CN112443839A - 自卷吸二次风多引射预混多孔介质燃烧辐射器及燃烧方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种自卷吸二次风的多引射预混多孔介质燃气燃烧辐射器及其燃烧方法。本发明包括空气燃气旋转预混器，在空气燃气预混器外侧底部，设有切圆均布的文丘里引射器，在文丘里引射器入口端设有燃气入射器；在空气燃气预混器上端设有气流均匀分配器，气流均匀分配器上端设有多孔介质燃烧表面辐射器，多孔介质燃烧表面辐射器上端设置有放射状烟气余热回收辐射环；在空气燃气预混器底面中心，设有二次风入口，自卷吸二次风管设置于空气燃气预混器、气流均匀分配器、多孔介质燃烧辐射器中心轴线。本发明燃烧火焰稳定性强，燃烧效率，辐射换热强，烟气余热回收利用高，燃烧器负荷变化范围广，可直接实现NOx超低排放。
Description
技术领域
本发明属于低氮燃烧与多孔介质燃烧技术领域，涉及一种自卷吸二次风多引射预混多孔介质燃烧辐射器及燃烧方法，适合用于民用燃气灶具。
背景技术
随着环境压力日益增大，国家对环保排放标准要求更加严格，2015年底国务院三部委提出“超低排放”限值规定，明确要求燃煤烟气中的氮氧化物排放浓度 NOx ≤ 50 mg/Nm3（O2= 6%），并逐渐推广到燃油和燃气的燃烧装置上，形成业内共识，在清洁能源选择和使用引起了广泛关注，因此，天然气作为一种优质、清洁、高效、绿色的气体燃料，开发利用比重日益增长。
然而，目前主流的民用燃气灶具，仍存在着是燃烧效率相对较低、热辐射效率低、NOx排放高等问题，燃烧装置需要进行改善。比如燃烧方式上仍然是以传统的扩散燃烧为主，存在燃烧火焰过长，局部区域温度过高，温度梯度过大，燃烧效果受混合效果影响显著等问题；其次，在预混方面，燃气灶配比空气和燃气的主要方式仍然是自然引射一次空气，利用空气和燃气的自然混合，并且为增强引射效果，减少阻力损失，不设置预混室，这样必然导致燃气在进入灶台燃烧前，混合效果差，燃烧不完全，产生较多CO，降低燃烧效率和热效率，因此，如何提高燃气引射空气效果，增强空气和燃气预混效果，是燃气引射吸卷空气混合的主要难点；再次，燃烧方式上仍然是以传统高速射流扩散燃烧为主，存在燃烧火焰过长，局部区域温度过高，温度梯度过大，喷嘴结构造成的生产工艺复杂化，成本较高，大体积造成的损失热量大，燃烧效果受混合效果影响显著，CO和NOx产生较多等问题。
另一方面，传统扩散燃烧后，燃烧热量主要被高温烟气带走，并通过对流换热方式传递给被加热体，热量传递效率受负荷变化、流动状态、结构参数影响明显，热辐射效率低。因此，根据以上分析存在的缺陷，应用燃气燃烧辐射器的民用灶具在空气分级、燃烧区域还原性分布、燃烧热辐射强度、余热回收等方面仍具有较大改善空间。
多孔介质燃烧是作为新一代新型燃烧技术，在燃烧气体燃料时具有燃烧效率高、燃烧强度大、燃烧稳定性强、辐射换热大，设备体积小、污染物排放低等强大优势，并具有广阔的民用领域的应用前景。因此，本发明将多孔介质燃烧与空气分级燃烧技术相结合，巧妙利用二次风自卷吸方式改善燃烧区域中的还原性气体区域分布，构建一种气体燃料的低氮燃烧辐射器，应用于民用燃气灶具中。
发明内容
本发明主要目的是基于自卷吸式空气分级与多孔介质渐扩燃烧相结合，提供一种燃烧强度高、辐射强度大、污染物排放低、负荷变化更宽、结构简单的自卷吸二次风多引射切圆预混多孔介质燃气燃烧辐射器，用于民用燃气灶具。
本发明的主要构思原理：本发明具有多个文丘里引射器切圆相连的旋转预混室本体和多孔介质燃烧辐射器本体，利用切圆旋转预混方式充分混合一次空气和燃气，结合多孔介质燃烧中产生的热回流，利用多孔介质孔隙分层界面与燃烧器轴向截面渐扩结构稳定燃烧火焰，在上层孔隙较大的多孔介质内进行还原性气氛燃烧，抑制NOx生成；将自卷吸二次风管设置于空气燃气预混器、气流均匀分配器、多孔介质燃烧辐射器中心轴线，利用燃烧区域段二次风管段低压区域自动卷吸二次风管入口处的空气，通过喉管结构控制二次风向上流动，经所述二次风压盖的二次风出口射入燃烧区域，形成卷吸效应，及时补充燃烧所需要的氧气，在多孔介质燃烧辐射器上方空间形成氧化性的燃烧气氛，实现未燃充分燃烧；同时，利用放射状辐射环回收烟气余热，并以热辐射方式传递给锅底，通过耦合多孔介质燃烧辐射、高温烟气对流换热、放射辐射环热辐射三种方式实现燃烧热的高效传热。
本发明的技术方案为：
本发明中的自卷吸二次风多引射预混多孔介质燃气燃烧辐射器，包括空气燃气旋转预混器，在空气燃气预混器外侧底部，设有切圆均布的文丘里引射器，文丘里引射器入口端设有燃气入射器；空气燃气预混器上端设有气流均匀分配器，气流均匀分配器上端设有多孔介质燃烧辐射器，多孔介质燃烧表面辐射器上端设有放射状辐射环；空气燃气预混器底面中心，设有二次风入口，二次风管为文丘里管结构，设置于空气燃气旋转预混器、气流均匀分配器、多孔介质燃烧表面辐射器中心轴线；所述多孔介质燃烧表面辐射器轴截面为由下往上渐扩，放射状辐射环轴向截面倒梯形结构。
所述二次风管采用文丘里管，文丘里管的喉部与所述气流均匀分配器位于同一标高，二次风管入口端与所述空气燃气旋转预混器底部位于同一标高，二次风管出口端与所述多孔介质燃烧辐射器表面位于同一标高。
所述二次风管出口端上方设有二次风压盖，二次风压盖柱面设有周向均布的二次风出口，二次风出口须具有设定流速，形成一定射流卷吸效应。
所述二次风压盖柱面二次风出口的轴线方向可垂直于压盖轴线方向，或在同一水平面成统一方向最大旋转偏心角为20°，或设置于两者角度之间；
所述文丘里引射器为文丘里管，数量为2个或3个，轴线入射方向为切向，旋转偏心角为0°-20°。
所述多孔介质燃烧表面辐射器轴向截面采用“梯形裤腿”结构，且每条“裤腿”同样设计为倒梯形截面或锥台结构。
所述多孔介质燃烧表面辐射器中的多孔介质下部采用孔径和（或）孔隙率较小的多孔介质填充，上部采用孔径和（或）孔隙率较大的多孔介质填充；所述多孔介质孔隙率为0.25～0.95。所述多孔介质应为孔隙率、孔径均匀的蜂窝结构、泡沫结构、或堆积颗粒结构。
所述气流均匀分配器可采用孔密度高的陶瓷板，金属板、泡沫陶瓷、泡沫金属板中的一种或多种；各板中的小孔轴线与板面法线平行，或成统一方向偏转角，偏转角度应小于10°。
所述放射状辐射环整体为陶瓷板、金属板、泡沫陶瓷、泡沫金属板中的一种，或以金属框架为基体，采用蜂窝陶瓷、泡沫陶瓷、泡沫金属等板状结构以圆周方向均布方式嵌入金属框架基体。
利用本燃烧辐射器进行低氮燃烧原理与过程为：燃气通过燃气入射器（喷嘴）高速喷入文丘里引射器内，利用燃气高速射流产生的吸卷效应将周围空气吸入文丘里引射器内，形成一次风，与燃气经文丘里引射器流动混合后，以射流方式切向旋转进入空气燃气旋转预混器，并在空气燃气旋转预混器内利用切向射流引起的旋转效应进行再次旋转预混，形成混合燃气。
混合燃气经气流均匀分配器整流后，进入轴向截面渐扩的“梯形裤腿”式多孔介质燃烧辐射器燃烧，同时利用多孔介质孔隙分层界面与燃烧器轴向截面渐扩结构稳定燃烧火焰，在燃烧辐射器上层多孔介质内进行还原性气氛燃烧，抑制NOx生成，甚至能将生成氮氧化物继续还原为氮气；
位于多孔介质燃气燃烧辐射器内的二次风管段受到燃烧加热后，管内二次风受热膨胀，会在二次风管喉部上方形成负压区域，自动卷吸喉管下方二次风入口的新鲜空气，形成二次风进入喉管上方，继续受热膨胀后，利用喉管结构控制二次风向上流动，经所述二次风压盖的二次风出口射入燃烧区域，形成卷吸效应，及时补充燃烧所需要的氧气，在多孔介质燃烧辐射器表面上方空间形成氧化性气氛。这样就在燃烧器轴向方向上先后形成明显还原性与氧化性气氛的两级稳定燃烧区域，抑制NOx生成，直接实现NOx超低排放。同时，所述放射状辐射环能够及时回收烟气余热，并通过辐射方式直接辐射给锅底，这样燃烧热量能够通过燃烧多孔介质辐射、高温烟气对流换热、放射辐射环辐射方式实现燃烧热的高效传热。
本发明的有益效果：本发明运用流体力学基本原理，基于文丘里引射器利用燃气入射器引射一次风，依据氮氧化物生成原理，将空气分级燃烧与多孔介质燃烧技术相结合，采用文丘里引射器与旋转预混室两级混合，在多孔介质燃烧器上层多孔介质内形成还原性的燃烧气氛；利用文丘里引射器将二次风沿燃烧器中心流动方向预热后，经所述二次风压盖的二次风出口射入燃烧区域，形成卷吸效应，在多孔介质燃烧辐射器表面上方空间形成氧化性气氛；这样在燃烧器轴向方向上先后形成明显还原性与氧化性气氛的两级稳定燃烧区域，进一步抑制NOx生成，可直接实现NOx超低排放。同时，采用多孔介质孔隙分层界面与燃烧器轴向截面渐扩结构稳定燃烧火焰，利用燃烧区中的多孔介质固体较强导热、辐射传热、及高温烟气的对流换热迅速将热量传递出去，并通过增设放射状辐射环能够及时回收烟气余热，并通过辐射方式直接辐射给锅底与燃烧器表面，进一步增强燃烧强度，提高热辐射强度。本发明同时具有提高燃烧效率，拓宽燃烧负荷，设备小型化等特点。该装置与燃烧方法，及工艺能广泛适应于民用燃气灶具的相关领域。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明双路文丘里管的预混室俯视图；
图3为本发明三路文丘里管的预混室俯视图；
图4为本发明双路切圆旋转预混空气燃气预混器主视图；
图5为本发明自卷吸二次分与压盖主视图；
图6为放射状烟气余热回收辐射环主视与俯视图。
具体实施方式
下面结合附图1对本发明作详细说明。
如图1、图4和图5所示，本发明包括空气燃气旋转预混器4，在空气燃气预混器外侧底部，设有切圆均布的文丘里引射器2，文丘里引射器2的出口为一次空气与燃气预混入口3，文丘里引射器2入口端设有燃气入射器1，同时一次空气通过风门挡片6进入文丘里引射器2；空气燃气预混器4上端设有气流均匀分配器7，气流均匀分配器7上端设有多孔介质燃烧辐射器9，多孔介质燃烧表面辐射器9上端设有放射状辐射环10；空气燃气预混器4底面中心，设有二次风入口5，二次风管11为文丘里管结构，设置于空气燃气旋转预混器4、气流均匀分配器7、多孔介质燃烧表面辐射器9中心轴线；所述多孔介质燃烧表面辐射器9轴截面为由下往上渐扩，放射状辐射环10轴向截面倒梯形结构。多孔介质燃烧表面辐射器9的外壁设置有保温层8。
所述二次风管采用文丘里管，文丘里管的喉部与所述气流均匀分配器位于同一标高，二次风管入口端与所述空气燃气旋转预混器底部位于同一标高，二次风管出口端与所述多孔介质燃烧辐射器表面位于同一标高。
所述二次风管出口端上方设有二次风压盖12，二次风压盖柱面设有周向均布的二次风出口，二次风出口须具有设定流速，形成一定射流卷吸效应。
所述二次风压盖柱面二次风出口的轴线方向可垂直于压盖轴线方向，或在二次风出口所在的水平面成统一方向最大旋转偏心角为20°，或设置于两者角度之间；
所述文丘里引射器为文丘里管，数量为2个或3个，轴线入射方向为切向，旋转偏心角为0°-20°，见图2和图3。
所述多孔介质燃烧表面辐射器轴向截面采用“梯形裤腿”结构，且每条“裤腿”同样设计为倒梯形截面。
所述多孔介质燃烧表面辐射器中的多孔介质下部采用孔径和（或）孔隙率较小的多孔介质填充，上部采用孔径和（或）孔隙率较大的多孔介质填充；所述多孔介质孔隙率为0.25～0.95。所述多孔介质应为孔隙率、孔径均匀的蜂窝结构、泡沫结构或堆积颗粒结构。
所述气流均匀分配器可采用孔密度高的陶瓷板，金属板、泡沫陶瓷、泡沫金属板中的一种或多种；各板中的小孔轴线与板面法线平行，或成统一方向偏转角，偏转角度应小于10°。
所述放射状辐射环整体为陶瓷板、金属板、泡沫陶瓷、泡沫金属板中的一种，或以金属框架为基体，采用蜂窝陶瓷、泡沫陶瓷、泡沫金属等板状结构以圆周方向均布方式嵌入金属框架基体，见图6。
该装置在点火启动时，率先启动点火装置在燃烧辐射器表面上方处点火后，在开启燃气通道，燃气首先通过燃气引射器（喷嘴）高速喷入文丘里引射器内，利用高速射流产生吸卷效应将周围空气吸入文丘里引射器内，并进行部分预混后，利用圆周切向均布2（或3）个文丘里引射器，燃气在旋转预混器内形成旋转切圆混合流场，经气流均匀分配器进行稳流，进入轴向截面渐扩的“梯形裤腿结构”式多孔介质燃烧辐射器进行稳定燃烧，利用多孔介质孔隙分层界面与燃烧器轴向截面渐扩结构将燃烧火焰稳定，在燃烧器上方多孔介质区域形成还原性气氛；位于多孔介质燃烧辐射器二次风管段被加热后，会在二次风管喉部上方形成负压区域，自动卷吸喉管下方二次风入口的新鲜空气，形成二次风进入喉管上方，利用喉管结构控制二次风向上流动，预热后经所述二次风压盖的二次风出口射入燃烧区域，形成卷吸效应，及时补充燃烧所需要的氧气，在多孔介质燃烧辐射器表面上方空间形成氧化性气氛。这样在燃烧器轴向方向上先后形成明显还原性与氧化性气氛的两级稳定燃烧区域，进一步抑制NOx生成，可直接实现NOx超低排放。这样燃烧热量能够通过燃烧多孔介质辐射、高温烟气对流换热、放射辐射环辐射方式实现燃烧热的高效传热。
本发明运用流体力学基本原理，基于文丘里引射器利用燃气入射器引射一次风，依据氮氧化物生成原理，将空气分级燃烧与多孔介质燃烧技术相结合，采用文丘里引射器与旋转预混室两级混合，在多孔介质燃烧器上层多孔介质内形成还原性的燃烧气氛；利用文丘里引射器将二次风沿燃烧器中心流动方向预热后，经所述二次风压盖的二次风出口射入燃烧区域，形成卷吸效应，在多孔介质燃烧辐射器表面上方空间形成氧化性气氛；这样在燃烧器轴向方向上先后形成明显还原性与氧化性气氛的两级稳定燃烧区域，进一步抑制NOx生成，可直接实现NOx超低排放。同时，采用多孔介质孔隙分层界面与燃烧器轴向截面渐扩结构稳定燃烧火焰，利用燃烧区中的多孔介质固体较强导热、辐射传热、及高温烟气的对流换热迅速将热量传递出去，并通过增设放射状辐射环能够及时回收烟气余热，通过辐射方式直接辐射给锅底与燃烧器表面，进一步增强燃烧强度，提高热辐射强度。本发明同时具有提高燃烧效率，拓宽燃烧负荷，设备小型化等特点。该装置与燃烧方法，及工艺能广泛适应于民用燃气灶具的相关领域。
通过过采用本发明装置及低氮燃烧方法，可达到如下效果：该燃气燃烧辐射燃烧器荷40%-120%之间变化时，在保证燃烧器燃烧效率和热效率的同时，有效控制氮氧化物原始生成浓度，直接可实现氮氧化物浓度原始生成浓度满足超低排放，即 NOx ≤ 50 mg/Nm3（O2= 6%）。本发明适用于民用燃气燃烧器及灶具（燃气灶）。
以上所述仅为本发明的较佳实施案例，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属于本发明专利的涵盖范围。
Claims (10)
1.自卷吸二次风多引射预混多孔介质燃烧辐射器，其特征在于：包括空气燃气旋转预混器，在空气燃气预混器外侧底部，设有切圆均布的文丘里引射器，文丘里引射器入口端设有燃气入射器；空气燃气预混器上端设有气流均匀分配器，气流均匀分配器上端设有多孔介质燃烧辐射器，多孔介质燃烧表面辐射器上端设有放射状辐射环；空气燃气预混器底面中心，设有二次风入口，二次风管为文丘里管结构，设置于空气燃气旋转预混器、气流均匀分配器、多孔介质燃烧表面辐射器中心轴线；所述多孔介质燃烧表面辐射器轴截面为由下往上渐扩，放射状辐射环轴向截面倒梯形结构。
2.根据权利要求1所述的自卷吸二次风多引射预混多孔介质燃烧辐射器，其特征在于：所述二次风管采用文丘里管，文丘里管的喉部与所述气流均匀分配器位于同一标高，二次风管入口端与所述空气燃气旋转预混器底部位于同一标高，二次风管出口端与所述多孔介质燃烧辐射器表面位于同一标高。
3.根据权利要求2所述的自卷吸二次风多引射预混多孔介质燃烧辐射器，其特征在于：所述二次风管出口端上方设有二次风压盖，二次风压盖柱面设有周向均布的二次风出口，二次风出口须具有设定流速，形成一定射流卷吸效应。
4.根据权利要求3所述的自卷吸二次风多引射预混多孔介质燃烧辐射器，其特征在于：所述二次风出口的轴线方向垂直于二次风压盖柱面轴线方向或在同一水平面成统一方向最大旋转偏心角为20°之内。
5.根据权利要求1所述的自卷吸二次风多引射预混多孔介质燃烧辐射器，其特征在于：所述文丘里引射器为文丘里管，数量为2个或3个，轴线入射方向为切向，旋转偏心角为0°-20°。
6.根据权利要求1所述的自卷吸二次风多引射预混多孔介质燃烧辐射器，其特征在于：所述多孔介质燃烧表面辐射器轴向截面采用“梯形裤腿”结构，且每条“裤腿”同样设计为倒梯形截面。
7.根据权利要求1所述的自卷吸二次风多引射预混多孔介质燃烧辐射器，其特征在于：所述多孔介质燃烧表面辐射器中的多孔介质下部采用孔径和/或孔隙率较小的多孔介质填充，上部采用孔径和/或孔隙率较大的多孔介质填充；所述多孔介质孔隙率为0.25～0.95；所述多孔介质应为孔隙率、孔径均匀的蜂窝结构、泡沫结构或堆积颗粒结构。
8.根据权利要求1所述的自卷吸二次风多引射预混多孔介质燃烧辐射器，其特征在于：所述气流均匀分配器采用孔密度高的陶瓷板，金属板、泡沫陶瓷、泡沫金属板中的一种或多种；各板中的小孔轴线与板面法线平行或成统一方向偏转角，偏转角度应小于10°。
9.根据权利要求1所述的自卷吸二次风多引射预混多孔介质燃烧辐射器，其特征在于：所述放射状辐射环整体为陶瓷板、金属板、泡沫陶瓷、泡沫金属板中的一种，或以金属框架为基体，当中以蜂窝陶瓷、泡沫陶瓷、泡沫金属等按2、4、6数量以圆周方向均布的嵌入金属框架基体。
10.根据权利要求1所述的自卷吸二次风多引射预混多孔介质燃烧辐射器进行低氮分级燃烧的方法，其特征在于：
燃气通过燃气入射器高速喷入文丘里引射器内，利用燃气高速射流产生的吸卷效应将周围空气吸入文丘里引射器内，形成一次风，与燃气经文丘里引射器流动混合后，以射流方式切向旋转进入空气燃气旋转预混器，并在空气燃气旋转预混器内利用切向射流引起的旋转效应进行再次旋转预混，形成混合燃气；
混合燃气经气流均匀分配器整流后，进入轴向截面渐扩的“梯形裤腿”式多孔介质燃烧表面辐射器燃烧，同时利用多孔介质孔隙分层界面与多孔介质燃烧表面辐射器轴向截面渐扩结构稳定燃烧火焰，在多孔介质燃烧表面辐射器上层多孔介质内进行还原性气氛燃烧，抑制NOx生成，甚至能将生成氮氧化物继续还原为氮气；
位于多孔介质燃气燃烧辐射器内的二次风管段受到燃烧加热后，管内二次风受热膨胀，在二次风管喉部上方形成负压区域，自动卷吸喉管下方二次风入口的新鲜空气，形成二次风进入喉管上方，继续受热膨胀后，利用喉管结构控制二次风向上流动，经所述二次风压盖的二次风出口射入燃烧区域，形成卷吸效应，及时补充燃烧所需要的氧气，在多孔介质燃烧辐射器表面上方空间形成氧化性气氛；这样就在多孔介质燃烧表面辐射器轴向方向上先后形成明显还原性与氧化性气氛的两级稳定燃烧区域，抑制NOx生成，直接实现NOx超低排放；同时，所述放射状辐射环能及时回收烟气余热，并通过辐射方式直接辐射给锅底，这样燃烧热量能够通过燃烧多孔介质辐射、高温烟气对流换热、放射辐射环辐射方式实现燃烧热的高效传热。
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