CN1145466A - 具有整体可调桑德豪斯热声元件的声脉动燃烧器 - Google Patents

Abstract

一种声控脉动燃烧器组件，包括一延伸的外管，一位于管内的燃料供应装置，并利用一个或多个整体轴向可调整的Sondhauss热声元件在燃烧器中发生脉动。声脉动是在安放在燃烧器内轴向可移动的封闭端管元件内发生的。这些振动促使燃料燃烧更有效，从而减少在燃烧产物中的不利析出。如果需要，多个不同长度的热声元件可以有利地用来在燃烧器组件中发生不同频率的脉动。燃烧器组件设在炉风箱中，能适用于烧煤气、油或颗粒燃料如煤。

Description

具有整体可调桑德豪斯热声 元件的声脉动燃烧器

本发明是关于产生声脉冲的燃烧器，这种燃烧器可以烧气态，液态或颗粒状的燃料，用在公用或工业用途中。它特别适用于声脉动是由在轴向整体可动的桑德豪斯(Sondhauss)热声型元件自感应产生的那种燃烧器，使燃料可以充分燃烧。

为了提高燃烧效率并降低散发出燃烧产物(NOx，CO，SO₂)，在以煤，煤气或油作燃料的燃烧器中常采用脉动燃烧方式。这种脉动式燃烧器已经有多种设计开发并公开过。例如，授予Zinn等人的美国专利4,529,377公开过一种脉动燃烧器装置，该装置包括有一开端的燃烧管并有一燃烧区，燃烧的燃料在此区内产生一种声的驻态，在此管中具有节点及反节点。授予Zinn等人的美国专利NO.4,699,588公开过一种脉动处理系统，该系统包括有一声共振处理室及一频率调谐脉动燃烧器，用来在该室中以涡动来激励固有声模态。授予Zinn等人的美国专利4,770,626及美国专利4,909,731还公开过一类似的可调谐脉冲燃烧器，这种燃烧器对化学，物理及热过程都可适用。这种燃烧器有一声共振处理室和可调频率的脉冲燃烧器。还有，授予Zinn等人的美国专利5,015,171公开过一类似的改进的调谐脉冲燃烧器，适用于去湿气及颗粒加热，还有一燃烧室有轴向可移动的脱开声偶联及火焰保持器的结构，并利用燃烧器中的火焰保持器的轴向移动。

尽管现有技术中的调谐燃烧器装置已经证明是有用的，这些装置利用声控燃烧室联同内部的火焰驱动脉动激励装置。然而，进一步的燃烧器改进装置已经被探索，结果就是本发明更有效的声脉动型燃烧器。

本发明提供一种声控脉动燃烧器。为此，声脉动由燃烧器内安装的至少一个热声元件所产生，促进通过燃烧器供应的气、液或颗粒燃料的燃烧。燃烧器组件包括一延伸的外管；一位于该外管中的燃料供应装置；以及至少一个位于该外管中的热声元件。

每个热声元件是由一延伸的管构成的，该管具有面向燃烧炉的封闭的前热端，以及位于远离炉子的一敞口的冷端。这些Sondhauss热声型元件放置在延伸的外管内，且在到炉子去的空气流中，而它们在炉子中的位置是轴向可调的。热声元件在燃烧器结构中的轴向位置决定着沿Sondhauss管状元件的长度方向的温度梯度，而温度梯度则决定脉动大小。这一温度差控制着声脉动的强度，而Sondhauss元件的轴向位置则将决定脉动的大小。当热声(诸)元件由燃烧炉移开时，沿管子的温度差减小，将无振动发生。把热声元件向炉子移近，温度差增加而当Sondhauss管的热，冷两截面间的温差达到一临界值时，振动将开始。元件向热炉子进一步移近，振动的强度将增大。热声管的热的前端与较冷的后端间绝对温度之比应在2-3/1范围内。热声元件在燃烧器内由适当的轴承可移动地支承着，而热声元件的位置可以由液动或机动的机构从燃烧器外得到控制。

热声元件的脉动频率由下式决定：

f＝c/4L其中f为声脉动频率，c为Sondhauss管“冷”部分中声的速度，而L为管的轴向长度。所形成的声的频率对热声元件某一特定长度L是定值。不同长度的管可以用来在一燃烧器组件中形成不同频率的脉动。因而燃烧器装置可以形成一种频率的脉动(利用一个或多个同样长度的热声元件)，或者形成多种频率的脉动，只要同时采用有不同管长的复式热声元件。

根据燃烧器组件的特定形态，热声元件可以或者安置在燃烧器纵轴线上、或者靠近此纵轴线(一个元件时)，也可以在延伸的外管范围内对称地布置在燃烧器轴线的周围(二个或更多元件时)。热声元件在燃烧器单元内的最后位置及布置形式由燃烧供应喷嘴的位置所决定，并由所需声脉动的强度及频率所决定。燃烧器尺寸愈大，需要用的热声元件愈多。在特定情况下，可以或者把热声元件，或者把供燃烧喷嘴安排在燃烧器中心线上，而且，或者把热声元件，或者把供燃烧喷嘴以对称的形式安排在延伸的外管以内的燃烧器中心线附近。另一种选择是：只有一个热声元件和一个喷燃料嘴可以相对于燃烧器的中心线以非对称形式安排在伸展的外管内。一般来说，热声元件在最前端位置时，封闭端将稍稍超出外管的前端；而在后退的位置时，元件向后落后一段距离，大致等于燃烧器喉径的0.5。对于燃烧混合燃料，如煤与煤气(gas)，煤与油，或煤气(gas)与油的燃烧器，可以利用以上的安排，与尺寸较大，热声元件更多的燃烧器的适当组合。

Sondhauss管的脉动由管元件的封闭前端的热空气或煤气与管的其余后续部分里的较冷空气或煤气间存在的明显的温度差所驱动。本发明增加的部分是采用沿着管的后部的可调套或衬筒提供并控制元件中的巨大的温度差。套或衬筒起热阻抗的作用，阻止炉子来的热。

来发明有利地提供一种燃烧器组件，结构与操作相对地简单；由于采用各种燃料包括煤气、油以及颗粒状燃料象煤，以及它们的组合的燃烧来运行，因而热效率高。根据本发明的燃烧器单元，包容热声元件及供应空气/燃烧管道的外管外直径可达150-170mm，2,000-3,500mm长，更大的或较小的尺寸也可以用。外管和直径为200-1000mm的炉子喉管对齐。热声元件一般直径为50-80mm，长600-950mm，更小或更大的尺寸也可采用。燃烧器部分一般用合金钢制造，运行温度更高时，宜用陶瓷材料。

本发明将参照以下附图进一步说明如下：

图1为一声脉动燃烧器的示意截面图。位置居中、轴向可移动的单一热声元件装置用在烧煤的燃烧器结构上；

图2为类似的声脉动燃烧器示意截面图。有一位置后中的声脉动元件，周围有多个煤气点火喷嘴；

图3为一声脉动燃烧器组件的示意截面图，有一居中的油点火喷嘴，周围有多个热声元件；

图4表示一用油和/或煤气的燃烧器，和图3中所示相似，但设计不同，有一空气涡动风扇；

图5表示在热声元件开端附近有一轴向可调的外套管的热声元件；

图6及6A表示另一种热声管状元件，有一轴向可调的内套，靠近元件的开端。

如图1中示意地所示，有一声脉动燃烧器单元10装在炉膛17的风箱12内。燃烧器单元10含有一延伸的外管14。通过此管14，把主要风及粉煤燃烧经过喉口15送入炉膛17。二次风从有后墙12a的风箱12由13进入喉口15。外管14围绕着同心的内管16，便于三次风进入炉膛17。

燃烧器单元中央内管16内有一延伸的Sondhauss热声元件20，其前端20a是封闭的，而后端20b则是敞开的。热声元件20在内管16中用适当的多个支承件22支承着，轴向可调，支承件22可以是轴套或者抗摩擦型的轴承。当热声元件20位置在中央常态位置A时，在管元件20中就出现常态的声感应脉动，这是由沿着管长的温度差引起的。此感应脉动使空气燃烧的混合以及燃烧器10与炉膛17里的燃烧过程加强。但当元件20在后向位置B时，不发生脉动，而当元件20位于中央管16中前向位置C时，燃烧器中出现强脉动。热声管20中的这些脉动或振动是由明显的温度差所驱动，此温度差存在于管的封闭前端中的较热的气体与管元件20敞口的后端中的较冷的气体之间。热声元件20在内管16内的这种轴向位置可以用适当的气动或机械装置(未示出)来实现。

燃烧器单元10适当的支承手段(未示出)居中安置在风箱12及炉膛17的喉口15内，支承手段则装到炉膛风箱及炉膛外墙17a上。燃烧器外管14直径可达150-750mm，长可达3500mm，而热声元件可以是50-80mm，800-1000mm长，但也可以用更小或更大的尺寸。管16内的空气/煤的速度可以是15-50米/秒。

如图2中示意地表示的，另一种声脉动燃烧器单元30装在炉37的风箱31里。燃烧器单元30包含有延伸的外管32，居中安排并适当地支承在有后墙31a的风箱31里。在外管32里有一个或更多煤气供应管34，供应燃烧用的煤气。主要空气通过外管32，经过33处的通路供应，而二次空气在33a处供应，经过喉口开口35a进入炉膛35。

在外管32内也有一位置居中的sondhauss热声元件36，其前端36a是封闭的，而后端36b则是敞口的，在中央外管32中支承着并可作轴向调整。当热声管元件36处于中间正常位置A时，正常的声感应脉动出现在管中，使燃烧混合及燃烧过程加强。但当元件36是在退后位置B时，不发生脉动，而当元件36处于前向位置C时，外管32中出现强烈的声脉动。和图1的实施方案相似，这些脉动是由在管的前封闭端中的热气体和在管元件36敞开的后端中的较冷的气体之间明显的温度差所驱动的。

热声元件36是由适当的支承手段38，例如轴套或滚柱轴承支承在外管32内并邻近煤气供应管24。元件36的轴向位置可以用适当的液压或机械手段(未示出)来确定。需要时，一个热声元件36和一个或多个供气管34可以不对称地装在外管32内。燃烧器外管32外径可达150-175mm，长达2,000-3,000mm，而热声元件的直径为50-70mm，长750-950mm，但也可以用更小或较大的尺寸。

图3表示另一种燃烧器单元40，适于烧油燃料。燃烧器单元40装在炉风箱41内，有一延伸的外管42。外管42内，内管43提供燃料(如油)送到在管前端并在炉墙45a的喉口45内的喷嘴44。也在外管42内，至少有一个轴向可移动的sondhauss热声元件46。内供燃烧管43优选用2个到8个sondhauss热声元件46a，46b等回绕着，绕燃烧器40的中心线在圆周方向间隔分布。热声元件46在外管42中用适当的支承手段48支承，并能在轴向从一正常中央位置A(这时出现正常的脉动)，移到后退位置B(这时不出现脉动)，或者移到前向位置C(这时出现强脉动)，象上面对图1及2实施方案中说明的一样。主要气流是在外管42内47处供给的，二次气流是在47a处从风箱41通过炉喉口45供给的。对于这种燃烧器单元型态，燃烧器外管42直径可述150-170mm，长2000-3000mm，而热声元件46直径可以是50-70mm，长750-950mm。

图4所示的燃烧器单元50，既能烧煤气，也能烧油燃料。风箱51中所示的燃烧器单元包括有一延伸的静止的外管52，还有一能移动的关闭件53，位置在管的进口端，用来调节通过管52的主要气流。外管52中前端有一带燃料喷嘴55的延伸管54。和图3的实施方案相似，供燃烧管54至少带有一个，多到8个Sondhauss热声元件56a，56b等。这些元件绕着燃烧器中心线，沿圆周间隔分布。这些热声元件56a，56b等用象轴套或抗摩擦型轴承等轴承支承件58，适当地支承在外管52里。元件56在轴向可以移动，从出现常态声脉动的常态中央位置A移到后退位置B，这时不出现脉动，或者向前移到有前位C，这时出现强脉动。这些元件56被多个空气涡动风扇59所回绕。风扇联接在延伸的外管52上，或管54上，或喷油嘴55上。从炉风箱51来的气流通过关闭装置53及风扇59，进入炉膛57。

如图4中所示的另一种燃烧器的变化可以利用空气涡动风扇59，这些风扇直径较小，因而可以允许轴向空气流通过在中间管52里的回绕涡旋扇的通道。还有一种燃烧器的变化方案可以用在炉墙附近管52周围的空气过道，直接把风扇51和炉膛57联接起来。

本发明的Sondhauss热声元件中的明显的温度差和声脉动，也可以用安排在靠近元件后开端的轴向可调的外套筒来控制或者增强，如图5中一般所示。热声管元件60有一热的前端60a和一较冷的后端60b。回绕着冷后端60b有一轴向可调的外套筒62，两者之间有窄的环形空隙61。热声元件60内的脉动可以用在64处提供冷空气或气体流来补充控制。冷空气流或气体流用来加大管元件60前热端与后冷端截面之间的温度差。如果需要，套筒62上还可以有许多小孔63，沿着长度方向安排，用来让冷空气或气体64逸出。套筒62轴向相对于管60可以利用适当的机械手段(未示出)来移动。

图6所示是另一种控制热声管元件中脉动的方法。延伸的管70包括有热的前端70a和较冷的后端70b。在管的较冷后端70b内有轴向可调的内衬套72，在衬套72和管70之间留有窄的环形间隙71。在环形间隙71内通过冷空气或气体流74可以增加对热声脉动的控制。如果需要，内衬套72上可以加上许多小孔73，如图6A中放大表明的那样，通过这些小孔冷空气或气体可以排出到管70中。另外，热声管70的后部也可以有许多小孔75，冷气体可以从管70排出。衬套72利用适当的机械手段(未示出)可以在轴向活动。

本发明将通过一个典型的燃烧器装置的实施例作进一步的描述，此实例当然不应被认为是对本发明范围的限制。实施例

构成了类似于图1所表示的一种声脉动燃烧器装置，该装置有一延伸的外管，一延伸的内管，及在燃烧器纵向轴线上居中安放着一单一的Sondhauss热声元件。这个燃烧器装置与一进入燃烧炉的喉口紧靠着安装。煤粉由主要气流传送经过燃烧器进入炉中燃烧，例如为生成的压力蒸汽提供热量。

燃烧器的重要尺寸及操作特性如下：

炉的喉口直径        mm                  1,100

外管长度            mm                  3,500

外管直径            mm                  750

内管直径            mm                  375

热声元件长度        mm                  920

热声元件直径        mm                  75

主要空气速度        m/s                 15-50

二次空气/煤速度     m/s                 30-60

炉内燃烧温度℃                          1,700

热声元件热端与较冷端绝对温度之比         2.5

热声元件轴向活动量  mm                  600

虽然本发明已经广泛地而且以特定实施例加以描述，但应该理解：在下述权利要求所规定的范围以内，可以作出任何修改和变动。

Claims (11)

1.一种声脉动型的燃烧器组件，该组件与炉子联用以供烧气态，液态或颗粒燃料之用，它包括：

一延伸的外管，该外管位置靠近炉膛喉口，且适用于空气/燃烧流通过管内；

至少一个热声管元件安放在所述延伸的外管内，所述元件有一封闭的前端和一敞口的后端；和

使所述热声元件在所述外管的前端与后端之间轴向移动的装置，以此来控制燃烧器组件的热声元件内所产生的脉动，因而促进燃烧料的燃烧。

2.权利要求1的燃烧器组件，其特征在于：至少2个轴向可移动的不同长度的热声元件放在所述中央管内，以此在燃烧器内形成至少两种不同频率的声脉动。

3.如权利要求1的燃烧器组件，其特征在于：一个轴向可调的外热套管安置在所述热声元件的后部，以方便元件的温度控制。

4.如权利要求1的燃烧器组件，其特征在于：在所述的热声元件的后部有一轴向可调的内衬套，用来方便元件的温度控制。

5.如权利要求1的燃烧器组件，其特征在于：所述热声管元件可以从一前方位置向一后方位置移动，在此前方位置时热声管的封闭的前端伸展超出外管的前端，而在热声管的后方位置时封闭端退后一段等于大约外管直径一半的距离。

6.如权利要求1的燃烧器组件，包括用于传送空气的一延伸的内管装置，且该装置在所述外管及所述热声元件之间同心设置因而形成一外管与内管间环形的通道，因而主要空气及燃料可以通过此所述环形通道送到炉内在炉内燃烧。

7.如权利要求1的燃烧器组件，包括多个延伸的管状容器，该容器位置在所述外管与所述热声元件之间的所述环形空间内。

8.如权利要求1的燃烧器组件，包括用于传送燃料的一个延伸的内管装置，该装置同心地位于所述外管内，且多个所述热声元件安排在其中的环形空间内。

9.如权利要求1的燃烧器组件，其特征在于：所述延伸的外管其前端接到炉墙上，而在管的后端有一关闭装置以控制通过管的主要气流。

10.如权利要求1的燃烧器组件，其特征在于：所述外管直径为150-750mm，长为2,000-3,500mm，而所述热声管元件直径为50-80mm，长为650-950mm。

11.一种声脉动型燃烧器组件，该组件与适于烧颗粒燃料的炉联用的，包括有：

(a)一延伸的外管，该外管可以安放在靠近炉的喉口并适于让主要空气/煤流通过此管；

(b)一延伸的内管，该内管同心安放在所述外管内用于传送空气；

(c)至少一个延伸的热声管状元件，该元件同心地安放在所述延伸的内管中，所述元件有一封闭的前端及一敞开的后端；以及

(d)一种装置，用来在所述内管内轴向支持所述热声元件并使所述元件在所述内管的一前往与一后位之间移动，由此控制燃烧器组件的热声元件内发生的声脉动，促进燃料的燃烧。

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