一种用于氨燃料的低氮燃烧器及其工作方法

1.本发明涉及燃烧器技术领域，特别是涉及一种用于氨燃料的低氮燃烧器及其工作方法。


背景技术：

2.氨作为一种碳中和可替代燃料，在电站和工业炉窖等燃烧领域中的广泛应用可大幅减少二氧化碳的排放。然而氨在诸如锅炉、燃气轮机等设备中的全面应用仍面临巨大挑战：首先，较低的火焰传播速度和较高的点火能量导致点火困难、燃烧稳定性差以及负荷调节范围窄；其次，氨燃料中含有大量的n元素，燃烧过程具有较大的no
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排放潜值。
3.解决上述氨燃烧面临的点火困难、燃烧稳定性差以及负荷调节范围窄等问题，可借助燃烧过程中的火焰间的热传递作用来提高氨燃料的燃烧强度，即燃料通过多个喷嘴喷射，形成多火焰燃烧模式。
4.发明人发现，现有的多火焰燃烧模式，在给定的燃烧器结构下，喷嘴间距固定不可调节，这与氨燃料在点火及变负荷运行对不同热传递的要求相矛盾。
5.针对氨燃烧的高no
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排放问题，富燃-急冷-贫燃燃烧技术效果显著，然而，能够精准定位及调整急冷区位置，提高二次风与高温燃气的混合质量，是富燃-急冷-贫燃技术实际应用效果的关键因素之一，现阶段未有相关技术针对该问题提出解决方法。


技术实现要素：

6.针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种用于氨燃料的低氮燃烧器及其工作方法，利用燃烧机构向燃烧室内的不同推进深度，改变燃料喷射出口处的间距，调节火焰间传热传质过程，配合不同层喷嘴的组合搭配，轻松实现氨在不同燃烧负荷强度下的稳定燃烧，在实现燃烧稳定及低no
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排放的同时，解决了氨燃料在点火及变负荷运行对不同热传递的要求与传统燃烧器的结构固定不可调节之间的矛盾。
7.为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
8.第一方面，本发明提供了一种用于氨燃料的低氮燃烧器，包括：
9.燃烧机构，由可推拉的中心喷嘴、内圈喷嘴和外圈喷嘴组成，用于改变喷嘴伸入燃烧室的距离；
10.燃烧室，前端通过法兰与燃烧机构连接，燃烧室从前端向后端的方向上依次为富燃区、急冷区和贫燃区，位于急冷区的壁面上沿其环向及轴向设有若干二次风通风孔；
11.二次风箱，套设在燃烧室上形成二次风通道，前端为二次风进气口，二次风经第一旋流叶片后在二次风通道内分布均匀；
12.卡套，滑动套设在燃烧室上，用于调整二次风进气位置；
13.第一旋流叶片，沿环向固定设置在燃烧室前端的外壁上。
14.作为进一步的实现方式，所述中心喷嘴、内圈喷嘴和外圈喷嘴均与燃烧室的中心轴线呈锥角。
15.作为进一步的实现方式，所述中心喷嘴、内圈喷嘴和外圈喷嘴的末端均设有第二旋流叶片，中心喷嘴、内圈喷嘴、外圈喷嘴所对应的第二旋流叶片方向沿逆流顺流依次交替设置。
16.作为进一步的实现方式，所述二次风通道位于二次风箱与燃烧室之间，第一旋流叶片位于二次风通道内。
17.作为进一步的实现方式，所述中心喷嘴由支撑管和滑动设置在支撑管内的中心燃料管组成，支撑管固定设置在法兰的中心位置处，中心燃料管位于燃烧室内部的一端设有第二旋流叶片和点火枪。
18.作为进一步的实现方式，外圈喷嘴由第一圆盘和沿环向间隔设置在第一圆盘上的若干第一燃料管组成；内圈喷嘴由第二圆盘和沿环向间隔设置在第二圆盘上的若干第二燃料管组成，第一圆盘、第二圆盘均滑动设置在支撑管上。
19.作为进一步的实现方式，所述第一圆盘的直径大于第二圆盘，所述第二圆盘位于第一圆盘与法兰之间，第一圆盘上固定设有第一手柄，第二圆盘上固定设有第二手柄。
20.作为进一步的实现方式，所述第一燃料管、第二燃料管一端固定在对应的圆盘上，另一端穿过法兰伸入燃烧室内，第一燃料管、第二燃料管伸入燃烧室内的一端均设有第二旋流叶片。
21.第二方面，本发明提供了一种用于氨燃料的低氮燃烧器的工作方法，具体如下：
22.启动前，调节中心喷嘴伸入燃烧室的长度；
23.减小中心喷嘴与内圈喷嘴出口处的间距，由中心燃料管向燃烧室内喷射甲烷空气混合气并点燃，待中心火焰稳定燃烧后作为引燃火焰将由内圈喷嘴喷入燃烧室内的氨/空气可燃混合物点燃，内层燃料稳定燃烧后，停止中心燃料管的燃料供给，将内圈喷嘴向燃烧室内部推进；
24.当需要增大燃烧负荷时，开启外圈喷嘴的燃料供给，并改变内、外圈喷嘴的间距，使得内层火焰圈引燃外层燃料；
25.当需要继续增大燃烧负荷时，中心燃料管燃料供给再次启动，并将燃料改为氨/空气预混气，调整第一圆盘和第二圆盘到燃烧室入口的距离，根据燃料流量和炉膛结构，将由中心火焰、内层火焰圈、外层火焰圈组成的主燃区火炬调整为“v”型或“w”型。
26.作为进一步的实现方式，在由点火状态逐渐增大燃烧负荷并开启外圈喷嘴和中心燃料管时，或一次风的可燃成分发生变化时，调整卡套的位置，在富燃区火炬末端喷入二次风。
27.上述本发明的有益效果如下：
28.(1)本发明利用燃烧机构向燃烧室内的不同推进深度，改变燃料喷射出口处的间距，调节火焰间传热传质过程，配合不同层喷嘴的组合搭配，轻松实现氨在不同燃烧负荷强度下的稳定燃烧，并通过对二次风喷射位置的调控，以降低燃烧过程中no
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的排放。
29.(2)本发明燃烧机构的三层喷嘴均可进行轴向深度的调节，通过改变不同层喷嘴间的间距，小间距时，点火枪与中心喷嘴间传热作用强烈，易于点火，当燃烧负荷增大时，通过改变每层喷嘴的推进深度，轻便调节燃烧室内不同层喷嘴间的间距，增大喷嘴间距，一方面有利于燃烧室内燃烧分布均匀，另一方面可减少相邻火焰的热传递，避免燃烧器喷嘴高温熔化，能够解决起动、低负荷及高负荷运行时对火焰间热传递、火焰形状及燃烧室充满度
的不同需求问题。
30.(3)本发明负荷调节灵活，保证了燃烧稳定性，有效解决了氨燃料火焰传播速度低，当通过提高燃料流速来增大燃烧负荷时，易造成熄火的问题。
附图说明
31.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
32.图1是本发明根据一个或多个实施方式的一种用于氨燃料的低氮燃烧器的整体结构示意图；
33.图2是本发明根据一个或多个实施方式的一种用于氨燃料的低氮燃烧器的剖面结构示意图；
34.图3是本发明根据一个或多个实施方式的燃烧机构的放大结构示意图；
35.图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用；
36.其中，1、燃烧机构；2、燃烧室；3、第一旋流叶片；4、二次风通道；5、卡套；6、二次风通风孔；7、二次风箱；8、第一手柄；9、第二手柄；10、支撑管；11、第一圆盘；12、第一燃料管；13、第二圆盘；14、法兰；15、第二燃料管；16、富燃区；17、急冷区；18、贫燃区。
具体实施方式
37.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
38.正如背景技术所介绍的，借助火焰间的热传递作用调整燃料在点火及变负荷运行下的燃烧稳定性及no
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排放时，需要根据燃烧工况对喷嘴间距做出合理调整，而传统燃烧器的喷嘴多为固定设计，间距不可调节，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种用于氨燃料的低氮燃烧器及其工作方法。
39.实施例1
40.本发明的一种典型的实施方式中，如图1-图3所示，提出一种用于氨燃料的低氮燃烧器，包括，燃烧机构1、燃烧室2、第一旋流叶片3、卡套5、二次风箱7组成，燃烧机构1通过法兰14与燃烧室2的前端连接，二次风箱7套设在燃烧室2上并与燃烧室2固定连接，二次风箱7与燃烧室2之间的空间作为二次风通道4，第一旋流叶片3设置在二次风通道4靠近燃烧机构1的一端，第一旋流叶片3同样套设在燃烧室2上并固定，以保证二次风在风道内轴向均匀的流通，卡套5套设在燃烧室2上并可沿轴向移动。
41.燃烧室2从设有燃烧机构1的一端向另一端的方向上(即从前端向后端的方向上)依次为富燃区16、急冷区17和贫燃区18三部分，二次风在急冷区17段内喷入燃烧室2，燃烧后的烟气通过贫燃区18尾端的排烟出口排向下游的换热装置。
42.需要注意的是，富燃区16、急冷区17和贫燃区18的长度不固定，急冷区17可根据实际需求占用富燃区16后段和贫燃区18前端的一部分，具体长度这里不做过多的限制。
43.具体的，燃烧机构1由中心喷嘴、内圈喷嘴和外圈喷嘴组成，共三层，每层喷嘴均为可推拉结构，可改变其伸入燃烧室2内的距离，燃烧机构1通过法兰14与燃烧室2连接，并通
过橡胶密封圈等对连接处进行密封。
44.中心喷嘴、内圈喷嘴和外圈喷嘴均与燃烧室2的中心轴线呈锥角，受喷嘴向燃烧室2内的推进深度影响，锥角在10
°‑
60
°
范围内变化，该锥角布置方式可实现当沿燃烧室轴向推拉燃烧机构1中的中心喷嘴、内圈喷嘴和外圈喷嘴时，燃烧室内喷嘴间距可根据实际燃烧工况进行相应的调整。
45.二次风箱7套设在燃烧室2上且与燃烧室2固定连接，二次风箱7与燃烧室2外壁面的连接处密封连接，二次风箱7与燃烧室2之间的空间作为二次风通道4，允许二次风在其内流通，其中，二次风箱7设有第一旋流叶片3的一端沿其环向设有进气口，空气经第一旋流叶片3后使其在二次风箱7内周向分布均匀，然后通过二次风通风孔6进入燃烧室形成急冷区。
46.第一旋流叶片3固定设置在燃烧室2的外壁面上，连接方式可采用螺纹、焊接等方式，第一旋流叶片3位于燃烧室2的富燃区内且靠近于燃烧机构1，燃烧机构1中的每一层喷嘴末端均具有第二旋流叶片(图中未示出)，使得通过喷嘴的气流形成旋流进入燃烧室2，并且中心喷嘴、内圈喷嘴、外圈喷嘴所对应的第二旋流叶片方向沿逆流顺流依次交替设置，为防止碰撞，喷嘴远离燃烧室2端采用软管结构。
47.燃烧室2位于急冷区17处的壁面上沿其轴向以及环向均匀开设有若干二次风通风孔6，卡套5滑动套设在燃烧室2上，卡套5上设有用于连通二次风通道4、二次风通风孔6的开口，能够通过卡套5的轴向移动改变对不同位置处二次风通风孔6的遮挡。
48.卡套5上还固定设有把手，把手从二次风箱7向外伸出，可通过把手带动卡套5移动，以改变卡套5的轴向位置，进而选择二次风流通的二次风通风孔6，从而可配合富燃区16内的火焰长度，对二次风的喷射位置进行调节，保持在富燃区16火焰末端喷射二次风。
49.如图3所示，燃烧机构1分为中心喷嘴、外圈喷嘴、内圈喷嘴，其中，中心喷嘴由支撑管10和滑动设置在支撑管10内部的中心燃料管组成，支撑管10固定设置在法兰14的中心位置处，中心燃料管位于燃烧室2内部的一端设有第二旋流叶片(图中未示出)和点火枪，中心燃料管点火时内流通甲烷空气预混气，在高负荷时通氨燃料以提供足够的燃烧释热量。
50.外圈喷嘴由第一圆盘11、第一燃料管12组成；内圈喷嘴由第二圆盘13和第二燃料管15组成。
51.其中，中心燃料管能够沿轴向移动以改变其伸入燃烧室2内的长度，第一圆盘11、第二圆盘13均套设在支撑管10上，且第一圆盘11、第二圆盘13均可沿支撑管10的轴向滑动，具体的，第一圆盘11、第二圆盘13均通过轴瓦结构与支撑管10滑动连接，支撑管10的外壁上沿其轴向设有滑轨。
52.第一圆盘11的直径大于第二圆盘13，第二圆盘13位于第一圆盘11与法兰14之间，第一燃料管12设有若干个，若干个第一燃料管12沿第一圆盘11的环向间隔布置，第一燃料管12的一端与第一圆盘11固定连接，另一端伸入燃烧室2内，所有第一燃料管12伸入燃烧室2内的端部均设有一个第二旋流叶片(图中未示出)，所有第一燃料管12对应的第二旋流叶片的旋向相同；
53.第二燃料管15同样设有若干个，若干个第二燃料管15沿第二圆盘13的环向间隔布置，第二燃料管15的一端与第二圆盘13固定连接，另一端伸入燃烧室2内，所有第二燃料管15伸入燃烧室2内的端部均设有一个第二旋流叶片(图中未示出)，所有第二燃料管15对应的第二旋流叶片的旋向相同。
54.其中，中心燃料管对应的第二旋流叶片的旋流方向与第一燃料管12、第二燃料管15各自对应的第二旋流叶片的旋流方向依次依据逆流顺流交替设置，例如，中心燃料管对应的第二旋流叶片的旋流方向为逆流方向，则第二燃料管15(内圈喷嘴)对应的第二旋流叶片的旋流方向为顺流方向，第一燃料管12(外圈喷嘴)对应的第二旋流叶片的旋流方向为逆流方向，这种设置可更好的使得中心气流与内外圈气流混合。
55.第二燃料管15数量为4-8根，本实施例中，第二燃料管15设为6根，对应的法兰14上开设有6个内圈喷射口，每个内圈喷射口对应一根第二燃料管15，第二燃料管15固定设置在第二圆盘13上，第二圆盘13上固定设有第二手柄9，用于控制第二圆盘13的移动。
56.第一燃料管12数量为10-16根，本实施例中，第一燃料管12设为12根，对应的法兰14上开设有12个内圈喷射口，每个内圈喷射口对应一根第一燃料管12，第一燃料管12固定设置在第一圆盘11上，第一圆盘11上固定设有第一手柄8，用于控制第一圆盘11的移动。
57.实施例2
58.本发明的另一种典型的实施方式中，提出一种用于氨燃料的低氮燃烧器的工作方法，具体如下：
59.本实施例的目的在于混合氨气和其他可燃气体燃烧，从而减少碳排放，同时提高燃烧效率，降低no
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的排放。
60.点火时，只起动点火枪、中心喷嘴和内圈喷嘴；40％负荷时，关闭点火枪，只留内圈喷嘴，调节内圈喷嘴轴向深度，优化燃烧；80％负荷时，外圈喷嘴开始投射燃料，由内圈喷嘴引燃后，调节外圈喷嘴轴向深度，优化燃烧；100％负荷时，中心喷嘴切换为投射燃料，调节中心燃料管、内圈喷嘴、外圈喷嘴的轴向深度，改变富燃区16内火炬形状，获得v型或w型火焰，从而改变火炬燃烧长度，结合配风，降低no
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，因此负荷调节灵活，保证燃烧稳定性，解决了氨燃料火焰传播速度低，当通过提高燃料流速来增大燃烧负荷时，易造成熄火的问题。
61.具体的：
62.启动前，调节中心燃料管，使中心喷嘴的出口与燃烧室2距离达到指定位置；
63.调节第二手柄9，应注意中心喷嘴的出口与内圈喷嘴的出口处间距不宜过大，由中心燃料管向燃烧室2内喷射甲烷空气混合气，由中心燃料管点火装置点燃，甲烷空气火焰稳定燃烧后作为引燃火焰，将由内圈喷嘴喷入燃烧室2内的氨/空气可燃混合物点燃，内层燃料稳定燃烧后，可停止中心燃料管内的甲烷/空气供给，并调整第二手柄9调节内圈喷嘴的出口位置，将内圈喷嘴向燃烧室2内部推进，使得火焰远离燃烧室2的入口端，至此，点火过程完成；
64.当需要增大燃烧负荷时，开启外圈喷嘴的燃料(氨/空气预混气)供给，并通过第一手柄8改变内、外圈喷嘴的间距，使得内层火焰圈既能引燃外层燃料，使得外层火焰圈稳定燃烧，又能保证内外层火焰圈组成的燃烧火炬在燃烧室2内充满度良好，为燃烧室2的安全稳定运行(如避免火焰冲刷燃烧室壁面)和后续高效换热提供均匀的温度场；
65.当需要继续增大燃烧负荷时，中心燃料管燃料供给再次启动，此时燃烧室火焰温度已到达氨气着火点，因此中心燃料管内改为供给氨/空气预混气，满足对燃烧释热量的要求，同时，通过中心燃料管增加燃料供给，内圈和外圈喷嘴燃料流速不变，燃烧稳定性不受影响，调整第一手柄8和第二手柄9，调整第一圆盘11和第二圆盘13到燃烧室2入口的距离，根据燃料流量和炉膛结构，将由中心火焰、内层火焰圈、外层火焰圈组成的主燃区火炬，合
理调整为“v”型或“w”型，保证火焰充满度的同时避免对燃烧室壁面和喷嘴的高温烧灼；
66.二次风流经二次风通道4内的第一旋流叶片3后，沿轴向流量分布均匀，在由点火状态逐渐增大燃烧负荷并开启外圈喷嘴和中心燃料管时，或者一次风的可燃成分发生变化时，如富燃区16当量比改变，适当调整卡套5的位置，在富燃区16火炬末端，适时喷入二次风，在燃烧室2内形成合理的富燃-急冷-贫燃三个区域分布，以保证燃料的完全燃烧以及控制no
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的排放。
67.可以理解的是，卡套5的具体调节位置需根据实际操作进行确定这里不做具体的限制。
68.本实施例中燃烧机构1的三层喷嘴均可进行轴向深度的调节，通过改变不同层喷嘴间的间距，小间距时，点火枪与中心喷嘴间传热作用强烈，易于点火，当燃烧负荷增大时，将不同层喷嘴沿设定角度向前推进，通过改变每层喷嘴的推进深度，轻便调节燃烧室2内不同层喷嘴间的间距，增大喷嘴间距，一方面有利于燃烧室2内燃烧分布均匀，另一方面可减少相邻火焰的热传递，避免燃烧器喷嘴高温熔化，能够解决起动、低负荷及高负荷运行时对火焰间热传递、火焰形状及燃烧室充满度的不同需求问题。
69.富燃-急冷-贫燃技术是实现nh3燃烧no
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减排的有效手段。通过二次风喷射位置的配控，当负荷变化或者调节喷嘴轴向深度及改变燃料流量时，富燃区16的火焰长度会发生改变，如何恰当适时地在一次风燃烧火焰末端补充二次风，是富燃-急冷-贫燃技术实际应用效果的关键。故二次风补充位置决定了分级燃烧效果，当富燃区16火炬长度发生变化时，二次风喷入位置应相对调整。本实施例中二次风轴向可移动，通过卡套5与二次风通风孔6匹配调整能够使二次风的喷射点灵活匹配主燃区长度，得到合理的富燃区、急冷区、贫燃区布置，在保证燃烧稳定和热效率的同时，降低nox排放。
70.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。