CN107036100A - 一种带扩张段的轴切多旋流气液固多相流燃烧器 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种带扩张段的轴切多旋流气液固多相流燃烧器，属于燃烧领域。本发明包括轴向转接头、喷嘴、燃烧器前盖本体、旋流框组件、燃烧器后盖本体、金属管、垫片、切向转接头和紧固螺栓。旋流框组件包括中间层和至少两个旋流框，各级旋流框内部具有旋流混合腔，且第一级至第n级旋流框的混合腔依次增大，各级旋流混合腔之间形成扩张段，各级旋流框混合腔的周向分别布置有N个与其相切的切向气流入口，各级旋流框气流入口处设置有N个用于气流进入的切向转接头。本发明要解决的技术问题是提供一种带扩张段的轴切多旋流气液固多相流燃烧器。本发明适用于液滴燃料和固体燃料的快速高效燃烧，也适用于纳米材料的连续合成和工业废气的快速加热处理。

Description

一种带扩张段的轴切多旋流气液固多相流燃烧器

技术领域

本发明属于燃烧领域，具体涉及一种带扩张段的轴切多旋流气液固多相流燃烧器。

背景技术

在燃料的利用中，相对于气体燃料，固体，液体燃料由于热值高，能量密度大，贮存便利等优点，在工业生产中得到了广泛应用。然而，较气体燃料而言，固体，液体燃料又存在不易掺混，点火温度高，火焰不稳定及碳烟，NOx生成较多的缺点。因此，寻求液体，固体燃料快速高效燃烧，碳烟，NOx等污染物排放少的先进燃烧技术一直是各国学者的不断追求。

在纳米材料合成中，纳米材料的火焰合成技术由于反应快速高效,合成可连续，后处理简单,易于工业化生产等优点,已得到了广泛应用。然而，在现今纳米材料火焰合成中，存在火焰形态难以精确调控，火焰温度分布不均匀，纳米材料质量不高，生成的纳米颗粒容易沾在燃烧器壁面等缺点。因此，设计一种可以实现液相前驱物及生成的纳米颗粒不沾燃烧器壁面，火焰便于调控，纳米颗粒合成高效可靠的燃烧器具有现实意义。

在半导体制造，塑料生产等工业领域，产生的工业废气毒性大，产量多，环境危害巨大，如何高效无害化处理一直是摆在人们面前的一个难题。近年来，将可燃工业废气通入燃烧器中快速燃烧分解产生无害气体的方法得到了人们的重视。

发明内容

本发明公开的一种带扩张段的轴切多旋流气液固多相流燃烧器要解决的技术问题是：提供一种能实现液体、固体燃料快速高效燃烧，纳米材料高效连续合成及工业废气无害化处理的带扩张段的轴切多旋流气液固多相流燃烧器。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的一种带扩张段的轴切多旋流气液固多相流燃烧器，包括轴向转接头、喷嘴、燃烧器前盖本体、旋流框组件、燃烧器后盖本体、金属管、垫片、切向转接头和紧固螺栓。所述旋流框组件包括中间层和至少两个旋流框，所述的旋流框数量根据燃料种类及燃烧需求而定，分别定义为第一级旋流框、第二级旋流框至第n级旋流框，各级旋流框内部具有旋流混合腔，且第一级旋流框、第二级旋流框至第n级旋流框的混合腔依次增大，各级旋流混合腔之间形成扩张段，各级旋流框混合腔的周向分别布置有N个与其相切的切向气流入口，各级旋流框气流入口处设置有N个用于气流进入的切向转接头。中间层位于两级旋流框之间，厚度可根据燃料种类及燃烧需求调节。所述的第一级旋流框混合腔的切向入口注入燃料和氧化剂，用于使轴向燃料在第一级旋流混合腔内均匀掺混，第二级旋流框混合腔的切向入口注入空气或助燃剂，通过控制旋流方向和流量能够有效防止液体燃料或固体颗粒等沾在燃烧器壁面，使燃料充分燃烧，提高燃烧效率，而且通过加入过量空气或助燃剂还能够有效降低碳烟，NOx等污染物排放。轴向转接头、喷嘴与燃烧器前盖本体固定连接，金属管与燃烧器后盖本体固定连接。需保证轴向转接头、喷嘴、旋流框组件的各级腔体、金属管同心安装，燃烧器前盖本体、旋流框组件、燃烧器后盖本体通过紧固螺栓连接。

进一步地，第一级旋流框上的N个气流入口包括燃料入口和氧化剂入口，燃料和氧化剂通过导管与设置在第一级旋流框上的N个切向转接头相连接。第二级至第n级旋流框上有N个空气或助燃剂入口，空气或助燃剂通过导管与设置在第二级至第n级旋流框上的N个切向转接头相连接。所述的气流入口数量N根据实际需求而定，N个设置在旋流框混合腔周向上的切向气流入口截面优选为矩形。

进一步地，所述的旋流框级数n优选两级。

进一步地，金属管与燃烧器后盖本体优选紧定螺钉固定连接。

进一步地，燃烧器前盖本体设置有螺纹孔，后盖本体设置有通孔，中间层设置有与前级旋流混合腔孔径相等的通孔，喷嘴孔径和孔数能够更换调节，喷嘴和轴向转接头上加工有螺纹，喷嘴和轴向转接头通过螺纹与燃烧器前盖本体连接。

本发明公开的一种带扩张段的轴切多旋流气液固多相流燃烧器工作方法为：轴向液滴燃料或携带固相燃料气流经轴向转接头和喷嘴进入燃烧器，气体燃料和氧化剂通过第一级旋流框上的N个切向转接头从切向气流入口注入第一级旋流混合腔，空气或助燃剂通过第二级旋流框上的N个切向转接头从切向气流入口进入第二级旋流混合腔，第二级旋流框至第n级旋流框的工作过程相同，在各级旋流框混合腔之间形成扩张段。混合后的多相气流流经金属管，在金属管管口处点燃多相混合气流，形成稳定的旋流火焰。轴向液滴燃料或携带固相燃料气流在第一级旋流作用下与切向燃料、氧化剂均匀掺混，在第一级旋流框混合腔内快速加热燃烧，由于气流作用，火焰和已燃气体向第二级旋流框混合腔流动，在中间层段，燃料进一步掺混、燃烧，并防止由于流动或火焰突然扩张所导致的熄火或燃烧不稳定现象的发生。气流进一步流经扩张段，在扩张段的作用下，有助于火焰扩散，燃烧充分。含固相或液相的已燃气体在第二级至第n级旋流作用下，能够有效防止液滴或固相颗粒等沾在燃烧器壁面，进而使燃烬的气流顺利从燃烧器排出。由于高温已燃气体对第二级至第n级旋流混合腔腔通入的空气或助燃剂进行加热，加热后的空气或助燃剂使已燃气体中可燃成分进一步燃烧，提高燃料的燃烧效率，并降低碳烟，NOx等污染物排放，能够实现液体，固体燃料快速高效燃烧和降低污染物排放的目的。

本发明公开的一种带扩张段的轴切多旋流气液固多相流燃烧器，具有下述优点：1)轴向通入液滴燃料或携带固相燃料的气流，气体燃料和氧化剂通过布置在第一级旋流混合腔周向上的N个切向气流入口注入燃烧器内，且切向入口分布均布，能够使轴向燃料在第一级旋流混合腔内均匀掺混。2)第二级至第n级旋流混合腔的切向入口注入空气或助燃剂，通过控制旋流方向和流量能够有效防止燃料或固体颗粒等沾在燃烧器壁面，使燃料充分燃烧，提高燃烧效率，而且通过加入过量空气或助燃剂还能够有效降低碳烟，NOx等污染物排放。3)利用旋流气动特性，在金属管内部形成低密度的高温火焰，在金属管壁面形成密度较大，温度较低的未燃气体薄膜，减少热量损失，防止燃烧器的烧蚀。4)轴向喷嘴的孔径和数量能够灵活调节，能够实现轴向燃料流量，流速的精确调控。5)在扩张段的作用下，有助于流经中间层的火焰扩张，防止火焰中的固体颗粒等沉积在燃烧器壁面，堵塞喷嘴。6)流经第一级旋流混合腔的高温已燃气体对第二级旋流混合腔通入的空气或助燃剂进行加热，第二级至第n级旋流混合腔的高温已燃气体依次对后级旋流混合腔通入的空气或助燃剂进行加热，加热后的空气或助燃剂使已燃气体中可燃成分进一步燃烧，能够提高加热速率和燃烧效率。

有益效果：

1、本发明公开的一种带扩张段的轴切多旋流气液固多相流燃烧器，轴向结构及一级旋流促进燃料与空气均匀掺混、燃烧并稳定火焰，第二级至第n级旋流混合腔的切向入口注入空气或助燃剂，通过控制旋流方向和流量能够有效防止燃料或固体颗粒等沾在燃烧器壁面，使燃料充分燃烧，提高燃烧效率，而且通过加入过量空气或助燃剂还可有效降低碳烟，NOx等污染物排放，能够实现液体，固体燃料快速高效燃烧和降低污染物排放的目的。。

2、本发明公开的一种带扩张段的轴切多旋流气液固多相流燃烧器，利用旋流气动特性，在金属管内部形成低密度的高温火焰，在金属管壁面形成密度较大，温度较低的未燃气体薄膜，减少热量损失，防止燃烧器的烧蚀。

3、本发明公开的一种带扩张段的轴切多旋流气液固多相流燃烧器，轴向喷嘴的孔径和数量能够灵活调节，能够实现轴向燃料流量，流速的精确调控。

4、本发明公开的一种带扩张段的轴切多旋流气液固多相流燃烧器，中间层具有调节燃料掺混、燃烧或滞留时间及调整火焰结构的作用，并可防止流动或火焰突然扩张所导致的熄火或燃烧不稳定现象。

5、本发明公开的一种带扩张段的轴切多旋流气液固多相流燃烧器，在扩张段的作用下，有助于流经中间层的火焰扩张，防止火焰中的固体颗粒等沉积在燃烧器壁面，堵塞喷嘴。

6、本发明公开的一种带扩张段的轴切多旋流气液固多相流燃烧器，流经第一级旋流混合腔的高温已燃气体对第二级旋流腔通入的空气或助燃剂进行加热，第二级至第n级旋流混合腔的高温已燃气体依次对后级旋流混合腔通入的空气或助燃剂进行加热，加热后的空气或助燃剂使已燃气体中可燃成分进一步燃烧，能够提高加热速率和燃烧效率。

7、本发明公开的一种带扩张段的轴切多旋流气液固多相流燃烧器，可将工业废气从轴向通入燃烧器，经过燃烧器的多旋流结构可实现轴向气体的快速加热消除，可以实现废弃气体无害化高效处理，且本发明的燃烧器结构紧凑，是一种紧致型燃烧器，应用前景广阔

8、本发明公开的一种带扩张段的轴切多旋流气液固多相流燃烧器，不仅适用于液滴燃料和固体燃料的快速高效燃烧，也适用于纳米材料的连续合成和工业废气的快速加热处理，使用范围广泛。

附图说明

图1为带扩张段的轴切多旋流气液固多相流燃烧器右视图；

图2为带扩张段的轴切多旋流气液固多相流燃烧器的剖视图；

图3为带扩张段的轴切多旋流气液固多相流燃烧器旋流框组件的剖视图；

图4为带扩张段的轴切多旋流气液固多相流燃烧器的第一级旋流框截面A-A结构图；

图5为带扩张段的轴切多旋流气液固多相流燃烧器的第二级旋流框截面B-B结构图；

其中：1—轴向转接头、2—喷嘴、3—燃烧器前盖本体、4—前旋流框组件、5—燃烧器后盖本体、6—金属管、7—垫片、8—切向转接头、9—紧固螺栓、10—紧定螺钉

具体实施方式

为了更好的说明本发明的优点，下面结合图示对本发明的具体实施方式来进一步说明。

实施例1

如图2、图3所示，本实施例公开的一种带扩张段的轴切多旋流气液固多相流燃烧器，包括轴向转接头1、喷嘴2、燃烧器前盖本体3、旋流框组件4、后盖本体5、金属管6、垫片7、切向转接头8、紧固螺栓9和紧定螺钉10。旋流框组件4包括中间层4.0和两个旋流框，两个旋流框分别为第一级旋流框4.1和第二级旋流框4.2，两个旋流框内部分别具有旋流混合腔，第一级旋流框4.1的混合腔直径小于第二级旋流框4.2的混合腔直径，两级旋流混合腔之间形成扩张段。第一级旋流混合腔的周向布置有四个与其相切的切向气流入口，切向气流入口截面为矩形，在第一级旋流框气流入口处设置有四个用于燃料和氧化剂进入的切向转接头8，燃料和氧化剂通过导管与切向转接头8相连接，第二级旋流混合腔的周向同样布置有四个与其相切的切向气流入口，切向气流入口截面为矩形，在第二级旋流框气流入口处设置有四个用于空气或助燃剂进入的切向转接头8，空气或助燃剂通过导管与切向转接头8相连接。中间层4.0位于第一级、第二级旋流框之间，其厚度可根据需求调节。第一级旋流框4.1混合腔的切向入口注入燃料和氧化剂，用于使轴向燃料在第一级旋流混合腔内均匀掺混，第二级旋流框4.2混合腔的切向入口注入空气或助燃剂，通过控制旋流方向和流量能够有效防止液体燃料或固体颗粒等沾在燃烧器壁面，使燃料充分燃烧，提高燃烧效率，而且通过加入过量空气或助燃剂还能够有效降低碳烟，NOx等污染物排放。燃烧器前盖本体3上设置有螺纹孔，轴向转接头1和喷嘴2上加工有螺纹，轴向转接头1和喷嘴2通过螺纹与燃烧器前盖本体3连接。燃烧器后盖本体设置有通孔，与第二级旋流混合腔直径相等的金属管6与燃烧器后盖本体5通过紧定螺钉固定连接，需保证轴向转接头1、喷嘴2、旋流框组件4的各级腔体、金属管6同心安装，燃烧器前盖本体3、旋流框组件4、燃烧器后盖本体5用紧固螺栓9连接，就组成了完整的带扩张段的轴切多旋流燃烧器。

本实施例公开的一种带扩张段的轴切多旋流气液固多相流燃烧器工作方法为：轴向液滴燃料或携带固相燃料气流经轴向转接头1和喷嘴2进入燃烧器，气体燃料和氧化剂通过第一级旋流框4.1上的四个切向转接头8从切向气流入口注入第一级旋流混合腔，空气或助燃剂通过第二级旋流框4.2上的四个切向转接头8从切向气流入口进入第二级旋流混合腔，在第一级、第二级旋流框混合腔之间形成扩张段。混合后的多相气流流经金属管6，在金属管6管口处点燃多相混合气流，形成稳定的旋流火焰。轴向液滴燃料或携带固相燃料气流在第一级旋流作用下与切向燃料、氧化剂均匀掺混，在第一级旋流框4.1混合腔内快速加热燃烧，由于气流作用，火焰和已燃气体向第二级旋流框4.2混合腔流动，在中间层4.0段，燃料进一步掺混、燃烧，并防止由于流动或火焰突然扩张所导致的熄火或燃烧不稳定现象的发生。气流进一步流经扩张段，在扩张段的作用下，有助于火焰扩散，燃烧充分。含固相或液相的已燃气体在第二级旋流作用下，能够有效防止液滴或固相颗粒等沾在燃烧器壁面，进而使燃烬的气流顺利从燃烧器排出。由于高温已燃气体对第二级混合腔通入的空气或助燃剂进行加热，加热后的空气使已燃气体中可燃成分进一步燃烧，提高燃料的燃烧效率，并降低碳烟，NOx等污染物排放，能够实现液体，固体燃料快速高效燃烧和降低污染物排放的目的。

本实施例公开的一种带扩张段的轴切多旋流气液固多相流燃烧器，具有下述优点：1)轴向通入液滴燃料或携带固相燃料的气流，气体燃料和氧化剂通过布置在第一级旋流混合腔周向上的N个切向气流入口注入燃烧器内，且切向入口分布均布，能够使轴向燃料在第一级旋流混合腔内均匀掺混。2)第二级旋流混合腔的切向入口注入空气或助燃剂，通过控制旋流方向和流量能够有效防止燃料或固体颗粒等沾在燃烧器壁面，使燃料充分燃烧，提高燃烧效率，而且通过加入过量空气或助燃剂还可有效降低碳烟，NOx等污染物排放。3)利用旋流气动特性，在金属管内部形成低密度的高温火焰，在金属管壁面形成密度较大，温度较低的未燃气体薄膜，减少热量损失，防止燃烧器的烧蚀。4)轴向喷嘴的孔径和数量能够灵活调节，能够实现轴向燃料流量，流速的精确调控。5)在扩张段的作用下，有助于流经中间层的火焰扩张，防止火焰中的固体颗粒等沉积在燃烧器壁面，堵塞喷嘴。6)流经第一级旋流混合腔的高温已燃气体对第二级旋流混合腔通入的空气或助燃剂进行加热，加热后的空气或助燃剂使已燃气体中可燃成分进一步燃烧，能够提高加热速率和燃烧效率。

以上所述的描述对本发明的构成、工作方法和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施过程，用于解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种带扩张段的轴切多旋流气液固多相流燃烧器，其特征在于：包括轴向转接头(1)、喷嘴(2)、燃烧器前盖本体(3)、旋流框组件(4)、燃烧器后盖本体(5)、金属管(6)、垫片(7)、切向转接头(8)和紧固螺栓(9)；所述旋流框组件(4)包括中间层(4.0)和至少两个旋流框，所述的旋流框数量根据燃料种类及燃烧需求而定，分别定义为第一级旋流框(4.1)、第二级旋流框(4.2)至第n级旋流框(4.n)，各级旋流框内部具有旋流混合腔，且第一级旋流框(4.1)、第二级旋流框(4.2)至第n级旋流框(4.n)的混合腔依次增大，各级旋流混合腔之间形成扩张段，各级旋流框混合腔的周向分别布置有N个与其相切的切向气流入口，各级旋流框气流入口处设置有N个用于气流进入的切向转接头(8)；中间层(4.0)位于两级旋流框之间，厚度可根据燃料种类及燃烧需求调节；所述的第一级旋流框(4.1)混合腔的切向入口注入燃料和氧化剂，用于使轴向燃料在第一级旋流混合腔内均匀掺混，第二级旋流框(4.2)混合腔的切向入口注入空气或助燃剂，通过控制旋流方向和流量能够有效防止液体燃料或固体颗粒等沾在燃烧器壁面，使燃料充分燃烧，提高燃烧效率，而且通过加入过量空气或助燃剂还能够有效降低碳烟，NOx等污染物排放；轴向转接头(1)、喷嘴(2)与燃烧器前盖本体(3)固定连接，金属管(6)与燃烧器后盖本体(5)固定连接；需保证轴向转接头(1)、喷嘴(2)、旋流框组件(4)的各级腔体、金属管(6)同心安装，燃烧器前盖本体(3)、旋流框组件(4)、燃烧器后盖本体(5)通过紧固螺栓(9)连接。

2.如权利要求1所述的一种带扩张段的轴切多旋流气液固多相流燃烧器，其特征在于：第一级旋流框(4.1)上的N个气流入口包括燃料入口和氧化剂入口，燃料和氧化剂通过导管与设置在第一级旋流框(4.1)上的N个切向转接头(8)相连接；第二级至第n级旋流框(4.2-4.n)上有N个空气或助燃剂入口，空气或助燃剂通过导管与设置在第二级至第n级旋流框上的N个切向转接头(8)相连接；所述的气流入口数量N根据实际需求而定，N个设置在旋流框混合腔周向上的切向气流入口截面为矩形。

3.如权利要求2所述的一种带扩张段的轴切多旋流气液固多相流燃烧器，其特征在于：所述的旋流框级数n选两级。

4.如权利要求3所述的一种带扩张段的轴切多旋流气液固多相流燃烧器，其特征在于：金属管(6)与燃烧器后盖本体(5)用紧定螺钉(10)固定连接。

5.如权利要求4所述的一种带扩张段的轴切多旋流气液固多相流燃烧器，其特征在于：燃烧器前盖本体(3)设置有螺纹孔，后盖本体(5)设置有通孔，中间层(4.0)设置有与前级旋流混合腔孔径相等的通孔，喷嘴(2)孔径和孔数能够更换调节，喷嘴(2)和轴向转接头(1)上加工有螺纹，喷嘴(2)和轴向转接头(1)通过螺纹与燃烧器前盖本体连接。

6.如权利要求1、2、3、4或5所述的一种带扩张段的轴切多旋流气液固多相流燃烧器，其特征在于：具有下述优点：1)轴向通入液滴燃料或携带固相燃料的气流，气体燃料和氧化剂通过布置在第一级旋流混合腔周向上的N个切向气流入口注入燃烧器内，且切向入口分布均布，能够使轴向燃料在第一级旋流混合腔内均匀掺混；2)第二级至第n级旋流混合腔的切向入口注入空气或助燃剂，通过控制旋流方向和流量能够有效防止燃料或固体颗粒等沾在燃烧器壁面，使燃料充分燃烧，提高燃烧效率，而且通过加入过量空气或助燃剂还能够有效降低碳烟，NOx等污染物排放；3)利用旋流气动特性，在金属管内部形成低密度的高温火焰，在金属管壁面形成密度较大，温度较低的未燃气体薄膜，减少热量损失，防止燃烧器的烧蚀；4)轴向喷嘴的孔径和数量能够灵活调节，能够实现轴向燃料流量，流速的精确调控；5)在扩张段的作用下，有助于流经中间层的火焰扩张，防止火焰中的固体颗粒等沉积在燃烧器壁面，堵塞喷嘴；6)流经第一级旋流混合腔的高温已燃气体对第二级旋流混合腔通入的空气或助燃剂进行加热，第二级至第n级旋流混合腔的高温已燃气体依次对后级旋流混合腔通入的空气或助燃剂进行加热，加热后的空气或助燃剂使已燃气体中可燃成分进一步燃烧，能够提高加热速率和燃烧效率。

7.如权利要求1、2、3、4或5所述的一种带扩张段的轴切多旋流气液固多相流燃烧器，其特征在于：工作方法为：轴向液滴燃料或携带固相燃料气流经轴向转接头(1)和喷嘴(2)进入燃烧器，气体燃料和氧化剂通过第一级旋流框(4.1)上的N个切向转接头(8)从切向气流入口注入第一级旋流混合腔，空气或助燃剂通过第二级旋流框(4.2)上的N个切向转接头(8)从切向气流入口进入第二级旋流混合腔，第二级旋流框至第n级旋流框的工作过程相同，在各级旋流框混合腔之间形成扩张段；混合后的多相气流流经金属管(6)，在金属管(6)管口处点燃多相混合气流，形成稳定的旋流火焰；轴向液滴燃料或携带固相燃料气流在第一级旋流作用下与切向燃料、氧化剂均匀掺混，在第一级旋流框(4.1)混合腔内快速加热燃烧，由于气流作用，火焰和已燃气体向第二级旋流框(4.2)混合腔流动，在中间层(4.0)段，燃料进一步掺混、燃烧，并防止由于流动或火焰突然扩张所导致的熄火或燃烧不稳定现象的发生；气流进一步流经扩张段，在扩张段的作用下，有助于火焰扩散，燃烧充分；含固相或液相的已燃气体在第二级至第n级旋流作用下，能够有效防止液滴或固相颗粒等沾在燃烧器壁面，进而使燃烬的气流顺利从燃烧器排出；由于高温已燃气体对第二级至第n级旋流混合腔腔通入的空气或助燃剂进行加热，加热后的空气或助燃剂使已燃气体中可燃成分进一步燃烧，提高燃料的燃烧效率，并降低碳烟，NOx等污染物排放，能够实现液体，固体燃料快速高效燃烧和降低污染物排放的目的。

8.如权利要求1、2、3、4或5所述的一种带扩张段的轴切多旋流气液固多相流燃烧器，其特征在于：不仅适用于液滴燃料和固体燃料的快速高效燃烧，也适用于纳米材料的连续合成和工业废气的快速加热处理，使用范围广泛。