空气燃料双分级高比例掺氢超低氮燃烧器、方法、锅炉技术

本发明专利技术公开一种空气燃料双分级高比例掺氢超低氮燃烧器、方法、锅炉，该燃烧器包括同轴设置的二级外旋流叶片、环形氢燃料分配室、二次风通道、预混室、外旋流叶片、内旋流叶片、二级氢燃料喷嘴、一级混合燃料分配室以及二级内旋流叶片；通过设置内外旋流叶片，设两级燃料喷嘴分两次送入氢燃料，采用贫预混燃烧与扩散燃烧相结合的方法，有效改善燃料在贫预混工况下的燃烧工况，在实现更低氮氧化物排放的同时，拥有更稳定的燃烧状态；另一方面引入旋流二次风对燃烧腔内的流场实现有效控制，从而兼容不同掺氢比例的天然气掺氢混合气体并提升最高掺氢比例至50％，显著减少燃烧产生的二氧化碳和一氧化碳的排放量，推动能源结构低碳化调整。调整。调整。

【技术实现步骤摘要】
空气燃料双分级高比例掺氢超低氮燃烧器、方法、锅炉


[0001]本专利技术属于热能工程
，具体是通过空气和燃料分级以及优化燃烧器结构从而实现超低氮氧化物排放的一种空气燃料双分级高比例掺氢超低氮燃烧器、方法、锅炉。

技术介绍

[0002]随着全球范围内碳减排政策的不断推进，氢气作为一种在其直接利用过程中不直接产生诸如含碳化合物与硫氧化物以及烟尘等污染物的高能量密度的气体燃料和绿色清洁高效的新型储能介质，被视为如今最有发展潜力的清洁能源之一，目前中国已经正式将氢能列入能源范畴，并不断推进相应产业的建设。氢能的蓬勃发展主要得益于其对能源结构过渡过程的润滑作用，氢能可以通过电解水的方式有效地消纳风力发电、水力发电和光伏发电等可再生能源发电所产生的弃电，从而将无法并网的电量通过储氢的方式进行储存并在氢能产业链的下游进行灵活地利用。
[0003]目前氢气主要作为化工原料和气体燃料被用于工业领域，其中氢气作为燃料通过燃料电池和燃烧器等设备进行利用是推进我国热电行业碳减排的重要驱动力之一，但受制于经济性、配套基础设施建设以及相关技术瓶颈等问题，纯氢气作为燃料利用目前除了在移动交通领域通过质子交换膜燃料电池进行了初步商业化之外，在其他领域的建设利用仍需要较长一段时间，整体上对能源结构低碳化调整的贡献十分有限。而将氢气掺入天然气中形成掺氢天然气混合气并对其进行燃烧利用是目前氢能推进能源结构低碳化调整的最佳过渡方案之一。
[0004]借助于四通八达的天然气管网，氢气可以通过天然气管道与天然气进行混输，并在下游进行分离或者是直接对混合气进行利用，但是由于氢气自身的物理化学特性与天然气相差较大，且氢气存在较高的泄漏和渗漏风险并对金属存在氢脆效应，为了保证运输过程中的安全性，目前天然气管道掺氢运输的掺氢比例一般被限制在30％以下。同时，由于氢气的可燃范围、燃烧温度、燃烧速度等燃烧特性参数与天然气相差较大，所以使用天然气燃烧器直接燃烧氢气很容易引发热声不稳定和回火等燃烧不稳定问题，同时其氮氧化物排放也难以达到超低排放的标准，因此如果不对燃烧器的结构进行针对性的优化设计，那么传统天然气燃烧器仅仅只能对掺氢比例在10％
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20％的低比例天然气掺氢混合气进行燃烧，难以实现20％以上的高比例掺氢的天然气掺氢混合气的稳定燃烧。
[0005]另一方面，目前天然气燃烧器为了追求更低的氮氧化物排放、更高的燃烧效率以及更紧凑的燃烧器结构，大多都采用燃料空气当量比小于1的贫预混燃烧技术，使天然气的实际燃烧工况偏离其理论上的完全燃烧工况，迫使其在更接近其本身贫燃极限的工况下燃烧。虽然贫预混燃烧技术能够更充分地混合燃料和空气，并通过降低燃烧时的火焰温度来有效地降低氮氧化物的排放量，但是由于其偏离理论上的化学当量比较多导致其对扰动的抵抗能力极差，而且燃烧器的实际运行过程中经常会对工况进行调整，因此贫预混燃烧过程中存在十分严重的燃烧不稳定问题，危害燃烧器的正常工作。
[0006]综上所述，如果可以通过一定的技术手段去改善天然气的贫预混燃烧过程，并对
燃烧器的结构进行有针对性地优化，使其可以燃烧20％以上的高比例掺氢的天然气掺氢混合气，那么不仅可以在保证稳定燃烧的情况下有效降低燃烧时氮氧化物的排放量，还可以有效降低燃烧时二氧化碳和一氧化碳的排放量，利用氢气推进我国能源结构低碳化调整。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种空气燃料双分级高比例掺氢超低氮燃烧器，改善天然气的贫预混燃烧过程，使其可以燃烧20％以上的高比例掺氢的天然气掺氢混合气，不仅可以在保证稳定燃烧的情况下有效降低燃烧时氮氧化物的排放量，还可以有效降低燃烧时二氧化碳和一氧化碳的排放量，利用氢气推进能源结构低碳化调整，利用空气和燃料分级的思想有针对性地优化燃烧器结构，通过设置内外旋流叶片和两级燃料喷嘴分两次送入空气和氢燃料(本专利技术所述的氢燃料特指纯氢气或氢气氨气混合气)，一方面利用氢燃料可燃范围更广的燃烧特性改善燃料在贫预混工况下的燃烧工况，在实现更低氮氧化物排放的同时，拥有更稳定的燃烧状态，另一方面借助二级燃料喷嘴，在保证燃烧稳定性的同时，有效提高天然气掺氢混合气的掺氢比例，从而显著减少二氧化碳和一氧化碳的排放量，推动我国能源结构低碳化调整。
[0008]为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：一种空气燃料双分级高比例掺氢超低氮燃烧器，包括二级外旋流叶片、环形氢燃料分配室、二次风通道、燃料扩散孔、预混室、外旋流叶片、内旋流叶片、二级氢燃料喷嘴、二级内旋流叶片、法兰盘、二级掺氢燃料管路、一级混合燃料分配室、一级燃料管路，其中二级外旋流叶片、环形氢燃料分配室、二次风通道、预混室、外旋流叶片、内旋流叶片、二级氢燃料喷嘴、一级混合燃料分配室以及二级内旋流叶片同轴设置，环形氢燃料分配室和一级混合燃料分配室布置在预混室外侧，二次风通道位于一级混合燃料分配室外侧，内旋流叶片和二级内旋流叶片分别设置在预混室入口端和出口端，外旋流叶片和二级外旋流叶片分别设置在二次风通道的入口端和出口端；环形氢燃料分配室的入口端和出口端分别连通二级掺氢燃料管路和二级氢燃料喷嘴，一级混合燃料分配室的入口和出口端分别连通一级燃料管路和一级混合燃料分配室；预混室的壁面上开设多个燃料扩散孔；一级燃料管路连接有一级掺氢燃料管路。
[0009]二级氢燃料喷嘴沿周向均匀布置多个氢燃料喷头，氢燃料喷头为渐缩式喷头，氢燃料喷头的孔径小于1.2mm。
[0010]氢燃料喷头采用径向喷头或轴向直喷头。
[0011]二级内旋流叶片和内旋流叶片的旋向与二级外旋流叶片和外旋流叶片的旋向相反；内旋流叶片与二级内旋流叶片的旋向相同，二级外旋流叶片和外旋流叶片的旋向相同。
[0012]二级外旋流叶片、外旋流叶片、内旋流叶片和二级内旋流叶片均采用高角度可连续调节的结构。
[0013]燃料扩散孔设置改变孔径的结构，预混室的壁面上可以设置有多排与预混室同轴分布的圆柱形挡板，挡板上设置有与燃料扩散孔完全对应的孔，可以通过旋转圆柱形挡板实现燃料扩散孔中部分孔的关闭或开启；一级混合燃料分配室与燃料扩散孔沿轴向分布范围相同。
[0014]二级掺氢燃料管路与氢燃料分配室之间设置第一流量调节阀；二级掺氢燃料管路经第二流量调节阀连接一级燃料管路，一级燃料管路连通第一流量调节阀的阀前管道。
[0015]环形氢燃料分配室的壁面采用铁素体钢或者是添加镍、铜的抗氢脆钢材，或环形氢燃料分配室的壁面涂覆铝化物涂层、铂涂层或新型氧化物涂层。
[0016]燃烧器整体为筒状，燃料扩散孔沿轴向分布范围为预混室长度的一半，一级燃料管路的直径大于一级掺氢燃料管路直径，燃烧器外侧设置法兰盘。
[0017]本专利技术还提供一种锅炉，采用上述空气燃料双分级高比例掺氢超低氮燃烧器。
[0018]基于本专利技术所述的空气燃料双分级高比例掺氢超低氮燃烧器的燃烧方法，经过内旋流叶片进入预混室的来流空气作为一次风与进入预混室内的天然气氢燃料混合气混合形成预混气后经二级内旋流叶片本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种空气燃料双分级高比例掺氢超低氮燃烧器，其特征在于：包括二级外旋流叶片(1)、环形氢燃料分配室(2)、二次风通道(3)、燃料扩散孔(4)、预混室(5)、外旋流叶片(6)、内旋流叶片(7)、二级氢燃料喷嘴(8)、二级内旋流叶片(9)、法兰盘(10)、二级掺氢燃料管路(11)、一级混合燃料分配室(12)、一级燃料管路(13)，其中二级外旋流叶片(1)、环形氢燃料分配室(2)、二次风通道(3)、预混室(5)、外旋流叶片(6)、内旋流叶片(7)、二级氢燃料喷嘴(8)、一级混合燃料分配室(12)以及二级内旋流叶片(9)同轴设置，环形氢燃料分配室(2)和一级混合燃料分配室(12)布置在预混室(5)外侧，二次风通道(3)位于一级混合燃料分配室(12)外侧，内旋流叶片(7)和二级内旋流叶片(9)分别设置在预混室(5)入口端和出口端，外旋流叶片(6)和二级外旋流叶片(1)分别设置在二次风通道(3)的入口端和出口端；环形氢燃料分配室(2)的入口端和出口端分别连通二级掺氢燃料管路(11)和二级氢燃料喷嘴(8)，一级混合燃料分配室(12)的入口和出口端分别连通一级燃料管路(13)和一级混合燃料分配室(12)；预混室(5)的壁面上开设多个燃料扩散孔(4)；一级燃料管路(13)连接有一级掺氢燃料管路(131)。2.根据权利要求1所述的空气燃料双分级高比例掺氢超低氮燃烧器，其特征在于：二级氢燃料喷嘴(8)沿周向均匀布置多个氢燃料喷头(81)，氢燃料喷头(81)为渐缩式喷头，氢燃料喷头(81)的孔径小于1.2mm。3.根据权利要求1所述的空气燃料双分级高比例掺氢超低氮燃烧器，其特征在于：氢燃料喷头(81)采用径向喷头或轴向直喷头。4.根据权利要求1所述的空气燃料双分级高比例掺氢超低氮燃烧器，其特征在于：二级内旋流叶片(9)和内旋流叶片(7)的旋向与二级外旋流叶片(1)和外旋流叶片(6)的旋向相反；内旋流叶片(7)与二级内旋流叶片(9)的旋向相同，二级外旋流叶片(1)和外旋流叶片(6)的旋向相同。5.根据权利要求1所述的空气燃料双分级高比例掺氢超低氮燃烧器，其特征在于：二级外旋流叶片(1)、外旋流叶片(6)、内旋流叶片(7)和二级内旋流叶片(9)均采用高角度可连续调节的结构。6.根据权利要求1所述的空气燃料双分级高比例掺氢超低氮燃烧器，其特征在于：燃料扩散孔(4)设置改变孔径的结构，预混室(5)的壁面上可以设置有多排与预混室(5)同轴分布的圆柱形挡板(41)，挡板上设置有与燃料扩散孔(4)完全对应的孔，可以通过旋转圆柱形挡板(41)实现燃料扩散孔(4)中部分孔的关闭或开启；一级混合燃料分配室(12)与燃料扩散孔(4)沿轴向分布范围相同。7.根据权利要求1所述的空气燃料双分级高比例掺氢超低氮燃烧器，其特征在于：二级掺氢燃料管路(11)与氢燃料分配室之间设置第一流量调节阀(14)；二级掺氢燃料管路(11)经第二流量调节阀(15)连接一级燃料管路(13)，一级燃料管路(13)连通第一流量调节阀...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宗一，赵钦新，邓世丰，邵怀爽，梁志远，王云刚，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：