CN106090914B - 燃烧喷嘴及其喷射方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种燃烧喷嘴及其喷射方法，该燃烧喷嘴包括：喷嘴本体，其一端具有燃料入口和纯氧入口，其另一端形成有多个隔膜外腔；其中，喷嘴本体内设有燃料通道，燃料通道的一端与燃料入口相连通，其另一端通过多个燃料斜孔与多个隔膜外腔相连通，燃料斜孔沿燃料的喷射方向径向向外倾斜设置；喷嘴本体内还设有纯氧通道，纯氧通道的一端与纯氧入口相连通，纯氧通道的另一端通过多个纯氧斜孔与多个隔膜外腔相连通，纯氧斜孔沿纯氧的喷射方向径向向内倾斜设置。本发明的燃烧喷嘴及其喷射方法，能将纯氧和天然气进行均匀雾化，使匀质雾化的纯氧和天然气在发生器中充分燃烧，该燃烧喷嘴结构合理、安全可靠且使用寿命长。

Description

燃烧喷嘴及其喷射方法

技术领域

本发明有关于一种喷嘴及其喷射方法，尤其有关于一种高压燃烧技术领域中的燃烧喷嘴及其喷射方法。

背景技术

多元热流体技术热力开采稠油是一种非常高效的新技术，其具有燃烧效率高、零碳注入环保节能的优势，多元热流体技术输出的高温多元热流体具有综合增油机理，可大幅提高单井产能和提高原油采收率。

多元热流体技术用于油砂开采，其核心装备是发生器，目前，对该发生器输出的多元热流体成分要求除去氮气或减少氮气含量，主要通过用含氧量90％以上的纯氧与天然气掺混的方式实现高压充分燃烧的需要。

该发生器的燃烧喷嘴是实现纯氧、天然气高温充分燃烧的核心部件，现有技术中，该发生器所采用的喷嘴易烧损，而且掺混纯氧、天然气的效果不好，易导致燃烧不稳定。

因此，有必要提供一种新的喷嘴及喷射方法，来克服上述缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种燃烧喷嘴，其能将纯氧和天然气进行均匀雾化，使匀质雾化的纯氧和天然气在发生器中充分燃烧，该燃烧喷嘴结构合理、安全可靠、使用寿命长。

本发明的另一目的是提供一种喷射方法，该喷射方法能将纯氧和天然气进行均匀雾化，使匀质雾化的纯氧和天然气在发生器中充分燃烧。

本发明的上述目的可采用下列技术方案来实现：

本发明提供一种燃烧喷嘴，所述燃烧喷嘴包括：

喷嘴本体，其一端具有燃料入口和纯氧入口，其另一端形成有多个隔膜外腔；

其中，所述喷嘴本体内设有燃料通道，所述燃料通道的一端与所述燃料入口相连通，其另一端通过多个燃料斜孔与多个所述隔膜外腔相连通，所述燃料斜孔沿燃料的喷射方向径向向外倾斜设置；所述喷嘴本体内还设有纯氧通道，所述纯氧通道的一端与所述纯氧入口相连通，所述纯氧通道的另一端通过多个纯氧斜孔与多个所述隔膜外腔相连通，所述纯氧斜孔沿纯氧的喷射方向径向向内倾斜设置。

在优选的实施方式中，所述纯氧通道为环形通道，所述纯氧通道围设在所述燃料通道的外周。

在优选的实施方式中，所述纯氧通道的环腔宽度与所述纯氧斜孔的直径的比值为2.83。

在优选的实施方式中，所述燃料通道的直径与所述燃料斜孔的直径的比值为2.0。

在优选的实施方式中，多个所述隔膜外腔沿圆周方向设置在所述喷嘴本体的端面，所述隔膜外腔的外轮廓形状为扇形形状，所述扇形的圆心角为60°～90°。

在优选的实施方式中，所述隔膜外腔为设置在所述喷嘴本体端部的球面凹槽，所述球面凹槽的球面半径为50mm～100mm。

在优选的实施方式中，所述球面凹槽的外边缘切线与所述喷嘴本体的端面之间所形成的锐角为5°～15°。

在优选的实施方式中，多个所述纯氧斜孔沿圆周方向间隔设置在所述喷嘴本体内，所述纯氧斜孔的轴线与所述喷嘴本体的轴线之间所形成的锐角为15°～45°。

在优选的实施方式中，多个所述燃料斜孔沿圆周方向间隔设置在所述喷嘴本体内，所述燃料斜孔的轴线与所述喷嘴本体的轴线之间所形成的钝角为135°～175°。

在优选的实施方式中，所述纯氧斜孔的直径为1.25mm～4.35mm；所述燃料斜孔的直径为0.25mm～1.35mm。

本发明还提供一种上述的燃烧喷嘴的喷射方法，所述喷射方法包括如下步骤：

a)向喷嘴本体的燃料通道内注入天然气，向所述喷嘴本体的纯氧通道内注入纯氧；

b)所述天然气经多个燃料斜孔径向向外喷出所述喷嘴本体的多个隔膜外腔，所述纯氧通过多个纯氧斜孔径向向内喷出所述喷嘴本体的多个所述隔膜外腔。

在优选的实施方式中，在所述步骤b)中，所述天然气经所述燃料斜孔喷出后，在所述隔膜外腔内形成一层燃料隔膜层。

在优选的实施方式中，所述燃料隔膜层的厚度为0.5mm～1.5mm。

本发明的燃烧喷嘴及其喷射方法的特点及优点是：

一、本发明通过径向向内倾斜设置的纯氧斜孔、以及径向向外倾斜设置的燃料斜孔，可保证自喷嘴本体喷出的纯氧和天然气充分掺混雾化，有效保证了天然气喷出后与纯氧的对撞掺混；另外，通过设置在喷嘴本体端面的多个隔膜外腔，可使从燃料斜孔喷出的天然气在隔膜外腔内形成一层燃料隔膜层，该燃料隔膜层可将纯氧、天然气高温燃烧辐射的热量带走，有效隔绝了纯氧与喷嘴本体高温下的直接接触，提高了燃烧喷嘴的使用寿命。

二、本发明通过对纯氧通道的环腔宽度与纯氧斜孔的直径的比值设计、以及对燃料通道的直径与燃料斜孔的直径的比值设计，可使自喷嘴本体喷出的天然气和纯氧，按照一定配比和速度对撞掺混后，在发生器的燃烧室内充分燃烧而生成二氧化碳，燃烧产物中氮气含量少，符合后期生产作业的要求。

三、本发明通过将隔膜外腔设计为球面凹槽状，可使天然气自燃料斜孔喷入隔膜外腔后，天然气从球面凹槽状的隔膜外腔内喷出喷嘴本体的端面时是内收的，之后全部天然气与自纯氧斜孔喷出的纯氧对撞掺混出喷嘴本体并离开喷嘴本体的端面，为纯氧、天然气在发生器的燃烧室内的充分燃烧提供保障。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的燃烧喷嘴的剖视结构示意图。

图2为本发明的燃烧喷嘴的实施例一的立体图。

图3为本发明的燃烧喷嘴的实施例二的立体图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施方式一

如图1至图3所示，本发明提供一种燃烧喷嘴，其包括喷嘴本体1，该喷嘴本体1的一端具有燃料入口11和纯氧入口12，其另一端形成有多个隔膜外腔13；其中，所述喷嘴本体1内设有燃料通道14，所述燃料通道14的一端与所述燃料入口11相连通，其另一端通过多个燃料斜孔141与多个所述隔膜外腔13相连通，所述燃料斜孔141沿燃料的喷射方向径向向外倾斜设置；所述喷嘴本体1内还设有纯氧通道15，所述纯氧通道15的一端与所述纯氧入口12相连通，所述纯氧通道15的另一端通过多个纯氧斜孔151与多个所述隔膜外腔13相连通，所述纯氧斜孔151沿纯氧的喷射方向径向向内倾斜设置。

具体是，喷嘴本体1大体呈圆柱体形，其一端面设有燃料入口11和纯氧入口12，其另一端面设有多个隔膜外腔13。在本实施例中，该隔膜外腔13为设置在喷嘴本体1端部的凹槽。

燃料通道14设置在喷嘴本体1的中心轴线处，其一端与燃料入口11相连通，其另一端连通有多个燃料斜孔141，该些燃料斜孔141分别与多个隔膜外腔13相连通，在本发明中，燃料斜孔141的数量与隔膜外腔13的数量相同，每个隔膜外腔13对应与一个燃料斜孔141相通。该些燃料斜孔141沿圆周方向等间隔设置在喷嘴本体1内，该燃料斜孔141沿燃料的喷射方向径向向外倾斜设置，也即，以喷嘴本体1的轴线为中心，该燃料斜孔141自喷嘴本体1的轴线以径向向外并朝向隔膜外腔13的方向喷射燃料，从而使燃料呈发散状从喷嘴本体1的端面喷出。在本实施例中，燃料通道14内用于通入天然气气体。

纯氧通道15设置在喷嘴本体1内，在本实施例中，该纯氧通道15为环形通道，该纯氧通道15围设在燃料通道14的外周。在本发明中，喷嘴本体1的一端可设有多个纯氧入口12，在喷嘴本体1内对应每个纯氧入口12可设有一个纯氧进入通道152，该纯氧通道15的一端通过多个纯氧进入通道152与多个纯氧入口12相连通，该些纯氧进入通道152可为沿圆周方向等间隔设置在喷嘴本体1内的独立通孔；该纯氧通道15的另一端连通有多个纯氧斜孔151，该些纯氧斜孔151分别与多个隔膜外腔13相连通，在本发明中，纯氧斜孔151的数量与隔膜外腔13的数量相同，每个隔膜外腔13对应与一个纯氧斜孔151相通。该些纯氧斜孔151沿圆周方向等间隔设置在喷嘴本体1内，该纯氧斜孔151沿纯氧的喷射方向径向向内倾斜设置，也即，以喷嘴本体1的轴线为中心，该纯氧斜孔151以径向向内并朝向喷嘴本体1的轴线方向自隔膜外腔13喷射出纯氧，从而使纯氧呈收缩状从喷嘴本体1的端面喷出。在本实施例中，纯氧通道15内用于通入纯氧气体，该纯氧气体为含氧量90％以上的纯氧气体。

本发明的燃烧喷嘴，可应用在纯氧复合热载体发生器上，该燃烧喷嘴能将纯氧和天然气进行均匀雾化，使匀质雾化的纯氧和天然气在纯氧复合热载体发生器中实现高压充分燃烧，该燃烧喷嘴在降低运行成本的基础上实现了多元热流体技术在油砂开采中的应用。

本发明通过径向向内倾斜设置的纯氧斜孔151、以及径向向外倾斜设置的燃料斜孔141，可保证自喷嘴本体1喷出的纯氧和天然气充分掺混雾化，有效保证了天然气喷出后与纯氧的对撞掺混；另外，通过设置在喷嘴本体1端面的多个隔膜外腔13，可使从燃料斜孔141喷出的天然气在隔膜外腔13内形成一层燃料隔膜层，在本发明中，该燃料隔膜层的厚度为0.5mm～1.5mm，其可阻绝喷嘴本体1的受火端面直接受火，该燃料隔膜层可将纯氧、天然气高温燃烧辐射的热量带走，有效隔绝了纯氧与喷嘴本体1高温下的直接接触，起到了降低喷嘴本体1的金属端面温度的作用，提高了燃烧喷嘴的使用寿命。

在本发明的一实施方式中，所述纯氧通道15的环腔宽度D与所述纯氧斜孔151的直径R1的比值为2.83，也即，D/R1＝2.83。使通入纯氧通道15内的高压纯氧按照1:8的压缩比自纯氧通道15喷入纯氧斜孔151内，最后喷射形成射流自喷嘴本体1的隔膜外腔13喷出。

进一步的，所述燃料通道14的直径R2与所述燃料斜孔141的直径R3的比值为2.0，也即，R2/R3＝2.0。使通入燃料通道14内的高压天然气按照1:4的压缩比自燃料通道14喷入燃料斜孔141内，最后喷射形成射流自喷嘴本体1的隔膜外腔13喷出。

本发明通过对纯氧通道15的环腔宽度D与纯氧斜孔151的直径R1的比值设计、以及对燃料通道14的直径R2与燃料斜孔141的直径R3的比值设计，可使自喷嘴本体1喷出的天然气和纯氧，按照一定配比和速度对撞掺混后，在纯氧复合热载体发生器的燃烧室内充分燃烧而生成二氧化碳，燃烧产物中氮气含量少，符合后期生产作业的要求。

在本发明的一个实施方式中，多个所述隔膜外腔13沿圆周方向设置在所述喷嘴本体1的端面，所述隔膜外腔13的外轮廓形状为扇形形状，所述扇形的圆心角θ₁为60°～90°。

具体是，该隔膜外腔13为设在喷嘴本体1受火端面的弧形凹槽，如图2所示，在喷嘴本体1的端面设有四个隔膜外腔13，该四个隔膜外腔13沿圆周方向依次连接；如图3所示，该喷嘴本体1的端面设有八个隔膜外腔13，该八个隔膜外腔13沿圆周方向依次连接。当然，在本发明的其他实施例中，喷嘴本体1的受火端面根据实际生产需要可设有五个、六个或其它数量的隔膜外腔13，在此不作限制。

从喷嘴本体1的受火端面看，该隔膜外腔13的外轮廓形状为扇形形状，以使喷入隔膜外腔13内的天然气气流呈扇形形状流动，该扇形的圆心角θ₁为60°～90°，圆心角θ₁的大小可根据设置在喷嘴本体1受火端面的隔膜外腔13的数量而定。

进一步的，在本发明中，该隔膜外腔13为设置在喷嘴本体1端部的球面凹槽，该球面凹槽的球面半径为50mm～100mm。该球面凹槽的外边缘切线F与喷嘴本体1的受火端面之间所形成的锐角θ₂为5°～15°。

本发明通过将隔膜外腔13设计为球面凹槽状，可使天然气自燃料斜孔141喷入隔膜外腔13后，天然气会沿着球凹面形成天然气气膜，该天然气气膜即为燃料隔膜层，且天然气从球面凹槽状的隔膜外腔13内喷出喷嘴本体1的受火端面时是内收的，之后全部天然气与自纯氧斜孔151喷出的纯氧对撞掺混出喷嘴本体1并离开喷嘴本体1的受火端面，为纯氧、天然气在发生器的燃烧室内的充分燃烧提供保障。

在本发明的一个实施方式中，多个纯氧斜孔151沿圆周方向等间隔设置在喷嘴本体1内，该纯氧斜孔151的轴线与喷嘴本体1的轴线之间所形成的锐角θ₃为15°～45°。进一步的，多个燃料斜孔141沿圆周方向间隔设置在喷嘴本体1内，该燃料斜孔141的轴线与喷嘴本体1的轴线之间所形成的钝角θ₄为135°～175°。

具体是，该纯氧斜孔151的轴线与燃料斜孔141的轴线大体呈垂直的状态设置，且该燃料斜孔141的轴线与喷嘴本体1的受火端面之间形成的锐角θ₅为5°～45°，优选的，锐角θ₅可为30°。

本发明通过多个燃料斜孔141将高压天然气按照135°～175°射角喷出喷嘴本体1，并在喷嘴本体1的隔膜外腔13形成60°～90°的扇形气流面，保证了天然气对喷嘴本体1受火端面形成燃料隔膜层，之后与自纯氧斜孔151喷出的纯氧气流对撞掺混雾化，利用扇形气流将纯氧和天然气高温燃烧辐射的热量带走，隔绝了纯氧与喷嘴本体1高温下的直接接触，提高了燃烧喷嘴的使用寿命。

在本发明的一个实施方式中，该纯氧斜孔151的直径R1为1.25mm～4.35mm；该燃料斜孔141的直径R3为0.25mm～1.35mm。

实施方式二

如图1至图3所示，本发明还提供一种燃烧喷嘴的喷射方法，所述喷射方法采用实施方式一的燃烧喷嘴，所述的燃烧喷嘴的结构、工作原理和有益效果与实施方式一相同，在此不再赘述。所述喷射方法包括如下步骤：

a)向喷嘴本体1的燃料通道14内注入天然气，向所述喷嘴本体1的纯氧通道15内注入纯氧；

b)所述天然气经多个燃料斜孔141径向向外喷出所述喷嘴本体1的多个隔膜外腔13，所述纯氧通过多个纯氧斜孔151径向向内喷出所述喷嘴本体1的多个所述隔膜外腔13。

具体是，在步骤a)中，注入纯氧通道15内的纯氧为含氧量90％以上的纯氧气体。

在步骤b)中，注入燃料通道14的高压天然气通过多个燃料斜孔141以135°～175°射角喷出喷嘴本体1，并在喷嘴本体1的隔膜外腔13形成60°～90°的扇形气流面；同时，注入纯氧通道15的高压纯氧自多个纯氧斜孔151以15°～45°射角喷出喷嘴本体1。

最后，自燃料斜孔141喷出的高压天然气与自纯氧斜孔151喷出的纯氧气流，在喷嘴本体1的受火端面对撞掺混雾化。

在本发明中，在上述步骤b)中，由于隔膜外腔13为设置在喷嘴本体1的受火端面上的弧形凹槽，该天然气经燃料斜孔141喷出隔膜外腔13后，会在隔膜外腔13内形成一层燃料隔膜层，在本实施例中，该燃料隔膜层的厚度为0.5mm～1.5mm，该燃料隔膜层可阻绝喷嘴本体1的受火端面直接受火，其可将纯氧、天然气高温燃烧辐射的热量带走，有效隔绝了纯氧与喷嘴本体1高温下的直接接触，起到了降低喷嘴本体1的金属端面温度的作用，提高了燃烧喷嘴的使用寿命。

本发明的喷射方法，通过燃烧喷嘴的径向向内倾斜设置的纯氧斜孔151、以及径向向外倾斜设置的燃料斜孔141，可保证自喷嘴本体1喷出的纯氧和天然气充分掺混雾化，有效保证了天然气喷出后与纯氧的对撞掺混，为天然气与纯氧的充分燃烧提供保障。

以上所述仅为本发明的几个实施例，本领域的技术人员依据申请文件公开的内容可以对本发明实施例进行各种改动或变型而不脱离本发明的精神和范围。

Claims (13)

1.一种燃烧喷嘴，其特征在于，所述燃烧喷嘴包括：

喷嘴本体，其一端具有燃料入口和纯氧入口，其另一端形成有多个隔膜外腔；

其中，所述喷嘴本体内设有燃料通道，所述燃料通道的一端与所述燃料入口相连通，其另一端通过多个燃料斜孔与多个所述隔膜外腔相连通，所述燃料斜孔沿燃料的喷射方向径向向外倾斜设置；所述喷嘴本体内还设有纯氧通道，所述纯氧通道的一端与所述纯氧入口相连通，所述纯氧通道的另一端通过多个纯氧斜孔与多个所述隔膜外腔相连通，所述纯氧斜孔沿纯氧的喷射方向径向向内倾斜设置。

2.如权利要求1所述的燃烧喷嘴，其特征在于，所述纯氧通道为环形通道，所述纯氧通道围设在所述燃料通道的外周。

3.如权利要求2所述的燃烧喷嘴，其特征在于，所述纯氧通道的环腔宽度与所述纯氧斜孔的直径的比值为2.83。

4.如权利要求2所述的燃烧喷嘴，其特征在于，所述燃料通道的直径与所述燃料斜孔的直径的比值为2.0。

5.如权利要求1所述的燃烧喷嘴，其特征在于，多个所述隔膜外腔沿圆周方向设置在所述喷嘴本体的端面，所述隔膜外腔的外轮廓形状为扇形形状，所述扇形的圆心角为60°～90°。

6.如权利要求1或5所述的燃烧喷嘴，其特征在于，所述隔膜外腔为设置在所述喷嘴本体端部的球面凹槽，所述球面凹槽的球面半径为50mm～100mm。

7.如权利要求6所述的燃烧喷嘴，其特征在于，所述球面凹槽的外边缘切线与所述喷嘴本体的端面之间所形成的锐角为5°～15°。

8.如权利要求2所述的燃烧喷嘴，其特征在于，多个所述纯氧斜孔沿圆周方向间隔设置在所述喷嘴本体内，所述纯氧斜孔的轴线与所述喷嘴本体的轴线之间所形成的锐角为15°～45°。

9.如权利要求2所述的燃烧喷嘴，其特征在于，多个所述燃料斜孔沿圆周方向间隔设置在所述喷嘴本体内，所述燃料斜孔的轴线与所述喷嘴本体的轴线之间所形成的钝角为135°～175°。

10.如权利要求1所述的燃烧喷嘴，其特征在于，所述纯氧斜孔的直径为1.25mm～4.35mm；所述燃料斜孔的直径为0.25mm～1.35mm。

11.一种如权利要求1～10中任一项所述的燃烧喷嘴的喷射方法，其特征在于，所述喷射方法包括如下步骤：

a)向喷嘴本体的燃料通道内注入天然气，向所述喷嘴本体的纯氧通道内注入纯氧；

b)所述天然气经多个燃料斜孔径向向外喷出所述喷嘴本体的多个隔膜外腔，所述纯氧通过多个纯氧斜孔径向向内喷出所述喷嘴本体的多个所述隔膜外腔。

12.如权利要求11所述的喷射方法，其特征在于，在所述步骤b)中，所述天然气经所述燃料斜孔喷出后，在所述隔膜外腔内形成一层燃料隔膜层。

13.如权利要求12所述的喷射方法，其特征在于，所述燃料隔膜层的厚度为0.5mm～1.5mm。