CN111981481A - 一种自旋混合型燃烧器及其用途 - Google Patents
一种自旋混合型燃烧器及其用途 Download PDFInfo
- Publication number
- CN111981481A CN111981481A CN202010872585.1A CN202010872585A CN111981481A CN 111981481 A CN111981481 A CN 111981481A CN 202010872585 A CN202010872585 A CN 202010872585A CN 111981481 A CN111981481 A CN 111981481A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- inner cavity
- burner
- combustor
- inlet
- spin
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 25
- 239000003546 flue gas Substances 0.000 claims abstract description 25
- 230000009970 fire resistant effect Effects 0.000 claims abstract description 7
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 43
- 239000000446 fuel Substances 0.000 claims description 30
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 claims description 17
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 17
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 12
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 10
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 6
- 239000000779 smoke Substances 0.000 claims description 6
- 239000011344 liquid material Substances 0.000 claims description 2
- 239000011343 solid material Substances 0.000 claims description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 12
- 230000007774 longterm Effects 0.000 abstract description 6
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 abstract description 3
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 30
- 238000013461 design Methods 0.000 description 28
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 14
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 14
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 14
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 10
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 8
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 5
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 4
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 4
- 239000010977 jade Substances 0.000 description 4
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 4
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000002679 ablation Methods 0.000 description 3
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 3
- ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N Chlorine atom Chemical compound [Cl] ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N Hydrogen peroxide Chemical compound OO MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 2
- 239000000460 chlorine Substances 0.000 description 2
- 229910052801 chlorine Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 230000024121 nodulation Effects 0.000 description 2
- VLTRZXGMWDSKGL-UHFFFAOYSA-N perchloric acid Chemical compound OCl(=O)(=O)=O VLTRZXGMWDSKGL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 description 2
- 238000009987 spinning Methods 0.000 description 2
- RNFJDJUURJAICM-UHFFFAOYSA-N 2,2,4,4,6,6-hexaphenoxy-1,3,5-triaza-2$l^{5},4$l^{5},6$l^{5}-triphosphacyclohexa-1,3,5-triene Chemical compound N=1P(OC=2C=CC=CC=2)(OC=2C=CC=CC=2)=NP(OC=2C=CC=CC=2)(OC=2C=CC=CC=2)=NP=1(OC=1C=CC=CC=1)OC1=CC=CC=C1 RNFJDJUURJAICM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RWSOTUBLDIXVET-UHFFFAOYSA-N Dihydrogen sulfide Chemical compound S RWSOTUBLDIXVET-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N Dioxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- CBENFWSGALASAD-UHFFFAOYSA-N Ozone Chemical compound [O-][O+]=O CBENFWSGALASAD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 1
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000013075 data extraction Methods 0.000 description 1
- 230000001747 exhibiting effect Effects 0.000 description 1
- 239000003063 flame retardant Substances 0.000 description 1
- BMMNWPYKMOFBBE-UHFFFAOYSA-N hydroxylamine;perchloric acid Chemical compound ON.OCl(=O)(=O)=O BMMNWPYKMOFBBE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000012805 post-processing Methods 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23D—BURNERS
- F23D17/00—Burners for combustion conjointly or alternatively of gaseous or liquid or pulverulent fuel
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Gas Burners (AREA)
Abstract
本发明涉及一种自旋混合型燃烧器，包括启动烧嘴安装口、烟气出口、和耐火层。所述燃烧器还包括：内腔，其一端与启动烧嘴安装口相连，另一端逐渐聚拢并与烟气出口连接；启动烧嘴安装口、内腔和烟气出口中心同轴；内腔中心轴上的每个垂直截面均为圆形且各截面的圆心同轴；N个进口通道分别用于输送助燃介质和可燃介质进入内腔，进口通道中轴线与内腔中心轴之间的夹角为入口角α，其中0＜α≤90°；N≥2。所述进口通道在内腔圆周方向均匀分布以使助燃介质和可燃介质均匀充分混合。本发明所述燃烧器内腔无混流内件，内腔壁面(接火面)处压力最高、温度最低，提升了燃烧器工作的长期可靠性，简化了结构和制造工艺，降低了制造和维修成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种自旋混合型燃烧器及其用途，属于燃烧领域。
背景技术
在各类密闭的燃烧炉生产过程中，为了装置的安全、高效运行，需在燃烧器内将参与燃烧的介质充分混合。伴随燃烧的发生，燃烧器内处于高温状态，故燃烧器接火部位/部件还需要有良好的耐热性。
现有燃烧器都应用于将单股燃料流与单股助燃流的混合燃烧；如需处理多股燃料流，即采用多个燃烧器并列的组合，结构复杂。
现有燃烧器将单股燃料流与单股助燃流进行混合时，多采用耐高温材质制作混流内件，常见有两种方式：1)在引射部件中，通过助燃物的引射将可燃物吸入，形成一个混合区，在引射部件的出口，混合介质即发生燃烧；引射部件的结构与文丘里管近似，具有缩径段-扩大段的特征；2)在导流/分散部件中，一般是先通入高压的助燃物、后通入低压的可燃物，在部件内设有如：螺旋、分布器等构件，将可燃物和助燃物混合，在导流/分散部件的出口，混合介质即发生燃烧；这类部件的结构具有套管-管内导流/分散构件的特征。
从燃烧介质混合的角度来概括，第一种方式为“抽混型”；第二种方式为“推混型”。两者共同特点是：1)混流内件为耐高温材质制作的结构件；2)混流内件出口处即为火焰根部，在火焰的长期作用下，耐高温金属管口出现烧蚀和结瘤是常见问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种自旋混合型燃烧器，旨在解决现有燃烧器处理燃料流单一、内腔中耐高温金属混流内件管口易出现的烧蚀和结瘤问题。本发明所述燃烧器内腔无混流内件，所述内腔壁面(接火面)处压力最高、温度最低，提升了燃烧器工作的长期可靠性，简化了结构和制造工艺，降低了制造和维修成本。
一方面，本发明涉及一种自旋混合型燃烧器，包括启动烧嘴安装口、烟气出口、和耐火层；其还包括：
内腔，所述内腔一端与所述启动烧嘴安装口相连，另一端逐渐聚拢并与所述烟气出口连接；所述启动烧嘴安装口、所述内腔和所述烟气出口中心同轴；所述内腔中心轴上的每个垂直截面均为圆形且各截面的圆心同轴；
N个进口通道，所述进口通道分别用于输送助燃介质和可燃介质进入所述内腔，所述进口通道中轴线与内腔中心轴之间的夹角为入口角α，其中0＜α≤90°；N≥2；
所述进口通道在所述内腔圆周方向均匀分布以使所述助燃介质和可燃介质均匀充分混合。
另一方面，本发明还涉及一种自旋混合型燃烧器在处理单燃料流工艺中的用途。
另一方面，本发明还涉及一种自旋混合型燃烧器在处理多燃料流工艺中的用途。
本发明提供自旋混合型燃烧器内没有与火焰直接接触的混流内件，仅利用进入燃烧器的各介质的自身能量，在燃烧器内腔产生漩涡流进行混合并发生燃烧，内腔中存在着梯度分明的压力场和温度场。压力沿燃烧器内腔壁至涡流中心降低；温度沿燃烧器内腔壁至涡流中心升高，从而使得所述内腔壁面(接火面)处压力最高、温度最低。本发明所述燃烧器提升了燃烧器工作的长期可靠性，简化了结构和制造工艺，降低了制造和维修成本。
附图说明
图1为本发明实施例1所述自旋混合型燃烧器的示意图。
图2为本发明实施例2所述自旋混合型燃烧器的示意图。
图3为本发明实施例3所述自旋混合型燃烧器的示意图。
图4为本发明实施例3所述自旋混合型燃烧器通过有限元软件对其进行网格划分的效果示意图。
图5为本发明实施例1所述自旋混合型燃烧器的压力场模拟示意图。
图6为本发明实施例1所述自旋混合型燃烧器的温度场模拟示意图。
图7为本发明实施例2所述自旋混合型燃烧器的压力场模拟示意图。
图8为本发明实施例2所述自旋混合型燃烧器的温度场模拟示意图。
图9为本发明实施例3所述自旋混合型燃烧器的压力场模拟示意图。
图10为本发明实施例3所述自旋混合型燃烧器的温度场模拟示意图。
图11为本发明实施例4所述自旋混合型燃烧器的压力场模拟示意图。
图12为本发明实施例4所述自旋混合型燃烧器的温度场模拟示意图。
图13为本发明实施例5所述自旋混合型燃烧器的压力场模拟示意图。
图14为本发明实施例5所述自旋混合型燃烧器的温度场模拟示意图。
图中，1-燃烧器内腔；2-启动烧嘴安装口；3-烟气出口；4-助燃物进口通道I；5-燃料C的进口通道；6-燃料A的进口通道；7-助燃物进口通道II；8-燃料D的进口通道；9-燃料B的进口通道；10-耐火层。
具体实施方式
以下结合具体实施方案对本发明的具体实现进行详细描述。
本发明所述术语“中心轴”是指启动烧嘴安装口、内腔和烟气出口中心同轴。
本发明所述术语“入口角α”是指进口通道中轴线与内腔中心轴之间的夹角。
本发明所述术语“入口角β”是指介质沿内腔圆周的切线方向进入燃烧器内腔，各切点与圆心连线之间的夹角。
本发明提供了一种自旋混合型燃烧器，包括启动烧嘴安装口、烟气出口、和耐火层；其还包括：
内腔，所述内腔一边与所述启动烧嘴安装口相连，另一边逐渐聚拢并与所述烟气出口连接；所述启动烧嘴安装口、所述内腔和所述烟气出口中心同轴；所述内腔中心轴上的每个垂直截面均为圆形且各截面的圆心同轴；
N个进口通道，所述进口通道分别用于输送助燃介质和可燃介质进入所述内腔，所述进口通道中轴线与内腔中心轴之间的夹角为入口角α，其中0＜α≤90°；所述进口通道沿内腔圆周的切线方向进入所述燃烧器内腔；N≥2；
所述进口通道在所述内腔圆周方向均匀分布以使所述助燃介质和可燃介质均匀充分混合。
根据本发明所述的自旋混合型燃烧器，所述内腔的形状包括但不限于圆柱形、类圆柱形、圆台形或其组合，选择这样结构的内腔基本形状，其截面均为流动阻力最小的圆形，有利于减小物料的流动阻力。
在某一具体实施方案中，所述内腔为圆柱形。在某一具体实施方案中，所述内腔为圆鼓形。在某一具体实施方案中，所述内腔为圆柱形和两个圆台形的组合，可燃介质和助燃介质在圆柱形内腔中混合燃烧，圆柱形两边为逐渐聚拢的设计，可以通过圆台形结构过渡，一端连接启动烧嘴安装口，另一端连接烟气出口。
根据本发明所述的自旋混合型燃烧器，所述烟气出口为圆柱形、圆台形或其组合。在某一具体实施方案中，所述烟气出口为圆柱形。在某一具体实施方案中，所述烟气出口为圆柱形与圆台形的组合，圆台形部分与所述内腔一侧平滑连接，以降低流动阻力。
根据本发明所述的自旋混合型燃烧器，所述启动烧嘴安装口为圆柱形或圆台形。在生产实践中，将压力最高、温度最低的空气分流部分经由启动烧嘴送入燃烧器内腔，能够长期保护所述启动烧嘴安装口部位，减缓烧蚀。为充分利用介质本身能量，将压力最高、流量最大的空气的其余部分在燃烧器外通过助燃介质通道再送入燃烧器内腔；对于多通道介质入口，根据其助燃介质通道的分布情况将剩余空气均分为相应股数输送至燃烧器内腔。
根据本发明所述的自旋混合型燃烧器，所述进口通道可以是2个、3个、4个、5个、6个、7个、8个等等，优选地，2≤N≤8；更优选地，2≤N≤6。
进一步地，所述进口通道沿内腔圆周的切线方向进入所述燃烧器内腔，所述内腔圆周的各切点与其圆心连线之间的夹角为β，30°<β≤180°。
根据本发明所述的自旋混合型燃烧器，所述进口通道以使所述助燃介质和可燃介质均匀充分混合的方式在所述内腔圆周方向均匀分布，这样可减轻或避免通过进口通道进入内腔的各介质间发生的压力耦合。
当进口通道同时满足入口角沿切线方向进入燃烧器内腔且α＝90°时，能够最大限度地缩小燃烧器内腔的体积，实现结构合理化设计。本发明通过燃烧器内腔和介质流的进口通道设计，利用介质进入燃烧器内腔时自身所具有的动能和静压能在燃烧器内腔内产生漩涡流进行混合；从而在燃烧器内腔中产生梯度分明的压力场和温度场，压力沿燃烧器内腔壁面至涡流中心降低；当混合介质达到着火温度时即发生燃烧，温度沿燃烧器内腔壁面至涡流中心升高。
进一步地，多对进口通道既可用于处理单燃料流工艺，也可用于处理多燃料流工艺。当所述燃烧器通过对称分布的多对进口通道处理多燃料流时，为进一步提升燃烧器内腔中矢量场的均匀性，依据流量和/或压力近似的原则，将近似介质的入口对称布置于燃烧器内腔的圆周方向。
进一步地，通过燃烧器内腔和多股燃料流与多股助燃流的进口通道设计，希望利用介质进入燃烧器内腔时自身所具有的动能和静压能在燃烧器内腔内产生漩涡流进行混合；在燃烧器内腔中产生梯度分明的压力场和温度场，压力沿燃烧器内腔壁面至涡流中心降低；当混合介质达到着火温度时即发生燃烧；温度沿燃烧器内腔壁面至涡流中心升高。
根据本发明所述的自旋混合型燃烧器，在所述燃烧器内腔与燃烧器外壳之间砌筑所述耐火层，使得燃烧器外表面温度不高于70℃。
根据本发明所述的自旋混合型燃烧器，所述助燃介质为在燃烧器内腔工作温度下可以汽化的助燃介质中的某一类或几类。
通常，所述助燃介质使用空气；进一步地，根据特定需要，所述助燃介质还包括但不限于，例如，氧气、臭氧、氯气、液氧或液氯、高氯酸、高氯酸羟胺、或过氧化氢中的一种或几种。
根据本发明所述的自旋混合型燃烧器，所述可燃介质为可燃性的粉状固体物料、液体物料或气体物料。
本发明还提供了所述自旋混合型燃烧器在处理单燃料流工艺中的用途，所述自旋混合型燃烧器如前所述，其中N≥2。
本发明还提供了所述自旋混合型燃烧器在处理多燃料流工艺中的用途，所述自旋混合型燃烧器如前所述，其中N≥3。
与现有的燃烧器相比，本发明所述燃烧器具有如下优势：
1、结构简洁精巧
通过将混合区(段)与燃烧区的共腔化设计，湮灭了燃烧器的燃料—助燃物混流内件；与既有带混流内件的燃烧器相比，本发明简化了燃烧器结构和制造工艺，规避了燃烧器内腔中耐高温混流内件管口所出现的烧蚀和结瘤问题。
2、成场巧妙
本发明巧妙设计的介质入口角不仅延长了介质间的混合行程，并利用介质进入燃烧器时自身所具有的动能和静压能实现均匀混合，还使介质流以涡旋流动并形成了内腔中轴部位的低压区，进而产生了内腔中心高温区与内腔壁面之间的热阻隔效果。燃烧器内腔内的的压力场及温度场呈梯次分布，延长内腔壁在长期高温条件下的工作寿命。
3、容纳多介质流同腔燃烧
由于涡旋流动形成的内腔中心部位的低压区和高温区、以及对内腔壁面的热阻隔，除实现了多介质流无需单独预混的同腔燃烧外，还避免了多介质流进入同一腔室常发生的压力耦合现象；即便在多介质流的压力、流量发生波动直至断流时，矢量场的均匀性虽发生劣化，但烟气出口压力相应降低，仍具有避免压力耦合的性能。
4、翻转了火焰的常规矢量场
常规的火焰温度场是外焰温度最高、内焰温度最低；压力场是外焰压力最高(火焰长度最长)、内焰压力最低。而本发明的燃烧器是内腔壁面处温度压力最高、温度最低，形成了对内腔壁面的热阻隔；内腔中心区域或靠近中心区域处压力最低、温度最高，就同时产生了避免压力耦合的效果。
5、材质配置降低
由于热阻隔的作用，在燃烧器外壳温度要求一致的前提下，本发明的燃烧器内耐火层的材质或用量降低、燃烧器外壳材质也可降低。
6、长期可靠、适用性广
本发明的燃烧器所形成的内腔矢量场，适用于处理多介质流的应用环境。即便在多介质流的压力、流量发生波动直至断流时，矢量场的均匀性虽发生劣化，却仍具有出口压力相应降低以及内腔壁面处温度低、压力高的特征，从而保持住燃烧器的运行品质。本发明最大程度提升燃烧器的使用寿命；极好地适应了实际应用中更多的复杂场景。
实施例
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。
仿真模拟实验
为验证燃烧器内腔的工作压力与工作温度，通过以下步骤进行有限元仿真实验模拟燃烧器的工作条件。
Step 1、通过有限元软件Ansys对燃烧炉模型进行网格划分，划分后网格质量、纵横比等需要满足有限元计算要求，网格划分效果请详见图4。
Step 2、将网格导入有限元软件Fluent中，采用非预混燃烧模型，设置各气体组成成分及入口边界条件，求解采用Coupled方法，压力插补格式采用PRESTO！，其余各量均采用二阶迎风格式(second order upwind)进行离散化后再行求解。
Step 3、对仿真模拟实验结果进行数据提取和后处理。
实施例1
如图1所示的自旋混合型燃烧器，包括启动烧嘴安装口、烟气出口、和耐火层；其还包括一圆鼓形内腔(Rmax:300；L:250)，该内腔一边与圆柱形启动烧嘴安装口(DN125)相连，另一边以45°倾角逐渐聚拢并与圆柱形烟气出口(R:150；L:400；DN300)连接，所述启动烧嘴安装口、内腔和烟气出口在水平方向中心同轴。
一对进口通道，即进口通道I 4(DN200)和进口通道II 5(DN250)，分别向燃烧器内腔输入空气(助燃介质)和酸气(可燃介质)，所述进口通道I 4和进口通道II 5以入口角α＝90°、β＝180°沿内腔圆周方向均匀分布；介质沿内腔圆周的切线方向进入燃烧器内腔，其入口条件如表1所示。
表1介质入口条件
正常生产状态下，空气和酸气两股物料流之间不发生压力耦合现象。空气的流量为1111Nm3/h，酸气的流量为1225Nm3/h，烟气出口的流量为2373Nm3/h。
为验证本发明所述燃烧器的工作运转情况，通过有限元仿真实验进行模拟。设定燃烧器内腔出口压力的设计期望值小于21KPa；设定燃烧器内腔壁面温度的设计期望值小于1285℃，即：燃烧所得烟气的温度。得到压力场和温度场的结果见图5-6。
结果表明，燃烧器内腔的压力场均匀、无明显偏流，数值沿燃烧器内腔中心轴线至燃烧器内腔内壁呈梯次分布：燃烧器内腔最大压力为21.39KPa，位于内腔壁面紧靠着介质进口的环形带处；内腔出口压力为20.88KPa；压力由内腔壁面向内腔中轴线部位逐渐降低；无压力耦合风险；符合设计期望值。温度场左右半侧明显不均匀、呈现出与介质混合不均匀的相关性：燃烧器内腔中轴线部位温度低；内腔壁面温度最高处～650℃(923.4K)；内腔壁面温度虽符合设计期望值但温度场并不均匀。
为降低燃烧器外壳温度和材质，在燃烧器内腔与燃烧器外壳之间砌筑260mm的铬钢玉耐火层10，燃烧器外表面计算温度为51.8℃。
实施例2
为改善实施例1中所设计的燃烧器内腔压力场的均匀性，对燃烧器的设计方案进行优化，如图2所示：
1、在燃烧器上再增设一对进口通道，即进口通道III和进口通道IV，进口通道I～IV围绕所述燃烧器对称分布；将空气和酸气在燃烧器外各自均分为两股再送入燃烧器内腔；
2、燃烧器内腔结构与实施例1相同，进口通道I 4和III 7(各DN150)与进口通道II5和IV8(DN200)分别向燃烧器内腔输送空气和酸气，空气和酸气的总流量与实施例1相同，将其均分成两股分别输入内腔。各介质的入口角由实施例1中“α＝90°、β＝180°”的调整为α＝90°、β＝90°。
为验证本发明所述燃烧器的工作运转情况，通过有限元仿真实验进行模拟。设定燃烧器内腔出口压力的设计期望值小于21KPa；设定燃烧器内腔壁面温度的设计期望值小于1285℃，即：燃烧所得烟气的温度。得到压力场和温度场的结果见图7-8。
结果表明，燃烧器内腔的压力场更为均匀，数值沿燃烧器内腔中心轴线至燃烧器内腔内壁呈梯次分布：燃烧器内腔最大压力为21.28KPa，位于内腔壁面紧靠着介质进口的环形带处；内腔出口压力为20.98KPa；压力由内腔壁面向内腔中轴线部位逐渐降低；无压力耦合风险；符合设计期望值。温度场左右半侧对称：燃烧器内腔中轴线部位温度较实施例1升高；内腔壁面温度最高处较实施例1略降低，介于593～644℃(866.8～917.3K)；内腔壁面温度和温度场均匀性的改善均符合设计期望值。
为降低燃烧器外壳温度和材质，在燃烧器内腔与燃烧器外壳之间砌筑260mm的铬钢玉耐火层10，燃烧器外表面计算温度为51.8℃。
实施例3
如图3所示的自旋混合型燃烧器，包括启动烧嘴安装口、烟气出口和耐火层；其还包括一圆柱形内腔(R:800；L:380)，该内腔一边与圆柱形启动烧嘴安装口(DN600)相连，另一边以60°倾角逐渐聚拢并与圆柱形烟气出口(R:400；L:300)连接，所述启动烧嘴安装口、内腔和烟气出口在水平方向中心同轴。
6个进口通道，即进口通道I 4(空气，DN350)、进口通道II 5(燃料流C，DN250)、进口通道III 6(燃料流A，DN300)、进口通道IV 7(空气，DN350)、进口通道V 8(燃料流D，DN250)、进口通道VI 9(燃料流B，DN300)，分别向燃烧器内腔输入空气(助燃介质)和燃料(可燃介质)，所述各进口通道以入口角α＝90°、β＝60°沿内腔圆周方向均匀分布；介质沿内腔圆周的切线方向进入燃烧器内腔，设计的燃烧器需处理四股燃料流；助燃物为空气，各介质入口条件如表2所示，各进口通道流量如表3所示。
表2介质入口条件
表3各进口通道流量
正常生产状态下，四股燃料流之间不发生压力耦合现象，燃烧器内腔无偏流。
为减轻或避免各介质间发生压力耦合现象，最大限度地延长燃料流与空气的混合行程并同时最大限度降低燃烧器内腔壁面温度，入口角优选切线方向进入燃烧器；为长期保护启动烧嘴安装口部位，将压力最高、温度最低的空气分流部分经由启动烧嘴送入燃烧器内腔。为充分利用介质本身能量，将压力最高、流量最大的空气的其余部分在燃烧器外均分为两股再送入燃烧器内腔。
为验证本发明所述燃烧器的工作运转情况，通过有限元仿真实验进行模拟。设定燃烧器内腔出口压力的设计期望值小于14KPa；设定燃烧器内腔壁面温度的设计期望值小于1050℃，即：燃烧所得烟气的温度。通过有限元仿真实验模拟得到压力场和温度场的结果见图9-10。
结果表明，燃烧器内腔的压力场及温度场均匀、无明显偏流，数值沿燃烧器内腔中心轴线至燃烧器内腔内壁呈梯次分布：1)燃烧器内腔最大压力为12.498KPa，位于内腔壁面紧靠着介质进口的环形带处；内腔出口压力为12.030KPa；压力由内腔壁面向内腔中轴线部位逐渐降低；无压力耦合风险；2)燃烧器内腔中轴线部位温度最高；内腔壁面处温度最低；除启动烧嘴安装口部位外，内腔壁面温度介于537～642℃(810.89～915.52K)之间。燃烧器工作运转情况均符合设计期望值。
为降低燃烧器外壳温度和材质，在启动烧嘴安装口部位砌筑270mm的铬钢玉耐火层、在燃烧器内腔与燃烧器外壳之间砌筑250mm的铬钢玉耐火层，形成耐火层10，燃烧器外表面计算温度最高为52℃，低于70℃，符合设计期望值。
实施例4
以实施例3所设计的燃烧器进行极端恶劣工况的验证。模拟燃烧炉的工作压力与工作温度在极端恶劣工况下是否满足设计期望。
实施例3所设计的燃烧器处于其中两股燃料流断流且空气单侧进入的情况下工作，即燃烧器空气入口7、氨气入口9、酸气入口8皆封闭。各介质入口条件如表4；相应进口通道流量见表5：
表4介质入口条件
表5相应进口通道流量
正常生产状态下，燃料流A和C之间不发生压力耦合现象。
为验证本发明所述燃烧器的工作运转情况，通过有限元仿真实验进行模拟。设定燃烧器内腔出口压力的设计期望值小于14KPa；设定燃烧器内腔壁面温度的设计期望值小于1050℃，即：燃烧所得烟气的温度。通过有限元仿真实验模拟得到压力场和温度场的结果见图11-12。
结果表明，燃烧器内腔的压力场依然均匀，数值沿燃烧器内腔中心轴线至燃烧器内腔内壁呈梯次分布：1)燃烧器内腔最大压力为12.273KPa，位于内腔壁面紧靠着介质进口的环形带处；内腔出口压力为12.014KPa；压力由内腔壁面向内腔中轴线部位逐渐降低；无压力耦合风险；2)内腔的温度场数值虽然沿燃烧器内腔中心轴线至燃烧器内腔内壁呈梯次分布，但出现了明显的侧偏：燃烧器内腔中轴线部位温度依然是最高；内腔壁面处温度最低，但其最高温度区间变大且明显侧偏；除启动烧嘴安装口部位外，内腔壁面温度介于604～940℃(876.92～1213.65K)之间。燃烧器工作运转情况虽均符合设计期望值但温度场并不均匀。
燃烧器外表面计算的最高温度为67℃，低于70℃，符合设计期望值。
实施例5
进一步调整空气进入燃烧器的方式，再以实施例3所设计的燃烧器进行极端恶劣工况的验证。模拟燃烧炉的工作压力与工作温度在极端恶劣工况下是否满足设计期望。
使实施例1所设计的燃烧器处于其中两股燃料流断流且空气对称双侧进入的情况下工作，即氨气入口9、酸气入口8皆封闭。各介质入口条件如表4；相应进口通道流量中，空气由通道2单侧进入调整为由通道2和通道3均分后双侧对称进入燃烧器。其余两股燃料流之间不发生压力耦合现象。
为验证本发明所述燃烧器的工作运转情况，通过有限元仿真实验进行模拟。设定燃烧器内腔出口压力的设计期望值小于14KPa；设定燃烧器内腔壁面温度的设计期望值小于1050℃。通过有限元仿真实验模拟得到压力场和温度场的结果见图13-14。
结果表明，燃烧器内腔的压力场依然均匀，数值沿燃烧器内腔中心轴线至燃烧器内腔内壁呈梯次分布：1)燃烧器内腔最大压力为12.185KPa，位于内腔壁面紧靠着介质进口的环形带处；内腔出口压力为12.009KPa；压力由内腔壁面向内腔中轴线部位逐渐降低；无压力耦合风险；2)内腔的温度场侧偏消失，高温区域由中心轴线部位的柱状变为和内腔中心轴线对称的环状带；高温带至燃烧器内腔内壁呈梯次分布：燃烧器内腔壁面处温度依然是最低；除启动烧嘴安装口部位外，其最高温度是793℃(1066.47K)，较实施例4下降了147℃、较实施例3上升了151℃。燃烧器工作运转情况均符合设计期望值。
燃烧器外表面计算的最高温度为59℃，低于70℃，符合设计期望值。
通过实施例3～5的设计，模拟验证了本次设计的燃烧器在多介质流的压力、流量发生波动直至断流时，矢量场的均匀性虽发生劣化，却仍具有内腔壁面处温度低、压力高的特征，可以保持住燃烧器的运行品质，适应实际应用中的极端工况。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种自旋混合型燃烧器，包括启动烧嘴安装口、烟气出口、和耐火层；其特征在于，所述燃烧器还包括：
内腔，所述内腔一端与所述启动烧嘴安装口相连，另一端逐渐聚拢并与所述烟气出口连接；所述启动烧嘴安装口、所述内腔和所述烟气出口中心同轴；内腔中心轴上的每个垂直截面均为圆形且各截面的圆心同轴；
N个进口通道，所述进口通道分别用于输送助燃介质和可燃介质进入所述内腔，所述进口通道中轴线与内腔中心轴之间的夹角为入口角α，其中0＜α≤90°；N≥2；
所述进口通道在所述内腔圆周方向均匀分布以使所述助燃介质和所述可燃介质均匀充分混合。
2.如权利要求1所述的自旋混合型燃烧器，其特征在于，所述内腔的形状为圆柱形、类圆柱形、圆台形或其组合。
3.如权利要求1所述的自旋混合型燃烧器，其特征在于，所述烟气出口为圆柱形、圆台形或其组合；所述启动烧嘴安装口为圆柱形或圆台形。
4.如权利要求1至3任一权利要求所述的自旋混合型燃烧器，其特征在于，所述进口通道沿内腔圆周的切线方向进入所述燃烧器内腔，所述内腔圆周的各切点与其圆心连线之间的夹角为β，30°<β≤180°。
5.如权利要求1所述的自旋混合型燃烧器，其特征在于，所述进口通道为2≤N≤8；优选地，2≤N≤6。
6.如权利要求1所述的自旋混合型燃烧器，其特征在于，所述入口角α＝90°。
7.如权利要求1所述的自旋混合型燃烧器，其特征在于，所述助燃介质为在燃烧器内腔工作温度下可以汽化的助燃介质中的某一类或几类。
8.如权利要求1所述的自旋混合型燃烧器，其特征在于，所述可燃介质为可燃性的粉状固体物料、液体物料或气体物料。
9.如权利要求1至8任一权利要求所述的自旋混合型燃烧器在处理单燃料流工艺中的用途，其中N≥2。
10.如权利要求1至8任一权利要求所述的自旋混合型燃烧器在处理多燃料流工艺中的用途，其中N≥3。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010872585.1A CN111981481B (zh) | 2020-08-26 | 2020-08-26 | 一种自旋混合型燃烧器及其用途 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010872585.1A CN111981481B (zh) | 2020-08-26 | 2020-08-26 | 一种自旋混合型燃烧器及其用途 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN111981481A true CN111981481A (zh) | 2020-11-24 |
| CN111981481B CN111981481B (zh) | 2024-04-26 |
Family
ID=73440654
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202010872585.1A Active CN111981481B (zh) | 2020-08-26 | 2020-08-26 | 一种自旋混合型燃烧器及其用途 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN111981481B (zh) |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS60251307A (ja) * | 1984-05-25 | 1985-12-12 | Toshiaki Murano | バ−ナ |
| JP2002139204A (ja) * | 2000-10-31 | 2002-05-17 | Rinnai Corp | 渦流式バーナ |
| JP2006220366A (ja) * | 2005-02-10 | 2006-08-24 | Jfe Steel Kk | 排ガス予熱装置及び排ガス予熱方法 |
| JP2011247444A (ja) * | 2010-05-24 | 2011-12-08 | Jfe Steel Corp | 管状火炎バーナ |
| US20160102857A1 (en) * | 2014-10-13 | 2016-04-14 | Eclipse, Inc. | Swirl jet burner |
| CN107166395A (zh) * | 2017-05-31 | 2017-09-15 | 北京理工大学 | 一种自循环低氮氧化物旋流燃烧器 |
| CN107575865A (zh) * | 2017-09-25 | 2018-01-12 | 中国科学院广州能源研究所 | 一种低热损失的涡流管状火焰燃烧器 |
-
2020
- 2020-08-26 CN CN202010872585.1A patent/CN111981481B/zh active Active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS60251307A (ja) * | 1984-05-25 | 1985-12-12 | Toshiaki Murano | バ−ナ |
| JP2002139204A (ja) * | 2000-10-31 | 2002-05-17 | Rinnai Corp | 渦流式バーナ |
| JP2006220366A (ja) * | 2005-02-10 | 2006-08-24 | Jfe Steel Kk | 排ガス予熱装置及び排ガス予熱方法 |
| JP2011247444A (ja) * | 2010-05-24 | 2011-12-08 | Jfe Steel Corp | 管状火炎バーナ |
| US20160102857A1 (en) * | 2014-10-13 | 2016-04-14 | Eclipse, Inc. | Swirl jet burner |
| CN107166395A (zh) * | 2017-05-31 | 2017-09-15 | 北京理工大学 | 一种自循环低氮氧化物旋流燃烧器 |
| CN107575865A (zh) * | 2017-09-25 | 2018-01-12 | 中国科学院广州能源研究所 | 一种低热损失的涡流管状火焰燃烧器 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN111981481B (zh) | 2024-04-26 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN101069039B (zh) | 用于在预混合燃烧器中燃烧氢气的方法和设备 | |
| KR101110144B1 (ko) | 녹스 저감을 위한 이중 혼합구조를 갖는 예혼합형 가스터빈 연소기 | |
| JPH07305848A (ja) | 燃料ノズル・アセンブリ、ガスタービン装置及び低ＮＯｘガスタービン装置における燃焼不安定性を低減する方法 | |
| CN104508374A (zh) | 高能量高燃烧率低污染排放且高传热性的气体燃料燃烧器 | |
| CN101614394B (zh) | 多种类高低热值燃气稳定燃烧方法及其装置 | |
| CN111396927B (zh) | 二维阵列无传统旋流器的低污染燃烧装置 | |
| US10184664B2 (en) | Fuel injector for high flame speed fuel combustion | |
| CN103270369B (zh) | 带有燃料喷嘴的燃气轮机燃烧室,带有这种燃料喷嘴的燃烧器,以及燃料喷嘴 | |
| US20200283689A1 (en) | Gasification burner | |
| EP1310737A2 (en) | Low nox emission diffusion flame combustor for gas turbines | |
| CN102345879A (zh) | 燃料喷嘴及包括该燃料喷嘴的组件和燃气涡轮机 | |
| CN115451432B (zh) | 一种燃气轮机燃烧室燃料的微混喷嘴组件及系统 | |
| CN107062307A (zh) | 一种燃气轮机燃烧室 | |
| FI57922B (fi) | Foerfarande och anordning foer framstaellning av svaveldioxid | |
| CN206861593U (zh) | 一种燃气轮机燃烧室 | |
| CN111981481B (zh) | 一种自旋混合型燃烧器及其用途 | |
| US3221796A (en) | Self-stabilizing combustion apparatus | |
| CN105135430B (zh) | 一种稳焰低氮固体燃料富氧燃烧器 | |
| CN107023855A (zh) | 一种燃气轮机 | |
| US20050003316A1 (en) | Counterflow fuel injection nozzle in a burner-boiler system | |
| CN110056869A (zh) | 一种燃烧器 | |
| US3202196A (en) | Method and apparatus for burning fuel | |
| CN111121021B (zh) | 具有自由扩散预混燃烧层的低氮燃烧装置及其燃烧头 | |
| CN111649324A (zh) | 燃烧器和锅炉 | |
| US10082289B2 (en) | Burner |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |