一种具有分散式高速空气射流阵列结构的掺氨燃烧器

本技术属于燃烧器领域，更具体地，涉及一种具有分散式高速空气射流阵列结构的掺氨燃烧器。

背景技术：

1、火力发电(如煤电)是我国最大的co2排放源，火电厂碳减排对实现“双碳”目标意义重大。氨是零碳的清洁能源，并且氨的热值与火电厂常用的固体燃料(如煤、生物质、固废)相当，因此具有作为火电厂的替代燃料实现碳减排的潜能。例如，日本早在2017年就进行了156mw燃煤锅炉掺氨燃烧的示范验证，中国的一些企业也开展了中试规模的试验研究，充分证明了燃煤电站掺氨燃烧的可行性。推广火电厂掺氨燃烧技术需要一些电厂设备的更新，其中最重要的设备之一就是与掺氨燃烧相匹配的燃烧器。而由于氨中n含量高，燃烧过程中nox的排放问题是亟待解决的关键挑战之一，燃烧器必须满足低nox燃烧需求。

2、最常见的燃烧器掺氨方式就是直接在现有常规燃烧器一次风管中掺氨，此时氨将会和燃料在一次风内混合，该掺烧方式中氨极易过度氧化生成nox从而造成掺氨后nox排放急剧升高。通常为了降低污染物排放，可从炉膛尺度和燃烧器尺度进行调节，比如在火电厂，可以通过在炉膛合适高度增设独立氨气喷入口、增设或调节燃尽风这一炉膛尺度的调节方式，降低nox并且提高燃尽率。然而，对于某些已建锅炉，由于水冷壁、受热面等已固定或受空间限制，无法进行炉膛尺度调节，因此其必须依赖从燃烧器尺度合理组织燃烧来降低污染物的生成。因此，需要设计出一种新的满足掺氨低nox燃烧的燃烧器，具备在燃烧器尺度上灵活掺氨燃烧调控的能力，以满足因客观条件限制而无法进行炉膛尺度调控的燃烧设备的掺氨改造应用需求。

3、cn115164199a公开了一种氨煤混燃低氮燃烧器、氨煤混燃低氮燃烧炉及其使用方法，该燃烧器重点关注氨气通入管的特别设计以及满足实验室对小尺度燃烧器的需求。然而，该燃烧器没有对燃烧器尺度的空气分级进行特殊设计。cn113864775a公开了一种掺氨多相燃料分级旋流燃烧器，该发明需要在燃烧区内安装众多管道用于精确输送燃料和空气至合适位置燃烧，导致燃烧室内部结构复杂，不方便加工制造；此外，由于管道固定，不能灵活进行空气分级。cn115949936a公开了一种喷水加氢的超低氮氨煤混烧气固相两相燃烧器，该发明虽然依赖喷水加氢的方法会降低炉膛温度实现减少nox生成，但是由于额外的水消耗难以适用于实际热电厂(如燃煤电厂)的大规模掺氨的利用。cn116164280a公开了一种带有可调节轴向空气分级段的掺氨多级旋流燃烧器，其通过分级空气腔体与三级旋流器腔体之间的螺纹配合，实现轴向空气分级自由调控，但该发明需要较大的空气分级腔体才能实现分级调控，所占燃烧设备的空间较大，不适用于电厂燃烧器排布紧凑的区域。cn117091130a公开了一种能够宽比例调节掺氨范围的旋流煤粉燃烧器，该燃烧器核心创新在于通过增设氨气通道结构和旋流器实现氨燃料的分区分级供应，但由于氨气的腐蚀性和可燃性，增加的氨气通道及转接部件需要使用耐腐蚀等特殊材料，存在加工和制造成本较高等不足。

4、通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有的火电厂掺氨燃烧器中，一部分没有考虑燃烧器尺度上的空气分级以及燃烧组织设计，另一部分虽然考虑了燃烧器尺度上的空气分级和燃烧组织设计，但是燃烧器内部结构过于复杂，部分燃烧器的出口部分具有额外腔体，挤占燃烧设备的空间，使用场景受到限制，不利于大规模加工制造和推广使用。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷，本技术的目的在于提供一种结构简单、不需要对炉膛进行改造的掺氨燃烧器，旨在解决因客观条件限制而无法进行炉膛尺度调控的燃烧设备掺氨燃烧nox控制的问题。

2、为实现上述目的，本技术提供了一种具有分散式高速空气射流阵列结构的掺氨燃烧器，该掺氨燃烧器包括从内到外依次套设的中心燃气管、一次风管、二次风管和空气射流风管，其中所述中心燃气管用于在燃烧设备启动的时候通入引燃燃气，并在燃烧设备稳定后通入氨气；所述一次风管用于通入携带固体燃料的一次风；所述二次风管用于通入二次风；所述空气射流风管用于通入三次风，并且其出口沿圆周方向间隔设置有多个通孔形成分散式高速空气射流阵列结构，以将通入的三次风加速形成空气射流直接喷射进入燃烧设备内部，进而避免参与氨气的前期燃烧，以此减少氨过度氧化生成nox。

3、通过本技术所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于本技术在空气射流风管的出口设置多个具有调速功能的通孔形成分散式高速空气射流阵列结构，使得通入的三次风加速形成空气射流，保证其有足够的气流刚性达到燃烧反应的期望位置参与燃烧，避免被旋流二次风吹散，同时外周高速空气射流给予了内部氨气在燃烧前中期充足的反应时间并形成贫氧环境，进一步减少nox的生成并确保不降低氨的燃尽率。

4、作为进一步优选地，所述空气射流风管的出口设置有调速组件，所述调速组件包括固定圆环和调速圆环，所述固定圆环沿圆周方向间隔开设有多个通孔，所述调速圆环设置在固定圆环的上方，并且沿圆周方向间隔开设有多个通孔，工作时通过转动调速圆环以调整固定圆环的通气面积，进而调整空气射流的流速。

5、作为进一步优选地，所述空气射流风管的数量为1个～3个。

6、作为进一步优选地，所述空气射流的流速调节范围为20m/s～200m/s，所述固定圆环上单个通孔的通气面积调节范围为25mm2～10000mm2，通孔总数量结合掺氨燃烧器的容量、流速计算确定。

7、作为进一步优选地，所述空气射流风管的外端设置有空气射流风管下法兰，同时所述调速组件还包括调速杆，所述空气射流风管下法兰的底部开有扇形的转动槽，所述调速杆的一端伸入空气射流风管与调速圆环连接，以带动调速圆环转动，该调速杆的另一端设置在转动槽内，以利用转动槽对调速杆的转动进行限位。

8、作为进一步优选地，所述掺氨燃烧器还包括氨燃料管，所述氨燃料管用于通入氨气，其设置在一次风管与二次风管之间。

9、作为进一步优选地，所述中心燃气管的底端与掺氨燃烧器出口的距离为50mm～70mm，所述一次风管和氨燃料管的底端与掺氨燃烧器出口的距离为5mm～10mm。

10、作为进一步优选地，所述一次风管的出口设置有多个稳焰齿，所述稳焰齿沿圆周方向间隔固定在一次风管的内壁，用于使固体燃料在燃烧设备内部形成稳定火焰。

11、作为进一步优选地，所述氨燃料管的出口设置有多个氨气挡板，所述氨气挡板沿圆周方向间隔固定在一次风管的外壁。

12、作为进一步优选地，所述二次风管的内部设置有多个旋流叶片，所述旋流叶片沿圆周方向间隔固定在一次风管或氨燃料管的外壁，用于形成旋流二次风。

13、总体而言，通过本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：

14、1.本技术通过在空气射流风管的出口设置多个具有调速功能的通孔以形成分散式高速空气射流阵列结构，能够将三级风分成一股一股的气流并对其加速，使其有足够的气流刚性到达燃烧反应的期望位置参与燃烧，避免被旋流二次风吹散，同时高速空气射流将在燃烧后期参与燃烧，给予了氨气在燃烧前中期充足的反应时间并形成贫氧环境，进一步提高氨的燃尽率并减少nox的生成，并且该燃烧器不需要对燃烧设备进行改进，结构简单不挤占燃烧设备的空间，具有广泛的应用场景，适于大规模加工制造和推广使用；

15、2.尤其是，本技术通过在空气射流风管的出口设置调速组件，并对调速组件的结构进行优化，通过转动调速圆环以调整固定圆环的通气面积，从而灵活改变空气射流的流速，能够适应电厂的宽比例范围调节，在进行变负荷燃烧时灵活改变空气射流的风速；

16、3.同时，本技术通过设置多层嵌套的空气射流风管能够形成多级高速空气射流，既能灵活实现空气多层分级调控，又能形成高速空气气流屏障，避免高温熔融状态的固体燃料颗粒粘附到燃烧设备的内壁，降低结渣风险；

17、4.此外，本技术通过单独设置氨燃料管，并在氨燃料管的内部设置氨气挡板，能够使氨气以柱状射流的形式单独进入燃烧设备参与燃烧，氨气燃烧过程与固体燃料燃烧过程分离，由于氨气射流具有较高的速度和刚性，因此既避免了氨被一次风卷吸从而预混，与固体燃料争夺一次风中的氧气，也避免了被二次风卷吸，降低氨气的燃尽率，并且将氨气分成多股小的射流同样可以充分吸收固体燃料燃烧产生的热量，使氨气预分解成氢气参与燃烧，集中形成数个小的贫氧区，极大地降低了燃烧过程中nox的生成。