一种氢气水蒸气富氧无焰燃烧器制造技术

本发明专利技术属于无焰燃烧器领域，并具体公开了一种氢气水蒸气富氧无焰燃烧器，其中氢气喷管与燃烧室连接；第一水蒸气喷管套设在氢气喷管的外侧，并与燃烧室连接，用于在预热阶段向燃烧室喷射水蒸气；一次风喷管套设在第一水蒸气喷管的外侧，并与燃烧室连接，用于在预热阶段向燃烧室喷射一次风；二次风喷管与燃烧室连接，用于在无焰燃烧阶段向燃烧室喷射二次风；燃烧室用于为氢气进行富氧燃烧提供空间。本发明专利技术利用水蒸气将一次风与氢气分隔，能够有效降低氢气的燃烧速率，从而提高燃烧器的安全性，待达到预设温度后，切换为二次风喷管提供氧气以此实现氢气的无焰燃烧，能够保证燃烧器内的温度分布较为均匀，从而避免了氢气燃烧产生的安全隐患。

A kind of flameless burner with oxygen enriched hydrogen and water vapor

【技术实现步骤摘要】
一种氢气水蒸气富氧无焰燃烧器
本专利技术属于无焰燃烧器领域，更具体地，涉及一种氢气水蒸气富氧无焰燃烧器。
技术介绍
近年来，随着人类对化石能源的快速消费，环境问题日趋严重，其中化石能源燃烧产生的氮氧化物是形成酸雨和PM2.5的主要原因之一，同时化石燃料燃烧产生的CO2也会加剧温室气体效应，对环境造成极大的影响。氢气作为一种新型燃料因其具有诸多优点而备受关注，例如氢气因燃烧热值高，故燃烧氢气产生的能量较高；氢气燃烧之后的产物只有水，因此氢气燃烧具有清洁无污染的特点；此外，氢气可以直接由水获得，可以循环使用。然而，氢气燃烧也有难以克服的缺点：氢气热值高，相应的燃烧温度高，导致伴随着氢气燃烧的氮氧化物(NOx)排放也较高；氢气的燃烧速率极快又极易爆炸，所以氢气燃烧的安全隐患也限制了氢气的大规模使用。此外，寻找一种新的燃烧技术也是降低污染物排放的另一条途径，富氧燃烧和无焰燃烧近年来受到持续关注，传统富氧燃烧是以二氧化碳代替氮气稀释氧气，使得烟气中含有大量的二氧化碳，从而有利于对二氧化碳的捕集和封存，同时二氧化碳相对于氮气具有更高的热容，因此燃烧温度相对较低，进而NOx的排放量会在一定程度上降低。无焰燃烧作为一种新兴技术具有如下优点：反应速率低、局部释热少、热流分布均匀、燃烧温度低且分布均匀、无火焰锋面、噪音极小，且NOx排放极低。富氧燃烧和无焰燃烧结合起来的技术被称为富氧无焰燃烧技术，该技术综合了富氧燃烧和无焰燃烧的优点，能够更大程度的降低氮氧化物的排放。目前对无焰燃烧技术的研究已取得较大进展，例如CN201310624080.3提出了一种煤粉富氧无焰燃烧方法及其系统，该专利技术在富氧燃烧富集二氧化碳的基础上通过无焰燃烧提高其稳定性、燃尽率和辐射换热；CN201410528106.9提出了一种富氧燃气无焰燃烧器，该专利技术可将无焰燃烧和富氧燃烧有机结合，实现了无焰燃烧，优化了炉内温度分布同时降低了NOx排放。然而，目前现有的富氧燃烧器均是以二氧化碳作为氧化剂稀释剂，而针对氢气燃料采用水蒸气作为稀释剂可以获得高纯度的水蒸气烟气，利于烟气捕水和降低NOx生成；同时，对于氢气这种燃烧速率极快的燃料，目前还没有相关无焰燃烧器的专利技术专利，这使得氢气这种清洁能源的利用受到一定限制。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种氢气水蒸气富氧无焰燃烧器，其中结合富氧燃烧和无焰燃烧自身的特征，对其关键组件如第一水蒸气喷管、一次风喷管和二次风喷管的结构及其具体设置方式进行研究和设计，相应的可实现氢气的富氧无焰燃烧，并有效解决燃料燃烧过程产生大量氮氧化物的问题，且能直接实现烟气捕水，因而尤其适用于氢气燃烧的应用场合。为实现上述目的，本专利技术提出了一种氢气水蒸气富氧无焰燃烧器，包括氢气喷管、第一水蒸气喷管、一次风喷管、二次风喷管、第一保温管道、第二保温管道和燃烧室，其中：所述氢气喷管与所述燃烧室连接，用于向所述燃烧室喷射氢气；所述第一水蒸气喷管套设在所述氢气喷管的外侧，并与所述燃烧室连接，用于在预热阶段向所述燃烧室喷射水蒸气，进而降低所述氢气的燃烧速率；所述一次风喷管套设在所述第一水蒸气喷管的外侧，并与所述燃烧室连接，用于在预热阶段向所述燃烧室喷射水蒸气与氧气的混合气体作为一次风，从而为所述氢气进行富氧有焰燃烧提供氧气；同时所述第一水蒸气喷管和一次风喷管的出口分别沿周向方向均匀布置有第一旋流叶片和第二旋流叶片，用于带动所述水蒸气和一次风以相同的旋流度沿所述氢气喷管的轴线旋转；所述二次风喷管与所述燃烧室连接，用于在无焰燃烧阶段向所述燃烧室喷射水蒸气与氧气的混合气体作为二次风，从而为所述氢气进行富氧无焰燃烧提供氧气；所述第一保温管道套设在所述氢气喷管、第一水蒸气喷管和一次风喷管的外侧，用于预热所述氢气、水蒸气和一次风，同时避免所述水蒸气发生冷凝；所述第二保温管道套设在所述二次风喷管的外侧，用于预热所述二次风；所述燃烧室用于为所述氢气进行富氧燃烧提供空间。作为进一步优选地，所述氢气喷管的进口设置有防回火腔，用于稳定所述氢气的进气压力，从而保证燃烧过程的安全性，所述防回火腔的数量为1个～3个。作为进一步优选地，所述氢气水蒸气富氧无焰燃烧器还包括第二水蒸气管道，所述第二水蒸气管道与二次风喷管连接，用于将烟气中的水蒸气通入所述二次风中，进而稀释所述二次风中氧气的浓度。作为进一步优选地，将燃烧产生的烟气通入所述第一保温管道和第二保温管道中，从而实现所述烟气的余热回收利用。作为进一步优选地，所述水蒸气和一次风的旋流度优选为0.7～0.9。作为进一步优选地，所述一次风喷管的直径为所述氢气喷管直径的1.5倍～3倍，所述二次风喷管的直径为所述氢气喷管直径的1倍～5倍。作为进一步优选地，所述一次风和二次风中氧气的浓度优选为10％～50％，无焰燃烧阶段，所述燃烧室中氧气的浓度优选为2％～10％。作为进一步优选地，所述燃烧室内设置有喷水减温管，用于向所述燃烧室内喷水，从而降低局部高温区的温度。作为进一步优选地，所述氢气水蒸气富氧无焰燃烧器还包括设置在所述燃烧室内的钝体，所述钝体内设置有冷却水管道，用于降低所述钝体的温度，预热阶段，所述钝体位于所述氢气喷管的出口，用于形成稳定火焰，无焰燃烧阶段，所述钝体贴紧所述燃烧室内壁，从而实现无焰燃烧。作为进一步优选地，所述二次风喷管的出口设置有1～5个喷口，通过改变所述喷口的数量调节所述二次风喷管的出口流速。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：1.本专利技术通过在氢气喷管外侧依次套设第一水蒸气喷管和一次风喷管，能够在预热阶段实现氢气的有焰燃烧，同时利用水蒸气将一次风与氢气分隔，能够有效降低氢气的燃烧速率，从而提高燃烧器的安全性，待达到预设温度后，切换为二次风喷管提供氧气以此实现氢气的无焰燃烧，能够保证燃烧器内的温度分布较为均匀，从而避免了氢气燃烧产生的安全隐患，同时本专利技术利用水蒸气稀释氧气，使得燃烧产生的烟气主要为水，因而有利于进行捕集再利用，实现近零排放；2.尤其是，本专利技术通过优化一次风喷管和二次风喷管的直径，能够保证有焰燃烧的安全性和无焰燃烧的均匀性；3.同时，针对氢气燃烧速率过快、容易发生爆炸的特点，本专利技术通过控制一次风和二次风中氧气的浓度，并优化燃烧室内的氧气浓度，能够有效控制氢气的燃烧速率，同时本专利技术在氢气喷管的进口设置防回火腔，能够稳定氢气的进气压力，避免因回火造成爆炸，此外本专利技术在燃烧室内设置减温管，能够有效降低局部高温区的温度，保证燃烧室内温度分布较为均匀。附图说明图1是按照本专利技术优选实施例构建的氢气水蒸气富氧无焰燃烧器的剖视图；图2是图1中A-A面的剖视图；图3是利用本专利技术提供的氢气水蒸气富氧无焰燃烧器构建的燃烧系统示意图。在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-氢气喷管，2-一次风喷管，3-二次风喷管，4-第一保温管道，5-第一水蒸气喷管，6-钝体，7-第一旋流叶片，7’-第二旋流叶片，8-喷水减温管，9-第二保温管道，10-第二水蒸气喷管，11-燃烧室，12-防回火腔，13-氢气水蒸气富氧无焰燃烧器，14-氧气流量计，15-氧气瓶，16-氢气流量计，17-氢气瓶，18-第三增压风机，19-第一增压风机，20-捕水箱，21本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氢气水蒸气富氧无焰燃烧器，其特征在于，包括氢气喷管(1)、第一水蒸气喷管(5)、一次风喷管(2)、二次风喷管(3)、第一保温管道(4)、第二保温管道(9)和燃烧室(11)，其中：所述氢气喷管(1)与所述燃烧室(11)连接，用于向所述燃烧室(11)喷射氢气；所述第一水蒸气喷管(5)套设在所述氢气喷管(1)的外侧，并与所述燃烧室(11)连接，用于在预热阶段向所述燃烧室(11)喷射水蒸气，进而降低所述氢气的燃烧速率；所述一次风喷管(2)套设在所述第一水蒸气喷管(5)的外侧，并与所述燃烧室(11)连接，用于在预热阶段向所述燃烧室(11)喷射水蒸气与氧气的混合气体作为一次风，从而为所述氢气进行富氧有焰燃烧提供氧气；同时所述第一水蒸气喷管(5)和一次风喷管(2)的出口分别沿周向方向均匀布置有第一旋流叶片(7)和第二旋流叶片(7’)，用于带动所述水蒸气和一次风以相同的旋流度沿所述氢气喷管(1)的轴线旋转；所述二次风喷管(3)与所述燃烧室(11)连接，用于在无焰燃烧阶段向所述燃烧室(11)喷射水蒸气与氧气的混合气体作为二次风，从而为所述氢气进行富氧无焰燃烧提供氧气；所述第一保温管道(4)套设在所述氢气喷管(1)、第一水蒸气喷管(5)和一次风喷管(2)的外侧，用于预热所述氢气、水蒸气和一次风，同时避免所述水蒸气发生冷凝；所述第二保温管道(9)套设在所述二次风喷管(3)的外侧，用于预热所述二次风；所述燃烧室(11)用于为所述氢气进行富氧燃烧提供空间。...

【技术特征摘要】
1.一种氢气水蒸气富氧无焰燃烧器，其特征在于，包括氢气喷管(1)、第一水蒸气喷管(5)、一次风喷管(2)、二次风喷管(3)、第一保温管道(4)、第二保温管道(9)和燃烧室(11)，其中：所述氢气喷管(1)与所述燃烧室(11)连接，用于向所述燃烧室(11)喷射氢气；所述第一水蒸气喷管(5)套设在所述氢气喷管(1)的外侧，并与所述燃烧室(11)连接，用于在预热阶段向所述燃烧室(11)喷射水蒸气，进而降低所述氢气的燃烧速率；所述一次风喷管(2)套设在所述第一水蒸气喷管(5)的外侧，并与所述燃烧室(11)连接，用于在预热阶段向所述燃烧室(11)喷射水蒸气与氧气的混合气体作为一次风，从而为所述氢气进行富氧有焰燃烧提供氧气；同时所述第一水蒸气喷管(5)和一次风喷管(2)的出口分别沿周向方向均匀布置有第一旋流叶片(7)和第二旋流叶片(7’)，用于带动所述水蒸气和一次风以相同的旋流度沿所述氢气喷管(1)的轴线旋转；所述二次风喷管(3)与所述燃烧室(11)连接，用于在无焰燃烧阶段向所述燃烧室(11)喷射水蒸气与氧气的混合气体作为二次风，从而为所述氢气进行富氧无焰燃烧提供氧气；所述第一保温管道(4)套设在所述氢气喷管(1)、第一水蒸气喷管(5)和一次风喷管(2)的外侧，用于预热所述氢气、水蒸气和一次风，同时避免所述水蒸气发生冷凝；所述第二保温管道(9)套设在所述二次风喷管(3)的外侧，用于预热所述二次风；所述燃烧室(11)用于为所述氢气进行富氧燃烧提供空间。2.如权利要求1所述的氢气水蒸气富氧无焰燃烧器，其特征在于，所述氢气喷管(1)的进口设置有防回火腔(12)，用于稳定所述氢气的进气压力，从而保证燃烧过程的安全性，所述防回火腔(12)的数量为1个～3个。3.如权利要求1或2所述的氢气水蒸气富氧无焰燃烧器，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：李鹏飞，邹远龙，李文浩，张萌杰，周博斐，李颖，柳朝晖，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42