CN113669726B - 一种氢燃料燃烧装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氢燃料燃烧装置，中心燃料筒、中心风筒、旋流风筒和直流风筒由内到外依次同轴设置，若干个回喷预混喷枪设置于旋流风筒与直流风筒与之间，若干个回喷预混喷枪沿旋流风筒的周向均匀设置；若干个主燃料喷枪均匀设置于直流风筒的外周；主燃料喷枪的喷嘴外周同轴套设有第一喇叭烟气卷席装置，第一喇叭烟气卷席装置为筒状，第一喇叭烟气卷席装置的两端均设为喇叭口，第一喇叭烟气卷席装置两端喇叭口之间的部位为第一喇叭烟气卷席装置的喉部，主燃料喷枪的喷嘴位于第一喇叭烟气卷席装置的喉部。本发明能够从燃烧侧利用燃烧产生的烟气降低助燃风里面的氧含量，从而降低烟气温度控制热力型NOx生成。

Description

一种氢燃料燃烧装置

技术领域

本发明属于氢燃料超低氮清洁燃烧技术领域，涉及一种氢燃料燃烧装置。

背景技术

目前氢燃料是公认的清洁低碳燃料，氢燃料燃烧可以获取能量，降低碳排放，但是存在着诸多缺陷，如能量品位低及由于较高的燃烧温度所产生的氮氧化物NOx污染，传统的燃烧装置燃用氢气就具有很高的NOx排放.目前有一些可应用的方法来降低氢燃料燃烧的NOx的排放，如浓淡燃烧技术、富氧燃烧。浓淡燃烧影响氢的NOx排放的主要因素：淡氢气侧空气的过量系数；整体空气当量比和供应热量的大小，其控制过程相对复杂。氢与纯氧的燃烧技术，氢燃烧生成的污染物主要就是NOx，如果能够在氢燃烧的过程中降低氮的浓度，这对于控制NOx的排放无疑是十分有效的。降低氮浓度的方法在空气燃烧时是不可能的，但是在使用富氧空气或纯氧作为氧化剂燃烧时可以形成低氮燃烧。纯氧燃烧不仅在理论上可以使得热力型NOx的生成降为零，而且，由于燃烧气体中不含有与热辐射有关的氮气，因而具有能强化火焰的辐射传热以及提高传热效率的优点，彻底消除NOx的生成，从而实现氢燃烧的零排放。不过该技术在实际应用还存在一些问题，如制纯氧的高能耗，燃烧器对高温火焰的耐受性以及当燃烧器里混入被视为杂质的微量氮气或空气就会产生高浓度的NOx等急待解决的问题。

综上，现有技术在利用氢燃料存在技术复杂以及能耗大这些问题，因此亟需提供新的技术方案来实现氢燃料燃烧过程中NOx的排放。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种氢燃料燃烧装置，该装置能够从燃烧侧利用燃烧产生的烟气降低助燃风里面的氧含量，从而降低烟气温度控制热力型NOx生成，具有结构简单成本较低的特点。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种氢燃料燃烧装置，包括中心燃料筒、中心风筒、旋流风筒、若干个回喷预混喷枪、直流风筒和若干个主燃料喷枪，所述中心燃料筒、中心风筒、旋流风筒和直流风筒由内到外依次同轴设置，所述若干个回喷预混喷枪设置于所述旋流风筒与所述直流风筒与之间，所述若干个回喷预混喷枪沿所述旋流风筒的周向均匀设置；所述若干个主燃料喷枪均匀设置于所述直流风筒的外周；

所述主燃料喷枪的喷嘴外周同轴套设有第一喇叭烟气卷席装置，所述第一喇叭烟气卷席装置为筒状，所述第一喇叭烟气卷席装置的两端均设为喇叭口，所述第一喇叭烟气卷席装置两端喇叭口之间的部位为第一喇叭烟气卷席装置的喉部，所述主燃料喷枪的喷嘴位于所述第一喇叭烟气卷席装置的喉部。

优选的，所述第一喇叭烟气卷席装置上位于所述主燃料喷枪喷嘴喷射方向一侧的喇叭口口部的切线与所述第一喇叭烟气卷席装置的轴线夹角为45°～70°；

所述第一喇叭烟气卷席装置另一喇叭口口部的切线与所述第一喇叭烟气卷席装置的轴线垂直。

优选的，所有回喷预混喷枪的外围套设有第二喇叭烟气卷席装置，所述第二喇叭烟气卷席装置位于所述直流风筒的出口侧；

所述第二喇叭烟气卷席装置的两端均设为喇叭口，所述第二喇叭烟气卷席装置两端喇叭口之间的部位为第二喇叭烟气卷席装置的喉部，所述中心燃料筒的出口、中心风筒的出口、旋流风筒的出口和回喷预混喷枪的出口均位于所述第二喇叭烟气卷席装置的喉部。

优选的，所述直流风筒的出口设置有一段向直流风筒轴线一侧收缩的直流风筒渐缩口，所述第二喇叭烟气卷席装置上靠近所述直流风筒渐缩口的喇叭口与直流风筒渐缩口外壁之间形成文丘里结构烟气卷席口。

优选的，所述第二喇叭烟气卷席装置喉部的内径小于所述直流风筒的直径且大于所述直流风筒渐缩口端部的直径，所述第二喇叭烟气卷席装置上靠近所述直流风筒渐缩口的喇叭口口部直径大于所述直流风筒的直径，所述直流风筒渐缩口口部的直径大于所有回喷预混喷枪所在外包络面的直径，所有回喷预混喷枪所在外包络面为与所有回喷预混喷枪外表面相外切的虚拟的圆柱面，外包络面的轴线与所有回喷预混喷枪的轴线平行。

优选的，所述第二喇叭烟气卷席装置上靠近所述直流风筒出口的喇叭口口部的切线与所述第二喇叭烟气卷席装置的轴线垂直；

所述第二喇叭烟气卷席装置另一喇叭口口部的切线与第二喇叭烟气卷席装置轴线的夹角为25°～35°。

优选的，所述直流风筒渐缩口采用圆台形，所述直流风筒渐缩口侧壁与所述直流风筒筒壁之间的夹角为100°～150°。

优选的，所述回喷预混喷枪的出口端向中心燃料筒弯折形成有弯折部，所述弯折部的端部延伸至所述旋流风筒的出口，所述弯折部朝向所述直流风筒以及所述旋流风筒的来风方向均开设有燃料喷口。

优选的，所述中心燃料筒的出口端设置有中心盾体，所述中心燃料筒出口端的燃气喷射角度与所述中心燃料筒轴线的夹角为20°～80°。

优选的，所述主燃料喷枪喷嘴的端部设为圆台形，喷嘴端部的侧面与主燃料喷枪的轴线的夹角为30°～60°。

本发明具有如下有益效果：

本发明氢燃料燃烧装置中，通过在主燃料喷枪的喷嘴外周同轴套设第一喇叭烟气卷席装置，利用第一喇叭烟气卷席装置能够将燃烧产生的烟气卷席入第一喇叭烟气卷席装置的喉部，利用烟气稀释了主燃料喷枪的喷嘴处助燃空气中的氧含量，从而抑制了主燃料喷枪的喷嘴处的燃烧温度，进而控制了热力型NOx生成，实现依靠自身结构特点达到氢燃料环保燃烧的效果。具体的，第一喇叭烟气卷席装置为筒状且两端均设为喇叭口，第一喇叭烟气卷席装置两端喇叭口之间的部位为第一喇叭烟气卷席装置的喉部，主燃料喷枪的喷嘴位于第一喇叭烟气卷席装置的喉部，因此燃料从主燃料喷枪的喷嘴处喷射燃烧时使得第一喇叭烟气卷席装置的喉部气流速度较大、压力较低，因此能够将第一喇叭烟气卷席装置位于主燃料喷枪喷嘴喷射方向后侧的喇叭口处的烟气吸入，烟气进入第一喇叭烟气卷席装置的喉部后能够将主燃料喷枪的喷嘴处助燃空气混合，从而降低了主燃料喷枪的喷嘴处的氧含量。综上可以看出，本发明的氢燃料燃烧装置依靠自身结构特点达到了降低氢燃料燃烧时NOx生成，相对于浓淡燃烧技术，本发明氢燃料燃烧装置结构相对简单、无需复杂控制，现对于富氧燃烧而言，无需耗费较多能量来制备所需的纯氧，而且本发明氢燃料燃烧装置在氢燃料燃烧时的温度较低，因此对氢燃料燃烧装置材料的耐高温性要求较低、因此成本也较低。

附图说明

图1为本发明氢燃料燃烧装置的第一轴测示意图；

图2为本发明氢燃料燃烧装置的第二轴测示意图；

图3为本发明氢燃料燃烧装置沿轴线的剖示意图；

其中，1为中心燃料筒、1-1为中心盾体、2为中心风筒、3为旋流风筒、4为回喷预混喷枪、4-1为弯折部、5为直流风筒、5-1-直流风筒渐缩口、6为主燃料喷枪、6-1-主燃料喷枪喷嘴、7为中心燃料进口、8为次层燃料进口、9为主燃料进口、10为主燃料喷枪燃料管、11为第一喇叭烟气卷席装置、12为文丘里结构烟气卷席口、13为缩放扩口、14为第二燃料母管、15为第一燃料母管，16为第二喇叭烟气卷席装置。

具体实施方式

下面结合附图来对本发明做进一步的说明。

实施例1

如图1-图3所示，本实施例氢燃料燃烧装置包括中心燃料筒1、中心风筒2、旋流风筒3、若干个回喷预混喷枪4、直流风筒5和若干个主燃料喷枪6，中心燃料筒1、中心风筒2、旋流风筒3和直流风筒5由内到外依次同轴设置，若干个回喷预混喷枪4设置于旋流风筒3与直流风筒5与之间，若干个回喷预混喷枪4沿旋流风筒3的周向均匀设置；若干个主燃料喷枪6均匀设置于直流风筒5的外周；上述结构中，中心燃料筒1、中心风筒2、旋流风筒3和直流风筒5由内到外依次同轴设置的形式，形成了多级助燃的形式，因此能够形成中心区域欠氧燃烧、外圈富氧燃烧的模式，能够尽可能将燃料扩散到外圈进行燃烧，降低中心区域燃料的聚集程度及燃烧初期的剧烈程度，从而降低了燃烧温度，抑制热力型NOx生成；同时设置中心风筒2和旋流风筒3能够保证了中心区域火焰稳定性；

主燃料喷枪6的喷嘴外周同轴套设有第一喇叭烟气卷席装置11，第一喇叭烟气卷席装置11为筒状，第一喇叭烟气卷席装置11的两端均设为喇叭口，第一喇叭烟气卷席装置11两端喇叭口之间的部位为第一喇叭烟气卷席装置11的喉部，主燃料喷枪6的喷嘴位于第一喇叭烟气卷席装置11的喉部。如图3所示，主燃料喷枪6的喷嘴在第一喇叭烟气卷席装置11的喉部进行喷射燃烧时，第一喇叭烟气卷席装置11喉部的气流速度较快、压力较小，因此能够将烟气以及助燃空气经第一喇叭烟气卷席装置11右侧的喇叭口吸入第一喇叭烟气卷席装置11的喉部，烟气的吸入能够将助燃风进行稀释，降低了主燃料喷枪6的喷嘴处氢燃料燃烧时的氧浓度，从而抑制了主燃料喷枪的喷嘴处的燃烧温度，进而控制了热力型NOx生成。

实施例2

本实施例是在实施例1的基础上进行的进一步优化，具体如图3所示：第一喇叭烟气卷席装置11上位于主燃料喷枪6喷嘴喷射方向一侧的喇叭口口部的切线与第一喇叭烟气卷席装置11的轴线夹角β₁为45°～70°，在该角度下，能够使第一喇叭烟气卷席装置11左侧(如图3所示)的喇叭口流出的气流速度比较高，进而使得第一喇叭烟气卷席装置11喉部的压力更低，有利于将烟气卷席入第一喇叭烟气卷席装置11的喉部，降低主燃料喷枪6的喷嘴处燃烧时的氧含量；

第一喇叭烟气卷席装置11右端(如图3所示)的喇叭口口部的切线与第一喇叭烟气卷席装置11的轴线垂直，即第一喇叭烟气卷席装置11另一喇叭口口部的切线与第一喇叭烟气卷席装置11的轴线的夹角β₁为90°，这样的结构设计能够尽可能的挡住更多的烟气，并使得挡住的烟气卷席入第一喇叭烟气卷席装置11的喉部，有助于进一步降低主燃料喷枪6的喷嘴处燃烧时的氧含量。

实施例3

如图1-图3所示，本实施例是在实施例1或者实施例2的基础上的改进，在所有回喷预混喷枪4的外围套设第二喇叭烟气卷席装置16，第二喇叭烟气卷席装置16位于直流风筒5的出口侧(即如图3所示的左侧)；第二喇叭烟气卷席装置16的两端(即如图3所示的左右两端)均设为喇叭口，第二喇叭烟气卷席装置16两端喇叭口之间的部位为第二喇叭烟气卷席装置16的喉部，中心燃料筒1的出口、中心风筒2的出口、旋流风筒3的出口和回喷预混喷枪4的出口均位于第二喇叭烟气卷席装置16的喉部；第二喇叭烟气卷席装置16的作用与第一喇叭烟气卷席装置11的作用类似，是为了将烟气卷席入燃烧部位，以降低中心燃料筒1出口处燃烧时的氧含量，进而降低了燃烧温度，抑制热力型NOx生成。

实施例4

本实施例是在实施例3的基础上的进一步优化，具体如下：

如图2和图3所示，直流风筒5的出口设置有一段向直流风筒5轴线一侧收缩的直流风筒渐缩口5-1，第二喇叭烟气卷席装置16上靠近直流风筒渐缩口5-1的喇叭口与直流风筒渐缩口5-1外壁之间形成文丘里结构烟气卷席口12，通过形成的文丘里结构烟气卷席口12能够有效提升、保证第二喇叭烟气卷席装置16卷席烟气的能力。

实施例5

本实施例是在实施例4的基础上的进一步优化，具体如下：

第二喇叭烟气卷席装置16喉部的内径小于直流风筒5的直径且大于直流风筒渐缩口5-1端部的直径，第二喇叭烟气卷席装置16上靠近直流风筒渐缩口5-1的喇叭口口部直径大于直流风筒5的直径，直流风筒渐缩口5-1口部的直径大于所有回喷预混喷枪4所在外包络面的直径，在上述尺寸关系下，能够保证第二喇叭烟气卷席装置16能够有效将烟气以及助燃空气卷席至第二喇叭烟气卷席装置16的喉部，更好地保证主燃料喷枪6的正常燃烧。

实施例6

本实施例是在实施例3-实施例5的基础上的进一步优化，具体如下：

第二喇叭烟气卷席装置16上靠近直流风筒5出口(如图3中直流风筒5的左端口)的喇叭口口部的切线与第二喇叭烟气卷席装置16的轴线垂直，即如图3所示的角α₃＝90°，该结构设计能够尽可能的挡住更多的烟气，并使得挡住的烟气卷席入第二喇叭烟气卷席装置16的喉部，有助于进一步降低中心燃料筒1出口处燃烧时的氧含量，进而降低了燃烧温度，抑制热力型NOx生成；

第二喇叭烟气卷席装置16另一喇叭口口部的切线与第二喇叭烟气卷席装置16轴线的夹角为25-35°，在该角度下，能够使第二喇叭烟气卷席装置16左侧(如图3所示)的喇叭口流出的气流速度比较高，进而使得第二喇叭烟气卷席装置16喉部的压力更低，有利于将烟气卷席入第二喇叭烟气卷席装置16的喉部，降低中心燃料筒1的喷嘴处燃烧时的氧含量。

实施例7

本实施例是在实施例4-实施例6的基础上的进一步优化，具体如下：

如图3所示，直流风筒渐缩口5-1采用圆台形，直流风筒渐缩口5-1侧壁与直流风筒5筒壁之间的夹角α₁为100°～150°，在该角度下，既保证了直流风筒5中直流风流动时避免形成涡流、保证直流风平顺流动，同时能够使文丘里结构烟气卷席口12处的气流较为平稳，保证整个氢燃料燃烧装置燃烧时火焰的稳定性。

实施例8

本实施例是在前述所有实施例基础上的进一步优化，具体如下：

如图1-图3所示，回喷预混喷枪4的出口端(图3所示的左端)向中心燃料筒1弯折形成有弯折部4-1，整个回喷预混喷枪4呈L形，弯折部4-1的端部延伸至旋流风筒3的出口，弯折部4-1朝向直流风筒5以及旋流风筒3的来风方向均开设有燃料喷口，该燃料喷口的喷射方向与助燃空气的流动方向相反，这样能够提高预混效果。在具体实施时，弯折部4-1一半处于旋流风筒3的出口，弯折部4-1的另一半处于直流风筒5的直流风区域，这样设置即可满足要求。

实施例9

本实施例是在前述所有实施例基础上的进一步优化，具体如下：

如图1-图3所示，中心燃料筒1的出口端设置有中心盾体1-1，中心燃料筒1出口端的燃气喷射角度与中心燃料筒1轴线的夹角A为20°～80°。这种结构涉及能够使中心燃料筒1喷射出的燃料充分扩散到旋流风中，在旋流区域形成面式根部火焰，为主燃气充分扩散的火焰提供稳定支撑。

实施例10

本实施例是在前述所有实施例基础上的进一步优化，具体如下：

为了适应不同的供气压力以及保证第一喇叭烟气卷席装置11卷席烟气的能力，主燃料喷枪6喷嘴的端部设为圆台形，喷嘴端部的侧面与主燃料喷枪6的轴线的夹角β₃为30°～60°，这样能够保证第一喇叭烟气卷席装置11喉部气流的流速，进而保证了卷席能力。

如图1-图3所示，具体以图3所示的方位为例，在本发明的上述所有实施例中，作为进一步的优选方案，所有的主燃料喷枪燃料管10的右端连接于同一个第一燃料母管15，主燃料喷枪燃料管10的左端安装主燃料喷枪6的喷嘴，第一燃料母管15为环形结构，第一燃料母管15的内部中空，第一燃料母管15上连接有主燃料进口9，主燃料进口9与第一燃料母管15的内腔连通，第一燃料母管15主要起为各个主燃料喷枪6输送氢燃料，以及尽可能均匀地给各主燃料喷枪6分配氢燃料。

所有的回喷预混喷枪4的右端连接于同一个第二燃料母管14，第二燃料母管14为环形结构，第二燃料母管14的内部中空，第二燃料母管14上连接有次层燃料进口8，次层燃料进口8与第二燃料母管14的内腔连通，第二燃料母管14主要起为各个回喷预混喷枪4输送氢燃料、以及尽可能均匀地给各回喷预混喷枪4分配氢燃料的作用。

中心燃料筒1的有段连接有中心燃料进口7，中心燃料进口7为中心燃料筒1提供氢燃料。

上述方案中，第一燃料母管15和第二燃料母管14的中心轴与中心燃料筒1的轴线同轴，主燃料进口9、次层燃料进口8和中心燃料进口7均沿中心燃料筒1的径向设置，这样能够降低风阻。

以上对本发明进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种氢燃料燃烧装置，其特征在于，包括中心燃料筒（1）、中心风筒（2）、旋流风筒（3）、若干个回喷预混喷枪（4）、直流风筒（5）和若干个主燃料喷枪（6），所述中心燃料筒（1）、中心风筒（2）、旋流风筒（3）和直流风筒（5）由内到外依次同轴设置，所述若干个回喷预混喷枪（4）设置于所述旋流风筒（3）与所述直流风筒（5）与之间，所述若干个回喷预混喷枪（4）沿所述旋流风筒（3）的周向均匀设置；所述若干个主燃料喷枪（6）均匀设置于所述直流风筒（5）的外周；

所述主燃料喷枪（6）的喷嘴外周同轴套设有第一喇叭烟气卷席装置（11），所述第一喇叭烟气卷席装置（11）为筒状，所述第一喇叭烟气卷席装置（11）的两端均设为喇叭口，所述第一喇叭烟气卷席装置（11）两端喇叭口之间的部位为第一喇叭烟气卷席装置（11）的喉部，所述主燃料喷枪（6）的喷嘴位于所述第一喇叭烟气卷席装置（11）的喉部；

所述第一喇叭烟气卷席装置（11）上位于所述主燃料喷枪（6）喷嘴喷射方向一侧的喇叭口口部的切线与所述第一喇叭烟气卷席装置（11）的轴线夹角为45°~70°；

所述第一喇叭烟气卷席装置（11）另一喇叭口口部的切线与所述第一喇叭烟气卷席装置（11）的轴线垂直；

所有回喷预混喷枪（4）的外围套设有第二喇叭烟气卷席装置（16），所述第二喇叭烟气卷席装置（16）位于所述直流风筒（5）的出口侧；

所述第二喇叭烟气卷席装置（16）的两端均设为喇叭口，所述第二喇叭烟气卷席装置（16）两端喇叭口之间的部位为第二喇叭烟气卷席装置（16）的喉部，所述中心燃料筒（1）的出口、中心风筒（2）的出口、旋流风筒（3）的出口和回喷预混喷枪（4）的出口均位于所述第二喇叭烟气卷席装置（16）的喉部。

2.根据权利要求1所述的一种氢燃料燃烧装置，其特征在于，所述直流风筒（5）的出口设置有一段向直流风筒（5）轴线一侧收缩的直流风筒渐缩口（5-1），所述第二喇叭烟气卷席装置（16）上靠近所述直流风筒渐缩口（5-1）的喇叭口与直流风筒渐缩口（5-1）外壁之间形成文丘里结构烟气卷席口（12）。

3.根据权利要求2所述的一种氢燃料燃烧装置，其特征在于，所述第二喇叭烟气卷席装置（16）喉部的内径小于所述直流风筒（5）的直径且大于所述直流风筒渐缩口（5-1）端部的直径，所述第二喇叭烟气卷席装置（16）上靠近所述直流风筒渐缩口（5-1）的喇叭口口部直径大于所述直流风筒（5）的直径，所述直流风筒渐缩口（5-1）口部的直径大于所有回喷预混喷枪（4）所在外包络面的直径。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的一种氢燃料燃烧装置，其特征在于，所述第二喇叭烟气卷席装置（16）上靠近所述直流风筒（5）出口的喇叭口口部的切线与所述第二喇叭烟气卷席装置（16）的轴线垂直；

所述第二喇叭烟气卷席装置（16）另一喇叭口口部的切线与第二喇叭烟气卷席装置（16）轴线的夹角为25°～35°。

5.根据权利要求2或3所述的一种氢燃料燃烧装置，其特征在于，所述直流风筒渐缩口（5-1）采用圆台形，所述直流风筒渐缩口（5-1）侧壁与所述直流风筒（5）筒壁之间的夹角为100°~150°。

6.根据权利要求1所述的一种氢燃料燃烧装置，其特征在于，所述回喷预混喷枪（4）的出口端向中心燃料筒（1）弯折形成有弯折部（4-1），所述弯折部（4-1）的端部延伸至所述旋流风筒（3）的出口，所述弯折部（4-1）朝向所述直流风筒（5）以及所述旋流风筒（3）的来风方向均开设有燃料喷口。

7.根据权利要求1所述的一种氢燃料燃烧装置，其特征在于，所述中心燃料筒（1）的出口端设置有中心盾体（1-1），所述中心燃料筒（1）出口端的燃气喷射角度与所述中心燃料筒（1）轴线的夹角为20°~80°。

8.根据权利要求1所述的一种氢燃料燃烧装置，其特征在于，所述主燃料喷枪（6）喷嘴的端部设为圆台形，喷嘴端部的侧面与主燃料喷枪（6）的轴线的夹角为30°~60°。

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