带废气再循环和部分预混的低NOx燃烧器的制作方法

背景技术：

氮氧化物(即，no)和二氧化氮(no2)形式的氮的氧化物(氮的氧化物通常可称为：nox)是通过燃烧化石燃料而产生的。与来自车辆的nox一起，来自化石燃料燃烧的工业和商业加热设备(例如，炉子、烤箱等)的nox是导致空气质量差和烟雾的主要原因。

烟气再循环利用是在化石燃料燃烧应用中实现低nox排放的工业可接受的方式。许多现场和实验室研究已证明使用各种化石燃料燃烧器密封的燃烧室测试装置再循环利用烟气的有益效果。然而，向任何燃烧应用添加烟气再循环利用需要增加设备复杂性、资金和/或运营费用。

使用预混燃烧器(使用燃烧空气和燃料气体混合物)来实现烟气再循环利用的一种方法是将烟气用管道输送返回燃烧空气进气口附近的点，在那里烟气可以进入燃烧空气风扇以与燃烧空气和燃料气体混合。该方法需要在燃烧器和锅炉(或其他密封的燃烧室)周围添加附加的管道和组件。

它还需要增大或扩升燃烧空气风扇的规模，以处理更多的烟气体积。较大的风扇增加了成本，并且产生每单位的热量会使用更多的电力。此外，这些风扇可能由于热的腐蚀性烟气而变脏，并且需要使用更高成本的合金材料、和/或另外的清洁和维护以保持风扇运转。

另一种适用于非预混燃烧器的方法是使用辅助风扇从排气烟囱或燃烧室吸入烟气，并将该烟气排出到燃烧器外壳中，在那里它与燃烧空气风扇提供的进入的燃烧空气混合。这种方法需要附加的烟气管道和附加的耐腐蚀、高温额定风扇来输送热烟气。

因此，需要一种降低系统复杂性的燃料燃烧装备中的废气再循环利用方法。如果该方法还降低了资金和操作成本，提供了一种经济的方法，那将是理想的。

附图说明

图1是根据本公开的一个或多个实施方案的带燃烧空气驱动喷射泵的燃烧器的成角度俯视图。

图2是根据本公开的一个或多个实施方案的带燃烧空气驱动喷射泵的燃烧器的剖面侧视图。

图3是根据本公开的一个或多个实施方案的带燃烧空气驱动喷射泵的燃烧器的成角度俯视图。

图4是根据本公开的一个或多个实施方案的带燃烧空气驱动喷射泵的燃烧器的剖面侧视图。

具体实施方式

本文描述了用于利用预混燃烧器和燃烧空气驱动喷射泵的装置、方法和系统。一种预混燃烧器组件包括喷射泵，该喷射泵包括带燃烧空气喷嘴的燃烧空气管、烟气入口和吸入室。燃烧空气喷嘴出口的直径小于燃烧空气管的直径。以这种方式，燃烧空气从较大的体积区域移动到较小的体积区域，从而加速空气流向喷射泵的出口。

燃烧空气入口连接到燃烧空气风扇。燃烧空气风扇提供足以驱动喷射泵的一定体积的燃烧空气和燃烧空气压力。这种布置提供负压，以将烟气从烟气入口拉出以与燃烧空气和燃料气体混合物混合。它允许引入烟气而不必增加管道或为烟气路径或燃烧空气路径提供附加的或升级的风扇部件，这将在下面更详细地讨论。

在一些实施方案中，喷射泵喷嘴还是锥形的，使得喷射泵排出口的直径小于吸入室的直径。这种结构也可以帮助产生负压。

在一个方面，本发明涉及一种预混燃烧器组件。在一个实施方案中，该预混燃烧器组件包括喷射泵，该喷射泵包括燃烧空气管、烟气入口和吸入室。燃烧空气管接收燃烧空气并在一端具有燃烧空气入口，并且在相对端具有燃烧空气喷嘴。燃烧空气喷嘴逐渐变细到出口，该出口的直径小于燃烧空气管的直径。燃烧空气入口接收燃烧空气，并连接到燃烧空气风扇。烟气入口连接到吸入室和烟气源。吸入室围绕燃烧空气管和燃烧空气喷嘴，并且该吸入室具有带喷射泵排出口的喷射泵喷嘴。预混燃烧器组件包括连接到燃烧空气管的燃料气体入口，以允许燃料气体与燃烧空气管中的燃烧空气混合以形成燃烧空气和燃料气体混合物。燃烧空气和燃料气体混合物离开燃烧空气喷嘴，从而在吸入室中产生负压并将烟气从烟气入口吸进吸入室。预混燃烧器组件包括：定位于喷射泵排出口下游的燃烧器外壳，以接收燃烧空气、燃料气体和烟气的混合物；以及燃烧器炉体，所述燃烧器炉体连接到燃烧器外壳的出口。

在一些实施方案中，燃烧器组件可包括在燃烧器外壳的出口处的火焰稳定器。

在一些实施方案中，燃烧器组件可包括连接到歧管的二次燃料气体入口。歧管可具有至少一个提升器，该提升器穿过燃烧器炉体中的开口延伸到二次燃料气体尖端，从而将燃料气体提供给二次火焰区域。

在一些实施方案中，燃烧空气喷嘴出口具有直径d，并且燃烧器外壳具有直径d，并且直径d与直径d的比介于0.2和0.9之间。

在一些实施方案中，从燃烧空气喷嘴出口到混合管入口的距离为0.8d至2.0d。

在一些实施方案中，燃烧器组件可包括定位在燃烧器外壳中的混合管。

在一些实施方案中，喷射泵喷嘴是锥形的，并且喷射泵喷嘴排出口的直径小于吸入室的直径。

在一些实施方案中，燃料气体入口包括围绕燃烧空气管的歧管，并且存在穿过燃烧空气管的壁的至少一个燃料气体入口，从而将歧管连接到燃烧空气管的内部。在各种实施方案中，多个燃料入口可围绕燃烧空气管的圆周布置。这可允许燃料与燃烧空气更好地混合。在燃烧空气管的边缘处尤其如此，其中靠近燃烧空气管的中心细长轴线的喷射器也可能无法混合燃料。这些入口可以大致均匀地彼此间隔地布置。这也可以允许燃料与燃烧空气更好地混合。

在一些实施方案中，将燃烧空气管、吸入室和燃烧器外壳布置成直线。

在一些实施方案中，将燃烧空气管和吸入泵布置成与燃烧器外壳成一角度。这种布置减少了燃烧器组件的占地面积，这可用于修改现有的燃烧器。

在一些实施方案中，喷射泵排出口在靠近燃烧器外壳中部的位置处连接到燃烧器外壳。混合管定位于燃烧器外壳中，并且远离燃烧器外壳的出口延伸到超出喷射泵排出口连接到燃烧器外壳的位置。混合管具有与燃烧器外壳的出口相对的开口端。

图1和图2示出了预混燃烧器组件100的一个实施方案。图1是根据本公开的一个或多个实施方案的带燃烧空气驱动喷射泵的预混燃烧器组件100的成角度俯视图。图2是图1的预混燃烧器组件的剖面侧视图。

在图1和图2的实施方案中，预混燃烧器组件100包括燃烧空气入口105。燃烧空气是从预混燃烧器组件100外部接收到燃烧空气入口105中的用于燃烧过程的空气(例如，环境空气)。燃料气体经由燃料气体入口110添加到燃烧空气中，并且将它们混合以形成燃烧空气和燃料气体混合物。烟气通过烟气入口115进入，并与燃烧空气和燃料气体混合物混合，从而在燃烧器外壳120中形成燃烧空气/燃料气体/烟气混合物。在燃烧器炉体125中将燃烧空气/燃料气体/烟气混合物点燃，并且火焰和所得烟气在燃烧器出口130处离开。如果需要，可任选地存在二次燃料气体入口135。

本公开的实施方案可以由任何合适的材料来构造。合适的材料包括但不限于轧制和成形的片材金属、管材和/或管道。

图2示出了预混燃烧器组件100的内部。预混燃烧器组件100包括燃烧空气入口105。燃烧空气入口105包括燃烧空气管140和燃烧空气喷嘴145。燃烧空气是从组件外部接收到燃烧空气管140中用于燃烧过程的空气(例如，环境空气)。将燃烧空气入口105连接到设置在燃烧空气入口105上游的燃烧空气风扇(未示出)。燃烧空气风扇提供足以驱动喷射泵的一定体积的燃烧空气和燃烧空气压力。

燃烧空气喷嘴145逐渐变细到燃烧空气喷嘴出口150，该燃烧空气喷嘴出口的直径(d)小于燃烧空气管140的直径(dc)。如本文所用，术语直径可以是具有圆形横截面的流体路径的直径，或者可以是具有非圆形横截面(例如，椭圆形、矩形)的流体路径的最大宽度的测量值。如图2所示，燃烧空气喷嘴145为截头圆锥形。

燃料气体通过燃料气体入口110添加到燃烧空气管140中，该燃料气体入口连接到燃烧空气管140。可以通过一个或多个燃料入口，诸如燃料喷射机或燃料端口(未示出)，添加燃料气体。例如，在一些实施方案中，燃料气体入口110包括径向围绕燃烧空气管140的歧管142以及一个或多个燃料入口(未示出)。燃烧空气管140的壁(和如果存在的话的歧管142的内壁)可以，例如，包括一系列径向和向内钻出的孔，其角度范围为0-90度，并且朝向燃烧空气喷嘴145的下游。以这种方式，燃料可以分散并与燃烧空气管140中的燃烧空气混合，以形成燃烧空气和燃料气体混合物。

燃烧空气和燃料气体混合物进入燃烧空气喷嘴145，加速并喷射到吸入室155中，从而当燃烧空气风扇运转时在吸入室155中产生负压条件。吸入室155连接到烟气入口115。烟气入口115还连接到烟气源，诸如炉室或其他烟气源。吸入室155中的负压将烟气从烟气源通过烟气入口吸进吸入室155。

如图所示，吸入室155和喷射泵喷嘴157具有恒定的直径。然而，在一些实施方案中，喷射泵喷嘴157可以是锥形的。

燃烧空气和燃料气体混合物以及烟气通过喷射泵排出口160离开喷射泵喷嘴157。喷射泵喷嘴排出口160连接到燃烧器外壳120，该燃烧器外壳向下游延伸到燃烧器炉体125。燃烧空气和燃料气体混合物以及烟气传递到燃烧器外壳120，在那里它们被混合以形成燃烧空气/燃料气体/烟气体混合物。燃烧器外壳120具有直径(d)。

燃烧空气/燃料气体/烟气混合物被向下游运送到燃烧器炉体125，在那里该混合物通过引燃器或其他点火方式在燃烧器炉体125中点燃。火焰和所产生的烟气在出口130处离开。

通过本领域技术人员已知的各种火焰稳定方法可以无限地稳定火焰。在一些实施方案中，在燃烧器外壳120的出口处可以存在火焰稳定器165。合适的火焰稳定器包括但不限于旋流器、阻流体和混合锥。

在具有二次燃料气体入口135(图1中所示)的实施方案中，可以存在带一个或多个提升器的歧管170，这些提升器延伸穿过燃烧器炉体125中的开口到燃烧器炉体125中的二次燃料气体尖端175，以向二次火焰区域提供燃料气体。

在一个示例性实施方案中，具有直径(d)的燃烧空气喷嘴150和具有直径(d)的喷射泵排出口160根据以下比率被设定尺寸和位置：

1)燃烧空气喷嘴直径与喷射泵排出口直径＝0.2<d/d<0.9

2)燃烧空气喷嘴出口到燃烧器外壳入口的距离＝0.8d-2.0d

如图1和图2所示，将燃烧空气管、喷射泵和燃烧器外壳布置成一条线。

图3和图4示出了一个实施方案，其中燃烧空气管和喷射泵相对于燃烧器外壳形成角度α。这种布置减少了燃烧器组件所需的空间量，使其有利于与现有的燃烧器一起使用。

预混燃烧器组件200包括燃烧空气入口205。燃烧空气入口205包括燃烧空气管240和燃烧空气喷嘴245。将燃烧空气入口205连接到设置在燃烧空气入口205上游的燃烧空气风扇(未示出)。

燃烧空气喷嘴245逐渐变细到燃烧空气喷嘴出口250，该燃烧空气喷嘴出口的直径(d)小于燃烧空气管240的直径(dc)。如上所述，直径可以是具有圆形横截面的流体路径的直径，或者它可以是具有非圆形横截面的流体路径的最大宽度的测量值。

燃料气体通过燃料气体入口210添加到燃烧空气管240中，该燃料气体入口连接到燃烧空气管240。在该实施方案中，燃料气体入口210包括径向围绕燃烧空气管240的歧管242以及一个或多个燃料入口280。燃料气体通过燃料入口280流入到燃烧空气管240，在那里它与燃烧空气混合。

燃烧空气和燃料气体混合物进入燃烧空气喷嘴245，加速并喷射到吸入室255的中心，从而当燃烧空气风扇运转时在吸入室255中产生负压。烟气入口还连接到烟气源，诸如炉腔或其他烟气源。负压经由烟气入口215将烟气从烟气源吸入到吸入室255。如图所示，喷射泵喷嘴257是锥形的，并且喷射泵排出口260的直径小于吸入室255的直径。另选地，如上所述，吸入室255和喷射泵喷嘴257可以具有恒定的直径。

燃烧空气和燃料气体混合物以及烟气通过喷射泵排出口260离开喷射泵喷嘴257。

燃烧空气管240和吸入室255与燃烧器外壳220形成角度α。角度α通常在约5°至约175°、或约30°至约150°、或约60°至约120°、或约75°至约105°的范围内。

喷射泵排出口260在靠近燃烧器外壳220中部的位置处连接到燃烧器外壳220的入口，例如，在燃烧器外壳220的长度的大约25％至75％之间。混合管285定位在燃烧器外壳220中。混合管285被燃烧器外壳220包围。混合管285远离燃烧器外壳220的出口延伸超过喷射泵排出口260连接到燃烧器外壳220的位置。当燃烧空气和燃料气体混合物以及烟气进入燃烧器外壳220时，混合管285的存在迫使这些气体围绕混合管285的端部进入混合管285的入口290。燃烧空气和燃料气体混合物以及烟气在混合管285中混合，以形成燃烧空气/燃料气体/烟气混合物。

燃烧空气/燃料气体/烟气混合物由燃烧器炉体225中的引燃器或其他点火方式点燃。火焰和所产生的烟气在出口230处离开。

在一些实施方案中，在燃烧器外壳220的出口处可以存在火焰稳定器265。在具有二次燃料气体入口235的实施方案中，可以存在带多个提升器的歧管270，这些提升器延伸穿过燃烧器炉体225中的开口到燃烧器炉体中的二次燃料气体尖端275，以将燃料气体提供给二次火焰区域。

在一个示例性实施方案中，具有直径(d)的燃烧空气喷嘴250和具有直径(d)的喷射泵排出口260根据以下比率定尺寸和位置：

1)燃烧空气喷嘴直径与喷射泵排出口直径＝0.2<d/d<0.9

2)燃烧空气喷嘴出口到燃烧器外壳入口的距离＝0.8d-2.0d

如本文所用，“一个”或“许多”某物可以指一个或多个这样的事物。例如，“许多资源”可以指代一个或多个资源。另外，本文使用的指示符“n”，特别是关于附图中的附图标记，表示如此指定的许多特定特征可以包括在本公开的许多实施方案中。

尽管本文已说明和描述了特定实施方案，但所属领域的技术人员将了解，经计算以实现相同技术的任何布置可替代所展示的特定实施方案。本公开旨在覆盖本公开的各种实施方案的任何和所有修改或变化。

应当理解，以上描述是以说明性方式进行的，而不是限制性的。在阅读以上描述后，上述实施方案的组合以及本文未具体描述的其他实施方案对于本领域技术人员而言将是显而易见的。

本公开的各种实施方案的范围包括使用上述元件和方法的任何其他应用。因此，应当参考所附权利要求以及这些权利要求所赋予的等价物的全部范围来确定本公开的各种实施方案的范围。

在上述具体实施方式中，出于简化本公开的目的，在附图中示出的示例实施方案中将各种特征组合在一起。该公开方法不应被解释为反映本公开的实施方案需要比每个权利要求中明确记载的更多特征的意图。

相反，如以下权利要求所反映的，发明主题在于少于单个公开实施方案的所有特征。因此，以下权利要求在此并入到具体实施方式中，每个权利要求自身作为单独的实施方案。