一种分级旋流低氮燃烧器及其工作方法

本发明涉及燃烧器，具体涉及一种分级旋流低氮燃烧器及其工作方法。

背景技术：

1、生物质是一种储量丰富、碳中立和环境友好的可再生能源，其种类多，资源丰富，含碳量高，是制备生物炭的优质原料。通常采用生物质热解制炭技术将生物质转化为生物炭产品，该技术是在无氧或缺氧条件下对生物质等有机材料进行热分解制取生物炭的技术。该过程除产生生物炭外，还会产生副产物—热解挥发物，热解挥发物由热解气和生物油组成，将热解气和生物油直接作为燃料进行共同燃烧，具有减少排放和降低成本的优势。然而，热解气的热值低难以稳定燃烧，生物油的含水量高、稳定性差、焦油粘度高且具有较强的酸性和腐蚀性，需要经过复杂处理才能制备成化学品。因此，对于生物质热解制炭过程中热解挥发物的利用研究至关重要。

2、关于热解挥发物的利用，主要是通过改进燃烧器将热解挥发物直接燃烧处理，从而提高处理效率，但采取这种方式的问题是由于热解挥发物的低热值和高含水量导致难以点火、焦油结焦和燃烧不稳定等。为了解决热解气热值低的问题，热解挥发物一般与甲烷、氢气和乙醇等其他高热值燃料进行混合燃烧，虽然效率提高但容易使燃烧器局部过热而产生热力型nox。而轻质生物油主要采用雾化喷嘴结构的燃烧器，可以有效破碎生物油形成小分子，但操作要求高，容易导致燃料无法点燃或火焰不稳定，而且高粘性物质经过喷嘴容易焦化、腐蚀和堵塞，导致工况不稳定且维护成本高。

3、由于热解挥发物的高粘度、低热稳定性和高水分特性，热解挥发物采用传统燃烧器难以实现高效燃烧且低氮排放。因此，有必要设计一种新型燃烧器实现热解挥发物的高效低氮燃烧。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的技术问题，本发明的第一个目的是：提供一种分级旋流低氮燃烧器，一种分级旋流低氮燃烧器，包括两端敞开的燃烧壳体，在燃烧壳体内的纵向方向上依次设置分配室、锥形回流室、锥形扩流室和输送室。通过将空气以三种不同的输送路径分别切向旋流进入分配室、锥形回流室和锥形扩流室，并与直喷一次燃料和切圆二次燃料充分混合、雾化和破碎，形成气液两相燃料，增强燃烧稳定性，降低氮氧化物排放。

2、本发明的第二个目的是：提供一种分级旋流低氮燃烧器的工作方法，包括直喷进料和切向进气、雾化破碎、锥形回流、双通道旋流、锥形扩流和切向进料进气，从而有效提高燃烧效率和降低氮氧化物排放。

3、为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

4、一种分级旋流低氮燃烧器，包括两端敞开的燃烧壳体，在燃烧壳体内的纵向方向上依次设置分配室、锥形回流室、锥形扩流室和输送室，分配室为一次燃料和一次空气提供流动路径，分配室包括一次进料通道和围绕一次进料通道周向设置的多个一次进气通道，一次进气通道与锥形回流室的一端切向连接，锥形回流室用于一次燃料和一次空气的混合回流，锥形回流室的另一端与锥形扩流室的一端连接，锥形回流室的外部设有点火器，燃烧壳体内还设有多个二次进气通道，二次进气通道的一端与锥形扩流室的一端切向连接，二次进气通道的另一端向燃烧壳体的外部延伸，锥形扩流室的另一端与输送室的入口端连接，在输送室外部的周向壁上设有多个进气进料通道，进气进料通道用于同时输送二次燃料和三次空气，进气进料通道与输送室切向连接，输送室的出口端喷出火焰。

5、进一步的，一次进料通道位于分配室的中心轴线，多个一次进气通道围绕一次进料通道均匀布置。

6、进一步的，一次进气通道与锥形回流室的切向角度为30-89°。

7、进一步的，多个一次进气通道与锥形回流室连接的切线方向均相同。

8、进一步的，锥形回流室与锥形扩流室的锥形方向相反。

9、进一步的，锥形扩流室在靠近锥形回流室的另一端还设有双通道旋流室，双通道旋流室呈锥形台结构，双通道旋流室包括外筒体、套设在外筒体内部的内筒体以及固定在外筒体和内筒体之间的盖板，外筒体和内筒体之间形成用于输送二次空气的外旋流通道，盖板上设有多个通孔，二次进气通道与通孔切向连接，外旋流通道分别与二次进气通道和锥形扩流室流体连通，内筒体的内部形成用于输送一次燃料和一次空气的内旋流通道，内旋流通道分别与锥形回流室和锥形扩流室流体连通。

10、进一步的，多个二次进气通道与通孔连接的切线方向均相同。

11、进一步的，进气进料通道与燃烧壳体的纵向方向垂直设置。

12、进一步的，进气进料通道与输送室的切向角度为0-45°。

13、一种分级旋流低氮燃烧器的工作方法，包括以下步骤：

14、s1、直喷进料和切向喷气：一次燃料通过分配室的一次进料通道直喷进料，一次空气通过分配室的一次进气通道切向喷气；

15、s2、雾化破碎：一次空气对一次燃料进行雾化破碎并输送至锥形回流室中；

16、s3、锥形回流：进入锥形回流室中的一次燃料和一次空气进行混合回流并点火，再输送至双通道旋流室中；

17、s4、双通道旋流：二次空气通过二次进气通道进入外旋流通道，与此同时，一次燃料和一次空气进入内旋流通道，一次燃料、一次空气和二次空气共同输送至锥形扩流室中；

18、s5、锥形扩流：一次燃料、一次空气和二次空气在锥形扩流室中混合，再次对燃料雾化破碎，强化混合燃烧；

19、s6、切向进料进气：二次燃料和三次空气通过进气进料通道切向进料进气至输送室中，二次燃料和三次空气与一次燃料、一次空气和二次空气进行混合燃烧，最后从输送室的出口端喷出火焰。

20、本发明具有如下优点：

21、1.本发明针对生物质热解挥发物中生物油高粘度、高水分和低热稳定性的特性，通过将一次空气旋流切向喷入并雾化破碎一次燃料，随后进入锥形回流室；未雾化的液相燃料颗粒在进入锥形扩流室后流速降低，在旋流作用下沿扩流室壁面前进，与此同时通过二次进气通道进入外旋流通道的二次空气再次将其雾化破碎；二次燃料与三次空气在靠近燃烧壳体的另一端通过进气进料通道切向旋流喷入，并与内部的燃料、空气相互作用下进行三次雾化、破碎与混合。通过三级旋流实现生物质热解挥发物的气液两相燃料的雾化、破碎与充分混合，对于低热值燃气能够燃烧稳定、火焰不易熄灭，燃料得到充分燃烧，大大提高燃烧效率。解决了传统燃烧器中雾化不良、混合不充分和喷嘴堵塞的问题。本技术的燃烧器可以适用于发电、垃圾焚烧和化学处理等场合。

22、2.本发明通过将空气以三种不同的输送路径分别切向旋流进入分配室、锥形回流室和锥形扩流室，并与直喷一次燃料和切圆二次燃料充分混合、雾化和破碎，实现更均匀的混合，避免因混合不均而造成的局部高温现象，同时通过燃料和空气的分级，降低火焰的高温区，减少氮氧化物的排放。

23、3.本发明的分级旋流低氮燃烧器结构紧凑、适应性强、燃烧稳定性好，能高效清洁地燃烧粘度大、含水量高、成分复杂的生物质热解挥发物。

24、4.本发明的分配室通过一次空气的切向喷气与一次燃料直喷进料混合形成旋流，同时在旋流形成后马上通过锥形回流室提高气流的速度与旋流强度，通过旋流轴向速度、强度的提高，促使锥形回流室内产生较强的回流，使燃料和空气的温度通过回流实现主火焰的稳定燃烧，防止生物质热解挥发物因粘度高、水分高和热稳定性差而造成燃烧不稳定及熄火现象，同时通过旋流加锥形回流室的结构，避免旋流形成后而导致大幅度降低轴向旋流速度、强度的问题。