一种具有椭圆管管排稳燃装置的天然气预混燃烧器的制作方法

本实用新型涉及一种天然气的燃烧器，具体涉及一种天然气预混燃烧器。

背景技术：

天然气含硫量低、热值高、热效率高，世界上公认是经济、环保的一次能源。尽管如此，天然气燃烧生成的氮氧化物是大气中的主要污染物之一，能形成酸雨和雾霾，危害人体健康和环境。近年来，国家相继出台了一系列法律法规和强制性标准限制氮氧化物的排放。《火力发电厂大气污染物排放标准》(GB 13223-2011)对燃气锅炉的氮氧化物的排放限值为100mg/m³，2015年5月13日北京市发布了《锅炉大气污染物排放标准》(DB11/139-2015)，规定自2017年4月1日起，新建燃气锅炉氮氧化物排放限值为30mg/m³。国家和地方法规对氮氧化物排放要求日益严格，天然气燃烧产生的氮氧化物排放要达到排放要求，必须采用低氮燃烧技术。

现有天然气锅炉多采用扩散燃烧方式，天然气和空气边混合边燃烧，扩散混合的速度和进程控制着扩散燃烧的速度和进程。天然气扩散燃烧火焰稳定性好，不发生回火，但氮氧化物排放较高，采用分级燃烧技术后氮氧化物排放可以降低到80mg/m³。要控制氮氧化物排放在30mg/m³以下，必须同时采用烟气再循环技术，成本较高。分级燃烧和烟气再循环技术会使燃烧趋于不稳定，增加不完全燃烧损失和锅炉排烟热损失。

天然气预混燃烧技术是一种低氮燃烧技术，在燃烧前天然气和空气按一定比例充分混合，相比扩散燃烧，相同反应条件下预混燃烧的燃烧效率更高、氮氧化物排放更低，可以满足氮氧化物排放低于30mg/m³的要求。工业用燃烧器出口预混燃气速度一般远高于火焰传播速度，容易发生脱火、吹熄，而在点火、停炉和低负荷时又容易发生回火、爆燃。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种具有椭圆管管排稳燃装置的天然气预混燃烧器，以解决天然气预混燃烧火焰稳定性差，容易发生回火、爆燃和吹熄的问题。

为实现上述目的，本实用新型采取的技术方案是：它包括预混天然气管道1、渐扩连接管道2、喷口管排3、冷却介质入口集箱4和冷却介质出口集箱5，所述喷口管排3由N根平行竖直排成一排的方管或带平行侧肋的圆管组成，方管或圆管的下端与冷却介质入口集箱4连通，方管或圆管的上端与冷却介质出口集箱5连通，所述喷口管排3排布在渐扩连接管道2出气端口上，N根方管或N根圆管的侧肋形成N-1个狭缝喷口；

它还包括稳燃装置6，稳燃装置6由N-1根平行竖直排成一排的椭圆管组成，所述稳燃装置6的每根椭圆管对应喷口管排3形成的一个狭缝喷口，所述椭圆管的长轴方向的延长线与狭缝喷口宽度方向的中线重合，椭圆管下端与冷却介质入口集箱4连通，椭圆管上端与冷却介质出口集箱5连通。

本实用新型相对于现有技术的有益效果是：喷口管排采用水冷或空冷的方管或带平行侧肋的圆管，喷口管排形成的狭缝喷口宽度小于预混天然气燃烧的淬熄距离，可以防止预混天然气发生回火、爆燃。预混气体经过狭缝喷口后，扰流稳焰装置的椭圆管管排，由于气体粘性力的作用，在椭圆管外管壁附近形成边界层，产生气流速度较低的区域，满足稳定燃烧的条件，同时椭圆管后形成气流回流区，可以卷吸高温烟气加热预混天然气，进一步增强了燃烧的稳定性。椭圆管气动特性好，绕流阻力低，传热周边长,有利于传热。椭圆管采用水冷或空冷，可以保证燃烧区的温度不超过1500℃，实现低氮氧化物排放。本实用新型的天然气预混燃烧器适用负荷范围宽，可以在12％-100％负荷下保证燃烧稳定，不发生回火和吹熄，天然气预混燃烧器的氮氧化物排放低于30mg/m³，最低可达8mg/m³，燃烧器阻力小，具有良好的应用前景。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图，图2是图1的A-A剖视图，图3是图1的B-B剖视图，图4是本实用新型的燃烧过程原理示意图，图5是实施方式二的分割狭缝喷口示意图，图6是实施方式四的结构示意图，图7是图6的M-M剖视图，图8是实施方式五的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1至图4具体说明本实施方式。本实施方式包括预混天然气管道1、渐扩连接管道2、喷口管排3、冷却介质入口集箱4、冷却介质出口集箱5和稳燃装置6，所述喷口管排3由N根平行竖直排成一排的方管组成，方管的下端与冷却介质入口集箱4连通，方管的上端与冷却介质出口集箱5连通，所述喷口管排3排布在渐扩连接管道2出气端口上，N根方管形成N-1个狭缝喷口。根据燃烧器功率选择N为5-40；所述方管外壁的边长为20-38mm；喷口管排高度为300-1500mm；所述狭缝喷口宽度b为1.0-2.0mm；狭缝喷口的预混天然气出口速度为4-32m/s。

稳燃装置6由N-1根平行竖直排成一排的椭圆管组成，椭圆管高度与喷口管排高度相等，所述稳燃装置6的每根椭圆管对应喷口管排3形成的一个预混天然气狭缝喷口，所述椭圆管的长轴方向的延长线与狭缝喷口宽度方向的中线重合，椭圆管的下端与冷却介质入口集箱4连通，椭圆管的上端与冷却介质出口集箱5连通。所述椭圆管的长轴方向长度和短轴方向长度之比为1.4-2，椭圆管的长轴方向长度为23-64mm，短轴方向长度为16-32mm；所述椭圆管的迎风面外壁面端点距狭缝喷口出口距离c为5-9mm，椭圆管管排外壁面之间的最小间距e为3-8mm。

冷却介质经冷却介质入口集箱4进入喷口管排3的方管和稳燃装置6的椭圆管，由冷却介质出口集箱5引出。以水为冷却介质时，喷口管排3的方管管内水流速和稳燃装置6的椭圆管管内水流速为0.3m/s至1.5m/s，以空气为冷却介质时，喷口管排3的方管管内流速和稳燃装置6的椭圆管管内流速为15m/s至50m/s。冷却介质是外循环，用来加热锅炉给水或对外供热。

具体实施方式二：下面结合图5具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式一的不同之处是所述喷口管排3的每个狭缝喷口内焊接多个矩形金属片7，矩形金属片7的高度g为3-4mm，厚度等于狭缝喷口宽度，宽度等于狭缝喷口深度。矩形金属片7在狭缝喷口高度方向上等间距设置。矩形金属片7将喷口管排形成的狭缝喷口分割为多个矩形喷口，矩形喷口高度f为20-40mm。

将狭缝喷口分割为多个矩形喷口，降低了预混天然气射流的高宽比，提高射流的刚性，改善了狭缝喷口气流速度分布的均匀性和燃烧的均匀性，同时降低了燃烧器区的截面热负荷，有利于低氮燃烧。

具体实施方式三：本实施方式与实施方式一的不同之处是：它还包括环形肋16，稳燃装置6的每个椭圆管外表面上都设置多个环形肋16，多个环形肋16沿椭圆管的高度方向均匀布置，且间距为20-50mm。环形肋16的肋片高度2-3mm，肋片厚度2-3mm。火焰冲刷环形肋16，环形肋能够强化椭圆管的换热，降低了火焰的温度。同时由于气体粘性力作用，在环形肋的壁面附近形成流动边界层，气流速度低，有利于稳燃。

具体实施方式四：下面结合图6和图7具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式二的不同之处是：它还包括环形肋16，稳燃装置6的每个椭圆管外表面上都设置多个环形肋16，每个环形肋16厚度方向的中间截面与矩形金属片7分割狭缝喷口形成的矩形喷口高度方向的中间截面在同一平面。环形肋16的肋片高度2-3mm，肋片厚度2-3mm。

由于每一个环形肋16对着矩形喷口高度方向的中间截面，火焰冲刷环形肋16，环形肋能够强化椭圆管的换热，降低了火焰的温度。因气体粘性在环形肋的壁面附近形成流动边界层，气流速度低，有利于稳燃。

具体实施方式五：下面结合图8具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式一的不同之处是所述喷口管排3由N根平行竖直排成一排的带平行侧肋的圆管组成，所述圆管的下端与冷却介质入口集箱4连通，所圆管的上端与冷却介质出口集箱5连通，所述喷口管排3排布在渐扩连接管道2出气端口上，N根圆管的平行侧肋形成N-1个狭缝喷口；所述圆管的外径为18-32mm；所述圆管的平行侧肋与圆管等高且对称布置，平行侧肋内壁的中点与圆管外壁连接，平行侧肋的厚度为1-3mm，平行侧肋的长度Y与圆管外径相等。

对比于方管，圆管可以承受更大的压力，冷却工质压力参数的选择范围更大。

实施例1：

如图1-3所示，本实施方式包括预混天然气管道1、渐扩连接管道2、喷口管排3、冷却介质入口集箱4、冷却介质出口集箱5和稳燃装置6，所述喷口管排3由15根平行竖直排成一排的方管组成，方管的下端与冷却介质入口集箱4连通，方管的上端与冷却介质出口集箱5连通，所述喷口管排3排布在渐扩连接管道2出气端口上，15根方管形成14个狭缝喷口，所述方管外壁的边长为25mm，所述狭缝喷口宽度b为1.5mm；喷口管排高度为676mm。最大燃烧负荷时，预混天然气狭缝出口速度为28-32m/s。

稳燃装置6由14根平行竖直排成一排的椭圆管组成，所述稳燃装置6的每根椭圆管对应喷口管排3形成的一个狭缝喷口，所述椭圆管的长轴方向的延长线与狭缝喷口宽度方向的中线重合，椭圆管的下端与冷却介质入口集箱4连通，椭圆管的上端与冷却介质出口集箱5连通。所述水冷椭圆管迎风面外壁面端点距狭缝喷口出口距离c为7mm，椭圆管管束外壁面最小间距e为4mm，所述椭圆管长轴方向长度为38mm，短轴方向长度为22.5mm，长轴方向长度和短轴方向长度之比为1.69。

冷却水经冷却介质入口集箱4进入喷口管排3的方管和稳燃装置6的椭圆管，由冷却介质出口集箱5引出，喷口管排3的方管管内水流速和稳燃装置6的椭圆管管内水流速为1m/s，冷却水为外循环，用来加热锅炉给水。

本实施例中稳燃装置采用椭圆管，椭圆管气动特性好，绕流阻力低，传热周边长,有利于控制燃烧温度。椭圆管的长轴方向长度和短轴方向长度之比为1.69可以兼顾流动阻力和传热，并保证燃烧的稳定。喷口管排形成的狭缝喷口宽度b为1.5mm是优化的参数，狭缝喷口宽度过小，对制造加工的要求更高，在相同燃气量下狭缝喷口的射流速度更高，会增加燃烧噪音，狭缝喷口宽度过大会增加了预混天然气发生回火的可能。该燃烧器在15％-100％负荷下可以实现稳定燃烧，不发生回火吹熄，氮氧化物排放为15-26mg/m³。

实施例2：

如图5所示，本实施例与实施例1的区别仅在于所述喷口管排3的每个狭缝喷口内焊接厚度为1.5mm、宽度为25mm、高度g为4mm的19个矩形金属片7，每个狭缝喷口内的矩形金属片7等间距设置。矩形金属片7将喷口管排形成的每个狭缝喷口分割为20个矩形喷口，矩形喷口高度f为30mm。

将狭缝喷口分割为多个矩形喷口，降低了预混天然气射流的高宽比，提高射流的刚性，改善了狭缝喷20％-100％负荷下可以实现稳定燃烧，不发生回火吹熄，氮氧化物排放为12-24mg/m³。

实施例3：

如图6和图7所示，本实施例与实施例2的区别仅在于稳燃装置6的每个椭圆管外表面上都设置多个环形肋16，每个环形肋16厚度方向的中间截面与矩形金属片7分割狭缝喷口形成的矩形喷口高度方向的中间截面在同一平面。环形肋16的肋片高度3mm，肋片厚度2mm。

由于每一个环形肋16对着矩形喷口中心，火焰冲刷环形肋16能够强化换热，降低了火焰的温度。同时因气体粘性环肋附近形成流动边界层，气流速度低，有利于稳燃。

该燃烧器在12％-100％负荷下可以实现稳定燃烧，不发生回火吹熄，氮氧化物排放为8-18mg/m³。

实施例4：

本实施例与实施例1的区别仅在于冷却介质为空气，空气由风机加压后由冷却介质入口集箱4流经喷口管排3的方管和稳燃装置6的椭圆管，由冷却介质出口集箱5引出，喷口管排3的方管管内流速和稳燃装置6的椭圆管管内流速为35m/s。

本实施例采用空气冷却，喷口管排的圆管和稳燃装置的圆管管内压力较低，流动阻力小，不存在采用水冷可能导致的管内结垢问题。该燃烧器在15％-100％负荷下可以实现稳定燃烧，不发生回火吹熄，氮氧化物排放为20-30mg/m³。

实施例5：

如图8所示，本实施例与实施例1的区别仅在于喷口管排3由N根平行竖直排成一排的带平行侧肋的圆管组成，所述圆管的下端与冷却介质入口集箱4连通，圆管的上端与冷却介质出口集箱5连通，所述喷口管排3排布在渐扩连接管道2出气端口上；

所述喷口管排3的圆管外径为22mm；所述圆管的平行侧肋与圆管等高且对称布置，侧肋内壁的中点与圆管外壁连接，肋的厚度为1.5mm，肋的长度Y为22mm。所述圆管内冷却水压力可以高于0.7MPa。本实施例中喷口管排采用圆管，对比于方管，圆管可以承受更大的压力，冷却工质压力参数的选择范围更大。该燃烧器在15％-100％负荷下可以实现稳定燃烧，不发生回火吹熄，氮氧化物排放为12-24mg/m³。