一种结合引射的燃气与空气的掺混装置及掺混方法

本发明涉及燃烧机，尤其涉及一种针对低氮燃烧机的结合引射方式的燃气与空气的掺混方法。

背景技术：

1、大气污染问题深受国际社会关注。氮氧化物(nox)是由氮、氧元素组成的化合物的总称，是燃烧过程排放的常见空气污染物之一，包括一氧化二氮(n2o)、一氧化氮(no)、二氧化氮(no2)、三氧化二氮(n2o3)等等。氮氧化物被认为是主要的空气污染物，其进入大气环境后易引起酸雨、光化学烟雾、臭氧层破坏以及全球变暖等环境问题；同时氮氧化物具有不同程度的毒性，被人体过量吸入肺部后，可能造成肺炎和暴发性肺水肿之类的急性肺损伤等疾病。

2、燃烧过程中生成的氮氧化物主要分为热力型氮氧化物、瞬时型氮氧化物以及燃料型氮氧化物，其中热力型氮氧化物是在温度高于1500℃条件下由空气中的氮气与氧气反应生成，燃料型氮氧化物、瞬时型氮氧化物与燃料的种类密切相关。影响燃烧过程中氮氧化物生成的主要因素是燃烧的温度、空气与燃料的比例、燃料与生成物的分布、燃料的种类以及燃料与氧化剂的混合程度。

3、低氮燃烧机是利用燃料与氧化剂在燃烧前合理且快速地混合，并控制燃烧区域的最高温度，使燃烧过程中产生很低的氮氧化物排放，应用于化工、能源、食品等行业。

4、现有的燃烧机燃烧过程中排放大量氮氧化物，对大气环境与人类健康造成危害，同时，燃料与氧化剂通入燃烧室时掺混效果不佳，会导致燃烧过程出现局部高温区域，使得氮氧化物大量生成，不利于控制排放。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提供了一种结合引射的燃气与空气的掺混装置及掺混方法，掺混装置无活动部件，掺混距离短，且拥有防止回火的效果，安全性高。

2、本发明所述的一种燃料引射混合的低氮燃烧机，掺混装置内具有气流通路，按照气流通路方向依次包括燃气喷嘴和引射结构，所述引射结构用于将燃气与被引射空气进行部分预混，包括依次连通的吸入室、混合段、扩压段、出口段，所述燃气喷嘴与吸入室连通，所述出口段处设有用于产生旋流的旋流装置；所述旋流装置与引射结构直接连接，掺混距离短，旋流装置外围直接连接外流道管壳，整个掺混装置无活动配件。

3、作为优选，在所述引射结构的外周围沿所述气流通路方向设有外流道管壳，所述引射结构的管壳外壁与同轴外流道管壳内壁共同构成环形的二次空气进气流道。

4、作为优选，所述吸入室入口为径向环形入口，所述吸入室出口与混合段入口连通；所述混合段出口与扩压段入口连通；所述扩压段的扩张形状有助于混合气扩压减速，所述扩压段出口与出口段入口连通；所述出口段设有周向排布的狭缝，将所述狭缝作为出口与所述二次空气进气流道连通。所述掺混装置各段长度比例没有特别限制，燃气喷嘴管径与引射装置混合段的管径的关系对部分预混的效果有很大影响，对于不同种类的燃气需要调节其关系以达到最理想的部分预混效果。

5、作为优选，所述出口段尾部具有锥型凹腔结构。

6、作为优选，所述燃气喷嘴伸入所述引射结构前端的吸入室，所述旋流装置的旋流叶片设置在所述引射结构尾部狭缝上游，位于所述外流道管壳与引射结构的管壳之间。

7、作为优选，以甲烷为燃料时，所述引射结构平直混合段内径d与燃气喷嘴内径d的比值r处于6~12范围内，所述引射结构内完全混合后的部分预混气当量比处于2.9~7.5范围内。需要注意的是，采用不同种类的气体燃料时会得到不同的预混当量比。

8、一种结合引射的燃气与空气的掺混方法，根据上述的掺混装置，包括如下步骤：步骤1，所供新鲜燃气通过燃气喷嘴射入引射结构吸入室，形成高速射流，构成低压引吸环境，大气环境中的空气被引吸到吸入室，被引射空气与燃气射流一同进入混合段掺混形成部分预混气；步骤2，混合段中的部分预混气进入扩压段减速扩压，随后进入出口段，从径向狭缝射入二次空气流道内；步骤3，二次空气从二次空气流道入口通入，流经旋流叶片形成旋流，旋流与位于旋流叶片后开孔射出的富燃部分预混气进行掺混，通入下游用以供给燃烧室组织燃烧。

9、作为优选，所述燃气喷嘴输送的燃气为甲烷、天然气、乙烷，或经惰性气体稀释后的甲烷、乙烷；氧化剂是一次空气与二次空气。

10、一种低氮燃烧机，包括上述的掺混装置。

11、有益效果

12、(1)相比于传统的燃气与空气直接射流掺混，本发明利用了燃气射流的动量引射大气环境空气，在引射结构内进行提前部分预混，实现了燃气与被引空气在从狭缝射出前充分预混；

13、(2)本发明通过旋流叶片制造二次空气旋流与相对垂直流向的部分预混气射流掺混，在较短距离内使二次空气与部分预混气充分混合，有助于改善燃烧环境，降低燃烧过程氮氧化物排放；

14、(3)本发明的混合装置内的富燃预混气远离燃烧反应的化学当量比，以及引射结构尾部狭缝流通面积小，使得狭缝射流速度较高，都具有防止燃烧火焰蔓延至引射结构内的作用，燃烧安全性能好；

15、(4)本发明的混合装置无任何活动部件，结构简单，维修成本低，制造成本低。

技术特征：

1.一种结合引射的燃气与空气的掺混装置，其特征在于，包括掺混装置，所述掺混装置内具有气流通路，按照气流通路方向依次包括燃气喷嘴和引射结构，所述引射结构用于将燃气与被引射空气进行部分预混，包括依次连通的吸入室、混合段、扩压段、出口段，所述燃气喷嘴与吸入室连通，所述出口段处设有用于产生旋流的旋流装置；所述旋流装置与引射结构直接连接，旋流装置外围直接连接外流道管壳，整个掺混装置无活动配件。

2.根据权利要求1所述的掺混装置，其特征在于，在所述引射结构的外周围沿所述气流通路方向设有外流道管壳，所述引射结构的管壳外壁与同轴外流道管壳内壁共同构成环形的二次空气进气流道。

3.根据权利要求2所述的掺混装置，其特征在于，所述外流道管壳、引射结构和旋流装置三者具有同轴关系。

4.根据权利要求2所述的掺混装置，其特征在于，所述吸入室入口为径向环形入口，所述吸入室出口与混合段入口连通；所述混合段出口与扩压段入口连通；所述扩压段的扩张形状有助于混合气扩压减速，所述扩压段出口与出口段入口连通；所述出口段设有周向排布的狭缝，将所述狭缝作为出口与所述二次空气进气流道连通。

5.根据权利要求2所述的掺混装置，其特征在于，所述出口段尾部具有锥型凹腔结构。

6.根据权利要求2所述的掺混装置，其特征在于，所述燃气喷嘴伸入所述引射结构前端的吸入室，所述旋流装置的旋流叶片设置在所述引射结构尾部狭缝上游，位于所述外流道管壳与引射结构的管壳之间。

7.根据权利要求1-6任意一项所述的掺混装置，其特征在于，以甲烷为燃料时，所述引射结构平直混合段内径d与燃气喷嘴内径d的比值r处于6~12范围内，所述引射结构内完全混合后的部分预混气当量比处于2.9~7.5范围内。

8.一种结合引射的燃气与空气的掺混方法，其特征在于，根据权利要求1所述的掺混装置，包括如下步骤：

9.根据权利要求8所述的掺混方法，其特征在于，所述燃气喷嘴输送的燃气为甲烷、天然气、乙烷，或经惰性气体稀释后的甲烷、乙烷；氧化剂是一次空气与二次空气。

10.一种低氮燃烧机，其特征在于，包括如权利要求1所述的掺混装置。

技术总结
本发明公开了一种结合引射的燃气与空气的掺混装置及掺混方法，所述掺混装置内具有气流通路，按照气流通路方向依次包括燃气喷嘴和引射结构，所述引射结构用于将燃气与被引射空气进行部分预混，包括依次连通的吸入室、混合段、扩压段、出口段，所述燃气喷嘴与吸入室连通，所述出口段处设有用于产生旋流的旋流装置。本发明利用了燃气射流的动量引射大气环境空气，在引射结构内进行提前部分预混，实现了燃气与被引空气在被射出前的充分预混，掺混距离短，具有帮助降低工业燃烧过程中产生的氮氧化物排放的效果，顺应环境保护的发展趋势。

技术研发人员：范育新,王伟
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/9