本发明属于无焰燃烧器领域，更具体地，涉及一种氢气水蒸气富氧无焰燃烧器。
背景技术：
近年来，随着人类对化石能源的快速消费，环境问题日趋严重，其中化石能源燃烧产生的氮氧化物是形成酸雨和PM2.5的主要原因之一，同时化石燃料燃烧产生的CO2也会加剧温室气体效应，对环境造成极大的影响。氢气作为一种新型燃料因其具有诸多优点而备受关注，例如氢气因燃烧热值高，故燃烧氢气产生的能量较高；氢气燃烧之后的产物只有水，因此氢气燃烧具有清洁无污染的特点；此外，氢气可以直接由水获得，可以循环使用。然而，氢气燃烧也有难以克服的缺点：氢气热值高，相应的燃烧温度高，导致伴随着氢气燃烧的氮氧化物(NOx)排放也较高；氢气的燃烧速率极快又极易爆炸，所以氢气燃烧的安全隐患也限制了氢气的大规模使用。
此外，寻找一种新的燃烧技术也是降低污染物排放的另一条途径，富氧燃烧和无焰燃烧近年来受到持续关注，传统富氧燃烧是以二氧化碳代替氮气稀释氧气，使得烟气中含有大量的二氧化碳，从而有利于对二氧化碳的捕集和封存，同时二氧化碳相对于氮气具有更高的热容，因此燃烧温度相对较低，进而NOx的排放量会在一定程度上降低。无焰燃烧作为一种新兴技术具有如下优点：反应速率低、局部释热少、热流分布均匀、燃烧温度低且分布均匀、无火焰锋面、噪音极小，且NOx排放极低。富氧燃烧和无焰燃烧结合起来的技术被称为富氧无焰燃烧技术，该技术综合了富氧燃烧和无焰燃烧的优点，能够更大程度的降低氮氧化物的排放。
目前对无焰燃烧技术的研究已取得较大进展，例如CN10624080.3提出了一种煤粉富氧无焰燃烧方法及其系统，该发明在富氧燃烧富集二氧化碳的基础上通过无焰燃烧提高其稳定性、燃尽率和辐射换热；CN10528106.9提出了一种富氧燃气无焰燃烧器，该发明可将无焰燃烧和富氧燃烧有机结合，实现了无焰燃烧，优化了炉内温度分布同时降低了NOx排放。然而，目前现有的富氧燃烧器均是以二氧化碳作为氧化剂稀释剂，而针对氢气燃料采用水蒸气作为稀释剂可以获得高纯度的水蒸气烟气，利于烟气捕水和降低NOx生成；同时，对于氢气这种燃烧速率极快的燃料，目前还没有相关无焰燃烧器的发明专利，这使得氢气这种清洁能源的利用受到一定限制。
技术实现要素：
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种氢气水蒸气富氧无焰燃烧器，其中结合富氧燃烧和无焰燃烧自身的特征，对其关键组件如第一水蒸气喷管、一次风喷管和二次风喷管的结构及其具体设置方式进行研究和设计，相应的可实现氢气的富氧无焰燃烧，并有效解决燃料燃烧过程产生大量氮氧化物的问题，且能直接实现烟气捕水，因而尤其适用于氢气燃烧的应用场合。
为实现上述目的，本发明提出了一种氢气水蒸气富氧无焰燃烧器，包括氢气喷管、第一水蒸气喷管、一次风喷管、二次风喷管、第一保温管道、第二保温管道和燃烧室，其中：
所述氢气喷管与所述燃烧室连接，用于向所述燃烧室喷射氢气；
所述第一水蒸气喷管套设在所述氢气喷管的外侧，并与所述燃烧室连接，用于在预热阶段向所述燃烧室喷射水蒸气，进而降低所述氢气的燃烧速率；所述一次风喷管套设在所述第一水蒸气喷管的外侧，并与所述燃烧室连接，用于在预热阶段向所述燃烧室喷射水蒸气与氧气的混合气体作为一次风，从而为所述氢气进行富氧有焰燃烧提供氧气；同时所述第一水蒸气喷管和一次风喷管的出口分别沿周向方向均匀布置有第一旋流叶片和第二旋流叶片，用于带动所述水蒸气和一次风以相同的旋流度沿所述氢气喷管的轴线旋转；
所述二次风喷管与所述燃烧室连接，用于在无焰燃烧阶段向所述燃烧室喷射水蒸气与氧气的混合气体作为二次风，从而为所述氢气进行富氧无焰燃烧提供氧气；
所述第一保温管道套设在所述氢气喷管、第一水蒸气喷管和一次风喷管的外侧，用于预热所述氢气、水蒸气和一次风，同时避免所述水蒸气发生冷凝；所述第二保温管道套设在所述二次风喷管的外侧，用于预热所述二次风；
所述燃烧室用于为所述氢气进行富氧燃烧提供空间。
作为进一步优选地，所述氢气喷管的进口设置有防回火腔，用于稳定所述氢气的进气压力，从而保证燃烧过程的安全性，所述防回火腔的数量为1个～3个。
作为进一步优选地，所述氢气水蒸气富氧无焰燃烧器还包括第二水蒸气管道，所述第二水蒸气管道与二次风喷管连接，用于将烟气中的水蒸气通入所述二次风中，进而稀释所述二次风中氧气的浓度。
作为进一步优选地，将燃烧产生的烟气通入所述第一保温管道和第二保温管道中，从而实现所述烟气的余热回收利用。
作为进一步优选地，所述水蒸气和一次风的旋流度优选为0.7～0.9。
作为进一步优选地，所述一次风喷管的直径为所述氢气喷管直径的1.5倍～3倍，所述二次风喷管的直径为所述氢气喷管直径的1倍～5倍。
作为进一步优选地，所述一次风和二次风中氧气的浓度优选为10％～50％，无焰燃烧阶段，所述燃烧室中氧气的浓度优选为2％～10％。
作为进一步优选地，所述燃烧室内设置有喷水减温管，用于向所述燃烧室内喷水，从而降低局部高温区的温度。
作为进一步优选地，所述氢气水蒸气富氧无焰燃烧器还包括设置在所述燃烧室内的钝体，所述钝体内设置有冷却水管道，用于降低所述钝体的温度，预热阶段，所述钝体位于所述氢气喷管的出口，用于形成稳定火焰，无焰燃烧阶段，所述钝体贴紧所述燃烧室内壁，从而实现无焰燃烧。
作为进一步优选地，所述二次风喷管的出口设置有1～5个喷口，通过改变所述喷口的数量调节所述二次风喷管的出口流速。
总体而言，通过本发明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：
1.本发明通过在氢气喷管外侧依次套设第一水蒸气喷管和一次风喷管，能够在预热阶段实现氢气的有焰燃烧，同时利用水蒸气将一次风与氢气分隔，能够有效降低氢气的燃烧速率，从而提高燃烧器的安全性，待达到预设温度后，切换为二次风喷管提供氧气以此实现氢气的无焰燃烧，能够保证燃烧器内的温度分布较为均匀，从而避免了氢气燃烧产生的安全隐患，同时本发明利用水蒸气稀释氧气，使得燃烧产生的烟气主要为水，因而有利于进行捕集再利用，实现近零排放；
2.尤其是，本发明通过优化一次风喷管和二次风喷管的直径，能够保证有焰燃烧的安全性和无焰燃烧的均匀性；
3.同时，针对氢气燃烧速率过快、容易发生爆炸的特点，本发明通过控制一次风和二次风中氧气的浓度，并优化燃烧室内的氧气浓度，能够有效控制氢气的燃烧速率，同时本发明在氢气喷管的进口设置防回火腔，能够稳定氢气的进气压力，避免因回火造成爆炸，此外本发明在燃烧室内设置减温管，能够有效降低局部高温区的温度，保证燃烧室内温度分布较为均匀。
附图说明
图1是按照本发明优选实施例构建的氢气水蒸气富氧无焰燃烧器的剖视图；
图2是图1中A-A面的剖视图；
图3是利用本发明提供的氢气水蒸气富氧无焰燃烧器构建的燃烧系统示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-氢气喷管，2-一次风喷管，3-二次风喷管，4-第一保温管道，5-第一水蒸气喷管，6-钝体，7-第一旋流叶片，7’-第二旋流叶片，8-喷水减温管，9-第二保温管道，10-第二水蒸气喷管，11-燃烧室，12-防回火腔，13-氢气水蒸气富氧无焰燃烧器，14-氧气流量计，15-氧气瓶，16-氢气流量计，17-氢气瓶，18-第三增压风机，19-第一增压风机，20-捕水箱，21-氢气管路，22-第一氧气进气管路，23-二次风进气管路，24-第一水蒸气进气管路，25-第三水蒸气进气管路，26-第二水蒸气进气管路，27-烟气循环管路，28-一次风进气管路，29-第二氧气进气管路，30-烟气管路，31-捕水管路，32-第二增压风机。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1～2所示，本发明优选实施例提供了一种氢气水蒸气富氧无焰燃烧器，包括氢气喷管1、第一水蒸气喷管5、一次风喷管2、二次风喷管3、第二水蒸气管道10、第一保温管道4、第二保温管道9和燃烧室11，其中：
氢气喷管1与燃烧室11连接，用于向燃烧室11喷射氢气，氢气喷管1的进口设置有防回火腔12，用于稳定氢气的进气压力，并防止回火现象的发生，从而保证燃烧过程的安全性，防回火腔12的数量为1个～3个；
第一水蒸气喷管5套设在氢气喷管1的外侧，并与燃烧室11连接，用于在预热阶段向燃烧室11喷射水蒸气，从而降低氢气的燃烧速率，第一水蒸气喷管5的出口沿周向方向均匀布置有第一旋流叶片7，用于带动水蒸气沿氢气喷管1的轴线进行旋转；
一次风喷管2套设在第一水蒸气喷管5的外侧，并与燃烧室11连接，用于在预热阶段向燃烧室11喷射水蒸气与氧气的混合气体作为一次风，从而为氢气进行富氧有焰燃烧提供氧气，一次风喷管2的出口沿周向方向均匀布置有第二旋流叶片7’，用于带动一次风沿氢气喷管1的轴线进行旋转，以在预热阶段产生旋流有焰火焰，从而预热燃烧室11；
二次风喷管3与燃烧室11连接，用于在无焰燃烧阶段向燃烧室11喷射水蒸气与氧气的混合气体作为二次风，从而为氢气进行富氧无焰燃烧提供氧气，二次风喷管3的出口设置有1～5个喷口，通过改变喷口的数量调节二次风喷管3的出口流速，图2是喷口数量为5个的分布示意图；
第二水蒸气管道10与二次风喷管3连接，用于将烟气中的水蒸气通入二次风中，进而稀释二次风中氧气的浓度；
第一保温管道4套设在氢气喷管1、第一水蒸气喷管5和一次风喷管2的外侧，用于预热氢气、水蒸气和一次风，同时避免水蒸气发生冷凝，第二保温管道9套设在二次风喷管3和第二水蒸气喷管10的外侧，用于预热二次风和水蒸气，同时避免水蒸气发生冷凝，将燃烧产生的烟气通入第一保温管道和第二保温管道中，从而实现烟气的余热回收利用；
燃烧室11为氢气进行富氧燃烧提供空间，燃烧室11内设置有喷水减温管8，用于向燃烧室11内喷水，从而降低局部高温区的温度，以减少氢气燃烧过程中NOx的生成。
进一步，水蒸气和一次风以相同的旋流度沿氢气喷管的轴线旋转，能够推迟氢气与氧气的混合，从而实现氢气清洁中温燃烧，同时水蒸气和一次风的旋流度优选为0.7～0.9，能够在预热阶段产生旋流有焰燃烧，以进行燃烧室预热，同时还能够延迟氢气与氧气的混合，降低燃烧速率与火焰温度。
进一步，一次风喷管2的直径为氢气喷管1直径的1.5倍～3倍，以此使得一次风进气速度接近氢气进气速度，并在进入燃烧室后与氢气充分混合实现旋流燃烧；二次风喷管3的直径为氢气喷管1直径的1倍～5倍，同时保证二次风中的氧化剂能够充分被水蒸气稀释并且其速度达到50m/s～150m/s，从而使得二次风进入燃烧室后能够大量卷吸烟气，以实现水蒸气富氧无焰燃烧。
为降低氢气的燃烧速率，从而提高燃烧器的安全性，一次风和二次风中氧气的浓度优选为10％～50％，无焰燃烧阶段，燃烧室11中氧气的浓度优选为2％～10％，从而保证无焰燃烧阶段燃烧室内能够达到均匀低氧氛围，以便于实现水蒸气富氧无焰燃烧。
进一步，氢气水蒸气富氧无焰燃烧器还包括设置在燃烧室11内的钝体6，因氢气燃烧温度较高，钝体6的内部设置有冷却水管道，从而降低其温度，预热阶段，钝体6位于氢气喷管1的出口，用于形成稳定火焰，无焰燃烧阶段，钝体6贴紧燃烧室11内壁，从而实现无焰燃烧。
利用本发明提供的氢气水蒸气富氧无焰燃烧器构建的燃烧系统如图3所示，其中氢气水蒸气富氧无焰燃烧器13的氢气喷管1与氢气管路21连接，并通过氢气流量计16控制氢气瓶17提供氢气；一次风进气管路28与一次风喷管2连接，用于为其提供一次风，同时一次风进气管路28分别与第一氧气进气管路22和第一水蒸气进气管路24连接，通过氧气和水蒸气混合后获得一次风；二次风进气管路23与二次风喷管3连接，用于为其提供二次风，同时二次风进气管路23分别与第二氧气进气管路29和第二水蒸气进气管路26连接，通过氧气和水蒸气混合获得二次风；氧气瓶15为第一氧气进气管路22和第二氧气进气管路29提供氧气，并通过氧气流量计14监测其流量值；第三水蒸气进气管路25与第一水蒸气喷管5连接，用于向燃烧室11提供水蒸气作为稀释剂；燃烧室11产生的烟气通过烟气管路30和烟气循环管路27进入第一水蒸气进气管路24、第二水蒸气进气管路26和第三水蒸气进气管路25，并由第一增压风机19、和第二增压风机32和第三增压风机18进行增压从而为燃烧室11提供水蒸气，而燃烧室11内剩余的烟气通过捕水管路31进入捕水箱20进行捕水。
下面对本发明提供的氢气水蒸气富氧无焰燃烧器的具体工作过程作进一步说明。
预热阶段，分别向氢气喷管1、第一水蒸气喷管5、一次风喷管2内通入氢气、水蒸气和一次风，同时将钝体6靠近氢气喷管1的出口，水蒸气和一次风以旋流的方式进入燃烧室11内，与氢气快速燃烧并在钝体6形成稳定火焰，待燃烧室11的温度高于氢气自燃点后，逐渐减少第一水蒸气喷管5和一次风喷管2中的流量直至关闭，并逐渐增大第二水蒸气喷管10和二次风喷管3中的流量直至达到预设目标，同时将钝体6远离氢气喷管1的出口使其靠近燃烧器11的壁面，二次风经过喷口高速喷出后进入燃烧室11，卷吸大量烟气并与氢气混合从而实现无焰燃烧，燃烧过程中产生的烟气具有较高热量，因此可以通入第一保温管道4和第二保温管道9中，用于预热水蒸气、一次风和二次风，同时因烟气中的主要成分为水蒸气，故可将烟气通入第一水蒸气喷管5、第二水蒸气喷管10中，还可将烟气与氧气混合获得一次风和二次风，从而实现烟气中水蒸气的富集，最后利用捕水箱20将烟气中的水进行捕集。
本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
技术特征：
1.一种氢气水蒸气富氧无焰燃烧器，其特征在于，包括氢气喷管(1)、第一水蒸气喷管(5)、一次风喷管(2)、二次风喷管(3)、第一保温管道(4)、第二保温管道(9)和燃烧室(11)，其中：
所述氢气喷管(1)与所述燃烧室(11)连接，用于向所述燃烧室(11)喷射氢气；
所述第一水蒸气喷管(5)套设在所述氢气喷管(1)的外侧，并与所述燃烧室(11)连接，用于在预热阶段向所述燃烧室(11)喷射水蒸气，进而降低所述氢气的燃烧速率；所述一次风喷管(2)套设在所述第一水蒸气喷管(5)的外侧，并与所述燃烧室(11)连接，用于在预热阶段向所述燃烧室(11)喷射水蒸气与氧气的混合气体作为一次风，从而为所述氢气进行富氧有焰燃烧提供氧气；同时所述第一水蒸气喷管(5)和一次风喷管(2)的出口分别沿周向方向均匀布置有第一旋流叶片(7)和第二旋流叶片(7’)，用于带动所述水蒸气和一次风以相同的旋流度沿所述氢气喷管(1)的轴线旋转；
所述二次风喷管(3)与所述燃烧室(11)连接，用于在无焰燃烧阶段向所述燃烧室(11)喷射水蒸气与氧气的混合气体作为二次风，从而为所述氢气进行富氧无焰燃烧提供氧气；
所述第一保温管道(4)套设在所述氢气喷管(1)、第一水蒸气喷管(5)和一次风喷管(2)的外侧，用于预热所述氢气、水蒸气和一次风，同时避免所述水蒸气发生冷凝；所述第二保温管道(9)套设在所述二次风喷管(3)的外侧，用于预热所述二次风；
所述燃烧室(11)用于为所述氢气进行富氧燃烧提供空间。
2.如权利要求1所述的氢气水蒸气富氧无焰燃烧器，其特征在于，所述氢气喷管(1)的进口设置有防回火腔(12)，用于稳定所述氢气的进气压力，从而保证燃烧过程的安全性，所述防回火腔(12)的数量为1个～3个。
3.如权利要求1或2所述的氢气水蒸气富氧无焰燃烧器，其特征在于，所述氢气水蒸气富氧无焰燃烧器还包括第二水蒸气管道(10)，所述第二水蒸气管道(10)与二次风喷管(3)连接，用于将烟气中的水蒸气通入所述二次风中，进而稀释所述二次风中氧气的浓度。
4.如权利要求1～3任一项所述的氢气水蒸气富氧无焰燃烧器，其特征在于，将燃烧产生的烟气通入所述第一保温管道(4)和第二保温管道(9)中，从而实现所述烟气的余热回收利用。
5.如权利要求1所述的氢气水蒸气富氧无焰燃烧器，其特征在于，所述水蒸气和一次风的旋流度优选为0.7～0.9。
6.如权利要求1所述的氢气水蒸气富氧无焰燃烧器，其特征在于，所述一次风喷管(2)的直径为所述氢气喷管(1)直径的1.5倍～3倍，所述二次风喷管(3)的直径为所述氢气喷管(1)直径的1倍～5倍。
7.如权利要求1所述的氢气水蒸气富氧无焰燃烧器，其特征在于，所述一次风和二次风中氧气的浓度优选为10％～50％，无焰燃烧阶段，所述燃烧室(11)中氧气的浓度优选为2％～10％。
8.如权利要求1所述的氢气水蒸气富氧无焰燃烧器，其特征在于，所述燃烧室(11)内设置有喷水减温管(8)，用于向所述燃烧室(11)内喷水，从而降低局部高温区的温度。
9.如权利要求1所述的氢气水蒸气富氧无焰燃烧器，其特征在于，所述氢气水蒸气富氧无焰燃烧器还包括设置在所述燃烧室(11)内的钝体(6)，所述钝体(6)内设置有冷却水管道，用于降低所述钝体(6)的温度，预热阶段，所述钝体(6)位于所述氢气喷管(1)的出口，用于形成稳定火焰，无焰燃烧阶段，所述钝体(6)贴紧所述燃烧室(11)内壁，从而实现无焰燃烧。
10.如权利要求1～9任一项所述的氢气水蒸气富氧无焰燃烧器，其特征在于，所述二次风喷管(3)的出口设置有1～5个喷口，通过改变所述喷口的数量调节所述二次风喷管(3)的出口流速。
技术总结
本发明属于无焰燃烧器领域，并具体公开了一种氢气水蒸气富氧无焰燃烧器，其中氢气喷管与燃烧室连接；第一水蒸气喷管套设在氢气喷管的外侧，并与燃烧室连接，用于在预热阶段向燃烧室喷射水蒸气；一次风喷管套设在第一水蒸气喷管的外侧，并与燃烧室连接，用于在预热阶段向燃烧室喷射一次风；二次风喷管与燃烧室连接，用于在无焰燃烧阶段向燃烧室喷射二次风；燃烧室用于为氢气进行富氧燃烧提供空间。本发明利用水蒸气将一次风与氢气分隔，能够有效降低氢气的燃烧速率，从而提高燃烧器的安全性，待达到预设温度后，切换为二次风喷管提供氧气以此实现氢气的无焰燃烧，能够保证燃烧器内的温度分布较为均匀，从而避免了氢气燃烧产生的安全隐患。
技术研发人员：李鹏飞;邹远龙;李文浩;张萌杰;周博斐;李颖;柳朝晖
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：.07.23
技术公布日：.11.05
