一种离散整流燃烧装置及方法与流程

1.本发明涉及燃料燃烧领域，特别涉及一种离散整流燃烧装置及方法。


背景技术：

2.高速、亚高速燃烧装置因大部分燃料在燃烧室内燃烧，燃烧产物以较高的速度喷出而得名。高速喷出的气流大量卷吸加热炉空间的气体，从而提高加热空间的温度均匀性。
3.通常的高速、亚高速燃烧装置为喷头混合形式，采用交叉射流、旋流等结构加快燃料与助燃空气的混合和燃烧，燃烧速度快、燃烧室内温度高，容易产生热力型no
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；且受射流分布的影响，在燃烧区域存在较多的氧浓度过高区域，更易增加no
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的生成；当烧嘴负荷降低时，喷头射流速度降低，混合速度降低和浓度分布的不均匀性程度更大，no
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的生成量更是成倍增长。对采用预混燃烧的高速、亚高速燃烧装置，燃烧更为快速、区域温度更高，且受空气过剩系数的影响，no
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生成量容易增加；预混燃烧在低负荷状态还存在回火、高温烧损设备等风险。
4.另外，对于采用多孔介质预混燃烧装置，火焰附着在多孔介质表面，燃烧产物喷出速度低，以多孔材质的表面辐射为主要传热方式，对于大空间的加热难以满足均匀性等的要求；同时，因燃烧发生在多孔介质表面层，其面积直接影响燃烧设备的供热能力，对于供热负荷大的燃烧装置，需求面积较大，难以在加热设备上安装和布置。
5.总之，现有的高速、亚高速燃烧装置由于燃烧方法的原因，使用中no
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生成量常常高于国标排放限值，尤其是加热温度在1000℃以上的加热设备上更难达到超低排放的要求。多孔介质预混燃烧装置，受自身结构局限，难以满足供热负荷大，或较大空间的加热所需。
6.有鉴于此，本发明人根据多年从事本领域和相关领域的生产设计经验，经过反复试验设计出一种离散整流燃烧装置及方法，以期解决现有技术存在的问题。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种离散整流燃烧装置及方法，有效减少燃烧过程中的no
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生成。
8.为达到上述目的，本发明提出一种离散整流燃烧装置，其中，所述离散整流燃烧装置内开设有轴向贯通的燃烧通道，所述燃烧通道具有沿轴向依次设置的分配区域、第一燃烧区域、整流区域和第二燃烧区域，所述分配区域内设有分配器，所述整流区域内设有整流器，所述分配器向所述第一燃烧区域提供燃料及空气以进行第一次燃烧，所述整流器将第一燃烧区域内的混合气体整流分散至第二燃烧区域内以进行第二次燃烧。
9.如上所述的离散整流燃烧装置，其中，所述分配器设有朝向所述第一燃烧区域开设的燃料射流口和空气射流口，所述燃料射流口与燃料管道相连接并向所述第一燃烧区域射流燃料，所述空气射流口向所述第一燃烧区域射流空气。
10.如上所述的离散整流燃烧装置，其中，所述燃料射流口沿所述燃烧通道的轴线开
设，所述分配器上开设有多个所述空气射流口，多个所述空气射流口环绕所述燃料射流口开设。
11.如上所述的离散整流燃烧装置，其中，所述第一燃烧区域的长度大于或等于所述燃烧通道的内径。
12.如上所述的离散整流燃烧装置，其中，所述整流器具有多条沿所述燃烧通道轴向贯通的离散通道，多条所述离散通道均布于所述燃烧通道的截面上。
13.本发明还提出一种离散整流燃烧方法，其中，燃料和空气分别射流进入第一燃烧区域，所述燃料和所述空气在所述第一燃烧区域部分燃烧，部分燃烧后的燃烧产物以及剩余的空气和燃料形成混合气体，所述混合气体经离散整流后进入第二燃烧区域并在第二燃烧区域进行二次燃烧。
14.如上所述的离散整流燃烧方法，其中，所述混合气体先被分散为多股微流，各所述微流内的燃烧产物、空气及燃料再进行均匀混合。
15.如上所述的离散整流燃烧方法，其中，有15％～35％的所述燃料在所述第一燃烧区域内完成燃烧。
16.与现有技术相比，本发明具有以下特点和优点：
17.本发明提出的离散整流燃烧装置及方法，通过设置在燃烧通道内的整流器，将燃烧通道内的燃烧过程分割为两个区域，在第一燃烧区域，可完成点火和部分燃料的一次燃烧，一次燃烧后的燃烧产物分别与剩余的助燃空气、燃料经过离散整流器时进行分割离散、均匀化整流，形成贫氧的助燃剂和稀薄的燃料射流再进入第二燃烧区域进行二次燃烧，由于二次燃烧过程中氧浓度、燃料浓度均低于传统扩散燃烧过程的反应物浓度，从而降低nox的生成，更加环保。
附图说明
18.在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本发明的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本发明。
19.图1为本发明提出的燃烧装置的结构示意图；
20.图2为整流器前燃烧通道截面上气流成分的分布趋势；
21.图3是整流器后燃烧通道截面上燃料和氧浓度的分布趋势；
22.图4是采用离散整流燃烧方法的天然气亚高速烧嘴nox排放测试图；
23.图5为本发明提出的燃烧方法的示意图。
24.附图标记说明：
25.100、离散整流燃烧装置；
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10、燃烧通道；
26.11、分配区域；
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12、第一燃烧区域；
27.13、整流区域；
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14、第二燃烧区域；
28.20、分配器；
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21、燃料射流口；
29.22、空气射流口；
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30、整流器；
30.31、导流管；
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4、根部燃烧带；
31.2a、空气射流；
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2b、燃料射流；
32.7、加热空间内衬。
具体实施方式
33.结合附图和本发明具体实施方式的描述，能够更加清楚地了解本发明的细节。但是，在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。
34.如图1所示，本发明提出一种离散整流燃烧装置100，该离散整流燃烧装置100内开设有轴向贯通的燃烧通道10，燃烧通道10具有沿轴向依次设置的分配区域11、第一燃烧区域12、整流区域13和第二燃烧区域14，分配区域11内设有分配器20，分配器20向第一燃烧区域12提供燃料及空气以进行第一次燃烧，整流区域13设有整流器30，整流器30将第一燃烧区域内的混合气体整流分散至第二燃烧区域14内以进行第二次燃烧。
35.本发明还提出一种离散整流燃烧方法，如图5所示，燃料和空气分别射流进入燃烧通道10后，先进行一次燃烧，一次燃烧后的燃烧产物以及剩余的空气和燃料形成的混合气体经离散整流后再进行二次燃烧。
36.本发明提出的离散整流燃烧装置及方法，通过设置在燃烧通道10内的整流器，将燃烧通道内的燃烧过程分割为两个区域，在第一燃烧区域12，可完成点火和部分燃料的一次燃烧，一次燃烧后的燃烧产物分别与剩余的助燃空气、燃料经过离散整流器30时进行分割离散、均匀化整流，形成贫氧的助燃剂和稀薄的燃料射流再进入第二燃烧区域14进行二次燃烧，由于二次燃烧过程中氧浓度、燃料浓度均低于传统扩散燃烧过程的反应物浓度，从而降低no
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的生成，更加环保。
37.本发明提出的离散整流燃烧装置及方法，将燃烧通道内的燃烧过程分割为两个区域，由于在第一燃烧区域内小部分燃料燃烧释放的热量，使得第二燃烧区域混合气体的温度高于燃料燃点，混合气体无需点火便能够再次燃烧。
38.本发明提出的离散整流燃烧装置及方法，将燃烧通道10内的燃烧过程分割为两个区域，第二燃烧区域的燃烧为主要燃烧，再次燃烧时，第二燃烧区域的氧浓度或燃料浓度分布均远离燃烧的理论当量范围，且以较高的速度喷出，no
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的生成量也较常规燃烧降低50％以上。
39.本发明提出的离散整流燃烧装置及方法，一次燃烧和二次燃烧均在燃烧通道10内进行，最终燃烧产物以高速、亚高速从燃烧通道10喷出。
40.在本发明一个可选的实施方式中，燃烧通道10为直接d的圆柱形通道。
41.在一个可选的实施方式中，混合气体先被分散为多股微流，各微流股内的燃烧产物、空气及燃料再均匀混合，大部分燃料在离散整流后进行，即实现了离散整流燃烧。
42.具体的，第一燃烧区域内小部分燃料燃烧产生的烟气与未燃烧的燃料、助燃空气直接进入整流器30，被整流器30分割，并在整流器30内形成众多离散的细小微流。在第一燃烧区域燃烧产物释放热量的作用下，各细小微流进入第二燃烧区域后，再次混合并进行二次燃烧。
43.在该实施方式一个可选的例子中，整流器30包括多根导流管31，多根导流管31形
成管束，各导流管31具有沿燃烧通道10轴向贯通的离散通道，多根导流管31均布于燃烧通道的截面上。采用上述结构，多根导流管31对混合气体进行分散，使得混合气体分别在各离散通道内形成微流；并且，混合气体在通过离散通道的过程中能够进一步的混合均匀。
44.需要说明的是，在整流器30中，各离散通道为互不连通的独立区域。
45.在本发明中，整流器30并非完成流体成分在燃烧通道10截面上的均匀化分布，均匀化仅发生在各自的离散通道内。
46.在混合气体进入整流器时，流体(混合气体)在燃烧通道截面上并非均匀分布，被离散后的各股微流的成分也将各不相同，各离散的微流仅在各自的离散通道内完成各自的成分均匀化；流出时，燃烧通道10截面上介质分布也将不均匀分布。由于整流器30是对烟气(燃烧产物)、助燃空气、燃料三种气流进行分割离散，离散的各股微流的成分也分别为三者之间比例的多种组合，在整流器的出口以贫氧、富燃料为主的众多股微流在燃烧通道10的第二燃烧区域14再次混合。总体上，在离散通道内，虽然符合燃烧条件的混合气体将继续完成燃烧，但由于通道的分隔作用，燃烧反应仅在各离散通道内进行，仅有少量燃料在离散通道内进行燃烧反应；并且在整流器30出口处，贫氧、富燃料的程度分布直接受分配器20结构的影响。
47.在一个可选的例子中，离散通道长度(也是导流管31的长度)应满足流入介质的混合均匀化，其长度为通道流通当量尺寸的5倍及以上。
48.优选的，各离散通道分别为直通型结构。
49.在一个可选的例子中，各离散通道的内径为6～8mm，各离散通道的长度为60mm。
50.在本发明一个可选的实施方式中，整流器30的流通面积比约为60％，同时起到提高通道流速的作用。经整流后，气流将以均匀的成分以较高的速度喷出。整流器30同样也有扰流的作用，起到局部均匀化的作用。经离散整流后，气流的成分在圆周方向均匀性改善，在整个燃烧通道10截面上，仍呈现中心流体富燃料、周边流体贫氧的状态。
51.在本发明一个可选的实施方式中，分配器20设有朝向第一燃烧区域12开设的燃料射流口21和空气射流口22，燃料射流口21与燃料管道相连接并向第一燃烧区域12射流燃料进而形成燃料射流2b，空气射流口22向第一燃烧区域12射流空气进而形成空气射流2a。
52.在一个可选的例子中，空气射流口22也连接有提供助燃空气的空气管道。
53.在该实施方式一个可选的例子中，燃料射流口21沿燃烧通道10的轴线开设，分配器20上开设有多个空气射流口22，多个空气射流口22环绕燃料射流口21开设。
54.在一个可选的例子中，如图2所示，分配器20其燃料射流口21喷出的燃料与空气射流口22喷出的助燃空气在燃烧通道10的截面上并非均匀分布。其中燃料分布于截面的中心位置，助燃空气分布于截面的外周位置，采用上述结构，燃料在分配器20根部(靠近燃料射流口的位置)形成稳定点火、燃烧区域，小部分燃料在第一燃烧区域完成燃烧，大部分燃料并未燃烧。
55.具体的，燃料射流2b和空气射流2a经点火可在第一燃烧区域12内形成稳定燃烧，如图1所示，根部燃烧带4即为点火燃烧区域；并且受分配器20的结构影响，以及第一燃烧区域12的长度限制，流体成分在燃烧通道10的截面上分布并非均匀，通常，通道中心区域燃料浓度高，周边氧浓度高，因此仅有部分燃料在第一燃烧区域12内完成燃烧。
56.在本发明一个可选的实施方式中，第一燃烧区域12的长度应满足点火和根部部分
燃料燃烧所需空间。同时，又尽量减少未燃烧燃气与助燃空气的混合时长。
57.在一个可选的例子中，第一燃烧区域12的长度大于或等于燃烧通道10的内径。
58.优选的，第一燃烧区域12的长度为燃烧通道10内径的1～1.5倍。
59.在本发明一个可选的实施方式中，有15％～35％的燃料在第一燃烧区域12内完成燃烧。
60.在该实施方式中，由于第一燃烧区域12内，燃烧产物、剩余的助燃空气和燃料不能得到充分的混合。通常，燃烧通道10中心区域燃料浓度高，周边氧浓度高，加上燃烧区域的燃烧产物，气流在进入整流器前，成分的典型分布如图2所示。并且由于上述气流成分的不均匀性，在进入整流器30后，各离散通道内的各股微流的气体成分也各不相同，最终由整流器流出的气流的各成分的分布也不均匀，如图3所示，图3为经过整流器30后燃烧通道10截面上，燃料浓度和氧浓度分布的趋势图。
61.在本发明一个可选的例子中，燃烧通道10的内壁面、分配器20及整流器30可以采耐热钢材或耐高温陶瓷材料。当然，燃烧通道10的内壁面、分配器20及整流器30也可以根据加热空间的温度选择其它适宜的材料。
62.本发明提出的离散整流燃烧装置及方法，对燃烧通道10内的燃烧加以分隔，将燃烧过程分割为两个区域，通过限制第一燃烧区域长度，使得一小部分燃料燃烧在第一燃烧区域完成；燃烧通道10内温度较常规高速烧嘴低，有利于提高燃烧装置寿命。
63.本发明提出的离散整流燃烧装置及方法，燃烧通道10内设置的整流器30除了上述的分隔限制燃烧区外，还可将由第一燃烧区域燃烧产生的烟气、剩余助燃空气和燃料进行分割、离散；并在离散通道内进行各自组分的均匀化；各离散流体经均匀后，形成偏离燃烧当量的贫氧和富燃料射流，以高速喷出进行二次燃烧，可以降低燃烧过程中热力型no
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的生成。
64.本发明提出的离散整流燃烧装置及方法，不同于多孔介质预混燃烧方式，并非预混燃烧，不存在低负荷回火的危险，且由于离散整流燃烧装置100其离散通道的尺寸较大，可以保持高的流速，且产生的阻力并不大，不需要高于传统燃烧装置的压力；相同的燃烧通道可以获得更高的燃烧功率；燃烧产生以较高的速度喷出，可满足大空间加热均匀性的要求；
65.本发明提出的离散整流燃烧装置及方法，燃烧通道10内设置的整流器30还具有蓄热能力，有利于脉冲方式下烧嘴的点火和稳定燃烧。
66.现结合一实施例，详细说明本发明提出的离散整流燃烧装置及方法的工作原理及具有实施过程：
67.如图1、图5所示，本发明提出的离散整流燃烧方法，由离散整流燃烧装置100实现，离散整流燃烧装置100具有燃烧通道10，在燃烧通道10内设有的分配器20和整流器30实现。具体实现步骤为：
68.在燃烧通道10内，由分配器20和整流器30将燃烧通道10分割成两个区域，即第一燃烧区域12、第二燃烧区域14，第二燃烧区域14的出口直接与加热空间内衬7相连通。燃烧通道10为直径d的圆柱形通道。
69.助燃空气和燃料经管路或通道连接至分配器20，经分配器20形成空气射流2a、燃料射流2b，经点火可在第一燃烧区域12内形成稳定燃烧；根部燃烧带4即为点火燃烧区域；
受分配器20的结构和第一燃烧区域12的空间所限，通常有15％～35％的燃料在第一燃烧区域3内完成燃烧。
70.第一燃烧区域12内的燃烧产生的烟气，与剩余助燃空气和燃气(混合气体)直接进入整流器30；整流器30内部为众多的离散通道，将混合气体来流分割成众多的细小的离散流股(微流)。
71.在进入整流器30前，受分配器20的结构影响，以及第一燃烧区域12的长度限制，混合气体各成分在燃烧通道10的截面上分布并非均匀。第一燃烧区域12的长度应满足点火和根部部分燃料燃烧所需空间。同时，又尽量减少未燃烧燃气与助燃空气的混合时长。
72.在本实施例中，第一燃烧区域12的长度为燃烧通道10直径d的1～1.5倍。该第一燃烧区域12内，燃烧产物、剩余的助燃空气和燃料不能得到充分的混合。燃烧通道10中心区域燃料浓度高，周边氧浓度高，加上燃烧区域的燃烧产物，气流在进入整流器30前，成分的典型分布如图2所示。
73.由于来流成分的不均匀性，在进入整流器30后，各离散通道内的各流股的气体成分也各不相同。离散通道的长度应满足流入介质的混合均匀化，其长度为通道流通当量尺寸的5倍及以上。在本实施例中，离散通道为直通型结构。
74.在本实施例中，整流器30的结构为管束结构，所用管束为流通直径为6mm、8mm的短管组成，长度60mm。
75.在离散通道内，符合燃烧条件的混合气体将继续完成燃烧，但由于离散通道的分隔作用，燃烧反应仅在各离散通道内进行。同时，由于气流成分分布的不均匀性，呈现中心为富燃料、周边为贫燃料。总体上，仅有少量燃料在离散通道内进行燃烧反应。
76.在本实施例中，整流器的流通面积比约为60％，同时起到提高通道流速的作用。经整流后，气流将以均匀的成分以较高的速度喷出。整流器30同样也有扰流的作用，起到局部均匀化的作用。经离散整流后，气流的成分在圆周方向均匀性改善，在整个截面上，仍呈现中心流体富燃料、周边流体贫氧的状态。图3即为经过整流器30后燃烧通道截面上，燃料浓度和氧浓度分布的趋势图。由于在第一燃烧区域12内，部分燃料燃烧的产物对剩余的助燃空气、燃料均产生稀释作用。再经过离散整流，燃料浓度、氧浓度均有所降低，形成中心区域以富燃料为主、周边区域以贫氧浓度气流为主的分布。这部分燃料的燃烧也使得气流整体温度升高，在进入第二燃烧区域14后，二次燃烧可继续进行。
77.在本实施例中，第二燃烧区域的长度为燃烧通道10其直径d的1倍，并根据实际需要设置缩口，以获得较高的喷出速度。
78.在本实施例中，由于增加了整流器后的二次燃烧，其火焰长度缩短；火焰尾端的黄焰状态较未设置时，明显改善。并且，由于二次燃烧时，反应区氧浓度通常在12～17％，中心区域燃料浓度也降低50％以上，都将有利于降低no
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的生成。
79.在本实施例中，以天然气为燃料，将本发明提出燃烧方法应用于亚高速燃烧装置上，测试no
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的生成水平如图4所示。烧嘴功率250kw，在加热空间温度达到1200℃时，no
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的生成量《100mg/m3(8％o2)，与现有该类传统燃烧装置相比较，降低了50％以上的no
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排放。
80.当然，在其他实施例中，本发明提出的燃烧装置及方法也适用于高速燃烧装置。
81.针对上述各实施方式的详细解释，其目的仅在于对本发明进行解释，以便于能够更好地理解本发明，但是，这些描述不能以任何理由解释成是对本发明的限制，特别是，在
不同的实施方式中描述的各个特征也可以相互任意组合，从而组成其他实施方式，除了有明确相反的描述，这些特征应被理解为能够应用于任何一个实施方式中，而并不仅局限于所描述的实施方式。