一种采用双旋流微混结构的多燃料燃烧器及方法

本发明涉及燃烧器具，具体涉及一种采用双旋流微混结构的多燃料燃烧器及方法。

背景技术：

1、甲烷作为能源领域一种常见的清洁燃料，被广泛用于发电、供热和燃料交通等方面。然而，甲烷燃烧会产生二氧化碳等温室气体，为实现燃烧低碳转型，减少甲烷燃烧带来的温室气体排放，人们开始探索可替代燃料氢气、氨气等燃烧的可能性。其中，氨气作为一种可替代燃料，具有含氢量高、易储运、生产工艺成熟等优点，氨的广泛应用可大幅减少二氧化碳排放。但氨的能量密度较低、火焰传播速度低、所需点火能量高，大大削弱纯氨燃烧的稳定性，且氨燃烧过程具有较大的nox排放潜值。氢气被认为是未来最重要的绿色清洁能源之一。该气体与氨气特性相反，其燃烧速率快，热释放速率高，理论燃烧产物仅为h2o，无co2排放；但由于氢较高的扩散特性以及较高的反应活性，在其运输、存储以及燃烧过程存在易泄漏、易爆炸和回火等一系列的安全问题。

2、由于氢、碳氢燃料以及氨燃料在燃料特性方面存在巨大的差异，燃料的种类不同燃烧时产生的热值不同，燃烧着火点和燃烧速度不同，混合后的燃料燃烧效果差，极易发生脱火和回火，现有燃烧器会根据气体燃料特性确定对应燃烧器规格；同时，现有燃烧器大多是单一气体燃料燃烧器，以及少部分存在两种气体燃料的燃烧器，尤其是面对像传统碳氢燃料、氢气、氨气这些燃烧特性差异较大的气体时，导致燃烧器无法适应多种燃料的配比需要，配比不好将影响燃烧效果，也难以实现低氮燃烧。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供一种采用双旋流微混结构的多燃料燃烧器及方法，能够实现碳氢燃料和氢氨等燃料的混合及单一燃料的稳定燃烧，解决了现有燃烧器适应燃料种类少的问题，灵活地实现了传统碳氢燃料的转变。

2、本发明的技术方案如下：

3、在本发明的第一方面，提供了一种采用双旋流微混结构的多燃料燃烧器，包括从外向内依次设置的第一圆筒、第二圆筒和第三圆筒，所述第一圆筒和第二圆筒之间设置外层旋流结构，所述第二圆筒和第三圆筒之间设置内层旋流结构；所述第一圆筒和第二圆筒之间作为氢气和空气的混合通道，所述第二圆筒和第三圆筒之间作为甲烷和空气的混合通道，所述第三圆筒的内部作为氨气和空气的混合通道。

4、在本发明的一些实施方式中，所述第一圆筒的内部设置有氢气环形通道、第一冷却水环形通道和甲烷环形通道。

5、在本发明的一些实施方式中，所述氢气环形通道与多个沿径向设置的氢气管相连通，所述氢气管的端部固定在第二圆筒上，所述氢气管位于第一圆筒和第二圆筒之间的位置沿径向均匀设置多个氢气出口。

6、在本发明的一些实施方式中，所述的甲烷环形通道与多个沿径向设置的甲烷管相连通，所述甲烷管穿过第二圆筒，甲烷管的端部固定在第三圆筒上，所述甲烷管位于第二圆筒和第三圆筒之间的位置沿径向均匀设置多个甲烷出口。

7、在本发明的一些实施方式中，所述第二圆筒的内部设置有第二冷却水环形通道，所述第二冷却水环形通过多个沿径向设置的冷却水管与第一冷却水环形通道相连通。

8、在本发明的一些实施方式中，所述第一冷却水环形通道为带有缺口的环形通道，所述第一冷却水环形通道与冷却水进水管相连，位于缺口位置的冷却水管与冷却水出水管相连。

9、在本发明的一些实施方式中，所述第三圆筒内设置有氨气通道，所述氨气通道的上端为钝体结构，所述钝体结构上沿周向均匀设置有多个氨气出口。

10、在本发明的一些实施方式中，所述外层旋流结构和内层旋流结构均包括多个旋流叶片，多个旋流叶片相隔一定的角度均匀设置。

11、在本发明的一些实施方式中，所述外层旋流叶片和内层旋流叶片同向设置。

12、在本发明的第二方面，提供了一种采用双旋流微混结构的多燃料燃烧器的工作方法，包括以下步骤：

13、氢气与第一圆筒和第二圆筒之间的空气混合，经过分散布置的小孔和外层旋流叶片增强混合，甲烷与第二圆筒和第三圆筒之间的空气混合，经过分散布置的小孔和内层旋流叶片增强混合，氨气与第三圆筒内的空气混合，经过周向布置的小孔及钝体结构增强混合；三种混合后的气体在上方被点燃后具有相互引燃的作用；

14、在燃烧过程中，通过持续循环冷却水避免燃烧器高温烧蚀。

15、本发明一个或多个技术方案具有以下有益效果：

16、(1)本发明提供的多燃料燃烧器，在燃烧器主体上设置了中央氨气小孔横向射流快混、中层甲烷小孔横向射流快混、外层氢气小孔横向射流快混，小孔横向射流结构(微混结构)的分散布置不仅能够提高射流速度、增强混合效果，特别地，对于氢气这种高反应性燃料，能够起到阻断回火的作用。

17、(2)本发明提供的多燃料燃烧器，在小孔横向射流混合后，氢气和甲烷通道内设置有旋流叶片，氨气管道终端采用钝体结构设置；氢气和甲烷通道内的旋流参数相互独立，以便针对不同燃料特性实现更灵活的结构设置。氢气、甲烷着火容易，布置在燃烧器外层区域燃烧；氨气着火困难，由燃烧器中心区域射入，在外层火焰面引燃作用包裹下，氨气着火性能得以提升。混合燃料燃烧模式下，内、外层旋流叶片及中心钝体所产生的回流区，有助于各层之间火焰之间相互作用，强化燃烧；在单一燃料燃烧模式下，各燃烧区的旋流叶片/钝体结构，能够实现其火焰自身燃烧稳定性的维持。

18、(3)本发明提供的多燃料燃烧器，氢气管道和甲烷管道都是辐条结构的设计，管道沿圆筒径向均匀分布，且每条管道上都在相同位置开设了一系列等间距小孔，作为气体出口，较大的出口流速有利于提升湍流响度，提高局部混合效果，保障了喷射出的气体在圆周方向上分布均匀，能在圆筒空间各个位置均匀与空气混合。

19、(4)本发明提供的多燃料燃烧器，旋流叶片结构以及钝体结构的设计都有回流现象存在，回流将部分燃烧产物重新引入燃烧区域，与新进入的燃料和空气再次混合，这种回流的产生可以提高燃烧过程中燃料和空气的利用率，使得燃烧更加完全，减少了不完全燃烧产物的生成，提高了燃烧效率。

20、(5)三种燃料着火特性为氢气>甲烷>氨气，本发明将三种燃料由外向内布置，能够有效借助外层较稳定火焰引燃内层不易燃烧燃料。此外，在实现相同功率的燃烧时，所需的氢气燃料体积流量会远高于甲烷。而本设计中将氢气布置于最外层，较大的氢气/空气混气出口横截面积，能确保实现相同热负荷燃烧时，燃烧器出口的氢气速度和甲烷速度相差不大，保证燃烧的稳定。

技术特征：

1.一种采用双旋流微混结构的多燃料燃烧器，其特征在于，包括从外向内依次设置的第一圆筒、第二圆筒和第三圆筒，所述第一圆筒和第二圆筒之间设置外层旋流结构，所述第二圆筒和第三圆筒之间设置内层旋流结构；所述第一圆筒和第二圆筒之间作为氢气和空气的混合通道，所述第二圆筒和第三圆筒之间作为甲烷和空气的混合通道，所述第三圆筒的内部作为氨气和空气的混合通道。

2.如权利要求1所述的采用双旋流微混结构的多燃料燃烧器，其特征在于，所述第一圆筒的内部设置有氢气环形通道、第一冷却水环形通道和甲烷环形通道。

3.如权利要求2所述的采用双旋流微混结构的多燃料燃烧器，其特征在于，所述氢气环形通道与多个沿径向设置的氢气管相连通，所述氢气管的端部固定在第二圆筒上，所述氢气管位于第一圆筒和第二圆筒之间的位置沿径向均匀设置多个氢气出口。

4.如权利要求2所述的采用双旋流微混结构的多燃料燃烧器，其特征在于，所述的甲烷环形通道与多个沿径向设置的甲烷管相连通，所述甲烷管穿过第二圆筒，甲烷管的端部固定在第三圆筒上，所述甲烷管位于第二圆筒和第三圆筒之间的位置沿径向均匀设置多个甲烷出口。

5.如权利要求2所述的采用双旋流微混结构的多燃料燃烧器，其特征在于，所述第二圆筒的内部设置有第二冷却水环形通道，所述第二冷却水环形通道通过多个沿径向设置的冷却水管与第一冷却水环形通道相连通。

6.如权利要求5所述的采用双旋流微混结构的多燃料燃烧器，其特征在于，所述第一冷却水环形通道为带有缺口的环形通道，所述第一冷却水环形通道与冷却水进水管相连，位于缺口位置的冷却水管与冷却水出水管相连。

7.如权利要求1所述的采用双旋流微混结构的多燃料燃烧器，其特征在于，所述第三圆筒内设置有氨气通道，所述氨气通道的上端为钝体结构，所述钝体结构上沿周向均匀设置有多个氨气出口。

8.如权利要求1所述的采用双旋流微混结构的多燃料燃烧器，其特征在于，所述外层旋流结构和内层旋流结构均包括多个旋流叶片，多个旋流叶片相隔一定的角度均匀设置。

9.如权利要求8所述的采用双旋流微混结构的多燃料燃烧器，其特征在于，外层旋流叶片和内层旋流叶片同向设置。

10.一种如权利要求1-9任一项所述的采用双旋流微混结构的多燃料燃烧器的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结本发明公开了一种采用双旋流微混结构的多燃料燃烧器及方法，所述燃烧器包括从外向内依次设置的第一圆筒、第二圆筒和第三圆筒，所述第一圆筒和第二圆筒之间设置外层旋流结构，所述第二圆筒和第三圆筒之间设置内层旋流结构；所述第一圆筒和第二圆筒之间作为氢气和空气的混合通道，所述第二圆筒和第三圆筒之间作为甲烷和空气的混合通道，所述第三圆筒的内部作为氨气和空气的混合通道；本发明能够实现碳氢燃料和氢氨等燃料的混合及单一燃料的稳定燃烧，解决了现有燃烧器适应燃料种类少的问题，灵活地实现了传统碳氢燃料的转变。技术研发人员：许焕焕,杨博雅,董勇,朱子霖,王志强,任霄汉受保护的技术使用者：山东大学技术研发日：技术公布日：2024/5/12