉膛；200、助燃火焰；300、中心火焰；400、主火焰。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1-图7所示，本发明实施例的低氮氢气燃烧器包括沿第一方向(如图2所示的左右方向)延伸且由内向外依次套设的预留通道1、内层氢气通道2、烟气生成用风通道3、烟气生成用氢气通道4、内层助燃风通道5和隔离风通道6，隔离风通道6的外部设有沿第一方向延伸的外环氢气通道7，烟气生成用风通道3和内层助燃风通道5在第一方向上的尺寸均长于烟气生成用氢气通道4的尺寸，烟气生成用风通道3的外周面和内层助燃风通道5的内周面之间形成燃烧空间8。

具体地，烟气生成用风通道3的右端和内层助燃风通道5的右端均凸出烟气生成用氢气通道4的右端，燃烧空间8形成在烟气生成用风通道3的右端的外周面和内层助燃风通道5的内周面之间。预留通道1内设有电热偶、火焰检测器和摄像头等设备。

内层氢气通道2的一端(如图2所示的内层氢气通道2的右端)具有第一出口911，烟气生成用风通道3的一端(如图2所示的烟气生成用风通道3的右端)具有第一出风口921，烟气生成用氢气通道4的一端(如图2所示的烟气生成用氢气通道4的右端)具有第二出口431，第一出口911、第一出风口921和第二出口431与燃烧空间8连通。从第一出风口921流出的风和从第二出口431流出的氢气在燃烧空间8内混合燃烧并形成助燃火焰200，助燃火焰200与从第一出口911流出的氢气混合形成中心火焰300，中心火焰300位于燃烧空间8外，内层助燃风通道5内的风为助燃火焰200和中心火焰300助燃，外环氢气通道7具有第三出口721，从第三出口721流出的氢气与中心火焰300混合形成主火焰400，隔离风通道6具有第三出风口621，从第三出风口621流出的风用于为中心火焰300和主火焰400助燃，助燃火焰200、中心火焰300和主火焰400沿第一方向依次间隔布置。

具体地，第二出口431为多个，多个第一出口911沿烟气生成用氢气通道4的右端的周向间隔均匀布置。第三出口721位于外环氢气通道7的右端，第三出风口621位于隔离风通道6的右端，且第三出口721和第三出风口621在上下方向上对齐。

本发明实施例的低氮氢气燃烧器，助燃火焰200可为中心火焰300和主火焰400提供烟气，降低了中心火焰300和主火焰400的助燃气体中的氧含量，减少了氮氧化物的生成，相比于现有技术，避免了利用烟气外循环技术手段，规避了烟气外循环技术所导致的燃烧的稳定性降低、锅炉出力下降、循环烟道产生酸性冷凝水进而腐蚀设备和材料等问题，助燃火焰200、所述中心火焰300和所述主火焰400沿所述第一方向依次间隔布置，避免了燃烧器局部高温的形成，使燃烧器内的温度分布更均匀。

在一些实施例中，低氮氢气燃烧器还包括连接部9，连接部9设在内层氢气通道2的一端且位于燃烧空间8内，连接部9的横截面积从连接部9邻近内层氢气通道2的一端到连接部9远离内层氢气通道2的一端逐渐减小。具体地，连接部9呈圆台状，连接部9的母线与连接部9的中心轴线之间夹角为0°～90°，优选为15°～75°。连接部9端部较小的一端与内层氢气通道2的右端相连，连接部9端部较大的一端向右延伸。

连接部9具有第一流道91和第二流道92，第一流道91与内层氢气通道2的一端连通，第一出口911形成在第一流道91远离内层氢气通道2的一端。第一出口911的中心轴线与内层氢气通道2的中心轴线之间具有第一夹角(未示出)，第一夹角大于15度小于100度。第一夹角的大小可控制中心火焰的起始位置，当第一角度较小时，中心火焰300的位置更靠近右侧。。

具体地，第一流道91的一端位于连接部9的左端面且与内层氢气通道2的右端连通，第一流道91的另一端位于连接部9的外周面。第一流道91的横截面积从第一流道91的一端到第一流道91的另一端均匀流畅的缩小，使得内层氢气通道2内的内层氢气通过第一流道91流出的过程中，氢气的流速越来越大，且大于50m/s，并改变流动方向从第一出口911喷出，且喷出方向和内层氢气在内层氢气通道2内的方向之间的角度15°～100°。第一流道91为多个，多个第一流道91沿连接部9的周向间隔均匀布置，使得第一出口911沿连接部9的外周面间隔均匀布置。

第二流道92与烟气生成用风通道3连通，第一出风口921形成在第二流道92远离烟气生成用风通道3的一端。第一出风口921的中心轴线与烟气生成用风通道3的中心轴线之间具有第二夹角(未示出)，第二夹角大于45度小于225度。

优选地，第二夹角为180°，第二流道92的一端位于连接部9的左端面且与烟气生成用风通道3的右端连通，第二流道92的另一端位于连接部9的左端面且与燃烧空间8连通，第二流道92的另一端位于第二流道92的一端的外侧，烟气生成用风通道3内的烟气生成用风流入第二流道92的方向和流出第二流道92的方向相反。

第二流道92的横截面积从第二流道92的一端到第二流道92的另一端均匀流畅的缩小，使得烟气生成用风通道3内的烟气生成用风通过第二流道92流出的过程中，流速越来越大并改变流动方向。第二流道92为多个，多个第二流道92沿连接部9的周向间隔均匀布置，使得第一出风口921沿连接部9左端面的周向间隔均匀布置。

在一些实施例中，烟气生成用氢气通道4包括依次连接的第一段41、过渡段42和延伸段43，第一段41沿第一方向延伸，过渡段42的横截面积从过渡段42邻近第一段41到过渡段42邻近延伸段43逐渐增大，延伸段43的一端与过渡段42相连，延伸段43的另一端沿第二方向朝向烟气生成用风通道3的外周面延伸并与烟气生成用风通道3的外周面相连，第二方向正交于第一方向，第二出口431形成在延伸段43上。

具体地，第二出口431位于延伸段43的另一端，第二出口431为多个，多个第二出口431沿烟气生成用风通道3的周向间隔均匀布置。多个第二出口431与多个第一出风口921一一对应且相对布置，以使烟气生成用氢气通道4内的内层氢气与烟气生成用风通道3内的烟气生成用风可发生强烈混合，形成低速的着火区域，即助燃火焰200。

在一些实施例中，内层助燃风通道5包括依次连接的第二段51、第一凸缘段52和扩口段53，第二段51沿第一方向延伸，第一凸缘段52朝向远离烟气生成用风通道3的方向凸出，扩口段53的横截面积从扩口段53邻近第一凸缘段52到扩口段53远离第一凸缘段52的方向逐渐增大，扩口段53的右端形成第二出风口531，延伸段43与第二段51邻近第一凸缘段52的一端对齐，燃烧空间8形成在第一凸缘段52的内周面、延伸段43、烟气生成用风通道3的外周面和连接部9的外周面所围成的空间内。

具体地，第一凸缘段52所围成的横截面积两端小中间大，第一凸缘段52左端的横截面积与第二段51右端的横截面积一样，第一凸缘段52右端的横截面积与扩口段53左端的横截面积一样。助燃火焰200在燃烧空间8内，燃烧空间8内混合气体的温度升高，体积膨胀，燃烧空间8呈梭形刚好为膨胀的气体预留了空间。

第二段51和过渡段42之间的横截面积从左到右依次减小，使得第二段51内的内侧助燃风在流动的过程中流速逐渐增大，内侧助燃风从第二段51流入燃烧空间8后，在延伸段43的右侧形成绕流尾涡混入助燃火焰200中，为助燃火焰200助燃。

在燃烧空间8内，从烟气生成用氢气通道4流出的氢气、从烟气生成用风通道3流出的烟气生成用风和从内层助燃风通道5流出的内侧助燃风着火并混合后，形成氧含量为15％～21％的混合气体，在连接部9和第一凸缘段52所围城的横截面积从左向右逐渐缩小的通道中，速度被提高至20m/s以上，并与从内层氢气通道2流出的内层氢气混合后，喷出燃烧器，在连接部9的右侧形成中心火焰300。

由于多个第一出口911成环形分布，由内层氢气通道2内的内层氢气和氧含量为15％～21％的混合气体共同形成的中心火焰300也呈现环形，中心火焰300在第一方向上保持一定距离后环形火焰汇合。第一凸缘段52邻近扩口段53的一端与连接部9远离内层氢气通道2的一端对齐，使得中心火焰300的左端的至少部分位于扩口段53内。

在一些实施例中，第一凸缘段52上具有烟气孔521，烟气孔521为多个，可为4～24个，优选为8～16个，多个烟气孔521沿第一凸缘段52的周向间隔均匀布置，烟气孔521连通燃烧空间8和隔离风通道6。

在一些实施例中，隔离风通道6包括依次连接的第三段61和第二凸缘段62，第三段61沿第一方向延伸，第二凸缘段62朝向远离外环氢气通道7的方向凸出，第二凸缘段62和第一凸缘段52相对布置，第三出风口621形成在第二凸缘段62的右端。

具体地，第二凸缘段62和第一凸缘段52之间的横截面积从左向右先减小在增大，使得隔离风通道6内的隔离风流经第二凸缘段62时，隔离风的速度逐渐增大至最大值后再逐渐减小。烟气孔521位于第二凸缘段62和第一凸缘段52之间的横截面积的最小处，在烟气孔521处，隔离风的流速最大，使得燃烧空间8内的烟气可通过烟气孔521进入隔离风通道6内，从而使得隔离风的含氧量降低至16％～21％，隔离风为中心火焰300和主火焰400助燃的同时，将中心火焰300和主火焰400隔离开来。

具体地，烟气生成用风的含氧量不小于烟气生成用氢气完全燃烧所需要的总量。烟气生成用氢气的总量与燃烧器总氢气量的比例为0～30％，内层氢气、外环氢气的比例均为35％～100％。烟气生成用风、内侧助燃风、隔离风占总助燃风的比例分别为0～40％，30％～100％和30％～100％。

在一些实施例中，外环氢气通道7为多个，可为4～24个，优选为8～16个，多个外环氢气通道7围绕隔离风通道6的外周面间隔布置。具体地，低氮氢气燃烧器还包括多个卡接部10，多个卡接部10沿隔离风通道6的外周面间隔均匀布置，多个卡接部10与多个外环氢气通道7一一对应，外环氢气通道7通过卡接部10安装在隔离风通道6上。

在一些实施例中，外环氢气通道7包括沿第一方向延伸且依次连接的第一管段71和第二管段72，第二管段72的横截面积沿第一方向从第二管段72邻近第一管段71的一端到第二管段72远离第一管段71的一端逐渐减小，第三出口721形成在第二管段72的右端。

在一些实施例中，燃烧器的右侧设置有炉膛100。具体地，第二管段72的横截面积从左向右依次减小，使得第二管段72内的外环氢气的流速逐渐增大至50m/s以上的速度后从第三出口721喷出，被加速的外环氢气可在炉膛100内迅速和部分烟气混合，在隔离风的助燃作用下点火燃烧形成主火焰400，充分地利用了炉膛100空间以使氢气燃尽，这一点对于炉膛100的应用场景非常有利。主火焰400位于中心火焰300的右侧，在离开燃烧器短距离内为环形，随着燃烧进程的进行，主火焰400汇合成一个火焰。

本发明实施例的低氮氢气燃烧器的氢气燃烧火焰分为助燃火焰200、中心火焰300和主火焰400三级，助燃火焰200分布在燃烧器内部，在第一方向上最靠近上游，径向上最靠近燃烧器中心轴，主火焰400在第一方向上最靠近下游，径向上最远离燃烧器中心轴，而中心火焰300不论在轴向和径向上均居中，所以三级火焰将燃烧区域在轴向和径向上分级，避免了燃烧器局部高温区的形成，使燃烧器内的温度更为均匀分散。

由于助燃火焰200的存在，使得中心火焰300的助燃气体的氧含量为15％～21％，主火焰400的助燃气体的氧含量为16％～21％，实现了单个燃烧器内助燃火焰200为中心火焰300和主火焰400提供烟气来降低助燃气体的氧含量，避免了利用烟气外循环技术手段，规避了烟气外循环技术所导致的燃烧的稳定性降低、锅炉出力下降、循环烟道产生酸性冷凝水进而腐蚀设备和材料等问题。

进一步地，由于燃烧器内的温度更为均匀分散，中心火焰300的助燃气体的氧含量为15％～21％和主火焰400的助燃气体的氧含量为16％～21％，中心氢气和外环氢气的高速喷射，氢气射流呈现细长型，拉长了氢气火焰，使得燃烧器燃烧时热力型氮氧化物大幅减小，氢气燃烧器最终的氮氧化物可控制在30％～120％的负荷范围内均小于30mg/m

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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，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。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管已经示出和描述了上述实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域普通技术人员对上述实施例进行的变化、修改、替换和变型均在本发明的保护范围内。