CN109915829B - 一种带稳焰盘结构的低浓度瓦斯脉动燃烧器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带稳焰盘结构的低浓度瓦斯脉动燃烧器，包括柱状的瓦斯分流壳体，所述瓦斯分流壳体的一侧设置有五个稳焰器，五所述稳焰器沿所述瓦斯分流壳体的轴线等距阵列分布；本发明加入了稳焰器结构，在燃烧室中产生双回流区，增强了着火期间的火焰稳定性，拓宽了进入燃烧器内的燃气流速上限，在该优化设计方案下可以获得较优的速度场，流量均匀性，燃烧稳定性得到加强；与此同时在本方案中还增加了加浓的结构，解决了浓度过低无法连续燃烧的问题。
Description
技术领域
本发明属于瓦斯燃烧领域。
背景技术
我国煤炭资源虽然非常丰富，但是煤层有相当一部分处于高瓦斯或瓦斯突出煤层，约为48％，直接导致我国瓦斯资源的储量也十分丰富，我国的煤矿瓦斯抽采来看，大多瓦斯抽采混入空气较多且形式单一，抽采量的忽高忽低，导致抽采过程中大多是浓度在8％左右的低浓度瓦斯，占比抽采总量70％以上甚至更多，这部分瓦斯浓度比较低，使用常规的燃烧方式很难以维持其稳定燃烧，同时该浓度亦处于瓦斯爆炸的浓度，如果不能被合理利用那么只能排入大气，否则会造成安全隐患，因此大量处于该浓度的瓦斯被抽出来后一般都是对空排放，在2006年曾报道，我国有36万亿立方米的瓦斯储量，其含量基本是陆上天然气的储量，而据不完全统计我国每年的煤炭开采都要空排约150亿立方米的瓦斯，不仅造成了严重的潜力能源浪费，还对环境造成污染。
众所周知瓦斯的主要成分甲烷，是一种严重的温室气体，其温室效应与CO2相比，是它的24.6倍，对破坏大气臭氧层的能力更是CO2的7倍。因此每年矿井大量的低浓度瓦斯因无法利用而对空排放，不仅是对有限的不可再生的化石能源的严重浪费，同时还导致了温室效应及环境污染加剧。瓦斯其燃烧热值在35000～39000kJ/m3之间，在成为温室气体的同时还扮演着优质能源的角色，，堪比常规天然气，可以作为能源化工过程的原料。
但是低浓度瓦斯顾名思义可供燃烧的成分极低，燃烧过程中所产生的热量远小于往环境中的散热量，持续燃烧非常困难，因此不能采用常规的燃烧装置来进行燃烧，因此对于处在该浓度的低浓度瓦斯必须采用特殊的燃烧方式及相应的燃烧器。
脉动燃烧作为一种特殊的燃烧方式，既非爆燃也非正常燃烧而是介于其中间。给予其一定条件的激励，使其产生的声学脉动与燃烧过程中产生的热脉动达到一定的声热耦合，便可以产生周期性的脉动燃烧。燃烧过程中压力、温度以及热释放率等表征燃烧特性的状态参数随时间做周期性的变化，具有高燃烧效率、较大传热系数、较小污染排放量、可以自吸增压的优点，利用脉动燃烧技术可以有效处理低浓度瓦斯的燃烧；
由于瓦斯源的浓度并非稳定值，从主管压入燃烧室中的低浓度瓦斯可能存在甲烷浓度过低的问题，即使在燃烧室脉动供气的情形下，燃烧室中也存在无法顺利点燃，或是无法保持多个脉动周期燃烧的连续性。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种燃烧稳定性更好的一种带稳焰盘结构的低浓度瓦斯脉动燃烧器。
技术方案：为实现上述目的，本发明的一种带稳焰盘结构的低浓度瓦斯脉动燃烧器，包括柱状的瓦斯分流壳体，所述瓦斯分流壳体的一侧设置有五个稳焰器，五所述稳焰器沿所述瓦斯分流壳体的轴线等距阵列分布；
各所述稳焰器呈圆锥壳体结构，各所述稳焰器的圆锥壳体轴线与所述瓦斯分流壳体轴线垂直，各所述稳焰器的圆锥壳体内部为稳焰锥腔，所述稳焰锥腔的粗端至少通过七个均布的瓦斯导气孔连通所述瓦斯分流壳体内部的瓦斯分流腔；所述稳焰锥腔的细端设同轴心设置有瓦斯喷出口；
还包括五个瓦斯燃烧器，五所述瓦斯燃烧器分别同轴心对应五所述稳焰器，所述瓦斯燃烧器为柱状筒体结构，所述瓦斯燃烧器的内腔为柱状燃烧室，各所述稳焰器的瓦斯喷出口同轴心连通所对应瓦斯燃烧器的燃烧室的瓦斯进气端；各所述燃烧室远离所述稳焰器的一端连接有排气直管；
所述瓦斯分流壳体远离所述稳焰器的一端还包括低浓度瓦斯脉动供给管，所述低浓度瓦斯脉动供给管的出气端连通所述瓦斯分流壳体内部的瓦斯分流腔。
进一步的，所述瓦斯燃烧器的外侧一体化设置有环状的甲烷加浓箱体，所述环状甲烷加浓箱体内为环状的纯甲烷蓄压腔；所述纯甲烷蓄压腔与所述燃烧室之间还同轴心设置有环状的甲烷加浓空腔层；所述纯甲烷蓄压腔与所述甲烷加浓空腔层之间由第一环壁分隔，所述甲烷加浓空腔层与所述燃烧室之间有第二环壁分隔；所述第二环壁的两侧沿轴线呈圆周阵列均布有若干甲烷加浓孔，各所述甲烷加浓孔将所述甲烷加浓空腔层与所述燃烧室之间相互连通；所述第一环壁上呈圆周阵列分布有若干第一导气通道，各所述第一导气通道的内端均连通所述甲烷加浓空腔层，所述纯甲烷蓄压腔内还包括旋转配气环体，所述旋转配气环体转动套接在所述第一环壁外侧，所述旋转配气环体的内圈中部一体化同轴心设置有环形凸缘，所述环形凸缘的内壁封堵各所述第一导气通道的外端，所述环形凸缘上呈圆周阵列分布有若干第二导气通道，各所述第二导气通道的外端均连通所述纯甲烷蓄压腔，各所述第二导气通道的内端能随环形凸缘同步旋转至分别对齐连通若干第一导气通道的外端；还包括纯甲烷增压供给管，所述纯甲烷增压供给管的出气端连通所述纯甲烷蓄压腔；所述旋转配气环体的外圈设置有一圈齿体，所述纯甲烷蓄压腔还固定安装有电机，所述电机的输出轴上同步连接有输出齿轮，所述输出齿轮与所述旋转配气环体上的一圈齿体啮合连接。
有益效果：本发明加入了稳焰器结构，在燃烧室中产生双回流区，增强了着火期间的火焰稳定性，拓宽了进入燃烧器内的燃气流速上限，在该优化设计方案下可以获得较优的速度场，流量均匀性，燃烧稳定性得到加强；与此同时在本方案中还增加了加浓的结构，解决了浓度过低无法连续燃烧的问题。
附图说明
附图1为带稳焰器的燃烧器组合结构；
附图2为还未加装甲烷加浓箱体时的燃烧器剖开结构示意图；
附图3为带稳焰器的燃烧器组合结构的CFD分析速度云图；
附图4为瓦斯燃烧器的CFD分析局部矢量速度云图；
附图5为在燃烧器上加装甲烷加浓箱体后的结构示意图；
附图6为附图4的第一立体剖视图；
附图7为附图4的第二立体剖视图；
附图8为附图4的第三立体剖视图；
附图9为旋转配气环体结构示意图；
附图10为尾管温度随流量变化曲线图；
附图11为参考组不同流量下各尾管温度折线图；
附图12优化组不同流量下各尾管温度折线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如附图1至9所示的一种带稳焰盘结构的低浓度瓦斯脉动燃烧器，包括柱状的瓦斯分流壳体74，所述瓦斯分流壳体74的一侧设置有五个稳焰器89，五所述稳焰器89沿所述瓦斯分流壳体74的轴线等距阵列分布；
各所述稳焰器89呈圆锥壳体结构，各所述稳焰器89的圆锥壳体轴线与所述瓦斯分流壳体74轴线垂直，各所述稳焰器89的圆锥壳体内部为稳焰锥腔72，所述稳焰锥腔72的粗端至少通过七个均布的瓦斯导气孔75连通所述瓦斯分流壳体74内部的瓦斯分流腔71；所述稳焰锥腔72的细端设同轴心设置有瓦斯喷出口73；
还包括五个瓦斯燃烧器10，五所述瓦斯燃烧器10分别同轴心对应五所述稳焰器89，所述瓦斯燃烧器10为柱状筒体结构，所述瓦斯燃烧器10的内腔为柱状燃烧室12，各所述稳焰器89的瓦斯喷出口73同轴心连通所对应瓦斯燃烧器10的燃烧室12的瓦斯进气端；各所述燃烧室12远离所述稳焰器89的一端连接有排气直管20；
所述瓦斯分流壳体74远离所述稳焰器89的一端还包括低浓度瓦斯脉动供给管81，所述低浓度瓦斯脉动供给管81的出气端连通所述瓦斯分流壳体74内部的瓦斯分流腔71。
所述瓦斯燃烧器10的外侧一体化设置有环状的甲烷加浓箱体18，所述环状甲烷加浓箱体18内为环状的纯甲烷蓄压腔2；所述纯甲烷蓄压腔2与所述燃烧室12之间还同轴心设置有环状的甲烷加浓空腔层7；所述纯甲烷蓄压腔2与所述甲烷加浓空腔层7之间由第一环壁1分隔，所述甲烷加浓空腔层7与所述燃烧室12之间有第二环壁9分隔；所述第二环壁9的两侧沿轴线呈圆周阵列均布有若干甲烷加浓孔11，各所述甲烷加浓孔11将所述甲烷加浓空腔层7与所述燃烧室12之间相互连通；所述第一环壁1上呈圆周阵列分布有若干第一导气通道14，各所述第一导气通道14的内端均连通所述甲烷加浓空腔层7，所述纯甲烷蓄压腔2内还包括旋转配气环体6，所述旋转配气环体6转动套接在所述第一环壁1外侧，所述旋转配气环体6的内圈中部一体化同轴心设置有环形凸缘21，所述环形凸缘21的内壁封堵各所述第一导气通道14的外端，所述环形凸缘21上呈圆周阵列分布有若干第二导气通道17，各所述第二导气通道17的外端均连通所述纯甲烷蓄压腔2，各所述第二导气通道17的内端能随环形凸缘21同步旋转至分别对齐连通若干第一导气通道14的外端；还包括纯甲烷增压供给管8，所述纯甲烷增压供给管8的出气端连通所述纯甲烷蓄压腔2；各所述第一导气通道14内均设置有防止气体反流的单向阀13，所述单向阀13能防止甲烷加浓空腔层7内的气体通过第一导气通道14反流至纯甲烷蓄压腔2内；所述旋转配气环体6内圈的环形凸缘21两侧还对称转动安装有两轴承16；所述旋转配气环体6的外圈设置有一圈齿体25，所述纯甲烷蓄压腔2还固定安装有电机5，所述电机5的输出轴4上同步连接有输出齿轮3，所述输出齿轮3与所述旋转配气环体6上的一圈齿体25啮合连接，所述电机5通过输出齿轮3带动所述旋转配气环体6沿轴线旋转。
低浓度瓦斯脉动燃烧实验
实验原理
根据本实施例所提供的稳焰器结构，在瓦斯甲烷浓度正常，不用考虑额外加浓结构的情况下，探究其实际的流量的均匀性。当各燃烧器流量稳定，且流场分布均匀，则稳定燃烧后，各燃烧器10的排气直管20温度可稳定。考虑到排气直管20在运行时温度过高不适合安装流量计直接测其流量，而排气直管20温度却可以通过热电偶轻松测得，因此本次试验不采用直接测量方法，而是通过测定其排气直管20温度间接体现流量情况，即通过各燃烧器排气直管20温度的差异来检验优化设计的正确性。
本次试验同时开启两组燃烧器，一组为未优化即参考组燃烧器(不增加稳焰器89)的情形，一组为优化后组燃烧器。使其均在4组不同流量下完成各个排气直管20温度的测定，实验完毕后记录数据；
下表为低浓度瓦斯脉动供给管81进气流量0.021m3/s参考组及优化组排气直管温度情况
下表为低浓度瓦斯脉动供给管81进气流量0.024m3/s参考组及优化组排气直管温度情况
下表为浓度瓦斯脉动供给管81进气流量0.031m3/s参考组及优化组排气直管温度情况
下表为低浓度瓦斯脉动供给管81进气流量0.039m3/s参考组及优化组排气直管温度情况
以优化组一号尾管为例绘制尾管温度随流量变化的曲线图如图10所示，同时了绘制参考组及优化组五根尾管在四种流量情况下的平均温度折线图如图11、12所示。由曲线图10我们可以得到两个结论，首先可以较为直观的看出，随着进气流量的增大尾管温度会在一定流量区间内急剧增加后变化平缓，原因是，流量增加其热负荷相应增加，与此同时燃烧器中的脉动幅度与强度都会得到强化，这种强化会抑制层流边界层的形成从而在其壁面处产生许多大小涡旋，从而增强动量、热量和质量的传递。但是流量的增加并不会无限制的增强其换热效果，因为流量增加势必导致其进口流速增加，当流速达到其脱火的极限速度时，便会发生脱火现象，一旦脱火燃烧则不能继续。直接体现则是尾管温度的急剧下降。在得到流量与尾管温度关系的基础上，我们可以间接得到第二条结论：一组燃烧器的各个尾管的流量不同，其温度不同；从附图11、12所示参考组及优化组各个尾管的平均温度折线图可以看出，基本可以做到温度的均匀，各管误差范围在20℃以内，在工程上是可以接受的。间接说明各个排气直管20的流量是基本均匀的，流场分布近似。而分析误差产生的原因一：从第三章模拟的各出口流量结果可看出，该开孔尺寸并不能保证各个尾管的流量绝对相等，仍存在流量上的偏差。二是实际工程改造过程中由于做工的精细度欠缺加大了开孔尺寸的偏差进而导致流量的偏差；
采用CFD数值模拟方法对燃烧器的结构合理性和技术进步进行验证：
使用用ANSYS Fluent16.0完成该网格下的数值模拟，首先检验网格，确保其网格面积和体积没有负值的存在，不考虑重力影响。
在模型中，设置流动过程为基于压力的稳态流动，同时由于我们主要关心低浓度瓦斯的流动状况，因此假定流体为CH4和空气的混合气，采用多组分模型数值计算其在燃烧器管道中的流场分布情况。
模型设置：能量方程、标准湍流方程、组分输运方程；
材料设置：流体为methane-air、固体壁面为默认aluminum；
边界条件设置：入口边界条件：速度入口，设定低浓度瓦斯脉动供给管81的供给速度为1.5m/s；出口边界条件：排气直管20出口为大气压力出口；湍流指标：湍流强度+水力直径；
温度：300K；
组分：4.1％CH4、19.64％O2、2.82％CO2、73.44％N2；
求解方法：SIMPLE单精度，梯度基于网格采用最小二乘法，压力采用二阶迎风，动量采用一阶迎风，湍流动能采用一阶迎风，湍流耗散率采用一阶迎风；
残差监视：所有参数收敛精度设置为0.001；
迭代步长：1000；
初始化，运算过程中，在第324步时，各项指标均收敛至设定精度；
模拟结束后得到的燃烧器组合整体速度云图如附图3，由速度云图可以看出增加稳焰器89的结构方式能获得较好的速度场，在附图4为瓦斯燃烧器的CFD分析局部矢量速度云图中可以看出，燃烧室12中产生双回流区，燃烧器局部速度矢量图可以明显看出其流场内有两个近乎对称的回流区，该对称双回流区的产生增强了瓦斯燃烧，并在期间新增了以下过程和现象：随着燃烧的进行高温烟气不断产生，同时伴随着回流现象被卷吸到火焰根部，与新进燃气进行热量传递。这意味着在燃烧器根部又新增了一个热源，对于瓦斯的持续燃烧有着重要意义；特别是在初点火时期，回流区的作用将更加明显；高温烟气从开始回流到燃烧器根部，其流速将越来越大，在这期间被回流的烟气与主流中的介质相混合，进行高效的动量传输，促使在回流区的新旧燃气相互交换混合，从而进一步使得燃烧室内部的温度分布更加均匀；部分随着高温烟气回流到燃烧室根部的未燃尽的燃气，会和新进燃气一起在根部被重新燃烧，对于气体的完全燃烧有重要作用。总而言之回流区的综合作用是，使燃烧器中瓦斯稳定而完全的燃烧，促进燃烧室内温度均匀、热加工质量高；增强了每个脉动周期时着火期间的火焰稳定性，拓宽了进入燃烧器10内的燃气流速上限；
本方案的燃烧室加浓甲烷的方法、过程以及技术进步整理如下：
瓦斯源为包含CH4、O2、N2、CO2的混合气体，其中O2的浓度足够CH4的燃烧反应：
瓦斯源中CH4浓度超过4％时，不用对燃烧室22进行CH4加浓；此时纯甲烷增压供给管8不向纯甲烷蓄压腔2内供给纯甲烷即可；此时单向阀13能防止甲烷加浓空腔层7内的气体通过若干第一导气通道14反流至纯甲烷蓄压腔2内；然后在瓦斯泵的作用下将瓦斯通过低浓度瓦斯脉动供给管81呈脉动周期的形式连续向瓦斯分流壳体74内供给瓦斯；进而使瓦斯分流腔71的内部形成连续的脉动气压，进而瓦斯分流腔71内的瓦斯通过若干稳焰器89上的瓦斯喷出口73呈脉动周期的向燃烧室12内喷射瓦斯气体；燃烧室12内的瓦斯经点火装置点燃后，燃烧室12内形成连续的脉动火焰，进而燃烧室12内因燃烧产生的高温尾气持续通过排气直管20以尾焰的形式喷出，进而各个排气直管20所喷出的尾焰对用热设备进行加热；进而实现了对瓦斯的利用；
当瓦斯源中CH4浓度小于4％时，在瓦斯泵的作用下将瓦斯通过低浓度瓦斯脉动供给管81呈脉动周期的形式连续向瓦斯分流壳体74内供给瓦斯；进而使瓦斯分流腔71的内部形成连续的脉动气压，进而瓦斯分流腔71内的瓦斯通过若干稳焰器89上的瓦斯喷出口73呈脉动周期的向燃烧室12内喷射瓦斯气体；由于通过若干稳焰器89上的瓦斯喷出口73喷出的瓦斯气体中CH4浓度小于4％，燃烧室12中无法顺利点燃或是无法保持多个脉动周期燃烧的连续性，需要对燃烧室12进行CH4加浓；此时纯甲烷增压供给管8将纯甲烷压入纯甲烷蓄压腔2内，并且纯甲烷增压供给管8持续维持纯甲烷蓄压腔2内的气压，且保证纯甲烷蓄压腔2内的气压始终大于燃烧室12内的气压，此时启动电机5，进而电机5通过输出齿轮3带动所述旋转配气环体6沿轴线旋转，进而环形凸缘21随旋转配气环体6同步旋转，环形凸缘21的呈周期性旋转使各第二导气通道17的内端呈周期性的旋转至对齐连通若干第一导气通道14的外端，进而使纯甲烷蓄压腔2与甲烷加浓空腔层7之间呈周期性的相互连通，进而使纯甲烷蓄压腔2内的甲烷通过若干第一导气通道14呈周期性的向甲烷加浓空腔层7内压入射纯CH4，进而使甲烷加浓空腔层7内形成纯CH4脉动气压，进而甲烷加浓空腔层7内的CH4脉动气体通过若干甲烷加浓孔11呈脉动周期性的向燃烧室12内压入纯CH4，通过控制电机5的输出齿轮3转速，进而控制旋转配气环体6，使纯甲烷蓄压腔2与甲烷加浓空腔层7之间呈周期性的相互连通周期和步调与稳焰器89向燃烧室12内喷射瓦斯气体的周期和步调一致；进而实现对燃烧室12内每个脉动燃烧周期都进行了燃气加浓，保证燃烧室12能连续的脉动燃烧；进而燃烧室12内因燃烧产生的高温尾气持续通过排气直管20以尾焰的形式喷出，进而各个排气直管20所喷出的尾焰对用热设备进行加热；进而实现了对瓦斯的利用；与此同时甲烷加浓空腔层7内的纯甲烷气体能通过第二环壁9吸收燃烧室12内燃烧后产生的热量，进而使若干甲烷加浓孔11向燃烧室12内喷射的是已经预热的纯CH4，进而有效提高燃烧室12内的燃烧效率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种带稳焰盘结构的低浓度瓦斯脉动燃烧器，其特征在于：包括柱状的瓦斯分流壳体（74），所述瓦斯分流壳体（74）的一侧设置有五个稳焰器（89），五所述稳焰器（89）沿所述瓦斯分流壳体（74）的轴线等距阵列分布；
各所述稳焰器（89）呈圆锥壳体结构，各所述稳焰器（89）的圆锥壳体轴线与所述瓦斯分流壳体（74）轴线垂直，各所述稳焰器（89）的圆锥壳体内部为稳焰锥腔（72），所述稳焰锥腔（72）的粗端至少通过七个均布的瓦斯导气孔（75）连通所述瓦斯分流壳体（74）内部的瓦斯分流腔（71）；所述稳焰锥腔（72）的细端设同轴心设置有瓦斯喷出口（73）；
还包括五个瓦斯燃烧器（10），五个所述瓦斯燃烧器（10）分别同轴心对应五个所述稳焰器（89），所述瓦斯燃烧器（10）为柱状筒体结构，所述瓦斯燃烧器（10）的内腔为柱状燃烧室（12），各所述稳焰器（89）的瓦斯喷出口（73）同轴心连通所对应瓦斯燃烧器（10）的燃烧室（12）的瓦斯进气端；各所述燃烧室（12）远离所述稳焰器（89）的一端连接有排气直管（20）；
所述瓦斯分流壳体（74）远离所述稳焰器（89）的一端还包括低浓度瓦斯脉动供给管（81），所述低浓度瓦斯脉动供给管（81）的出气端连通所述瓦斯分流壳体（74）内部的瓦斯分流腔（71）；
所述瓦斯燃烧器（10）的外侧一体化设置有环状的甲烷加浓箱体（18），所述环状甲烷加浓箱体（18）内为环状的纯甲烷蓄压腔（2）；所述纯甲烷蓄压腔（2）与所述燃烧室（12）之间还同轴心设置有环状的甲烷加浓空腔层（7）；所述纯甲烷蓄压腔（2）与所述甲烷加浓空腔层（7）之间由第一环壁（1）分隔，所述甲烷加浓空腔层（7）与所述燃烧室（12）之间有第二环壁（9）分隔；所述第二环壁（9）的两侧沿轴线呈圆周阵列均布有若干甲烷加浓孔（11），各所述甲烷加浓孔（11）将所述甲烷加浓空腔层（7）与所述燃烧室（12）之间相互连通；所述第一环壁（1）上呈圆周阵列分布有若干第一导气通道（14），各所述第一导气通道（14）的内端均连通所述甲烷加浓空腔层（7），所述纯甲烷蓄压腔（2）内还包括旋转配气环体（6），所述旋转配气环体（6）转动套接在所述第一环壁（1）外侧，所述旋转配气环体（6）的内圈中部一体化同轴心设置有环形凸缘（21），所述环形凸缘（21）的内壁封堵各所述第一导气通道（14）的外端，所述环形凸缘（21）上呈圆周阵列分布有若干第二导气通道（17），各所述第二导气通道（17）的外端均连通所述纯甲烷蓄压腔（2），各所述第二导气通道（17）的内端能随环形凸缘（21）同步旋转至分别对齐连通若干第一导气通道（14）的外端；所述旋转配气环体（6）的外圈设置有一圈齿体（25），所述纯甲烷蓄压腔（2）还固定安装有电机（5），所述电机（5）的输出轴（4）上同步连接有输出齿轮（3），所述输出齿轮（3）与所述旋转配气环体（6）上的一圈齿体（25）啮合连接。
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