CN101737778B - 一种扩散式多孔介质气体燃料燃烧器 - Google Patents

一种扩散式多孔介质气体燃料燃烧器 Download PDF

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Abstract

一种扩散式多孔介质气体燃料燃烧器，包括外壳、空气管道和耐火套管，空气管道与外壳连接，外壳底端与燃气分流罐的顶板连接，外壳内部从上到下依次设有耐火套管、托盘和燃气分流管，耐火套管底端与托盘接触，托盘与外壳或燃气分流管固定在一起，燃气分流管底端固定在燃气分流罐的顶板上，并且燃气分流管与燃气分流罐内部连通；耐火套管内从上到下设有大孔多孔介质、小孔多孔介质和下层金属纤维，下层金属纤维同时与托盘和燃气分流管连接。本发明的扩散式多孔介质气体燃料燃烧器使用时能够有效避免在燃烧强度较强的情况下发生回火现象，从而达到保护小孔多孔介质，节约能源的效果。

Description

一种扩散式多孔介质气体燃料燃烧器
技术领域
本发明涉及一种气体燃料燃烧器，特别涉及一种扩散式多孔介质气体燃料燃烧器。
背景技术
在高热值气体燃料的燃烧中，材料特性方面，多孔介质具有耐高温、抗氧化、抗腐蚀等特性，不锈钢、合金、陶瓷等都曾作为研究对象被国内外学者们试用。结构方面，当孔径相对较大时，辐射作用穿透得较深远，温度升高较快；孔径相对较小时，多孔介质相对的光学厚度较大，可以屏蔽辐射并有良好的蓄热效果。目前，在燃烧器内加入多孔介质的技术逐渐被人们重视。
李本文等人提出了“一种燃烧低热值气体的多孔金属介质燃烧器”以及“一种金属纤维-多孔陶瓷介质表面燃烧器”，对多孔介质加入到燃烧器的应用进行了深入的研究。
多孔介质中的预混燃烧有很多优点：较小的贫燃极限、较高的燃烧速率和稳定性、负荷调节范围广、燃烧强度高、燃烧器体积小、完全燃烧等，燃烧产物中污染物如NOx、CO等的含量非常少；但是同时我们发现采用完全预混燃烧的多孔介质燃烧器仍存在以下的缺陷：由于在预混区域的小孔介质下方是通有空气和燃气混合的预混室，当燃烧强度较小时，可能会发生回火现象；由于燃烧器对小孔介质材质要求很高，如耐高温等，且很小孔径(50～60PPI)的陶瓷泡沫的抗热震性不好，且难以制作。如果发生频繁回火会导致较大的经济损失，如何避免回火现象的发生是目前急需解决的问题。
发明内容
针对以上技术问题，本发明提供一种扩散式多孔介质气体燃料燃烧器，目的在于通过改进燃烧器的结构形式，改变燃烧器的燃烧区域，避免回火现象的发生，同时使燃烧器拆卸方便。
本发明的扩散式多孔介质气体燃料燃烧器包括外壳、空气管道和耐火套管，外壳底端与燃气分流罐的顶板连接，外壳内部从上到下依次设有耐火套管、托盘和燃气分流管，托盘内的托盘孔将托盘的上下两个端面连通，耐火套管底端与托盘接触，托盘与外壳或燃气分流管固定在一起，燃气分流管底端固定在燃气分流罐的顶板上并与燃气分流罐内部连通；耐火套管内从上到下设有大孔多孔介质、小孔多孔介质和下层金属纤维，下层金属纤维的底端面同时与托盘和燃气分流管连接；外壳与空气管道的连接处位于托盘的下方。
上述的扩散式多孔介质气体燃料燃烧器中，外壳与耐火套管之间的空隙中设有耐火填充材料；大孔多孔介质和小孔多孔介质之间设有上层金属纤维；大孔多孔介质、小孔多孔介质以及上层金属纤维共同构成一个多孔介质区域，多孔介质区域与耐火套管之间设有耐火填充材料。
上述的扩散式多孔介质气体燃料燃烧器中，耐火套管的顶端设有套管顶板，套管顶板内设有顶板孔将顶板上下两个端面连通，顶板的设置方式分为两种：套管顶板的水平高度高于外壳或低于外壳。
第一种方式：当套管顶板的水平高度高于外壳时，套管顶板的外沿位于外壳的上方，并且套管顶板与外壳顶端之间的空隙中设有耐火填充材料；按这种设置方式时，托盘固定连接在外壳上，并且耐火套管与外壳通过销栓固定在一起。
第二种方式：当套管顶板的水平高度低于外壳时，套管顶板的内侧面上连接有内管，外壳的顶端设有外壳顶板，外壳顶板内设有中孔，中孔与外壳顶板上下两个端面连通，外壳顶板位于套管顶板的上方，并且内管位于中孔的内部，外壳顶板与套管顶板之间的空隙中设有耐火填充材料，中孔与内管的空隙中设有耐火填充材料；按这种设置方式时，托盘固定连接在燃气分流管上。
上述的扩散式多孔介质气体燃料燃烧器中，大孔多孔介质的材质为堇青石、莫来石、氧化钇基氧化锆、氧化钙基氧化锆、氮化硅或氧化铝；平均孔径为3～5mm，孔隙率为80～85％，孔径为10～20PPI，孔径的排布方式为无序排布。
上述的扩散式多孔介质气体燃料燃烧器中，小孔多孔介质的材质为堇青石、莫来石、氧化钇基氧化锆、氮化硅或氧化铝；平均孔径为0.4～0.5mm，孔隙率为80～85％，孔径为30～40PPI，孔径的排布方式为无序排布。
上述的扩散式多孔介质气体燃料燃烧器中，耐火填充材料为耐火棉或金属纤维。
上述的扩散式多孔介质气体燃料燃烧器中，上层金属纤维的厚度为2～3mm，下层金属纤维的厚度为2～3mm，大孔多孔介质的高度为25～50mm，小孔多孔介质的高度为25～50mm，托盘与燃气分流罐顶板之间的距离为200～400mm。
本发明的扩散式多孔介质气体燃料燃烧器的设计原理是：在外壳内部，以托盘下方和燃气分流罐顶板上方的部分作为空气预热室，以小孔多孔介质所在区域作为燃气和空气的混合区，以大孔多孔介质所在的区域作为燃烧区；使用时，燃气从燃气分流罐内经过燃气分流管进入小孔多孔介质中，空气通过空气预热室进入小孔多孔介质中，燃气和空气在小孔多孔介质内混合，然后在大孔多孔介质内燃烧；燃气分流管内的燃气能够使空气在空气预热室内密度分布均匀，这种设置方式在使用时能够有效避免在燃烧强度较强的情况下发生回火现象，从而达到保护小孔多孔介质，节约能源的效果。
同时在耐火套管和外壳之间，以及在耐火套管和多孔介质(包括大孔多孔介质和小孔多孔介质)之间设置耐火填充材料，能够有效的避免出现漏气现象以及硬接触时的划伤现象；由于多孔介质采用陶瓷等材料时，材料的脆性较大，为避免大孔多孔介质和小孔多孔介质之间接触造成破碎，在两者之间设置厚度为2～3mm金属纤维。
本发明的扩散式多孔介质气体燃料燃烧器还具有拆装灵活的特点，根据生产需要，可以将多个燃烧器单体组成一个较大的组合燃烧器，在工作时能够随时更换损坏的单个多孔介质，并不影响其他燃烧器单体的工作。本发明的燃烧器的拆装方法为：当采用前述的第一种方式设置的燃烧器时，卸下外壳和耐火套管连接的销栓，将多孔介质连同耐火套管从外壳上方取出，更换多孔介质后再放回外壳中，其余部件不动；当采用前述的第二种方式设置的燃烧器时，拆卸燃气分流罐顶板和外壳之间的螺栓，将燃气分流罐连同燃气分流管和托盘从外壳底部取出，将多孔介质取出，耐火套管和耐火填充材料不动。本发明的扩散式多孔介质气体燃料燃烧器除了具有原有多孔介质燃烧器的体积小、燃烧强度高，负荷调节范围广、贫燃极限小、燃烧速率高、稳定性好、燃烧完全等有点外，还可以有效避免回火现象的发生，同时拆装方便，结构合理，能够使用燃烧热值变化范围在800～4000kcal/m3(3344～16720kJ/m3)甚至以上的气体燃料，如高炉煤气、焦炉煤气、高焦混合煤气、天然气、石油液化气等气体燃料，燃烧器的横截面为圆形、正方形或其他多边形，多个燃烧器可以组合成任意形状的燃烧器组合体，采用的空气为常温空气或预热空气，可广泛用于冶金、化工、能源等行业。
附图说明
图1是本发明实施例1中的扩散式多孔介质气体燃料燃烧器的轴向剖面示意图；
图2是图1的B-B向剖视图；
图3是图1的C-C向剖视图；
图4是本发明实施例1中托盘的俯视图和D-D向剖视图；
图5是本发明实施例2中的扩散式多孔介质气体燃料燃烧器的轴向剖面示意图；
图6是图5的B-B向剖视图；
图7是图5的C-C向剖视图；
图8是本发明实施例2中托盘的俯视图和D-D向剖视图；
图中：1、耐火套管，2、外壳，3、耐火填充材料，4、大孔多孔介质，5、上层金属纤维，6、销栓，7、小孔多孔介质，8、托盘，9、空气预热室，10、空气管道，11、燃气分流管，12、密封垫，13、燃气分流罐，14、螺栓，15、燃气管道，16、下层金属纤维，17、内部耐火填充材料，φ1、法兰盘外径，φ2、外壳外径，φ3、外壳内径，φ4、耐火填充材料外径，φ5、耐火填充材料内径，φ6、多孔介质外径，φ7、燃气分流管外径，φ8、空气管道外径，φ9、燃气管道外径，a、按第一种方式设置时的耐火填充材料与多孔介质间的金属纤维厚度，b、按第一种方式设置时耐火套管和外壳间的金属纤维厚度，c、下层金属纤维的厚度，d、按第二种方式设置时的耐火填充材料与多孔介质间的金属纤维厚度，e、按第二种方式设置时耐火套管和外壳间的金属纤维厚度，h1、耐火套管与大孔介质的水平高度差，h2、大孔多孔介质高度，h3、上层金属纤维厚度，h4、小孔多孔介质高度，h5、托盘厚度，h6、空气预热室高度，h7、空气管道与燃气分流罐顶板的水平高度差。
具体实施方式
以下为本发明优选实施例。
本发明实施例中采用的耐火套管的材质为高铝质，外壳的材质为耐高温合金钢，托盘、燃气分流罐和燃气分流管的材质为耐高温合金钢或不锈钢。
本发明实施例中的燃烧器使用时有关工艺参数如下：
采用的燃烧气体为高炉煤气、焦炉煤气、高焦混合煤气、天然气或石油液化气；
空气预热时的方式为：空气流量(空气预热到300℃)：24.94～119.282m3/h；燃气流量(以天然气为例，空气预热到300℃)：1.195～4.147m3/h。
空气不预热时的方式为：空气流量(空气为常温)：16.844～80.853m3/h；燃气流量(以天然气为例，空气为常温)：1.558～4.985m3/h。
当量比：0.6～0.9；燃烧强度：900～2000kw/m2。
燃烧效果：未燃烃、氮化物和硫化物重量含量低于50ppm，一氧化碳重量含量低于30ppm。
本发明实施例中的燃烧器的几何尺寸取值范围为：
h1＝6～10mm；     h2＝25～50mm；    h3＝2～3mm；
h4＝25～50mm；    h5＝2～3mm；      h7＝40～100mm；
a＝2～3mm；       b＝2～3mm；
φ1＝230～280mm；φ2＝210～260mm；  φ3＝190～240mm；
φ4＝150～200mm；φ5＝180～230mm；  φ6＝10～15mm；
φ7＝35～55mm；  φ8＝20～30mm。
下层金属纤维的厚度与上层金属纤维相同。
实施例1
扩散式多孔介质气体燃料燃烧器结构如图1所示，A-A向剖视图如图2所示，B-B向剖视图结构如图3所示，燃烧器主要由耐火套管1、外壳2、托盘8、燃气分流管11和燃气分流罐13构成，托盘8结构如图4所示，托盘8内的托盘孔将托盘的上下两个端面连通，外壳2底端与燃气分流罐13的顶板连接，外壳2内部从上到下依次设有耐火套管1、托盘8和燃气分流管11，耐火套管1底端与托盘8接触，托盘8的外沿与外壳2焊接固定在一起；燃气分流管11底端固定在燃气分流罐13的顶板上，并与燃气分流罐13内部连通；耐火套管1内从上到下设有大孔多孔介质4、小孔多孔介质7和下层金属纤维16，下层金属纤维16的底端面同时与托盘8和燃气分流管11连接；外壳2与空气管道10的连接处位于托盘8与燃气分流罐13之间。
外壳2与耐火套管之1间的空隙中设有耐火填充材料3；大孔多孔介质4和小孔多孔介质7之间设有上层金属纤维5；大孔多孔介质4、小孔多孔介质7以及上层金属纤维5共同构成一个多孔介质区域，多孔介质区域与耐火套管1之间设有内部耐火填充材料17。
外壳2的底端法兰与燃气分流罐13的顶板法兰用螺栓14固定在一起，两个法兰之间通过密封垫12密封。
燃气分流罐13底部设有燃气管道15。
在外壳2内部，以托盘8下方和燃气分流罐13顶板上方的部分作为空气预热室9。
耐火套管1的顶端设有套管顶板，套管顶板内设有顶板孔将顶板上下两个端面连通，套管顶板的水平高度高于外壳，套管顶板的外沿位于外壳的上方，并且套管顶板与外壳顶端之间的空隙中设有耐火填充材料；耐火套管1与外壳2通过销栓6固定在一起。
按上述设置方式制备5组燃烧器，几何尺寸分别如表1所示。
表1
  组别 1# 2# 3# 4# 5#
  h1(mm)   6   7   8   9   10
  h2(mm)   25   30   35   40   50
  h3(mm)   2   2   2   3   3
  h4(mm)   25   35   30   40   50
  h5(mm)   2   2   2   3   3
  a(mm)   2   2   3   3   3
  b(mm)   2   2   3   3   3
  φ1(mm)   230   240   250   260   280
  φ2(mm)   210   220   230   240   260
  φ3(mm)   190   200   210   220   240
  φ4(mm)   150   160   170   180   200
  φ5(mm)   180   190   200   210   230
  φ6(mm)   10.2   10.2   10.2   10.2   10.2
  φ7(mm)   42.4   42.4   42.4   42.4   42.4
  φ8(mm)   21.3   21.3   21.3   21.3   21.3
  燃烧区陶瓷材料平均孔径(mm)   4(无序)   3(无序)   5(无序)   5(无序)   4(无序)
  燃烧区陶瓷材料孔隙率％   82   85   83   80   85
  预热区金属材料平均孔径(mm)   0.4(无序)   0.4(无序)   0.5(无序)   0.4(无序)   0.5(无序)
  预热区金属材料孔隙率％   80   83   82   80   84
h5的尺寸依次分别为200mm、250mm、300mm、320mm、360mm和400mm。
其中的大孔多孔介质为莫来石；小孔多孔介质的材质为堇青石。
采用上述燃烧器进行试验，向燃烧器内通天然气、空气，空气从空气管道10进入温度较低的空气预热室9；与此同时，天然气从燃气管道15进入排列均匀的燃气分流管11；在小孔多孔介质7内天然气和空气相混合，然后进入燃烧区的大孔多孔介质4内燃烧。
采用1#燃烧器(φ4＝150mm)，在空气不预热的条件下分别进行燃烧强度为900～2000kw/m2的燃烧试验，试验数据如表2所示。
表2
Figure G2009102205679D00061
Figure G2009102205679D00071
按上述方式进行试验，未燃烃、氮化物和硫化物重量含量低于50ppm，一氧化碳重量含量低于30ppm。
采用1#燃烧器(φ4＝150mm)，在空气预热至300℃的条件下分别进行燃烧强度为900～2000kw/m2的燃烧试验，试验数据如表3所示。
表3
Figure G2009102205679D00072
Figure G2009102205679D00081
按上述方式进行试验，未燃烃、氮化物和硫化物重量含量低于50ppm，一氧化碳重量含量低于30ppm。
实施例2
扩散式多孔介质气体燃料燃烧器结构同实施例1；其中的大孔多孔介质的材质为氧化钙基氧化锆，小孔多孔介质的材质为氧化钇基氧化锆。
几何尺寸同实施例1。
采用3#燃烧器(φ4＝170mm)，在空气不预热的条件下分别进行燃烧强度为900～2000kw/m2的燃烧试验，试验数据如表4所示。
表4
Figure G2009102205679D00091
采用3#燃烧器(φ4＝170mm)，在空气预热至300℃的条件下分别进行燃烧强度为900～2000kw/m2的燃烧试验，试验数据如表5所示。
表5
Figure G2009102205679D00102
实施例3
扩散式多孔介质气体燃料燃烧器结构如图5所示，A-A向剖视图如图6所示，B-B向剖视图结构如图7所示，扩散式多孔介质气体燃料燃烧器结构如图1所示，A-A向剖视图如图2所示，B-B向剖视图结构如图3所示，燃烧器主要由耐火套管1、外壳2、托盘8、燃气分流管11和燃气分流罐13构成，托盘8结构如图8所示，托盘8内的托盘孔将托盘的上下两个端面连通，外壳2底端与燃气分流罐13的顶板连接，外壳2内部从上到下依次设有耐火套管1、托盘8和燃气分流管11，耐火套管1底端与托盘8接触，托盘8的中孔侧壁上设有带孔的固定板套在燃气分流管11的外壁上，并焊接固定在一起；燃气分流管11底端固定在燃气分流罐13的顶板上，并与燃气分流罐内部连通；耐火套管1内从上到下设有大孔多孔介质4、小孔多孔介质7和下层金属纤维16，下层金属纤维16的底端面同时与托盘8和燃气分流管11连接；外壳2与空气管道10连接，其连接处位于托盘8与燃气分流罐13之间。
外壳2与耐火套管之1间的空隙中设有耐火填充材料3；大孔多孔介质4和小孔多孔介质7之间设有上层金属纤维5；大孔多孔介质4、小孔多孔介质7以及上层金属纤维5共同构成一个多孔介质区域，多孔介质区域与耐火套管1之间设有内部耐火填充材料17。
外壳2的底端法兰与燃气分流罐13的顶板法兰用螺栓14固定在一起，两个法兰之间通过密封垫12密封。
燃气分流罐13底部设有燃气管道15。
在外壳2内部，以托盘8下方和燃气分流罐13顶板上方的部分作为空气预热室9。
耐火套管1的顶端设有套管顶板，套管顶板内设有顶板孔将顶板上下两个端面连通，套管顶板的水平高度低于外壳2；套管顶板的内侧面上连接有内管，外壳2的顶端设有外壳顶板，外壳顶板内设有中孔，外壳顶板的中孔与外壳顶板上下两个端面连通，外壳顶板位于套管顶板的上方，并且内管位于中孔的内部，外壳顶板与套管顶板之间的空隙中设有耐火填充材料，中孔与内管的空隙中设有耐火填充材料。
其中大孔多孔介质的材质为氮化硅，小孔多孔介质的材质为氧化铝。
按上述设置方式制备5组燃烧器，各组燃烧器的几何尺寸同实施例1。
采用2#燃烧器(φ4＝160mm)，在空气不预热的条件下分别进行燃烧强度为900～2000kw/m2的燃烧试验，试验数据如表6所示。
表6
Figure G2009102205679D00112
Figure G2009102205679D00121
采用2#燃烧器(φ4＝160mm)，在空气预热至300℃的条件下分别进行燃烧强度为900～2000kw/m2的燃烧试验，试验数据如表7所示。
表7
Figure G2009102205679D00122
Figure G2009102205679D00131
实施例4
扩散式多孔介质气体燃料燃烧器结构同实施例3；其中大孔多孔介质的材质为氮化硅，小孔多孔介质的材质为氧化铝。
按上述设置方式制备5组燃烧器，各组燃烧器的几何尺寸同实施例1。
采用4#燃烧器(φ4＝180mm)，在空气不预热的条件下分别进行燃烧强度为900～2000kw/m2的燃烧试验，试验数据如表8所示。
表8
Figure G2009102205679D00141
采用4#燃烧器(φ4＝180mm)，在空气预热至300℃的条件下分别进行燃烧强度为900～2000kw/m2的燃烧试验，试验数据如表9所示。
表9
实施例5
扩散式多孔介质气体燃料燃烧器结构同实施例3；其中大孔多孔介质的材质为氮化硅，小孔多孔介质的材质为氧化铝。
按上述设置方式制备5组燃烧器，各组燃烧器的几何尺寸同实施例1。
采用5#燃烧器(φ4＝200mm)，在空气不预热的条件下分别进行燃烧强度为900～2000kw/m2的燃烧试验，试验数据如表10所示。
表10
Figure G2009102205679D00161
Figure G2009102205679D00171
采用5#燃烧器(φ4＝200mm)，在空气预热至300℃的条件下分别进行燃烧强度为900～2000kw/m2的燃烧试验，试验数据如表11所示。
表11
Figure G2009102205679D00172
Figure G2009102205679D00181

Claims (5)

1.一种扩散式多孔介质气体燃料燃烧器，包括外壳、空气管道和耐火套管，空气管道与外壳连接，其特征在于：外壳底端与燃气分流罐的顶板连接，外壳内部从上到下依次设有耐火套管、托盘和燃气分流管，托盘内的托盘孔将托盘的上下两个端面连通，耐火套管底端与托盘接触，托盘与外壳或燃气分流管固定在一起，燃气分流管底端固定在燃气分流罐的顶板上，并且燃气分流管与燃气分流罐内部连通；耐火套管内从上到下设有大孔多孔介质、小孔多孔介质和下层金属纤维，下层金属纤维同时与托盘和燃气分流管连接；外壳与空气管道的连接处位于托盘的下方。
2.根据权利要求1所述的一种扩散式多孔介质气体燃料燃烧器，其特征在于所述的外壳与耐火套管之间的空隙中设有耐火填充材料。
3.根据权利要求1所述的一种扩散式多孔介质气体燃料燃烧器，其特征在于所述的大孔多孔介质和小孔多孔介质之间设有上层金属纤维；大孔多孔介质、小孔多孔介质以及上层金属纤维共同构成一个多孔介质区域，多孔介质区域与耐火套管之间设有耐火填充材料。
4.根据权利要求1所述的一种扩散式多孔介质气体燃料燃烧器，其特征在于所述的大孔多孔介质的材质为堇青石、莫来石、氧化钇基氧化锆、氧化钙基氧化锆、氮化硅或氧化铝；平均孔径为3～5mm，孔隙率为80～85％，孔径为10～20PPI，孔径的排布方式为无序排布。
5.根据权利要求1所述的一种扩散式多孔介质气体燃料燃烧器，其特征在于所述的小孔多孔介质的材质为堇青石、莫来石、氧化钇基氧化锆、氮化硅或氧化铝；平均孔径为0.4～0.5mm，孔隙率为80～85％，孔径为30～40PPI，孔径的排布方式为无序排布。
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