CN1987204A - 热气机燃烧器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热气机燃烧器，包括喷嘴(7)、旋流器(8)、点火器(10)和燃烧室(11)；空气从径向式旋流器(8)的径向流入从轴向流出；旋流器(8)安装在燃烧室(11)顶部，套置在喷嘴(7)的端部附近；旋流器(8)的底部有一个用于对旋流空气进行减速、加强与可燃气体充分混合作用的锥形扩压结构(81)，与该旋流器(8)做成一体式；喷嘴(7)的端口为封闭式，即可燃气体喷孔由设置在喷嘴(7)端口附近的多个小的喷孔(73)组成。该燃烧器具有空气和可燃气体混合均匀，燃烧火焰短，高温区域集中，燃烧充分，排放好，且结构紧凑、维修性好、可靠性高的特点，特别适合热气机的应用。

Description

热气机燃烧器

技术领域

本发明是关于燃烧器，尤其是关于以可燃气体为燃料的热气机燃烧器。

背景技术

目前可燃气体燃烧器一般多用于锅炉，而锅炉的炉膛容积较大，这些气体燃烧器的火焰长度一般也较长，其燃烧容积负荷一般为1163～1163kW/m³，燃烧端面负荷一般为581.5～9304.0kW/m³，空燃比一般为1.05～1.4。而热气机由于结构紧凑，其燃烧室的设计对其尺寸要求十分严格，因此其燃烧容积负荷比锅炉燃烧室的燃烧容积负荷至少大8倍左右，而燃烧端面负荷相当，甚至更小，如燃用天然气的热气机燃烧室燃烧容积负荷为9304kW/m³左右，燃烧端面负荷为2436kW/m³左右，空燃比为1.1～1.4，这意味着热气机燃烧器的火焰长度需要更短才能满足热气机燃烧室的要求。要缩短燃烧火焰的长度，就必须要加快燃烧反应速度，完善空气和燃料的混合。扩散式燃烧器由于具有火焰长短可调，空气预热器温度高，设备简单、安全性高等优点，因此目前应用较多。瑞典开发的以天然气为燃料的V160型热气机就采用了扩散式燃烧器，其采用了2个旋流器，一个用于引导空气进入与可燃气体进行混合，属于径向式旋流器，旋流片为叶片式；另一个用于引导气体贴近燃烧室内壁流动，对燃烧室部件进行冷却；喷嘴组件采用的是单管端部敞开式。这种燃烧器的不足是：

(1)虽然采用的是径向式旋流器，但由于在其后设置了一个喉口结构，增加了气流阻力，也增加了气流的轴向速度，使火焰长度较长。较高的轴向流速产生较强的轴向回转气流，回转气流区域大，导致燃烧高温区域较大，不利于抑制NO_x的排放，另外过大的回转气流区域，也影响空气与可燃气体的充分混合，易导致燃烧不充分。

(2)由于采用了二个旋流器和一个喉口部件，燃烧器的体积较大，特别是高度尺寸较大，结构不够紧凑。

(3)该燃烧器采用单管端部敞开式喷嘴，较高流量的可燃气体单股进入燃烧室，速度较高，使其和空气的混合不够充分，导致燃烧不够完善，也不利于排放指标的控制。

(4)存在回火现象。

发明内容

为克服以上不足，本发明要解决的技术问题是提供一种热气机径向旋流式小孔径多喷孔可燃气体燃烧器，具有混合好、火焰长度短、燃烧充分、排放好、结构紧凑和不易产生回火现象的特点。

本发明的技术问题是通过以下的技术方案来解决的：

一种热气机燃烧器，包括用于对空气进行流动导向并使其产生旋转气流的旋流器、对可燃气体点火的点火器、可燃气体喷嘴和燃烧室，该旋流器为径向旋流式，空气从旋流器的径向流入从轴向流出；该旋流器安装在燃烧室顶部，套置在可燃气体喷嘴的端部附近；该旋流器的底部有一个用于对旋流空气进行减速、加强与可燃气体充分混合作用的锥形扩压结构，与该旋流器做成一体式；所述喷嘴的端部为封闭式，即可燃气体喷孔由设置在喷嘴端口附近的多个小孔组成。这种结构空气从旋流器的径向流入从轴向流出，并在锥形扩压结构中减速以加强与可燃气体的混合，加上可燃气体由多个小孔均匀喷入，使得与空气的混合更加均匀，且旋流气流的区域比较集中，从而使得燃烧比较充分，高温区域相对较小，既提高了燃烧效率，又改善了排放，另外这种方式还可以缩短火焰的长度，有利于降低燃烧室的高度。端口封闭式的喷嘴结构，还可以防止燃烧回火现象。另外，采用径向式旋流器和锥形扩压结构直接结合，取消喉口部件，使得燃烧器的结构十分紧凑，特别适合热气机燃烧器应用场合。

上述的热气机燃烧器，其可燃气体喷嘴由喷嘴本体和可拆式的喷嘴端部组成。可拆式的喷嘴可以方便热气机燃烧器根据不同的可燃气体更换成不同小孔参数的喷嘴，使热气机适用多种形式的可燃气体，也方便喷嘴端部的维修和更换。

上述的热气机燃烧器，其旋流器的叶片为一面为平面，一面为凸面的流线性结构。可以更加优化气体的流动，增强气体的旋转强度和效果。

上述的热气机燃烧器，其燃烧室内壁上设置有若干均匀布置的，用于导入较冷空气对燃烧室内壁进行冷却的小孔，小孔的直径为0.5mm～3mm。较冷的空气进入燃烧室，在燃烧室内壁上形成一层冷空气薄膜，可以降低燃烧室内壁的温度以提高燃烧室部件的寿命，同时这部分空气还可以参与二次燃烧，使燃烧更加充分，对降低排放有一定的改善作用。

上述的热气机燃烧器，其可以将点火器布置在喷嘴的下端部附近，也可以布置在旋流器中可燃气体和空气混合的区域。

总之，本发明具有下列优点：

1、燃烧充分、排放好。在径向旋流器的作用下，空气和可燃气体的混合比较均匀，燃烧比较充分，高温区域相对较小，燃烧效率高，排放较好。从燃烧室内壁进入的冷空气参与二次燃烧也进一步改善了燃烧效果。如采用该型式的热气机燃烧器，燃用天然气时，对其排放产物进行检测，排放指标达到了同功率内燃机的“欧V”标准。

2、结构紧凑。多孔式喷嘴，大大缩短了燃烧火焰长度，有利于降低燃烧室的高度，设计紧凑型的燃烧室。另外径向式旋流器直接加锥形扩压结构也使得燃烧器的结构十分紧凑。如采用该型式的50kW热气机燃烧器，火焰长度可控制在250mm以内(从喷嘴底部至火焰挡板)。

3、可靠性高，维修性好，互换性好。从燃烧室内壁进入的冷空气降低了燃烧室内壁温度，提高了部件的可靠性，多孔式喷嘴消除了回火现象；可拆式的燃烧器和喷嘴结构使维修十分方便，也方便为适应不同可燃气体更换成不同参数的喷嘴。

附图说明

图1是V160型热气机采用的扩散式燃烧器的原理图。

图2是本发明的结构图。

图3是本发明的旋流器、喷嘴组件及其以上部分的立体图。

图4是本发明的旋流器的立体图，为倒置形式。

图5是本发明的模拟计算的燃烧室内温度场分布。

具体实施方式

图1所示为瑞典开发的V160型热气机采用的扩散式燃烧器的原理图，其包括单管端部敞开式喷嘴1、一个用于引导预热空气B进入与可燃气体A进行混合的旋流器3、一个用于引导预热空气B贴近燃烧室内壁5流动，对燃烧室部件进行冷却的旋流器或稳烟器4、一个预热空气旋流器2和喉口部件3，旋流器2是径向式旋流器，布置在喉口部件3的上部，旋流器2和喉口部件3套置在喷嘴1上，预热空气B从旋流器2的径向进入轴向流出，再进入喉口部件3进行加速，形成较强的旋流气体与从单管端部敞开式喷嘴1喷出的可燃气体A在燃烧室6中进行混合，经点火器点火燃烧；旋流器或稳烟器4引导一部分预热空气B贴近燃烧室内壁5流动，形成薄层冷却空气C保护层，可以有效降低燃烧室内壁5的温度，提高燃烧室的寿命。但该燃烧器产生的回转气流较强，火焰长度长，区域较大、分散，导致燃烧高温区域较大，不利于抑制NO_x的排放，也影响空气与可燃气体的充分混合，易导致燃烧不充分；另外设置一个喉口结构3，使整个装置结构复杂，结构不够紧凑。

图2所示为本发明的一个实施例，该燃烧器是一种基于扩散燃烧方式的、燃烧可燃气体的径向旋流式燃烧器，比较适合热气机使用，其由喷嘴7、一个径向式旋流器8、点火器10和燃烧室11等组成，旋流器8用于对预热空气进行流动导向并使其产生旋转气流，进入燃烧室11与从喷嘴7喷出的可燃气体A进行混合燃烧，该旋流器8为径向旋流式，空气从旋流器8的径向流入从轴向流出。该旋流器8安装在燃烧室11的顶部，套置在可燃气体喷嘴组件7的端部附近，喷嘴7的下端面与旋流器8的下端面基本齐平或略伸出。点火器10布置在喷嘴组件的端部喷孔附近，当然也可以布置在旋流器8中预热空气B和可燃气体A进行充分混合的区域，总之只要能使可燃混合气能可靠点火就可。

图3是喷嘴组件7、旋流器8及其以上部分的装配立体图，图4是旋流器8的立体图。从图3和图4可以看出，在旋流器8的底部有一个锥形扩压结构81，与旋流器8做成一体式，用于对旋流空气进行减速、扩散，加强与可燃气体A充分混合，有利于形成稳定集中的燃烧火焰，改善燃烧效果，降低排放。为进一步改善旋流效果，该旋流器8采用了不同于一般旋流器的平板结构叶片，采用了一面为凸面，一面为平面的流线型叶片82结构，优化了气流的流动过程，增强了气流的旋转强度。旋流器叶片82的数目和布置角度可以根据旋流强度要求进行设计，如某型50kW的热气机，燃用天然气，其旋流器8的叶片数为12或14，角度为40°左右。在旋流器8中还可以布置探火棒，用于判断燃烧的情况，当然也可将探火棒布置在其他位置，甚至取消而利用其他方法判断燃烧情况。

本发明可燃气体喷嘴7由喷嘴组件本体71和可拆式的喷嘴端部72组成，喷嘴端部72与喷嘴组件本体71通过螺纹结构或卡扣式方式或其他方式连接成一体，总之只要是可拆式结构即可。该喷嘴端部72的端口为封闭式，其下端部为一个截去顶部的锥体结构，在其下平面、锥体侧面以及与锥体相连的喷嘴圆柱面上各开有一圈均匀布置的喷孔73，喷孔73的直径、数量和布置方式根据可燃气体A的种类或热值的不同而有所不同，通过改变喷孔73的数量、直径和角度，就可用于不同可燃气体的燃烧，和满足不同燃烧火焰的张角需要，进而适合不同直径的燃烧室11。喷嘴端部72为可拆式，可以根据燃烧不同可燃气体的需要，可以方便地进行更换不同参数的喷嘴端部72。同时当喷嘴端部72堵塞或污染或烧损时，更换也十分方便，维修性好，且只需更换喷嘴端部72，且降低了维护成本。对燃烧天然气、沼气、垃圾填埋气和煤层气等可燃气体、功率为200kW以下的热气机燃烧器，其喷孔73的直径一般为0.5～5mm，数量为8～64个。如某型50kW热气机径向旋流式燃烧器，燃料为天然气，其喷嘴端部72喷孔73的直径为3mm～4mm，数量共46个。

以上的封闭式喷嘴结构，预热空气B经过旋流器8形成强烈的旋转，和喷嘴端部72中喷出的可燃气体A进行混合后被点火燃烧，小而密的喷孔73使预热空气B和可燃气体A的混合更加均匀，达到充分燃烧的目的，也使火焰的长度得以缩短，被控制在所需的长度内，降低了燃烧室11的高度，使设计紧凑性的热气机燃烧器成为可能，如对于50kW的热气机燃烧器，火焰长度可控制在250mm的范围内(喷嘴底部到火焰挡板的距离)，另外封闭式的喷嘴结构彻底消除了燃烧回火现象，提高了燃烧器的可靠性。

由于热气机燃烧室内燃烧强度高，远远高于锅炉燃烧室的强度，接近燃气轮机燃烧室的燃烧强度，因此其燃烧室的材料要求十分高，为降低燃烧器的热负荷特别是燃烧室内壁的热负荷，在燃烧室内壁9上布置了若干均匀的、直径为0.5mm～3mm的小孔，用于引入温度较低的部分预热空气D，在燃烧室内壁9上形成一层冷空气薄膜，降低燃烧室内壁9的温度以提高燃烧室部件的可靠性，同时这部分空气可以参与二次燃烧，使燃烧更加充分，对进一步降低排放起到一定的作用。

图5是模拟计算本发明的燃烧室内温度场分布，可以看出，燃烧时高温区域比较集中，特别是纵向分布比较集中，说明燃烧火焰比较短，燃烧室内壁在形成的冷空气保护膜的作用下温度较低。

该燃烧器为可拆卸式，可单独拆下，以便进行检查和更换，这为同一燃烧室适合不同的可燃气体提供了方便。这种燃烧器还具有结构简单、紧凑、加工方便、成本低的优点。

Claims (7)

1、一种热气机燃烧器，包括可燃气体喷嘴(7)、用于对空气进行流动导向并使其产生旋转气流的旋流器(8)、对可燃气体点火的点火器(10)和燃烧室(11)；该旋流器(8)为径向旋流式，空气从旋流器(8)的径向流入从轴向流出；该旋流器(8)安装在燃烧室(11)顶部，套置在可燃气体喷嘴(7)的端部附近，其特征在于：所述旋流器(8)的底部有一个用于对旋流空气进行减速、加强与可燃气体(A)充分混合作用的锥形扩压结构(81)，与该旋流器(8)做成一体式；所述喷嘴(7)的端口为封闭式，即可燃气体喷孔由设置在喷嘴(7)端口附近的多个小的喷孔(73)组成。

2、根据权利要求1所述的热气机燃烧器，其特征在于：所述的可燃气体喷嘴(7)由喷嘴组件本体(71)和可拆式的喷嘴端部(72)组成。

3、根据权利要求2所述的热气机燃烧器，其特征在于：所述的喷嘴端部(72)下端部为一个截去顶部的锥体结构，在其下平面、锥体侧面以及与锥体相连的喷嘴圆柱面上各开有一圈均匀布置的，直径为0.5～5mm的喷孔(73)。

4、根据权利要求1至3中任何一项所述的热气机燃烧器，其特征在于：所述的旋流器(8)的叶片(82)为一面为平面，一面为凸面的流线性结构。

5、根据权利要求1至3中任何一项所述的热气机燃烧器，其特征在于：在所述的燃烧室内壁(9)上设置有若干均匀布置的，用于导入较冷空气对燃烧室内壁(9)进行冷却的小孔，小孔的直径为0.5mm～3mm。

6、根据权利要求4所述的热气机燃烧器，其特征在于：在所述的燃烧室内壁(9)上设置有若干均匀布置的，用于导入较冷空气对燃烧室内壁(9)进行冷却的小孔，小孔的直径为0.5mm～3mm。

7、根据权利要求1至3中任何一项所述的热气机燃烧器，其特征在于：所述的点火器(10)布置在喷嘴(72)的下端部附近，也可以布置在旋流器(8)中可燃气体和空气混合的区域。

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