一种火焰可调的两级预燃室多燃料燃烧器的制作方法

本发明涉及工业燃烧设备，具体涉及一种火焰可调的两级预燃室多燃料燃烧器。

背景技术：

1、工业窑炉、锅炉加热设备的运行经济性与环保性能，在很大程度上取决于燃烧器的火焰稳定性、燃料适应能力及氮氧化物控制水平。近年来，能源价格波动促使终端用户希望同一台燃烧器能够在固体、气体、液体燃料之间灵活切换甚至混烧，环保法规则对nox排放提出了更严格的限值，同时不同加热工艺对火焰形态的需求差异很大。上述三重需求叠加，对多燃料燃烧器的结构设计提出了更高的要求。

2、在多燃料燃烧器的结构设计方面，现有方案普遍采用单级预燃室加后续燃烧室的布置形式。例如，专利文献cn106895408a公开的多燃料低nox燃烧器，由组合油枪、一次风通道、二次风通道、三次风通道、预燃室壳体及燃烧室构成，预燃室内壁沿切线方向设置四次风出风口，三次风在预燃室末端加入并紧贴燃烧室内壁包裹火焰，火焰形状由不同风道的配风量决定。又如，专利文献cn109973999a公开的油气两用低氮燃烧器，采用一次风道加二次风道配合扩口式稳焰器的单级结构，二次风入口布置在扩口稳焰器周围。再如，专利文献cn117869880a公开的预燃式旋流自稳燃燃烧装置，其预燃室由首段渐扩段、中段渐扩段和尾部渐缩段构成，同样为单级预燃室结构。上述方案的共同特点在于：燃料着火、初步燃烧与后续燃尽虽然在空间上有所区分，但切向旋流与轴向直流风的配风调控均在同一级预燃室或其紧邻出口区域内完成，两者缺乏独立的空间载体来分别承载。这导致火焰形态的调节只能依赖叶片角度或挡板开度改变各风道配风量来间接实现，调节范围有限且响应滞后；同时，切向动量与轴向动量在同一腔体内耦合掺混，此消彼长的关系无法精确解耦，火焰形态的可调区间和调节精度均受到限制。

3、在燃料适应性方面，现有方案对不同形态燃料的稳焰结构缺乏差异化设计。cn106895408a虽然实现了煤粉、燃油、燃气三种燃料在同一燃烧器内燃烧，但其一次风通道末端仅设置通用化的火焰稳定器（钝体式、多层盘式或孔板式的一种或组合），并未针对固体、气体、液体燃料截然不同的着火机理分别配置最优稳焰结构。固体燃料（如煤粉）依赖较强的中心回流区卷吸高温烟气，以加热燃料并促进挥发分析出与着火；气体燃料（如天然气）主要依靠喷嘴出口的局部流速与湍流度来维持火焰根部的稳定；液体燃料（如重油）则需在雾化油滴的蒸发与着火阶段组织高温回流区，以根部风强化油气掺混、补偿着火延迟，并避免油滴在高温缺氧下热解结焦——三者需求存在本质差异，通用化稳焰结构只能取折中，难以同时保证三种燃料均达到最佳稳燃效果。此外，现有方案中油枪的功能定位大多局限于点火工况：cn117869880a的油枪仅用于点燃浓相煤粉，点火完成后即退出运行；cn101403497b公开的微油点火旋流煤粉燃烧装置虽设有一级、二级及三级燃烧室，但其主油枪同样仅用于微油点火，未将油枪作为液体燃料主燃烧器常态化使用，限制了燃烧器在纯油工况下的独立运行能力。cn106895408a虽然公开了组合油枪既用于点火也用于以燃油作为主燃料，但该方案未针对液体燃料配置专用的燃油稳焰盘，燃油的雾化和稳燃仍依赖通用化的火焰稳定器，纯油工况下的稳燃效果仍有提升空间。

4、在低氮燃烧方面，现有方案虽然普遍引入了空气分级燃烧的理念，但分级送风的落点未能与两级预燃室的空间分隔形成有效配合。cn106895408a将助燃空气分为一次风、二次风、三次风和四次风，其中四次风沿预燃室内壁切线方向加入、三次风在预燃室末端加入，分级送风的落点仍集中在预燃室段及其紧邻出口，未能利用两级腔体的物理分隔将富燃料欠氧燃烧区与富氧燃尽区分开。cn109973999a采用一次风加二次风的分级方式，二次风直接在扩口稳焰器周围加入，同样在单级腔体内完成全部配风。cn117869880a虽然采用浓相煤粉旋流燃烧器加稀相煤粉分级燃烧筒的两级布置，但其分级针对的是煤粉浓度而非空气分级，油枪仅用于点火且预燃室为单级结构，并未在第一级燃烧区内组织严格的富燃料欠氧还原性气氛。上述方案的共同不足在于：由于直流风或二次风在预燃室段就已经介入，预燃室内的气氛并非严格的富燃料欠氧状态，燃料型nox在燃烧初期未能得到有效抑制；而后续燃尽阶段又缺乏独立的第二级腔体来提供足够的停留时间和空间，容易出现co和未燃尽碳升高的问题。如何通过两级预燃室的空间分隔与配风时序的精准配合，在第一级严格组织富燃料欠氧还原性气氛、在第二级实现富氧燃尽，是现有技术尚未很好解决的问题。

5、在多股旋流协同稳燃方面，现有方案对各股旋流的旋向关系缺乏明确的设计考量。cn106895408a设置了一次风旋流器、二次风旋流器及预燃室内壁切向四次风出风口，但未明确记载各旋流部件的旋向一致性要求；cn117869880a设置了二次风旋流叶片，但同样未涉及与其他旋流部件的旋向配合。当各股旋流旋向不一致时，相邻旋流之间会产生剪切和动量抵消，削弱中心回流区的卷吸强度，降低着火稳定性；而当煤粉供风旋流、助燃空气旋流、预燃室切向进风及燃油稳焰盘旋流各股旋流旋向一致时，则可以产生叠加增强效应，显著强化中心回流区。现有技术尚未认识到并利用这一旋向一致性规律来提升多燃料燃烧器的稳燃性能。

6、综上所述，现有多燃料旋流燃烧器在火焰形态调节、燃料适应性、低氮燃烧及旋流协同稳燃方面均存在不足。

技术实现思路

1、本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种火焰可调的两级预燃室多燃料燃烧器，通过调节切向旋流风与轴向直流风的动量比，实现火焰在粗短稳燃形与细长刚性形之间的无级切换，适配不同加热工况。同时，基于不同形态燃料的着火机理，采用差异化稳焰结构：固体燃料采用花瓣和齿形复合稳焰器，气体燃料采用专用燃气喷嘴，液体燃料配备燃油稳焰盘，解决了单一燃烧器难以兼顾火焰形态调节与多燃料适配的问题，详见下文阐述。

2、为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

3、本发明提供的一种火焰可调的两级预燃室多燃料燃烧器，包括：

4、燃烧器本体，由内至外同轴布置有中心管、至少一个燃料通道及至少一个助燃空气通道，各通道出口接入一级预燃室；

5、一级预燃室，其内壁切向布置有若干个一级预燃室旋风口，用于在沿轴向前进的燃烧气流外围形成切向旋流；

6、二级预燃室，连接于一级预燃室的后端；

7、直流风圆孔，在二级预燃室的入口端沿轴向贴壁布置，用于向二级预燃室加入轴向直流风；

8、其中，通过调节直流风通道的轴向风量风速与一级预燃室旋风口的切向风量风速的配合比例，能够使火焰在低直流风速时呈粗短形以强化稳燃、在高直流风速时转为细长有刚性的火焰。

9、在正常工作状态下，燃料与助燃空气经各通道进入一级预燃室被点燃，一级预燃室内壁切向布置的旋风口在燃烧气流外围形成切向旋流，强化中心回流区稳燃；燃烧产物随后进入二级预燃室，直流风沿二级预燃室入口端内壁轴向加入，包裹火焰并影响火焰的长短及刚性。当需要强化稳燃时，降低直流风轴向风速，切向旋流的动量矩相对轴向动量占优，火焰呈粗短形展开；当需要细长刚性火焰时，提高直流风轴向风速，轴向高动量克服切向旋流离心力，火焰转为细长而有刚性，切向旋流退化为外围掺混风幕。

10、在使用时，操作步骤如下：

11、将燃料与助燃空气分别接入对应的燃料通道和助燃空气通道，各通道出口将燃料与助燃空气送入一级预燃室；利用点火装置点燃一级预燃室内的燃料，一级预燃室内壁切向布置的旋风口在燃烧气流外围形成切向旋流，卷吸高温烟气形成中心回流区，强化着火稳定性；

12、燃烧产物从一级预燃室进入二级预燃室，直流风通过直流风通道沿二级预燃室入口端内壁轴向加入，与燃烧产物混合并继续燃烧；

13、根据工况需求调节直流风通道的轴向风量风速与一级预燃室旋风口的切向风量风速的配合比例：当需要强化稳燃时，降低直流风轴向风速至20m/s-30m/s，切向旋流主导火焰形态，火焰呈粗短形展开，轴向长度为2倍二级预燃室内径；当需要细长刚性火焰时，提高直流风轴向风速至140m/s-200m/s，轴向直流风主导火焰形态，火焰转为细长而有刚性，轴向长度可拉长4-5倍，切向旋流退化为外围掺混风幕。

14、作为优选，所述中心管内设有油枪总成，所述油枪总成既用于点火，也用于以液体燃料作为主燃料喷射燃烧。如此设置，油枪总成兼具点火与液体燃料主燃双重功能，使燃烧器在纯油工况下无需依赖其他通道即可独立运行，拓展了燃料适应性。

15、作为优选，所述至少一个燃料通道包括煤风通道和燃气通道，所述至少一个助燃空气通道包括旋流风通道；所述煤风通道用于送入固体燃料，其出口端对应配置的稳焰结构为花瓣稳焰器与齿形稳焰器的组合；所述燃气通道用于通入气体燃料，其出口端对应配置的稳焰结构为燃气喷嘴；所述油枪总成用于喷射液体燃料，其出口端对应配置的稳焰结构为燃油稳焰盘；三种燃料的稳焰结构互不相同。如此设置，针对固体、气体、液体燃料截然不同的着火与稳燃机理，分别配置最优的稳焰结构，解决了通用化稳焰结构对特定燃料稳燃效果不佳的问题。所述油枪总成可以喷射轻油、重油、渣油液体燃料的一种或多种混合物；所述煤风通道可以加入煤粉、石油焦粉、生物质粉、煤泥粉固体燃料的一种或多种燃料的任意比例混合物；所述燃气通道可以通入天然气、煤气气体燃料中的一种或多种混合物；所述固体燃料、气体燃料、液体燃料可单独燃烧或任意组合混烧，无需更换任何部件即可实现全燃料适应。

16、作为优选，所述煤风通道内设有煤风旋流叶片，所述旋流风通道内设有旋流风叶片；所述煤风旋流叶片、旋流风叶片、一级预燃室旋风口及燃油稳焰盘的旋向一致，使各股旋流在一级预燃室内叠加增强。如此设置，各股旋流方向一致，在一级预燃室内相互叠加增强而非相互抵消，中心回流区卷吸效果更强，着火稳定性大幅提升。

17、作为优选，所述一级预燃室由一级预燃室外筒围成，所述二级预燃室由二级预燃室外筒围成，所述一级预燃室外筒与二级预燃室外筒之间具有半径差，该半径差的数值为二级预燃室内径的0.15-0.20倍。如此设置，两级预燃室之间的半径差与一级预燃室切向旋流相配合，使中心回流区在低直流风速下独立分布、在高直流风速下贯通发展，进一步优化火焰形态调节效果。

18、作为优选，所述直流风通道圆孔为长径比大于3的圆管，所述二级预燃室入口端的筒壁内贴壁开设有直流风圆孔，沿轴向加入的直流风可包裹火焰并影响火焰的长短及刚性；还包括直流风调节环，所述直流风调节环可通过轴向移动来改变直流风圆孔的内直径，从而调节直流风的风速。如此设置，直流风通道采用大长径比圆管保证出流的轴向性和均匀性，直流风调节环通过轴向移动改变出口截面积，实现直流风风速的连续可调，操作简便可靠。

19、作为优选，当直流风轴向风速由20m/s-30m/s切换至140m/s-200m/s时，所述一级预燃室内由切向进风产生的旋转射流，其径向扩展范围由接近二级预燃室内径收缩至其内径的50%-60%；与之对应，燃烧器出口的火焰轴向长度可拉长4-5倍。如此设置，通过明确的风速参数与火焰形态的对应关系，为实际运行中的火焰调节提供量化依据。

20、作为优选，所述煤风通道的出口端设有花瓣稳焰器，该结构可以使一级预燃室内的中心回流区轴向长度缩短至一级预燃室内径的0.3-0.6倍，从而使得一级预燃室的轴向长度可取为一级预燃室内径的0.4-0.6倍。如此设置，花瓣稳焰器有效缩短中心回流区轴向长度，使一级预燃室结构更加紧凑，节约布置空间。当燃用无烟煤或贫煤时，所述花瓣稳焰器的扩锥半角为40°-55°；当燃用烟煤时，所述花瓣稳焰器的扩锥半角为10°-25°；所述扩锥半角定义为扩锥母线与扩锥轴线之间的夹角。如此设置，针对不同煤种的着火特性调整扩锥半角，难燃煤种采用大扩锥半角强化回流稳燃，易燃煤种采用小扩锥半角避免火焰过于发散，保证各煤种下均有良好的稳燃效果。

21、作为优选，所述直流风通道在一级预燃室处无供风开口、仅在二级预燃室处轴向介入，使一级预燃室内形成富燃料欠氧的还原性气氛；进入一级预燃室的助燃空气总量与燃料燃烧所需空气量的比值≤0.75；燃料在一级预燃室内进行第一次富燃料燃烧，未燃尽燃料在二级预燃室处与轴向介入的直流风混合进行第二次富氧燃烧直至燃尽。如此设置，通过空气分级燃烧，燃料在一级预燃室富燃料欠氧的还原性气氛下热解释放挥发分并部分燃烧，含氮化合物在还原性气氛下被还原，有效抑制燃料型nox的生成；剩余未燃尽燃料在二级预燃室与直流风混合燃尽，最大限度地避免热力型nox的生成，低氮燃烧效果显著。进一步地，进入一级预燃室的助燃空气总量与煤粉燃烧所需空气量的比值为0.4-0.75；二级预燃室入口处轴向介入的直流风提供的空气使总体空气过剩系数达到1.2-1.35，所述二级预燃室的轴向长度为二级预燃室内径的0.5-0.6倍。如此设置，在保证低氮效果的同时确保燃料完全燃烧，二级预燃室采用紧凑的长径比设计，进一步节约整体布置空间。

22、有益效果在于：

23、1、本发明通过一级预燃室内壁切向布置旋风口形成切向旋流，配合二级预燃室入口端轴向贴壁加入的直流风，通过调节两者的风量风速配合比例，实现火焰由粗短稳燃形向细长刚性形的无级切换，改变了传统产品依赖叶片角度或挡板机械调节火焰的方式，调节范围更广、响应更迅速，可适应不同加热工况对火焰形态的需求。

24、2、本发明针对固体、气体、液体燃料分别配置差异化的稳焰结构：固体燃料采用花瓣稳焰器与齿形稳焰器组合，气体燃料采用燃气喷嘴，液体燃料采用燃油稳焰盘，三种稳焰结构互不相同，适应了不同形态燃料截然不同的着火与稳燃机理，解决通用化稳焰结构对特定燃料稳燃效果不佳的问题，全燃料适应性强。

25、3、本发明的煤风旋流叶片、旋流风叶片、一级预燃室旋风口及燃油稳焰盘旋向一致，使各股旋流在一级预燃室内叠加增强，中心回流区卷吸效果更强，着火稳定性大幅提升，避免各股旋流方向不一致时相互削弱的问题。

26、4、本发明采用两级预燃室结构，一级预燃室外筒与二级预燃室外筒之间具有半径差，该半径差与一级预燃室切向旋流相配合，使中心回流区在低直流风速下独立分布、在高直流风速下贯通发展，优化了火焰形态调节效果，同时两级预燃室结构使燃烧组织更加合理。

27、5、本发明的直流风通道在一级预燃室处无供风开口、仅在二级预燃室处轴向介入，使一级预燃室内形成富燃料欠氧的还原性气氛，燃料在还原性气氛下热解并部分燃烧，含氮化合物被还原，抑制燃料型nox生成；未燃尽燃料在二级预燃室与直流风混合燃尽，避免热力型nox生成，低氮燃烧效果更好。

28、6、本发明的油枪总成既用于点火也用于以液体燃料作为主燃料喷射燃烧，在不燃用液体燃料时还可作为中心风通道，一物多用，拓展燃料适应性，提高了通道利用率，纯油工况下可独立运行无需依赖其他通道。