CN108592020B - 一种分级反旋气流促进液体燃料蒸发的燃烧器 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种分级反旋气流促进液体燃料燃烧蒸发的燃烧器，属于燃烧领域。本发明包括中心燃料金属管、顶盖、带孔喷头、一级进气板及其金属管一体化、二级装置、旋流装置和引流管。通过两级旋流旋向相反、旋流数差大的特点，在燃烧器内形成自加热的回流火焰，无需液体燃料喷雾***可实现自蒸发并维持稳定燃烧；通过旋流增加滞留时间及换热面积，促进液体燃料的加热和蒸发，通过旋流间接传热有效避免燃料结焦问题；一、二级旋流中气体氧化剂的流量根据液体燃料流量合理分配，能够大幅降低氮氧化物等污染性物的排放；同时，旋流能有效促进燃料掺混，有助于降低碳烟排放，并通过回流来稳定火焰，具有高效、节能、环保等优点。

Description

一种分级反旋气流促进液体燃料蒸发的燃烧器

技术领域

本发明涉及一种分级反旋气流促进液体燃料蒸发的燃烧器，属于燃烧领域。

背景技术

当前全球能源使用结构仍以煤、石油及天然气三大传统能源为主，一方面此类化石燃料燃烧产生的氮氧化物、温室气体及碳烟等导致了严峻的环境污染问题，并严重影响正常的社会生产和日常生活，威胁人体健康；另一方面，随着非可再生化石能源不断消耗，能源危机日益突显。近年来可再生生物质能源备受关注，其来源广泛、存储量大、经济环保，是实现未来低碳排放的重要途径。当前液体化石燃料及醇类生物质液态燃料较多用于车船等各类发动机，为促进燃料充分燃烧并保持较低污染物排放，往往需要加载较为复杂的喷雾***，将液态燃料通过高压喷射形成微小液滴。而在常规燃烧器中，加装喷雾***往往带来设备复杂、尺寸增大、操作复杂等问题，因而，探索一类适用于液体燃料，结构紧凑、操作简便、高效清洁的燃烧技术具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术需要加载较为复杂的喷雾***的问题，提供一种分级反旋气流促进液体燃料蒸发的燃烧器，该燃烧器无需独立的喷雾***，通过自身传热过程控制维持和增强液体燃料蒸发；能够实现燃料与氧化剂的快速掺混及其稳定燃烧；且通过分级燃烧引入过量的空气降低氮氧化物等有害气体的排放。

本发明的目的通过下述技术方案实现的。

本发明公开的一种分级反旋气流促进液体燃料燃烧蒸发的燃烧器，包括中心燃料金属管、顶盖、带孔喷头、一级进气板及其金属管一体化装置、二级装置、第一旋流装置、第二旋流装置和引流管。中心燃料金属管为中空圆柱体，空腔内装有金属珠，其顶端固定安装顶盖，底端固定安装带孔喷头。顶盖与中心燃料金属管通过螺纹进行连接，顶盖的中心处带有通孔，用于向中心燃料金属管中通入液体燃料。带孔喷头上带有多个通孔，利于液体燃料蒸发后的气体与空气更好的掺混反应。一级进气板及其金属管一体化装置的结构为顶端部分封口，下端为向内缩进且缩进处带有外延凸台，顶端与下端通过螺纹等方式连为一体。一级进气板及其金属管一体化装置中的下端与中心燃料金属管的材质均为导热良好的金属管。一级进气板及其金属管一体化装置固定在中心燃料金属管的外壁上，在中心燃料金属管和一级进气板及其金属管一体化装置形成的腔体内安装第一旋流装置，空气经一级进气板及其金属管一体化装置的上端的进气口并通过第一旋流装置后形成一级旋流气体，二级装置固定在一级进气板及其金属管一体化装置的外侧壁上，其中一级进气板及其金属管一体化装置有N个进气口。第一旋流装置为旋片或切向射流形式。二级装置共由三部分组成，分别为：前端盖、二级进气板和后端盖，前端盖、二级进气板和后端盖为中间通孔的板状结构。前端盖、二级进气板和后端盖依次紧靠于一级进气板及其金属管一体化装置之上，其中二级空气由二级进气板上的N个进气孔通入。引流管和后端盖固定连接，并通过后端盖将前端盖和二级进气板锁紧。此时一级进气板及其金属管一体化装置、引流管、前端盖、二级进气板和后端盖形成的二级进气通道内安装第二旋流装置，气体经过第二旋流装置后形成二级旋流气体。

所述空腔内装有金属珠优选钢珠。

本发明公开的一种分级反旋气流促进液体燃料燃烧蒸发的燃烧器的工作方法为：工作起初，将液体燃料提前注满中心燃料金属管中，利于之后的快速反应。在一级进气板及其金属管一体化装置和二级进气板的进气口处都通入预设质量流量的空气。空气进入一级进气板后通过第一旋流装置产生一级旋流，在一级进气板及其金属管一体化装置中下端的金属管和中心燃料金属管之间进行热量传递，促进中心金属管内部液体的蒸发。通过旋流间接加热液体燃料有助于防止燃料在管道内的结焦。中心燃料金属管的另一端含有带孔喷头。由于外部热量的导入，中心燃料金属管内液体燃料蒸发，通过喷头小孔喷出，并与一级旋流气体在一级进气板及其金属管一体化装置中下端的金属管和中心燃料金属管之间形成混合及燃烧区，产生稳定的旋流火焰。在一级进气板及其金属管一体化装置中下端的金属管外侧紧连前端盖，二级进气板和后端盖，气体流经二级进气板后通过第二旋流装置形成二级旋流气体，并在一级进气板及其金属管一体化装置的下端的金属管下游出口附近与未燃燃料、一级燃烧区产物混合并形成二次燃烧区。其中一、二级旋流气体的旋向相反，外侧二级旋流的旋流数高于内部的一级旋流火焰，且二级旋流氧化剂流量通常大于一级旋流。中心燃料金属管一端带有螺纹，方便调节带孔喷头与金属管的相对轴向位置，有利于适用于具有不同燃烧特性的液体燃料。

有益效果

1、本发明公开的一种分级反旋气流促进液体燃料蒸发的燃烧器，通过两级旋流旋向相反、旋流数差大的特点，在燃烧器内形成自加热的回流火焰，无需液体燃料喷雾***即可实现自蒸发并维持稳定燃烧，其自身结构简单紧凑，从而节省独立安装蒸发***的空间；

2、本发明公开的一种分级反旋气流促进液体燃料蒸发的燃烧器，通过旋流增加滞留时间及换热面积，促进液体燃料的快速加热和蒸发，同时，通过旋流间接传热可有效避免如火焰直接加热带来的燃料结焦问题；

3、本发明公开的一种分级反旋气流促进液体燃料蒸发的燃烧器，一、二级旋流中气体氧化剂的流量可根据液体燃料流量进行合理分配，如一级旋流气体与燃料蒸汽形成过浓火焰，而二级燃料通过过量空气，在其出口处与一级旋流未燃燃料进一步反应，可大幅降低氮氧化物等污染性物的排放；同时，旋流能有效促进燃料掺混，有助于降低碳烟排放，并通过回流来稳定火焰，具有高效、节能、环保等优点。

4、本发明公开的一种分级反旋气流促进液体燃料蒸发的燃烧器，中心燃料金属管的末端带有螺纹，可以方便调节中心燃料金属管和一体化金属管的相对轴向位置，可以适应多种不同属性液体燃料的需求。

附图说明

图1为燃烧器整体结构示意图(不包括二级装置具体结构)；

图2为燃烧器稳定工作状态及传热过程示意图；

图3位燃烧器整体结构示意图(包括二级装置具体结构)。

其中，1—中心燃料金属管、2—顶盖、3—带孔喷头、4—一级进气板及其金属管一体化装置、5—二级装置、6—第一旋流装置、7—引流管、8—前端盖、9—二级进气板、10—后端盖、11—第二旋流装置。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合图示对本发明的具体实施方式来进一步说明。

实施例1

本实施例公开的一种分级反旋气流促进液体燃料蒸发的燃烧器，图1为燃烧器整体结构示意图，主要由图1中中心燃料金属管1作支撑，在其上依次增加一级进气板及其金属管一体化装置4，前端盖8，二级进气板9，后端盖10，最后通过螺栓螺母同心安装。其中一级进气板及其金属管一体化装置4和二级进气板9各有N个气体进气口。一级进气板及其金属管一体化装置4与中心燃料金属管1形成了内部环形空腔；在操作过程中，需要加入引流管7并内嵌于后端盖10内部，从而一级进气板及金属管一体化4、二级装置5和引流管7形成了外部环形空腔。中心燃料金属管1内部灌满钢珠，防止液体燃料过度沸腾而喷出喷孔；中心燃料金属管1下游末端连接带孔喷头3，蒸发后的燃气通过小孔与气体氧化剂掺混。中心燃料金属管1上游末端带有螺纹，可调节喷头轴向位置。

工作启动阶段，需通过快速转接头连接燃烧器。一级进气板及其金属管一体化装置4、二级进气板9通入空气，随后二级进气板9加入气体燃料，并在燃烧器出口点火。当气体燃料与空气持续燃烧一段时间后，持续注入液体燃料，待带孔喷头3处形成了稳定的火焰后，逐渐停止二级进气板9处的燃料的通入。正常工作阶段，基于燃烧器特殊结构设计，将在一级进气板及其金属管一体化装置4下端的金属管下游壁面形成加热火焰区，一级旋流气体的流动将下游火焰区的热量间接传递给中心燃料金属管1促进其内部液体燃料蒸发，蒸发后的气体与一、二级旋流气体再次反应并放热，如此以往燃烧器整体达到稳定燃烧的状态。在中心燃料金属管1内部液体燃料受热蒸发为燃料蒸汽，并通过带孔喷头3喷出，因此无需安装复杂的喷雾***。图2为燃烧器稳定工作状态示意图。

本实施例公开的一种分级反旋气流促进液体燃料蒸发的燃烧器的设计及操作方法：使用装置前需要对此燃烧器的管路进行安装，其中两级进气板有N个进气口，需各自连接快速转接头以便连接气体管路。气体由一级进气板及其金属管一体化装置4和二级进气板9后通过第一旋流装置6和第二旋流装置11分别形成一级、二级旋流气体。为了防止液体的受热沸腾而喷出液体燃料，在中心燃料金属管1内部加装部分小钢珠。在工作启动阶段，首先一级进气板及其金属管一体化装置4和二级进气板9通入空气且保证旋向相反；其次，二级进气板9再通入可燃气体燃料(如天然气)，并在燃烧器出口处进行点火；加热一段时间后中心燃料金属管1持续注入液体燃料，当带孔喷头3处出现稳定燃烧火焰时，逐渐减少二级旋流气体中燃料的通入直至为0。带孔喷头3处蒸发后的气体与一、二级旋流氧化剂气体充分燃烧反应，由于反旋气流的特点及一、二级空气流量差较大，将会在一级进气板及其金属管一体化装置4中下端的金属管外壁面形成自加热火焰区域，为持续稳定燃烧提供了热量。

本发明实施例的一种分级反旋气流促进液体燃料蒸发的燃烧器的工作方法为：启动(点火)阶段，外侧二级旋流中的氧化剂和燃料气体被点燃后形成稳定的旋流火焰，加热一级进气板及其金属管一体化装置4和中心燃料金属管1；内部一级旋流气体通过热传递将一级进气板及其金属管一体化装置4下端的金属管上的部分热量传递至中心燃料金属管1，一级旋流气体通过增加滞留时间和换热面积，加快了传热过程，促进中心燃料金属管1内的液体燃料快速蒸发；受热蒸发的燃料在金属管内聚集，随内部压强不断增大，燃料蒸汽由带孔喷头喷出并与一、二级旋流气体混合及反应。当带孔喷头3出现稳定火焰时，逐渐减小二级旋流处的气体燃料的进气量直至为0，点火阶段结束。正常燃烧状态下(二级旋流中无气体燃料)，由于此燃烧装置中形成旋向相反的旋流，且旋流数及流量相差较大，蒸发后形成的蒸汽燃料与两级旋流空气会在一级进气板及其金属管一体化装置4中下端的金属管的内、外壁面处形成火焰区域，并进行持续加热，将其定义为自加热过程。在自加热的过程中，借助金属管良好的导热性能可将下游的热量传递至上游，进而内部一级旋流气体的流动及换热将对中心金属管1内液体燃料进行持续加热，同时，外部二级旋流气体将部分热量传带走，提高二级旋流气体温度，有助于增强其与下游未燃燃料的燃烧性能。因而，中心金属管1内液体燃料得以持续蒸发和喷出，实现加热-蒸发-燃烧-加热的循环过程。由于中心金属管1的末端带有螺纹，可以控制带孔喷头3在一级进气板及其金属管一体化装置4中金属管内不同的轴向位置。不同液体燃料具有不同物理性质，例如沸点，比热，热值等，因而根据这些性质可以调整带孔喷头的位置来调整传热效率，满足液体燃料的正常蒸发及燃烧。

以上所述的描述对于本发明的目的，技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施过程，用于解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改等同替换改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种分级反旋气流促进液体燃料燃烧蒸发的燃烧器，其特征在于：包括中心燃料金属管(1)、顶盖(2)、带孔喷头(3)、一级进气板及其金属管一体化装置(4)、二级装置(5)、第一旋流装置(6)、第二旋流装置(11)和引流管(7)；中心燃料金属管(1)为中空圆柱体，空腔内装有金属珠，其左端固定安装顶盖(2)，右端固定安装带孔喷头(3)；顶盖(2)与中心燃料金属管(1)通过螺纹进行连接，顶盖(2)的中心处带有通孔，用于向中心燃料金属管(1)中通入液体燃料；带孔喷头(3)上带有多个通孔，利于液体燃料蒸发后的气体与空气更好地掺混反应；一级进气板及其金属管一体化装置(4)为左端部分封口结构，右端向内缩进且缩进处带有外延凸台，左端与右端通过螺纹方式连为一体；一级进气板及其金属管一体化装置(4)与中心燃料金属管(1)的材质均为导热良好的金属；一级进气板及其金属管一体化装置(4)固定在中心燃料金属管(1)的外壁上，在中心燃料金属管(1)和一级进气板及其金属管一体化装置(4)形成的腔体内安装第一旋流装置(6)，空气经一级进气板及其金属管一体化装置(4)的左端的进气口并通过第一旋流装置(6)后形成一级旋流气体，二级装置(5)固定在一级进气板及其金属管一体化装置(4)的外侧壁上，其中一级进气板及其金属管一体化装置(4)有N个进气口；第一旋流装置(6)为旋片；或者第一旋流装置(6)是切向射流形式；二级装置(5)共由三部分组成，分别为：前端盖(8)、二级进气板(9)和后端盖(10)，前端盖(8)、二级进气板(9)和后端盖(10)为中间通孔的板状结构；前端盖(8)、二级进气板(9)和后端盖(10)水平方向依次紧靠于一级进气板及其金属管一体化装置(4)之上，其中二级空气由二级进气板(9)上的N个进气孔通入；引流管(7)和后端盖(10)固定连接，并通过后端盖(10)将前端盖(8)和二级进气板(9)锁紧；此时一级进气板及其金属管一体化装置(4)、引流管(7)、前端盖(8)、二级进气板(9)和后端盖(10)形成的二级进气通道内安装第二旋流装置(6)，气体经过第二旋流装置(6)后形成二级旋流气体；

工作方法为，工作起初，将液体燃料提前注满中心燃料金属管(1)中，利于之后的快速反应；在一级进气板及其金属管一体化装置(4)和二级进气板(9)的进气口处都通入预设质量流量的空气；空气进入一级进气板后通过第一旋流装置(6)产生一级旋流，在一级进气板及其金属管一体化装置(4)右端的金属管和中心燃料金属管(1)之间进行热量传递，促进中心金属管(1)内部液体的蒸发；通过旋流间接加热液体燃料有助于防止燃料在管道内的结焦；中心燃料金属管(1)的另一端含有带孔喷头(3)；由于外部热量的导入，中心燃料金属管(1)内液体燃料蒸发，通过带孔喷头(3)的小孔喷出，并与一级旋流气体在一级进气板及其金属管一体化装置(4)右端的金属管和中心燃料金属管(1)之间形成混合及燃烧区，产生稳定的旋流火焰；在一级进气板及其金属管一体化装置(4)左端的金属管外侧紧连前端盖(8)，二级进气板(9)和后端盖(10)，气体流经二级进气板(9)后通过第二旋流装置(6)形成二级旋流气体，并在一级进气板及其金属管一体化装置(4)的右端的金属管下游出口附近与未燃燃料、一级燃烧区产物混合并形成二次燃烧区；其中一、二级旋流气体的旋向相反，外侧二级旋流的旋流数高于内部的一级旋流的旋流数，且二级旋流氧化剂流量大于一级旋流氧化剂流量；中心燃料金属管(1)一端带有螺纹，方便调节带孔喷头与金属管的相对轴向位置，有利于适用于具有不同燃烧特性的液体燃料。

2.如权利要求1所述的一种分级反旋气流促进液体燃料燃烧蒸发的燃烧器，其特征在于：所述空腔内装有金属珠。

3.如权利要求2所述的一种分级反旋气流促进液体燃料燃烧蒸发的燃烧器，其特征在于：所述金属珠为钢珠。