涡旋再循环燃烧燃烧器头的制作方法

本公开总体上涉及一种燃烧燃烧器头(combustionburnerhead)，更具体地，涉及一种产生低浓度的一氧化碳和氮氧化物排放的涡旋再循环燃烧燃烧器头。
背景技术：
：与燃烧化石燃料相关的常见问题是一氧化碳和氮氧化物(nox)的产生和排放。在燃气和燃油锅炉中，燃料和空气在燃烧器中混合，并且设置有点火装置以点燃燃烧室内的混合物。热量在燃烧室内产生并通过热交换器传递。烟气从热交换器的烟道中释放出来，并且可以再循环到燃烧过程中，以减少氮氧化物的排放。这种过程称为烟气再循环(fgr)。烟气再循环(fgr)降低了火焰的温度，因此减少了热nox排放量。烟气再循环(fgr)在最小化一氧化碳(co)水平方面也发挥着作用。其他过程比如氧化剂和燃料的贫燃料预混合、空气分级和燃料分级也用于减少氮氧化物的排放。燃料分级涉及燃烧少量的主燃料流作为副燃料流的点火源。燃料分级降低了主室中的温度，从而减少热氮氧化物的排放量。当前的法规要求单位nox含量例如低于百万分之九(ppm)和低于百万分之五(ppm)。不幸的是，随着nox含量降低，火焰稳定性也降低。在解决火焰稳定性时，火焰的位置和附接很重要。例如，希望将火焰放置得尽可能靠近燃烧器，以使有效锅炉面积最大化。另外，希望火焰在调制时尽可能少地移动以实现最佳性能。尽管其他人试图减少燃烧燃烧器中有害的co和nox排放量，但仍需要改进以进一步减少产生和排放的一氧化碳和氮氧化物的量，同时保持火焰稳定性。技术实现要素：本公开涉及一种用于操作燃烧燃烧器的创造性燃烧头，使得排放出降低浓度的一氧化碳和氮氧化物并维持火焰稳定性。燃烧头包括带有多个散热片的扩散板，以提供涡旋和均匀的自旋。燃烧头还包括固定在扩散器的外表面上的环，以帮助稳定涡旋。该系统还可以包括烟气再循环。用于燃烧器的燃烧头的实施例的优点在于，火焰稳定在燃烧器的鼻部和锅炉的壁之间。在燃烧头的实施例中，火焰锚固到燃烧器的前部。燃烧头的实施例的另一个优点在于，火焰底部位于燃烧室上。本文所述的涡旋再循环燃烧燃烧器可以由任何合适的材料制成，包括陶瓷、聚合物、黑色金属和有色金属及其合金和复合材料。通常，在一方面，提供了一种用于燃烧器的涡旋再循环燃烧头，包括：壳体，其具有通孔、上游端和下游端，该上游端和下游端布置在通孔的相对侧，所述壳体构造成接收燃烧空气；主燃料入口，其布置成邻近壳体的上游端，构造成将主燃料流引入到壳体中；副燃料入口，其布置在主燃料入口的下游，构造成将副燃料流引入到壳体中；火焰保持头，其包括固定到壳体的下游端的扩散板，该扩散板包括多个开口、多个散热片和环；以及延伸构件，其固定到火焰保持头的外表面。根据一实施例，多个散热片沿周向等距间隔开。根据一实施例，延伸构件布置在火焰保持头的下游端。根据一实施例，包括固定在多个开口之一内的至少一个切向孔，至少一个切向孔构造成重新引导主燃料流的一部分远离环。根据一实施例，多个散热片中的每个包括第一端和第二端，其中第一端是自由的，而第二端与环相邻。根据一实施例，第二端邻接环。根据一实施例，多个散热片中的每个以相对于燃烧头的竖直轴线成一定角度布置，其中该角度在5-50度之间。根据一实施例，多个散热片中的每个以相对于燃烧头的竖直轴线成一定角度布置，其中该角度在20-40度之间。根据一实施例，多个散热片中的每个以相对于燃烧头的竖直轴线成一定角度布置，其中该角度约为30度。根据一实施例，包括多个切向孔并且其固定在多个开口内，每个切向孔包括中空体和具有开口的头部，其中该中空体和开口连接以使得燃料可以穿过其中，并且其中该开口布置成相对于中空体约为90度。通常，在另一方面，提供了一种用于燃烧器的涡旋再循环燃烧头，包括：壳体，其具有通孔、上游端和下游端，该上游端和下游端布置在通孔的相对侧，所述壳体构造成接收燃烧空气；主燃料入口，其布置成邻近壳体的上游端，构造成将主燃料流引入到壳体中；副燃料入口，其布置在主燃料入口的下游，构造成将副燃料流引入到壳体中；火焰保持头，其包括固定到壳体的下游端的扩散板，该扩散板包括多个开口、多个散热片和环；以及延伸构件，其固定到火焰保持头的外表面。多个开口布置在环的径向外侧，而多个散热片布置在环的径向内侧。根据一实施例，延伸构件布置在火焰保持头的下游端。根据一实施例，包括至少一个切向孔并且其固定在多个开口之一内，至少一个切向孔构造成重新引导主燃料流的一部分远离环。根据一实施例，多个散热片中的每个以相对于燃烧头的竖直轴线成一定角度布置，其中该角度在5-50度之间。根据一实施例，包括多个切向孔并且固定在多个开口内，每个切向孔包括中空体和具有开口的头部，其中该中空体和开口连接以使得燃料可以穿过其中，并且其中该开口布置成相对于中空体约为90度。通常，在另一方面，提供了一种用于燃烧器的涡旋再循环燃烧头，包括：壳体，其具有通孔、上游端和下游端，该上游端和下游端布置在通孔的相对侧，所述壳体构造成接收燃烧空气；主燃料入口，其布置成邻近壳体的上游端，构造成将主燃料流引入到壳体中；副燃料入口，其布置在主燃料入口的下游，构造成将副燃料流引入到壳体中；火焰保持头，其包括固定到壳体的下游端的扩散板，该扩散板包括多个开口、多个散热片和环；以及延伸构件，其固定到火焰保持头的外表面。在运行中，火焰在火焰保持头的径向外侧稳定。应当理解，前述概念和下面更详细讨论的附加概念(假设这样的概念不相互矛盾)的所有组合被认为是本文公开的发明主题的一部分。特别地，出现在本公开结尾处的要求保护的主题的所有组合被认为是本文公开的发明主题的一部分。根据以下描述的实施例，本发明的这些及其他方面将显而易见。附图说明如在附图中所示，通过下面对本公开的示例性实施例的更具体描述，前述内容将显而易见，在整个不同的视图中，相似的附图标记指代相同的部件。附图不一定按比例绘制，而是将重点放在图示本公开的实施例上。图1是根据本公开示例性实施例的用于燃烧器的涡旋再循环燃烧头的透视图。图2是根据本公开示例性实施例的图1的涡旋再循环燃烧头的右端正视图。图3是根据本公开示例性实施例的图1的涡旋再循环燃烧头的左端正视图。图4是根据本公开示例性实施例的总体上沿图2中的线a-a截取的图1的涡旋再循环燃烧头的横截面图。具体实施方式下面描述本发明的示例性实施例。现在参考附图，其中在整个附图中，相似的附图标记指代相似的部件，示出了用于燃烧器的涡旋再循环燃烧头100，其产生低浓度的一氧化碳和氮氧化物排放，同时提供改善的火焰稳定性。尽管附图示出了涡旋再循环燃烧头，其包括以朝上的方向布置的主燃料入口和副燃料入口，但应当理解的是，在操作中，涡旋再循环燃烧头布置成使得主燃料入口和副燃料入口以朝下的方向或任何方向布置。图1示出了根据实施例的用于燃烧器的涡旋再循环燃烧头100的透视图。图2是图1的涡旋再循环燃烧头的右端正视图。图3是图1的涡旋再循环燃烧头的左端正视图。图4是总体上沿着图2中的线a-a截取的图1的涡旋再循环燃烧头的横截面图。应基于图1-4来观察以下内容。涡旋再循环燃烧头100通常包括：入口凸缘102，其构造成通过入口凸缘内的孔与带有螺栓的燃烧空气风扇或鼓风机连接；壳体104；安装凸缘106，其构造成与燃烧室连接；火焰保持头108；以及主燃料入口110和副燃料入口112。应当理解，可以根据不同的燃烧器/燃烧室构造来改变安装凸缘106的位置。例如，在一实施例中，安装凸缘可以布置在图中所示位置的更下游。可以使用任何合适的位置。布置在壳体104的上游端的入口凸缘102连接到燃烧空气风扇或鼓风机，并且氧化剂通过燃烧空气风扇被供应到壳体104。主燃料流在主入口110处被输送到燃烧器，并且穿过壳体104的通孔通过燃料管114，通过歧管115，并进入主燃烧区域，在此它与氧化剂混合以产生主火焰。副燃料流在副入口112处被输送到燃烧器，通过壳体104的通孔，通过歧管116，并进入多个沿周向布置的燃料喷射器118中。燃料喷射器在包括空气的气室内围绕壳体104的外表面128布置。副燃料流与空气混合以提供副空气和气体流。火焰保持头108固定在壳体104的下游端，该下游端与布置有入口凸缘102的壳体的上游端相对。火焰保持头108包括包含多个散热片120的扩散板109、多个开口122、用于螺栓的多个安装螺栓开口123以及环124。扩散板109沿着燃烧头的竖直轴线布置。在一实施例中，多个开口122相对于安装螺栓开口123、环124和多个散热片120径向地布置在外侧。多个散热片120相对于环124和开口122、123径向布置在内侧。换句话说，开口122、123、多个散热片120和环124同心地布置。根据一实施例，多个散热片120中的每个散热片以相对于燃烧头的竖直轴线成一定角度布置，其中该角度在5-50度之间。根据一实施例，多个散热片120中的每个散热片以相对于竖直轴线成一定角度布置，其中该角度在20-60度之间。根据一实施例，多个散热片120中的每个散热片以相对于竖直轴线成一定角度布置，其中该角度约为30度。根据一实施例，多个散热片120中的每个散热片是大致矩形形状的。然而，可以替代地使用任何合适的构造和/或形状。根据一实施例，多个散热片120沿周向等距间隔开。尽管在附图所示的实施例中示出了八个散热片，但应当理解，可以替代地使用更多或更少的散热片。例如，在一示例性实施例中，有四个沿周向等距间隔开的散热片。根据一实施例，多个散热片120中的每个散热片包括第一端和第二端，其中第一端是自由的并且第二端与环124相邻。每个散热片可以固定到并邻接环124以用于增加稳定性。术语“自由”旨在表示未连接到另一物理结构。根据一实施例，可以通过由激光切割、等离子切割或任何其他合适的方法形成开口来在钢扩散板109内产生多个散热片120。在形成开口之后，然后可以通过例如焊接或任何其他合适的方法将叶片固定地固定在开口的顶部。根据一实施例，点火源130设置在环124和多个散热片120的径向外侧。根据一实施例，主副燃料入口110、112布置成与点火源130沿周向约180度。在示例性实施例中，用于扫描器管132的孔布置成与点火源130约90度。在另一示例性实施例中，扫描器管132布置成与点火源130沿周向小于90度。在另一示例性实施例中，扫描器管132布置成与点火源130沿周向在90和180度之间(沿顺时针方向或逆时针方向)。根据一实施例，用于火焰扫描器管的孔132设置在火焰保持头108内。在一实施例中，将火焰扫描器管布置在孔132内于环124和多个开口122的径向内侧且邻近多个散热片120。在一实施例中，孔和扫描器管132布置在多个散热片120中的两个相邻散热片之间。扫描器本身未放置在壳体内，因为热的fgr气体会破坏扫描器。代替地，将扫描器布置在uv扫描器管(未示出)内，该uv扫描器管从壳体(未示出)的背面延伸穿过孔132处的扩散器109，以固定扫描器的角度并确保扫描器被适当地定位。应当理解，管可以在任何合适的位置处固定在壳体的背面。例如，在一实施例中，uv扫描器在管内布置成与主副燃料入口110、112沿周向小于180度(沿图2所示的逆时针方向)。应当理解，孔和扫描器管132也可以布置成沿顺时针方向与燃料入口110、112沿周向小于180度。在示例性实施例中，孔和扫描器管132布置成沿顺时针或逆时针方向与燃料入口110、112沿周向小于90度。在图2中，在八个安装螺栓开口123的径向外侧布置有二十个开口122。然而，还可以使用更多或更少的开口和/或螺栓开口。在示例性实施例中，开口122填充有切向孔125。在包括切向孔125的示例性实施例中，可以使用四分之一、一半或四分之三的切向孔(或任何其他合适数量的切向孔)。在示例性实施例中，每个切向孔125布置为向引燃区域提供气体并点燃燃烧器。每个切向孔125包括中空体以及包括开口的头部。围绕每个切向孔的中空体的外部的是用于将其固定在开口122内的外螺纹。在示例性实施例中，头部是六角形的；然而，可以代替地使用任何合适的形状。在操作中，主燃料流通过先穿过中空体且然后穿过头部中的开口从而穿过每个切向孔。以六角形头部为例，头部中的开口布置成从中空体中心延伸穿过头部的六个侧面之一。因此，头部中的开口使主燃料流重新引导成径向向外远离环124。在示例性实施例中，头部中的开口布置成相对于中空体约90度。在图1中，示出了六角形头部中的示例性开口127。头部中的开口127比中空体小得多，使得主燃料流以受控方式重新引导。例如，切向孔125可以为0.578”长，包括直径为0.203”的中空体和直径为0.062”的头部的开口，其中头部的宽度为0.375”。与引导气体笔直的常规开口不同，本文所述的切向孔径向地重新引导气体，将气体保持在主区域内，从而开始点火。切向孔125可以通过从螺栓中钻出中间部分以形成中空体并在头部中钻出连接侧孔来制成。在替代实施例中，在头部的另外侧面中可以有另外的开口，或者在头部的相同侧面中可以有另外的开口。根据一实施例，火焰保持头108包括固定到火焰保持头108的外表面128的延伸构件126。延伸构件126布置在火焰保持头108的下游端。在示例性实施例中，延伸构件126是1/4”圆形坯料的圆柱形环。在示例性实施例中，延伸构件126是3/8”圆形坯料的圆柱形环。然而，可以代替地使用任何合适的替代形状和尺寸。例如，可以使用矩形环。在示例性实施例中，提供了高3/8”和长1/2”的矩形环。在另一示例性实施例中，提供了高1/4”和长3/8”的矩形环。在操作期间，扩散板109在流过其中的燃烧空气上产生混合旋转，并且由于中心的主空气而在燃烧器的鼻部的下游产生再循环(在图4中用箭头a示出)。由于在火焰保持头108的外表面128的外侧引入的副空气和气体流，在燃烧室的与燃烧室的底壁相邻的内部也产生再循环。这种再循环位于燃烧器的鼻部的上游并且在燃烧器的径向外侧(在图4中用箭头b和c示出)。再循环的副空气和气体流被主火焰点燃。火焰保持头108的扩散板109有利地提供了涡旋和均匀的自旋。固定在火焰保持头108的外表面128上的延伸构件126有利地稳定了涡旋。与保持在燃烧器的主区域上相反，火焰在运行期间在燃烧器的鼻部径向向外稳定。在示例性实施例中，火焰在运行期间在燃烧器的鼻部和锅炉的燃烧室的壁之间稳定。在运行期间，产生具有图4所示的火焰边界的火焰，该边界从火焰保持头108的外侧开始并且朝着燃烧室的壁向外延伸。根据一实施例，包括本文所述的涡旋再循环燃烧头的燃烧器包括联接至燃烧室的热交换器。烟气再循环系统可以与热交换器的热烟道联接，并且构造成将烟气再循环回到燃烧器的风箱中。再循环的烟气通过稀释燃料/空气混合物并抑制热nox机理来减少nox排放。再循环的烟气还降低了主火焰区域中的氧气浓度，从而减少了nox的形成。为了控制进入壳体104的燃烧空气的流动，可以在燃烧器的风箱附近布置风门。包括fgr的涡旋再循环燃烧燃烧器头在4s-350模型中进行了测试，该模型是可从位于lancaster,pa的burnhamcommercial获得的四遍回水苏格兰锅炉。特定的燃烧器包括具有八个狭槽的平坦扩散器109，狭槽相对于竖直轴线弯曲成30度。平坦开有狭槽的扩散器109包括7.125”的12ga扩散器环。狭槽覆盖有3”x3/4”散热片120，以引导空气远离沿前进方向移动。外扩散环是1”高。副气体管不包括孔。燃烧器(主)的前部包括9个#51x1孔和10个毛坯。在主区域中安装了八个螺栓。扩散器后面没有安装垫圈，而是代替地使用了垫片。轧制长度减少到37.75”的1/4”杆126，并将其焊接在主区域的末端，以将火焰向外推动。在低火条件下使用上述设置，观察到从主区域到副区域的条纹，表明整个主区域和副区域处于接触状态。因此，在该示例性实施例中，火焰被附接。火焰边界从延伸构件126朝着燃烧室的壁径向向外(沿下游方向成一角度)延伸。此外，在该示例性实施例的运行期间，火焰不移动。下表包括来自上述设置的测试的结果。如下表所示，在点7，nox排放量为0.0ppmo2：点1点2点3点4点5点6点7功率4.95.48.710.17风箱o2[％]17.019.5o2[％]3.33.53.33.04.04.17.8co[ppm校正]0000000nox[ppm校正]4.84.14.03.31.81.80.0在以前的kewaneeboilercompany(型号lm888)使用锅炉进行的另一示例性测试中，使用了以下示例性参数。在点1处，以mbtu/h为单位的总速率为3329802，其中以下致动器布置在以下位置：副燃料蝶形位置为22.2度，空气蝶形位置为12.9度，主燃料蝶形位置为6度，且fgr蝶形位置为9.5度。同样在点1处，使用以下操作压力：头部处的主气体压力为12.2英寸水柱(iwc)，头部处的副气体压力为0.7iwc，鼓风机壳体压力为1.7iwc，锅炉室压力为0.06iwc，风扇入口压力为-16.8iwc。鼓风机壳体o2百分数为17.3，鼓风机壳体温度为128华氏度。在该示例性实施例中，在点1处，环境空气温度为66华氏度，烟道温度为339华氏度。由于点1处的这些参数，o2排放量为3.7，co排放量为以3％o2校正的8ppm，nox排放量为以3％o2校正的3.5ppm，且co2排放量为9.6％。在使用kewaneelm888锅炉的示例性实施例中，当风箱中o2的百分比在15-16％的范围内时，nox排放量在以3％o2校正的4.8-5ppm的范围内。在相同的示例性实施例中，当风箱中o2的百分比增加时(在17-20％的范围内)，nox排放降低到以3％o2校正的2-3ppm的范围内的水平。尽管这里已经描述和示出了多个发明实施例，但是本领域普通技术人员将容易想到用于执行功能和/或获得结果的多种其他手段和/或结构和/或此处描述的优点中的一个或多个，并且每个这样的变化和/或修改被认为在本文描述的发明实施例的范围内。更一般地，本领域技术人员将容易地理解，本文描述的所有参数、尺寸、材料和构造均是示例性的，并且实际参数、尺寸、材料和/或构造将取决于使用本发明教导的一个或多个特定应用。仅通过常规实验，本领域技术人员将认识到或能够确定本文所述的具体发明实施例的许多等同方案。因此，应当理解，前述实施例仅以示例的方式给出，并且在所附权利要求及其等同物的范围内，可以以不同于具体描述和要求保护的方式来实践本发明实施例。本公开的发明实施例涉及本文所述的每个单独的特征、系统、制品、材料和/或方法。另外，如果这样的特征、系统、物品、材料和/或方法不是相互矛盾的，则两个或更多个这样的特征、系统、物品、材料和/或方法的任何组合都包括在本公开的发明范围内。当前第1页12