一种基于图像监测环境下的宽调节比高效清洁燃烧系统

1.本发明属于工业清洁燃料燃烧设施技术领域，具体涉及一种基于图像监测环境下的宽调节比高效清洁燃烧系统。


背景技术：

2.随着社会科技的进步、人们环保意识的增强和社会环保治理力度的逐渐加大，以及“3060”碳达峰、碳中和目标的提出，我国对大气污染物规定的排放限值日趋严格，目前很多地区正在执行锅炉nox排放限值在80~200mg/nm
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以内的规定。结合当前的国家政策，越来越多的清洁气体燃料投入工业使用，“零碳”燃料势必成为未来电力行业中的主流能源，“零碳”燃料的燃烧监测方法与高效清洁燃烧逐渐成为研究热点。通过火焰图像检测技术能够得出火焰温度场的分布、燃烧经济性的估算以及nox排放量的估算等，这对于稳定锅炉燃烧，提高燃烧效率有重要的意义。
3.目前天然气锅炉的低氮燃烧改造任务是要将nox排放值降低至60mg/nm
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，一般采用更换低氮燃烧器或者辅以烟气外循环低氮燃烧技术加以实现。近两年推出了一些能基本满足这种使用要求的新颖低氮燃烧器:例如采用预混燃烧方式的金属网燃烧器，采用将燃料在进入炉膛燃烧前先与助燃空气均匀混合，然后使混合的燃气空气混合气在燃烧器的金属网表面进行燃烧的工作模式，nox的生成量较少，可以达标。其不足之处在于预混的混合气容易发生回火爆燃、且金属网表面耐温性有限，致使金属网燃烧器难以做大，出力一般只能控制在7mw以下，但即便是出力在7mw以下的金属网燃烧器，在运行时仍存在有可能会发生回火爆燃现象的不确定风险而难以推广。
4.另外一种是采用燃气和空气由单独通道供入、边混合边燃烧工作模式的扩散式燃烧器，具有安全性高的特点，其不足之处在于燃烧温度相对较高，性能不太稳定，对稳达60mg/nm
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以下nox排放要求存在不确定性，故仍不太理想。
5.本发明结合最新开发的火焰监测技术和适于“零碳”气体燃料状态识别模型，针对清洁气体燃料燃烧器进行设计研究，以对上述低碳燃烧器存在的问题进行大幅改进，实现较宽特性清洁气体燃料燃烧调节，达到高效燃烧率、高效燃料利用率和高清洁性等燃烧效果，为电力等行业利用“零碳”燃料提供智慧化技术与装备可靠性保障，为“零碳”燃料安全、清洁、高效利用提供了一条新方法。


技术实现要素：

6.针对上述现有技术存在的缺陷和问题，本发明提供一种基于图像监测环境下的宽调节比高效清洁燃烧系统，实现较宽特性清洁气体燃料，可适应宽效率调节，可稳定燃烧大比例掺氢甲烷、亦可燃烧氢气、氨气等。同时可保障燃烧气体高效、稳定、清洁燃烧，达到高效燃烧率、高效燃料利用率和高清洁性等燃烧效果。
7.本发明解决其技术问题所采用的方案是：一种基于图像监测环境下的宽调节比高效清洁燃烧系统，包括驱动系统、火焰监测系统、燃烧系统、监控终端、稳焰装置，所述火焰
监测系统设置在锅炉炉腔内，并与所述监控终端连接，用于实现对锅炉内火焰信息的实时监测并将监测的信息传输至监控终端；所述燃烧系统包括燃烧器，所述燃烧器的输出端喷嘴处与炉腔连通，用于向炉腔内喷射火焰，且所述炉腔内靠近燃烧器喷嘴周侧固定嵌设有稳焰装置，所述稳焰装置呈喇叭式扩口状，用以配合所述燃烧器喷嘴结构并保证较宽的火焰稳定性；所述监控终端固定安装在炉腔外燃烧器主体上，并连接有驱动系统，所述驱动系统用于将燃烧所需要的空气送入炉腔内，并产生一定压力。
8.本发明提供的基于图像监测环境下的宽调节臂高效清洁燃烧系统，所述燃烧器包括壳体、气环、喉口、喷枪机构、调节阀、和电动执行器，所述壳体为中空结构，且所述气环固定安装在壳体一侧，所述壳体另一侧对应设有筒状喉口，且所述气环内腔与喉口连通，所述喷枪机构套装在所述壳体内，且前侧延伸至所述喉口内腔；所述喷枪机构包括中心枪、二级燃烧枪、三级燃烧枪、稳焰盘、点火枪和旋流片，所述中心枪套装在稳焰盘内腔中，且所述中心枪尾端通过气管与外壳内腔连通，所述点火枪安装在稳焰盘内中心枪一侧，且所述稳焰盘外周均匀设有多个旋流片，所述二级燃烧枪和三级燃烧枪间隔交叉设置，且均套装在旋流片外周，所述二级燃烧枪和三级燃烧尾端均与所述气环连通，所述气环上设有燃料进口，且气环底部通过气管与所述壳体内腔连通；所述电动执行器固定安装在壳体底部，且壳体内底部安装有风门挡板，通过所述电动执行器控制所述风门挡板的启闭从而实现对进风量的控制。
9.本发明提供的基于图像监测环境下的宽调节臂高效清洁燃烧系统，所述中心枪和所述气环延伸出的气管上分别设有空气流量调节阀，所述电动执行器能够智能控制所述风门挡板和所述空气流量调节阀的启闭以实现向壳体内进风量的控制。
10.本发明提供的基于图像监测环境下的宽调节臂高效清洁燃烧系统，所述中心枪用于一级燃料预混以产生稳定的火焰，所述二级燃料枪用于改变火焰的长度，所述三级燃料枪用于改变火焰的形状。
11.本发明提供的基于图像监测环境下的宽调节臂高效清洁燃烧系统，所述监控终端为人工智能火焰监测数字孪生系统，内部含有利用数字图像处理技术和智能算法等进行处理形成的清洁气体等燃料燃烧的数据库，用于对短时间内的火焰燃烧情况进行预测分析。
12.本发明提供的基于图像监测环境下的宽调节臂高效清洁燃烧系统，所述火焰监测系统包括光学工业内视镜、工业相机和隔热耐高温冷却套管，所述光学工业内视镜一端与所述工业相机连接并套装在所述套管内，且所述工业相机上设有电源接口和视频信号传输接口，所述光学工业内视镜另一端配备有90
°
视角的耐高温镜头，且所述耐高温镜头深入锅炉内腔中用于获取锅炉内的燃烧图像信息，并将燃烧图像由视频信号传输接口传输至监控终端。
13.本发明提供的基于图像监测环境下的宽调节臂高效清洁燃烧系统，所述驱动系统包括电动机和风机，所述电动机与风机通过联轴节相连接，且当控制电机转动时，能够同时带动风机一起转动，从而将燃烧所需助燃剂送入炉腔中。
14.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过利用火焰监测系统实现对火焰图像的实时采集，记录清洁气体燃料燃烧的火焰情况，利用监控终端实现自动只能控制进料量和进风量，优化助燃风与燃气量配比，通过在线精确调节，实现高效燃烧；
本发明燃烧器采用扩散式点火，使燃气与空气产生强烈对冲，提高点火成功率；本发明设置旋流片结构，以迫使气流产生切向运动，减少空气阻力，这样当气流经过时能够产生一定旋转强度的旋转运动，旋转的气流喷出形成合适的射流结构；本发明通过采用三级分级燃烧方法，在燃烧时，第一级燃料缺氧燃烧使产生较少nox，再通过第三级燃料补充过量空气，过氧燃烧，使产生较少的nox迅速反应掉，达到控制nox生成的目的；本发明实现了较宽特性清洁气体燃料，可适应宽效率调节，可稳定燃烧大比例掺氢甲烷、亦可燃烧氢气、氨气等；同时可保障燃烧气体高效、稳定、清洁燃烧，达到高效燃烧率、高效燃料利用率和高清洁性等燃烧效果。
附图说明
15.图1为本发明的系统整体结构示意图；图2为本发明燃烧器的立体结构示意图；图3为本发明燃烧器的另一立体结构示意图；图4为本发明燃烧器的前视结构示意图；图5为本发明a-a剖视的结构示意图；图6为本发明火焰监测系统的剖视结构示意图；图7为本发明系统整体装配的结构示意图；图8为本发明旋流射流的流动图像；图9为本发明实施例三的燃气回路示意图。
16.图中：壳体1、风门挡板2、中心枪3、点火枪4、底座5、燃料进口6、气环7、调节阀8、稳焰盘9、电动执行器10、火焰监测数字孪生系统11、旋流片12、二级燃烧抢13、电动调节阀14、母管普通球阀15、支管球阀16、压力表17、气体质量流量计18、喉口20、三级燃烧枪21、套管30、工业相机31、电源接口32、视频信号传输接口33、光学工业内视镜34、耐高温镜头35、点火枪40、中心筒41、燃气进口42、助燃剂进口43、石英玻璃视镜44、高压点火线45、点火助燃风质量流量计46、点火枪助燃风管调节阀47、天然气挡板48、风门挡板49、助燃风挡板50、安装吊耳51、定位环52、点火枪助燃风管53、燃烧器热膨胀补偿器54。
实施方式
17.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
18.请参阅图1-9，本发明提供了一种基于图像监测环境下的宽调节比高效清洁燃烧系统及分级燃烧方法的技术方案：实施例一：本实施例提供一种基于图像监测环境下的宽调节比高效清洁燃烧系统，包括驱动系统、火焰监测系统、燃烧系统、监控终端、稳焰装置，其中驱动系统包括电动机和风机，电动机与风机通过联轴节相连接，且当控制电机转动时，能够同时带动风机一起转动，从而将燃烧所需的助燃剂送入炉腔中。火焰监测系统设置在锅炉炉腔内，并与监控终端连接，用于实现对锅炉内火焰信息的实时监测并将监测信息传输至监控终端。
19.火焰监测系统包括光学工业内视镜34、工业相机31和套管30，其中套管为隔热耐高温冷却套管，光学工业内视镜34一端与工业相机31连接并套装在套管内，工业相机上设有电源接口32和视频信号传输接口33，另一端配备有90
°
视角的耐高温镜头35，且耐高温镜
头35伸入锅炉内用于获取锅炉内的燃烧图像，用于记录清洁气体等燃料燃烧的火焰情况，实现对锅炉内火焰信息的实时接收，并将燃烧图像由视频信号传输接口33传输至监控终端-人工智能火焰监测数字孪生系统11中，监控终端内含有利用数字图像处理技术和智能算法等进行处理形成的清洁气体等燃料燃烧的数据库，用于对短时间内的燃烧情况进行预测分析，因此监控终端根据接收到的实时火焰信息利用火焰监测技术通过识别分析火焰燃烧时辐射出的光能变化来判断火焰燃烧状况，同时结合燃料气体燃烧的数据库存储的火焰燃烧数据，从而对火焰燃烧情况进行调整，实现能够自动控制进料量和进风量，优化助燃风与燃气量配比，实现在线精确调节以及高效稳定的燃烧。
20.如图所示2-7，燃烧系统包括燃烧器主体，且燃烧器输出端喷嘴与炉腔固定连通，用于向炉腔内喷射火焰，监控终端安装在燃烧器上，为人工智能火焰监测数字孪生系统11，内部含有利用数字图像处理技术和智能算法等进行处理形成的清洁气体等燃料燃烧的数据库，用于对短时间内的火焰燃烧情况进行预测分析，燃烧器包括壳体1，气环7固定安装在壳体一侧，壳体另一侧对应设有筒状喉口20，且气环内腔与喉口连通，喉口为燃烧器的输出端喷嘴呈直筒状结构，保证空气平行流动，冷却作用良好，同时防止燃烧器之间空气流动的不平衡；喷枪机构套装在壳体内，且前侧延伸至喉口处，形成燃气的喷射通道；喷枪机构包括中心枪3、点火枪4、稳焰盘9、旋流片12、二级燃烧抢13和三级燃烧枪21，中心枪套装在稳焰盘内腔中，且中心枪尾端通过气管与外壳内腔连通，点火枪安装在中心枪一侧，稳焰盘外周均匀设有多个旋流片，二级燃烧枪和三级燃烧枪间隔交叉设置，且套装在旋流片外周，二级燃烧枪和三级燃烧尾端均与气环连通，气环上设有燃料进口6，且气环底部通过气管与壳体内腔连通；电动执行器10固定安装在壳体底部，中心枪和气环延伸出的气管上分别设有空气流量调节阀8，且壳体内底部安装有风门挡板2，电动执行器能够智能控制风门挡板和空气流量调节阀的启闭以实现向壳体内进风量的控制。
21.燃烧器这样的设置，使用时采用扩散式点火，使燃气与空气产生强烈对冲，提高点火成功率，中心枪用于一级燃料预混以产生稳定的火焰，二级燃料枪用于改变火焰的长度，三级燃料枪用于改变火焰的形状；少量燃料在中间位置低速以120
°
锥角喷出，保证火焰中心稳定燃烧；二级燃料经加压后亚音速喷射，方向与助燃气体流动的方向对冲，使其完成超混合；通过第一级燃料缺氧燃烧，第三级燃料补充过量空气，过氧燃烧来实现浓淡燃烧；燃烧器切入口设置旋流片，用以减少空气阻力。
22.再在锅炉尾部抽取一部分低温烟气与空气混合后送入炉内，同时混合气流进入旋流器后依靠旋转射流中心形成的负压区卷吸大量周围高温气流，降低了燃烧区域的火焰温度和氧气浓度，实现烟气再循环；且通过设置旋流片结构，从而迫使气流产生切向运动，这样当气流经过时能够产生一定旋转强度的旋转运动，旋转的气流喷出形成合适的射流结构；结合配风系统形成稳定燃烧的中心低速空气区22；产生旋流风以燃气超级混合的旋流区24；速度增大并完全沿火焰稳定器的轴向流动的轴流区23；通过上述技术最终实现燃烧器能够适应宽调节燃料热值：1200~3000大卡，如：发生炉煤气、生物质气、转炉煤气、沼气、瓦斯气、氢气等，其功率覆盖范围广：0.9mw~22.5mw，使用锅炉吨位从1t/h到25t/h。
23.本发明提供的基于图像监测环境下的宽调节比高效清洁燃烧系统，实际工作时，将上述燃烧系统与锅炉进行匹配安装，中心筒前端设有安装吊耳和定位环，实现与炉膛内壁的齐平，同时燃烧器前端喷嘴伸入炉腔内，通过定位环保证喷嘴位置，使其与炉膛内壁具
有一定的距离，避免由于插入距离过远而烧坏喷嘴，或者插入过近而烧坏炉墙或者水冷壁；在燃烧器底部设有燃气进口42和助燃气进口43，用于分别向燃烧器内通入燃气和助燃气，且在燃气和助燃气进入炉腔内之后，通过点燃高压点火线45进行高圧点火，从而使点火枪在喷口出口位置打出高压电弧，从而点燃燃气；之后再通过石英玻璃视镜44以及监控终端来实时观察炉腔内火焰的燃烧状态，并通过点火枪助燃风管调节阀47、天然气挡板48和风门挡板49的配合来对燃气和风的比例进行调节，实现宽负荷的调整，以及实现在高功率和低功率下不同的燃烧状态的变化，从而使火焰燃烧的更稳定。此外在中心筒上还设有燃烧器热补偿器，避免在高温状态下使整个设备被拉裂开，起到对于热膨胀量的补偿作用。燃烧时采用分级燃烧的方法，包括在炉腔内燃烧器区域组织第一级分级燃烧和浓淡燃烧；在三次风区域组织第二级分级燃烧，采用较高的三次风率；燃烧器喉口区域组织第三级分级燃烧，在靠近喉口的较佳位置处布置下倾喷入的燃尽风，在炉内构建深度分级燃烧条件，从而用以抑制氮氧化物的生成。
实施例
24.在实施例一的基础上，本实施例对系统中的燃气回路进行介绍：系统中共设有燃气管路、助燃风管路、回流烟气管路、点火支路、燃烧器本体，所述燃气管路、助燃风管路、回流烟气管路；燃烧器本体与所述燃气管路、助燃风管路连通，所述点火支路与燃气管路和助燃风管路连通，点火支路与燃气管路和助燃风管路连通，并设有电动调节阀14，母管普通球阀15，支管球阀16，压力表17与气体质量流量计18。
25.清洁气体燃料从燃气进口7进入，经电动调节阀14、母管普通球阀15、支管球阀16与气体质量流量计18调节将燃料燃烧所需的空气及燃气分成两股或多股从燃气进口7送入炉膛燃烧区域，控制燃料燃烧初期燃烧强度和nox的生成量。
26.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不限制本发明，凡在本发明的精神和原则范围内所做的任何修改、等同替换和改进，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于图像监测环境下的宽调节比高效清洁燃烧系统，其特征在于：包括驱动系统、火焰监测系统、燃烧系统、监控终端、稳焰装置，所述火焰监测系统设置在锅炉炉腔内，并与所述监控终端连接，用于实现对锅炉内火焰信息的实时监测并将监测的信息传输至监控终端；所述燃烧系统包括燃烧器，所述燃烧器的输出端喷嘴处与炉腔连通，用于向炉腔内喷射火焰，且所述炉腔内靠近燃烧器喷嘴周侧固定嵌设有稳焰装置，所述稳焰装置呈喇叭式扩口状，用以配合所述燃烧器喷嘴结构并保证较宽的火焰稳定性；所述监控终端固定安装在炉腔外燃烧器主体上，并连接有驱动系统，所述驱动系统用于将燃烧所需要的空气送入炉腔内，并产生一定压力。2.根据权利要求1所述的基于图像监测环境下的宽调节比高效清洁燃烧系统，其特征在于：所述燃烧器包括壳体、气环、喉口、喷枪机构、调节阀、和电动执行器，所述壳体为中空结构，且所述气环固定安装在壳体一侧，所述壳体另一侧对应设有筒状喉口，且所述气环内腔与喉口连通，所述喷枪机构套装在所述壳体内，且前侧延伸至所述喉口内腔；所述喷枪机构包括中心枪、二级燃烧枪、三级燃烧枪、稳焰盘、点火枪和旋流片，所述中心枪套装在稳焰盘内腔中，且所述中心枪尾端通过气管与外壳内腔连通，所述点火枪安装在稳焰盘内中心枪一侧，且所述稳焰盘外周均匀设有多个旋流片，所述二级燃烧枪和三级燃烧枪间隔交叉设置，且均套装在旋流片外周，所述二级燃烧枪和三级燃烧尾端均与所述气环连通，所述气环上设有燃料进口，且气环底部通过气管与所述壳体内腔连通；所述电动执行器固定安装在壳体底部，且壳体内底部安装有风门挡板，通过所述电动执行器控制所述风门挡板的启闭从而实现对进风量的控制。3.根据权利要求2所述的基于图像监测环境下的宽调节比高效清洁燃烧系统，其特征在于：所述中心枪和所述气环延伸出的气管上分别设有空气流量调节阀，所述电动执行器能够智能控制所述风门挡板和所述空气流量调节阀的启闭以实现向壳体内进风量的控制。4.根据权利要求2所述的基于图像监测环境下的宽调节比高效清洁燃烧系统，其特征在于：所述中心枪用于一级燃料预混以产生稳定的火焰，所述二级燃料枪用于改变火焰的长度，所述三级燃料枪用于改变火焰的形状。5.根据权利要求1所述的基于图像监测环境下的宽调节比高效清洁燃烧系统，其特征在于：所述监控终端为人工智能火焰监测数字孪生系统，内部含有利用数字图像处理技术和智能算法等进行处理形成的清洁气体等燃料燃烧的数据库，用于对短时间内的火焰燃烧情况进行预测分析。6.根据权利要求1所述的基于图像监测环境下的宽调节比高效清洁燃烧系统，其特征在于：所述火焰监测系统包括光学工业内视镜、工业相机和隔热耐高温冷却套管，所述光学工业内视镜一端与所述工业相机连接并套装在所述套管内，且所述工业相机上设有电源接口和视频信号传输接口，所述光学工业内视镜另一端配备有90
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视角的耐高温镜头，且所述耐高温镜头深入锅炉内腔中用于获取锅炉内的燃烧图像信息，并将燃烧图像由视频信号传输接口传输至监控终端。7.根据权利要求1所述的基于图像监测环境下的宽调节比高效清洁燃烧系统，其特征在于：所述驱动系统包括电动机和风机，所述电动机与风机通过联轴节相连接，且当控制电机转动时，能够同时带动风机一起转动，从而将燃烧所需助燃剂送入炉腔中。

技术总结
本发明公开了一种基于图像监测环境下的宽调节比高效清洁燃烧系统，涉及工业清洁燃料燃烧设施技术领域，包括驱动系统、火焰监测系统、燃烧系统、监控终端、稳焰装置，所述火焰监测系统设置在锅炉炉腔内并与监控终端连接，所述燃烧系统包括燃烧器，燃烧器与炉腔固定连通，用于实现分级燃烧，炉腔内靠近燃烧器喷嘴周侧固定设有稳焰装置，用以配合所述燃烧器喷嘴结构以保证较宽的火焰稳定性；所述监控终端固定安装在燃烧器主体上，并连接有驱动系统；本发明能够实现较宽特性清洁气体燃料，能够适应宽效率调节，达到高效燃烧率、高效燃料利用率和高清洁性的燃烧效果。率和高清洁性的燃烧效果。率和高清洁性的燃烧效果。


技术研发人员：郭欣维 王为术 蔡傲冰 张榆汯 赵媛媛 徐航 郭贵海 曹轶之 郑晖 闻猛 崔昊森 张忠孝 陈宝明 练纶 孔成栋 张鹏飞 乌晓江 岳朴杰 张青永 江砚池 王长涛 王宇 杨苏莉 闵有卓 程留建
受保护的技术使用者：华北水利水电大学
技术研发日：2023.04.25
技术公布日：2023/8/22