一种实现超低NOx排放的旋转式无焰燃烧器的制作方法

本发明属于无焰燃烧领域，更具体地，涉及一种实现超低NOx排放的旋转式无焰燃烧器。

背景技术：

近年来，随着工业和供暖锅炉“煤改气”等一系列措施的推进，天然气在生产生活中的应用日益广泛，但天然气的燃烧已成为大气中氮氧化物等污染物的主要来源之一。为减少环境污染，多地出台了更加严格的NOx排放标准，以北京为例，新发布的《锅炉大气污染物排放标准》(DB11/139-2015)中要求NOx排放浓度应低于30mg/m³，为达到这一要求，需要在天然气燃烧中应用低氮燃烧技术。无焰燃烧技术因其热效率高、NOX排放低的特点，受到国际燃烧界广泛关注，并逐步应用在工业和供暖领域。

目前，国内外已存在基于燃气无焰燃烧器的发明专利，为了实现无焰燃烧，首先要将炉膛加热至燃气的自燃温度以上，再切换至无焰燃烧。实现这一过程，可以通过炉外预热、使用蓄热体预热、使用催化剂降低自燃点、炉内烟气混合预热等方式实现。其中炉内烟气混合预热的方式应用较为广泛，该方法首先在预热燃烧阶段利用有焰燃烧将炉膛加热，再切换到无焰燃烧状态，但是因切换过程中操作较为复杂，极大地降低了燃烧器的工作效率。

同时，为实现无焰燃烧，国内外已存在基于燃气无焰燃烧器的发明专利多采用空气直喷以实现炉膛内烟气大范围卷吸。CN201410020218.3提出了一种斜流式常温无焰燃烧器，CN201410019516.0提出了一种直喷式燃气无焰燃烧器，以上两个专利均使用燃气气流和空气气流直喷的方式实现无焰燃烧，但未考虑直喷射流的形式多样化，且直喷喷嘴固定不动，常规速度和动量的射流不一定能实现较好的炉内温度均匀性，因此需要较高射流速度和动量才能实现较好效果的无焰燃烧，对空气风机压头要求过高。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种实现超低NOx排放的旋转式无焰燃烧器，其中对其关键组成部件如空气直喷喷管和空气旋流喷管的设置方式进行改进研究，同时对其整体结构布局重新做出针对性设计，相应能够提高炉内温度的均匀性，因而尤其适用于无焰燃烧的应用场合。

为实现上述目的，本发明提出了一种实现超低NOx排放的旋转式无焰燃烧器，该旋转式无焰燃烧器包括中心燃气喷管、空气进口直管、空气通道、空气直喷喷管、空气旋流喷管，其中：

所述中心燃气喷管的轴线与所述旋转式无焰燃烧器的中心轴线重叠，用于输送和喷射燃气；

所述空气进口直管与空气通道连接，用于向所述空气通道输送空气；

所述空气通道套设在所述中心燃气喷管的外侧，其一端与所述空气进口直管连接，其另一端与所述空气直喷喷管和空气旋流喷管连接，从而为所述空气的流动提供通道，所述空气通道的壁面对称设置有空气调节喷口，工作时通过所述空气调节喷口喷出的空气产生反作用力，带动所述旋转式无焰燃烧器绕所述中心轴线旋转，使得该旋转式无焰燃烧器喷射的空气和燃气绕所述中心轴线旋转；

所述空气直喷喷管关于所述中心轴线对称设置，利用第一截流圆环的移动控制该空气直喷喷管的开启和关闭，从而在无焰燃烧阶段喷射空气；

所述空气旋流喷管套设在所述空气直喷喷管的外侧，利用第二截流圆环的移动控制该空气旋流喷管的开启和关闭，从而在预热燃烧阶段喷射空气，所述空气旋流喷管与空气直喷喷管之间设置有沿周向方向均匀分布的叶片，用于带动空气绕所述空气直喷喷管的轴线自转，使得所述空气以旋进的方式喷出。

作为进一步优选地，所述空气直喷喷管与空气旋流喷管的内径比优选为1:1.5～1:2。

作为进一步优选地，所述空气调节喷口的数量优选为3～5个。

作为进一步优选地，所述空气调节喷口的直径优选为2mm～15mm。

作为进一步优选地，预热燃烧阶段，所述旋转式无焰燃烧器的转速优选为10r/min～15r/min，无焰燃烧阶段，所述旋转式无焰燃烧器的转速优选为3r/min～6r/min。

作为进一步优选地，所述空气旋流喷管的旋流度优选为0.7～0.9。

作为进一步优选地，在无焰燃烧阶段，所述空气直喷喷管的出口风速大于60m/s。

作为进一步优选地，所述燃气包括甲烷、合成气、低热值燃气、乙烷和丙烷中的一种或多种。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明利用空气调节喷口喷出空气产生的反作用力，带动整个旋转式无焰燃烧器绕中心轴线旋转，使其喷出的空气和燃气绕中心轴线旋转，进而使得空气和燃气与卷吸的高温烟气在整个炉膛内进行混合，扩大了反应区域，不仅降低了对空气直喷喷管出口风速的要求，而且能够在炉膛内获得更加均匀的炉内温度分布，避免局部高温区的出现，从源头上减少NOx的生成，实现NOx超低排放，此外，本发明通过在空气旋流喷管内设置叶片，能够带动空气绕空气直喷喷管的轴线进行自转，从而以旋进的方式进入炉膛中，能够在预热燃烧阶段保证空气与燃气混合更加充分，从而建立稳定的火焰，提高预热效率，并且，在进行预热燃烧阶段与无焰燃烧阶段的状态切换时，仅需通过控制第一截留圆环和第二截流圆环的移动即可实现，具有操作简单、工作效率高的优势；

2.尤其是，为保证无焰燃烧阶段喷射的空气具有较高的动量，同时避免切换燃烧状态时需要调整空气或燃气的流量，本发明将空气直喷喷管与空气旋流喷管的内径比控制在1:1.5～1:2的范围内，以此在预热燃烧阶段和无焰燃烧阶段获得最佳的出口风速；

3.此外，本发明通过限定空气调节喷口的数量为3个～5个，空气调节喷口的直径为2mm～15mm，能够在保证旋转式无焰燃烧器具有合适的旋转角速度的同时不会因喷出空气过多对正常燃烧产生影响；

4.同时，本发明在预热燃烧阶段，设定旋转式无焰燃烧器的转速为10r/min～15r/min，空气旋流喷管的旋流度为0.7～0.9，能够加速预热从而有效缩短预热燃烧阶段所需的时间，在无焰燃烧阶段，设定旋转式无焰燃烧器的转速为3r/min～6r/min，能够保证燃气充分燃烧的基础上尽量减少NOx的排放，此外，在无焰燃烧阶段控制空气直喷喷管的出口风速大于60m/s，还能够保证炉膛内的烟气实现充分卷吸，避免局部高温区的出现。

附图说明

图1是按照本发明优选实施例构建的实现超低NOx排放的旋转式无焰燃烧器的全剖视图；

图2是图1中A-A面的剖视图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-中心燃气喷管，2-空气进口直管，3-空气环路，4-空气通路，5-空气调节喷口，6-空气直喷喷管，7-空气旋流喷管，8-燃气软管，9-空气软管，10-第二截流圆环，11-第一截流圆环，12-叶片。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1～2所示，本发明优选实施例提出了一种实现超低NOx排放的旋转式无焰燃烧器，该旋转式无焰燃烧器包括中心燃气喷管1、空气进口直管2、空气通道、空气直喷喷管6、空气旋流喷管7，其中：

中心燃气喷管1的轴线与旋转式无焰燃烧器的中心轴线重叠，其前端与燃气软管8连接，其后端与炉膛连接，用于输送和喷射燃气；

空气进口直管2的前端与空气软管9连接，其后端与空气通道连接。用于向空气通道输送空气；

空气通道套设在中心燃气喷管1的外侧，其一端与空气进口直管2连接，其另一端与空气直喷喷管6和空气旋流喷管7连接，从而为空气流动提供通道，空气通道的壁面对称设置有空气调节喷口5，工作时通过空气调节喷口5喷出的空气产生反作用力，带动旋转式无焰燃烧器绕中心轴线旋转，使得该旋转式无焰燃烧器喷出的空气和燃气绕中心轴线旋转，该空气通道包括空气环路3和空气通路4，空气环路3的截面积小于空气通路4的截面积，并且空气环路3与空气进口直管2连接，空气通路4的侧壁上设置有空气调节喷口5；

空气直喷喷管6关于中心轴线对称设置，利用第一截流圆环11的移动控制该空气直喷喷管6的开启和关闭，从而在无焰燃烧阶段喷射空气；

空气旋流喷管7套设在空气直喷喷管6的外侧，利用第二截流圆环10的移动控制该空气旋流喷管7的开启和关闭，从而在预热燃烧阶段喷射空气，空气旋流喷管7与空气直喷喷管6之间设置有沿周向方向均匀分布的叶片12，用于带动空气绕所述空气直喷喷管6的轴线自转，使得预热燃烧阶段空气以旋进的方式喷出，在炉膛内与燃气混合更加均匀。

进一步，在空气流速不变的条件下，空气直喷喷管6与空气旋流喷管7的尺寸直接决定空气流速，为保证空气直喷喷管6喷射的空气具有较高动量，需保证空气直喷喷管6的内径明显小于旋流空气喷管7的内径，因此空气直喷喷管与空气旋流喷管的内径比优选为1:1.5～1:2，进而在切换燃烧状态的时候，仅需移动第一截流圆环和第二截流圆环，不需要改变空气和燃气的进口流量，具有操作简单，工作效率高的优势。

进一步，利用空气调节喷口5的数量和直径调节其产生的反作用力的大小，从而改变旋转式无焰燃烧器的转速，进而保证喷出的空气和燃气能够在炉膛内充分混合，为避免反作用力过小造成旋转式无焰燃烧器的转速过小，同时避免喷出的空气过多干扰燃烧的正常进行，空气调节喷口的数量优选为3～5个，该空气调节喷口的直径优选为2mm～15mm。

进一步，燃气包括甲烷、合成气、低热值燃气、乙烷和丙烷中的一种或多种，并且在预热燃烧阶段和无焰燃烧阶段，为保证燃气充分燃烧需要通入适当过量的空气，但氧气含量过高会促进NOx的产生，因此过量空气系数优选为1.2～1.3；此外，预热燃烧阶段将旋转式无焰燃烧器的转速优选为10r/min～15r/min，空气旋流喷管的旋流度优选为0.7～0.9，能够稳定旋流有焰燃烧的火焰稳定性，获得较好的旋进射流运动特性，从而快速预热燃烧室，有效缩短预热燃烧阶段所需的时间；无焰燃烧阶段将旋转式无焰燃烧器的转速优选为3r/min～6r/min，可形成稳定的无焰燃烧效果，同时保证更均匀的炉内温度，并且该旋转为通过射流自发形成，为保证炉膛内烟气实现充分卷吸，需要保证空气直喷喷管喷射的空气动量足够大，故空气直喷喷管6的出口风速大于60m/s。

本发明提供的实现超低NOx排放的旋转式无焰燃烧器的工作过程为：在预热燃烧阶段，推动第一截流圆环11堵住空气直喷喷管6，空气由空气旋流喷管7喷出，并在叶片12的带动下绕该空气直喷喷管6的轴线自转，同时空气调节喷口5喷出的空气产生反作用力，使整个旋转式无焰燃烧器绕中心轴线旋转，故喷出的空气和燃气绕中心轴线旋转，空气以旋进的方式进入炉膛，能够与燃气充分混合从而建立稳定的火焰；

待炉膛内温度达到燃气自燃温度以上，控制空气流量不变，推动第二截流圆环10堵住空气旋流喷管7，并打开空气直流喷管6，使得空气从空气直流喷管6直接喷出，空气和燃气绕中心轴线旋转进入炉膛，因喷口面积变小，故空气以高动量的方式喷出，燃气与卷吸的高温烟气在整个炉膛内混合，反应区域扩大，并且在含氧浓度较低的卷吸烟气的稀释作用下，温度峰值区域的反应物浓度降低，该区域的反应速率也会随之降低，使得燃烧模式切换至无焰燃烧，因无焰燃烧在更大范围中进行更均匀的反应，能够消除局部高温区，故本发明从源头上控制了热力型NOx的产生。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。