CN107166387A - 一种燃烧区孔隙阶跃式多孔介质燃烧器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种燃烧区孔隙阶跃式多孔介质燃烧器，涉及燃烧器领域。燃烧器包括燃烧器外壳，燃烧器外壳内按照气流的流向依次设置有保护区、预热区和燃烧区，预热区和燃烧区内均填充有多孔介质，燃烧区沿径向形成有多个不同孔密度的多孔介质层，且燃烧区内每个多孔介质层的多孔介质的孔密度小于预热区的多孔介质的孔密度。本发明可以有效避免火焰面附近温度梯度陡、温度分布不均、局部高温区的存在，成功地解决了火焰分布不均和火焰不稳定现象，使燃烧更充分，大大降低了NO_x和CO的排放量，同时还可以调节壁面的固体温度，减少壁面热损失，提高燃烧器的燃烧效率，固体的温度变化平缓，热应力小，进而延长了燃烧器的使用寿命。

Description

一种燃烧区孔隙阶跃式多孔介质燃烧器

技术领域

本发明涉及燃烧器领域，尤其涉及一种燃烧区孔隙阶跃式多孔介质燃烧器。

背景技术

化石能源一直是世界能源结构的主体，当今世界80％以上的能源都来自于化石燃料的燃烧。但化石能源属于不可再生资源，不久的将来将会枯竭，因此要建立可持续发展的经济模式，改善能源结构，改进能源消费方式，提高能源有效利用率，必须充分利用工业生产及能源生产中的各种低热值燃气，实现常规能源的高效清洁利用。低热值气体的可燃成分稀薄，使用常规燃烧技术难以有效利用，如何实现该种气体的有效燃烧、减缓直接排放造成的环境问题，一直是燃烧界的难题。

近年来，将多孔介质加进燃烧器的技术慢慢被人们重视起来。多孔介质燃烧技术，又称为PMC技术(Porous Medium Combustion)。多孔介质燃烧过程中，由于多孔基体的存在，预混气体流经多孔介质的同时，在多孔介质中进行燃烧，气体在多孔介质孔隙内部产生漩涡、分流与汇合，剧烈扰动，燃烧产生的热量通过多孔介质的导热和辐射效应不断地向上游传递并预热新鲜燃气，同时利用多孔介质自身的蓄热能力回收燃烧产生的高温烟气余热。多孔介质中的预混燃烧有如下优点：提高燃料的燃烧效率，降低污染物排放，而且能够显著拓宽燃烧贫燃极限，同时无需传统的换热设备来进行燃烧余热的回收和传递，在减小设备体积、实现燃烧设备小型化方面具有强大的优势，为气体、液体、固体等燃料，特别低热值气体燃料高效清洁燃烧提供一条新途径。

现有的一种多孔介质燃烧器包括燃烧器外壳、保温层和耐火砖层，耐火砖层内由底部至顶部依次设置有预混气体扩散室、穿孔板、预混气体均压室、阻焰屏障板、小孔泡沫陶瓷板和大孔泡沫陶瓷板。预混气体进入燃烧器外壳内，由预混气体扩散室经穿孔板、预混气体均压室后经阻焰屏障板再进入小孔泡沫陶瓷板中进行预热，最后进入大孔泡沫陶瓷板内进行充分燃烧，获得仅为水及二氧化碳的燃烧产物。这种燃烧器的燃烧区仅由一种孔密度的大孔泡沫陶瓷介质填充形成的多孔介质层，容易产生火焰分布不均和火焰不稳定现象，造成火焰面附近温度梯度陡，温度分布不均，局部温度过高，燃烧不完全，同时，燃烧器的壁面热损失严重，降低了燃烧效率，缩短了燃烧器的使用寿命。

因此，亟需开发一种能够有效解决火焰分布不均和火焰不稳定现象，避免火焰面附近温度梯度陡，温度分布不均，局部高温区的存在，燃烧更完全、更迅速，减少壁面热损失，提高燃烧效率，延长使用寿命的燃烧区孔隙阶跃式多孔介质燃烧器。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种能够有效解决火焰分布不均和火焰不稳定现象，避免火焰面附近温度梯度陡，温度分布不均，局部高温区的存在，燃烧更完全、更迅速，减少壁面热损失，提高燃烧效率，延长使用寿命的燃烧区孔隙阶跃式多孔介质燃烧器。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

本发明提供一种燃烧区孔隙阶跃式多孔介质燃烧器，包括燃烧器外壳，所述燃烧器外壳内按照气流的流向依次设置有保护区、预热区和燃烧区，所述预热区和燃烧区内均填充有多孔介质，所述燃烧区沿径向形成有多个不同孔密度的多孔介质层，且燃烧区内每个多孔介质层的多孔介质的孔密度小于预热区的多孔介质的孔密度。

作为一种燃烧区孔隙阶跃式多孔介质燃烧器的优选方案，所述预热区的多孔介质的孔密度为50PPI-60PPI，所述燃烧区内每个多孔介质层的多孔介质的孔密度为8PPI-30PPI。

作为一种燃烧区孔隙阶跃式多孔介质燃烧器的优选方案，所述预热区为泡沫陶瓷板，预热区的泡沫陶瓷板的板厚为20-50mm，孔隙率为80％以上；

所述燃烧区包括沿径向由外而内设置的多个环形多孔介质层和中心多孔介质层，所述多个环形多孔介质层和中心多孔介质层共同形成为泡沫陶瓷板，燃烧区的泡沫陶瓷板的板厚为10-50mm，孔隙率为80％以上。

作为一种燃烧区孔隙阶跃式多孔介质燃烧器的优选方案，所述保护区为挡板砖，所述挡板砖上开设有多个通孔，所述挡板砖的板厚为10-50mm，孔隙率为80-90％，所述挡板砖的通孔的平均孔径为2-4mm。

作为一种燃烧区孔隙阶跃式多孔介质燃烧器的优选方案，所述挡板砖的通孔按正交排列分布，或，所述挡板砖的通孔沿燃烧器外壳的轴向平行设置，或，所述挡板砖的通孔围绕中心呈环形排布。

作为一种燃烧区孔隙阶跃式多孔介质燃烧器的优选方案，所述预热区的多孔介质的气流上游表面与挡板砖的表面紧密相连，所述预热区的多孔介质的气流下游表面与燃烧区的多孔介质的气流上游表面紧密接触。

作为一种燃烧区孔隙阶跃式多孔介质燃烧器的优选方案，还包括燃气进气口、空气进气口和烟气出口；

当燃气和空气从下方进入燃烧器时，所述燃气进气口设置在燃烧器外壳的底部，所述空气进气口设置在燃烧器外壳靠近底部的侧壁上，所述烟气出口设置在燃烧器外壳的顶部；

当燃气和空气从上方进入燃烧器时，所述燃气进气口设置在燃烧器外壳的顶部，所述空气进气口设置在燃烧器外壳靠近顶部的侧壁上，所述烟气出口设置在燃烧器外壳的底部。

作为一种燃烧区孔隙阶跃式多孔介质燃烧器的优选方案，沿气流的流向上，所述空气进气口所在的平面位于气流的上游位置，所述保护区位于气流的下游位置。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：

与现有的燃烧区内只填充一种孔密度的多孔介质的燃烧器相对比，本发明改变了燃烧器的燃烧区径向多孔介质的孔密度分布，混合气体通过燃烧区时，由于燃烧区沿径向多孔介质的孔密度不同，可以有效避免火焰面附近温度梯度陡、温度分布不均、局部高温区的存在，成功地解决了火焰分布不均和火焰不稳定现象，使燃烧更充分，大大降低了NO_x和CO的排放量，同时还可以调节壁面的固体温度，减少壁面热损失，提高燃烧器的燃烧效率，固体的温度变化平缓，热应力小，进而延长了燃烧器的使用寿命。

附图说明

图1是本发明实施例1的燃烧器的轴向剖面图，其中，箭头分别表示各气体的流向；

图2是图1中A-A向的剖面图；

图3是图1中B-B向的剖面图；

图4是本发明实施例2的燃烧区不同孔密度的多孔介质分布图；

图5是本发明实施例3的燃烧区不同孔密度的多孔介质分布图。

图中：

1、燃烧器外壳；2、最外层环形多孔介质层；3、中间环形多孔介质层；4、中心多孔介质层；5、预热区；6、保护区；7、空气进气口；8、燃气进气口；9、烟气出口。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

实施例1

如图1至图3所示，本实施例提出了第一种优选的燃烧区孔隙阶跃式多孔介质燃烧器，该燃烧区孔隙阶跃式多孔介质燃烧器包括燃烧器外壳1，燃烧器外壳1的形状可以为圆筒形或方筒形，还可以为其他形状。燃烧器外壳1的底部设置有燃气进气口8，燃气可通过燃气进气口8进入燃烧器外壳1内。燃烧器外壳1靠近底部的侧壁上设置有空气进气口7，空气可通过空气进气口7进入燃烧器外壳1内。与现有空气进气口7和燃气进气口8同设置在底部或同一侧相对比，本实施例的燃气进气口8垂直于空气进气口7设置，使得空气和燃气能够很好地混合在一起，燃烧更加充分，燃烧效率高。

燃烧器外壳1的顶部设置有烟气出口9，燃气和空气在燃烧器外壳1内先后进行预热和燃烧后由烟气出口9排出燃烧器外。

在本实施例中，燃烧器外壳1内由底部至顶部依次设置有保护区6、预热区5和燃烧区。具体的，预热区5内填充有孔密度为60PPI的多孔介质，预热区5可以优选板厚为20mm，孔隙率为80％以上的大孔泡沫陶瓷板，大孔泡沫陶瓷板上设置有多个大孔径的孔道。这些大孔径的孔道为空气和燃气的混合气体提供来了充足的预热空间。

燃烧区内沿径向形成有三个不同孔密度的多孔介质层，且燃烧区内每个多孔介质层的多孔介质的孔密度小于预热区5的多孔介质的孔密度。

具体的，燃烧区包括沿径向由外而内设置的两个环形多孔介质层和中心多孔介质层，两个环形多孔介质层和中心多孔介质层共同形成为一板厚为10mm，孔隙率为80％以上的小孔泡沫陶瓷板。最外层环形多孔介质层2填充有孔密度为10PPI的多孔介质，中间环形多孔介质层3填充有孔密度为15PPI的多孔介质，中心多孔介质层4填充有孔密度为20PPI的多孔介质。两个环形多孔介质层和中心多孔介质层内分别设置有多个不同小孔径的孔道，燃烧区的这些孔道的孔径均小于预热区5的孔道的孔径。燃烧区的小孔径的孔道为预热后的混合气体提供了充足的燃烧空间。混合气体通过上述结构形式的燃烧区时，由于燃烧区沿径向多孔介质的孔密度不同，可以有效避免火焰面附近温度梯度陡、温度分布不均、局部高温区的存在，成功地解决了火焰分布不均和火焰不稳定现象，使燃烧更充分，大大降低了NO_x和CO的排放量，同时还可以调节壁面的固体温度，减少壁面热损失，提高燃烧器的燃烧效率，固体的温度变化平缓，热应力小，进而延长了燃烧器的使用寿命。

保护区6设置在空气进气口7的上方，即保护区6所在的位置与空气进气口6存在一定的高度差，能够使空气和燃气在燃烧器外壳1内初混合并流动一定距离后进入保护区6，有效保证气流稳定流动。

可优选为板厚为10mm，孔隙率为80％的挡板砖。挡板砖是由导热性能良好，耐高温(800-2000℃)的金属(如铬，镍)或其合金加工而成。挡板砖上开设有多个通孔，挡板砖的通孔的平均孔径为2-4mm，且挡板砖的通孔沿燃烧器外壳1的轴向平行设置。空气与燃气可在挡板砖的通孔内进行均匀混合。挡板砖的表面与预热区5的多孔介质的下表面(气流上游表面)紧密相连，预热区5的多孔介质的上表面(气流下游表面)与燃烧区的多孔介质的下表面(气流上游表面)紧密接触。上述挡板砖的设置不仅使空气和燃气混合均匀，还可以有效固定预热区5和燃烧区的多孔介质，同时可以有效阻止回火。

此外，为了使燃气和空气更加充分均匀地混合，挡板砖在燃烧器外壳1内的设置高度高于空气进气口7的设置高度，这样，燃气和空气进入燃烧器外壳1内后流经一段流通空间进行初步混合，再在挡板砖的通孔内进一步混合，增大了空气与燃气的接触面积，进一步提高了燃烧效率。

燃气燃烧过程如下：

如图1所示，首先，燃气从燃气进气口8进入燃烧器外壳1内，同时，空气从空气进气口7进入燃烧器外壳1内，空气和燃气在挡板砖内初步混合，然后经预热区5在预热区5的大孔泡沫陶瓷板的多孔介质中被预热，之后经燃烧区在燃烧区的小孔泡沫陶瓷板的多个径向分布的多孔介质中燃烧，燃烧后的烟气最后经烟气排出燃烧器外。

上述实施例1的气流是从下向上流动，即燃气和空气从下方进入燃烧器，烟气从上方排出燃烧器。当然，气流可以由上述从下向上的流向转变成从上向下的流向，即燃气和空气从上方进入燃烧器，烟气从下方排出燃烧器。那么，燃气进气口8则这只在燃烧器外壳1的顶部，空气进气口7设置在燃烧器外壳1靠近顶部的侧壁上，烟气出口9设置在燃烧器外壳1的底部，燃烧器外壳1内由底部至顶部依次设置有燃烧区、预热区5和保护区6，其中，这三个区的结构和连接方式与实施例1所述的结构和连接方式相同，在此不再赘述。

此外，保护区6设置在空气进气口7的下方，即保护区6的高度位置低于空气进气口7的高度位置，保护区6所在的位置与空气进气口6存在一定的高度差，同样使空气和燃气在燃烧器外壳1内初混合并流动一定距离后进入保护区6，有效保证气流稳定流动。总之，沿气流的流向上，空气进气口7所在的平面位于气流的上游位置，保护区6位于气流的下游位置。

实施例2

本实施例提出了第二种优选的燃烧区孔隙阶跃式多孔介质燃烧器，该多孔介质燃烧器的结构与实施例1所述的多孔介质燃烧器结构基本相同，区别之处具体如下：

如图4所示，在本实施例中，预热区5内填充有孔密度为50PPI的多孔介质，预热区5选择板厚为30mm，孔隙率为80％以上的大孔泡沫陶瓷板，与实施例1中的预热区5的板厚相比，板厚相对增加，延长了预热时间，提高了预热效果。

燃烧区的两个环形多孔介质层和中心多孔介质层共同形成为一板厚为30mm，孔隙率为80％以上的小孔泡沫陶瓷板。最外层环形多孔介质层2填充有孔密度为20PPI的多孔介质，中间环形多孔介质层3填充有孔密度为15PPI的多孔介质，中心多孔介质层4填充有孔密度为10PPI的多孔介质，改变了火焰形状和燃烧特性。

保护区6选择板厚为20mm，孔隙率为90％的挡板砖。挡板砖的通孔按正交排列分布，与实施例1中的保护区6相比，延长了空气和燃气的混合时间，增大了接触面积，混合更加均匀、充分，燃烧效率得到提高。

实施例3

本实施例提出了第三种优选的燃烧区孔隙阶跃式多孔介质燃烧器，该多孔介质燃烧器的结构与实施例1所述的多孔介质燃烧器结构基本相同，区别之处具体如下：

如图5所示，在本实施例中，预热区5内填充有孔密度为55PPI的多孔介质，预热区5选择板厚为40mm，孔隙率为80％以上的大孔泡沫陶瓷板，相比实施例2中的预热区5的板厚，板厚加厚，预热时间加长，预热效果进一步提高。

燃烧区的两个环形多孔介质层和中心多孔介质层共同形成为一板厚为40mm，孔隙率为80％以上的小孔泡沫陶瓷板。最外层环形多孔介质层2填充有孔密度为10PPI的多孔介质，中间环形多孔介质层3填充有孔密度为20PPI的多孔介质，中心多孔介质层4填充有孔密度为15PPI的多孔介质，同样改变了火焰形状和燃烧特性。

保护区6选择板厚为40mm，孔隙率为80％的挡板砖，挡板砖的通孔围绕中心呈环形排布，与实施例2中的保护区6相比，空气和燃气的混合时间加长，接触面积加大，混合均匀性、充分性增强，燃烧效率增强。

实施例4

本实施例提出了第四种优选的燃烧区孔隙阶跃式多孔介质燃烧器，该多孔介质燃烧器的结构与实施例1所述的多孔介质燃烧器结构基本相同，区别之处具体如下：

在本实施例中，预热区5内填充有孔密度为60PPI的多孔介质，预热区5选择板厚为50mm，孔隙率为80％以上的大孔泡沫陶瓷板，相比实施例3中的预热区5的板厚，板厚更厚，预热时间更长，预热效果更好。

燃烧区的两个环形多孔介质层和中心多孔介质层共同形成为一板厚为40mm，孔隙率为90％以上的小孔泡沫陶瓷板。最外层环形多孔介质层2填充有孔密度为15PPI的多孔介质，中间环形多孔介质层3填充有孔密度为20PPI的多孔介质，中心多孔介质层4填充有孔密度为10PPI的多孔介质，同样改变了火焰形状和燃烧特性。

保护区6选择板厚为50mm，孔隙率为85％的挡板砖，挡板砖的通孔矩阵排列分布，与实施例3中的保护区6相比，空气和燃气的混合时间更长，接触面积更大，混合均匀性、充分性更强，燃烧效率更高。

综上可知，本发明可以调整燃烧区多个多孔介质层的多孔介质的孔密度(每个多孔介质层的多孔介质的孔密度范围为8PPI-30PPI)，实现沿程结构和燃烧特性相匹配，按照实际生产需求，实现局部温度可调，人为地控制其温度分布，使燃烧更完全、更迅速，从而提高燃烧器的燃烧效率，减少污染物排放。

本发明的燃烧器可以燃烧的燃料热值范围较大，可以实现极稀薄气体或超低热值气体的燃烧。

需要理解的是，以上对本发明的具体实施例进行的描述只是为了说明本发明的技术路线和特点，其目的在于让本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，但本发明并不限于上述特定实施方式。凡是在本发明权利要求的范围内做出的各种变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种燃烧区孔隙阶跃式多孔介质燃烧器，包括燃烧器外壳(1)，所述燃烧器外壳(1)内按照气流的流向依次设置有保护区(6)、预热区(5)和燃烧区，所述预热区(5)和燃烧区内均填充有多孔介质，其特征在于，所述燃烧区沿径向形成有多个不同孔密度的多孔介质层，且燃烧区内每个多孔介质层的多孔介质的孔密度小于预热区(5)的多孔介质的孔密度。

2.根据权利要求1所述的燃烧区孔隙阶跃式多孔介质燃烧器，其特征在于：所述预热区(5)的多孔介质的孔密度为50PPI-60PPI，所述燃烧区内每个多孔介质层的多孔介质的孔密度为8PPI-30PPI。

3.根据权利要求1所述的燃烧区孔隙阶跃式多孔介质燃烧器，其特征在于：所述预热区(5)为泡沫陶瓷板，预热区(5)的泡沫陶瓷板的板厚为20-50mm，孔隙率为80％以上；

所述燃烧区包括沿径向由外而内设置的多个环形多孔介质层和中心多孔介质层，所述多个环形多孔介质层和中心多孔介质层共同形成为泡沫陶瓷板，燃烧区的泡沫陶瓷板的板厚为10-50mm，孔隙率为80％以上。

4.根据权利要求1或3所述的燃烧区孔隙阶跃式多孔介质燃烧器，其特征在于：所述保护区(6)为挡板砖，所述挡板砖上开设有多个通孔，所述挡板砖的板厚为10-50mm，孔隙率为80-90％，所述挡板砖的通孔的平均孔径为2-4mm。

5.根据权利要求4所述的燃烧区孔隙阶跃式多孔介质燃烧器，其特征在于：所述挡板砖的通孔按正交排列分布，或，所述挡板砖的通孔沿燃烧器外壳(1)的轴向平行设置，或，所述挡板砖的通孔围绕中心呈环形排布。

6.根据权利要求4所述的燃烧区孔隙阶跃式多孔介质燃烧器，其特征在于：所述预热区(5)的多孔介质的气流上游表面与挡板砖的表面紧密相连，所述预热区(5)的多孔介质的气流下游表面与燃烧区的多孔介质的气流上游表面紧密接触。

7.根据权利要求1所述的燃烧区孔隙阶跃式多孔介质燃烧器，其特征在于：还包括燃气进气口(8)、空气进气口(7)和烟气出口(9)；

当燃气和空气从下方进入燃烧器时，所述燃气进气口(8)设置在燃烧器外壳(1)的底部，所述空气进气口(7)设置在燃烧器外壳(1)靠近底部的侧壁上，所述烟气出口(9)设置在燃烧器外壳(1)的顶部；

当燃气和空气从上方进入燃烧器时，所述燃气进气口(8)设置在燃烧器外壳(1)的顶部，所述空气进气口(7)设置在燃烧器外壳(1)靠近顶部的侧壁上，所述烟气出口(9)设置在燃烧器外壳(1)的底部。

8.根据权利要求7所述的燃烧区孔隙阶跃式多孔介质燃烧器，其特征在于：沿气流的流向上，所述空气进气口(7)所在的平面位于气流的上游位置，所述保护区(6)位于气流的下游位置。