一种适用于负荷多变的无焰燃烧器及其使用方法与流程

1.本发明涉及燃烧器领域，尤其是涉及一种适用于负荷多变的无焰燃烧器及其使用方法。


背景技术：

2.目前化石燃料是工业界主要的一次能源，但化石燃料燃烧过程中会产生大量污染物，如氮氧化物(nox)、硫氧化物(sox)、颗粒物(pm2.5)等。其中nox是一种极难处理的污染物，是形成酸雨的主要来源，进入大气后会与其他污染物作用形成光化学烟雾。因此，开发低nox燃烧器一直是国内外学者重点研究方向之一。
3.无焰燃烧技术作为21世纪最具发展潜力的一种新型燃烧技术，具有反应区大、炉内温度场均匀和热效率高等优点。无焰燃烧技术因其燃烧过程没有明显的火焰锋面和局部高温区，极大地抑制了热力型nox的生成，具有较低的nox排放浓度，受到学术界和工业界广泛关注。
4.一般来说，无焰燃烧的实现需在炉膛预热至反应物自着火点以上，通过提高空气或燃气射流速度，实现炉内强烈烟气内循环并卷吸高温烟气，降低燃烧反应速率和扩大反应区。目前国内外已有部分关于无焰燃烧器的专利。
5.经过检索，中国专利cn103727535 b公开了一种斜流式的常温无焰燃烧器，该发明将助燃空气分为一次旋流空气和二次斜流空气，一次旋流空气与燃气混合建立旋流燃烧预热炉膛至燃料着火点以上，然后切换至二次斜流空气可建立稳定无焰燃烧；因为采用了旋流燃烧预热炉膛，所以不需要用于预热二次空气的蓄热体、换向阀等结构。
6.中国专利cn104235849 b公开了一种分级富氧无焰燃烧燃气燃烧器，该燃烧器设置一次风喷管和二次风喷管，一次风喷管采用旋流进口并与燃气混合建立旋流燃烧预热炉膛，二次风引入高速射流的富氧空气并卷吸烟气建立富氧无焰燃烧，该燃烧器在建立富氧无焰燃烧后，炉内温度分布均匀且nox排放极低。
7.中国专利cn 103742913 b公开了一种直喷式燃气无焰燃烧器，该发明单独设置二次空气喷嘴，且二次空气喷嘴与空气管路采用螺纹连接，有利于二次空气喷嘴的快速拆卸和更换，改变空气喷射速度以实现炉内无焰燃烧。
8.目前已有的燃烧器主要关注无焰燃烧的实现方式和降低nox排放浓度，但在工业炉窑实际运行过程中负荷多变，尤其是在低负荷运行时燃料量和空气量大幅度减小，致使燃烧器出口射流速度大幅降低无法维持无焰燃烧。虽然已有专利提出通过更换内径更小的空气喷嘴提高空气射流速度以维持无焰燃烧，但是这种方法由于需要停炉和拆卸燃烧器，操作繁琐，变负荷适应性差。


技术实现要素：

9.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供的一种适用于负荷多变的无焰燃烧器及其使用方法。
10.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
11.根据本发明的一个方面，提供了一种适用于负荷多变的无焰燃烧器，包括设置于燃烧器中心的燃气管路、一次空气管路、二次空气管路、调速块、旋流叶片和点火器；所述一次空气管路同轴套在燃气管路外，所述二次空气管路对称布置于一次空气管路周围；所述一次空气管路出口端设置旋流叶片，所述点火器紧贴所述一次空气管；
12.所述二次空气管路内同轴设置调速块，通过移动调速块的前后位置来改变二次空气管路出口截面积。
13.作为优选的技术方案，所述点火器可前后移动，在炉膛冷态点火动时，移动点火器至一次空气出口进行点火，一旦建立稳定的旋流有焰燃烧时即将点火器抽回以避免高温烧坏。
14.作为优选的技术方案，所述一次空气管路的出口内径为燃气管路出口内径的3～5倍。
15.作为优选的技术方案，所述调速块形状为两个圆锥体连接而成，所述调速块可沿轴向快速移动。
16.作为优选的技术方案，所述燃烧器还包括拉杆，所述调速块与拉杆连接用于控制调速块的前后移动。
17.作为优选的技术方案，所述拉杆上有一段螺纹状结构；所述拉杆与二次空气管道端面配合，旋转拉杆可控制调速块前后移动。
18.作为优选的技术方案，所述二次空气管路出口处采用渐缩结构。
19.根据本发明的另一个方面，提供了一种采用所述适用于负荷多变的无焰燃烧器的使用方法，具体步骤如下：
20.步骤一，打开燃气管路和一次空气管路，燃气经燃气管路喷出后，由点火器点火，建立稳定的旋流有焰燃烧预热炉膛；
21.步骤二，待炉膛内温度高于燃料自着火温度后，打开二次空气管路并关闭一次空气管路，助燃空气经二次空气管路高速进入炉膛后卷吸大量烟气，实现稳定的无焰燃烧；
22.步骤三，在高负荷运行时，调整调速块前后位置至二次空气出口截面积最大，二次空气以高速射流进入炉内建立无焰燃烧；
23.步骤四，在中负荷运行时，调整调速块前后位置至调速块前端已超出二次风空气管道出口端面，二次空气出口截面积减小，二次空气在中负荷时仍保持高速射流进入炉内；
24.步骤五，在低负荷运行时，调整调速块前后位置至大部分超出二次空气管道出口端面，二次空气仍保持高速射流进入炉膛。
25.作为优选的技术方案，所述高负荷为满负荷的70％～100％，所述中负荷为满负荷的40％～70％，所述低负荷为满负荷的10％～40％。
26.作为优选的技术方案，所述调速块的前后位置及布置应保证二次空气出口射流速度达到40～100m/s，具体调节应以能在炉内建立稳定无焰燃烧为准。
27.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
28.1)本发明结构简单，无需预热空气，同时通过独立设置一次旋流空气用以预热炉膛和二次直流空气实现无焰燃烧，操作简单且易于实现，制造成本低；
29.2)本发明在二次空气管道内设置有调速块，通过移动调速块前后位置以实现二次
空气进口速度的快速调节，实现负荷大幅度变化时也无需停炉更换喷嘴并拆卸燃烧器即可实现稳定的无焰燃烧高绝缘防护隔离；
30.3)本发明在建立无焰燃烧后可以实现nox超低排放。
附图说明
31.图1为本发明的结构示意图；
32.图2为适用于高负荷时的调速块位置示意图；
33.图3为适用于中负荷时的调速块位置示意图；
34.图4为适用于低负荷时的调速块位置示意图；
35.图5为调速块拉杆与二次空气管端面配合细节图(a
‑
a)；
36.图6为实施例中燃烧器运行效果。
37.其中1为燃气管路，2为一次空气管路，3为二次空气管路，4为拉杆，5为调速块，6为旋流叶片，7为点火器。
具体实施方式
38.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
39.本发明提供了一种适用于负荷多变的无焰燃烧器，如图1～5所示，本发明包括设置于燃烧器中心的燃气管路1，同轴套设于燃气管路外的一次空气管路2，对称布置的二次空气管路3，所述一次空气管路在靠近出口端设置有旋流叶片6，在紧贴一次空气管路外设有点火器7；所述二次空气管路内同轴设置有调速块5；
40.所述的燃烧器通过固定法兰与炉膛连接。
41.本发明中，二次空气管路3对称布置于一次空气管路2之外，二次空气分为两路或更多路进入炉膛。
42.在一个优选的实例中，调速块5外形上是两个圆锥体连接而成，用于减少空气流动阻力，调速块5与一根拉杆4连接用于控制调速块的前后移动。
43.在上述实例中，二次空气管道3出口处采用渐缩结构。
44.在上述实例中，二次空气管道3出口处渐缩结构的顶角α等于或接近于调速块的顶角β，同时调速块5的最大端面面积等于或略大于二次空气管道3渐缩结构出口端面面积。
45.在上述实施例中，二次空气管道3出口处渐缩结构的顶角α为40
°
～60
°
。
46.在一个优选的实例中，以天然气作为燃料，锅炉设计为20kw，经理论计算，中心燃气管道的内径设计尺寸为6mm，二次空气管道渐缩结构出口内径设计尺寸为16mm。
47.在上述实施例中，燃气也可以是甲烷、液化石油气等其他燃气的一种或几种，锅炉设计功率可以是其他值，相应的，燃烧器尺寸设计与之匹配。
48.本发明在使用时，首先打开中心燃气管路1和一次旋流空气管路2，燃气经燃气管路1喷出后，由点火器7点火，建立稳定的旋流有焰燃烧预热炉膛，待炉膛内温度高于燃料自燃温度后，打开二次空气管路3并关闭一次空气管路2，助燃空气经二次空气管路3高速进入
炉膛后卷吸大量烟气，实现稳定的无焰燃烧。
49.在高负荷运行时，调速块5前后位置如图2所示，此时二次空气出口截面积最大，能够保证在高负荷运行时，二次空气以高速射流进入炉内建立无焰燃烧。
50.在中负荷运行时，调速块5前后位置如图3所示，此时调速块前端已略微超出二次风空气管道出口端面，二次空气出口截面积减小，二次空气在中负荷时仍保持高速射流进入炉内。
51.在低负荷运行时，调速块5前后位置如图4所示，此时调速块很大部分超出二次空气管道出口端面，二次空气仍保持高速射流进入炉膛。
52.在上述运行过程中，高负荷一般是指满负荷的70％～100％，中负荷一般是指满负荷的40％～70％，低负荷一般是指满负荷的10％～40％，具体视燃烧过程变工况范围等实际情况而定。调速块的前后位置及布置应保证二次空气出口射流速度达到40～100m/s，具体调节应以能在炉内建立稳定无焰燃烧为准。
53.在上述实施例解释中，相对位置的前后应理解为：沿气流流动方向，下游为相对靠前位置，上游为相对靠后位置。
54.按照上述实施例加工的燃烧器已在20kw一维实验炉上成功得到应用，在实际运行功率为8kw，当量比为1.0时，通过调节调速块的前后位置，二次空气管道出口面积s从200mm2减小至13mm2，炉内燃烧状态从有焰燃烧转变成无焰燃烧，成功在中低负荷时建立起稳定无焰燃烧，如图6所示。实验过程证明，该燃烧器具有点火容易、燃烧稳定性好、nox排放量低等优点，在无焰燃烧模式下，出口烟气中nox浓度可降低至28ppm。
55.在上述实施例中，燃气在mild燃烧模式下着火延迟，反应区扩大并向下游转移，同时二次空气管道内是未经预热的冷空气，避免了二次空气管道和调速块被烧坏，延长了燃烧器寿命。
56.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。