CN102620293A - 一种改进的用于浸没燃烧技术的高速稳压燃烧器 - Google Patents

Abstract

一种改进的用于浸没燃烧技术的高速稳压燃烧器属于燃烧器结构技术领域。该装置依次包括高压燃烧室和鼓泡管，其特征在于：所述的高压燃烧室的出口形状为壅塞流喷管。所述的壅塞流喷管壁面曲线形状为维托辛斯基曲线、Batchelor-Shaw曲线、双三次曲线、五次曲线或者直线方程。本发明所涉及的燃烧室壅塞流喷管出口，能够使高温烟气在喷管喉部处达到壅塞流状态。即使背压发生波动，壅塞流喷管仍能够保证燃烧室压力稳定，提高烟气出口速度，有利于正常燃烧和气液之间的扰动换热。

Description

一种改进的用于浸没燃烧技术的高速稳压燃烧器

技术领域

本发明涉及一种能够在浸没燃烧技术中使用的高速稳压燃烧器，属于燃烧器结构技术领域。

背景技术

浸没燃烧换热技术是一种高效的直接接触式传热方式，它能够充分利用燃料高位发热量，具有热利用率极高，排烟温度低，污染物排放少的特点。其独特的工作方式和显著的节能减排效应越来越受到科学家的关注，它在锅炉、污水浓缩处理、冶金以及核工程等方面应用广泛。因为鼓泡管浸没在液体中，由于气液混合时液位发生振荡的影响，传统浸没燃烧器容易发生熄火或脱火等燃烧不稳定的问题，尤其在增压浸没燃烧换热装置中，燃烧器的工作环境更加恶劣，背压更高且更容易发生波动。所以设计一种不仅能够适用于浸没燃烧换热装置，又能提高气液换热效率的新型燃烧器显得十分重要。

专利号为CN 101315186，名称为“一种氢氧混合器浸没燃烧方法”，虽然在整体设计上实现了浸没燃烧的性能，但是它却没有考虑到鼓泡管会引起罐内被加热液剧烈的液位波动，这种波动可能会影响燃烧室内的压力动荡，导致燃烧性能不稳定，尤其是它采用的是氢氧预混燃烧方式，极易发生爆炸等危险现象。另外，鼓泡管出口烟气初始速度较小，向下运动的气泡在液体中又受到的较大的浮力和粘滞力作用，气泡冲击深度不明显，不利于高温气泡与容器底部的液体之间的换热。

专利号为CN 101706103A，名称为“一种高效、节能环保型高压燃烧器”，其特征是利用锥形喷头和二次配风通道，提高了燃烧器的燃烧效率，节约了能源，为增压浸没燃烧技术的燃烧器设计提供了思路。但是空气和燃气是通过锥形喷头上的小孔后发生混合燃烧的，由于小孔节流降压作用，气流压力前后下降明显。这样的话，若燃烧器在背压很高的环境下工作，系统对气源压力的要求就更高。另一方面，如果燃烧室压力因为背压振荡而发生下降，与入口空气-燃气压力差加大，通过小孔的气流速度会突然加快，导致火焰脱火。

发明内容

本发明的目的在于为了解决上述问题，提供一种改进的用于浸没燃烧的高速稳压燃烧器。第一，调整空-燃气流混合方式，不采用小孔喷头混合，增设旋流器，不仅避免了气流因为经过小孔而造成的压力降，而且两股气流在燃烧前同样有较好的混合效果；第二，根据流体在渐缩喷管中的流动原理，本发明利用壅塞流喷管使高温烟气发生完全膨胀，在喷管出口喉部截面上设计的临界压力p^*大于背压p_b，即使液位发生振荡而造成背压发生波动Δp，只要保证了p^*≥p_b+Δp，喷管出口流速和燃烧室压力就可以保持稳定不变，燃烧室内的燃烧过程就能够稳定和安全；第三，高温烟气经过完全膨胀后，烟气流速相当高，至少可达700m/s以上，气流具有刚性，不会因为液体浮力发生变形。产生的气泡在液体中的冲击深度加大，气液换热效果显著提高。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种改进的用于浸没燃烧技术的高速稳压燃烧器，该装置依次包括高压燃烧室和鼓泡管，其特征在于：所述的高压燃烧室的出口形状为壅塞流喷管，壅塞流喷管能使烟气在喷管喉部达到壅塞流状态。

所述的壅塞流喷管壁面曲线形状为维托辛斯基曲线、Batchelor-Shaw曲线、双三次曲线、五次曲线或者直线方程等。

本装置的主要优点在于：

1.空气和燃气通过混合室和旋流器实现充分混合，避免了常规下气流通过小孔混合时造成较大的压力损失。

2.壅塞流喷口设计能够使烟气发生充分膨胀后，其设计的临界压力p^*大于背压p_b，即使液位发生振荡造成背压发生波动Δp，仍能保证p^*≥p_b+Δp，这样使燃烧室压力不会随背压波动而发生变化；

3.高温烟气经过完全膨胀后，烟气流速相当高，气泡在液体中的冲击深度加大，气液换热效果显著提高；

4.实现了燃烧器在高压燃烧室内的稳定燃烧，高压条件有助于提高燃烧性能。

附图说明

下面结合附图具体说明本发明的实施例：

图1是燃烧器剖面示意图；

图2是燃烧器喷嘴空气-燃气入口分布示意图。

图1中，1.空气入口，2.燃气入口，3.点火器及火焰检测孔，4.混合室，5.旋流器，6.突扩通道，7.高压燃烧室，8.渐缩喷管，9.鼓泡管。

图2中，1.空气入口，2.燃气入口，3.点火器及火焰检测孔。

具体实施方式

一种改进的用于浸没燃烧技术的高速稳压燃烧器，可以应用在背压发生波动的气液直接换热装置中。其组成部分包括喷嘴(空气入口1、燃气2入口通道)、混合室4、旋流器5、燃烧室7、壅塞流喷管8和鼓泡管9。

下面以一组热负荷158.5kW的高速稳压燃烧器设计为例说明本发明的效果：

按照低位发热量计算天然气的消耗量为：

v_f＝15Nm³·h^-1＝0.00417Nm³·s^-1  (6-1)

由式(6-1)可计算空气的消耗量为：

v_a＝176.1N m³·h^-1＝0.04892N m³·s^-1

(6-2)

则喷管质量流量m为：

m＝ρ_f·v_f+ρ_a·v_a＝0.65×0.00417+1.297×0.04892＝0.06616kg·s^-1

(6-3)

根据上述高速稳压燃烧器的设计原理，设计换热罐压力和压力波动总和不超过0.2MPa，即p_b+Δp≤0.2MPa，则设计喷管喉部临界压力p^*＝0.2MPa。再根据壅塞流喷管设计原理，p^*与入口压力p₀的比值为0.528，则p₀＝0.379MPa，k值取1.4。假设天然气产生烟气的出口温度约为1200K。根据天然气成分，计算燃烧产物混合气的折合摩尔质量M_eq、折合气体常数R_g计算过程如下：

$M_{\mathrm{eq}}=\frac{m}{\frac{V_{{\mathrm{CO}}_2}{\mathrm{\ρ}}_{{\mathrm{CO}}_2}}{M_{{\mathrm{CO}}_2}}+\frac{V_{H_{2}O}{\mathrm{\ρ}}_{H_{2}O}}{M_{H_{2}O}}+\frac{V_{N_2}{\mathrm{\ρ}}_{N_2}}{M_{N_2}}+\frac{V_{O_2}{\mathrm{\ρ}}_{O_2}}{M_{O_2}}}=28.65\×{10}^{-3},\mathrm{kg}\·{\mathrm{mol}}^{-1}---(6-4)$

$R_g=\frac{R}{M_{\mathrm{eq}}}=\frac{8.3145}{28.65\×{10}^{-3}}=290.21,J\·{\mathrm{kg}}^{-1}\·K^{-1}---(6-5)$

将烟气气体常数代入以下方程中，高温烟气比容为，

$v_o=\frac{R_g{T}_0}{p_0}=\frac{290.21\×1200}{379000}=0.9189,m^3\·{\mathrm{kg}}^{-1}---(6-6)$

计算出口截面状态参数：

$v^{*}=v_0{\left(\frac{1}{0.528}\right)}^{1/\mathrm{\κ}}=0.9189\×1.5781=1.4501,m^3\·{\mathrm{kg}}^{-1}---(6-7)$

$T^{*}=\frac{p^{*}{v}^{*}}{R_g}=\frac{200000\×1.4501}{290.21}=999.35K---(6-8)$

$c^{*}=\sqrt{{2c}_p(T_0-T^{*})}=\sqrt{2\×1300\×(1200-999.35)}=722.28,m\·s^{-1}---(6-9)$

根据连续性方程，喷管喉部截面积计算如下：

$A^{*}=m\frac{v^{*}}{c^{*}}=0.06616\×\frac{1.4501}{722.28}=0.000132827m^2=132.827,{\mathrm{mm}}^2---(6-10)$

其喉部半径r^*为：

$r^{*}=\sqrt{\frac{A^{*}}{\mathrm{\π}}}=\sqrt{\frac{132.827}{3.14}}=6.504,\mathrm{mm}---(6-11)$

由计算结果公式(6-9)和(6-11)可知，出口截面烟气速度可达722.28m·s^-1，截面喉部半径仅为6.504mm。此时气流具有较强的刚性，即使与液体接触也不会由于浮力作用发生变形，产生的气泡速度大，能够形成广泛的气液混合区域，有利于高温气泡与液体之间的换热过程。

另外，根据壅塞流原理，当渐缩喷管中的流体达到壅塞状态后，即使背压继续下降，也不会影响喷管内的流体流动特性。由此可知，只要燃烧器的背压p_b+Δp之和小于设计压力，那么燃烧室内的压力就不会因为Δp的变化而改变。燃烧器可以在这样背压波动的环境下稳定工作。

Claims (2)

1.一种改进的用于浸没燃烧技术的高速稳压燃烧器，该装置依次包括高压燃烧室和鼓泡管，其特征在于：所述的高压燃烧室的出口形状为壅塞流喷管。

2.根据权利要求1所述的一种改进的用于浸没燃烧技术的高速稳压燃烧器，其特征在于：所述的壅塞流喷管壁面曲线形状为维托辛斯基曲线、Batchelor-Shaw曲线、双三次曲线、五次曲线或者直线方程。

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