CN104089287B - 一种空腔中扩散燃烧的柱形辐射多孔介质加热器 - Google Patents

Abstract

一种空腔中扩散燃烧的柱形辐射多孔介质加热器，为两段式加热器（燃烧段和换热段），其主要包括燃气管、空气管、旋流发生器、空腔（燃烧区）、电子点火装置、泡沫陶瓷一、泡沫陶瓷二和泡沫陶瓷三。燃气和空气通过旋流燃烧器，电子点火装置点火，燃气在锥形空腔内旋流扩散燃烧。空腔四周布置有孔隙率较小的泡沫陶瓷一，其主要作用在于通过辐射传热形成热回流，对燃气进行预热，减小着火热，因此可以扩展贫可燃极限。泡沫陶瓷一的外侧布置绝热材料，用于减少燃烧区域的热损失，保证贫燃料的稳定燃烧；燃料在空腔区域完全燃烧后，进入到气流分配区，在该区域内，烟气通过泡沫陶瓷二和泡沫陶瓷三，通过气固之间的对流换热，烟气的部分热量蓄积在泡沫陶瓷内，烟气随后流到加热空间内。由于多孔介质良好的辐射传热性能，对周围物体进行快捷迅速的加热。该燃烧器与自由式火焰燃烧器相比，能大大提高燃烧器辐射传热性能，传热更均匀，且燃料浓度可以更低，可以燃烧煤矿瓦斯、化工废气、生物质气等低热值气体，可应用于物料干燥、大空间建筑辐射采暖等方面。

Description

一种空腔中扩散燃烧的柱形辐射多孔介质加热器

技术领域

本发明为一种在空腔中扩散燃烧与多孔介质传热相结合的柱状辐射多孔介质加热器，属于燃烧技术、低品位能源利用、强化传热领域。

背景技术

目前，我国正处于经济快速发展、工业化进程不断推进的过程中，然而，环境遭到严重污染、生态系统不断恶化，发展高效、经济与环境友好型的能源利用技术势在必行。为了改变我国能源利用现状、优化能源利用结构、缓解环境保护压力，国家大力倡导发展低热值气体燃烧技术。多孔介质燃烧技术作为一种可行的燃烧方式之一，从技术、经济前景很大程度上可以解决上述问题。

多孔介质燃烧技术具有高燃烧效率、极贫燃极限，低CO、NOx污染物排放等优点，可被广泛应用于石油、采矿、冶金、化工等行业的低热值气体利用方面。对于辐射式多孔介质燃烧器利用红外加热原理，可被应用于工业生产加工、发电装置等。红外加热器的传热率主要由热源温度和被加热物体的吸收率决定的，热源温度决定着设备的生产运行效率，因此，辐射式多孔介质燃烧器应用于工业生产时可以减小燃烧器尺寸、提高生产效率。

目前，多孔介质燃烧技术相关的燃烧器设备和加热器研发形式和种类比较广泛，但多集中在开发预混式多孔介质燃烧器、红外燃烧器和基于对流换热的加热器。预混式多孔介质燃烧器的总体特点是燃气在多孔介质孔隙内燃烧，即火焰浸没于多孔介质内，火焰短、火焰温度高，适用于高温加热领域，但该类型燃烧器普遍存在回火的危险，需要另外或单独设计防回火装置。公开号为CN102287819B的“一种燃用低热值气体燃料的多孔介质燃烧器” 发明专利，该发明为匀分配器、小孔多孔介质段、大孔多孔介质段三段式结构，多孔介质为蜂窝状介质，燃烧器外侧设置同轴二次风管，属于预混燃烧器。公开号为CN103528060B的“多引射切圆预混多孔介质燃气灶的燃烧辐射器及燃烧方法” 发明专利，也是预混燃烧器，该燃烧器燃烧区的多孔介质结构与CN102287819B发明专利比较类似，采用多层多孔介质材料结构，而气体预混室结构有所不同，CN103528060B专利进气结构采用切圆式结构，空气通过引射作用进入预混室，也属于表面对流辐射式燃烧过程。红外燃烧器的大多燃烧方式为半预混-半扩散燃烧方式，比如公开号为CN201503017U的一种红外燃气炉头。需要指出的是，该种燃烧器的燃烧发生在多孔板或金属表面。而基于烟气对流换热的换热器，其结构简单，换热方式单一，传热系数小。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于低热值气体燃料的加热器，具有功率调节范围大、燃烧火焰稳定性好、污染物排放低等特点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：沿气流方向，依次为旋流燃烧器、燃烧段和换热段，三者整体上同轴布置。旋流燃烧器为整体结构，主体为旋流发生器，其上连接有燃气和空气管，燃料和空气通过旋流发生器后，依次进入燃烧段和换热段。燃烧段整体为锥形结构，燃料在其内的燃烧方式为扩散燃烧。里层为泡沫陶瓷一，中间层为绝热材料，所述绝热材料是为了减少热损失，外层为钢板，起到支撑和保护作用。在燃烧段的前端嵌入电子点火装置。在扩口的出口位置是换热段，整体结构是圆柱形。圆柱形的换热段的环形部分是泡沫陶瓷二，底端为泡沫陶瓷三，通过泡沫陶瓷二和泡沫陶瓷三的组合，烟气在气流分配区均匀通过换热段。三种泡沫陶瓷，即泡沫陶瓷一、泡沫陶瓷二和泡沫陶瓷三为三种规格不同的多孔材料，所起的所用也不同。孔隙率较小的泡沫陶瓷一，其主要作用在于通过辐射传热形成热回流，对燃气进行预热，减小着火热，因此可以扩展贫可燃极限，实现低热值气体的稳定燃烧。泡沫陶瓷二的孔隙尺寸大，孔隙率大，流通性能好，而泡沫陶瓷三的孔隙尺寸小，孔隙率小，流通性能较差。

进一步地，本发明所述的燃烧段为锥形结构，呈扩口状，其空腔倾斜角度10-30°；

进一步地，本发明所述锥形结构为三层结构，内层为耐高温10ppi泡沫陶瓷，其孔隙率在30%-40%，孔隙直径在0.5-1mm，所述泡沫陶瓷为环形结构，厚度4-6mm，绝热材料采用耐高温陶瓷纤维，厚度60-80mm，最外层为普通钢板，厚度为4-6mm。

进一步地，本发明所述换热段包括两种不同规格的泡沫陶瓷，泡沫陶瓷二为20ppi泡沫陶瓷，孔隙率在80%-90%，孔隙尺寸在2-3mm，其材质为耐高温氧化铝泡沫陶瓷。泡沫陶瓷三为40ppi的泡沫陶瓷，孔隙直径在1-2mm，孔隙率在80%-90%，其材质为耐高温氧化铝泡沫陶瓷。

进一步地，泡沫陶瓷二为圆柱状结构，是环形结构，其直径为80-100mm；泡沫陶瓷三为饼状结构，厚度4-8mm，布置在换热段的尾部。

与现有技术相比，本发明的优点是：

（1）燃气通过旋流发生器进入扩散燃烧区，空气通过空气管，进入到旋流燃烧器，在空腔内与燃气快速混合燃烧。空腔的外围是耐高温陶瓷泡沫套筒，通过空腔燃烧器的设计，燃烧充满整个空腔内，提高空腔的空间利用率，同时，烟气流经泡沫陶瓷时，燃烧放出的热量通过对流换热，蓄积在耐高温泡沫陶瓷内，通过多孔介质发达的内表面与周围介质进行换热。该燃烧器与自由式火焰燃烧器相比，能大大提高燃烧器辐射传热性能，传热更均匀，且燃料贫燃极限更低，一些矿井瓦斯气、化工废气、生物质气等低热值气体可作为该燃烧器的燃料。（2）由于多孔介质极大的比表面积和良好的辐射传热能力，一部分热量回流到燃烧区域，使得未燃的新鲜空气得到预热，因此可以扩展贫可燃极限，燃烧低热值气体。在低热值气体燃烧中，由于燃料的热值低，被点燃而燃烧部分燃料所释放的热量有限，同时由于与周围介质的热量交换而热损失很大，热量的很大一部分散失到环境中，因此热量向未燃烧的燃料传递的热量就不足以自维持燃烧。如果在自由燃烧空间的外围，罩上多孔介质，由于多孔介质的能量转换，增强向上游辐射的效应，也即增强了对未燃气的热回流，多孔介质相当于热坝，对热量起到蓄积和释放的功能，因此可以使得低热值气体燃烧。（3）相比于预混燃烧，本发明的扩散燃烧具有燃烧稳定，没有回火的危险，可广泛应用于工业生产中。（4）该种燃烧器可以燃烧煤矿瓦斯、化工废气、生物质气等低热值气体。该种燃烧器可应用于食品加工、造纸、木材加工、牧草加工、辐射采暖等方面，具有加热均匀，直接和高效的特点。（5）燃烧段为锥形结构，满足燃料燃烧后的膨胀需要，同时充分利用空间，减小燃烧器的体积。换热段是由不同多孔介质组成的圆柱形结构，通过多孔材料的组合，保证烟气均匀流过多孔介质，使得加热均匀。（6）由于是低热值气体燃烧，因此可有效抑制热力型Nox的生成，可大幅度降低氮氧化物的生成。同时，由于燃烧空间是绝热的，因此可以提高燃烧温度，使得中间产物CO燃烧完全，可降低CO的排放。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图中：1、燃气管；2、空气管；3、旋流发生器；4、空腔区；5、泡沫陶瓷一；6、绝热材料；7、钢板；8、电子点火装置；9、气流分配区；10、泡沫陶瓷二；11、泡沫陶瓷三。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

如图1所示，旋流燃烧器为整体设计，包括三部分：旋流发生器、燃烧段和换热段。旋流燃烧器上设计有燃气管、空气管。其蜗壳结构为整体钢板卷焊，燃气管、空气管和发生器整体采用焊接连接。在燃气和空气管上，预留有管螺纹，以方便在现场施工时与相应的管道进行连接。

在旋流发生器的出口，安装燃烧段，二者的连接采用焊接方式连接。具体连接方式为：燃烧段的钢板整体卷焊为倾角为10-30°的锥体结构，旋流发生器的出口与燃烧段外层的钢板进行焊接，因为二者在实际工作中所受的温度不同，因此二者的热膨胀可能带来热应力，在除了焊口外的位置，二者在结合面上留有0.5-1mm的孔隙，在空隙处填充耐高温材料。同时，二者焊接后进行退火处理，以消除焊接应力。

旋流燃烧器与燃烧段的钢板连接后，开始布置绝热材料和泡沫陶瓷一。绝热材料和泡沫陶瓷一整体上制造成倾角为10-30°的锥体。首先布置泡沫陶瓷一，内层为耐高温10ppi泡沫陶瓷，其孔隙率在30%-40%，孔隙直径在0.5-1mm，泡沫陶瓷为环形结构，厚度4-6mm，绝热材料采用耐高温陶瓷纤维，厚度60-80mm，最外层为普通钢板，厚度为4-6mm。泡沫陶瓷一与旋流燃烧器同轴布置，在泡沫陶瓷一和钢板之间，填充绝热材料。绝热材料选用耐高温陶瓷纤维，以保证其耐高温性能，同时起到很好的保温作用，尽量减少热损失，保证低热值气体的稳定燃烧。

本发明的燃烧段由圆柱状的泡沫陶瓷二和饼状的泡沫陶瓷三组成。如图1所示，燃烧段与换热段采用耐高温胶粘结，粘结时要保证二者同心。燃烧段泡沫陶瓷二为圆柱状结构，是环形结构，其直径为80-100mm；泡沫陶瓷三为饼状结构，厚度4-8mm，布置在换热段的尾部。二者采用耐高温胶密封。具体密封方式为：泡沫陶瓷三的整体外径小于泡沫陶瓷二的内径的0.5-0.6mm，将泡沫陶瓷三整体嵌入到泡沫陶瓷二中，按气流方向，泡沫陶瓷三的末端与泡沫陶瓷二的末端平齐，在二者均匀的空隙内，均匀涂上一层耐高温胶。

本发明的工作过程如下：燃气和空气在旋流发生器内单独旋转，在出口形成旋流，进入到燃烧段，快速混合，电子打火装置打火点燃燃气，在燃烧段旋流形成的中心负压区，卷吸空气进入到空腔中燃烧。燃气在整个空腔内燃烧，并与泡沫陶瓷一进行热量交换，部分热量蓄积在多孔介质中，形成“热坝”，其作用在于对低热值气体进行预热。在燃烧初期，适量通入热值较高的气体，便于对燃烧器和燃烧段进行初始的预热，同时便于形成热坝。燃烧稳定后，切入低热值气体。烟气在燃烧段燃烧后，进入到换热段。本发明的特点是，燃烧段和换热段是分开的，即在燃烧段内，采用绝热材料对燃烧空间进行保温，保证燃料的充分燃烧，减少燃烧过程中的热损失，因此可用于低热值气体的燃烧。由于燃烧段采用了较好的保温，同时燃烧段的长度设计上，要保证烟气的停留时间，因此在换热段内，燃料已经完全燃烧。烟气通过燃烧段后进入到换热段。在换热段内，烟气分别流过泡沫陶瓷二和泡沫陶瓷三后，进入到需要加热的空间。在换热段内，烟气流经泡沫陶瓷二和泡沫陶瓷三时，通过对流换热部分热量蓄积在多孔介质内。多孔介质通过辐射对流向外辐射热量，加热需要加热的物件。同时，流出泡沫陶瓷二和泡沫陶瓷三的烟气，通过对流方式加热需要加热的物件。因此，本发明加热物件通过辐射和对流多种方式能够快捷、均匀地加热物件。

Claims (5)

1.一种空腔中扩散燃烧的柱形辐射多孔介质加热器，沿气流方向，依次为旋流燃烧器、燃烧段和换热段，三者整体上同轴布置；旋流燃烧器为整体结构，主体为旋流发生器，其上连接有燃气和空气管，燃料和空气通过旋流发生器后，依次进入燃烧段和换热段；燃烧段整体为锥形结构，燃料在其内的燃烧方式为扩散燃烧；里层为泡沫陶瓷一，中间层为绝热材料，所述绝热材料是为了减少热损失，外层为钢板，起到支撑和保护作用；在燃烧段的前端嵌入电子点火装置；在扩口的出口位置是换热段，整体结构是圆柱形；圆柱形的换热段的环形部分是泡沫陶瓷二，底端为泡沫陶瓷三，通过泡沫陶瓷二和泡沫陶瓷三的组合，烟气在气流分配区均匀通过换热段；三种泡沫陶瓷，即泡沫陶瓷一、泡沫陶瓷二和泡沫陶瓷三为三种规格不同的多孔材料，所起的所用也不同,孔隙率较小的泡沫陶瓷一，其主要作用在于通过辐射传热形成热回流，对燃气进行预热，减小着火热，因此可以扩展贫可燃极限，实现低热值气体的稳定燃烧；泡沫陶瓷二的孔隙尺寸大，孔隙率大，流通性能好，而泡沫陶瓷三的孔隙尺寸小，孔隙率小，流通性能较差。

2.根据权利要求1所述的一种空腔中扩散燃烧的柱形辐射多孔介质加热器，其特征在于,燃烧段为锥形结构，呈扩口状，其空腔倾斜角度10-30°。

3.根据权利要求1所述的一种空腔中扩散燃烧的柱形辐射多孔介质加热器，其特征在于,锥形结构为三层结构，内层为耐高温10ppi泡沫陶瓷，其孔隙率在30%-40%，孔隙直径在0.5-1mm，所述泡沫陶瓷为环形结构，厚度4-6mm，绝热材料采用耐高温陶瓷纤维，厚度60-80mm，最外层为普通钢板，厚度为4-6mm。

4.根据权利要求1所述的一种空腔中扩散燃烧的柱形辐射多孔介质加热器，其特征在于,所述换热段包括两种不同规格的泡沫陶瓷，泡沫陶瓷二为20ppi泡沫陶瓷，孔隙率在80%-90%，孔隙尺寸在2-3mm，其材质为耐高温氧化铝泡沫陶瓷；泡沫陶瓷三为40ppi的泡沫陶瓷，孔隙直径在1-2mm，孔隙率在80%-90%，其材质为耐高温氧化铝泡沫陶瓷。

5.根据权利要求1所述的一种空腔中扩散燃烧的柱形辐射多孔介质加热器，其特征在于,泡沫陶瓷二为圆柱状结构，是环形结构，其直径为80-100mm；泡沫陶瓷三为饼状结构，厚度4-8mm，布置在换热段的尾部。