TWI826136B - 純氫燃燒器 - Google Patents
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Abstract
本揭露提供一種純氫燃燒器。純氫燃燒器包含雙層管裝置、螺旋件及點火單元。雙層管裝置包含噴嘴。螺旋件設置於雙層管裝置的內管壁，並鄰近噴嘴。螺旋件包含基板與葉片。基板設置於內管壁。葉片設置於基板且彼此間隔。葉片的傾斜走向與螺旋件的中心軸之間形成葉片夾角角度。葉片夾角角度為40度至65度。點火單元設置於雙層管裝置，並鄰近噴嘴。
Description
本揭露是有關於一種純氫燃燒器，且特別是有關於一種改善局部高溫的純氫燃燒器。
隨著氣候變遷加劇，降低碳排的課題也受到重視。越來越多的產業開始改善製程，以達到減碳淨零的需求。為了減碳淨零，目前高碳排的燃燒製程可採用氫燃燒。由於氫氣燃燒相當快速，容易產生局部高溫的現象。所以燃燒器噴出氫氣並點火時，氫氣瞬間燃燒，會產生局部高溫，而局部高溫的情形會降低燃燒器的使用壽命，還會增加氮氧化物(NOx)的濃度，故仍有待改善。
因此，本揭露之一目的就是在提供一種純氫燃燒器，可避免局部高溫並降低NOx的濃度。
根據本揭露之上述目的，提出一種純氫燃燒器。純氫燃燒器包含雙層管裝置、螺旋件及點火單元。雙層管裝置包含內管壁、外管壁、氫氣噴注空間、空氣噴注空間及噴嘴。外管壁套設於內管壁外。氫氣噴注空間位在內管壁內。空氣噴注空間位在內管壁與外管壁之間。噴嘴設置於外管壁上。螺旋件設置於內管壁上，並位於空氣噴注空間中，且鄰近噴嘴。螺旋件包含基板及葉片。基板設置於內管壁上並鄰近噴嘴。葉片設置於基板的外周面上且彼此間隔。葉片的傾斜走向與螺旋件的中心軸之間形成葉片夾角角度。葉片夾角角度為40度至65度。點火單元設置於雙層管裝置中，並且鄰近該噴嘴。
依據本揭露之一實施例，上述之純氫燃燒器包含漩流數。漩流數大於0.6。
依據本揭露之一實施例，上述之葉片夾角角度為40度時，漩流數為0.63。
依據本揭露之一實施例，上述之葉片夾角角度為65度時，漩流數為1.63。
依據本揭露之一實施例，上述之噴嘴包含噴口與漸縮面。噴口形成於噴嘴的末端面。其中外管壁的管徑大於噴口的口徑。漸縮面形成於噴嘴的外周面，並延伸至噴口。
依據本揭露之一實施例，上述之噴嘴包含穿孔。穿孔形成於漸縮面上，並環繞噴口且彼此間隔。
依據本揭露之一實施例，上述之螺旋件包含斜坡。斜坡設置於基板的側面，並且面向噴嘴。
依據本揭露之一實施例，上述之螺旋件包含貫孔。貫孔設置於基板上，以及貫孔彼此間隔並環繞斜坡。
依據本揭露之一實施例，上述之貫孔至基板的外周面的距離，大於貫孔至斜坡的一最小距離。
依據本揭露之一實施例，上述之斜坡與基板之間形成斜坡夾角角度。斜坡夾角角度為100度至120度。
依據本揭露之一實施例，上述之穿孔至外管壁的距離，大於穿孔至噴嘴的末端面的距離。
本揭露之純氫燃燒器，藉由螺旋件的設置，可以提高空氣與氫氣的預混程度，並可降低純擴散燃燒的局部高溫。另外，噴嘴上的穿孔可增加火焰寬度，進而可避免高溫集中。利用改善局部高溫的情形，可提高純氫燃燒器的使用壽命，並降低NOx的濃度。
請參閱圖1A與圖1B，係分別繪示依照本揭露之一實施方式的一種純氫燃燒器100的立體示意圖與剖面示意圖。純氫燃燒器100包含雙層管裝置110、螺旋件120與點火單元130。雙層管裝置110可提供空氣與氫氣注入。空氣通過螺旋件120而漩流，提高空氣與氫氣的預混程度。預混之空氣與氫氣再以點火單元130點火燃燒，並噴出雙層管裝置110。
雙層管裝置110包含內管壁111、外管壁112、氫氣噴注空間HS、空氣噴注空間AS及噴嘴113。外管壁112套設於內管壁111外。氫氣噴注空間HS位在內管壁111內。空氣噴注空間AS位在內管壁111與外管壁112之間。噴嘴113設置於外管壁112上。
在一例子中，純氫燃燒器100的長度，可依據爐壁隔熱層厚度調整。若爐壁隔熱層較厚，純氫燃燒器100的長度則設計較長，讓純氫燃燒器100可配置於爐壁隔熱層(圖未示)中，並順利執行燃燒作業。反之，爐壁隔熱層較薄，純氫燃燒器100的長度則設計較短。
請一併參閱圖2，其係繪示依照本揭露之一實施方式的一種純氫燃燒器100的前視局部示意圖。噴嘴113包含噴口1131、漸縮面1132與穿孔1133。噴口1131形成於噴嘴113的末端面113S。如圖1B所示，外管壁112的管徑D1大於噴口1131的口徑D2，噴口1131的口徑D2大於內管壁111的管徑D3。換言之，噴嘴113採用縮口設計，可提高氣流射出噴嘴113的速度。
漸縮面1132形成於噴嘴113的外周面，並延伸至噴口1131。其中，漸縮面1132可為平面式錐狀面。或者可為弧面式錐狀面，以方便火檢與窺火觀測。
穿孔1133形成於漸縮面1132上，並環繞噴口1131且彼此間隔。其中，穿孔1133貫穿噴嘴113。即穿孔1133延伸至噴嘴113面向內管壁111的內側面，也就是穿孔1133連通至噴嘴113所圈圍的預混空間1134。預混空間1134連通氫氣噴注空間HS、空氣噴注空間AS、噴口1131與穿孔1133。如圖2所示，穿孔1133至外管壁112的距離D4，大於穿孔1133至噴嘴113的末端面113S的距離D5。
上述中，可依據所需要的火焰寬度，來調整穿孔1133的數量、穿孔1133的大小、穿孔1133的形狀與穿孔1133至噴嘴113的末端面113S的距離D5，以避免局部高溫。
請參閱圖3A、圖3B與圖3C，其係分別繪示依照本揭露之一實施方式的螺旋件120的立體示意圖、側視示意圖與前視示意圖。螺旋件120設置於內管壁111上，並位於空氣噴注空間AS中，且鄰近噴嘴113。
螺旋件120包含基板121、葉片122與斜坡123。基板121設置於內管壁111上並鄰近噴嘴113，其中基板121環繞內管壁111。葉片122設置於基板121面向外管壁112的外周面上且彼此間隔。每個葉片122具有傾斜走向122d。如圖3B所示，傾斜走向122d與螺旋件120的中心軸120a之間形成葉片夾角角度θ1。葉片夾角角度θ1可例如為40度至65度。在一些例子中，葉片122的數量可為4個至10個。斜坡123設置於基板121的側面，並且面向噴嘴113。
如圖3B所示，斜坡123與基板121之間形成斜坡夾角角度θ2。斜坡夾角角度θ2為100度至120度。另外，斜坡123的相對兩端分別形成較大徑部123d1與較小徑部123d2。其中，較大徑部123d1連接基板121，較小徑部123d2位於斜坡123的末端處。換言之，較小徑部123d2鄰近噴嘴113，較大徑部123d1遠離噴嘴113。
另外，純氫燃燒器100具有高漩流數，即漩流數大於0.6。詳言之，若葉片夾角角度θ1為40度時，漩流數為0.63。若葉片夾角角度θ1為65度時，漩流數為1.63。
請繼續參閱圖3A與圖3C，螺旋件120包含貫孔121h。貫孔121h設置於基板121上，且貫穿基板121，並連通空氣噴注空間AS。空氣噴注空間AS中的空氣流經螺旋件120時，一部分的空氣可直接通過貫孔121h，而流至斜坡123處。貫孔121h可降低壓損。即，貫孔121h的設置可減少空氣氣流通過螺旋件120的壓力損耗，進而改善螺旋件120對空氣氣流流速的不良影響。貫孔121h彼此間隔並環繞斜坡123。在一例子中，貫孔121h至基板121的外周面的距離D6，大於貫孔121h至斜坡123的最小距離D7。在一例子中，貫孔121h可鄰接斜坡123。
如圖1B所示，點火單元130設置於雙層管裝置110中，並且鄰近噴嘴113。在一例子中，點火單元130設置於內管壁111中，並朝噴口1131的方向凸出內管壁111。在一例子中，點火單元130可使用天然氣，以觀測火焰。
上述中，製造噴嘴113所選用的材料可為不鏽鋼310。製造內管壁111、外管壁112與螺旋件120所選用的材料可為不鏽鋼316。其中，不鏽鋼310材料具有耐高溫特性。不鏽鋼316材料具有良好的抗氫脆特性。
於使用時，氫氣供給件(圖未示)將氫氣注入雙層管裝置110的氫氣噴注空間HS，並形成氫氣氣流，氫氣氣流流出內管壁111後，會流入噴嘴113的預混空間1134。空氣供給件(圖未示)將空氣注入雙層管裝置110的空氣噴注空間AS，並形成空氣氣流，空氣氣流流出外管壁112後，會流入噴嘴113的預混空間1134，與氫氣氣流部分預混後再噴出噴嘴113的噴口1131。點火單元130點火燃燒已部分預混的氫氣氣流與空氣氣流，純氫燃燒器100噴出火焰。
上述中，空氣噴注空間AS中的空氣氣流在通過螺旋件120的葉片122時，葉片122可以調整通過的空氣氣流流量，調整後續空氣氣流與氫氣氣流的混合情形。葉片夾角角度θ1為40度至65度，可以讓空氣氣流漩流並流入噴嘴113的預混空間1134，藉此可增加空氣氣流與氫氣氣流的預混程度，進而可避免局部高溫，以及降低NOx的濃度。空氣噴注空間AS中的空氣氣流的一部分會不經過葉片122，而是流經貫孔121h，接著經由斜坡123對空氣氣流提供導引，藉此可降低純擴散燃燒的局部高溫，而可改善噴頭內部高溫的分布。
預混空間1134中已部分預混的空氣氣流與氫氣氣流，可自噴口1131噴出，形成主燃燒區。同時自穿孔1133噴出，形成副燃燒區。由於間隔排列的穿孔1133圍繞噴口1131，所以副燃燒區圍繞主燃燒區，如此可加寬噴嘴113所噴出的火焰寬度，而可避免高溫集中。由於不是採用增加噴口1131的口徑D2來擴大火焰寬度，而是採用穿孔1133的配置來擴大火焰寬度，因此可降低對氣流噴出的流速影響。即，噴口1131的口徑D2擴大，可大幅降低氣流噴出的流速，而穿孔1133的配置不會降低太多氣流噴出的流速。
以純氫燃燒器100設置於燒結爐上進行燃燒測試，取得測試結果如下表一。
表一
| 結果 | |
| 火焰長度(cm) | 48 |
| 火焰長度(cm) | 12 |
| 噴頭溫度(℃) | 800 |
| NO X濃度(ppm) | 119 |
上述中，NO
X的濃度為119 ppm。而國家環保署固定汙染源空氣汙染物排放標準規定，NO
X的濃度要小於150 ppm，所以本揭露之純氫燃燒器100可有效降低NO
X的濃度，以符合法規的規定。另外，噴頭溫度可小於800℃，讓噴頭溫度降低，且仍在適當的工作溫度範圍內，又可避免溫度升高而超過噴嘴113的耐熱溫度，達到保護並延長使用壽命的目的。
由上述之實施方式可知，本揭露之一優點就是因為本揭露之純氫燃燒器配置螺旋件利用螺旋件中的葉片與斜坡，可有效改善局部高溫。藉由在噴嘴上設置穿孔，可增加火焰寬度，來避免高溫集中。利用改善局部高溫，可保護噴嘴，以延長噴嘴的使用壽命，並可降低NOx的濃度，以降低空氣汙染，達到符合法規規定的需求。本揭露之純氫燃燒器使用氫氣來燃燒，不會產生二氧化碳，因此可降低溫室氣體的產生，符合減碳淨零的大趨勢。
雖然本揭露已以實施例揭示如上，然其並非用以限定本揭露，任何在此技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭露之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本揭露之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100:純氫燃燒器
110:雙層管裝置
111:內管壁
112:外管壁
113:噴嘴
113S:末端面
120:螺旋件
120a:中心軸
121:基板
121h:貫孔
122:葉片
122d:傾斜走向
123:斜坡
123d1:較大徑部
123d2:較小徑部
130:點火單元
1131:噴口
1132:漸縮面
1133:穿孔
1134:預混空間
AS:空氣噴注空間
D1:管徑
D2:口徑
D3:管徑
D4:距離
D5:距離
D6:距離
D7:距離
HS:氫氣噴注空間
θ1:葉片夾角角度
θ2:斜坡夾角角度
為讓本揭露之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：
圖1A與圖1B係分別繪示依照本揭露之一實施方式的一種純氫燃燒器的立體示意圖與剖面示意圖；
圖2係繪示依照本揭露之一實施方式的一種純氫燃燒器的前視局部示意圖；以及
圖3A、圖3B與圖3C係分別繪示依照本揭露之一實施方式的螺旋件的立體示意圖、側視示意圖與前視示意圖。
國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記)
無
國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記)
無
100:純氫燃燒器
110:雙層管裝置
111:內管壁
112:外管壁
113:噴嘴
113S:末端面
120:螺旋件
130:點火單元
1131:噴口
1132:漸縮面
1133:穿孔
1134:預混空間
AS:空氣噴注空間
D1:管徑
D2:口徑
D3:管徑
HS:氫氣噴注空間
Claims (10)
- 一種純氫燃燒器，包括：一雙層管裝置，包含：一內管壁；一外管壁，套設於該內管壁外；一氫氣噴注空間，位在該內管壁內；一空氣噴注空間，位在該內管壁與該外管壁之間；及一噴嘴，設置於該外管壁上；一螺旋件，設置於該內管壁上，並位於該空氣噴注空間中，且鄰近該噴嘴，該螺旋件包含：一基板，設置於該內管壁上並鄰近該噴嘴；及複數個葉片，設置於該基板的一外周面上且彼此間隔，該些葉片中的每一者具有一傾斜走向，該傾斜走向與該螺旋件的一中心軸之間形成一葉片夾角角度，該葉片夾角角度為40度至65度；及一點火單元，設置於該雙層管裝置中，並且鄰近該噴嘴，其中該純氫燃燒器包含一漩流數，該漩流數大於0.6。
- 如請求項1所述之純氫燃燒器，其中該葉片夾角角度為40度時，該漩流數為0.63。
- 如請求項1所述之純氫燃燒器，其中該葉片夾角角度為65度時，該漩流數為1.63。
- 如請求項1所述之純氫燃燒器，其中該噴嘴包含：一噴口，形成於該噴嘴的一末端面，其中該外管壁的一管徑大於該噴口的一口徑；及一漸縮面，形成於該噴嘴的一外周面，並延伸至該噴口。
- 如請求項4所述之純氫燃燒器，其中該噴嘴包含複數個穿孔，該些穿孔形成於該漸縮面上，並環繞該噴口且彼此間隔。
- 如請求項1所述之純氫燃燒器，其中該螺旋件包含一斜坡，該斜坡設置於該基板的一側面，並且面向該噴嘴。
- 如請求項6所述之純氫燃燒器，其中該螺旋件包含複數個貫孔，該些貫孔設置於該基板上，且該些貫孔彼此間隔並環繞該斜坡。
- 如請求項7所述之純氫燃燒器，其中該些貫孔中的每一者至該基板的該外周面的一距離，大於該些貫孔中的每一者至該斜坡的一最小距離。
- 如請求項6所述之純氫燃燒器，其中該斜坡與該基板之間形成一斜坡夾角角度，該斜坡夾角角度為 100度至120度。
- 如請求項5所述之純氫燃燒器，其中該些穿孔中的每一者至該外管壁的一距離，大於該些穿孔中的每一者至該噴嘴的該末端面的一距離。
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| CN203940428U (zh) * | 2014-06-19 | 2014-11-12 | 广东正鹏生物质能源科技有限公司 | 一种用于工业锅炉的生物质燃气燃烧装置 |
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- 2022-11-22 TW TW111144577A patent/TWI826136B/zh active
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