CN110529845B - 一种直接燃烧液体燃料的涡流管状火焰燃烧器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种直接燃烧液体燃料的涡流管状火焰燃烧器，包括一端敞开的圆柱管状的燃烧器本体，在燃烧器本体封闭端侧，朝向燃烧器本体的内壁面的切线方向设置有气体燃料进口与空气进口，还包括同心设置在燃烧器本体的中心的液体燃料蒸发管，液体燃料蒸发管为具有内壁和外壁的空心管，液体燃料蒸发管位于燃烧器本体敞开端的一端设置有供液管、冷却空气管、热空气管，液体燃料蒸发管朝向燃烧器本体封闭端的一端设置有与液体燃料通道连通的喷头。本发明可以直接燃用液体燃料，在高效汽化液体燃料的同时能形成较低温度的管状火焰，降低NOx的排放。

Description

一种直接燃烧液体燃料的涡流管状火焰燃烧器
技术领域
本发明涉及一种直接燃烧液体燃料的涡流管状火焰燃烧器。
背景技术
涡流管状火焰燃烧器是一种结构简单、高效低污染燃烧技术，在工业加热、高性能发动机燃烧方式改进、低热值燃气利用和可燃废气快速处理方面有着广泛的用途。管状火焰燃烧技术具体特点表现在：一、结构简单，燃烧室主体为直圆管型，没有常规燃烧器通有的突扩段和空气进气旋流器，压力损失小；二、热损失低与寿命长，已燃高温气体分布在管中轴线附近，未燃低温气体分布在外围，燃烧器壁面温度低，可明显降低热损失和防止燃烧器壁面烧蚀；三、燃烧稳定性好与可燃极限范围宽，高速旋转产生的离心力以及已燃气与未燃气之间大的密度差会促使流场的层流化，从而能降低燃烧不稳定性，有效扩展热负荷可调范围，进一步延长燃烧器使用寿命；四、氮氧化物NOx排放低，管状火焰燃烧器的火焰面很薄，氮气在高温火焰面的停留时间很短，从而有效降低了尾气中NOx的排放。
管状火焰燃烧组织通常可分为预混进气和快速混合两种方式。预混进气方式能快速形成管状火焰，但安全性差，有进气口回火风险。非预混进气方式可以有效避免回火带来的不安全问题，快速混合是非预混进气方式组织管状火焰的典型技术，但在考虑到不同燃料与当量比之间的协同时，原有的双缝对角等长的非预混快速混合方式显示出越来越明显的弊端。快速混合燃烧，首先要在燃烧器中轴线附近形成均匀预混气，然后管状火焰在预混气区域形成，因此混合质量会较大程度的影响管状火焰的建立。
无论是预混进气燃烧还是快速混合燃烧，管状火焰面均是建立在预混气区域，燃烧气体燃料时容易建立管状火焰，但燃用液体燃料时，会面临新的问题。当雾化的液体燃料喷射进管状火焰燃烧器以后，燃料液滴所承受的强大离心力会强迫液滴向壁面移动，进而发生分离附壁现象，同时，管状火焰外围又是冷态未燃气区域，会进一步抑制分离附壁燃料液滴的二次蒸发，进而燃烧器出口会发生喷液现象，阻碍管状火焰建立并使燃尽率明显降低。
发明内容
针对涡流管状火焰燃烧器直接燃用液体燃料存在的问题，本发明提出了一种新型的涡流管状火焰燃烧技术，可以直接燃用液体燃料，该燃烧技术在高效汽化液体燃料的同时能形成较低温度的管状火焰，可达到直接燃烧液体燃料并降低NOx排放的目的。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种直接燃烧液体燃料的涡流管状火焰燃烧器，包括一端敞开的圆柱管状的燃烧器本体，在燃烧器本体封闭端侧，朝向燃烧器本体的内壁面的切线方向设置有吹入气体燃料的气体燃料进口与吹入空气的空气进口，还包括同心设置在燃烧器本体的中心的液体燃料蒸发管，液体燃料蒸发管为具有内壁和外壁的空心管，内壁构成液体燃料通道，内壁与外壁之间的空腔构成冷却空气通道，液体燃料蒸发管位于燃烧器本体敞开端的一端设置有向液体燃料通道提供液体燃料的供液管、向冷却空气通道提供冷却空气的冷却空气管、以及用于将冷却空气通道内的热空气导出的热空气管，液体燃料蒸发管朝向燃烧器本体封闭端的一端设置有与液体燃料通道连通的喷头。
作为本发明的一种改进，所述的气体燃料进口和空气进口沿燃烧器本体轴向并排布置，且气体燃料进口靠近燃烧器本体封闭端，相邻的气体燃料进口和空气进口构成一组进料通道，该进料通道至少两个，且沿燃烧器本体周向均匀分布。
作为本发明的一种改进，所述的供液管、冷却空气管和热空气管均螺纹连接在液体燃料蒸发管上。
作为本发明的一种改进，所述的冷却空气管插入冷却空气通道一段距离。
作为本发明的一种改进，所述的喷头为设置在液体燃料通道出口的渐缩口、直通口或渐扩口。
作为本发明的一种改进，所述的热空气管的出口与燃烧器本体封闭端侧的空气进口相连。
本发明的通过对涡流管状火焰燃烧器的进气、进液方式与其燃烧场组织方式进行新的构建，燃烧器启动采用气体燃料，形成汽化液体燃料所需温度场后切换为液体燃料燃烧，稳定后取消气体燃料供给，直接燃用液体燃料形成管状火焰，能有效抑制燃烧液体燃料时液滴的分离附壁现象，解决了传统涡流管状火焰燃烧器燃烧液体燃料时所存在的问题。
附图说明
图1为本发明的涡流管状燃烧器的正面剖视图一；
图2为图1中A-A向剖视图；
图3为本发明的涡流管状燃烧器的正面剖视图二；示出了燃烧器启动时的燃料流向；
图4为本发明的涡流管状燃烧器的正面剖视图三；示出了燃烧器稳定燃烧时的燃料流向；
图5为本发明的液体燃料蒸发管的正面剖视图；
图6为本发明的液体燃料蒸发管与供液管的连接示意图；
图7为本发明的液体蒸发管的喷头的结构图一；
图8为本发明的液体蒸发管的喷头的结构图二；
图9为本发明的液体蒸发管的喷头的结构图三；
附图标记说明：1-燃烧器本体；2-气体燃料进口；3-空气进口；4-液体燃料蒸发管；5-供液管；6-冷却空气管；7-热空气管；8-内壁；9-外壁；10-喷头。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的一种直接燃烧液体燃料的涡流管状火焰燃烧器，燃烧器启动采用气体燃料，形成汽化液体燃料所需温度场后切换为液体燃料燃烧，稳定后取消气体燃料供给，直接燃用液体燃料形成管状火焰，具体包括：一端敞开的圆柱管状的燃烧器本体1和同心设置在燃烧器本体1中心的液体燃料蒸发管4。
如图1和图2所示，燃烧器主体1为一定壁厚的直圆管，如附图所示，其左端封闭，右端为火焰喷出口。在燃烧器本体1封闭端侧，朝向燃烧器本体1的内壁面的切线方向设置有吹入气体燃料的气体燃料进口2与吹入空气的空气进口3。气体燃料进口2和空气进口3沿燃烧器本体1轴向并排布置，且气体燃料进口2靠近燃烧器本体1封闭端。其中，相邻的气体燃料进口2和空气进口3构成一组进料通道，多组进料通道沿燃烧器本体1周向均匀分布，可以是本实施例的180°两对设置，也可以采用90°四对切向布置。
本发明的这种气体燃料进口在前，空气进口在后的切向进气布置方式，具有以下优点：一、当燃料和空气混合形成的管状火焰面时，处于气体燃料进口下游的空气进口进入高速切向进风，在贫燃状态下所形成的靠外管状旋转气流能够保证壁面附近形成一层纯空气未燃层，起到隔热以及防止火焰面蔓延到壁面的作用，从而保证低的热损失；二、在燃烧器内可形成燃料在内空气在外的旋转双管状分布场，火焰面在燃料与空气管状旋转交界处形成，使得该涡流管状火焰燃烧器在燃烧气体燃料时能形成均匀的管状火焰面，可以避免螺旋状火焰的形成；三、对称设置的多组进料通道，通过设计合理的燃料和空气进气口缝长比例，可以保障燃料和空气进气流速基本一致，有利于管状火焰的形成。
如图5和图6所示，液体燃料蒸发管4为具有内壁8和外壁9的空心管，内壁8形成的内管成为液体燃料通道，内壁8与外壁9两端封闭，形成的空腔构成冷却空气通道。液体燃料蒸发管4位于燃烧器本体1敞开端的一端设置有向液体燃料通道提供液体燃料的供液管5、向冷却空气通道提供冷却空气的冷却空气管6、以及用于将冷却空气通道内的热空气导出的热空气管7，液体燃料蒸发管4朝向燃烧器本体1封闭端的一端设置有与液体燃料通道连通的喷头10。
如此，液体燃料自供液管5逆向注入液体燃料蒸发管4，液体燃料在内壁8围成的液体燃料通道中逆行，吸收燃烧自身产生的热量逐渐汽化。由于高温已燃气的温度能达到1500K以上，此温度直接汽化液体燃料会引起液体燃料的高速汽化微爆飞溅。此外，由于液体燃料在无氧环境下温度达到800K以上容易产生热解，热解组分又进而合成大分子化合物(析碳)，造成管壁积碳堵塞。因此，本发明设计成2层金属管结构，内壁8与外壁9之间通入一定量的冷却空气进行隔热，可有效降低外壁9向内壁8的传热量，进而使内壁8的温度不至过高。考虑到紫铜管为外壁情况下在高温环境中与空气易发生氧化反应生成黑色氧化铜粉末，会对换热以及冷却空气的流通产生不利影影响，故外壁9采用薄壁不锈钢管。而内壁8处在冷却空气伴流中，温度不至过高，故采用导热系数较高的薄壁紫铜管来保证换热。
进一步地，供液管5、冷却空气管6和热空气管7与液体燃料蒸发管4的连接方式为螺纹连接，便于拆卸。冷却空气管6伸入冷却空气通道一定距离，冷空气可以流转整个冷却空气通道，可以保证对内壁8的良好的冷却换热，避免内壁8的壁面温度过高，防止液体燃料遇到高温的飞溅以及热解析碳现象。另外，喷头10包含三种典型结构，第一类为渐缩口，第二类为直通口，第三类为渐扩口，如图7至图9所示。此外，液体燃料蒸发管4预热的高温空气可以通过热空气管7引入到燃烧器本体1封闭端侧的空气进口3，进而提高空气入口的平均温度，强化燃烧。
本发明的涡流管状火焰燃烧器的燃烧过程为：
如图3和图4所示，首先，由燃烧器主体1头部的气体燃料进口2和空气进口3分别注入气体燃料和空气进行燃烧，当燃烧器内部的液体燃料蒸发管4被加热到一定温度时，液体燃料蒸发管4开始缓慢供给液体燃料，高温的液体燃料蒸发管4的内壁8会促使液体燃料的快速蒸发，然后，缓慢降低气体燃料的供气量，直至最后演变成纯液体燃烧。
从上面的描述可以看出，本发明的液体燃料蒸发管设计，具有以下优点：一、可通过控制冷却空气管所通入空气的流量来调节液体燃料蒸发管内壁面温度，进而调节液体燃料的汽化速率。二、内壁和外壁的中空夹层结构，既保证了整个液体燃料蒸发管的良好冷却换热，又可有效避免液体燃料蒸发管内壁面温度过高，防止液体燃料遇到高温的飞溅以及热解析碳现象。三、采用逆向供给液体燃料的方式，一方面液体燃料可吸收燃烧自身产生的热量逐渐汽化，而无需额外提供液体燃料雾化与蒸发装置，具有结构简单特性；另一方面，由于液体燃料蒸发管夹层冷空气的换热，燃烧器形成的管状火焰高温区的温度也会降低，进而降低了NOx的生成量。四、汽化后的液体燃料从液体燃料蒸发管的喷头喷出，而空气进口所形成的旋流伴流可对火焰起到稳定作用，所形成的火焰结构等同于受限空间内的逆向射流火焰，火焰结构可由原来的预混模式演变成扩散火焰，进而对整个燃烧系统的可燃极限以及燃烧稳定性起到明显促进作用。
本发明通过对涡流管状火焰燃烧器的进气、进液方式与其燃烧场组织方式进行新的构建，能有效抑制燃烧液体燃料时液滴的分离附壁现象，可以直接燃用液体燃料，在高效汽化液体燃料的同时能形成较低温度的管状火焰，降低NOx的排放。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种直接燃烧液体燃料的涡流管状火焰燃烧器，包括一端敞开的圆柱管状的燃烧器本体，在燃烧器本体封闭端侧，朝向燃烧器本体的内壁面的切线方向设置有吹入气体燃料的气体燃料进口与吹入空气的空气进口，其特征在于：还包括同心设置在燃烧器本体的中心的液体燃料蒸发管，液体燃料蒸发管为具有内壁和外壁的空心管，内壁构成液体燃料通道，内壁与外壁之间的空腔构成冷却空气通道，液体燃料蒸发管位于燃烧器本体敞开端的一端设置有向液体燃料通道提供液体燃料的供液管、向冷却空气通道提供冷却空气的冷却空气管、以及用于将冷却空气通道内的热空气导出的热空气管，液体燃料蒸发管朝向燃烧器本体封闭端的一端设置有与液体燃料通道连通的喷头。
2.根据权利要求1所述的一种直接燃烧液体燃料的涡流管状火焰燃烧器，其特征在于：所述的气体燃料进口和空气进口沿燃烧器本体轴向并排布置，且气体燃料进口靠近燃烧器本体封闭端，相邻的气体燃料进口和空气进口构成一组进料通道，该进料通道至少两个，且沿燃烧器本体周向均匀分布。
3.根据权利要求1所述的一种直接燃烧液体燃料的涡流管状火焰燃烧器，其特征在于：所述的供液管、冷却空气管和热空气管均螺纹连接在液体燃料蒸发管上。
4.根据权利要求3所述的一种直接燃烧液体燃料的涡流管状火焰燃烧器，其特征在于：所述的冷却空气管插入冷却空气通道一段距离。
5.根据权利要求1所述的一种直接燃烧液体燃料的涡流管状火焰燃烧器，其特征在于：所述的喷头为设置在液体燃料通道出口的渐缩口、直通口或渐扩口。
6.根据权利要求1所述的一种直接燃烧液体燃料的涡流管状火焰燃烧器，其特征在于：所述的热空气管的出口与燃烧器本体封闭端侧的空气进口相连。
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