CN115143464A - 一种用于天然气和氢气单独燃烧或混燃的面状燃烧喷嘴 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面状燃烧喷嘴，用于氢气和天然气单独燃烧或混燃，涉及热能与动力工程技术领域，其包括：燃料腔体和空气腔体，燃料腔体连接有燃料导入口以及燃料喷射口，燃料导入口用于向燃料腔体导入燃料；空气腔体连接有空气导入口以及空气喷射口，空气导入口用于向空气腔体导入空气，其中，燃料腔体和空气腔体被分隔形成两独立的腔体，燃料腔体的上表面形成燃料喷射口，空气腔体的上表面形成空气喷射口，燃料喷射口同轴穿过空气喷射口向上延伸设置，且空气喷射口的直径大于燃料喷射口，以使得燃烧火焰在同轴分布的燃料喷射口与空气喷射口形成面状的扩散燃烧火焰。本发明提高燃烧喷嘴对燃烧原料适应性，解决燃料燃烧过程中火焰均一性的问题。

Description

一种用于天然气和氢气单独燃烧或混燃的面状燃烧喷嘴

技术领域

本发明涉及热能与动力工程技术领域，具体涉及一种用于天然气和氢气单独燃烧或混燃的面状燃烧喷嘴。

背景技术

近年来，由于世界各国政府对能源和污染物排放的监管越来越严格，因此发展无碳及低碳排放的能源利用技术越来越受到各国重视。可再生能源如太阳能，地热，风力，水力的利用变得日益重要。然而可再生能源存在着能量密度低，难以大量储存和运输等问题。

天然气在日常生活和生产过程中被广泛使用，但是其存在火焰速率较慢、稀燃能力差和热效率较低等问题，研究学者发现天然气与氢气掺混燃烧能够有效解决燃烧速率较慢的问题。氢气具有较高的质量能量密度，且燃烧只生成水，可有效减少温室气体的排放，因此氢气被认为是最理想的清洁能源，然而由于氢具有较宽的燃烧范围和较快的燃烧速度，使得用于氢气的预混型燃烧喷嘴容易出现回火的问题，以致氢气难以在预混燃烧喷嘴上广泛使用。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明提供一种用于天然气和氢气单独燃烧或混燃的面状燃烧喷嘴，燃料气与空气分别通过同轴分布的燃料喷射口与空气喷射口喷出，形成面状的扩散燃烧火焰，提高燃烧喷嘴对燃烧原料适应性，解决燃料燃烧过程中火焰均一性的问题。

为实现上述目的，本发明可以采用以下技术方案进行：

一种面状燃烧喷嘴，用于氢气和天然气单独燃烧或混燃，其包括：

燃料腔体，其连接有燃料导入口以及燃料喷射口，所述燃料导入口用于向所述燃料腔体导入燃料；

空气腔体，其连接有空气导入口以及空气喷射口，所述空气导入口用于向所述空气腔体导入空气，其中，所述燃料腔体和所述空气腔体被分隔形成两独立的腔体，所述燃料腔体的上表面形成所述燃料喷射口，所述空气腔体的上表面形成所述空气喷射口，所述燃料喷射口同轴穿过所述空气喷射口向上延伸设置，且所述空气喷射口的直径大于所述燃料喷射口，以使得燃烧火焰在同轴分布的所述燃料喷射口与所述空气喷射口形成面状的扩散燃烧火焰。

如上所述的面状燃烧喷嘴，进一步地，还包括燃料腔壳体，所述燃料腔壳体的内部形成所述燃料腔体，所述燃料腔壳体的两端设有两所述燃料导入口，且所述燃料腔壳体的上表面向上延伸形成有若干所述燃料喷射口。

如上所述的面状燃烧喷嘴，进一步地，还包括空气腔壳体，所述空气腔壳体的内部形成所述空气腔体，所述空气腔壳体的两端设有两所述空气导入口，且所述空气腔壳体的上表面开孔形成有若干所述空气喷射口。

如上所述的面状燃烧喷嘴，进一步地，所述燃料腔壳体和所述空气腔壳体分体设置，所述空气腔壳体放置在所述燃料腔壳体的上方，且所述空气喷射口与所述燃料喷射口一一对应。

如上所述的面状燃烧喷嘴，进一步地，所述燃料腔壳体和所述空气腔壳体的材料包括不锈钢、铜、铝、钛、铝合金、钛合金的任一种。

如上所述的面状燃烧喷嘴，进一步地，所述燃料包括任意比例的含氢和天然气的可燃烧气体。

如上所述的面状燃烧喷嘴，进一步地，所述燃料喷射口的直径小于2mm，且所述空气喷射口的直径是所述燃料喷射口的直径的2-2.5倍。

如上所述的面状燃烧喷嘴，进一步地，相邻两所述燃料喷射口的相隔距离与相邻两所述空气喷射口的相隔距离相等，且所述相隔距离为所述空气喷射口的直径的1.15-2倍。

如上所述的面状燃烧喷嘴，进一步地，所述空气喷射口的上端与所述空气腔壳体的上表面等高，或高于所述空气腔壳体的上表面，且所述空气喷射口的上端低于所述燃料喷射口的上端。

如上所述的面状燃烧喷嘴，进一步地，所述空气喷射口与所述燃料喷射口为同轴设置的柱状的管体，所述管体的形状包括圆柱形状、椭圆柱状、正六角柱状、正八角柱状的任一种。

本发明与现有技术相比，其有益效果在于：

1、本发明的燃烧喷嘴能够单独燃烧天然气或者氢气，或者混合燃烧上述燃料，燃料气与空气分别通过同轴分布的燃料喷射口与空气喷射口喷出，形成面状的扩散燃烧火焰，增强了本燃烧喷嘴对燃烧原料的适应性，提高了天然气和氢气燃烧的均一性，提高了其燃烧性能。

2、相邻空气喷射口在天然气/氢气单独燃烧或混合燃烧时可以确保相邻火焰的相同燃烧氛围，起到保护相邻火焰的作用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图进行简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的面状燃烧喷嘴的结构示意图；

图2为本发明实施例的燃烧喷嘴的空气腔体以及燃料喷射口的结构示意图；

图3为本发明实施例的燃烧喷嘴的燃料腔体的结构示意图；

图4为本发明实施例的燃烧喷嘴的单个燃料喷射口及空气喷射口的结构示意图；

图5为本发明实施例的沿长宽平面组合多块相同的燃烧喷嘴使用的结构示意图；

图6为本发明实施例的喷射口排列间距与氢气火焰的相互干扰效果图；

图7为本发明实施例的10kW面状燃烧喷嘴的燃烧效果图。

其中：1、空气喷射口；2、燃料喷射口；3、空气腔壳体；4、空气腔体；5、燃料腔体；6、燃料腔壳体；A1、第一空气导入口；A2、第二空气导入口；F1、第一燃料导入口；F2、第二燃料导入口；AL1、左侧第一空气导入口；ALi、左侧第i个空气导入口；ALn、左侧第n个空气导入口；FL1、左侧第一燃料导入口；AR1、右侧第一空气导入口；ARi、右侧第i个空气导入口；ARn、右侧第n个空气导入口；FR1、右侧第一燃料导入口；FRi、右侧第i个燃料导入口；FRn、右侧第n个燃料导入口。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

实施例：

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，本发明实施例的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

参见图1至图7，本发明提供一种用于天然气和氢气单独燃烧或混燃的面状燃烧喷嘴，燃料气与空气分别通过同轴分布的燃料喷射口2与空气喷射口1喷出，形成面状的扩散燃烧火焰，提高燃烧喷嘴对燃烧原料适应性，解决燃料燃烧过程中火焰均一性的问题。

参见图1，图1展示了一种用于天然气和氢气单独燃烧或混燃的面状燃烧喷嘴，其包括：燃料腔体5和空气腔体4，燃料腔体5连接有燃料导入口以及燃料喷射口2，燃料导入口用于向燃料腔体5导入燃料；空气腔体4连接有空气导入口以及空气喷射口1，空气导入口用于向空气腔体4导入空气，其中，燃料腔体5和空气腔体4被分隔形成两独立的腔体，燃料腔体5的上表面形成燃料喷射口2，空气腔体4的上表面形成空气喷射口1，燃料喷射口2同轴穿过空气喷射口1向上延伸设置，且空气喷射口1的直径大于燃料喷射口2，以使得燃烧火焰在同轴分布的燃料喷射口2与空气喷射口1形成面状的扩散燃烧火焰。

具体地，燃料腔体5与燃料导入口以及燃料喷射口2相连通，氢气、天然气或氢气/天然气混合燃料经燃料导入口进入燃料腔体5，随后从燃料喷射口2喷出。空气腔体4与空气导入口以及空气喷射口1相连通，空气经空气导入口进入空气腔体4，随后从空气喷射口1喷出，与燃料进行燃烧，并起到降温和保护喷嘴的作用。可以理解的是，本发明合理排列非预混喷嘴，该喷嘴将燃料和空气分别喷出来，然后将燃料和空气混合起来燃烧，有利于解决燃料燃烧速度过快导致的易于回火及燃烧不稳定的问题，并形成温度均一的、稳定的天然气和氢气单独燃烧或混燃的燃烧火焰。

参见图1-图3，作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，还包括燃料腔壳体6，燃料腔壳体6的内部形成燃料腔体5，燃料腔壳体6的两端设有两燃料导入口，且燃料腔壳体6的上表面向上延伸形成有若干燃料喷射口2。进一步地，还包括空气腔壳体3，空气腔壳体3的内部形成空气腔体4，空气腔壳体3的两端设有两空气导入口，且空气腔壳体3的上表面开孔形成有若干空气喷射口1。进一步地，燃料腔壳体6和空气腔壳体3分体设置，空气腔壳体3放置在燃料腔壳体6的上方，且空气喷射口1与燃料喷射口2一一对应。进一步地，燃料腔壳体6和空气腔壳体3的材料包括不锈钢、铜、铝、钛、铝合金、钛合金的任一种。

本实施例中，燃料腔体5设置在燃料腔壳体6内部，燃料从两燃料导入口进入燃料腔体5，随后从若干燃料喷射口2喷出；空气腔体4设置在空气腔壳体3的内部，空气从两空气导入口进入空气腔体4，随后从若干空气喷射口1喷出，且燃料腔体5与空气腔体4内部长度宽度及高度均相等，空气喷射口1与燃料喷射口2一一对应。此外，可利用3D打印机制作本燃料喷嘴，如图1所示，由于本燃料喷嘴不需要螺丝紧固，所以与螺丝紧固型的燃烧器相比，其具有小型化的优点。

需要说明的是，本燃料喷嘴的数量及排列分布方式可根据实际应用场景和需求进行合理分配，如图5所示，在本实施例中，沿长宽平面组合多块相同的燃烧喷嘴，其包括空气腔体4、燃料腔体5、第一空气导入口A1、第二空气导入口A2、左侧第一空气导入口A_L1、左侧第i个空气导入口A_Li、左侧第n个空气导入口A_Ln、右侧第一空气导入口A_R1、右侧第i个空气导入口A_Ri、右侧第n个空气导入口A_Rn、第一燃料导入口F1、第二燃料导入口F2、左侧第一燃料导入口F_L1、右侧第一燃料导入口F_R1、右侧第i个燃料导入口F_Ri以及右侧第n个燃料导入口F_Rn，且喷嘴间的间隔可根据实际的应用分配。示例性地，如图7所示，图7展示了10kW面状燃烧喷嘴的燃烧效果图，在本实施例中，采用3×30的喷嘴阵列的10kW面状燃烧喷嘴，燃料为80％的氢气和20％的甲烷，从图中可以看出，所有的燃料喷射口2均稳定地形成了一个站立的火焰，燃烧喷嘴整体可以保持稳定的状态。

作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，燃料包括任意比例的含氢和天然气的可燃烧气体。示例性地，本燃料喷嘴可以针对供给燃料中天然气/氢气的不同比例，通过调节燃料气在燃料喷射口2的出口速度以及空气在空气喷射口1的出口速度，或者通过控制燃料的进气量，又或者通过调节燃料喷射口2及空气喷射口1的直径，进而匹配不同燃料混合比例时的燃烧速度，实现不同燃料条件下的天然气/氢气单独燃烧或混合燃烧的稳定及均一燃烧。

下面通过具体实施例来阐述说明本发明针对任意比例的含氢和天然气的混合燃料，均能实现稳定的燃烧效果，如表1所示，

表1不同氢气和甲烷混合燃料在该面状燃烧器中的燃烧表现

表1列出了不同比例的氢气和甲烷混合燃料在该燃料喷嘴中的燃烧实验表现，事实证明火焰非常稳定。点燃后，火焰瞬间蔓延到整个表面。由此可见，本发明针对任意比例的含氢和天然气的混合燃料，均能实现稳定的燃烧效果。

作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，燃料喷射口2的直径小于2mm，且空气喷射口1的直径是燃料喷射口2的直径的2-2.5倍。进一步地，相邻两燃料喷射口2的相隔距离与相邻两空气喷射口1的相隔距离相等，且相隔距离为空气喷射口1的直径的1.15-2倍。

具体地，将燃料喷射口2的直径设为2mm以下，能够合理地排列组合出若干燃料喷射口2和空气喷射口1的排列方式，因此能够在阵列状的面上燃烧，实现均匀加热，且空气喷射口1的直径大于燃料喷射口2的直径，即空气喷射口1被配置成围绕燃料喷射口2。通过这样的配置，燃料从燃料喷射口2向上方喷射，空气从夹在空气喷射口1和燃料喷射口2之间的环形孔向上方喷射。也就是说，本燃烧喷嘴是一种非预混合型的扩散燃烧器，其通过将燃料和空气分别喷出来，然后将燃料和空气混合起来燃烧。

此外，相邻两燃料喷射口2的相隔距离与相邻两空气喷射口1的相隔距离相等，当相邻空气喷射口1在天然气/氢气单独燃烧或混合燃烧时，可以确保相邻火焰具有相同的燃烧氛围，起到保护相邻火焰的作用。示例性地，将本发明的燃烧喷嘴，相邻两燃料喷射口2的相隔距离分别设置为5mm和10mm，其燃烧效果如图6所示，图6(a)展示了相隔距离为10mm时的燃烧效果，图6(b)展示了相隔距离为5mm时的燃烧效果，从图中可以看出，当相隔距离为5mm时，火焰相互干涉，而当相隔距离为10mm时，干涉效果很小。

参见图4，作为一种可选的实施方式，在某些实施例中，空气喷射口1的上端与空气腔壳体3的上表面等高，或高于空气腔壳体3的上表面，且空气喷射口1的上端低于燃料喷射口2的上端。进一步地，空气喷射口1与燃料喷射口2为同轴设置的柱状的管体，管体的形状包括圆柱形状、椭圆柱状、正六角柱状、正八角柱状的任一种。

本实施例中，空气喷射口1的上端可以与空气腔壳体3的上表面等高，也可以相对于该空气腔壳体3的上表面稍微向上方突出配置，且燃料喷射口2被配置成比空气喷射口1更向上突出。这是因为，燃料的燃烧速度很快，如果燃料喷射口2没有突出，即使着火也会马上消失，火焰不稳定。另外，由于含有氢的燃料气体喷出的燃料喷射口2更突出，空气从空气喷射口1喷出起到冷却的作用，因此也有防止作为部件的头部烧损的效果。空气喷射口1与燃料喷射口2为同轴设置的柱状的管体，此处管体既可以是圆柱状或椭圆柱状，也可以是正六角柱状或正八角柱状等，还可以是正六角柱或正八角柱中的角稍微带圆的柱状。

此外，在图4中，空气喷射口1的下端可以是在与空气腔壳体3的上表面内侧等高的位置，也可以沿着该空气腔壳体3的上表面向下延伸。另外，在图4中，空气喷射口1和空气腔壳体3的上表面被示为是分离的部件，但是空气喷射口1和空气腔壳体3的上表面也可以作为一体型的部件来构成。同样的，燃料喷射口2的下端可以是在与燃料腔壳体6的上表面的内侧等高的位置，也可以沿着燃料腔壳体6的上表面向下延伸。另外，在图4中，虽然燃料喷射口2和燃料腔壳体6的上表面被示为分离材料，但是燃料喷射口2和燃料腔壳体6的上表面也可以作为一体型的部件构成。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

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 (10)

1.一种面状燃烧喷嘴，用于氢气和天然气单独燃烧或混燃，其特征在于，包括：

燃料腔体，其连接有燃料导入口以及燃料喷射口，所述燃料导入口用于向所述燃料腔体导入燃料；

空气腔体，其连接有空气导入口以及空气喷射口，所述空气导入口用于向所述空气腔体导入空气，其中，所述燃料腔体和所述空气腔体被分隔形成两独立的腔体，所述燃料腔体的上表面形成所述燃料喷射口，所述空气腔体的上表面形成所述空气喷射口，所述燃料喷射口同轴穿过所述空气喷射口向上延伸设置，且所述空气喷射口的直径大于所述燃料喷射口，以使得燃烧火焰在同轴分布的所述燃料喷射口与所述空气喷射口形成面状的扩散燃烧火焰。

2.根据权利要求1所述的面状燃烧喷嘴，其特征在于，还包括燃料腔壳体，所述燃料腔壳体的内部形成所述燃料腔体，所述燃料腔壳体的两端设有两所述燃料导入口，且所述燃料腔壳体的上表面向上延伸形成有若干所述燃料喷射口。

3.根据权利要求2所述的面状燃烧喷嘴，其特征在于，还包括空气腔壳体，所述空气腔壳体的内部形成所述空气腔体，所述空气腔壳体的两端设有两所述空气导入口，且所述空气腔壳体的上表面开孔形成有若干所述空气喷射口。

4.根据权利要求3所述的面状燃烧喷嘴，其特征在于，所述燃料腔壳体和所述空气腔壳体分体设置，所述空气腔壳体放置在所述燃料腔壳体的上方，且所述空气喷射口与所述燃料喷射口一一对应。

5.根据权利要求4所述的面状燃烧喷嘴，其特征在于，所述燃料腔壳体和所述空气腔壳体的材料包括不锈钢、铜、铝、钛、铝合金、钛合金的任一种。

6.根据权利要求1所述的面状燃烧喷嘴，其特征在于，所述燃料包括任意比例的含氢和天然气的可燃烧气体。

7.根据权利要求1所述的面状燃烧喷嘴，其特征在于，所述燃料喷射口的直径小于2mm，且所述空气喷射口的直径是所述燃料喷射口的直径的2-2.5倍。

8.根据权利要求7所述的面状燃烧喷嘴，其特征在于，相邻两所述燃料喷射口的相隔距离与相邻两所述空气喷射口的相隔距离相等，且所述相隔距离为所述空气喷射口的直径的1.15-2倍。

9.根据权利要求3所述的面状燃烧喷嘴，其特征在于，所述空气喷射口的上端与所述空气腔壳体的上表面等高，或高于所述空气腔壳体的上表面，且所述空气喷射口的上端低于所述燃料喷射口的上端。

10.根据权利要1所述的面状燃烧喷嘴，其特征在于，所述空气喷射口与所述燃料喷射口为同轴设置的柱状的管体，所述管体的形状包括圆柱形状、椭圆柱状、正六角柱状、正八角柱状的任一种。

Images