CN209840101U - 改进主管的低浓度瓦斯脉动燃烧器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了改进主管的低浓度瓦斯脉动燃烧器，包括瓦斯燃烧器，所述瓦斯燃烧器为柱状筒体结构，所述瓦斯燃烧器的内腔为柱状燃烧室，所述燃烧室的两端分别设置有低浓度瓦斯进气口和排烟出气口；本实用新型的结构简单，本方案增加了加浓的结构，在瓦斯浓度相对较低的状态下，呈周期性的给燃烧室供给纯甲烷，进而对燃烧室进行加浓，解决了浓度过低无法连续燃烧的问题。

Description

改进主管的低浓度瓦斯脉动燃烧器

技术领域

本实用新型属于瓦斯燃烧领域。

背景技术

脉动燃烧作为特殊的燃烧方式，既非爆燃也非正常燃烧而是介于其中间。给予其一定条件的激励，使其产生的声学脉动与燃烧过程中产生的热脉动达到一定的声热耦合，便可以产生周期性的脉动燃烧。燃烧过程中压力、温度以及热释放率等表征燃烧特性的状态参数随时间做周期性的变化，具有高燃烧效率、较大传热系数、较小污染排放量、可以自吸增压的优点，利用脉动燃烧技术可以有效处理低浓度瓦斯的燃烧；

由于瓦斯源的浓度并非稳定值，从主管压入燃烧室中的低浓度瓦斯可能存在甲烷浓度过低的问题，即使在燃烧室脉动供气的情形下，燃烧室中也存在无法顺利点燃，或是无法保持多个脉动周期燃烧的连续性。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本实用新型提供能在瓦斯甲烷浓度低的状况下对燃烧室进行加浓的改进主管的低浓度瓦斯脉动燃烧器。

技术方案：为实现上述目的，本实用新型的改进主管的低浓度瓦斯脉动燃烧器，包括瓦斯燃烧器，所述瓦斯燃烧器为柱状筒体结构，所述瓦斯燃烧器的内腔为柱状燃烧室，所述燃烧室的两端分别设置有低浓度瓦斯进气口和排烟出气口；所述瓦斯燃烧器的外侧一体化设置有环状的甲烷加浓箱体，所述环状甲烷加浓箱体内为环状的纯甲烷蓄压腔；所述纯甲烷蓄压腔与所述燃烧室之间还同轴心设置有环状的甲烷加浓空腔层；所述纯甲烷蓄压腔与所述甲烷加浓空腔层之间由第一环壁分隔，所述甲烷加浓空腔层与所述燃烧室之间有第二环壁分隔；所述第二环壁的两侧沿轴线呈圆周阵列均布有若干甲烷加浓孔，各所述甲烷加浓孔将所述甲烷加浓空腔层与所述燃烧室之间相互连通；

所述第一环壁上呈圆周阵列分布有若干第一导气通道，各所述第一导气通道的内端均连通所述甲烷加浓空腔层，所述纯甲烷蓄压腔内还包括旋转配气环体，所述旋转配气环体转动套接在所述第一环壁外侧，所述旋转配气环体的内圈中部一体化同轴心设置有环形凸缘，所述环形凸缘的内壁封堵各所述第一导气通道的外端，所述环形凸缘上呈圆周阵列分布有若干第二导气通道，各所述第二导气通道的外端均连通所述纯甲烷蓄压腔，各所述第二导气通道的内端能随环形凸缘同步旋转至分别对齐连通若干第一导气通道的外端；还包括纯甲烷增压供给管，所述纯甲烷增压供给管的出气端连通所述纯甲烷蓄压腔。

进一步的，各所述第一导气通道内均设置有防止气体反流的单向阀，所述单向阀能防止甲烷加浓空腔层内的气体通过第一导气通道反流至纯甲烷蓄压腔内；所述旋转配气环体内圈的环形凸缘两侧还对称转动安装有两轴承；所述旋转配气环体的外圈设置有一圈齿体，所述纯甲烷蓄压腔还固定安装有电机，所述电机的输出轴上同步连接有输出齿轮，所述输出齿轮与所述旋转配气环体上的一圈齿体啮合连接，所述电机通过输出齿轮带动所述旋转配气环体沿轴线旋转。

进一步的，还包括长柱状的瓦斯分流箱，所述瓦斯分流箱的一侧分别垂直连通有五个所述瓦斯燃烧器的低浓度瓦斯进气口，所述瓦斯分流箱远离五个瓦斯燃烧器的一侧垂直连通有低浓度脉动瓦斯供给管；五个所述瓦斯燃烧器沿所述瓦斯分流箱的长度方向阵列分布，且所述低浓度脉动瓦斯供给管的出口不对正任意一个所述瓦斯燃烧器的进气口。

有益效果：本实用新型的结构简单，本方案增加了加浓的结构，在瓦斯浓度相对较低的状态下，呈周期性的给燃烧室供给纯甲烷，进而对燃烧室进行加浓，解决了浓度过低无法连续燃烧的问题。

附图说明

附图1为改造后的燃烧器组合结构；

附图2为改造后的燃烧器组合结构的CFD分析速度云图；

附图3为瓦斯燃烧器的CFD分析局部矢量速度云图；

附图4为在燃烧器上加装甲烷加浓箱体后的结构示意图；

附图5为附图4的第一立体剖视图；

附图6为附图4的第二立体剖视图；

附图7为附图4的第三立体剖视图；

附图8为旋转配气环体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作更进一步的说明。

如附图1至8所示的改进主管的低浓度瓦斯脉动燃烧器，包括瓦斯燃烧器10，所述瓦斯燃烧器10为柱状筒体结构，所述瓦斯燃烧器10的内腔为柱状燃烧室12，所述燃烧室12的两端分别设置有低浓度瓦斯进气口和排烟出气口；所述瓦斯燃烧器10的外侧一体化设置有环状的甲烷加浓箱体18，所述环状甲烷加浓箱体18内为环状的纯甲烷蓄压腔2；所述纯甲烷蓄压腔2与所述燃烧室12之间还同轴心设置有环状的甲烷加浓空腔层7；所述纯甲烷蓄压腔2与所述甲烷加浓空腔层7之间由第一环壁1分隔，所述甲烷加浓空腔层7与所述燃烧室12之间有第二环壁9分隔；所述第二环壁9的两侧沿轴线呈圆周阵列均布有若干甲烷加浓孔11，各所述甲烷加浓孔11将所述甲烷加浓空腔层7与所述燃烧室12之间相互连通；

所述第一环壁1上呈圆周阵列分布有若干第一导气通道14，各所述第一导气通道14的内端均连通所述甲烷加浓空腔层7，所述纯甲烷蓄压腔2内还包括旋转配气环体6，所述旋转配气环体6转动套接在所述第一环壁1外侧，所述旋转配气环体6的内圈中部一体化同轴心设置有环形凸缘21，所述环形凸缘21的内壁封堵各所述第一导气通道14的外端，所述环形凸缘21上呈圆周阵列分布有若干第二导气通道17，各所述第二导气通道17的外端均连通所述纯甲烷蓄压腔2，各所述第二导气通道17的内端能随环形凸缘21同步旋转至分别对齐连通若干第一导气通道14的外端；还包括纯甲烷增压供给管8，所述纯甲烷增压供给管8的出气端连通所述纯甲烷蓄压腔2。

各所述第一导气通道14内均设置有防止气体反流的单向阀13，所述单向阀13能防止甲烷加浓空腔层7内的气体通过第一导气通道14反流至纯甲烷蓄压腔2内；所述旋转配气环体6内圈的环形凸缘21两侧还对称转动安装有两轴承16；所述旋转配气环体6的外圈设置有一圈齿体25，所述纯甲烷蓄压腔2还固定安装有电机5，所述电机5的输出轴4上同步连接有输出齿轮3，所述输出齿轮3与所述旋转配气环体6上的一圈齿体25啮合连接，所述电机5通过输出齿轮3带动所述旋转配气环体6沿轴线旋转。

还包括长柱状的瓦斯分流箱91，所述瓦斯分流箱91的一侧分别垂直连通有五个所述瓦斯燃烧器10的低浓度瓦斯进气口，所述瓦斯分流箱91远离五个瓦斯燃烧器10的一侧垂直连通有低浓度脉动瓦斯供给管90；五个所述瓦斯燃烧器10沿所述瓦斯分流箱91的长度方向阵列分布，且所述低浓度脉动瓦斯供给管90的出口不对正任意一个所述瓦斯燃烧器10的进气口。

本方的加浓过程的脉动燃烧方法，过程以及技术进步整理：

瓦斯源为包含CH4、O2、N2、CO2的混合气体，其中O2的浓度足够CH4的燃烧反应：

瓦斯源中CH4浓度超过4％时，不用对燃烧室22进行CH4加浓；此时纯甲烷增压供给管8不向纯甲烷蓄压腔2内供给纯甲烷即可；此时单向阀13能防止甲烷加浓空腔层7内的气体通过若干第一导气通道14反流至纯甲烷蓄压腔2内；然后在瓦斯泵的作用下将瓦斯通过低浓度脉动瓦斯供给管90呈脉动周期的形式连续向瓦斯分流箱91内供给瓦斯；进而使瓦斯分流箱91的内部形成连续的脉动气压，进而瓦斯分流箱91内的瓦斯呈脉动周期的向各个瓦斯燃烧器10的燃烧室12内喷射瓦斯气体；燃烧室12内的瓦斯经点火装置点燃后，燃烧室12内形成连续的脉动火焰，进而燃烧室12内因燃烧产生的高温尾气持续通过燃烧室12的排烟端以尾焰的形式喷出，进而各个排气直管20所喷出的尾焰对用热设备进行加热；进而实现了对瓦斯的利用；

当瓦斯源中CH4浓度小于4％时，然后在瓦斯泵的作用下将瓦斯通过低浓度脉动瓦斯供给管90呈脉动周期的形式连续向瓦斯分流箱91内供给瓦斯；进而使瓦斯分流箱91的内部形成连续的脉动气压，进而瓦斯分流箱91内的瓦斯呈脉动周期的向各个瓦斯燃烧器10的燃烧室12内喷射瓦斯气体；由于通过若干瓦斯导气孔77喷出的瓦斯气体中CH4浓度小于4％，燃烧室12中无法顺利点燃或是无法保持多个脉动周期燃烧的连续性，需要对燃烧室12进行CH4加浓；此时纯甲烷增压供给管8将纯甲烷压入纯甲烷蓄压腔2内，并且纯甲烷增压供给管8持续维持纯甲烷蓄压腔2内的气压，且保证纯甲烷蓄压腔2内的气压始终大于燃烧室12内的气压，此时启动电机5，进而电机5通过输出齿轮3带动所述旋转配气环体6沿轴线旋转，进而环形凸缘21随旋转配气环体6同步旋转，环形凸缘21的呈周期性旋转使各第二导气通道17的内端呈周期性的旋转至对齐连通若干第一导气通道14的外端，进而使纯甲烷蓄压腔2与甲烷加浓空腔层7之间呈周期性的相互连通，进而使纯甲烷蓄压腔2内的甲烷通过若干第一导气通道14呈周期性的向甲烷加浓空腔层7内压入射纯CH4，进而使甲烷加浓空腔层7内形成纯CH4脉动气压，进而甲烷加浓空腔层7内的CH4脉动气体通过若干甲烷加浓孔11呈脉动周期性的向燃烧室12内压入纯CH4，通过控制电机5的输出齿轮3转速，进而控制旋转配气环体6，使纯甲烷蓄压腔2与甲烷加浓空腔层7之间呈周期性的相互连通周期和步调与瓦斯分流箱91向燃烧室12内喷射瓦斯气体的周期和步调一致；进而实现对燃烧室12内每个脉动燃烧周期都进行了燃气加浓，保证燃烧室12能连续的脉动燃烧；进而燃烧室12内因燃烧产生的高温尾气持续通过通过燃烧室12的排烟端以尾焰的形式喷出，，进而各个排气直管20所喷出的尾焰对用热设备进行加热；进而实现了对瓦斯的利用；与此同时甲烷加浓空腔层7内的纯甲烷气体能通过第二环壁9吸收燃烧室12内燃烧后产生的热量，进而使若干甲烷加浓孔11向燃烧室12内喷射的是已经预热的纯CH4，进而有效提高燃烧室12内的燃烧效率。

采用CFD数值模拟方法对燃烧器的结构合理性和技术进步进行验证：

使用用ANSYS Fluent16.0完成该网格下的数值模拟，首先检验网格，确保其网格面积和体积没有负值的存在，不考虑重力影响。

在模型中，设置流动过程为基于压力的稳态流动，同时由于我们主要关心低浓度瓦斯的流动状况，因此假定流体为CH4和空气的混合气，采用多组分模型数值计算其在燃烧器管道中的流场分布情况。

模型设置：能量方程、标准湍流方程、组分输运方程；

材料设置：流体为methane-air、固体壁面为默认aluminum；

边界条件设置：入口边界条件：速度入口，设定低浓度脉动瓦斯供给管90的供给速度为1.5m/s；出口边界条件：燃烧室12的排烟出口为大气压力出口；湍流指标：湍流强度+水力直径；

温度：300K；

组分：4％CH4、19.74％O2、2.82％CO2、73.44％N2；

求解方法：SIMPLE单精度，梯度基于网格采用最小二乘法，压力采用二阶迎风，动量采用一阶迎风，湍流动能采用一阶迎风，湍流耗散率采用一阶迎风；

残差监视：所有参数收敛精度设置为0.001；

迭代步长：1000；

初始化，运算过程中，在第324步时，各项指标均收敛至设定精度；

模拟结束后得到的燃烧器整体速度云图如附图2，由速度云图可以看出低浓度脉动瓦斯供给管90的出口不对正任意一个所述瓦斯燃烧器10的进气口的结构进气能获得较好的速度场，在附图3为瓦斯燃烧器的CFD分析局部矢量速度云图中可以看出，燃烧室12中产生回流区，随着燃烧的进行高温烟气不断产生，同时伴随着回流现象被卷吸到火焰根部，与新进燃气进行热量传递，在初点火时期，回流区的作用将更加明显，高温烟气从开始回流到燃烧器根部，其流速将越来越大，在这期间被回流的烟气与主流中的介质相混合，进行高效的动量传输，促使在回流区的新旧燃气相互交换混合，从而进一步使得燃烧室内部的温度分布更加均匀；部分随着高温烟气回流到燃烧室根部的未燃尽的燃气，会和新进燃气一起在根部被重新燃烧，对于气体的完全燃烧有重要作用。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (3)

1.改进主管的低浓度瓦斯脉动燃烧器，其特征在于：包括瓦斯燃烧器(10)，所述瓦斯燃烧器(10)为柱状筒体结构，所述瓦斯燃烧器(10)的内腔为柱状燃烧室(12)，所述燃烧室(12)的两端分别设置有低浓度瓦斯进气口和排烟出气口；所述瓦斯燃烧器(10)的外侧一体化设置有环状的甲烷加浓箱体(18)，所述环状的甲烷加浓箱体(18)内为环状的纯甲烷蓄压腔(2)；所述纯甲烷蓄压腔(2)与所述燃烧室(12)之间还同轴心设置有环状的甲烷加浓空腔层(7)；所述纯甲烷蓄压腔(2)与所述甲烷加浓空腔层(7)之间由第一环壁(1)分隔，所述甲烷加浓空腔层(7)与所述燃烧室(12)之间有第二环壁(9)分隔；所述第二环壁(9)的两侧沿轴线呈圆周阵列均布有若干甲烷加浓孔(11)，各所述甲烷加浓孔(11)将所述甲烷加浓空腔层(7)与所述燃烧室(12)之间相互连通；

所述第一环壁(1)上呈圆周阵列分布有若干第一导气通道(14)，各所述第一导气通道(14)的内端均连通所述甲烷加浓空腔层(7)，所述纯甲烷蓄压腔(2)内还包括旋转配气环体(6)，所述旋转配气环体(6)转动套接在所述第一环壁(1)外侧，所述旋转配气环体(6)的内圈中部一体化同轴心设置有环形凸缘(21)，所述环形凸缘(21)的内壁封堵各所述第一导气通道(14)的外端，所述环形凸缘(21)上呈圆周阵列分布有若干第二导气通道(17)，各所述第二导气通道(17)的外端均连通所述纯甲烷蓄压腔(2)，各所述第二导气通道(17)的内端能随环形凸缘(21)同步旋转至分别对齐连通若干第一导气通道(14)的外端；还包括纯甲烷增压供给管(8)，所述纯甲烷增压供给管(8)的出气端连通所述纯甲烷蓄压腔(2)。

2.根据权利要求1所述的改进主管的低浓度瓦斯脉动燃烧器，其特征在于：各所述第一导气通道(14)内均设置有防止气体反流的单向阀(13)，所述单向阀(13)能防止甲烷加浓空腔层(7)内的气体通过第一导气通道(14)反流至纯甲烷蓄压腔(2)内；所述旋转配气环体(6)内圈的环形凸缘(21)两侧还对称转动安装有两轴承(16)；所述旋转配气环体(6)的外圈设置有一圈齿体(25)，所述纯甲烷蓄压腔(2)还固定安装有电机(5)，所述电机(5)的输出轴(4)上同步连接有输出齿轮(3)，所述输出齿轮(3)与所述旋转配气环体(6)上的一圈齿体(25)啮合连接，所述电机(5)通过输出齿轮(3)带动所述旋转配气环体(6)沿轴线旋转。

3.根据权利要求1所述的改进主管的低浓度瓦斯脉动燃烧器，其特征在于：还包括长柱状的瓦斯分流箱(91)，所述瓦斯分流箱(91)的一侧分别垂直连通有五个所述瓦斯燃烧器(10)的低浓度瓦斯进气口，所述瓦斯分流箱(91)远离五个瓦斯燃烧器(10)的一侧垂直连通有低浓度脉动瓦斯供给管(90)；五个所述瓦斯燃烧器(10)沿所述瓦斯分流箱(91)的长度方向阵列分布，且所述低浓度脉动瓦斯供给管(90)的出口不对正任意一个所述瓦斯燃烧器(10)的进气口。