1.本实用新型属于气体低碳低氮清洁燃烧技术领域，具体涉及一种低压低热值气体燃料及氢气掺混燃烧装置。


背景技术：

[0002]“碳达峰碳中和”目标的提出，对碳排放强度高的企业(如钢厂、化工厂等)提出了严峻挑战。另一方面在环保及运行成本压力双向驱动下，企业开始逐渐实现工艺流程产生的低热值气体的充分高效利用。受限于工艺，低热值气体燃料含有大量不可燃成分(如氮气、二氧化碳或水蒸汽)，而可燃成分(如一氧化碳或氢气)通常仅为约25％，热值一般小于1500kcal/nm3，压力小于5kpa。
[0003]
为了减少可再生能源“弃风弃光”等现象，由可再生能源制取“绿氢”成为重点发展方向，分布式太阳能制氢技术也蓬勃发展。但目前氢气大规模储运成本高、氢燃料电池技术尚不成熟、氢气消费场景较少，通过往现有气体燃料中掺混氢气进行燃烧不仅可以解决氢气储运难的现状下可再生能源制氢就地消纳问题，实现制氢用氢闭环利用，还可以降低企业碳排放、减少运行燃料成本。
[0004]
低压低热值气体燃料由于热值及气压较低且一般携带部分液态水，在燃烧过程中由于炉内温度较低，低负荷下易出现灭火，影响锅炉等设备的安全正常运行。有研究表明将氢气通过单独的通道通入燃烧室中参与燃烧可以改善燃烧火焰稳定性。然而氢气与低热值气掺混方式及氢气喷入空间位置等对炉内火焰的影响尚缺乏详细的研究，且氢气由于其火焰传播速度快，在燃烧中极易发生回火。因此有必要开发出适用于低压低热值气体燃料及氢气动态掺混非预混燃烧的新型装置，以同时满足最新排放要求及锅炉性能要求。


技术实现要素：

[0005]
为了克服上述现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供了一种低压低热值气体燃料及氢气掺混燃烧装置，能够实现低压低热值气体燃烧的稳定高效燃烧，降低企业碳排放及燃料成本。
[0006]
为达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
[0007]
一种低压低热值气体燃料及氢气掺混燃烧装置，包括中心氢气长明灯、中心助燃风筒、气体燃料筒、氢气枪管组件及主助燃风筒；
[0008]
中心助燃风筒、气体燃料筒和主助燃风筒由内到外同轴设置，中心氢气长明灯设置于中心助燃风筒内，中心氢气长明灯出口设置于中心助燃风筒的出口处，中心氢气长明灯的出口处设有点火装置；
[0009]
中心助燃风筒与气体燃料筒之间在出口处设置有燃气环形旋流盘，气体燃料筒与主助燃风筒之间在出口处设置有空气环形旋流盘；
[0010]
氢气枪管组件枪管的出口穿过燃气环形旋流盘，枪管的出口设有氢气喷枪头；
[0011]
中心助燃风筒上设置有中心助燃风入口，主助燃风筒上设置有主助燃风入口，气
体燃料筒上设置有气体燃料入口。
[0012]
优选的，中心助燃风筒为一端有底的圆柱筒，中心助燃风筒的无底端为出口，中心氢气长明灯贯穿中心助燃风筒的底部并与中心助燃风筒同轴设置，中心氢气长明灯出口的喷射方向沿中心助燃风筒的径向设置，中心助燃风入口设置于中心助燃风筒有底的一端并与中心助燃风筒垂直连接。
[0013]
优选的，点火装置与中心氢气长明灯一起贯穿中心助燃风筒的底部并延伸至中心助燃风筒的出口。
[0014]
优选的，气体燃料筒为一侧有底的圆柱筒，气体燃料筒的底部为圆环形，气体燃料筒的底部通过中心孔套在中心助燃风筒的外部，气体燃料筒无底的一端延伸至中心助燃风筒的出口端，燃气环形旋流盘套设于中心助燃风筒的外部并位于气体燃料筒的出口端，气体燃料入口设置于气体燃料筒上靠近有底的一端，气体燃料入口与气体燃料筒之间垂直连接。
[0015]
优选的，氢气枪管组件包括集气环和若干枪管，集气环为环形腔室结构，集气环通过中心孔套设于气体燃料筒上有底的一端，枪管的一端与集气环的底部连接，枪管的另一端穿过气体燃料筒的底部、沿气体燃料筒与中心助燃风筒之间的环腔以及贯穿燃气环形旋流盘延伸至气体燃料筒的出口；若干枪管沿气体燃料筒的周向均匀分布且与气体燃料筒的轴线平行；若干枪管与集气环的连接点均匀分布于集气环的底部；集气环的侧壁上沿径向设置有氢气入口。
[0016]
优选的，燃气环形旋流盘在中心助燃风筒和气体燃料筒之间的连接方式为可活动连接方式，燃气环形旋流盘上连接有能够操纵燃气环形旋流盘沿气体燃料筒的轴向进行位置调节的燃气环形旋流盘轴向调节杆。
[0017]
优选的，主助燃风筒包括大径段和小径段，大径段为有底圆柱筒，大径段的底部均为圆环状，大径段通过一个底部的中心孔套设在气体燃料筒上，小径段为一无底圆柱筒，小径段的内径大于气体燃料筒的外径，小径段的一端与大径段在大径段的另一个底部中心孔处连接，小径段的另一端延伸至气体燃料筒的出口端，空气环形旋流盘套设于气体燃料筒的外部并位于小径段的出口端，主助燃风入口设置于大径段的侧壁并与大径段轴线垂直。
[0018]
优选的，空气环形旋流盘在气体燃料筒和小径段之间的连接方式为可活动连接方式，空气环形旋流盘上连接有能够操纵空气环形旋流盘沿小径段的轴向进行位置调节的空气环形旋流盘轴向调节杆。
[0019]
优选的：燃气环形旋流盘的旋向可为正旋或反旋，旋流角度可在15
°‑
75
°
；
[0020]
空气环形旋流盘的旋向可为正旋或反旋，旋流角度可在15
°‑
75
°
；
[0021]
氢气喷枪头径向均匀设有若干能够以伞状形式喷射的喷孔，喷孔的喷射方向与氢气喷枪头的轴向夹角为15
°‑
75
°
。
[0022]
优选的：中心助燃风筒出口端不凸出于主助燃风筒出口端，中心氢气长明灯出口不凸出于主助燃风筒出口端，氢气喷枪头凸出于燃气环形旋流盘、不凸出于中心助燃风筒出口端，空气环形旋流盘不凸出于氢气喷枪头；
[0023]
中心助燃风筒及主助燃风筒在各自入口一侧均装有火焰检测器及观火镜。
[0024]
本实用新型具有以下有益效果：
[0025]
本实用新型低压低热值气体燃料及氢气掺混燃烧装置由内到外依次为中心助燃
风筒、气体燃料筒和主助燃风筒，中心氢气长明灯出口设置于中心助燃风筒的出口处，氢气枪管组件枪管的出口穿过燃气环形旋流盘，枪管的出口设有氢气喷枪头，同时在中心助燃风筒与气体燃料筒之间在出口处设置有燃气环形旋流盘，气体燃料筒与主助燃风筒之间在出口处设置有空气环形旋流盘，本实用新型的低压低热值气体燃料及氢气掺混燃烧装置在出口建立从中心向外形成“气-风-气-风”层层支撑扩散的完整燃烧，实现低压低热值气体燃料及氢气掺混燃烧。通过设置中心氢气长明灯，能够将高热值的氢气扩散燃烧，引燃经气体燃料筒旋流喷出的低热值气体燃料和经氢气喷枪头伞状喷出的氢气混合气体，从而实现低压低热值气体燃烧的稳定高效燃烧。
附图说明
[0026]
图1为本实用新型低压低热值气体燃料及氢气掺混燃烧装置的结构示意剖视图；
[0027]
图2为本实用新型低压低热值气体燃料及氢气掺混燃烧装置的结构示意俯视图；
[0028]
图3为本实用新型低压低热值气体燃料及氢气掺混燃烧装置的结构示意三维等轴测图；
[0029]
图4为本实用新型低压低热值气体燃料及氢气掺混燃烧装置的氢气喷枪头结构示意图；
[0030]
图5为本实用新型低压低热值气体燃料及氢气掺混燃烧装置的燃烧器喉口的结构示意后视图。
[0031]
其中，1为中心氢气长明灯、2为中心助燃风入口、3为主助燃风入口、4为气体燃料入口、 5为氢气入口、6为中心助燃风筒、7为气体燃料筒、8为主助燃风筒、9为氢气枪管组件、9-1 为枪管、9-2为集气环、10为高能点火装置、11为燃气环形旋流盘、12为空气环形旋流盘、 13为氢气喷枪头、13-1为伞状斜槽、14为缩环结构、15为火焰检测器、16为观火镜、17为燃气环形旋流盘轴向调节杆、18为空气环形旋流盘轴向调节杆。
具体实施方式
[0032]
下面结合附图和实施例详细说明本实用新型的实施方式。附图描述的实例仅仅是示例性的，仅仅用于解释此实用新型，而不能解释为对本实用新型的限制。
[0033]
为了提高低压低热值气体燃料燃烧稳定性，降低燃料成本和碳排放，本实用新型提出一种低压低热值气体燃料及氢气掺混燃烧装置，该燃烧装置是一种低压低热值气体燃料及氢气动态掺混非预混燃烧装置，参考图1、图2、图3及图4，以下以图1所示的方位为例进行说明，该低压低热值气体燃料及氢气掺混燃烧装置由内向外逐级布置有中心氢气长明灯1、中心助燃风筒6、气体燃料筒7、氢气枪管组件9及主助燃风筒8，中心氢气长明灯1配有高能点火装置10，中心助燃风筒6与气体燃料筒7之间在它们的出口(右端)位置布置有燃气环形旋流盘11，气体燃料筒7与主助燃风筒8之间在它们的出口(右端)布置有空气环形旋流盘12，燃气环形旋流盘11上对称的两侧和空气环形旋流盘12上对称的两侧均装有轴向调节杆(分别为燃气环形旋流盘轴向调节杆17和空气环形旋流盘轴向调节杆18)，氢气枪管组件9的枪管穿过燃气环形旋流盘11上的叶片，所有的枪管沿燃气环形旋流盘11的周向均匀分布，各个枪管顶部(即右端)均配有氢气喷枪头13，中心助燃风筒6的左端设置有中心助燃风入口2，中心助燃风入口2与中心助燃风筒6的侧壁垂直连接，主助燃风筒8的左端设置有主
助燃风入口 3，主助燃风入口3与主助燃风筒8轴线垂直，主助燃风筒8整体呈阶梯状，包括大径段和小径段，结构采用如上所述的结构；气体燃料筒7的左端设置有气体燃料入口4，氢气枪管组件9包括集气环9-2及若干枪管9-1，集气环9-2套装在气体燃料筒7左端外侧，枪管穿过气体燃料筒7密封端盖板(即左侧的环形底面)及燃气环形旋流盘11的叶片，各个枪管顶部均配有氢气喷枪头13。参考图5，氢气喷枪头13顶部轴向上为密封结构，在径向上开有一圈与轴向成角度的伞状斜槽，角度范围为15
°‑
75
°
。氢气从氢气入口5进入氢气枪管组件9并由氢气喷枪头13伞状斜槽高速喷入四周低压低热值旋流气体中进行充分混合，形成旋流掺混气区域。集气环9-2上沿径向在侧壁上设置有氢气入口5；燃气环形旋流盘11与装置喉口的轴向相对位置通过两侧轴向调节杆17调节，调节距离为0-100mm，环形旋流盘旋向可为正旋反旋，旋流角度可在15
°‑
75
°
之间变化，在安装时旋向和角度已唯一确定。空气环形旋流盘12与装置喉口的轴向相对位置通过两侧轴向调节杆18调节，调节距离为0-100mm，环形旋流盘旋向可为正旋反旋，旋流角度可在15
°‑
75
°
之间变化，在安装时旋向和角度已唯一确定。中心氢气长明灯1布置在燃烧装置轴心位置，长明灯顶端枪头轴向密封不通气，径向开有若干喷口，喷口处布置有高能点火装置10，高能点火装置10处于中心助燃风筒6中。中心助燃风筒6及主助燃风筒8左侧外侧盖板上装设有火焰检测器15及观火镜16各两个。中心氢气长明灯1及氢气枪管组件9内通氢气，气体燃料筒7内通低压低热值气体燃料，中心助燃风筒6及主助燃风筒 8通助燃风；中心助燃风筒6与气体燃料筒7之间布置有燃气环形旋流盘11，气体燃料筒7与主助燃风筒8之间布置有空气环形旋流盘12，中心氢气长明灯1与中心助燃风筒6在燃烧器喉口出口处形成内稳燃区域，中心助燃风筒6与气体燃料筒7及氢气枪管组件9之间形成环形的旋流掺混气区域，气体燃料筒7与主助燃风筒8之间形成环形的外旋流助燃风区域。
[0034]
具体的，本实用新型低压低热值气体燃料及氢气掺混燃烧装置在工作时，中心助燃风从中心助燃风入口2进入中心助燃风筒6并直流喷出；用于点火的氢气自中心氢气长明灯1顶端径向若干喷口喷出，经高能点火装置10点燃后作为长明灯存在，形成内稳燃区域；其中，高能点火装置10位于中心助燃风筒6中，运行时整体处于中心助燃风冷却状态，避免点火器高温烧损。低压低热值气体从气体燃料入口4进入气体燃料筒7，随后经由燃气环形旋流盘旋流扩散喷出；主助燃风从主助燃风入口3进入主助燃风筒8，随后经由空气环形旋流盘旋流扩散喷出，形成环形的外旋流助燃风区域；
[0035]
在所述的低压低热值气体燃料及氢气动态掺混非预混燃烧装置运行时，内稳燃区域的长明灯火焰向旋流掺混气区域扩散，引燃氢气与低压低热值气体混合物，再在外旋流助燃风作用下向炉膛内继续扩散，最终建立“气-风-气-风”层层支撑扩散的完整燃烧。
[0036]
针对可再生能源制氢气波动性影响氢气掺混比例的问题，在燃气环形旋流盘11两侧装有轴向调节杆17，在空气环形旋流盘12两侧装有轴向调节杆18，轴向调节距离均为0-100mm；在输入的氢气量出现波动时，可通过沿轴向单独或同时调节气体旋流盘11或者助燃风旋流盘 12的轴向相对位置，通过观火镜16来直观观察炉内火焰形状颜色及火焰充满度、通过烟气监测排放数据来科学判断燃烧状况的好坏，实现炉内火焰形状的在线调节，从而达到最佳燃烧状态。氢气与低压低热值气体在进入炉膛前为非预混状态，氢气掺混体积比例可在5％-30％之间动态变化。
[0037]
本实用新型通过将高热值氢气均匀掺入低压低热值气体燃料中，旋流作用下达到
均匀混合状态，同时通过调节旋流盘之间的轴向相对位置来达到高的负荷调节性、炉膛及燃料适应性，以达到高的燃烧火焰稳定性的同时降低污染物排放的目的。在具体实施时，本实用新型为工艺附带产生低压低热值气体燃料的高碳排放企业提供了一种降本降碳增效的改造技术路线，增强低压低热值气体火焰稳燃能力，降低污染物的生成，实现燃烧火焰形状与锅炉炉膛尺寸的动态匹配，有效确保了锅炉效率不降低的同时降低企业碳排放、减少运行燃料成本。本实用新型所述的低压低热值气体燃料及氢气动态掺混非预混燃烧装置在具体工作时，中心氢气长明灯先被点燃，高热值的氢气沿径向扩散燃烧，引燃经气体燃料筒旋流喷出的低热值气体燃料和经氢气喷枪头伞状喷出的氢气混合气体。中心氢气长明灯顶端枪头轴向密封，径向开有若干喷口，氢气自喷口径向向外高速扩散，优化了着火条件，增强了火焰稳燃能力，解决了低热值气体着火困难、难以稳燃的问题。氢气通过均匀分布于燃气环形旋流盘内的氢气喷枪头呈伞状高速喷出，强化了与低压低热值旋流气的混合，外圈旋流风进一步强化了燃料和空气的混合，使炉内温度场分布均匀，减少局部高温区，降低不完全燃烧的燃料损失，有效降低污染物的生成。同时，由于可再生能源制氢的波动性，在不同的氢气掺混比例下，通过轴向调节杆调节燃气环形旋流盘及空气环形旋流盘的轴向位置，实现了燃烧器火焰形状与锅炉炉膛尺寸的动态匹配，有效确保了消纳可再生能源的同时锅炉效率不降低。本实用新型同时强化了燃料与燃料、燃料与空气之间的混合，使炉内温度场分布均匀，减少局部高温区，降低不完全燃烧的燃料损失，有效降低污染物的生成。同时在不同的氢气掺混比例下实现了燃烧器火焰形状与锅炉炉膛尺寸的动态匹配，有效确保了锅炉效率不降低的同时降低企业碳排放、减少运行燃料成本。
[0038]
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。