CN102323374A

CN102323374A - 开放空间粉尘连续吹喷预混燃烧实验系统

Info

Publication number: CN102323374A
Application number: CN201110153130A
Authority: CN
Inventors: 王秋红; 孙金华
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC; Shanxi Institute of Coal Chemistry of CAS
Priority date: 2011-06-09
Filing date: 2011-06-09
Publication date: 2012-01-18

Abstract

本发明提供了一种开放空间粉尘连续吹喷预混燃烧实验系统。它由进料系统、进气系统、气-粉混合系统、燃烧器和点火系统构成。所述燃烧器包括一个漏斗状混合腔、输运燃烧混合物的管束阵列和支架。漏斗状混合腔的上开口处与支架底板密封连接，其下颈部与连接气-粉混合系统的管道法兰密封连接；管束阵列是由多根圆柱形金属管组成，每根管的下端口与漏斗状混合腔连通、上端口与外部环境空间连通。本发明粉尘和气体的两次混合，保证了燃烧器出口粉尘浓度均匀；实现了在同一燃烧器上得到多种火焰形状和火焰面积，提供了深入研究开放空间粉尘云连续气固两相流场的火焰传播及载粒流燃烧的实验平台。

Description

开放空间粉尘连续吹喷预混燃烧实验系统

技术领域

本发明涉及一种燃烧实验装置，特别涉及粉尘-空气预混连续燃烧实验装置。

背景技术

现代工业的快速发展使得粉末技术得到广泛应用，粉末产物种类日益增多。在粉末的加工、运输、储存等工艺中不可避免地会产生粉尘，这些有含尘的场所或设备就存在着发生粉尘燃烧或爆炸的危险。产生粉尘的行业涉及到了农业、矿业、纺织业、化工业等，其中粉尘爆炸事故主要发生在谷物加工、煤炭开采、纺织及冶金工业中。研究这些行业中产生的可燃性粉尘的燃烧性和爆炸性对工业生产安全起十分重要作用，因为只有了解清楚其各种特性才能够有效防范粉尘燃烧和爆炸事故的发生。通常可燃性粉尘分为以下6大类：金属性粉尘，如铁、铝、镁、锡、铅、锰、锌、铍、锆等金属及其化合物；矿物性粉尘，如煤粉；植物性粉尘，如棉、亚麻、甘蔗、谷物、木材、茶等的粉状物；动物性粉尘，如兽毛、羽毛、骨质、角质等的粉状物；人工合成有机粉尘，如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚氨酯、合成纤维、合成橡胶、合成树脂、合成药物等的粉状物；火炸药类粉尘，如TNT、黑火药、氯酸钾、硝酸铵等。

现有技术中，对粉尘燃烧、爆炸方面的研究主要集中在两个方面：其中一方面是对粉尘爆炸现象的研究。目前国际上研究粉尘爆炸的测试装置有1m³爆炸球试验装置、20L爆炸球试验装置、粉尘层和粉尘云着火温度测试装置、点火能和比电阻测试装置。另外对粉尘爆炸的研究，不同研究机构的实验手段和研究的侧重点不同。我国东北大学建成了我国最大的地上粉尘爆炸试验场，包括6m³、90m³等大型爆炸试验装置，可进行爆炸泄压、爆炸抑制和爆炸阻隔等多种爆炸试验。煤炭科学研究总院重庆分院建立了气体粉尘爆炸特性试验室、煤尘爆炸性鉴定中心站、气体粉尘激波实验室等。南京理工大学着重研究粉尘爆炸、凝聚态物质、火炸药的爆炸。中国矿业大学侧重研究煤尘爆炸和煤与瓦斯共混爆炸。

另一方面是对粉尘云燃烧过程中火焰传播现象的研究。中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室在粉尘云瞬间燃烧的火焰传播研究方向展开了大量的研究工作，研究了PMMA粉、铝粉、镁粉、铁粉、锆粉、煤粉与瓦斯共混的粉尘云瞬间燃烧的火焰传播现象。粉尘被气流瞬间吹喷抛撒，在受限空间中形成浓度均匀的粉尘云，高压电火花点火提供初始能量引燃粉尘云，该套实验系统侧重于研究粉尘云瞬间燃烧的火焰传播规律，并且是在受限空间中。

除了挖掘粉尘云瞬间燃烧的火焰传播规律，对粉尘云连续燃烧规律的探索也是粉尘云燃烧的一个重要分支。已有研究粉尘连续燃烧所用的燃烧器一般都是受限容器，即粉尘悬浮在密闭空间中燃烧，例如锅炉。这类密闭燃烧器不利于观察粉尘在气流中的悬浮状态和燃烧时的火焰特征，并且器壁有阻火焰成长，为此有必要对粉尘云在开放空间中的连续燃烧现象展开研究。

目前国内外对粉尘云在开放空间中连续燃烧的研究很少。从报道的情况看，国外少数机构为研究开放空间粉尘云连续燃烧而建造的气固两相自由射流装置的设计原理和方法也不相同。Shoshin，Dreizin根据粒子静电原理设计了产生金属气溶胶的实验装置，燃烧介质为粉尘颗粒和空气，燃烧方式属于气固预混燃烧（Aerosol Science and Technology，2002）。Goroshin，Risha等根据电动推杆送料原理建立了产生本生灯型预混粉尘火焰的装置，燃烧介质为粉尘颗粒和空气，燃烧方式属于气固预混燃烧（Combustion and Flame，1996；43rd AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit，2005）。这两种气固预混燃烧实验装置均为粉尘颗粒和空气一次混合，燃烧装置出口仅为一个单管，火焰形状和火焰面积单一，不能深入研究大面积粉尘云在开放空间连续燃烧时的火焰特征。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有技术中的不足，提供一种开放空间粉尘连续吹喷燃烧实验系统。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明提出的一种开放空间粉尘连续吹喷预混燃烧实验系统，它由进料系统、进气系统、气-粉混合系统、燃烧器和点火系统构成；所述燃烧器包括一个漏斗状混合腔、输运燃烧混合物的管束阵列和支架；所述支架包括支架面板、侧板和底板，侧板的两端分别与支架面板和底板固定连接，支架面板上设置有通孔，底板上设置有螺孔；所述漏斗状混合腔的上开口处与支架底板密封连接，其下颈部与连接气-粉混合系统的管道密封连接；所述管束阵列是由多根圆柱形金属管组成，金属管的下端部设置有与底板上的螺孔相配合的外螺纹，每根金属管均穿过支架面板上的孔并由底板上的螺孔固定，其轴线与漏斗状混合腔中轴线平行，每根金属管的下端口与漏斗状混合腔连通、上端口与外部环境空间连通；所述点火系统的喷火口能伸入到金属管上端口的有效点火区域内。

在实际使用中，可以在金属管的顶部设置内螺纹，用相同口径的外螺纹堵头进行封堵，或者在外螺纹堵头上加工有小直径孔，用来改变出风口管束阵列的布局及出口的大小，以满足不同实验的需要。

为使用的需要，可以在支架面板上设置一个接尘托盘，在该接尘托盘上设置有能穿过金属管的孔，使金属管上端伸入到该孔中，燃烧区域在接尘托盘的上方，以方便承接落下的粉尘燃烧产物。

本发明所述的四个子系统：进料系统、进气系统、气-粉混合系统和点火系统均来自现有技术。其中：进料系统包括变频器、电动机、减速机、粉仓、微型螺旋。进气系统包括压缩空气瓶、输风管道、控制阀门和流量计。在实际使用中，为实现风速稳定，在进气系统的压缩空气瓶和控制阀门之间设置储气罐，确保向气固喷射器提供压力稳定的进气风流。储气罐前设置增加氧气瓶管路，在储气罐内配比氧气来改变进气风流的含氧量。控制阀门为刻度盘球阀，根据旋转的角度定量标定阀门开启的大小。气-粉混合系统由气固喷射器构成。点火系统包括液化气罐、减压阀、喷火枪和高压软管。它们和燃烧器共同配合实现粉尘云的连续燃烧。

本发明的管束阵列，可以形成大面积出口粉尘，管束阵列的每根金属管的管径小对粉尘火焰有阻燃作用，不会发生回火现象，因此，既能产生大面积火焰又能保证安全性。所述的混合腔，它按风流流动方向渐扩，一方面减少了因管道的截面骤然由小变大引起的阻力损失，另一方面风流在混合腔内高速流动，使得粉尘和气体在气-粉混合系统中完成一次混合后，又在混合腔中进行二次混合，能更好地保证燃烧器出口粉尘云浓度均匀。所述堵头的设计，使得在同一燃烧器上可以得到多种火焰形状和火焰面积。管束阵列的金属管螺纹安装，既保证了燃烧器的密封性，又便于拆卸更换。管束阵列可以在几十秒内承受2600℃以下的高温，更高的温度还有待测试。本发明的实验系统规模小，属于小尺寸装置，故粉体燃料用量少，即使测试高能粉状固体燃料的燃烧，在正确操作下，不会有发生爆炸的危险，运转安全可靠。本发明不仅可用于低热值可燃粉尘燃烧，还可用于质量热值和体积热值比较高的可燃粉尘燃烧。本发明可用以研究微米级和纳米级的可燃性粉尘云连续预混燃烧，包括谷物粉尘；煤尘；烟花工业中的闪光顶粉末、闪光顶信号、焰火粉状燃料；军事工业中的炮弹、导火管、炸弹的信管粉状燃料；航空工业中的固体火箭发动机里的高能固体推进剂粉状燃料。本发明实现了开放空间可燃性粉尘云连续预混燃烧，提供了探索开放空间粉尘云连续气固两相流场的火焰传播及载粒流燃烧的研究平台。

附图说明

图1是本发明的系统结构示意图；

　图2是燃烧器的管束阵列和支架结构示意图；

图3是燃烧器的铜管与底座的连接示意图；

图4是燃烧器的管束阵列和支架结构示意图立体图。

图5是燃烧器的管束阵列示意图俯视图；

图6是燃烧器的混合腔结构示意图侧视图；

图7是燃烧器的混合腔结构示意图俯视图；

图8是燃烧器的混合腔结构示意图立体图；

图9是燃烧器的接尘托盘结构示意图俯视图；

图10是燃烧器的接尘托盘结构示意图侧视图；

图11是燃烧器的接尘托盘结构示意图立体图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明开放空间粉尘连续吹喷预混燃烧实验系统，由进料系统、进气系统、气-粉混合系统、燃烧器和点火系统构成。

参见图1，进料系统包括变频器1、电动机2、减速机3、粉仓4、微型螺旋5。电动机2的输入端连接变频器1，输出端连接减速机3的输入端。减速机3的输出端连接微型螺旋5的进口端。微型螺旋5进口端上部连接粉仓4，微型螺旋5的出料口31与气固喷射器的落料管6法兰密封连接。在变频器1的控制下微型螺旋5的螺杆转速范围5-49 r/min，实际给粉量范围0.57-4.95 g/s，能实现均匀连续供料，具有流量稳定、密封性好的特点。毫米级和微米级的微粒均可在本装置输送。

参见图1，进气系统包括压缩空气瓶7、储气罐8、控制阀门9、流量计10和输风管道11。压缩空气瓶7通过耐压软管连接储气罐8，储气罐8通过输风管道11连接气固喷射器的喷嘴13。输风管道11上设置有控制阀门9和流量计10。控制阀门9为刻度盘球阀，阀门开启大小可根据旋转的角度定量标定，以确保同样工况下阀门开启角度准确。当阀门全部开启，进气系统压力稳定后，风量范围4.4-12.4 m³/h，对应燃烧器管束19出口风速为0.494-2.197 m/s。储气罐8前可以增加氧气瓶及相应管路，在储气罐8内配比氧气来改变进气风流中的含氧量。

参见图1、图6，气-粉混合系统是由气固喷射器来实现固体颗粒与气流的充分混合。气固喷射器包括接受室12、喷嘴13、收缩管段14、喉管15、扩散管段16和落料管6。接受室12的上壁密封焊接有落料管6，接受室12相对的两侧壁上分别密封焊接有喷嘴13和收缩管段14，喷嘴13的出口置于落料管6纵向中心线之后，距收缩管段14的入口一定距离。收缩管段14、喉管15和扩散管段16加工焊接成一体，扩散管段16出口与连接燃烧器的管道17入口密封焊接，焊接处抛光处理，保证内壁光滑。连接燃烧器的管道17出口与混合腔底板29法兰密封连接。

参见图1至图11，燃烧器由混合腔18、管束阵列19、支架和接尘托盘20组成。支架包括支架面板23、侧板24和底板25，侧板24的两端分别与支架面板23和底板25焊接，支架面板23上设置有孔，底板25上设置有螺孔。接尘托盘20固定在支架面板23上，底盘上设置有孔30。混合腔18由支架面板26、侧板27、斜板28和底板29密封焊接构成，其腔体为漏斗状，上开口处支架面板26与支架底板25法兰连接，下颈部处底板29与气-粉混合系统的管道17法兰密封连接。管束阵列19由225个内径4mm，壁厚2mm，长350mm的圆柱形铜管组成。225个铜管按15行15列布置成正方形。铜管的下端部设置有与支架底板25上的螺孔相配合的外螺纹。每根铜管均穿过接尘托盘20和支架面板23上的孔并由支架底板25上的螺孔固定，其轴线与漏斗状混合腔18中轴线平行。螺旋安装起到了固定和密封的双重作用。每根铜管的下端口与漏斗状混合腔18连通、上端口与外部环境空间连通，所述点火系统的喷火口能伸入到铜管上端口的有效点火区域内。铜管顶部设置有内螺纹，用相同口径的外螺纹堵头进行封堵，可以改变出风口管束的布局及出口的大小。接尘托盘20用于承接落下的粉尘燃烧产物。

参见图1，点火系统包括液化气罐21、喷火枪22和高压软管。液化气罐21与喷火枪22通过高压软管相连。喷火时依次打开液化气罐21的总阀门、减压阀和喷火枪22上的微调阀，用打火机火焰引燃喷火枪22上喷火口处溢出的液化气，形成稳定的液化气扩散火焰。喷火枪22的枪管的设计长度应能保证避免操作人员距火源过近的危险。液化气扩散火焰大小可通过微调阀调整。

进料系统与进气系统垂直布置以便于安装和实验操作。

本发明运行时，通过改变变频器1的频率来控制电动机2的转速，由减速机3来带动微型螺旋5运转。微型螺旋5运转时，粉仓4中的粉体通过转动的螺旋被连续旋转送至螺杆末端，并通过出料口31落入落料管6中。压缩空气7经储气罐8和输风管道11将高速气流送入气固喷射器，通过改变储气罐8的初始压力和球阀9开启状态来改变管束19的出口风速。从喷嘴13高速喷射出来的空气在接受室12内形成负压区，固体粉料在自重力和负压引力的作用下进入喷射器接受室12，并在气体射流的卷吸和携带作用下进入收缩管段14和喉管15。在这两个管段中，含粉气流进一步混合均匀，而后经扩散管段16增压之后经过输风管道17进入混合腔18，在混合腔18内进行二次充分混合后进入管束阵列19中，含粉气流从管束阵列19喷出后形成一定浓度的粉尘云，在外部火源点燃下形成稳定的粉尘云火焰。管束阵列19的铜管可根据实验工况进行封堵，以形成不同的火焰形状和火焰面积。利用组建的高速和纹影摄像系统拍摄粉尘云连续燃烧过程的高速图片（自发光和纹影图片）的同时，结合热电偶探测技术、高温红外热像仪，总辐射热流计探测火焰的最高温度、温度分布特性、辐射热流密度等基础数据，基于燃烧学、流体力学等基础理论，研究分析粉尘云连续燃烧的基本特性（燃烧反应区的特性、最高火焰温度以及火焰附近的温度分布规律、辐射热流密度分布规律等），研究火焰精细结构及探索粒子在气流中的运动和燃烧。

Claims

1.一种开放空间粉尘连续吹喷预混燃烧实验系统，它由进料系统、进气系统、气-粉混合系统、燃烧器和点火系统构成；其特征在于：所述燃烧器包括一个漏斗状混合腔、输运燃烧混合物的管束阵列和支架；所述支架包括支架面板、侧板和底板，侧板的两端分别与支架面板和底板固定连接，支架面板上设置有通孔，底板上设置有螺孔；所述漏斗状混合腔的上开口处与支架底板密封连接，其下颈部与连接气-粉混合系统的管道密封连接；所述管束阵列是由多根圆柱形金属管组成，金属管的下端部设置有与底板上的螺孔相配合的外螺纹，每根金属管均穿过支架面板上的孔并由底板上的螺孔固定，其轴线与漏斗状混合腔中轴线平行，每根金属管的下端口与漏斗状混合腔连通、上端口与外部环境空间连通。

2.如权利要求1所述的开放空间粉尘连续吹喷预混燃烧实验系统，其特征在于，所述金属管的顶部设置内螺纹，用相同口径的外螺纹堵头进行封堵，或者在外螺纹堵头上加工有小直径孔。

3.如权利要求1所述的开放空间粉尘连续吹喷预混燃烧实验系统，其特征在于，所述支架面板上设置有一个接尘托盘，在该接尘托盘上设置有能穿过金属管的孔，使金属管上端伸入到该孔中。