CN109297020A - 燃气红外燃烧系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了燃气红外燃烧系统。包括燃烧器，所述燃烧器内设置混合腔，所述混合腔为气密半围合结构，混合腔内设置挡板和多孔布风板，在混合腔开口处放置陶瓷纤维燃烧介质，陶瓷纤维燃烧介质底部承载在多孔布风板上，陶瓷纤维燃烧介质上表面四周用压板压实固定，所述陶瓷纤维燃烧介质为陶瓷纤维毡。本发明将陶瓷纤维用层铺工艺制作为纤维毡，这种毡就具备各向异性的导热特性：平面方向导热系数大，工作时介质表面温度均匀，而同时厚度方向导热系数小，从而提升抗回火性能。
Description
技术领域
本发明属于燃气红外加热技术领域，具体涉及全预混或者半预混的燃气红外燃烧系统。
背景技术
燃烧过程产生的污染排放占大气污染相当大的比重，国家正在进行能源结构调整，增加天然气消费比重，特别在中小型分散性用户，推出煤改气政策，需开发针对气体燃料的节能环保技术。
常规气体燃料燃烧有大气式燃烧，扩散式燃烧和预混燃烧等技术种类，普遍存在如下问题：温度不均匀；燃烧不充分；NOx排放高；火焰黑度低，辐射能力低；燃烧空间大；火焰形状适应性差；燃烧噪音大；稳定性差；当前环保标准大幅提升，对NOx排放限值越来越低，急需开发低氮燃烧技术。低氮燃烧有多种解决方案，其中全预混燃烧技术近年来脱颖而出，引发科技工作者和终端用户越来越多的关注。
全预混燃烧是在燃烧前实现空气、煤气充分预混，混合气通过多孔板后迅速完成燃烧过程，燃烧空间小，污染物排放低，温度均匀，燃烧将多孔板加热呈炽热状态，发射红外线，以加热工件，由于发射光源与工件吸收波谱的匹配原理，可以大幅节省加热能量。所以全预混燃烧技术也通常被称为燃气红外加热技术。
全预混燃烧技术的发展成熟经历了不同阶段，主要在多孔燃烧介质材料方面的技术演变，多孔金属板，到陶瓷蜂窝板（惰性或催化），无序孔陶瓷板，纤维毡，种类繁多。
全预混燃烧技术系统有多个技术评价指标，如耐高温腐蚀性能、耐热震性能、抗回火性能、抗热声振动性能、表面热强度、高温组织稳定性、抗堵塞性能、污染物排放水平、表面辐射能力；热惯性、阻力损失、温度均匀性、结构稳定性、生产成本等等，这些评价指标之间往往存在矛盾，即一个指标提升时另一个指标会下降，比如耐高温腐蚀性与耐热震性能就是一对技术矛盾，采用金属材料抗热震性好但耐高温腐蚀性差，采用陶瓷材料则反之。再比如表面温度均匀性和抗回火性能又是一对技术矛盾，表面温度均匀性要求介质材料导热性要好，而抗回火性则要求材料导热系数尽可能小。另外多孔介质材料还需同时具有比表面积尽可能大同时结构稳定性强的特点。
现有技术往往不能协同提升上述评价指标。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了燃气红外燃烧系统，其目的在于将原本脆性的陶瓷材料制作成微米级陶瓷纤维，这种材料就同时具备陶瓷和金属的优点，即保留能耐高温腐蚀特性，又因纤维材料具备足够柔韧性而增加了能耐受热冲击的特性，由此解决诸多评价指标的协同提升的问题。
为实现上述目的，本发明提供了燃气红外燃烧系统，包括燃烧器，所述燃烧器内设置混合腔，所述混合腔为气密半围合结构，混合腔内设置挡板和多孔布风板，在混合腔开口处放置陶瓷纤维燃烧介质，陶瓷纤维燃烧介质底部承载在多孔布风板上，陶瓷纤维燃烧介质上表面四周用压板压实固定；所述陶瓷纤维燃烧介质采用专利公告号CN105347836A或者CN105967713A的方法制备。
根据本发明实施例，所述陶瓷纤维燃烧介质为陶瓷纤维毡，所述陶瓷纤维毡是平面形状，圆柱形状或球形；所述陶瓷纤维毡上开阵列穿透孔。
根据本发明实施例，所述燃烧器安装有点火针及火探。
根据本发明实施例，所述燃烧器下部连接预混风机，所述预混风机连接有文丘里管、调节阀组；所述文丘里管、调节阀组内设置螺丝，用于手动调节空燃比。
根据本发明实施例，所述燃烧器配有燃烧控制器，用于控制点火，预混风机及调节阀组协同工作。
根据本发明实施例，所述燃烧器包括外壳，所述外壳采用夹层结构，夹层内通冷却气体。
根据本发明实施例，所述多孔布风板与压板之间设置有轻质隔热材料。
根据本发明实施例，所述陶瓷纤维燃烧介质外部增加多孔或网状金属或陶瓷板，优选采用碳化硅材质多孔板；多孔或网状金属或陶瓷板与陶瓷纤维燃烧介质之间保留空隙。
根据本发明实施例，所述陶瓷纤维燃烧介质优选采用碳化硅材质。
根据本发明实施例，所述陶瓷纤维燃烧介质外部设置保护外壳。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于提供了燃气红外加热燃烧系统，能够取得下列有益效果。
将陶瓷纤维用层铺工艺制作为纤维毡，这种毡就具备各向异性的导热特性：平面方向导热系数大，工作时介质表面温度均匀，而同时厚度方向导热系数小，从而提升抗回火性能。
多孔陶瓷纤维毡制作方法可参考中国专利文献CN105347836A，CN105967713A的说明。
将陶瓷纤维用层铺工艺制作为纤维毡，这种毡就具备各向异性的导热特性：平面方向导热系数大，工作时介质表面温度均匀，而同时厚度方向导热系数小，从而提升抗回火性能。
采用具备较高强度的一维材料制作纤维层铺毡，然后采用化学气相沉积或聚合物浸渗裂解的方式进行材料的固化粘结，纤维层铺毡空隙率高，既有高的比表面积，又具备足够的结构稳定性。
附图说明
图1是燃气红外燃烧系统原理图。
图2是燃烧器俯视图。
图3是图2的左视图。
图4是图2的正视图。
图5是多孔板的样图。
其中：1-方钢；2-多孔布风板；3-压板；4-安装板；5-点火针及火探；6-侧边钢管；7-下部钢管；8-陶瓷纤维毡；9-法兰；10-纤维布条；11-底板；12-多孔或网状金属或陶瓷板。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
燃气红外燃烧系统，包括燃烧器，所述燃烧器内设置混合腔，所述混合腔为气密半围合结构，混合腔内设置挡板和多孔布风板，在混合腔开口处放置陶瓷纤维燃烧介质，陶瓷纤维燃烧介质底部承载在多孔布风板上，陶瓷纤维燃烧介质上表面四周用压板压实固定；所述陶瓷纤维燃烧介质为陶瓷纤维毡，所述陶瓷纤维燃烧介质采用专利公告号CN105347836A或者CN105967713A的方法制备。
专利公告号CN105347836A公开了一种陶瓷纤维多孔燃烧介质的制备方法，步骤如下：
步骤 1、制备稳定的陶瓷纤维悬浊液：将陶瓷纤维和聚合物溶液 0.4g：400ml 的比例分散均匀得到稳定的陶瓷纤维悬浊液；
步骤 2、制备陶瓷纤维纸：抽滤陶瓷纤维悬浊液，得到具有自支撑效果的、纤维随机取向的单层陶瓷纤维纸 ；所述单层陶瓷纤维纸厚度为 0.5-0.7mm；
步骤 3、制备层状多孔纤维毡 ：将 4-8 层陶瓷纤维纸进行叠层，施加压力得到厚度为2~5mm 的纤维毡，然后使用热固性粘结剂连接固化，得到陶瓷纤维毡预制体；
步骤4 ：在陶瓷纤维毡预制体骨架上采用化学气象沉积CVD方法或聚合物浸渗裂解PIP方法制备陶瓷相，用以连接步骤 3 制备得到的纤维毡预制体。
所述陶瓷纤维为：SiC 纤维，莫来石纤维或堇青石纤维。
所述陶瓷纤维长度为 4-50mm，直径为 5-17μm。
所述聚合物溶液为：聚乙烯醇 PVA 溶液或羧甲基纤维素 CMC。
专利公告号CN105967713A公开了一种梯度孔隙结构的陶瓷纤维多孔燃烧介质的制备方法，步骤如下：
步骤1：将较短的陶瓷纤维和较长的陶瓷纤维分别在聚合物溶液中进行分散，获得两种陶瓷纤维悬浊液；所述较短的陶瓷纤维为3-7mm；所述较长的陶瓷纤维为10-20mm；所述陶瓷纤维与聚合物溶液的比例为0.4g︰400ml；
步骤2：采用抽滤法分别对两种陶瓷纤维悬浊液制备出两种陶瓷纤维纸，单层陶瓷纤维
纸厚度在0.5-0.7mm之间；
步骤3：将每种陶瓷纤维纸以2-4叠层形成多层陶瓷纤维纸，再将两种多层陶瓷纤维纸
叠加形成层状梯度多孔纤维毡，然后加压得到设计所要求厚度的纤维毡；
步骤4：将纤维毡置于CVD炉中进行化学气相沉积BN界面层和沉积SiC壳层制备陶瓷相；
或将纤维毡置于CVD炉中进行化学气相沉积BN界面层后然后采用聚合物浸渗裂解方法沉积SiC壳层制备陶瓷相。
所述方法以较细的陶瓷纤维取代较短的陶瓷纤维，以较粗的陶瓷纤维取代较长的陶瓷纤维；所述较细的陶瓷纤维为3-5μm；所述较粗的陶瓷纤维为7-14μm。
所述陶瓷纤维为具有抗氧化性能的氧化物纤维或具有钝化能力的非氧化物纤维。
所述陶瓷纤维为具有抗氧化性能的氧化物纤维或具有钝化能力的非氧化物纤维为SiC纤维、Al 2 O 3纤维、莫来石纤维或堇青石纤维。
所述聚合物溶液为聚乙烯醇PVA溶液或羧甲基纤维素CMC。
所述步骤1中，在两种陶瓷纤维的表面包覆一层非离子型表面活化剂。
所述步骤4中的化学气相沉积BN界面层的参数为：在750℃下，BCl 4
和NH 3为反应气，按照1:3的比例通入反应室内，氩气保护气下沉积得到BN界面层。
如图1所示，燃气红外加热燃烧系统，包括燃烧器，燃烧器下部连接预混风机，所述预混风机连接有文丘里管、调节阀组；所述文丘里管、调节阀组内设置螺丝，用于手动调节空燃比；燃烧器配有燃烧控制器，用于控制点火，预混风机及调节阀组协同工作。
如图2-5所示，燃烧器内设置混合腔，所述混合腔为气密半围合结构，混合腔内设置挡板和多孔布风板2，在混合腔开口处放置陶瓷纤维燃烧介质，陶瓷纤维燃烧介质底部承载在多孔布风板2上，陶瓷纤维燃烧介质上表面四周用压板3压实固定；所述陶瓷纤维燃烧介质为陶瓷纤维毡8；燃烧器上安装有点火针及火探5；燃烧器外壳为方钢1，方钢1四周设有侧边钢管6，方钢1上设有安装板4，燃烧器中间设置下部钢管7；多孔布风板2与压板3之间设置有轻质隔热材料；轻质隔热材料为纤维布条10，陶瓷纤维燃烧介质外部增加多孔或网状金属或陶瓷板12，优选采用碳化硅材质多孔板；多孔或网状金属或陶瓷板12与陶瓷纤维燃烧介质之间保留空隙；燃烧器底板11与下部钢管采用法兰9连接。
实施例1。
煤气经调节阀组进入文丘里管侧进口，助燃空气由文丘里管中心口进入，在文丘里管汇合后，进入预混风机，由预混风机主动增压供风，混合气经联接管进入燃烧器混合腔，混合腔为气密半围合结构，腔内内设置挡板和多孔布风板2，使混合气尽可能均匀的进入并透过多孔陶瓷纤维燃烧介质。陶瓷纤维燃烧介质放置混合腔开口处，底部承载在多孔布风板2上，介质上表面四周用金属压板3压实固定。
为减少多孔陶瓷纤维燃烧介质向其他构件传递热量，陶瓷纤维燃烧介质与压板3和多孔布风板2之间设置有轻质隔热材料。
燃烧器安装有离子点火和火焰探测装置，调节阀组集成了安全控制和空燃比调节功能，安装有空燃比手动调节螺丝，文丘里管也安装有空燃比手动调节螺丝，预混风机具备连续转速调整功能，采用有防爆设计，在风机转速变化时，文丘里管能自动维持空燃比稳定。
燃烧器配有燃烧控制器，工作时由燃烧控制器控制点火系统，风机及调节阀协同工作，控制器具备就地操作和远程控制功能。
为了防止燃烧器外壳温度超温，造成预混室回火，燃烧器需设计冷却装置，如外壳采用夹层结构，夹层内通冷却气体。
依据功率调节状态，燃烧装置工作时燃烧介质处呈现红外状态（燃烧在表层介质中进行）、蓝焰状态（介质表面呈现蓝色短火焰），依据空燃比调节状态，还可呈现黄焰状态（二次空气参与后续燃烧）。
实施例1设计的燃气红外加热燃烧系统具备如下优势。
陶瓷纤维介质具备能耐受高温腐蚀和热冲击特性，相比其他方案（如金属纤维毡）使用寿命长。
陶瓷纤维黑度系数高，具有很强的红外辐射能力；这种红外辐射波谱与水等物质吸收波谱高度匹配，因此燃烧加热装置热效率高。
由于采用陶瓷纤维多孔燃烧介质，很好的避免了低功率回火和高功率回火问题，燃烧系统具备较宽的调节比，表面功率负荷在100kw/m2~3000kw/m2间可调，介质表面温度500~1200℃。
燃烧器火焰温度均匀，燃烧过程迅速完成，因此污染物排放极低，在接近理论空燃比情况CO2及NOX排放均可达到20PPM，远低于国家标准要求，燃烧噪音得到有效抑制。
燃烧介质膨胀系数接近于零，工作时不会产生形状变化，适合设计成大面积红外加热装置。
燃烧介质空隙率高，比重轻，阻损小，热惯性小，适应灵活的智能控制要求，可以随启随停，脉冲加热。
实施例2。
在实施例1方案上陶瓷纤维燃烧介质外再增加多孔或网状金属或陶瓷板12，优选采用碳化硅材质多孔板，多孔或网状金属或陶瓷板12与陶瓷纤维燃烧介质之间保留一定空隙。增加的空隙和多孔板，使穿过陶瓷纤维毡8但还未完全燃烧的预混气，在狭窄空间内快速完成燃烧过程，然后高温烟气沿多孔板开孔高速喷出。
采用实施例2方案可提升燃烧装置表面热负荷，对高温烟气流动进行再组织，在提升燃烧装置辐射传热能力基础上，进一步提升高温烟气对流传热能力。可用于实现对工件的高速冲击加热，比如钢板。
采用陶瓷纤维毡8的预混燃烧系统形式多样，可以采用动力供风装置，也可以是无动力供风装置，可以是全预混，也可是半预混，可以是风机前预混也可是风机后预混。为提升材料使用寿命，视具体应用条件可在空煤气管道加装净化处理装置，也可在介质材料外加装保护外壳；视具体应用条件也可在介质材料上开阵列穿透孔。燃烧介质可以是平面形状，圆柱形状或球形等。上述应用方式均在本发明保护范围内。
Claims (10)
1.燃气红外燃烧系统，包括燃烧器，其特征在于，所述燃烧器内设置混合腔，所述混合腔为气密半围合结构，混合腔内设置挡板和多孔布风板，在混合腔开口处放置陶瓷纤维燃烧介质，陶瓷纤维燃烧介质底部承载在多孔布风板上，陶瓷纤维燃烧介质上表面四周用压板压实固定；所述陶瓷纤维燃烧介质为陶瓷纤维毡，所述陶瓷纤维燃烧介质采用专利公告号CN105347836A或者CN105967713A的方法制备。
2.根据权利要求1所述的燃气红外燃烧系统，其特征在于，所述陶瓷纤维毡是平面形状，圆柱形状或球形；所述陶瓷纤维毡上开阵列穿透孔。
3.根据权利要求1所述的燃气红外燃烧系统，其特征在于，所述燃烧器上安装有点火针及火探。
4.根据权利要求1所述的燃气红外燃烧系统，其特征在于，所述燃烧器下部连接预混风机，所述预混风机连接有文丘里管、调节阀组；所述文丘里管、调节阀组内设置螺丝，用于手动调节空燃比。
5.根据权利要求1-4任一项所述的燃气红外燃烧系统，其特征在于，所述燃烧器配有燃烧控制器，用于控制点火，预混风机及调节阀组协同工作。
6.根据权利要求1所述的燃气红外燃烧系统，其特征在于，所述燃烧器包括外壳，所述外壳采用夹层结构，夹层内通冷却气体。
7.根据权利要求1所述的燃气红外燃烧系统，其特征在于，所述多孔布风板与压板之间设置有轻质隔热材料。
8.根据权利要求1所述的燃气红外燃烧系统，其特征在于，所述陶瓷纤维燃烧介质外部增加多孔或网状金属或陶瓷板，优选采用碳化硅材质多孔板；多孔或网状金属或陶瓷板与陶瓷纤维燃烧介质之间保留空隙。
9.根据权利要求1所述的燃气红外燃烧系统，其特征在于，所述陶瓷纤维燃烧介质优先采用碳化硅材质。
10.根据权利要求1所述的燃气红外燃烧系统，其特征在于，所述陶瓷纤维燃烧介质外部设置保护外壳。
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