CN106500102A - 一种可控热氛围燃烧器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可控热氛围燃烧器，包括初级燃烧室，水冷装置，伴流燃烧器。所述初级燃烧室采用小型卧式燃气锅炉；所述水冷装置设置于初级燃烧室末端，由围绕燃烧室外层的铜管构成；所述伴流燃烧器由均匀混合段，均匀出口段，中央燃料喷嘴组成。所述初级燃烧室与所述伴流燃烧器通过管道连接。本发明具有开放式的燃烧空间，友善的边界条件及简单的同轴喷射方式，形成可控温度和氧气氛围的区域，有利于配合激光测量和数值模拟计算技术，解决了传统的应用无焰燃烧技术及均质混合气压燃技术的燃烧器可控热氛围范围小、有回火安全隐患等缺点。

Description

一种可控热氛围燃烧器

技术领域

本发明属于燃烧设备技术领域，特别涉及一种新型的可控热氛围燃烧器，提供可控温度和可控氧氛围的区域，并且可控范围较大，具有开放式的燃烧空间，友善的边界条件及简单的同轴喷射方式。

背景技术

当前国内外应用无焰燃烧技术(MILD COMBUSTION)、高温空气燃烧技术(HiTAC)及均质混合气压燃技术(HCCI)主要在高温、低氧浓度环境中进行，使用的燃烧设备主要是高温稀释伴流燃烧器。该燃烧器由火焰稳定盘管，回火控制室和火焰捕集器组成。伴流燃料通过与氧化剂均匀混合，通过多孔盘燃烧，燃烧产生的高温烟气为中央燃料射流提供了高温低氧氛围。然而，其伴流温度只能通过伴流燃料混合物当量比来决定，不同的当量比决定了不同的伴流温度，但是可调整的温度范围较小。比如氢气/空气伴流温度虽然理论上可以在300～2400K内变化，但考虑到实际应用过程中过稀预混合火焰的吹熄及过高伴流温度所带来的系统安全性等因素，可供利用的伴流温度范围只能控制在700～1500K内，伴流燃料与空气的当量比只能控制在0.45～1之间，伴流燃料混合物燃烧产物中氧气的摩尔浓度也只能受限在10％～19％的范围内调整和变化。这些限制对于研究抬举火焰的驻定机理、高温自动着火机理等有很大的制约影响。

此外，伴流燃料和空气在高温稀释伴流燃烧器中的混合很难达到理想的均匀程度，致使伴流温度场，伴流速度场及伴流氧气浓度分布不均匀，为研究无焰燃烧和均质混合气压燃造成了不便，甚至可能引发回火，造成燃烧器的安全隐患。

因此，传统高温稀释伴流燃烧器存在许多缺点和不足，归纳如下：

1.伴流温度变化范围小；

2.伴流氧气浓度变化范围小；

3.伴流燃料空气混合物当量比变化范围小；

4.伴流温度，速度及氧气浓度分布不均匀；

5.可能引发回火，造成安全隐患。

发明内容

本发明提供一种新型可控活化热氛围燃烧器，以克服现有技术的上述缺点。

上述目的通过以下的技术方案实现：

一种新型可控热氛围燃烧器，包括初级燃烧室，水冷装置，伴流燃烧器。初级燃烧室产生的烟气通过可调节流量的水冷装置交换热量，为伴流燃烧器提供可控温度和可控氧氛围的氧化剂区域。

进一步的，所述的初级燃烧室采用小型卧式燃气炉，炉体为圆筒形。

进一步的，所述的水冷装置由围绕燃烧室外层的铜管构成，铜管盘绕在炉体末端，冷却水流量可控。

进一步的，所述的伴流燃烧器采用圆筒形结构，由均匀混合段，均匀出口段，中央燃料喷嘴组成，均匀混合段采用锥体结构，内设陶瓷耐热球体，均匀出口段设圆形多孔盘，中央燃料喷嘴管道贯穿均匀混合段和均匀出口段。

进一步的，所述初级燃烧室的烟气出口与所述伴流燃烧器的均匀混合段通过管道连接。

进一步的，所述初级燃烧室采用小型卧式燃气炉，炉体为圆筒形结构，烧嘴和空气入口设置在炉膛同一侧，沿轴向喷射燃料和空气，形成扩散火焰。通过调整燃料和空气当量比控制火焰长度，火焰温度，以及燃烧废气中的氧气浓度。

所述水冷装置由围绕初级燃烧室外层的铜管构成，所述铜管盘绕在炉体末端，贴靠在炉壁上，形成辐射受热面——水冷壁。冷却水的流量可以控制，通过调整流量可以吸收炉体内不同程度的热量，降低燃烧烟气产物温度，降温后的烟气即成为伴流燃烧器所需的氧化剂混合气，通过初级燃烧室出口，经管道通向伴流燃烧器。

所述伴流燃烧器为立式圆柱体结构，由均匀混合段，均匀出口段，中央燃料喷嘴组成。均匀混合段分为锥体腔和稳流腔，伴流混合气经过连接初级燃烧室的管道，进入锥体腔，之后进入稳流腔，腔内设耐热陶瓷球体，其作用是使由下方进入的伴流混合气均匀混合，同时也避免了伴流燃烧器火焰回火。伴流混合气通过均匀混合段的稳流腔，进入均匀出口段，此段设置有圆形多孔盘，盘上有1000～1500个小孔，孔径大小范围在1.5～1.7mm，屏蔽率达到80％～90％。圆形多孔盘由黄铜制成，具有良好的导热性能,散热快。伴流混合气通过圆形多孔盘进入次级燃烧室的燃烧区域，该区域为开放式，有利于激光设备测量。中央燃料喷嘴为无缝不锈钢管，贯穿均匀混合段和均匀出口段。其喷嘴出口延伸到多孔盘上方十倍喷嘴内径处，有利于喷嘴出口位置处于稳定的伴流区域。中央喷嘴所用燃料可以是气体或液体燃料。

与现有技术相比较，由于本发明将传统高温稀释伴流燃烧器生产高温低氧伴流、与中央喷嘴燃料混合燃烧一体式结构改为初级燃烧室、伴流燃烧器的分级燃烧结构，加装水冷装置，通过调整冷却水流量来控制伴流混合气的温度，这极大的拓展了伴流混合气的可变温度范围，理论上可以在100～2400K内变化，摆脱了传统高温稀释伴流燃烧室中只能通过调整伴流燃料混合物当量比来控制伴流温度的限制。同时也摆脱了在传统高温稀释伴流燃烧器中伴流燃料混合物当量比调整范围较小的限制，可以在燃料的可燃限度内调整；通过扩大在初级燃烧室调整燃料空气混合物当量比的范围，伴流混合气中氧气的可变浓度范围拓展到了3％～20％。由初级燃烧器产生的伴流混合气经过伴流燃烧器的均匀混合段，均匀出口段，可以在中央喷嘴出口附近的燃烧区域形成稳定的伴流场，伴流温度、速度分布均匀，伴流氧浓度分布均匀。此外，采用分级燃烧结构，也避免了燃烧器回火造成的安全隐患。

附图说明

图1为本发明可控热氛围燃烧器的示意图；

图2为本发明的次级燃烧室剖面图；

图3为本发明的水冷装置另一种实施方式示意图。

图4为本发明的精确控制伴流氧化剂组分装置另一只实施方式示意图。

其中附图标记含义为：1为伴流燃料入口；2为伴流空气入口；3为初级燃烧室；4为水冷盘管；5为伴流燃烧器；6为稳流腔；7为中央燃料喷嘴；8为圆形多孔盘；9为均匀出口段；10为锥体腔；11为管道；12为鼓风机；13为氧气/氮气入口。

具体实施方式

实施例1：

结合图1、图2所示为本发明一种新型可控热氛围燃烧器较为优选的实施方式，伴流燃料入口1和伴流空气入口2设置在初级燃烧室3的同一侧，水冷盘管4安装在初级燃烧室3的末端，初级燃烧室3与伴流燃烧器5通过管道11连接。伴流燃烧器分为均匀混合段，均匀出口段9，中央燃料喷嘴7三个部分。其中均匀混合段分为锥体腔10和稳流腔6，稳流腔内设耐热陶瓷球体；均匀出口段9中设有圆形多孔盘8；中央燃料喷嘴7贯穿整个伴流燃烧器5。

本实施例的工作原理如下：伴流燃料和空气通过伴流燃料入口1和伴流空气入口2进入初级燃烧室3，在其中燃烧产生的烟气于燃烧室末端与水冷盘管4换热，经过管道11进入伴流燃烧器5。在伴流燃烧器中，烟气首先经过均匀混合段的锥体腔10和稳流腔6，再通过均匀出口段9，穿过圆形多孔盘8，进入伴流燃烧器的开放式燃烧区域，在此区域与中央燃料喷嘴7喷出的燃料混合燃烧。在本实施例实施的过程中，可以通过调整水冷盘管4中的冷却水流量、盘管的数量来控制出口烟气的温度，通过调整伴流燃料和空气的当量比控制烟气中的氧气浓度，可供调整的范围较大，为伴流燃烧器的燃烧区域提供可控范围较大的高温低氧氛围。

实施例2：

如图3所示，本实施例中，初级燃烧室3为立方体结构或其他非圆筒形结构，水冷盘管4设置在管道11上，初级燃烧室3中产生的燃烧烟气进入管道11后，与水冷盘管4换热，再进入伴流燃烧器。其他部分与实施例1相同。本实施例避免了受到由于初级燃烧室外形限制而无法使用水冷盘管的情况。

实施例3：

如图4所示，本实施例中，初级燃烧室3、水冷盘管4、伴流燃烧器5的设置与实施例1相同，在此基础上，在伴流燃烧器5的稳流腔6下方设置氧气/氮气入口13，用以精确控制伴流燃烧器5燃烧区域中的伴流氧化剂氧气浓度，相对于实施例1中单方面通过调整燃料空气当量比来控制烟气中氧气浓度，本实施例增加了辅助控制氧气浓度的方法，得以更精准更迅捷地控制氧气浓度，使伴流燃烧器5的燃烧区域内更易于实现无焰燃烧。

Claims (6)

1.一种可控热氛围燃烧器，包括初级燃烧室，水冷装置，伴流燃烧器，其特征在于：初级燃烧室产生的烟气通过可调节流量的水冷装置交换热量，为伴流燃烧器提供可控温度和可控氧氛围的氧化剂区域。

2.如权利要求1所述的可控热氛围燃烧器，其特征在于：所述的初级燃烧室采用小型卧式燃气炉，炉体为圆筒形。

3.如权利要求1所述的可控热氛围燃烧器，其特征在于：所述的水冷装置由围绕燃烧室外层的铜管构成，铜管盘绕在炉体末端，冷却水流量可控。

4.如权利要求1所述的可控热氛围燃烧器，其特征在于：所述的伴流燃烧器采用圆筒形结构，由均匀混合段，均匀出口段，中央燃料喷嘴组成，均匀混合段采用锥体结构，内设陶瓷耐热球体，均匀出口段设圆形多孔盘，中央燃料喷嘴管道贯穿均匀混合段和均匀出口段。

5.如权利要求1所述的可控热氛围燃烧器，其特征在于：所述初级燃烧室的烟气出口与所述伴流燃烧器的均匀混合段通过管道连接。

6.如权利要求1所述的可控热氛围燃烧器，其特征在于：所述初级燃烧室采用小型卧式燃气炉，炉体为圆筒形结构，烧嘴和空气入口设置在炉膛同一侧，沿轴向喷射燃料和空气，形成扩散火焰，通过调整燃料和空气当量比控制火焰长度，火焰温度，以及燃烧废气中的氧气浓度；

所述水冷装置由围绕初级燃烧室外层的铜管构成，所述铜管盘绕在炉体末端，贴靠在炉壁上，形成辐射受热面——水冷壁，冷却水的流量可以控制，通过调整流量可以吸收炉体内不同程度的热量，降低燃烧烟气产物温度，降温后的烟气即成为伴流燃烧器所需的氧化剂混合气，通过初级燃烧室出口，经管道通向伴流燃烧器；

所述伴流燃烧器为立式圆柱体结构，由均匀混合段，均匀出口段，中央燃料喷嘴组成，均匀混合段分为锥体腔和稳流腔，伴流混合气经过连接初级燃烧室的管道，进入锥体腔，之后进入稳流腔，腔内设耐热陶瓷球体，其作用是使由下方进入的伴流混合气均匀混合，同时也避免了伴流燃烧器火焰回火，伴流混合气通过均匀混合段的稳流腔，进入均匀出口段，此段设置有圆形多孔盘，盘上有1000～1500个小孔，孔径大小范围在1.5～1.7mm，屏蔽率达到80％～90％，圆形多孔盘由黄铜制成，具有良好的导热性能,散热快，伴流混合气通过圆形多孔盘进入次级燃烧室的燃烧区域，该区域为开放式，有利于激光设备测量，中央燃料喷嘴为无缝不锈钢管，贯穿均匀混合段和均匀出口段，其喷嘴出口延伸到多孔盘上方十倍喷嘴内径处，有利于喷嘴出口位置处于稳定的伴流区域，中央喷嘴所用燃料可以是气体或液体燃料。