CN1272910A - 燃烧器 - Google Patents

Abstract

一种用于燃烧气态燃料与诸如氧气或空气等燃烧维持气体的混合气的燃烧器包含一个燃烧器管(11),其一端(11’)敞开而另一端(11”)封闭,并带有一个火焰稳定器(30),其中燃料在邻近于敞开端(11’)处燃烧,火焰稳定器(30)中贯穿着混合气通道(52,54,56,58),燃烧器(10)在邻近于封闭端(11”)处具有入口(14,16),它们分别连接着燃烧维持气体和气态燃料的供应管线,在上述管线中的一条中带有一个控制阀,其可以操纵以控制火焰的大小,上述一条管线中装有一个压力或流率传感器,而另一条管线中装有一个响应于传感器的可变增益器或限制器,以平衡供应到燃烧器(10)中的空气和燃料,从而不论火焰的大小如何均能确保混合气保持化学配比,并且使得混合燃气最低流率至少可以低至混合燃气最高流率的1/60,而每个通道(52,54,56,58)分别在邻近燃烧器(10)的封闭端(11”)处具有一个扩张出口(60),每个通道的尺寸使得,在混合燃气的最高可达流率下,火焰不会从火焰稳定器中离开,而在最低流率下,通道(52,54,56,58)中某些点处的混合燃气速度足以防止穿过火焰稳定器的回火。

Description

燃烧器

本发明涉及一种燃气燃烧器，其适合用在，例如燃烧炉、锅炉、空间加热设备和烤箱以及工业用燃炉或高温反应堆中。装有火焰稳定器的燃烧器还适合用在闪光烟道中。

用作燃料的燃气可以是燃气燃烧器中通常使用的任何可燃气体。例如，燃气可以是丁烷、丙烷、天然气以及诸如工业用或普通家用废料等有机材料气化而产生的碳氢化合物气体。

下面将要公开的燃烧器的目的是确保燃料与空气或氧气完全混合，并使它们只以燃料完全燃烧所需的正确化学配比进入燃烧器的混合室中，同时以至少高达60∶1的调节比提供稳定的火焰。

一种优选的用于可燃气态燃料的燃烧器中包含一个燃烧器管，其敞开于一端而封闭于另一端，并带有一个火焰稳定器，其中燃料在邻近于敞开端处燃烧，火焰稳定器中贯穿着燃料与空气的通道，燃烧器在邻近于封闭端处具有空气或氧气与燃料的入口，入口中分别装有计量嘴，用以沿大致径向将空气和燃料分开输送到管中，管在入口与火焰稳定器之间构成一个混合区域，计量嘴中分别具有孔，它们的流动横截面面积对应于燃料基本完全燃烧所需的空气与燃料的化学配比。

本发明的燃烧器可以有益地允许大范围地改变空气/燃料流率，即具有高调节比。而传统的燃烧器的调节比仅为4或5比1左右。这样，空气与燃料的供应比率可以降低到这种传统燃烧器最大容量的四分之一或五分之一。进一步降低将导致火焰不稳定；最终火焰将熄灭并消失。

本发明试图提供一种具有更大调节比的燃烧器。为此，本发明提供了一种燃烧器，其用于燃烧气态燃料与诸如氧气或空气等燃烧维持气体的混合气，该燃烧器包含一个燃烧器管，其敞开于一端而封闭于另一端，并带有一个火焰稳定器，其中燃料在邻近于敞开端处燃烧，火焰稳定器中贯穿着混合气通道，燃烧器在邻近于封闭端处具有入口，它们分别连接着燃烧维持气体和气态燃料的供应管线，在上述管线中的一条中带有一个控制阀，其可以操纵以控制火焰的大小，上述一条管线中装有一个压力或流率传感器，而另一条管线中装有一个响应于传感器的可变增益器或限制器，以平衡供应到燃烧器中的空气和燃料，从而不论火焰的大小如何均能确保混合气保持化学配比，并且使得混合燃气最低流率至少可以低至混合燃气最高流率的1/60，而每个通道分别在邻近燃烧器的封闭端处具有一个扩张出口，每个通道的尺寸使得，在混合燃气的最高可达流率下，火焰不会从火焰稳定器中离开，而在最低流率下，通道中某些点处的混合燃气速度足以防止穿过火焰稳定器的回火。

与现有燃烧器相比，本发明的燃烧器所呈现出的显著不同之处在于，装有可以供应足够高压的气态燃料源与燃烧维持气体源，在高流率下，气态燃料与燃烧维持气体可以在火焰稳定器中实现足够的压降以获得所需流率，从而使得燃烧器在低流率下可以在火焰稳定器中提供稳定的火焰，同时又能提供增大60倍的混合气流率。

本发明的燃烧器可以提供60∶1左右的调节比，因此，即使空气与燃料的供应比率降低到最大容量的六十分之一，也能够保持稳定的火焰。

由于热量输出可以控制在一个宽阔的范围内，因此这种高调节比非常有益。此外，这种燃烧器可以理想地用于燃气供应不稳的调节下，正如闪光烟道中经常出现的那样。

入口中装有计量嘴，用以沿非轴向，例如大致径向，将空气和燃料分开输送到管中，而管则在入口与火焰稳定器之间构成一个混合区域，计量嘴中分别具有孔，它们的流动横截面面积对应于燃料基本完全燃烧所需的空气与燃料的化学配比。优选的是，入口安置在管中，用以沿彼此冲击的方向输送空气和燃料，以产生紊流并在管中混合，例如，入口可以在管中彼此径向相对安置。

为了方便，火焰稳定器中提供了一个支架，用以安装一个点火器和与之相连的接地电极，而且作为可选择结构，火焰稳定器中还提供了一个支架，用以安装一个电离探针

优选的是，燃烧器中包含一个监视和控制系统，其与电离探针连接着，用以在未燃烧碳超过一个预定量级时终止燃料供应。

在这样一个实施例中，可以将一个阀装于空气供应管线中，而一个增益器或限制器装于燃料管线中，或者，也可以将一个阀装于燃料管线中，而一个变速风扇装于空气管线中。

火焰稳定器中可以包含两个或多个嵌套着的管，每对相邻管之间分别确定出火焰稳定器中的上述气态燃料通道中的一个，但也可以采用其它构成通道的方法，例如一个盘中的一组孔。

管(30a，30b，30c)可以通过一个或多个横向销钉(33)保持彼此之间的相对位置，并包含一个中心孔，其带有一个扩张出口。

每个扩张出口的终端部分分别由平行于火焰稳定器纵向轴线的内、外圆筒形壁确定出来。

下面将通过参考附图而只以例子的形式描述本发明的一个燃烧器，附图包括：

图1是采用了根据本发明的一个火焰稳定器实施例的燃烧器的端视图；

图2是图1中的燃烧器沿图1中的线II-II的纵向横截面图；以及

图3是图1中的燃烧器的火焰稳定器沿图1中的线III-III的纵向横截面图。

图中所示的燃烧器10包含一个管状外壳11，其由耐热材料，如不锈钢制成，并带有一个安装法兰13，用以将外壳紧固到一个未示出的燃烧设备上。燃烧设备可以是，例如，锅炉、燃气式空间加热装置、燃炉或闪光烟道。

燃烧器的一个前端11’是敞开的，用以发出火焰，而相反的后端11”则是封闭的并被密封到一个丙烯酸观察窗口12上。

邻近于后端安置着入口14、16，它们分别用于流入空气(或氧气)和燃料即可燃气体。入口14、16通过内螺纹拧紧在接头上，以将入口与适合的空气/燃料供应管线连接起来。

燃料入口16小于空气入口14。两个入口14、16均带有内螺纹并分别在内部装有一个计量嘴18、20。计量嘴18中带有一个孔22，它的直径远大于计量嘴20中的孔24。

孔22、24的流动横截面面积之比对应于可燃燃料完全氧化即燃烧所需的空气与燃料的化学配比。对于完全燃烧，不同的燃料需要不同量的空气(或氧气)，因此化学配比随着燃料的变化而变化。

因此可以设想，嘴18和20要与被燃烧的特定燃料所需的化学配比相匹配。因此，如果燃烧的燃料被改变，则嘴18、20中的一个或两个需要更换以适应于燃料，从而使燃烧效率最大化，而供应到嘴18和20中的气压相同，从而使燃料和空气以比例流入嘴18、20中的孔22、24中，在下面的说明中假定保持这种等压状态。

孔22、24的所需流动横截面面积之比可以根据实验确定。或者，如果燃料的成分已知，也可以通过理论计算得出。

作为例子，对于包含碳氢化合物混合气的燃料，当空气和燃气的压力位于30”水位(76毫巴)左右时，孔22、24的面积之比为10∶1左右。作为比较，现有高压燃烧器可以工作在2-3”水位(5.1-7.6毫巴)。标准商品燃烧器通常工作在0.5”水位(1.3毫巴)的空气压力和2”水位(5.1毫巴)的燃气压力。

在燃烧器的外壳11内部装有一个根据本发明的固定的火焰稳定器30，其由嵌套的同轴钢圈构成。火焰稳定器30确定出若干大致环形的喷口，用以发出燃料和空气的混合气流。各喷口被点燃以获得所需的火焰。为点燃喷口，装有一个点火器。点火器包含一个火花电极32和一个接地电极34。电极32与火焰稳定器30之间被电绝缘。电极32和34向后伸展并通过窗口12而伸至相应的端子36、38，以连接电源。

火焰稳定器30由三个同轴管30a、30b、30c构成，它们通过轴向相隔的横向黄铜制销钉33(见图3)而保持固定的相对空间位置，而所述销钉则被压配在管30a、30b、30c中彼此对齐的径向孔中。火焰稳定器30通过销钉31而以一个整体的形式支撑并安置在燃烧器外壳11中。

管30a、30b、30c的尺寸和形状使得相对较窄的环形通道52、54、56和58分别形成于管30a与燃烧器外壳11之间、管30a与30b之间、管30b与30c之间以及管30c与电极34之间。所有这些通道均在火焰稳定器30上的与燃烧器外壳11的敞开端11’相邻近的一端带有扩张出口60。

在图示的实施例中显示了三个管，但管的数量可以从1开始向上选择，这取决于燃烧器10所需的最大输出功率。

每个管30b和30c上分别带有一对纵向半圆柱形槽，这些槽互相协作而构成两个大致圆筒形通道以插入并保持电极32和探针40，如图1所示，而管30b与30c之间的环形通道的其余部分以及管30a与30b之间的环形通道如图3所示。

各通道和扩张出口的尺寸使得，在可燃混合气的最大设计流速下，火焰能够被限制在火焰稳定器中，而在可燃混合气的最小设计流速下，通道52至58的窄部分中的可燃混合气的速度足以防止“回火”，即火焰向混合室传播回去。

在火焰稳定器30中还绝缘安装着一个电离探针40，它也是向后通过板12而伸至一个端子42。利用电离探针40和接地电极34可以监视火焰中的碳含量。如果发现碳含量高于一个表明燃烧不完全的预定值，则可以以现有方式安置的监视器会启动一个控制系统，以中断燃料供应。这样，火焰可以熄灭。

在传统的吹气式燃烧器中，气态燃料从一个位于燃烧器管端部处的喷口中喷出，而火焰即在此点点燃。燃气通过管内轴向布置的导管输送到喷口中。燃烧所需的空气则在一个电动风扇的作用下从管上的气孔中供应，这些气孔邻近于喷口上游。与燃气相混合的空气在点燃点处从喷口中排出。

为了使燃烧完全和以化学配比进行，空气与燃气要以正确的体积比混合。在传统的吹气式燃烧器中，一种气体被喷入另一种气体中，由于在燃烧时不能实现混合，因而不能保证总是最大效率地燃烧。其结果是，空气和燃料的混合不充分。事实上，不可能横跨焰峰获得正确的空气/燃料化学配比。因此，观察到的火焰具有清楚的不同颜色的火焰区域，这表明混合状况差、空气/燃料化学配比变化以及燃料燃烧不完全。

与此相反，利用根据本发明的燃烧器，可以观察到从火焰稳定器30中发出的火焰横跨整个焰峰是基本均匀的，可以明显看到均匀的明亮蓝色并且只有非常少的黄色火焰区域。具有这种外观的火焰是燃料几乎完全燃烧的理想火焰的实际体现。

可以相信，通过燃烧器10的两个特征可以使燃烧器实现完全燃烧。第一，燃料和空气以正确的化学配比加入，这主要由嘴18、20中的孔22、24控制。第二，从图中可以看到，嘴18、20中的孔以逆流喷口的形式将空气和燃料引入燃烧器外壳中，即两个喷口处于相互冲击的位置上。如图所示，两个嘴上带有径向对置的喷口。这种相互冲击的喷嘴可以确保在燃烧器外壳中非常有效地初始混合。基本上，在外壳11的后端会产生高度的紊流，而外壳11提供了一个混合室，其在嘴18、20与火焰稳定器30的出口端之间具有很大的长度。当嘴18、20引入的燃料/空气到达火焰稳定器30时，这些气体将处于完全混合的状态，该状态是正确和完全燃烧的理想状态。

燃烧器10的操作和热量输出可以通过各种方法控制。理想的是，空气供应系统中包含一个控制阀，而且空气供应管线中装有一个流率或压力传感器。而传感器则控制着一个燃料平衡器，即一个燃气增益器或限制器。这样的装置是公知的，因此这里不再详细解释。然而，需要说明的是，控制系统的目标是平衡流入燃烧器10的燃气和空气的压力和流率，从而在利用空气控制阀调节燃烧器时保持理想的化学配比。对于这种结构，唯一需要被控制的阀是空气控制阀。

或者，燃烧器也可以通过一个工作于燃气供应系统中的单一的阀控制。在这种情况下，燃气压力或流率由一个传感器确定，而该传感器用于控制空气压力或流率。作为例子，空气压力或流率可以通过一个适宜的变速风扇或吹风机改变。

在将多于一个的燃烧器安装在，例如一个锅炉房中时，可以预计，空气和燃气均以高压供应。这样，只需要平衡器装置即可以确保所有燃烧器以正确的体积比接收到空气和燃料。

前面描述的燃烧器10可以单独用于小型设备，如居室或小型商用空间加热系统，以及烹调烤箱或烤炉。而在工业用大型系统、给定的燃炉、锅炉房、反应堆或类似物中，则需要许多这样的燃烧器10，这种燃烧器非常便于连接到普通空气和燃料供应管线。

由于具有高度稳定的火焰，因此附图中显示的燃烧器10燃烧得极快。作为例子，一个这样的燃烧器具有275mm的总长和76mm的直径。所产生的噪音低于燃烧所需空气的供应风扇所产生的噪音。

Claims (14)

1.一种燃烧器，其用于燃烧气态燃料与诸如氧气或空气等燃烧维持气体的混合气，该燃烧器包含一个燃烧器管(11)，其一端(11’)敞开而另一端(11”)封闭，并带有一个火焰稳定器(30)，其中燃料在邻近于敞开端(11’)处燃烧，火焰稳定器(30)中贯穿着混合气通道(52，54，56，58)，燃烧器(10)在邻近于封闭端(11”)处具有入口(14，16)，它们分别连接着燃烧维持气体和气态燃料的供应管线，在上述管线中的一条中带有一个控制阀，其可以操纵以控制火焰的大小，上述一条管线中装有一个压力或流率传感器，而另一条管线中装有一个响应于传感器的可变增益器或限制器，以平衡供应到燃烧器(10)中的空气和燃料，从而不论火焰的大小如何均能确保混合气保持化学配比，并且使得混合燃气最低流率至少可以低至混合燃气最高流率的1/60，而每个通道(52，54，56，58)分别在邻近燃烧器(10)的封闭端(11”)处具有一个扩张出口(60)，每个通道的尺寸使得，在混合燃气的最高可达流率下，火焰不会从火焰稳定器中离开，而在最低流率下，通道(52，54，56，58)中某些点处的混合燃气速度足以防止穿过火焰稳定器的回火。

2.根据权利要求1的燃烧器，其特征在于，入口(14，16)中分别装有计量嘴(18，20)，用以沿非轴向，例如大致径向，将空气和燃料分开输送到管(11)中，而管(11)在入口(14，16)与火焰稳定器(30)之间构成一个混合区域，计量嘴(18，20)中分别具有孔(22，24)，它们的流动横截面面积对应于燃料基本完全燃烧所需的空气与燃料的化学配比。

3.根据权利要求2的燃烧器，其特征在于，入口(14，16)安置在管(11)中，用以沿彼此冲击的方向输送空气和燃料，以产生紊流并在管中混合。

4.根据权利要求3的燃烧器，其特征在于，入口(14，16)在管(11)中彼此径向相对安置。

5.根据权利要求1至4中任意一款的燃烧器，其特征在于，孔(22，24)的横截面面积之比为10比1。

6.根据权利要求1至5中任意一款的燃烧器，其特征在于，火焰稳定器(30)中提供了一个支架，其用于安装一个点火器(32)和与之相连的接地电极(34)。

7.根据权利要求6的燃烧器，其特征在于，火焰稳定器(30)中还提供了一个支架，其用于安装一个用于探测火焰中未燃烧碳的电离探针(40)。

8.根据权利要求7的燃烧器，其特征在于，其与一个监视和控制系统组合，该控制系统与电离探针(40)连接着，用以在未燃烧碳超过一个预定量级时终止燃料供应。

9.根据权利要求8的燃烧器，其特征在于，阀装于空气供应管线中，而一个增益器或限制器装于燃料管线中。

10.根据权利要求9的燃烧器，其特征在于，阀装于燃料管线中，而一个变速风扇装于空气管线中。

11.根据任何上述权利要求的燃烧器，其特征在于，其包含两个或多个嵌套着的管，每对相邻管之间分别确定出火焰稳定器(30)中的上述气态燃料通道中的一个。

12.根据权利要求11的燃烧器，其特征在于，管(30a，30b，30c)通过一个或多个横向销钉(33)而保持彼此之间的相对位置。

13.根据权利要求12的燃烧器，其特征在于，其包含一个带有一个扩张出口的中心孔。

14.根据权利要求10至13中任意一款的燃烧器，其特征在于，每个扩张出口的终端部分分别由平行于火焰稳定器纵向轴线的内外、圆筒形壁确定出来。

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