一种基于气固燃料掺混的燃烧器及调控方法

本发明涉及燃烧器，具体涉及一种根据煤粉与氢气的燃料特性设计的一种基于气固燃料掺混的燃烧器及调控方法。

背景技术：

1、氢气由于其本身具备的高热值、来源广泛、燃烧产物无污染的特点，拥有巨大的使用潜力和广阔的应用场合。而对于燃煤电厂所广泛使用的煤粉，由于其本身的不可再生性以及其燃烧产物具有污染的性质，仍有一定弊端。因此，将清洁燃料如氢气，与传统燃料相结合使用的研究仍有现实意义。

2、由于氢气的气体特性，无法使用传统的燃烧器喷口使其与煤粉进行有效掺混，甚至出现比例失调的问题。因此，设计合理高效的燃烧器构型，可以有效地将氢气与煤粉进行高效地掺混燃烧。利用二者的掺混，不仅能够提高煤粉燃尽率，还能为炉内环境提供适当的还原性气氛，控制污染物的产生，节省设备耗材，保护环境，节约化石燃料的消耗量，从而达到低碳减排的目标。

技术实现思路

1、为了解决传统的燃烧器喷口无法使氢气与煤粉进行有效掺混的局限性的问题，本发明的目的在于提供一种基于气固燃料掺混的燃烧器及调控方法，该燃烧器及调控方法高效、环保，还能够实现氢气与煤粉定量掺混、稳定燃烧。

2、为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

3、一种基于气固燃料掺混的燃烧器，包括喷嘴1和点火装置2，点火装置2布置在喷嘴1上方，启动后能够照射至喷嘴1喷出的燃料中心区域进而点燃燃料；

4、所述喷嘴1包括气体燃料供给区、空气供给区、煤粉燃料供给区和二氧化碳调节区；所述气体燃料供给区和空气供给区布置在喷嘴入口处，空气供给区布置在气体燃料供给区上方，煤粉燃料供给区布置在喷嘴上侧并靠近喷嘴缩放喉部喷口处，二氧化碳调节区布置在喷嘴缩放喉部喷口处。

5、所述气体燃料供给区包括二氧化碳通路3、加速装置4、氢气通路5、气气混合管6、加压结构7、煤粉侧混合气体喷口8和空气侧混合气体喷口9；二氧化碳通路3与加速装置4连接，加速装置4采用缩放喷管形式；氢气通路5布置在加速装置4出口位置之后、气气混合管6前的渐缩段内；气气混合管6之后为渐扩段，渐扩段之后为加压结构7；加压结构7为内管壁与外管壁形成的渐缩而后渐扩区域，加压结构7分为上下两部分，分别与煤粉侧混合气体喷口8、空气侧混合气体喷口9相连通；气体燃料供给区在喷嘴空腔内部的轴体与喷嘴空腔左右两侧相连接，将轴体所在的空腔分为上下区域；氢气通路5带动引射低压低速氢气进入气气混合管6，使二氧化碳和氢气进行充分混合实现氢气与二氧化碳的引射；

6、所述空气供给区包括热空气通路10、空气分流与加压区域11、空气进口栅板12、空气出口栅板13和补气区域14；空气分流与加压区域11临近空气通路10出口处，空气分流与加压区域11包括临近空气通路10出口处从喷嘴内壁向内延伸的凹面，以及连接凹面与喷嘴内壁远离空气通路10出口处的直面；空气进口栅板12一端连接在空气分流与加压区域11的凹面与直面连接处，一端连接在气气混合管6之后渐扩段的起始处；空气出口栅板13位于空气分流与加压区域11和空气进口栅板12之后，所述气体燃料供给区下方的区域为补气区域14。

7、所述的加速装置4的渐缩段内壁与轴线所成角为角a，角a在30°～40°，渐扩段内壁与轴线所成角为角b，角b为5°～15°；气气混合管6的入口段与轴线所成角为角c，角c为在40°～50°，出口段与轴线所成角为角d，角d为15°～25°；加压结构7两内壁面夹角为角e，角e为125°～135°。

8、所述煤粉燃料供给区包括引射空气通路15、煤粉通路16、锁气器17和气固混合管18；引射空气通路15的空气经过渐缩区域，出口与气固混合管18前的渐缩段相连接，煤粉通路16与锁气器17相连，布置在气固混合管18前的渐缩段之前的侧壁处与引射空气通路15成90°夹角；气固混合管18之后为渐扩而后渐缩的管道形式与喷嘴空腔相连接。

9、所述引射空气通路15的渐缩段内壁与轴线所成角为角f，角f为15°～25°；气固混合管18的入口段与轴线的所成角为角g，角g为50°～60°，出口段与轴线的所成角为角h，角h为9°～19°。

10、所述二氧化碳调节区包括二氧化碳调节通路19、二氧化碳角度调节器20，二氧化碳包覆管路21、二氧化碳喷口22和燃料喷口23；二氧化碳调节通路19出口分为两路，一路经过二氧化碳角度调节器20与喷嘴空腔相连接，二氧化碳角度调节器20通过改变出口角度达到调节气流方向的作用；另一路经过二氧化碳包覆管路21与二氧化碳喷口22相连接通；二氧化碳包覆管路21整体形式为渐扩流道，起到加压作用；二氧化碳包覆管路21和二氧化碳喷口22包覆在燃料喷口23的外侧，起到控制喷嘴1喉部温度恒定的作用；二氧化碳喷口22喷射高压二氧化碳，抑制由于氢气爆燃而产生的激波对煤粉燃烧的影响，同时以此防止发生回火现象，保护喷嘴喷口23。

11、所述的点火装置包括包括连动杆24、聚光镜25、高能激光束26和温度传感器27；连动杆24与聚光镜25连接，能够调节聚光镜25的聚焦位置，高能激光束26通过聚光镜25聚光，高能激光束26聚光后能够提供足够的能量远距离点燃氢气与淡煤粉气流的混合气体，温度传感器27检侧炉膛温度，根据炉膛温度自动关闭高能激光束26。

12、所述的一种基于气固燃料掺混的燃烧器的调控方法，包括以下步骤：

13、步骤1，氢气与二氧化碳的引射：通过二氧化碳通路3控制喷嘴入口二氧化碳流量，二氧化碳通路3中二氧化碳经过加速装置4，从亚音速加速到超音速达到引射条件，在气气混合管6前的收缩段内引射来自氢气通路5的低压低速的氢气进入气气混合管6，使二氧化碳和氢气进行充分混合；

14、步骤2，空气的调节：通过热空气通路10控制喷嘴入口热空气流量，空气通路10的出口热空气通过空气分流与加压区域11的凹面转向后分为两路，一条热空气流经空气进口栅板12，而后经过空气分流与加压区域通往空气出口栅板13，之后进入喷嘴空腔内部；另一股热空气经过气气混合管6的外壁以起到保持温度恒定的作用，之后空气气流流入补气通路14；

15、步骤3，空气与煤粉的混合：通过引射空气通路15控制进口空气流量经过渐缩区域使空气加速，引射煤粉通路16的煤粉气流，煤粉气流经过锁气器17的锁气作用，控制进入气固混合管18的煤粉更为纯净，排除杂质气体达到更好的引射效果；在空气引射作用下，煤粉和空气进入气固混合管18充分混合形成煤粉气流，煤粉气流经过气固混合管的渐缩喷口进入喷嘴空腔，与流出空气出口栅板13热空气进行一次掺混，形成煤粉气流；

16、步骤4，气固两相的掺混：来自气气混合管6的氢气与二氧化碳的混合气体经过加压结构7的加压，从煤粉侧混合气体喷口8喷出的加压混合气体与热空气和煤粉燃料供给区的煤粉气流进行二次掺混，使煤粉气流与氢气、二氧化碳混合气流的角度呈90°，以达到气体燃料与固体燃料的掺混作用，实现燃料浓淡分离的效果；空气侧混合气体喷口9喷出的加压混合气体与补气通路14中的热空气进行混合，补气通路14中的热空气为混合气体燃料提供氧气补充；保证混合气体燃料与足够的氧气剧烈反应，而不与固体燃料争夺氧气，使气固燃料都有充足氧气燃烧而充分燃尽；

17、步骤5，二氧化碳的调节：来自二氧化碳调节通路19出口的二氧化碳分为两路，一路二氧化碳经过二氧化碳角度调节器20进入喷嘴空腔内，通过调节二氧化碳角度调节器20的方向，控制掺混后的气流方向，使燃料能够进入喷嘴缩放喉部喷口处以正常进入炉膛燃烧；另一路二氧化碳经过二氧化碳包覆管路21与二氧化碳喷口22；通过二氧化碳喷口22喷入炉膛，混合燃料通过喷嘴缩放喉部经过燃料喷口23喷入炉膛；二氧化碳喷口22喷射高压二氧化碳，抑制由于氢气爆燃而产生的激波对煤粉燃烧的影响，同时以此防止发生回火现象，保护燃料喷口23；

18、步骤6，点火装置的启动：通过调节连动杆24改变聚光镜25的照射角度，使高能激光束26释放高能量密度的激光束点燃氢气和淡煤粉区域以达到远距离点火的目的；同时利用温度传感器24检侧炉膛温度稳定后，自动关闭高能激光束26，之后通过连动杆24复位聚光镜25。

19、和现有技术相比较，本发明具备如下优点：

20、本发明根据煤粉与氢气的燃料特性设计了一种燃烧器及调控方法，利用了二氧化碳能够抑制氢气爆燃的特性，同时根据燃料特性设计了喷嘴构型，使空气、煤粉、氢气、二氧化碳实现有效的混合。该燃烧器及调控方法能够实现煤粉与氢气两种燃料的有效掺混和稳定燃烧，并考虑了由于氢气燃烧激波而产生的危害并对其进行抑制，该构型高效、节能、环保。