一种富氢废气掺烧燃烧器的制作方法

1.本实用新型属于富氢废气安全稳定低氮燃烧、燃烧器设计领域，具体涉及一种富氢废气掺烧燃烧器。


背景技术：

2.在化工、冶金等行业，其众多生产工艺中往往伴随产生富含氢气的可燃废气混合物，如高炉煤气、甲醇尾气、电石尾气等。该类废气虽富含氢气，但由于热值较低，且产量不稳定，无法为之建立独立的燃烧系统。工厂通常将其送往火炬系统对空燃烧，不仅造成环境污染，更伴随严重的能源浪费。
3.新的能源形势与要求下，废气掺烧作为锅炉的辅助燃烧系统，将原本送往火炬的富氢废气，送入锅炉参与燃烧，从而实现节能减排，被越来越多的工厂重视起来。国内气体燃烧器的研究大多聚焦于其在环境单一的纯燃气锅炉中的应用，而对工况较为复杂的煤-气掺烧系统中的废气掺烧燃烧器关注较少。而现有的掺烧系统设计中，大多将可燃废气通过管道直接喷向炉内，虽解决了能源浪费问题，但排放问题和系统燃烧稳定性却大打折扣，甚至频繁发生机组结焦等事故。因此，有必要针对废气掺烧系统，开发出新型的富氢燃气掺烧燃烧器，以满足废气再利用的同时，保障机组安全稳定运行的需求。


技术实现要素：

4.为解决现有技术中存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种富氢废气掺烧燃烧器，本实用新型能够防止机组结焦以及火焰的稳燃性。
5.本实用新型采用的技术方案如下：
6.一种富氢废气掺烧燃烧器，包括燃料筒、助燃风筒、一级预混旋流器、二级预混旋流器、预混室、稳燃钝体及冷却外壳；
7.燃料筒的出口端伸入助燃风筒中并与助燃风筒同轴安装，助燃风筒上在燃料筒出口端的上游位置设有助燃风入口，冷却外壳设置于助燃风筒内并与助燃风筒同轴，冷却外壳的一端与助燃风筒连接，冷却外壳该端与助燃风筒的连接点位于助燃风入口的下游，冷却外壳的另一端延伸至助燃风筒的出口端；燃料筒的出口端伸入冷却外壳内；
8.燃料筒的出口端安装有径向喷枪，稳燃钝体的一端与燃料筒出口端连接，稳燃钝体的另一端延伸至助燃风筒的端部；
9.一级预混旋流器设置于燃料筒和冷却外壳之间并位于径向喷枪的上游；燃料筒和冷却外壳之间在径向喷枪的下游依次设置预混室和二级预混旋流器。
10.优选的，本实用新型富氢废气掺烧燃烧器还包括环形助燃风流道隔层，环形助燃风流道隔层设置于燃料筒和助燃风筒之间并与燃料筒同轴设置；环形助燃风流道隔层的一端与冷却外壳靠近助燃风入口的端部连接，环形助燃风流道隔层的另一端延伸至燃风入口的上游；环形助燃风流道隔层与助燃风筒之间以及环形助燃风流道隔层与燃料筒之间均形成助燃风流通的环形通道。
11.优选的，冷却外壳内设有能够利用助燃风入口进入的助燃风进行冷却的冷却风腔室，冷却风腔室的冷却风入口位于冷却外壳靠近助燃风入口一侧的端部，冷却风腔室的冷却风出口位于预混室和二级预混旋流器之间并能够向冷却外壳的内腔吹风；
12.冷却风入口和冷却风出口均为圆环形。
13.优选的，预混室采用文丘里式预混室，二级预混旋流器设置于文丘里式预混室的出口。
14.优选的，所述冷却风出口位于二级预混旋流器的入口且出风方向与燃料筒轴向垂直。
15.优选的，冷却风腔室外侧壁与助燃风筒之间的部分设为空腔结构。
16.优选的，径向喷枪沿燃料筒的径向设置，径向喷枪沿其长度方向设有若干切向燃气喷口，切向燃气喷口的喷射方向与燃料筒轴向垂直。
17.优选的，燃料筒沿其周向均匀布置6-12支径向喷枪，每支径向喷枪上布置4-8个切向燃气喷口，切向燃气喷口沿径向喷枪的轴向均匀布置；
18.一级预混旋流器和二级预混旋流器采用叶片式旋流器，叶片数量为8-24片且沿周向均匀分布，一级预混旋流器出口旋流角度为15
°‑
75
°
；二级预混旋流器出口旋流角度为15
°‑
75
°
。
19.优选的，所述助燃风筒上设有观火镜和火焰检测器接口，观火镜和火焰检测器接口设置于与一级预混旋流器以及二级预混旋流器正对的位置；一级预混旋流器、二级预混旋流器在观火镜和火焰检测器接口的投影位置处的旋流叶片均做开孔处理，开孔直径为20mm-40mm。
20.优选的，稳燃钝体采用空心稳燃钝体，空心稳燃钝体与燃料筒等径，空心稳燃钝体与燃料筒之间设置有用于隔离空心稳燃钝体与燃料筒内腔的间隔层；二级预混旋流器的出口与空心稳燃钝体的端面平齐、共同构成燃烧器的喉口。
21.本实用新型具有如下有益效果：
22.本实用新型富氢废气掺烧燃烧器是一种预混型富氢废气掺烧燃烧器，其通过设置一级预混旋流器、二级预混旋流器和预混室，经过一级预混旋流器的助燃风能够与经径向喷枪喷射出的燃气发生混合，混合后的混合气经预混室能够进行再次混合，之后再经二级预混旋流器进行强化混合与整流，因此本实用新型能够实现助燃风与燃气多次强化混合，保证燃烧效果；此外氢气燃烧速度快，火焰温度高，相较于直喷富氢燃气入炉，本实用新型中能够实现助燃风与燃气的预混，并可以通过控制过量空气系数，使富氢废气在过氧工况下燃烧，从而有效降低氢气成分燃烧时的火焰温度，抑制nox生成，防止机组结焦；而引入的过量空气，将在锅炉内被煤粉燃烧消耗，因此并不会降低整个锅炉的效率。本实用新型通过设置稳燃钝体，稳燃钝体的一端与燃料筒出口端连接，稳燃钝体的另一端延伸至助燃风筒的端部，并且在出口位置设置的是二级预混旋流器，由于氢气作为最易燃的可燃气体，具有极高的火焰传播速度，在防止脱火方面，本实用新型燃烧器喉口采用旋流+钝体(即稳燃钝体+二级预混旋流器)组合设计，创造回流区，并将火焰根部锚定在稳燃钝体上，可有效防止脱火，增强了火焰稳燃性。由于氢气火焰传播速度高，在预混型式下有回火的风险，而本实用新型燃烧器一方面采用在助燃风与燃气的混合段设置了冷却外壳，能够对助燃风与燃气的混合气进行降温，防止预混室温度过高内部气体自燃，因此燃烧器的安全性得到了极大
提高。综上，本实用新型的燃烧器能够防止机组结焦以及火焰的稳燃性。
23.进一步的，本实用新型通过设置环形助燃风流道隔层，利用环形助燃风流道隔层有效隔绝了助燃气进口与燃气喷口，即便预混室内发生回火，火焰没有传播条件沿着隔层空气流道一直向内传播，燃烧器的安全性得到了极大提高。
24.进一步的，本实用新型通过在冷却外壳内设置能够利用助燃风入口进入的助燃风进行冷却的冷却风腔室，冷却风出口位于预混室和二级预混旋流器之间并能够向冷却外壳的内腔吹风，该冷却风出口的设置能够使得助燃气与燃料的混合气在冷却风出口处于冷却风出口吹出的风进行再一次强化混合，能够进一步保证燃烧效果，同时还能够起到对混合气降温的作用，防止混合气的混合段发生自燃，冷却风入口和冷却风出口均为圆环形保证了均匀进出风，保证了混合效果。
25.进一步的，冷却风腔室外侧壁与助燃风筒之间的部分设为空腔结构，这样能够减少助燃风筒端部(燃烧一端)的热量向预混室内的传导，有利于控制预混室温度，保证安全。
26.进一步的，稳燃钝体采用空心稳燃钝体，采用空心稳燃钝体将减少火焰温度向预混室内的传导，有利于控制预混室温度，保证安全。
附图说明
27.图1为本实用新型富氢废气掺烧燃烧器的结构示意剖视图。
28.图2为本实用新型的富氢废气掺烧燃烧器喉口的结构示意图。
29.图3为本实用新型富氢废气掺烧燃烧器的外形俯视示意图。
30.图4为本实用新型富氢废气掺烧燃烧器中文丘里式预混室及冷却外壳立体剖视图。
31.其中，1为燃料筒、1-1为径向喷枪、1-2为切向燃气喷口、2为助燃风筒、3为环形助燃风流道隔层、4为一级预混旋流器、5为二级预混旋流器、6为文丘里式预混室、7为空心稳燃钝体、8为冷却外壳、8-1为冷却风入口、8-2为冷却风出口、8-3为冷却外壳空腔、9为锅炉连接法兰、10为燃料入口、11为助燃风入口、12为观火镜、13为火焰检测器接口、14为间隔层。
具体实施方式
32.下面结合附图对本实用新型做进一步详细描述。
33.实施例
34.参考图1、图2、图3及图4，本实用新型所述的富氢废气掺烧燃烧器，由内向外布置有燃料筒1、环形助燃风流道隔层3、助燃风筒2、冷却外壳8，从后向前布置有一级预混旋流器4、径向喷枪1-1、文丘里式预混室6、空心稳燃钝体7和二级预混旋流器5。燃料筒1与助燃风筒2同轴安装，且被助燃风筒2包裹；一级预混旋流器4以环形助燃风流道3的凸台为轴向定位，与燃料筒1同轴安装，且以燃料筒1外壁面为支撑固定；气流流经一级预混旋流器4形成旋流，进入文丘里式预混室6；空心稳燃钝体7与燃料筒1等径，内部被间隔层14隔离，长度贯穿整个文丘里式预混室6；二级预混旋流器5布置在文丘里式预混室6出口，以出口端面为轴向定位，与空心稳燃钝体7同轴安装且以之外壁面为支撑固定；预混燃气流经二级预混旋流器5后，进入炉膛燃烧。预混室出口布置二级预混旋流器和空心稳燃钝体，增强预混且防
止脱火。该燃烧器可以广泛应用在煤粉锅炉掺烧系统中，实现富氢废气的预混燃烧，具有高稳燃、低排放、防回火、免维护、适合富氢燃料等特性。
35.燃料筒1上布置有燃料入口10，径向喷枪1-1上布置有切向燃气喷口1-2，助燃风筒2上布置有助燃风入口11，燃料筒1与空心稳燃钝体7间布置间隔层14，冷却外壳8的前端布置冷却风入口8-1、末端布置冷却风出口8-2，其余部分为冷却外壳空腔8-3。
36.燃料经燃料入口10送入后，沿燃气筒1最终通往径向喷枪1-1，径向喷枪1-1沿周向均布，且每支喷枪上沿径向均布切向燃气喷口1-2，因此，经此多级分散，燃气在喷出时，已经基本均布在了以喷口中心线定位的截面上，为预混创造了良好的先决条件。
37.助燃风经助燃风入口11送入后，绝大部分沿环形助燃风流道隔层3划分的流道流动，以图1所示方位为例，助燃风经助燃风入口11首先进入环形助燃风流道隔层3与助燃风筒2之间的环形空腔，其中一小部分冷却风入口8-1，大部分助燃风从该环形空腔的右侧向左侧流动并向内进入有燃料筒1与环形助燃风流道隔层3之间的环形空腔，在该换形空腔中从左至右流动，环形助燃风流道隔层3不仅将助燃风入口11与切向燃气喷口1-2分隔开，同时延长了空气流道，有效杜绝回火现象。助燃风流经一级预混旋流器后产生强旋流，与切向燃气喷口1-2喷出的燃气发生混合，此谓一级预混；预混气体向前流动进入文丘里式预混室6，渐缩-渐扩式的流道设计，会进一步加强气体的扩散与混合，此谓二级预混；混合气体继续向前流动，与从冷却风出口8-2喷出的助燃风在二级预混旋流器5前的位置混合，冷却风出口8-2沿周向环形布置，因此会系统性再次强化预混效果，此谓三级预混；后混合气体向前进入二级预混旋流器5，再次强化混合，且起到整流效果，此谓四级预混；最终预混燃气将以二级预混旋流器5设计的旋流强度进入炉膛燃烧，保证燃烧效果。
38.冷却外壳8的前端布置冷却风入口8-1，与助燃风筒2从内部相通，入口为圆环形，保证全方位冷却效果，冷却风流道紧贴文丘里式预混室6，并最终经冷却风出口8-2沿径向向中心喷出，出口位置设计在二级预混旋流器5上游；冷却外壳中有空腔8-3，减小导热。
39.空心稳燃钝体7左端与燃料筒1的末端(即图1所示右端)相连，空心稳燃钝体7左端与燃料筒1的末端的内部由间隔层14完全断开，空心稳燃钝体7的另一端(即图1所示的右端)与二级预混旋流器5的出口端面平齐，创造回流区，且为旋流火焰的根部提供锚定点，加强稳燃效果；为了尽量减小导热，钝体进行空心设计。
40.冷却风外壳8的核心设计在于内部冷却风流道，因此与助燃风筒2及文丘里式预混室6可以从外侧进行满焊，实现密封、固定及一体化集成的效果。
41.助燃风筒2上设计有观火镜12和火焰检测器13，前者用于判断预混效果并调整过量空气系数，后者用于安全联锁。
42.上述方案中，燃料筒1前端布置法兰式燃料入口10，末端布置6-12支径向喷枪1-1，沿周向均匀布置；每支径向喷枪上布置4-8个切向燃气喷口1-2，沿径向均匀布置。所述助燃风筒2外侧布置助燃风入口11，内部被环形助燃风流道隔层3分隔为“c”型流道；助燃风入口11与助燃风筒2交汇处与冷却外壳8连通，形成圆环形冷却风入口8-1；一级预混旋流器4、二级预混旋流器5为叶片式旋流器，叶片沿周向均匀分布，一级预混旋流器4出口旋流角度60
°
，材质为碳钢；二级预混旋流器5出口旋流角度45
°
，材质为不锈钢；叶片数量为8-24片。所述文丘里式预混室6材质为不锈钢，布置在径向喷枪1-1的下游，其出口处布置二级预混旋流器5，二级预混旋流器5前布置周向环形冷却风出口8-2。冷却外壳8布置在文丘里式预
混室6外围，其环形冷却风入口8-1与助燃风筒2相通，其环形冷却风出口8-2与文丘里式预混室6相通，冷却风夹层完全将文丘里式预混室6包裹；在保留足够壁厚强度的基础上，冷却外壳8其余空间为空腔8-3，整体材质为不锈钢。助燃风筒2后部预留观火镜12和火焰检测器接口13，其向燃烧器喉口的垂直投影落在二级预混旋流器5上，因此可以保证有效观火；相应的，一级预混旋流器4、二级预混旋流器5在此投影位置处的旋流叶片均做开孔处理，开孔直径40mm。
43.具体的，本实施例富氢废气掺烧燃烧器中，燃料筒外接富氢废气，在燃料筒末端沿径向伸出若干喷枪，喷枪上布置若干切向燃气喷口，喷射气流方向与一级预混旋流器旋流方向一致，有助于强化旋流与混合；助燃风筒环绕燃气筒布置，且与燃气筒中心轴线重合；助燃风筒内部设置一层环形助燃风流道隔层，隔离空气入口与燃气喷口，延长空气流通距离，从而有效控制预混位置，防止回火；以环形助燃风流道隔层的凸台位置为轴向定位，在燃料筒和助燃风筒间布置一级预混旋流器，旋流器与燃料筒同轴，且以燃料筒外壁面为支撑固定；旋流风与切向燃气进行一级预混后进入文丘里式预混室进行二级预混；预混室的外围被冷却外壳包裹，冷却外壳一端与助燃风筒相连且相通，形成环形冷却风入口，冷却风从轴向流入；冷却风的出口布置在二级预混旋流器上游的预混室壁面上，环形布置，冷却风从径向流出喷向中心，实现三级预混；预混室出口布置二级预混旋流器，预混燃气流经二级预混旋流器实现四级预混后，进入炉膛参与燃烧；预混室出口同时布置有空心稳燃钝体，该钝体与燃气筒等径，外部连为一体但内部隔断，轴向上贯穿整个预混室；钝体内部为空腔，减小导热；二级预混旋流器与钝体同轴，以钝体的外壁为支撑固定，二级预混旋流器的出口与空心钝体的端面平齐，共同构成燃烧器的喉口。
44.由上述方案可以看出，本实用新型具有以下特点：(1)氢气燃烧速度快，火焰温度高，相较于直喷富氢燃气入炉，空气与燃气的预混，可以通过控制过量空气系数，使富氢废气在过氧工况下燃烧，从而有效降低氢气成分燃烧时的火焰温度，抑制nox生成，防止机组结焦；而引入的过量空气，将在锅炉内被煤粉燃烧消耗，因此并不会降低整个锅炉的效率。(2)本燃烧器采用两级预混旋流器配合文丘里式预混室及冷却风出口，在燃料进入炉膛前实现了四级预混，保证预混效果的同时，维持了一体式的紧凑结构，无易损易耗零件及结构，因此无检修和更换部件的风险，设备使用寿命长，相较于传统的预混式燃烧器，本燃烧器更适合煤-气掺烧的复杂运行工况，且能保障长期稳定的运行效果。(3)氢气作为最易燃的可燃气体，具有极高的火焰传播速度，在防止脱火方面，本燃烧器喉口采用旋流+钝体组合设计，创造回流区，并将火焰根部锚定在钝体上，可有效防止脱火，增强了火焰稳燃性；而空心钝体将减少火焰温度向预混室内的传导，有利于控制预混室温度，保证安全。(4)氢气火焰传播速度高，在预混型式下有回火的风险，而本燃烧器一方面采用冷却外壳，依靠预混室的内侧风和外侧风降温，防止预混室温度过高内部气体自燃，另一方面，环形助燃风流道隔层有效隔绝了空气进口与燃气喷口，即便预混室内发生回火，火焰没有传播条件沿着隔层空气流道一直向内传播，燃烧器的安全性得到了极大提高。
45.综上，本实用新型通过燃气与助燃空气的四级预混，结合旋流燃烧与钝体稳燃，实现富氢废气在煤粉锅炉中的安全、稳定掺烧，且对原锅炉系统的污染物排放、温度场无任何负面影响。在具体实施时，本实用新型为富氢废气的再利用提供了一种安全、环保、高效的途径，可以创造显著的经济价值与社会效益。本实用新型提供的富氢废气掺烧燃烧器能够
保障废气掺烧系统的安全、稳定、高效运行，且不对原锅炉系统的排放和温度场产生负面影响。该燃烧器具有高稳燃、低排放、防回火、免维护、适合富氢燃料等特性。