燃气分子碰撞扩散预混低氮燃烧装置及其燃烧头的制作方法

本实用新型涉及一种燃烧装置，尤其是一种通过燃气与空气碰撞扩散以实现两者充分预混的低氮燃烧装置。

背景技术：

据中国能源报统计，截止2017年底我国在用的工业锅炉有40万台左右，小型民用锅炉数量更庞大（暂无统计数据）。随着国家对环保的严格要求，各地环保部门陆续发文要求旧锅炉都需要排放达标改造，到2021年有望利用清洁能源数达到70%以上，总量巨大。其中有一大部分锅炉改造就是更换低氮燃烧器，达到低氮排放要求，老旧锅炉直接换新，达到排放要求。

目前，公知的燃气锅炉燃烧器是相对成熟的燃烧技术，欧美低氮燃烧器品牌占据中国主流市场，2015年后也逐渐出现一些中国低氮燃烧器品牌。常用的燃烧器主要包括以下组成：送风系统（鼓风机）、燃料系统（天然气）、电控系统、点火系统以及检测系统。

通常地，稳定的超低氮燃烧头系统是各燃烧器厂家正在努力攻克的方向。现在公知的超低氮燃烧头主要为全预混表面燃烧头以及扩散式低氮燃烧头，而扩散式低氮燃烧头又主要包括两类：扩散式低氮燃烧头、前预混扩散式低氮燃烧头。经过申请人多年的研究发现，上述的各现有燃烧头分别具有如下的特点：

一.全预混表面燃烧头

全预混表面燃烧头，如图1所公开的全预混微焰式燃烧器，包括电机1′、混合器2′以及燃烧头3′，是燃气、空气各自通过管道往混合器2′（金属桶）内喷射，在混合器2′内碰撞加压预混后，由混合器2′四周很多细微小孔漫出。然后在混合器2′外层的金属毡表面形成燃烧火焰。优点是：燃气压力要求不高，能匹配多种炉膛，预混均匀，燃烧充分，nox排放≤30mg/m3。目前在小吨位锅炉上用的比较多。

缺点：

1．全预混表面燃烧头经长时间燃烧后，空气中的灰尘，燃烧积碳，包括金属毡本身的氧化物就会堵塞金属桶四周的小孔，导致混合气体出路堵塞，火焰在金属桶内爆燃，造成金属桶爆炸事故。目前的改进方式是通过增加(空气、燃气)过滤措施减少堵塞几率，但空气过滤器长时间使用也会堵塞，若不及时清理会造成通气量减少，导致供氧量不足，轻则影响氮氧化物排放，重则发生事故。

二.扩散式低氮燃烧头

2.1、纯扩散式低氮燃烧头

纯扩散式低氮燃烧头是在燃烧头前端布置多根燃气和空气管道，通过压力往炉膛内喷射，在炉膛内形成预混，也可做成分层分段燃烧。要达到低氮排放目的需要fgr（烟气回流）辅助手段，约20-25%左右的低温烟气通过烟循管道回入炉膛，达到降低nox的目的。

缺点：

1.对燃气压力要求较高，部分改造区域无法升压，改造困难。

2.锅炉改造时对炉膛尺寸要求较大，旧锅炉根本就没法加大炉膛。很多刚用了两三年的锅炉逼迫换新，增加企业负担。

3.新建锅炉要求加大炉膛，增加了锅炉制造成本。

4.做到nox≤30mg/m3以下需要fgr（烟气回流）手段辅助，fgr手段会产生酸性冷凝水进入炉膛，降低锅炉热效率，并腐蚀燃烧器和炉膛，降低锅炉使用寿命。

5.有发现部分用户关闭fgr阀门，可偷排偷放。

6.在极寒地区fgr产生的冷凝水会迅速凝结成冰块，堵塞风机入口，导致停炉现象发生。或有部分冰块被吸入风机，打坏风机叶轮，造成设备性能不稳定，增加了维修率，降低设备使用寿命。

7.空气.燃气混合不充分，不均匀，燃烧不完全，含氧量较高。有局部高温点存在，调试困难，nox排放≤30mg/m3只能局限于某几个检测点，很难做到全程nox排放稳定≤30mg/m3。

2.2、前预混扩散式低氮燃烧头

前预混扩散式低氮燃烧头是在燃烧器进气段提前做了部分预混气体，再通过扩散盘和管道相结合的方式喷射进炉膛燃烧。要达到低氮排放目的需要fgr（烟气回流）辅助手段，约15-20%左右的低温烟气通过烟循管道回入炉膛，此方式可部分降低含氧量，降低nox生成。

缺点：

1.此技术多了段部分气体提前预混装置，需要加大燃烧器本体（笨重），也提高了制造成本。

2.因有部分气体提前预混装置，在燃气压力不稳时有回火现象发生。

3.锅炉改造时对炉膛尺寸要求较大，旧锅炉根本就没法加大炉膛。很多刚用了两三年的锅炉逼迫换新，增加企业负担。

4.新建锅炉要求加大炉膛，增加了锅炉制造成本。

5.做到nox≤30mg/m3以下需要fgr（烟气回流）手段辅助，fgr手段会产生酸性冷凝水进入炉膛，降低锅炉热效率，并腐蚀燃烧器和炉膛，降低锅炉使用寿命；

6.有发现部分用户关闭fgr阀门，可偷排偷放；

7.在极寒地区fgr产生的冷凝水会迅速凝结成冰块，堵塞风机入口，导致停炉现象发生。或有部分冰块被吸入风机，打坏风机叶轮，造成设备性能不稳定，增加了维修率，降低设备使用寿命。

综合以上两种燃烧方式来看，还存在诸多缺陷，主要是以牺牲能耗来达到低氮的目的。不是真正意义上的“低氮、节能”产品。

技术实现要素：

本实用新型针对现有技术的不足，提供一种燃气分子碰撞扩散预混低氮燃烧头，其通过合理布局中心管道（输送第一种气体）、第一环层管道（输送第二种气体）、第二环层管道（输送第一种气体），使得从中心管道喷射出的第一种气体能够与从第一环层管道中喷射的第二种气体形成强烈对撞，实现两者的充分预混，得到第一种混合气，该第一种混合气能够与第二环层管道中喷射出的第一种气体形成强烈对撞，实现两者的充分预混，避免燃烧时产生局部高温点，从而有效地降低低氮氧化物的生成。

为实现上述的技术目的，本实用新型将采取如下的技术方案：

一种燃气分子碰撞扩散预混低氮燃烧头，包括燃烧头本体，所述燃烧头本体设置有一个中心管道、若干第一环层管道、若干第二环层管道、环形火焰成型区；其中：

所述的中心管道，沿着燃烧头本体的中心线设置；

若干第一环层管道中的每一个第一环层管道，均设置在中心管道外围的第一环层；若干第二环层管道中的每一个第二环层管道，均设置在中心管道外围的第二环层；

环形火焰成型区，呈环状设置在中心管道的外围；第一环层、第二环层依次设置在中心管道与环形火焰成型区之间；

每一个第一环层管道均外切于中心管道，而每一个第一环层管道均外切一个第二环层管道；且每一个第一环层管道的圆心、外切于第一环层管道的第二环层管道的圆心、中心管道的圆心共线；

所述中心管道在与各第一环层管道相切位置处的两侧，均设置有孔喷射区a；各第一环层管道则在对应位置处设置孔喷射区b；各第二环层管道在与第一环层管道相切的位置处的两侧，均设置孔喷射区c；孔喷射区a、孔喷射区b、孔喷射区c均具有若干喷射孔；

从孔喷射区a喷射出的第一种气体能够与从孔喷射区b喷射出的第二种气体对撞预混，形成能够朝向环形火焰成型区流动的一次混合气；朝向环形火焰成型区流动的一次混合气能够与从孔喷射区c喷射出的第三种气体对撞预混，形成能够继续朝向环形火焰成型区流动的二次混合气；二次混合气能够在环形火焰成型区燃烧。

进一步地，所述的环形火焰成型区，包括若干倾斜设置的火焰调节板，相邻两块火焰调节板之间存在间隙；各火焰调节板均采用板面设置通孔的透气材质制成。

进一步地，所述的火焰调节板，呈长条状设置，各火焰调节板的长端沿着燃烧头本体的长度延伸方向布置，短端则相对于燃烧头本体的长度延伸方向倾斜设置，且倾角小于90°。

进一步地，所述的火焰调节板，横截面呈圆弧形或者瓦楞形设置，通过固定杆固定安装在燃烧头本体的固定座上；且所述火焰调节板采用金属纤维烧结板或开孔金属板制成。

进一步地，所述的第一环层管道和/或第二环层管道为圆柱管或者采用弹簧型缠绕管道或者s形管或者非字型管道；当第一环层管道和/或第二环层管道为非字型管道时，非字型管道的各支管设置喷射孔。

进一步地，所述的中心管道、第一环层管道和/或第二环层管道的管道截面形状为圆形、椭圆形或者多边形。

进一步地，所述喷射孔为孔径渐变的锥形孔。

进一步地，孔喷射区a、孔喷射区b和/或孔喷射区c为喷射孔数量沿着燃烧头的长度延伸方向渐变的微孔喷射锥形区域。

进一步地，所述第一环层管道和/或第二环层管道的喷射孔的开孔角度为朝向中心管道倾斜的45度角；且喷射孔的孔径介于3mm-5mm。

本实用新型的另一个技术目的是提供一种具有上述的燃气分子碰撞扩散预混低氮燃烧头的燃烧装置，包括鼓风机、燃气管、转接头以及燃烧头本体；其特征在于，转接头包括同轴设置的第一燃气转接管、第二燃气转接管以及空气接管，且转接头的中线与鼓风机出风口的中线共线设置；

第一燃气转接管沿着转接头的中部位置设置，且第一燃气转接管的进口设置在侧壁，并与燃气管的出口连通，第一燃气转接管的出口则与燃烧头本体的中心管道对接；空气接管为一环状管道，设置在第一燃气转接管与第二燃气转接管之间，且空气接管的一端与鼓风机的出风口连通，另一端则与燃烧头本体的第一环层对接；第二燃气转接管呈环状设置，位于空气接管的外侧，且第二燃气转接管的进口设置在侧壁，并通过分管与燃气管接通，另一端则与燃烧头本体的第二环层对接。

根据上述的技术方案，相对于现有技术，本实用新型具有如下的优点：

1、本实用新型通过在中心管道的外围布置第一环层管道、第二环层管道，使得燃烧头本体在中心管道的外围沿径向能够形成多个相互独立的预混区域，则在燃烧过程中，若其中某一个预混区域因故障而不能正常工作时，不会影响其它区域的正常工作。

2、本实用新型所述的第一环层管道与中心管道，在两者相切位置处的两侧，均设置（可以对称，也可以不对称）孔喷射区，其中，中心管道上设置的为孔喷射区a，第一环层管道上设置的为孔喷射区b，则孔喷射区a所具有的各喷射孔所喷出的气体能够与孔喷射区b所具有的各喷射孔所喷出的气体强烈对撞，充分均匀预混，形成能够朝向环形火焰成型区流动的一次混合气；一次混合气再经过第二环层管道在第一环层管道与第二环层管道相切位置处两侧所设置的孔喷射区c所具有的各喷射孔所喷出的气体的强烈对撞，充分均匀预混，形成能够依然朝向环形火焰成型区流动的二次混合气。

由此可知，本实用新型所述的二次混合气在经过燃烧头本体根部所设置的点火圈的点火后，能够在紧靠着环形火焰成型区的位置处燃烧，由于本实用新型所述的燃气与空气能够充分预混，因此，燃烧时几乎无局部高温点存在，能有效显著降低氮氧化物的生成。

附图说明

图1是现有的一种全预混低氮燃烧装置的结构示意图；

图2是本实用新型所述的燃气分子碰撞扩散预混低氮燃烧装置的结构示意图；

图3是本实用新型图2中所述燃烧头的结构示意图；

图4是图3中a部分的放大示意图（该图中示意了各层级管道中流出的气流之间碰撞混合）；

图5是一种圆柱形第一环层管道或第二环层管道的结构示意图；

图6是一种s形第一环层管道或第二环层管道的结构示意图；

图7是一种非字形第一环层管道或第二环层管道的结构示意图；

图1-3中：1、鼓风机；2、燃气管；3、转接头；31-第一燃气转接管；32-第二燃气转接管；33-空气接管；4-1、燃烧头本体；4-2、中心管道；4-2-1、孔喷射区a；4-3、第一环层管道；4-3-1、孔喷射区b；4-4、第二环层管道；4-4-1、孔喷射区c；4-5、火焰调节板；4-6、固定杆；4-7、一次混合气；4-8、二次混合气；41-支管；42-主管。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本实用新型及其应用或使用的任何限制。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、表达式和数值不限制本实用新型的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)。

如图2至7所示，本实用新型所述的燃气分子碰撞扩散预混低氮燃烧头，包括燃烧头本体，所述燃烧头本体设置有一个中心管道、若干第一环层管道、若干第二环层管道、环形火焰成型区；其中：

所述的中心管道，沿着燃烧头本体的中心线设置；

若干第一环层管道中的每一个第一环层管道，均设置在中心管道外围的第一环层；若干第二环层管道中的每一个第二环层管道，均设置在中心管道外围的第二环层；

环形火焰成型区，呈环状设置在中心管道的外围；第一环层、第二环层依次设置在中心管道与环形火焰成型区之间；

每一个第一环层管道均外切于中心管道，而每一个第一环层管道均外切一个第二环层管道；且每一个第一环层管道的圆心、外切于第一环层管道的第二环层管道的圆心、中心管道的圆心共线；

所述中心管道在与各第一环层管道相切位置处的两侧，均设置有孔喷射区a；各第一环层管道则在对应位置处设置孔喷射区b；各第二环层管道在与第一环层管道相切的位置处的两侧，均设置孔喷射区c；孔喷射区a、孔喷射区b、孔喷射区c均具有若干喷射孔。

本实用新型中，所述的中心管道，为空气微孔喷射主管道（材质为不锈钢耐高温管），其中输送的为空气。孔喷射区a的喷射孔开在靠近第一环层管道的根部位置，能够对着第一环层管道的根部冲击喷射。这样可打散孔喷射区a中流出的空气流柱，迅速扩散成更分散的空气分子，利于向上多方位捕获燃气分子。不能对着中间直接吹扫，这样也可以控制混合气体流速，防止流速过快造成火焰虚飘脱火。

第一环层管道，为燃气微孔喷射管道（材质为不锈钢耐高温管）。出气孔角度为往下45度，这样燃气往下喷射，与中心管道上来的空气形成强烈对撞，燃气就会多方位扩散，分散成更小的燃气分子，便于被空气分子捕获。另燃料自身的浓度差也会产生驱动力，向四周扩散，进一步加强跟空气的预混效果，形成第一次预混。

第二环层管道，为二次风喷射管道（材质为不锈钢耐高温管），开孔角度为往下45度。这样二次空气往下喷射，与第一次预混气体形成强烈对撞，多方位扩散。这时燃气分子被空气分子基本捕获，达到完全预混效果。

由此可知，燃烧头本体在中心管道的外围沿径向能够形成多个相互独立的近似于锥形（第一环层管道的管径大于第二环层管道的管径）的预混区域，从孔喷射区a喷射出的第一种气体能够与从孔喷射区b喷射出的第二种气体对撞预混，形成能够朝向环形火焰成型区流动的一次混合气；朝向环形火焰成型区流动的一次混合气能够与从孔喷射区c喷射出的第三种气体对撞预混，形成能够继续朝向环形火焰成型区流动的二次混合气；二次混合气能够在环形火焰成型区燃烧。

孔喷射区a、孔喷射区b、孔喷射区c的喷射孔孔径介于3mm-5mm。

所述的环形火焰成型区，包括若干倾斜设置的火焰调节板，相邻两块火焰调节板之间存在间隙；各火焰调节板均采用半透气状+微孔的材质制成，比如金属纤维烧结板或开孔金属板制成。所述的火焰调节板，呈长条状设置，各火焰调节板的长端沿着燃烧头本体的长度延伸方向布置，短端则相对于燃烧头本体的长度延伸方向倾斜设置，且倾角小于90°。所述的火焰调节板，通过固定杆固定安装在燃烧头本体的固定座上。

换句话来讲，本实用新型所述的环形火焰成型区，为半开放式鱼鳞状调节板火焰燃烧区域。（材质为耐火金属纤维烧结板；耐高温金属开孔板；耐高温陶瓷纤维板；菁青石开孔板）。此装置可拦截混合气体，进一步增强预混效果，也防止了离焰脱火现象发生。通过伺服电机调整调节板角度，可调整火焰喷射角度，控制火焰高度。

火焰调节板是金属纤维板，预混气体可以在调节板上或开放口处形成自由燃烧区域。调节板采用半开放式鱼鳞状布置的方式，没有封闭区域，就不会发生爆燃事故。另调节板是半活动式，燃烧时当下方的混合气体冲击调节板时，调节板会形成轻微振动，便于抖落气体中的杂质和积碳，不易堵塞，延长设备使用寿命。

所述的第一环层管道和/或第二环层管道可以为如图5所示的圆柱管，或者为如图6所示的s形管，或者为弹簧型缠绕管道或者如图7所示的非字型管道；当第一环层管道和/或第二环层管道为非字型管道时，气体从非字型管的主管42输入，再从非字型管道的各支管41所设置的喷射孔输出。所述的中心管道、第一环层管道和/或第二环层管道的管道截面形状为圆形、椭圆形或者多边形。所述喷射孔为孔径渐变的锥形孔。孔喷射区a、孔喷射区b和/或孔喷射区c为喷射孔数量沿着燃烧头的长度延伸方向渐变的微孔喷射锥形区域。所述第一环层管道和/或第二环层管道的喷射孔的开孔角度为朝向中心管道倾斜的45度角。

另外，本实用新型所述的中心管道也可以用于输送燃气，此时，第一环层管道用于输送空气，而第二环层管道中用于输送燃气。总之，第一环层管道中输送的气体类型需要与中心管道、第二环层管道中不一致。

本实用新型的另一个技术目的是提供一种具有上述燃烧头的燃烧装置，包括鼓风机、燃气管、转接头以及燃烧头本体；转接头包括同轴设置的第一燃气转接管、第二燃气转接管以及空气接管，且转接头的中线与鼓风机出风口的中线共线设置；

第一燃气转接管沿着转接头的中部位置设置，且第一燃气转接管的进口设置在侧壁，并与燃气管的出口连通，第一燃气转接管的出口则与燃烧头本体的中心管道对接；空气接管为一环状管道，设置在第一燃气转接管与第二燃气转接管之间，且空气接管的一端与鼓风机的出风口连通，另一端则与燃烧头本体的第一环层对接；第二燃气转接管呈环状设置，位于空气接管的外侧，且第二燃气转接管的进口设置在侧壁，并通过分管与燃气管接通，另一端则与燃烧头本体的第二环层对接。

根据上述的技术方案，可知本方案具有以下优点：

1.本技术最主要的是没有了原表面燃烧装置中最大的安全隐患‘金属桶’的存在。从根本上杜绝了金属桶内爆燃事故。

2.采用分子对撞预混方式，没有了表面燃烧装置的金属桶压力漫出方式，低压燃气也可燃烧。同时解决了锅炉改造项目中然气压力不高不能改造的问题，并杜绝了回火事故。

3.环形火焰成型区用半透气状+微孔的金属纤维烧结板或开孔金属板做成火焰调节板，采用半开放鱼鳞状布置方式，有效解决了堵塞问题，杜绝了爆燃事故发生。

4.不需要高压喷射燃气，解决了扩散式燃烧器对燃气压力要求较高的问题。

5.不需要高压喷射空气，可配置功率较小的风机，降低耗电量。

6.火焰形态可调节，改造项目可匹配多种炉膛。不要求加大炉膛，不要求更换锅炉，直接更换本专利燃烧器即可达到超低排放。

7.火焰形态可调节，新建锅炉不要加大炉膛，降低锅炉制造成本。

8.不需要fgr手段辅助，没有了低温烟气回流。解决了冷凝水和低温烟气进入炉膛，降低锅炉热效率问题，达到节能的目的。

9.不需要fgr手段辅助就没有冷凝水，解决了酸性冷凝水腐蚀燃烧器和炉膛，降低锅炉使用寿命问题。

10.不需要fgr手段辅助，就没有烟循管道。解决了部分用户关闭fgr管道阀门，偷排偷放问题。

11.不需要fgr手段辅助，不产生冷凝水。解决了极寒温度冷凝水结冰堵塞问题。同时也解决了冷凝水冰块混入风机打坏叶轮的问题。降低了维修率，提高设备使用寿命。

12.采用分子式对撞方式，均匀预混。解决了扩散式燃烧方式中预混不充分，燃烧不完全，含氧量较高，有局部高温点存在的问题。

13.不需要提前预混，解决了前预混扩散燃烧方式中的回火问题。

综上所述，可知：本案所述的燃烧头从外表看跟原来的表面燃烧头区别不是很大，其实内部的预混方式和混合气体漫出方式都有着本质的区别。本案所提及的燃烧技术一举解决了目前市场上老款燃烧器的各种技术痛点。大型锅炉采用多台布置法，火力布置互不干扰，炉膛温度更均匀，提高锅炉热效率。本技术同时也解决了“降低大气污染物”；“提高燃烧效率”不能同时满足的难题。本款燃烧器算得上是真正的“低氮、节能”产品。

以6吨燃烧头为例:单根燃气喷射管道长度需100厘米计算，共需要8根。

需开孔区域每平方厘米开孔25个*100厘米*2侧开孔=单根燃气管道上就有5000个微细喷射小孔。单根5000微细小孔*8根管道=6吨燃气管道就有40000个燃气微细喷射小孔。

原表面燃烧装置中的燃气喷射管只有4根左右，本方案喷口达到40000个微细小孔。单根空气管道也采用同样的方式2倍数开孔*2个环层，这样空气管道上开孔总数量可达到160000个。

燃料与空气通过如此密集且互相均匀交叉分布的微细小孔喷射，喷射时再形成强力对撞，迅速扩散，充分预混，在火焰成型区表面均匀分布着燃烧，就不会形成局部高温点。预混充分，燃净率就较高，可有效降低含氧量，有效降低nox排放。