一种氨低氮多级旋流燃烧器

摘要

一种氨低氮多级旋流燃烧器，包括外风筒和内风筒，外风筒内壁和内风筒外壁之间形成直流风通道，内风筒外壁沿周向均匀分布若干主燃气管道，内风筒从外到内为同轴的旋流气通道、旋流风通道、中心风通道和中心燃气喷射道，中心燃气喷射道、旋流气通道以及主燃气管道将燃气分为三部分；中心风通道、直流风通道以及旋流风通道将空气分为三部分，内风筒里面进行了燃料与空气的分级，此外，燃烧器还可包括一个置于前端的火焰分割环，可以将火焰进行分割，增大燃气与空气接触面积，使燃烧更充分，燃料和空气分层次混合，有利于增强燃气和空气的混合效果。减缓部件与周围高温环境的热辐射传递，有利于提高部件的使用寿命。

权利要求

1.一种氨低氮多级旋流燃烧器，包括外风筒(7)和内风筒(9)，外风筒(7)内壁和内风筒(9)外壁之间形成直流风通道(6)，所述内风筒(9)外壁沿周向均匀分布若干主燃气管道(5)，所述内风筒(9)从外到内为同轴的旋流气通道、旋流风通道、中心风通道(2)和中心燃气喷射道(1)，中心燃气喷射道(1)、旋流气通道以及主燃气管道(5)将燃气分为三部分；中心风通道(2)、直流风通道(6)以及旋流风通道将空气分为三部分，其特征在于，燃气与空气通道前端有一个火焰分割环(8)，所述火焰分割环(8)由两个圆环及若干径向分布的辐条组成，其中两个圆环分别位于旋流风通道和直流风通道(6)前方，火焰分割环(8)通过对空气出口进行遮挡分割，将火焰分割成多个区域；

所述主燃气管道(5)由两段构成，第一段沿燃烧器轴线方向，第二段在高于内风筒(9)前端面上沿径向外斜，第二段的轴线与燃烧器轴线夹角为45°；

在所述中心燃气喷射道(1)前端开口中心设置钝盘，所述钝盘与中心燃气喷射道(1)轴线垂直，所述钝盘上设有通孔，在钝盘外有内安装环，内安装环与钝盘外周面之间为中心风通道(2)，以内安装环外周面为附着表面，周向阵列分布若干旋流风旋流叶片(3)，在所述外风筒(7)前端出口处设置有与外风筒(7)同轴的外安装环，以外安装环外周面为附着表面，周向阵列分布若干旋流气旋流叶片(4)；

所述旋流风旋流叶片(3)右旋，从内安装环上沿径向辐射出若干固定轴，每个叶片与固定轴固结在一起，固定轴能够相对于内安装环转动，从而实现叶片角度的可调；所述旋流气旋流叶片(4)左旋，从外安装环外围沿径向辐射出若干固定轴，每个叶片与固定轴固结在一起，所述固定轴能够相对于所述外安装环转动，从而实现叶片角度的可调。

2.根据权利要求1所述氨低氮多级旋流燃烧器，其特征在于，所述外风筒(7)前端为渐扩型结构，与圆柱形燃烧室相连接。

3.根据权利要求1所述氨低氮多级旋流燃烧器，其特征在于，所述旋流气通道内设置旋流气旋流叶片(4)，所述旋流风通道内设置旋流风旋流叶片(3)，所述旋流气旋流叶片(4)和旋流风旋流叶片(3)的旋向相反。

4.根据权利要求1所述氨低氮多级旋流燃烧器，其特征在于，所述钝盘为圆台形，圆台锥角为45°，圆台小底面位于前端，且小底面封闭，在圆台侧面沿周向开有若干小孔，小孔轴线与圆台母线垂直，中心燃气通过所述小孔喷射进入燃烧室。

5.根据权利要求1所述氨低氮多级旋流燃烧器，其特征在于，采用烟气再循环技术，将一部分高温烟气回流至中心燃气喷射道(1)、主燃气管道(5)以及旋流气通道内。

6.根据权利要求1所述氨低氮多级旋流燃烧器，其特征在于，所述中心燃气喷射道(1)以及所述主燃气管道(5)通入的是直流燃气，所述直流风通道(6)通入的是直流风，所述中心风通道(2)以及经所述旋流风旋流叶片(3)通入的是旋流风，经所述旋流气旋流叶片(4)通入的是旋流燃气。

说明书

一种氨低氮多级旋流燃烧器

技术领域

[0001] 本发明属于热能工程技术领域，涉及一种燃烧器，特别涉及一种氨低氮多级旋流燃烧器。

背景技术

[0002] “氢”能源被认为是未来全球能源结构发展的重要方向，但是由于氢气在大规模制取、储存和运输等方面的问题，而氨气被称为“另一种氢”，是良好的氢载体和储氢介质，具
有无碳的优点，完全燃烧后的排放物只有水和氮气。但是以氨气作为燃料有一个很明显的
问题，就是氨气里面含有大量的氮。用现有一般燃烧器进行燃烧时势必会产生较多的氮氧
化物，从而对环境造成不利的影响。因此，需要设计出一种优异的燃烧器结构，使得燃烧器
的燃烧特性得到较好的改善与提高。

[0003] 目前的燃烧器大多数都不是以氨气作为燃料，它们在使用过程中普遍存在这样的技术问题：燃料喷出后被周围的高温烟气和空气迅速点燃，所释放的热集中在燃烧器的上
游，导致旋流叶片，风筒以及进气管道附近的温度过高，在高温和过量空气同时存在的情况
下，工件被氧化且产生脱碳现象，降低了工件的硬度，导致使用寿命大大降低；燃料与空气
由管道直接进入内径较大的一个燃烧室，导致部分区域流动会减弱，会出现热集中现象；燃
烧火焰团聚，与空气接触面积小；燃烧未进行分级，燃料和空气混合不够均匀，燃烧不充分，
燃烧效率低，生成大量的污染气体。将这样的燃烧器直接应用于氨气的燃烧是绝对不可取
的，因为废气中含有过多的氮氧化物，达不到国家规定的废气排放标准，同时也会对环境造
成很严重的污染。

发明内容

[0004] 为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种氨低氮多级旋流燃烧器，通过对燃烧器结构的改进，促进燃气的混合与燃烧，进一步降低氮氧化物的排放，克服
了背景技术所存在的不足。

[0005] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

[0006] 一种氨低氮多级旋流燃烧器，包括外风筒7和内风筒9，外风筒7内壁和内风筒9外壁之间形成直流风通道6，其特征在于，所述内风筒9外壁沿周向均匀分布若干主燃气管道
5，所述内风筒9从外到内为同轴的旋流气通道、旋流风通道、中心风通道2和中心燃气喷射
道1，中心燃气喷射道1、旋流气通道以及主燃气管道5将燃气分为三部分；中心风通道2、直
流风通道6以及旋流风通道将空气分为三部分。空气和燃料各自分三级燃烧，燃烧火焰沿着
径向、轴向从内到外层层传递，促进燃气与空气的快速混合，实现由里向外扩散燃烧，避免
局部高温区导致氮氧化物质量浓度升高，且火焰充满度好，燃烧稳定性强。

[0007] 所述外风筒7前端为渐扩型结构，与圆柱形燃烧室相连接，可促进外风筒内周面燃气的混合与充分燃烧。

[0008] 燃气与空气通道前端有一个火焰分割环8，所述火焰分割环8由两个圆环及若干径向分布的辐条组成，其中两个圆环分别位于旋流风通道和直流风通道6前方，火焰分割环8
通过对空气出口进行遮挡分割，将火焰分割成多个区域，而非聚集在一起，从而形成类似
“花瓣”状的火焰形状，提高火焰锋面与空气的接触面积，避免热负荷集中区域的出现。

[0009] 所述主燃气管道5前端伸出渐扩式外风筒通道头罩并朝主燃气管道中心轴线向上的方向倾斜，主燃气管道5由两段构成，第一段沿燃烧器轴线方向，第二段在高于内风筒9前
端面上沿径向外斜，第二段的轴线与燃烧器轴线夹角为45°。由此，中心气和旋流气主要分
布于旋流盘区域，形成中心混合层，主燃气向外斜喷分布于燃烧器筒壁外圈区域，形成外圈
混合层。这样设计可以使得燃气分级后，火焰在切面上呈现“花瓣”状，增大了火焰锋面的面
积，增加空气与燃气的接触面积，从而促进了空气与燃气的混合，降低局部温度，使得燃烧
区域的热负荷分布较为均匀。

[0010] 所述旋流气通道内设置旋流气旋流叶片4，所述旋流风通道内设置旋流风旋流叶片3，所述旋流气旋流叶片4和旋流风旋流叶片3的旋向相反，进一步促进了旋流风与旋流气
的混合，增大燃气回流区域，使得燃烧热负荷更加均匀，燃烧更充分。

[0011] 本发明包括设置在所述中心燃气喷射道1前端开口中心并与中心燃气喷射道1轴线垂直的钝盘，钝盘上设有通孔，在钝盘外有内安装环，内安装环与钝盘外周面之间为中心
风通道2，以内安装环外周面为附着表面，周向阵列分布若干旋流风旋流叶片3，在所述外风
筒7前端出口处设置有与外风筒7同轴的外安装环，以外安装环外周面为附着表面，周向阵
列分布若干旋流气旋流叶片4。

[0012] 所述旋流风旋流叶片3右旋，从内安装环上沿径向辐射出若干固定轴，每个叶片与固定轴固结在一起，固定轴能够相对于内安装环转动，从而实现叶片角度的可调；所述旋流
气旋流叶片4左旋，从外安装环外围沿径向辐射出若干固定轴，每个叶片与固定轴固结在一
起，所述固定轴能够相对于所述外安装环转动，从而实现叶片角度的可调。即，所述旋流风
旋流叶片3与所述旋流气旋流叶片4沿径向都贯穿着固定轴，可以通过外部自动控制装置控
制旋转固定轴来改变每个旋流叶片的角度，由此，可以根据不同的燃烧工况人为控制旋流
叶片的旋向，提高了燃烧器对各个不同工况的实时适应性。

[0013] 所述钝盘为圆台形，圆台锥角为45°，圆台小底面位于前端，且小底面封闭，在圆台侧面沿周向开有若干小孔，小孔轴线与圆台母线垂直，中心燃气通过所述小孔喷射进入燃
烧室，圆台形钝盘将中心燃气喷射道1的中心燃气分割成向四周喷射的若干均匀燃气，促进
了燃气的混合与燃烧。

[0014] 本发明采用烟气再循环技术，将一部分高温烟气回流至中心燃气喷射道1、主燃气管道5以及旋流气通道内，燃烧室出口烟气经再循环流经各级燃气通道，回流烟气降低燃气
浓度，从而降低氮氧化物的排放。

[0015] 所述中心燃气喷射道1以及所述主燃气管道5通入的是直流燃气，所述直流风通道6通入的是直流风，所述中心风通道2以及经所述旋流风旋流叶片3通入的是旋流风，经所述
旋流气旋流叶片4通入的是旋流燃气。由此，中心风采用旋流风可以降低空气在水平方向上
的流速，提高中心燃气与中心风的混合，同时旋流形成的外张的流场又在中心区域形成一
个内部烟气回流，回流的高温烟气有助于维持中心燃气点火所需的能量，提高中心燃气的
稳定程度。旋流风流经旋流风旋流叶片3，在中心旋流风的流型外形成了包裹的旋流风，为
外围的燃气提供过量的空气，提高空气和燃气的燃烧时间。在最外侧采用直流风有助于在
火焰根部形成炉膛内部的高温烟气回流。烟气回流一方面提高火焰根部的温度，提高火焰
的稳定性，另一方面回流烟气稀释了燃气浓度，降低燃气热值，减缓燃气的燃烧速率。

[0016] 本发明中，燃气的当量比控制在1.2左右，可以达到最低的氮氧化物排放，实现氨低氮燃烧器低氮排放的最终目的。

[0017] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：

[0018] 1、燃烧器是分级燃烧器，可以促进燃气与空气的混合，促进燃气燃烧，使得燃烧室热负荷更加均匀，从而降低氮氧化物的排放。

[0019] 2、燃烧器的旋流叶片角度是可控的，可以通过外部控制装置控制旋流叶片的旋向来提高燃烧器对不同燃烧工况的实时适应性。

[0020] 3、燃烧装置引入烟气回流技术，回流的烟气通过中心燃气喷射道1、旋流风旋流叶片3以及主燃气管道5回流到燃烧室，可以降低燃气浓度，从而降低氮氧化物的排放。

[0021] 4、燃烧器前端加装火焰分割环8，通过对空气出口进行遮挡分割，将火焰分割成多个区域，提高火焰锋面与空气的接触面积，避免热负荷集中区域的出现。

附图说明

[0022] 图1为本发明的立体示意图。

[0023] 图2为图1所示氨低氮多级旋流燃烧器的右视示意图。

[0024] 图3为图1所示氨低氮多级旋流燃烧器的剖视示意图。

[0025] 图4为图1所示氨低氮多级旋流燃烧器的爆炸示意图。

[0026] 图5为旋流气旋流叶片的立体示意图。

[0027] 附图标记：1、中心燃气喷射道；2、中心风通道；3、旋流风旋流叶片；4、旋流气旋流叶片；5、主燃气管道；6、直流风通道；7、外风筒；8、火焰分割环；9、内风筒；41、固定轴；42、叶
片；43、外安装环。

具体实施方式

[0028] 下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

[0029] 本发明为一种多级旋流燃烧器，一端连接燃烧室，另一端设置有进风装置与燃气阀组；燃烧室则设置有用于点燃燃气的点火装置。

[0030] 本发明分级燃烧器的结构参考图1至图5，包括沿同轴设置的外风筒7、内风筒9和中心燃气喷射道1，其中，内风筒9通过连杆支撑固定在外风筒7内部。外风筒7与圆柱形燃烧
室相连接，其前端可采用渐扩式通道，以促进外风筒内周面燃气的混合与充分燃烧。

[0031] 外风筒7内壁和内风筒9外壁之间形成直流风通道6，内风筒9外壁沿周向均匀分布若干主燃气管道5，内风筒9从外到内为同轴的旋流气通道、旋流风通道、中心风通道2和中
心燃气喷射道1。

[0032] 其中，中心燃气喷射道1、旋流气通道以及主燃气管道5将燃气分为三部分；中心风通道2、直流风通道6以及旋流风通道将空气分为三部分，即，燃烧器共有三级空气通道与三
级燃气通道，燃气通道通入纯氨气。

[0033] 在中心燃气喷射道1前端开口中心设置有钝盘，该钝盘与中心燃气喷射道1轴线垂直，钝盘为圆台形，圆台锥角为45°，圆台小底面位于前端，且小底面封闭，在圆台侧面沿周
向开有若干小孔，小孔轴线与圆台母线垂直，中心燃气通过小孔喷射进入燃烧室，圆台形钝
盘将中心燃气喷射道1的中心燃气分割成向四周喷射的若干均匀燃气，促进了燃气的混合
与燃烧。

[0034] 旋流气通道内设置旋流气旋流叶片4，旋流风通道内设置旋流风旋流叶片3，具体地，本发明在钝盘外有内安装环，内安装环设置在该中心燃气喷射道1与该旋流风旋流叶片
3之间并与外风筒7同轴，用于固定该旋流风旋流叶片3，该内安装环内周面与该中心燃气喷
射道1外周面之间形成中心风通道2，内安装环与外安装环一起通过连杆支撑固定在外风筒
7内部。即，以内安装环外周面为附着表面，周向阵列分布若干旋流风旋流叶片3，外安装环
设置在外风筒7前端出口处并与外风筒7同轴，以外安装环外周面为附着表面，周向阵列分
布若干旋流气旋流叶片4。旋流气旋流叶片4和旋流风旋流叶片3的旋向相反，进一步促进了
旋流风与旋流气的混合，增大燃气回流区域，使得燃烧热负荷更加均匀，燃烧更充分。

[0035] 具体可参考图5，本实施例中，旋流风旋流叶片3右旋，旋流气旋流叶片4左旋，旋流风旋流叶片3和旋流气旋流叶片4均含有若干叶片42，从安装环43(具体为内安装环或外安
装环)上沿径向辐射出若干固定轴41，每个叶片42与固定轴41固结在一起，叶片42沿径向贯
穿着固定轴41，在安装环43(具体为内安装环或外安装环)外围周向阵列着，固定轴41能够
相对于安装环43转动，从而实现叶片角度的可调，可以通过外界控制旋转固定轴41来控制
旋流风旋流叶片3或旋流气旋流叶片4的旋向。由此，可以根据不同的燃烧工况人为控制旋
流叶片的旋向，提高了燃烧器对各个不同工况的实时适应性。

[0036] 通过该结构，在内风筒9里面进行了燃料与空气的分级，即，包括含右旋旋流叶片的旋流风管道以及含左旋旋流叶片的旋流气管道；每一片旋流叶片都通过一根轴与安装环
相连，轴与叶片之间是固结在一起的，轴可旋转，进而改变叶片角度。

[0037] 主燃气管道5设置在直流风通道6，是以多个并以该外安装环为中心呈环状阵列排布，前端伸出渐扩式外风筒7通道头罩并朝主燃气管道5中心轴线向上的方向倾斜。主燃气
管道5由两段构成，第一段沿燃烧器轴线方向，第二段在高于内风筒9前端面上沿径向外斜，
第二段的轴线与燃烧器轴线夹角为45°。由此，中心气和旋流气主要分布于旋流盘区域，形
成中心混合层，主燃气向外斜喷分布于燃烧器筒壁外圈区域，形成外圈混合层。这样设计可
以使得燃气分级后，火焰在切面上呈现“花瓣”状，增大了火焰锋面的面积，增加空气与燃气
的接触面积，从而促进了空气与燃气的混合，降低局部温度，使得燃烧区域的热负荷分布较
为均匀。

[0038] 燃气与空气通道前端有一个火焰分割环8，火焰分割环8由两个圆环及若干径向分布的辐条组成，其中两个圆环分别位于旋流风通道和直流风通道6前方，火焰分割环8通过
对空气出口进行遮挡分割，将火焰分割成多个区域，而非聚集在一起，从而形成类似“花瓣”
状的火焰形状，提高火焰锋面与空气的接触面积，使燃烧更充分，避免热负荷集中区域的出
现。

[0039] 本发明可采用烟气再循环技术，将一部分高温烟气回流至中心燃气喷射道1、主燃气管道5以及旋流气通道内，燃烧室出口烟气经再循环流经各级燃气通道，回流烟气降低燃
气浓度，从而降低氮氧化物的排放。

[0040] 本发明中，中心燃气喷射道1以及主燃气管道5通入的是直流燃气，直流风通道6通入的是直流风，中心风通道2以及经旋流风旋流叶片3通入的是旋流风，经旋流气旋流叶片4
通入的是旋流燃气。燃料和空气分层次混合，有利于增强燃气和空气的混合效果。减缓部件
与周围高温环境的热辐射传递，有利于提高部件的使用寿命。

[0041] 燃烧时，中心气和旋流气主要分布于旋流盘区域，形成中心混合层，其中旋流气为烟气回流的燃气；主燃气向外斜喷分布于燃烧器筒壁外圈区域，形成外圈混合层。燃烧火焰
沿着径向、轴向从内到外层层传递，促进燃气与空气的快速混合，实现由里向外扩散燃烧，
避免局部高温区导致氮氧化物质量浓度升高，且火焰充满度好，燃烧稳定性强。

[0042] 本实施例中，旋流风旋流叶片3与旋流气旋流叶片4均是平板结构。该旋流气旋流叶片4与旋流风旋流叶片3的偏摆方向相反。这样使得旋流风与烟气回流的旋流气传质与传
热更为强烈，燃烧更为充分；有利于火焰锋面的热质交换，改善重要部件的寿命和污染物排
放水平。建议旋流叶片角度为60°左右，且旋流叶片可调节角度在30°至60°为宜。

[0043] 本实施例中，主燃气管道5末端与中轴线夹角在45°左右。主燃气向外斜喷分布于燃烧器筒壁外圈区域，形成外圈混合层。促进燃气与空气的快速混合，避免局部高温区导致
氮氧化物质量浓度升高，降低氮氧化物排放。

[0044] 本实施例中，外风筒7的内壁上对应该主燃气管道5设置有悬挂支架，该主燃气管道5可轴向移动地安装在悬挂支架上。通过调节主燃气管道5的移动距离，在不改变风压的
情况下，可以自适应地调节火焰的长度，调节燃烧器的工况适应能力，提高燃烧器的工作效
率，而且操作简单，维修方便。

[0045] 整个燃烧室处在富燃的工况下，此时控制燃料的当量比为1.2左右。此时可以得到最低的氮氧化物排放。

[0046] 本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依次限制本发明的保护范围，故：凡依发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明保护范围之内。