CN1353803A - 产生碳黑的燃烧器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用来产生碳黑的燃烧器,该燃烧器包括燃烧室(10),该燃烧室以这样的方式供给有燃料气体和氧化气体,以致在燃烧室(10)内产生了可以形成碳黑颗粒的扩散火焰。燃烧器还设置有碳黑排出管道(50)。形成于燃烧室(10)内的碳黑通过燃烧室(10)内的开口(45)排出,该碳黑供给到碳黑排出管道(50)中。所述碳黑排出管道(50)也设置有开口(55),通过该开口(55),把熄灭气体供给到所述碳黑管道(50)中。该燃烧器可以稳定、再现地生产出碳黑颗粒,这些颗粒具有意义明确的化学和物理特性。

Description

产生碳黑的燃烧器
技术领域
本发明涉及根据权利要求1的前序部分所述的、用来产生碳黑的燃烧器，涉及根据权利要求8所述的、用来产生碳黑的方法，并涉及根据权利要求12所述的、用来测定碳黑颗粒测量装置的方法。
现有技术
至今，为了研究碳黑颗粒的性能及测定和/或检验碳黑颗粒测量装置，柴油机常常被用作碳黑的源、发生器。作为用于碳黑颗粒的实验室实验的碳黑源，柴油机具有许多缺点。例如，柴油机相对占空间大，并且它们工作时有噪声和废气排放。对于测定和/或检验碳黑颗粒测量装置来说，柴油机是不利的，因为难以控制或者不可能控制所产生的碳黑颗粒的各种性能如它们的尺寸大小分布、它们的数量密度和/或它们的化学成分。而且，柴油机所产生的碳黑颗粒的特性在柴油机的整个使用期限内不稳定。因此，柴油机所产生的碳黑难以再现。
EP-A2-353746公开了一种装置，该装置用来生产出固态悬浮微粒，其中碳悬浮微粒通过颗粒释放石墨电极上的火花放电来产生。实际上，就它的空间需求和排放而言，这种装置与柴油机相比基本上更加适合于实验室使用。但是，所产生的碳悬浮微粒的化学和物理性能与燃烧碳黑颗粒大不相同，因此在大多数情况下不能代表后者。
由本发明的发明人撰写的、出版在“2nd ETH Workshop onNanoparticle Measurement，ETH Honggerberg ZurichSwitzerland，7.August 1998”上的出版物 “Generation of CombustionSoot Particles for Calibration Purposes”描述了一种燃烧器，该燃烧器的开口燃烧室以这样的方式供给有燃料气体和氧化气体，以致在该燃烧室内形成了所谓的同向流动的扩散火焰。产生于火焰中的碳黑颗粒通过碳黑排出导管排出，而该导管的入口设置在该火焰内。实际上，产生于这种燃烧器内的碳黑的化学和物理性能与来自柴油机和加热装置的燃烧碳黑相同。但是，这种燃烧器对碳黑排出导管内的料流形态的变化非常敏感。设置在碳黑排出导管内的测量装置部分(如测量传感器)的几何形状即使改变非常小，但也可以影响火焰和所产生的碳黑颗粒的性能。相对于燃烧器所产生的碳黑颗粒的再现性而言，这导致了一些问题。而且，当它设置在火焰内时，碳黑排出导管的入口处有大量的碳黑沉积，因此就燃烧器所产生的碳黑颗粒的性能的暂时稳定性而论，这引起了一些问题。
本发明的概述
本发明的目的是提供一种燃烧器，该燃烧器可以以这样的方式稳定、重复地产生碳黑，以致所产生的碳黑颗粒具有意义明确的化学和物理性能。
这个通过权利要求1的特征部分来实现。根据本发明，用来产生碳黑的燃烧器包括燃烧室，该燃烧室以这样的方式供给有燃料气体和氧化气体，以致产生碳黑颗粒的扩散火焰形成于燃烧室中。该燃烧器还设置有碳黑排出管道。产生于燃烧室中的碳黑通过离开燃烧室的入口到碳黑排出管道借助于碳黑排出管道排出。碳黑排出管道设置有辅助入口，从而使碳黑排出管道供给有淬熄气(quenching gas)。
从燃烧室进入到碳黑排出管道中的物质流尤其含有形成于扩散火焰中的碳黑颗粒、燃烧气体和没有燃烧的燃料和/或氧化气体的可能残余物，该物质流在碳黑排出管道中与淬熄气进行混合，从而被熄灭，因此立即使该气流中的燃烧过程停止了。淬熄气比离开燃烧室的气流还要冷，该淬熄气进一步使来自燃烧室中的物质流冷却并且稀释该物质流。由于燃烧过程停止了，因此碳黑颗粒被冷却，并且来自燃烧室中的物质流被稀释，故大大地排除了无控的凝结和/或火焰中所形成的碳黑颗粒的其它反应。因此，燃烧和碳黑形成发生于明确定义过的长度的流动通道中，该长度的流动通道是从燃烧室中的火焰开始处最高到达碳黑排出管道内的熄灭区域。因此，碳黑形成时间也通过流动速率来定义，该流动速率是产生具有意义明确的化学和物理性能的碳黑颗粒的必需条件。此外，由于下面原因而减少了燃烧器内的碳黑沉积：来自燃烧室的物质流被熄灭了，因此提高了本发明燃烧器所产生的碳黑颗粒的性能的暂时稳定性。此外，由于相对较强的淬熄气流掺混到从燃烧室进入到碳黑排出管道中的物质流中，因此，就燃烧室内的料流形态而言，减少了离开燃烧室的入口下游处的料流形态的变化影响。其结果是改善了燃烧器所产生的碳黑颗粒的再现性。
在本发明的优选实施例的燃烧器中，淬熄气入口连接到离开燃烧室的入口上游处的碳黑排出管道中，该离开燃烧室的入口最好以这样的方式连接到碳黑排出管道中，以致来自燃烧室的气流基本上垂直地遇到淬熄气流。在本发明的另一个实施例中，淬熄气还被导入到离开燃烧室的入口下游处的碳黑排出管道中，或者淬熄气流和燃烧室气流可以以不是90度的角度相互相遇。
根据本发明的另一方面，用来产生碳黑的燃烧器包括：燃烧室，它以这样的方式通过供给入口供给有燃料气体和氧化气体，以致产生碳黑颗粒的扩散火焰形成于燃烧室内；及碳黑排出管道，它具有至少一个离开燃烧室的入口，并且可以排出形成于燃烧室内的碳黑。除了燃料气体和氧化气体的供给入口和朝向碳黑排出管道的开口之外，该燃烧室被气密地密封，因此离开燃烧室的所有物质通过该碳黑排出管道排出。结果是，就在变化环境情况下所产生的碳黑颗粒的性能而言，提高了燃烧器的稳定性。人们发现，在没有淬熄气供给的情况下，本发明的这方面也有利于燃烧器。优选的是，一方面，燃料气体和氧化气体供给之间的距离可以有选择地进行调整，另一方面，通到碳黑排出管道中的开口之间的距离可以有选择地进行调整。
根据本发明的另一个优选实施例，燃烧器包括外管，该外管用来把氧化气体供给到燃烧室中，同时内管与外管同轴地设置在该外管的内部，该内管用来把燃料气体供给到燃烧室中，因此在燃烧室内形成了同向流动的扩散火焰。
优选的是，本发明的燃烧器还在燃烧室的下游处设置有装置，该装置用来稀释气流中的碳黑颗粒的数量密度，该气流含有碳黑颗粒。因此，例如，为了测定和/或检验碳黑颗粒测量装置，因此使数量密度适合于测量装置的测量范围。
此外，本发明的燃烧器最好在燃烧室的上游处设置有混合装置，从而把惰性气体掺混到燃料气体中，混合比可以有选择地进行调整。这尤其可以影响所产生的碳黑颗粒的尺寸大小的分布、数量和/或浓度。
在用来产生碳黑的本发明方法中，燃料气体和氧化气体以这样的方式被供给到燃烧器的燃烧室中，即形成了产生碳黑颗粒的扩散火焰，含有燃烧室所排出的碳黑颗粒的气流与淬熄气流进行混合，从而使在含有碳黑颗粒的气流中的燃烧过程熄灭。
有利的是，燃料气体和氧化气体被供给到燃烧室中，从而形成了层式扩散火焰。借助于在燃烧室内形成能够产生层式扩散火焰的流体形态，可以以这样的方式引导产生于燃烧室内的碳黑颗粒通过燃烧器，即大大地避免了碳黑沉积在燃烧器内。与同向流动的扩散火焰的上述方面相结合，层式同向流动的扩散火焰形成于本发明的燃烧器的燃烧室内。
优选的是，淬熄气是不活泼气体，该不活泼气体是从包括惰性气体、氮气和二氧化碳在内的组中选择出来。
在与含有碳黑颗粒的气流混合之前，至少一种辅助气体或者悬浮微粒掺混到淬熄气中，从而形成含有碳黑颗粒的气流，该气流尽可能地与含有来自内燃机和/或加热装置的碳黑颗粒的气流相同。在这种方式中，本发明的方法可以模拟碳黑形成反应和相应的气流，而这些气流与来自内燃机和/或加热装置的燃烧气流非常相似。
一种用来测定碳黑颗粒测量装置的方法，其特征在于测定该碳黑颗粒测量装置，后者供给有本发明燃烧器所产生的碳黑颗粒。
结合附图，本发明的下面详细描述只是起着能更好理解本发明的例子的作用，而不是用来限制权利要求的范围的。本发明的其它有利实施例和特征的结合可以由下面的描述、附图和权利要求的全体来获得。
附图的简要描述
用来解释示例性实施例的图1示出了本发明的优选实例的燃烧器的简化的、示意性的剖视侧视图。
本发明的实施例
图1所示的燃烧器包括：单侧封闭的圆柱形外管20，它用来供给氧化气体；及单侧封闭的圆柱形内管30，它同轴地位于外管20内、用来供给燃料气体。两个供给管20、30基本上垂直布置。外管20在它的封闭的下部管端附近以气体导入的方式连接到氧化气体的供给线22中，而内管30在它的封闭的下部管端附近以气体导入的方式连接到燃料气体的供给线32中。内管30穿过外管20的底部，通过外管20的底部的通道被气密地密封，并且两个管子20、30在连接处紧紧地相互连接起来。
外管20的开口上管端和内管30的开口上管端终止于燃烧器的燃烧室10内，而该内管30的开口上管端与外管20的上管端基本上设置在相同高度上。氧化气体和燃料气体的供给管20、30的这种同轴布置可以使形成于燃烧空间10内的扩散火焰同向流动。
燃烧室10由管形壳体限制出，该管形壳体包括圆柱形下部40和向上呈锥形的、截头圆锥形的上部42。向上呈锥形的燃烧室10可以防止火焰在燃烧室10内的相应流动膨胀。氧化气体和燃料气体的同轴线供给管20、30通过圆柱形燃烧室部分40的底部，同时，外管20与同轴布置的内管30一起可以相对于燃烧室壳体40、42进行垂直移动。氧化气体和燃料气体的同轴供给管20、30的垂直移动可以改变燃料室10的有效高度，燃烧室10的有效高度由布置在燃烧室10内的相同高度处的供给管20、30的开口和燃烧室10在燃烧室壳体42的截头圆锥形位置的顶部处的出口45之间的垂直距离来限制出。
燃烧室10的出口45与圆柱形管50连通，该圆柱形管50在一侧封闭，并且相对于燃烧室壳体40、42、氧化气体和燃料气体的供给管20、30而基本上垂直布置，该管50起着碳黑排出管道的作用。碳黑排出管50布置在圆柱形套60内，该套60在一侧上是封闭的。燃烧室壳体的截头圆锥形部分42通过套60的圆柱形外壳和碳黑排出管道50的圆柱形外壳，所产生的结合处被气密地密封，并且燃烧室壳体在结合处相应地紧紧连接到套60、碳黑排出管道50上。
碳黑排出管50和套60布置成相互同轴，并且在相同的管端处各自敞开、封闭。碳黑排出管道50通过套60的封闭管端，通过套60的封闭壁的通道被气密密封，并且两个管子50、60在结合处相互紧紧连接。碳黑排出管道50在它的封闭管端附近以气体导入的方式连接到淬熄气的供给管道52中，而套60在它的封闭管端附近以气体导入的方式连接到稀释气体的供给管道62中。
在它的开口管端，套60延伸通过设置在它内部的碳黑排出管道50的开口管端，因此形成了稀释区域64，从而进行辅助稀释。在稀释区域64内，离开碳黑排出管50的物质流(该物质流包括这样的物质，该物质由燃烧室10放出、通过淬熄气来熄灭并且进行第一次稀释)与稀释气体进行混合，因此得到了进一步的稀释。
总之，燃烧器构成了这样的系统，除了燃料气体、氧化气体、淬熄气体和稀释气体的相应供给管道连接32、33、52、62及套60的开口管端之外，该系统与环境之间形成了气密性密封，而该套60的开口管端起着燃烧器的出口65的作用。
在图1所示的燃烧器进行工作时，燃料气体通过燃料气体供给管路32供给到燃烧器中，并且使氧化气体通过氧化气体供给管路22供给到燃烧器中。在图1中，燃料气体的流动用箭头1来表示，氧化气体的流动用箭头2来表示。燃料气体最好是呈碳氢化合物形式(如丙烷)。但是，其它燃料气体、气体混合物也是可以的，如汽化的柴油或者汽油。氧化气体最好是合成空气(80％的氮气、20％的氧气)。但是，也可以使用其它氧化气体。
燃料气体供给管道22还设置有混合阀(未示出)，该混合阀可以把不活泼气体掺混到燃料气体中，从而稀释气体混合物的燃料量。例如气态的氮气可以用来稀释燃料气体。这可以调节在燃烧器内所产生的碳黑颗粒的尺寸大小分布。图1所示的燃烧器可以产生碳黑颗粒，而这些颗粒的尺寸大小范围为1微米到几个纳米，相应控制燃烧器的参数可以在这个范围内选择出任何理想的尺寸大小分布。氧化气体供给管道22也设置有混合阀(未示出)，该混合阀可以把氧气掺混到氧化气体中。因此，在图1所示的燃烧器中，可以以控制的方式来调整燃料气体含量和氧气含量。
淬熄气供给管道52也设置有混合阀(未示出)。在淬熄气通过入口55进入到碳黑排出管道50之前，该混合阀可以把一种或者多种其它的气体和/或一种或者多种其它悬浮微粒掺混到淬熄气中。因此，燃烧器可以用作废气模拟装置，从而可以模拟这样的燃烧气体流：这些气体流与来自实际内燃机和/或加热装置的燃烧气体流非常相似。为了模拟实际的燃烧气体流而掺混到淬熄气中的这些气体和/或悬浮微粒例如是臭氧、二氧化硫、氧气、水蒸气、灰尘、乳状悬浮颗粒、碳氢化合物、工业苯蒸气和含在实际燃烧气体中的其它物质。
优选的是，供给管道中的流动情况(流动速率、气压等)被调整成这样的：可以在燃烧室10内得到基本上是层式的燃料气体和氧化气体流。因此，在点燃火焰之后，在燃烧室10内形成了所谓的层式同向流动扩散火焰，该火焰在燃烧室10内的形状几乎是圆柱形的。但是，通常地，图1所示的燃烧器也可以工作在这样的流动情况下：在燃烧室内形成了湍流的扩散火焰。
燃料气体流到燃烧室10中以形成中央部分的圆柱形气体流，该燃料气体流在外侧为氧化气体流所包围。在火焰中，燃料气体首先在该流的中央区域内进行热分解，即碳与氢分开。氢向外扩散到火焰边缘的速度比碳的快得多。因此，在火焰的边缘处，氢主要由含在包围火焰的氧化气体中的氧气来氧化，同时，在火焰的中心处常常产生氧气缺少而碳过多。从火焰的中心开始，热解的碳原子与其它的碳原子结合，因此形成了碳黑颗粒。因此，在层式扩散火焰的情况下，碳黑颗粒主要产生于燃料气体流的区域内。通过虚线6把这个区域表示在图1中。这部分流体含有大部分所产生的碳黑颗粒，这部分流被燃烧气体(如水蒸气)的流包围，而这些燃烧气体流的外边界用外侧的虚线7表示在图1中。包围碳黑颗粒的外壳的作用是，只在下面所描述的熄灭、冷却和稀释工作之后，碳黑颗粒接触燃烧器的壁。因此可以有效地防止燃烧器内的碳黑沉积物。
圆柱形火焰如沿着流动方向所看到的一样向前敞开，该火焰延伸通过燃烧室10的出口45进入到碳黑排出管道50。在燃烧器进行工作时，通过淬熄气供给管道52和淬熄气入口55把淬熄气(quenching gas)供给到碳黑排出管道50中。淬熄气流在图1中用箭头3来表示。因此，在燃烧室10的出口45的区域内，碳黑排出管道50填充有淬熄气3的气流。因此，在燃烧室10的出口45的区域内使延伸到碳黑排出管道50中的火焰熄灭、冷却和稀释。
碳黑排出管道50内的流动情况最好可以调整成这样的：在燃烧室10的出口45的上游处形成了淬熄气3的主要层式流动，从而防止湍流通过开口45影响燃烧室10。为此，使碳黑排出管道50在燃烧室10的出口45的上游处设置有气体导向的薄板。
淬熄气最好是氮气。但是，在通常情况下，也可以使用其它的防氧化气体如惰性气体、其它的不活泼气体或者二氧化碳。
从燃烧室10的出口45，来自燃烧室的、混合有淬熄气的气流(在图1中用箭头5来表示)流过碳黑排出管50的开口管端，并且接着在套60内的稀释区域64内与稀释气体进行混合，后者通过稀释气体供给管道62供给到套60中。稀释气体的气流在图1中用箭头4来表示。稀释气体最好是合成空气。但是，在通常情况下，在图1所示的燃烧器进行工作时，可以使用其它合适的稀释气体，或者省略这种稀释作用。
在含有产生于燃烧器内的碳黑颗粒的物质流的稀释区域64内进行辅助稀释，可以改变碳黑颗粒的数量密度，从而该密度包括在碳黑颗粒测量装置(未示出)的测量范围内，该测量装置供给有产生于燃烧器内的碳黑颗粒。
总之，本发明提供了一种燃烧器，该燃烧器可以以这样的方式稳定、重复地产生碳黑，即所产生的碳黑颗粒具有意义明确的化学和物理性能。

Claims (12)

1.一种用来产生碳黑的燃烧器，它包括：燃烧室(10)，它以这样的方式供给有燃料气体和氧化气体，以致产生碳黑颗粒的扩散火焰形成于燃烧室(10)中；及碳黑排出管道(50)，它具有离开燃烧室(10)的入口(45)，并且可以排出形成于燃烧室(10)内的碳黑，其特征在于碳黑排出管道(50)的另一入口(55)用来供给淬熄气(quenching gas)。
2.如权利要求1所述的燃烧器，其特征在于：沿着碳黑排出管道(50)的流动方向看去，淬熄气入口(55)设置在离开燃烧室的、碳黑排出管道(50)的入口(45)的前面，并且离开燃烧室的入口(45)以这样的方式布置在碳黑排出管道(50)上，以致来自燃烧室(10)的气流基本垂直地遇到淬熄气流(3)。
3.一种用来产生碳黑的燃烧器，特别是根据权利要求1所述的燃烧器，该燃烧器包括：燃烧室(10)，它以这样的方式通过供给入口供给有燃料气体和氧化气体，以致产生碳黑颗粒的扩散火焰形成于燃烧室内；及碳黑排出管道(50)，它具有至少一个离开燃烧室(10)的入口(45)，并且可以排出形成于燃烧室(10)内的碳黑，其特征在于，除了燃料气体和氧化气体的供给入口和朝向碳黑排出管道(50)的开口之外，该燃烧室(10)被气密地密封，因此流出燃烧室(10)的所有物质通过碳黑排出管道(50)排出。
4.如权利要求3所述的燃烧器，其特征在于：一方面，燃料气体和氧化气体的供给入口之间的距离可以有选择地进行调整，另一方面，通到碳黑排出管道(50)中的开口(45)之间的距离可以有选择地进行调整。
5.如权利要求1-4任一所述的燃烧器，其特征在于：外管(20)用来把氧化气体供给到燃烧室(10)中，内管(30)与外管(20)同轴线地设置在该外管的内部，该内管用来把燃料气体供给到燃烧室(10)中，从而在燃烧室(10)内形成了平行的扩散火焰。
6.如权利要求1-5任一所述的燃烧器，其特征在于：它还在燃烧室(10)的下游处设置有装置(60、62)，该装置用来稀释含有碳黑颗粒的气流中的碳黑颗粒的数量密度。
7.如权利要求1-6任一所述的燃烧器，其特征在于：在燃烧室(10)的上游处，混合装置把不活泼气体掺混到燃料气体中，混合比可以有选择地进行调整。
8.一种用来产生碳黑的方法，在该方法中，燃料气体和氧化气体以这样的方式被供给到燃烧器的燃烧室(10)中，从而在燃烧室(10)中形成了产生碳黑的扩散火焰，其特征在于，含有从燃烧室(10)排出的碳黑颗粒的气流与淬熄气流进行混合，从而使在含有碳黑颗粒的气流中的燃烧过程熄灭。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于：燃料气体和氧化气体以这样的方式被供给到燃烧室(10)中，以便在燃烧室(10)内形成了层式扩散火焰。
10.如权利要求8或者9所述的方法，其特征在于：不活泼气体用作淬熄气，该不活泼气体是从包括惰性气体、氮气和二氧化碳在内的组中选择出来。
11.如权利要求8-10任一所述的方法，其特征在于：在把淬熄气掺混到含有碳黑颗粒的气流之前，至少一种辅助气体或者悬浮微粒掺混到淬熄气中，从而形成含有碳黑颗粒的气流，该气流尽可能地与含有来自内燃机和/或加热装置的碳黑颗粒的气流相同。
12.一种用来测定碳黑颗粒测量装置的方法，其特征在于该方法用来测定碳黑颗粒测量装置，后者供给有权利要求1-7任一所述的燃烧器所产生的碳黑颗粒。
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