CN106090907A - 一种预混强旋流火焰扩散燃烧器 - Google Patents

一种预混强旋流火焰扩散燃烧器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种预混强旋流火焰扩散燃烧器，采用中心分级的结构设计，由燃烧室机匣、空气管路，燃料管路、旋流器、预燃级空气孔、预燃级喷嘴以及主燃级喷嘴构成；空气管路与燃烧室机匣进口采用焊接连接，用于引导空气经过旋流燃烧器，进入燃烧室内进行燃烧；燃料管路将气态燃料分别供入到预燃级和主燃级喷嘴，其中25％‑40％的燃料进入预燃级喷嘴后直接喷入燃烧室，与通过预燃级空气孔直接进入燃烧室的预燃级空气发生掺混，进行扩散燃烧；本发明采用的预混强旋流火焰扩散的结构，有利于扩大下游燃烧面积，增大加热区域，从而实现使用面积较小的燃烧器，就可以加热更大空间范围，同时提高燃烧效率，降低污染物的排放。

Description

一种预混强旋流火焰扩散燃烧器
技术领域
本发明涉及旋流燃烧器，特别涉及一种预混强旋流火焰扩散燃烧器。
背景技术
煤、石油、天然气的燃烧是国民经济各个部门的热能动力来源，利用燃烧这一化学反应，从燃料中的获得热能的各种各样的燃烧装置也被广泛的用于各种金属冶炼、锅炉设备以及科研实验等工业和民用领域，燃烧装置中燃烧器的结构设计是取得良好燃烧效果的主要因素，它决定了燃烧装置的点火性能以及流场中的火焰分布和温度分布，对于燃烧装置的安全运行和经济效益有着非常重要的作用。
目前对于锅炉设备以及大型换热器的热源的燃烧装置，大都采用旋流燃烧器这一机构设计，这是由于其能够有效强化燃料与空气的混合以及高温燃烧产物和未燃燃料在下流流场中的混合过程，并且其形成的回流区是最为有效的，可以作为稳定的点火源，所以在煤粉和气态燃料的燃烧以及燃气轮机等不同领域得到了广泛的应用。
现在有许多针对旋流燃烧器的改进，大都集中在对降低NOx的排放，以及火焰稳定的一些研究，当需要燃烧加热的空间较大的情况，绝大部分采用的方法就是增加旋流器燃烧器的数量，如果能够设计出一种旋流器头部能够在使用较小尺寸的旋流结构可以使很大面积区域的温度升高，则可以简化燃烧装置，降低维修成本，提高运行效率。
预混燃烧可以提高燃烧效率，有效的增强当地的火焰强度，如果是贫油预混还可以降低NOx的排放量，与此同时，预混燃烧也可以扩大燃烧反应发生的范围。
中心分级旋流器的设计理念则来源于航空发动机中燃烧室的设计，中心分级的旋流器头部通过改变局部当量比，来解决航空发动机小工况下的点火问题和在大工况时冒烟的问题，而其在两种工况下转换时的火焰传播特性也有利于下游火焰的稳定燃烧，但若想扩大其下游的燃烧范围，使之用于提供更大范围流场温度的提升时，还应对其结构进行一定的改进。
综上所述，本发明立足于工程实际应用，借鉴了中心分级旋流器的设计思想，设计了一种预混强旋流火焰扩散的燃烧器，在气态燃料和空气进行充分的预混后，通过旋流器形成强旋流，可以形成回流区稳定火焰，同时扩大下游燃烧面积，增大加热区域，从而实现使用面积较小的燃烧器，就可以加热更大空间范围，同时提高燃烧效率，降低污染物的排放。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对现有旋流燃烧器燃烧范围小、加热面积小的缺点，提供一种能提供更大加热范围的旋流燃烧器，采用中心分级的旋流器结构充分发挥预燃级对于点火以及火焰稳定的优点，气态燃料与空气进行预混后经过旋流器，可以有效的提高燃烧效率、降低空气污染；中心分级旋流器的主燃级结构设计为强旋流结构，有效的增大预混气在下游扩散的张角，增大燃烧范围，而预燃级火焰对主燃级预混气的点燃作用，同时可以有效地解决主燃级点火问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种预混强旋流火焰扩散燃烧器，采用中心分级的结构设计，整体采用不锈钢材料，通过对气体燃料进行燃烧获得热量，其主要结构包括预燃级喷嘴、旋流器、预燃级空气孔和主燃级喷嘴，以及燃烧室机匣、供应空气的空气管路、供应燃料的燃料管路和电火花点火器；空气管路通过焊接的方式与燃烧室机匣进行连接，用于引导空气经过旋流燃烧器，进入燃烧室内进行燃烧；燃料管路将燃料分别供入预燃级和主燃级喷嘴；占总量25％-40％的气态燃料进入预燃级喷嘴，直接喷射进入燃烧室中，空气管路中25％-40％的空气通过预燃级空气孔与燃料发生掺混，进行扩散燃烧；在燃料管路的管壁上开小孔，主燃级喷嘴通过焊接与燃料管路连通，剩余的燃料经过主燃级喷嘴先与空气管路中的空气进行预混，之后经过旋流器上的旋流叶片进入燃烧室，进行预混燃烧；主燃级气流产生的旋流可以形成回流区用来稳定火焰，同时强旋流可以增加气流在下游流场中的扩张角，扩大可燃气在燃烧室中的分布面积，可实现在与旋流器直径比为4-6倍的燃烧室中进行燃烧；电火花点火器通过预燃级空气孔伸入到预燃级下游不远处流场中，电火花点火器点火将预燃级燃料点燃后，通过预燃级火焰的传播点燃主燃级的燃料，实现燃烧器的启动。
其中，所述的旋流器材料为不锈钢，总体直径为116-124mm，中心部分为环形，内径为25-29mm，外径为65-75mm；内圆柱面攻有螺纹用于与预燃级喷嘴和燃料管路的连接；外圆柱面上有10-16个、厚度为0.8-1.5mm的直叶片沿周向均匀分布，用于形成强旋流，其设计旋流数为0.8-1.0。
其中，所述的预燃级空气孔位于旋流器的中心环面上，在中心环形部分上开有1-3圈沿周向均匀分布、方向与空气流动方向一致的通孔作为预燃级空气的流通通道，其有效面积占空气总流动有效面积的25％-40％。
其中，所述的预燃级喷嘴为一端开口，一端封闭的管道；开口一端的外径为25-29mm，内径为17-21mm，其外侧攻有螺纹用于与旋流器进行连接；封闭端的端面上开有1-3个直径在1-2mm的直射孔，在其圆柱面上开有10-16个沿周向均分布、直径在1-2mm的直射小孔，其开口方向与气流方向垂直。
其中，所述的主燃级喷嘴的材料为不锈钢，为一端开口的L型管路，外径为6-8mm，内径为2-4mm；开口一端与燃料管路上的小孔连接；在封闭端处的圆柱面上开有与气流方向垂直的2-3个直径在1-2mm的直射小孔；主燃级喷嘴的高度为16-20mm，使得出口直射孔在径向位置上对准旋流器叶片通道的中部。
其中，所述的燃料管路的材料为不锈钢，在其的上游部分开有10-16个直径在2-4mm的小孔与主燃级喷嘴连通，开孔位置需使主燃级喷嘴的最前端距离旋流器的叶片有6-10mm；前端攻有螺纹，可以通过旋流器与预燃级喷嘴连接。
其中，所述的空气管路的材料为不锈钢，直径为120-130mm，略大于旋流器直径，叶尖间隙为2-4mm，有利于防止回火，同时也便于安装。
其中，所述的预燃级燃料占总燃料的比例为25％-40％，预燃级流动的有效面积占总流动有效面积的比例为25％-40％。
其中，所述的燃烧室的前段为顶角为150°-170°的锥形，用来减少突扩带来的流动损失。
本发明的工作原理：利用中心分级的思想将燃烧器设计为预燃级和主燃级两部分，其中25％-40％的燃料在预燃级下游进行燃烧，60％-75％的燃料在主燃级的下游进行燃烧，电火花点火器则通过预燃级空气孔伸到预燃级下游不远处。预燃级的燃料由预燃级喷嘴直接喷射进入燃烧室内，预燃级空气经过预燃级空气孔进入到燃烧室内，由于预燃级喷嘴方向与空气流动方向垂直，有利于燃料和空气的快速掺混，而掺混是在进入燃烧室后才发生的，所以预燃级下游局部的油气比高，有利于预燃级点火过程的顺利进行，一旦预燃级点火成功，便可利用预燃级的火焰成功点燃主燃级，从而实现整个流域的燃烧。主燃级燃料由主燃级喷嘴喷射到空气管路中与空气进行混合，混合后的可燃气进过旋流器叶片形成强旋流，进入直径为旋流燃烧器直径4-6倍的燃烧室，形成扩张气流，由预燃级引燃，进行预混燃烧，实现增大燃烧室中燃烧范围的目的，同时还可以依靠强旋流形成的回流区来稳定火焰；气态燃料预混的中心分级结构可以有效地降低污染物的排放；主燃级叶片与管壁之间的间隙则可以有效地防止主燃级发生回火。
本发明与现有技术相比具有的优点如下：
(1)本发明的预混强旋流火焰扩散燃烧器，主燃级设计为强旋流，能有效的在下游形成张角较大的扩张流动，扩大旋流器下游的燃烧范围，增大加热面积。
(2)本发明的预混强旋流火焰扩散燃烧器采用了中心分级的设计思想，有利于点火，强旋流可以形成回流区，有利于燃烧的稳定，再加上燃料与空气充分的预混，有利于提高燃烧效率，同时还可以降低污染物的生成。
(3)本发明的预混强旋流火焰扩散燃烧器的结构形式简单，装配方便，喷嘴形式易于加工，有利于简化锅炉和蓄热器等装置燃烧部分的整体结构，便于操作和维护，可适用多种气体燃料，具有很宽的燃料扩展性。
附图说明
图1为本发明的一种预混强旋流火焰扩散燃烧器的结构示意图；
图2为本发明的一种预混强旋流火焰扩散燃烧器整体结构的正三轴测图；
图3为本发明的预燃级喷嘴的示意图；
图4为本发明的旋流器结构示意图；
图5为本发明的主燃级喷嘴结构示意图；
图中：1为预燃级喷嘴，2为旋流器，3为预燃级空气孔，4为主燃级喷嘴，5为燃烧室机匣，6为空气管路，7为燃料管路，8为电火花点火器，9为第一垫片，10为第二垫片。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。
如图1所示本实施例所述的一种预混强旋流的火焰扩散燃烧器，采用中心分级的设计结构，整体采用不锈钢材料，其中燃烧器部分包括：预燃级喷嘴1、旋流器2、预燃级空气孔3和主燃级喷嘴4，以及供应燃料的燃料管路7、供应空气的空气管路6，启动燃烧器的电火花点火器8和进行燃烧反应过程的燃烧室的机匣5。气态燃料通过燃料管路7被供入到装置中，一部分燃料通过预燃级喷嘴1直接进入到燃烧室中与通过预燃级空气孔3的预燃级空气进行扩散燃烧；剩余的燃料通过主燃级喷嘴4进入到空气管路6中，先与来流空气进行预混，之后经过旋流器2的叶片，在下游形成强旋流，进行扩散燃烧，强旋流形成的回流区可实现火焰稳定，同时形成扩散气流，增大可燃气所能到达的范围。燃烧器的启动过程即点火过程由电火花点火器8实现，点火器8产生高温区点燃预燃级燃料，再依靠预燃级火焰的传播点燃主燃级的可燃气，实现整个装置的启动。
如图1所示，燃料管路7和预燃级喷嘴1均通过螺纹与旋流器2进行了连接，实现燃料的供应，在连接处装有第一垫片9和第二垫片10进行密封，以防止燃料泄漏；燃料管路7的上游处开有直径在2-4mm的沿周向均匀分布的10-16个孔，主燃级喷嘴4通过焊接的形式与燃料管路7上的小孔连通，小孔周向的位置应使得主燃级喷嘴4大致对准叶片通道的中心；电火花点火器8的点火探针通过预燃级空气孔3，伸到预燃级喷嘴1下游不远处；空气管路6的管壁和旋流器2的叶片之间存在叶尖间隙，便于安装的同时还可以有效地防止主燃级发生回火。
如图2所示，空气管路6与燃烧室机匣5通过焊接的方式进行连接，引导空气进入燃烧室中；燃烧室机匣5的前段成顶角在150°-170°的锥形，以减少突扩带来的损失；该燃烧器可以实现对直径为燃烧器直径4-5倍的空间进行加热。
如图3所示，预燃级喷嘴1一端开口与燃料管路7连通，另外一段加工有直射的小孔；其中在端面上有1-3个、直径在1-2mm的小孔，有利于提高预燃级中心流场的局部当量比，在圆柱侧面上开有与气流方向垂直、直径为1-2mm直射小孔，共10-16个沿周向均匀分布，小孔将燃料喷出在空气中做横向射流，可以加快空气和燃料的掺混速率。
如图4所示，旋流器2由中心的环形部分和叶片两部分组成；叶片在中心环形部分的外圆柱面上沿周向均匀分布10-16个，均为直叶片，厚度为0.8-1.5mm，设计旋流数为0.8-1.0；中心的环形部分的内圆柱面上攻有螺纹用于连接；预燃级空气孔3位于旋流器2的中心环形部分，在沿空气流动的方向上开有1-3圈沿圆周均分布的通孔，这一设计将空气管路中的空气分成了两个部分，预燃级空气和主燃级空气，其中预燃级空气占总的25％-40％，经过预燃级空气孔3进入燃烧室，所以通孔的有效面积也占空气流动的总有效面积的25％-40％；旋流器2的安装位置取决于燃料管路7，应使得旋流器2的出口端面与燃烧室6进口平齐。
如图5所示，主燃级喷嘴4为L型，其中一端开口用于与燃料管路7连通，另外一段开由2-3个与空气流动方向垂直的、直径在1-2mm的直射小孔用于喷射燃料，这种横向射流的形式有助于空气和燃料的快速混合；喷嘴的高度应当使得出口基本对准叶片通道的中心。

Claims (9)

1.一种预混强旋流火焰扩散燃烧器，其特征在于：采用中心分级的结构设计，整体采用不锈钢材料，通过对气体燃料进行燃烧获得热量，其主要结构包括预燃级喷嘴(1)、旋流器(2)、预燃级空气孔(3)和主燃级喷嘴(4)，以及燃烧室机匣(5)、供应空气的空气管路(6)、供应燃料的燃料管路(7)和电火花点火器(8)；空气管路(6)通过焊接的方式与燃烧室机匣(5)进行连接，用于引导空气经过旋流燃烧器，进入燃烧室内进行燃烧；燃料管路(7)将燃料分别供入预燃级喷嘴(1)和主燃级喷嘴(4)；占总量25％-40％的气态燃料进入预燃级喷嘴(1)，直接喷射进入燃烧室中，空气管路(6)中25％-40％的空气通过预燃级空气孔(3)与燃料发生掺混，进行扩散燃烧；在燃料管路(7)的管壁上开小孔，主燃级喷嘴(4)通过焊接与燃料管路(7)连通，剩余的燃料经过主燃级喷嘴(4)先与空气管路(6)中的空气进行预混，之后经过旋流器(2)上的旋流叶片进入燃烧室，进行预混燃烧；主燃级气流产生的旋流可以形成回流区用来稳定火焰，同时强旋流可以增加气流在下游流场中的扩张角，扩大可燃气在燃烧室中的分布面积，可实现在与旋流器直径比为4-6倍的燃烧室中进行燃烧；电火花点火器(8)通过预燃级空气孔(3)伸入到预燃级下游不远处流场中，电火花点火器(8)点火将预燃级燃料点燃后，通过预燃级火焰的传播点燃主燃级的燃料，实现燃烧器的启动。
2.根据权利要求1所述的一种预混强旋流火焰扩散燃烧器，其特征在于：所述的旋流器(2)材料为不锈钢，总体直径为116-124mm，中心部分为环形，内径为25-29mm，外径为65-75mm；内圆柱面攻有螺纹用于与预燃级喷嘴(1)和燃料管路(7)的连接；外圆柱面上有10-16个、厚度为0.8-1.5mm的直叶片沿周向均匀分布，用于形成强旋流，其设计旋流数为0.8-1.0。
3.根据权利要求1所述的一种预混强旋流火焰扩散燃烧器，其特征在于：所述的预燃级空气孔(3)位于旋流器的中心环面上，在中心环形部分上开有1-3圈沿周向均匀分布、方向与空气流动方向一致的通孔作为预燃级空气的流通通道，其有效面积占空气总流动有效面积的25％-40％。
4.根据权利要求1所述的一种预混强旋流火焰扩散燃烧器，其特征在于：所述的预燃级喷嘴为(1)一端开口，一端封闭的管道；开口一端的外径为25-29mm，内径为17-21mm，其外侧攻有螺纹用于与旋流器(2)进行连接；封闭端的端面上开有1-3个直径在1-2mm的直射孔，在其圆柱面上开有10-16个沿周向均分布、直径在1-2mm的直射小孔，其开口方向与气流方向垂直。
5.根据权利要求1所述的一种预混强旋流火焰扩散燃烧器，其特征在于：所述的主燃级喷嘴(4)的材料为不锈钢，为一端开口的L型管路，外径为6-8mm，内径为2-4mm；开口一端与燃料管路(7)上的小孔连接；在封闭端处的圆柱面上开有与气流方向垂直的2-3个直径在1-2mm的直射小孔；主燃级喷嘴(4)的高度为16-20mm，使得出口直射孔在径向位置上对准旋流器(2)叶片通道的中部。
6.根据权利要求1所述的一种预混强旋流火焰扩散燃烧器，其特征在于：所述的燃料管路(7)的材料为不锈钢，在其的上游部分开有10-16个直径在2-4mm的小孔与主燃级喷嘴(4)连通，开孔位置需使主燃级喷嘴(4)的最前端距离旋流器(2)的叶片有6-10mm；前端攻有螺纹，可以通过旋流器(2)与预燃级喷嘴(1)连接。
7.根据权利要求1所述的一种预混强旋流火焰扩散燃烧器，其特征在于：所述的空气管路(8)的材料为不锈钢，直径为120-130mm，略大于旋流器(2)直径，叶尖间隙为2-4mm，有利于防止回火，同时也便于安装。
8.根据权利要求1所述的一种预混强旋流火焰扩散燃烧器，其特征在于：所述的预燃级燃料占总燃料的比例为25％-40％，预燃级流动的有效面积占总流动有效面积的比例为25％-40％。
9.根据权利要求1所述的一种预混强旋流火焰扩散燃烧器，其特征在于：所述的燃烧室的前段为顶角为150°-170°的锥形，用以减少突扩带来的流动损失。
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