CN108758636A - 一种生物质液体燃料与金属颗粒共燃的分级旋流燃烧装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种生物质液体燃料与金属颗粒共燃的分级旋流燃烧装置，属于燃烧领域。轴向入口通入的可再生生物质液态燃料喷雾与一级旋流导入的氧化剂气体混合、燃烧，反应产生大量的热及CO2及H2O等产物；实现液体燃料稳定燃烧后，轴向中心孔通注入金属颗粒载流，金属颗粒在液体燃料产生的高温燃气场中被点燃，并与CO2及H2O等反应，进一步产生热量并生成可燃气体CO及H2等；二级旋流入口引入过量的氧化剂气体，与第一反应区出口处的未燃反应物进一步混合和燃烧，并在内径较大的柱形燃烧室内形成第二反应区。本发明可使生物质液体燃料与金属颗粒分级燃烧，并以生物质液态燃料燃烧产生的热为基础维持金属颗粒的燃烧，实现可再生燃料与金属颗粒共同燃烧。

Description

一种生物质液体燃料与金属颗粒共燃的分级旋流燃烧装置
技术领域
本发明涉及一种生物质液体燃料与金属颗粒共燃的分级旋流燃烧装置，属于燃烧领域。
背景技术
近年来化石燃料燃烧产物的大量排放造成了严重的环境污染，如雾霾、极端天气、酸雨等，严重影响社会生产活动，危害人体健康。此外，随着化石燃料的不断消耗，能源问题越发严峻。因此，发展可再生能源和高效清洁燃烧技术迫在眉睫。在可再生能源中，液体燃料如甲醇、乙醇等来源广泛，储量丰富，但由于其热值相对较低，并未在工业动力装置中得到广泛应用。而相对于化石燃油，其污染低、可再生及经济成本低等优点备受关注。可见，发展提高生物质燃料热值的先进燃烧技术是改善其利用率的关键。
另一方面，金属具有极高的能量密度，其燃烧过程中会释放出大量能量，具有热流密度高、无碳排放、可回收利用等显著优点。当前金属颗粒在固体火箭推进剂中已有广泛应用，但其应用及研究多集中在微米级的铝、镁、硼等金属粉末上，燃烧温度高、强度大，在常规燃烧设备中的使用相对比较困难。同时，金属颗粒表面往往覆盖熔点很高的金属氧化层，对点火提出了较大挑战；其燃烧过程中，微小颗粒在复杂流场中容易形成团聚和结渣现象，严重制约了金属燃料的广泛使用。因而，发展安全可控的金属颗粒点火和稳燃技术是金属燃料利用的关键。
发明内容
本发明的目的是提供一种生物质液体燃料与金属颗粒共燃的分级旋流燃烧装置，该装置能够实现可再生生物质液体燃料在旋流气体中高效、清洁、稳定燃烧，提供连续热量及氧化剂(CO2，H2O)使金属颗粒充分燃烧，并将金属燃烧副产品进一步完全燃烧放热，以提高整体热值的分级旋流燃烧技术。即该装置在提高燃烧系统整体热值的同时，实现低碳排放和安全稳定燃烧。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
一种生物质液体燃料与金属颗粒共燃的分级旋流燃烧装置，包括：燃烧器上部和燃烧器底座；燃烧器底座为底端封口的中空结构，且侧壁上带有排气管路；燃烧器上部包括内层结构和多个外层结构，所述内层结构为顶部封口的中空圆柱结构；内层结构顶端侧壁上开设M个通入氧化剂气体的内层孔，气体经过旋片或者孔轴线与内层圆柱体相切的孔形成旋流气体；外层结构的剖面为L型；外层结构的顶端侧壁上开设M个通入氧化剂气体的外层孔，气体经过旋片或者孔轴线与内层圆柱体相切的孔形成旋流气体；内层结构的侧壁上连接有外层结构，外层结构的侧壁上连接有下一外层结构；需保证相邻的两个层级的气流的旋向相反；所述内层结构顶端中心处开设金属颗粒载流通道，金属颗粒载流通道周围均匀开设N个液体燃料通道，所述液体燃料通道用于通入生物质液体燃料。其中M和N的数值根据具体的使用条件如所需流量而定。此外，有更多的外层结构时，其与外层结构的构造关系应与外层结构和内层结构的构造关系相似。
工作过程：生物质液体燃料经过顶端的液体燃料通道进入内层结构，与内层孔进入的氧化剂气体混合、燃烧，并在中空圆柱结构内形成第一反应区，产生大量的热和CO2、H2O等产物；实现生物质液体燃料稳定燃烧后，金属颗粒经过金属颗粒载流通道进入，金属颗粒在生物质液体燃料燃烧产生的高温燃气场中被点燃，并与CO2及H2O等反应，进一步产生热量并生成可燃气体CO、H2等；第一反应区燃烧产生的热量用以维持金属颗粒在第一反应区中的燃烧；外层孔引入过量的氧化剂气体，与第一反应区出口处的未燃反应物(如H2、CO、金属颗粒及生物质液体燃料等)进一步混合和燃烧，并在中空圆柱结构出口处形成第二反应区。燃烧产物中的金属氧化物和金属盐由重力作用沉降在燃烧器底座的内侧底部，其余产物经燃烧器底座侧壁的排气管路排出。此外，有更多的外层结构时，形成的反应区与第二反应区类似。
有益效果
1.本发明公开的一种生物质液体燃料与金属颗粒共燃的分级旋流燃烧装置，可使生物质液体燃料与金属颗粒分级燃烧，并以生物质液态燃料燃烧产生的热为基础维持金属颗粒的燃烧，实现可再生燃料与金属颗粒共同燃烧，提高燃烧热值，且结构紧凑，安装简单，可适用于多种领域和工作环境以满足不同的工业需求；
2.本发明公开的一种生物质液体燃料与金属颗粒共燃的分级旋流燃烧装置，一级旋流可有效促进燃料与氧化剂充分混合，实现稳定燃烧，二级及更多级旋流引入过量氧化剂，保证金属燃烧副产品CO、H2及未燃金属颗粒和液体燃料充分燃烧，确保安全运行和清洁排放的同时进一步提高燃烧放热，提高燃烧效率；
3.本发明公开的一种生物质液体燃料与金属颗粒共燃的分级旋流燃烧装置，金属氧化物及金属盐与燃气通过重力作用实现分离，可减少尾气中的颗粒排放，并可将其在储存池中收集后利用一次清洁能源(如风能，水电，太阳能等)电解还原为金属单质，可再次投入到燃烧中，实现金属能源的回收利用；
4.本发明公开的一种生物质液体燃料与金属颗粒共燃的分级旋流燃烧装置，可采用多种类型的可再生生物质液体燃料及不同类型的金属颗粒，应用前景广阔；
5.本发明公开的一种生物质液体燃料与金属颗粒共燃的分级旋流燃烧装置，利用旋流气动特性，在金属管内壁面形成温度较低的未燃气体薄膜，在其内部形成低密度的高温火焰，可减少热量损失，防止燃烧器的烧蚀。
附图说明
图1为生物质液体燃料与金属颗粒共燃的分级旋流燃烧装置结构示意图；
图2为燃烧装置的内层结构顶端截面图；
图3为燃烧装置的内层结构侧壁开孔剖面图；
图4为燃烧装置的外层结构侧壁开孔剖面图。
其中：1—燃烧器上部、2—燃烧器底座、3—金属颗粒载流通道、4—液体燃料通道。
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:
本实施例将使用纳米铝颗粒、乙醇作为燃料，空气作为氧化剂，结构上由内层结构和一个外层结构构成二级旋流燃烧器，内层结构顶端开设1个铝颗粒载流通道和2个乙醇通道，每层结构侧壁上均有2个空气旋流入口，并以此解释说明。
如图1所示，本实施例公开的一种生物质液体燃料与金属颗粒共燃的分级旋流燃烧装置，包括：燃烧器上部1和燃烧器底座2；燃烧器底座2为底端封口的中空结构，且侧壁上带有排气管路；燃烧器上部1包括内层结构和多个外层结构，所述内层结构为顶部封口的中空圆柱结构；内层结构顶端侧壁上开设2个通入空气的内层孔，气体经过旋片或者孔轴线与内层圆柱体相切的孔形成旋流气体；外层结构的剖面为L型；外层结构的顶端侧壁上开设2个通入空气的外层孔，气体经过旋片或者孔轴线与内层圆柱体相切的孔形成旋流气体；内层结构的侧壁上连接有外层结构，外层结构的侧壁上连接有下一外层结构；需保证相邻的两个层级的气流的旋向相反；所述内层结构顶端中心处开设金属颗粒载流通道3，金属颗粒载流通道周围均匀开设2个液体燃料通道4，所述液体燃料通道4用于通入乙醇。
工作过程：乙醇经过顶端的液体燃料通道4进入内层结构，与内层孔进入的空气混合、燃烧，并在中空圆柱结构内形成第一反应区，产生大量的热和CO2、H2O等产物；实现乙醇稳定燃烧后，纳米铝颗粒经过金属颗粒载流通道3进入，纳米铝颗粒在乙醇燃烧产生的高温燃气场中被点燃，并与CO2及H2O等反应，进一步产生热量并生成可燃气体CO、H2等；第一反应区燃烧产生的热量用以维持纳米铝颗粒在第一反应区中的燃烧；外层孔引入过量的空气，与第一反应区出口处的未燃反应物(如H2、CO、金属颗粒及乙醇等)进一步混合和燃烧，并在中空圆柱结构出口处形成第二反应区。燃烧产物中的氧化铝和碳酸铝由重力作用沉降在燃烧器底座2的内侧底部，其余产物经燃烧器底座2侧壁的排气管路排出。
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 (4)

1.一种生物质液体燃料与金属颗粒共燃的分级旋流燃烧装置，其特征在于：包括：燃烧器上部和燃烧器底座；燃烧器底座为底端封口的中空结构，且侧壁上带有排气管路；燃烧器上部包括内层结构和多个外层结构，所述内层结构为顶部封口的中空圆柱结构；内层结构顶端侧壁上开设M个通入氧化剂气体的内层孔，气体经过旋片或者孔轴线与内层圆柱体相切的孔形成旋流气体；外层结构的剖面为L型；外层结构的顶端侧壁上开设M个通入氧化剂气体的外层孔，气体经过旋片或者孔轴线与内层圆柱体相切的孔形成旋流气体；内层结构的侧壁上连接有外层结构，外层结构的侧壁上连接有下一外层结构；需保证相邻的两个层级的气流的旋向相反；所述内层结构顶端中心处开设金属颗粒载流通道，金属颗粒载流通道周围均匀开设N个液体燃料通道，所述液体燃料通道用于通入生物质液体燃料。
2.如权利要求1所述的一种生物质液体燃料与金属颗粒共燃的分级旋流燃烧装置，其特征在于：所述外层结构较多时，多个外层结构的构造关系应与外层结构和内层结构的构造关系相似。
3.如权利要求1或2所述的一种生物质液体燃料与金属颗粒共燃的分级旋流燃烧装置，其特征在于：所述装置的工作过程：生物质液体燃料经过顶端的液体燃料通道进入内层结构，与内层孔进入的氧化剂气体混合、燃烧，并在中空圆柱结构内形成第一反应区，产生大量的热和CO2、H2O；实现生物质液体燃料稳定燃烧后，金属颗粒经过金属颗粒载流通道进入，金属颗粒在生物质液体燃料燃烧产生的高温燃气场中被点燃，并与CO2及H2O反应，进一步产生热量并生成可燃气体CO和H2；第一反应区燃烧产生的热量用以维持金属颗粒在第一反应区中的燃烧；外层孔引入过量的氧化剂气体，与第一反应区出口处的未燃反应物进一步混合和燃烧，并在中空圆柱结构出口处形成第二反应区；燃烧产物中的金属氧化物和金属盐由重力作用沉降在燃烧器底座的内侧底部，其余产物经燃烧器底座侧壁的排气管路排出；此外，有更多的外层结构时，形成的反应区与第二反应区类似。
4.如权利要求3所述的一种生物质液体燃料与金属颗粒共燃的分级旋流燃烧装置，其特征在于：所述未燃反应物包括H2、CO、金属颗粒及生物质液体燃料。
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