CN111928239A - 一种相变熔盐与多孔介质组合的燃烧装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种相变熔盐与多孔介质组合的燃烧装置,它包括至少两层多孔介质,各层多孔介质的孔隙至上而下由大变小,在每层多孔介质中心部埋设有相变熔盐柱或者相变熔盐螺旋管,各层的相变熔盐柱或相变熔盐螺旋管内部相连通。本发明的优点是:结构简单,增大了储热能力和热反馈能力,储热、导热、放热性能好,运行间断重启,抗热波动性好;降低了贫燃极限,提高了燃烧效率和稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及一种气体燃烧器,具体涉及一种相变熔盐与多孔介质组合的燃烧装置,适用于低热值预混气燃烧。
背景技术
工业中常见的煤矿瓦斯气、高炉煤气、焦炉煤气、生物质气化气、垃圾填埋气等低热值气体由于气体热值低、浓度变化大无法利用而直接排空,若不回收,不仅污染环境、造成温室气体效应,而且浪费了清洁能源。据统计,2017年我国煤矿井下瓦斯抽采量达到了128亿m3,利用量仅49亿m3;我国每年没有回收利用的高炉煤气放散量约500亿m3。因此,开发低热值气体高燃烧效率、运行稳定的燃烧技术与装备对于缓解目前我国能源与环境矛盾具有十分重要的意义。
普通燃烧装置难以有效利用低热值气体,多孔介质燃烧技术是低热值气体燃料高效清洁燃烧的重要技术途径。多孔介质燃烧是利用多孔介质材料自身的蓄热和热回流机制,其巨大的比表面积也为气固间导热、对流换热及辐射传热提供基础条件,可燃气体燃烧释放的热能存储于高比热的固体基体内,一部分热能以导热和辐射的方式传递加热上游反应气体。
现有的低热值气体多孔介质燃烧装置,其固体空间基体典型材料是碳化硅、氧化铝、氧化锆,结构类型多采用颗粒球堆积型和泡沫型式,其存储热及热流反馈实践中发现特定条件下出现固定模式的特征性能达到极限水平,较难突破。另外,早期的多孔介质结构沿轴向均匀分布,结构单一,出现燃烧不稳定和火焰温度分布异常现象,靠近贫燃极限附近尤为明显,导致燃烧效率降低和燃烧器使用寿命的缩短。
中国专利CN2484481Y公开了一种渐变型的多孔介质燃烧器,其多孔介质沿轴向的孔隙率或孔径逐渐增大渐变,虽然一定程度上提高了轴向任意位置的燃烧稳定性,但轴向渐变结构仍然存在可燃气体低当量比低(即可燃气体体积浓度低),高气量、高燃烧强度下燃烧不稳定等问题。
为此,开发一种储热能力更大,热反馈能力更强,贫燃极限低,结构合理,燃烧稳定,寿命更长的新型多空介质燃烧装置显得尤为重要。
发明内容
针对目前多孔介质燃烧装置存在的问题,本发明所要解决的技术问题就是提供一种相变熔盐与多孔介质组合的燃烧装置,它能增大储热能力和热反馈能力,降低贫燃极限,抗波动性增强,燃烧稳定性好,使用寿命长。
本发明所要解决的技术问题是通过这样的技术方案实现的,它包括至少两层多孔介质,各层多孔介质的孔隙至上而下由大变小,在每层多孔介质中心部埋设有相变熔盐柱或者相变熔盐螺旋管,各层的相变熔盐柱或相变熔盐螺旋管内部相连通。
所述相变熔盐柱或者相变熔盐螺旋管的外层为钢管,相变熔盐柱内部填充有相变熔盐和泡沫金属基体的混合物;相变熔盐螺旋管内部填充相变熔盐和钢球;所述相变熔盐的相变熔点最高为900℃~1100℃。
所述相变熔盐选用氯化物复合熔盐或石英砂复合熔盐;氯化物复合熔盐成分为氯化物质量占比70%~90%,石墨质量占比10%~30%;石英砂复合熔盐成分为石英砂质量占比10%~55%、Na2SO4质量占比30%~85%、石墨质量占比5%~15%。
在最上层的多孔介质内,相变熔盐柱或相变熔盐螺旋管的顶端留有膨胀真空腔,为管内的相变熔盐体积膨胀溢流提供空间。
由于本发明使用上层的相变熔盐柱或相变熔盐螺旋管作为燃烧区储热、换热核心部件,下层的相变熔盐柱或相变熔盐螺旋管作为储热区储热、导热和放热关键部件,在蓄热时,相变熔盐增加了燃烧装置热容量,由于相变熔盐柱内部填充泡沫金属基体或相变熔盐螺旋管内部放置钢球,又增加了相变熔盐柱或相变熔盐螺旋管的导热性,产生对燃烧装置前端预混气的预热温度的提高。在气体波动时由于相变熔盐放热的特性,燃烧装置利用相变熔盐快速放热,保证装置运行稳定性好,并低热值气体短时停气后能重新点燃。
与现有技术相比,本发明的优点是:
本发明具有结构简单,增大了储热能力和热反馈能力,储热、导热、放热性能好,运行间断重启,抗热波动性好;采用上层和下层的相变熔盐柱或相变熔盐螺旋结构实现了燃烧装置快速的大量储热和气固换热,保证燃烧过程的稳定,在较小当量比和较大流速宽范围情况下,也能最大限度维持燃烧,降低了贫燃极限,提高了燃烧效率和稳定性。
附图说明
本发明的附图说明如下:
图1为实施例1的结构示意图;
图2为图1中的上层相变熔盐柱A-A断面图;
图3为图1中的下层相变熔盐柱B-B断面图;
图4为图1中的调流器C-C断面图;
图5为实施例2的结构示意图。
图中:1、上层多孔介质,2、上层相变熔盐柱,6、下层多孔介质,7、下层相变熔盐柱,8、硬性均流阻火板,10、压力传感器,11、火焰传感器,12、调流器,13、预混器,14、气动调节阀门,15、进气管,16、流量计,17、浓度仪,18、监控***,19、预混气体, 21、燃烧烟气,22、不锈钢管,23、相变熔盐,24、低密度泡沫金属基体,25、高密度泡沫金属基体,27、膨胀真空腔,28、下层相变熔盐螺旋管,30、上层相变熔盐螺旋管。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明:
实施例1
如图1所示,本实施例包括上层多孔介质1和下层多孔介质6,上层多孔介质1的孔隙较大,下层多孔介质6的孔隙较小;在上层多孔介质1中心部埋设有上层相变熔盐柱2,在下层多孔介质6中心部埋设有下层相变熔盐柱7,上层相变熔盐柱2与下层相变熔盐柱7内部相连通。
如图2和图3所示,上层相变熔盐柱2和下层相变熔盐柱7的外层为不锈钢管22,相变熔盐柱内部填充有相变熔盐23和泡沫金属基体的混合物24、25;所述相变熔盐23的相变熔点最高为900℃~1100℃。
低密度泡沫金属基体24是10PPI-25PPI低密度泡沫铁镍基体占体积百分比13%-18%,相变熔盐体积百分比82%-87%;高密度泡沫金属基体25为40PPI-65PPI高密度泡沫铁镍基体体积百分比20%-24%,相变熔盐体积百分比76%-80%。
由于多孔介质内部孔径不一定相同,大多进行统计说明,PPI为单位英寸的孔数,PPC为单位厘米的孔数。
所述相变熔盐23选用氯化钠复合熔盐或石英砂复合熔盐;氯化钠复合熔盐相变熔点850℃,氯化钠复合熔盐成分为氯化钠质量占比70%~90%,石墨质量占比10%~30%;石英砂复合熔盐成分为石英砂质量占比10%~55%、Na2SO4质量占比30%~85%、石墨质量占比5%~15%,石英砂复合熔盐相变熔点982℃。
多孔介质为SiC、Al2O3或者ZrO2泡沫陶瓷的一种或者组合,一般采用Al2O3堆积球体与ZrO2泡沫陶瓷的组合。
硬性均流阻火板阻8火孔隙间距尺寸是55-65PPI;如图1所示,上层相变熔盐柱2的顶端留有膨胀真空腔27。
如图4所示,燃烧装置前端的调流器12有1个进气调流器,通过调节气动阀门14经1/4扇形结构调控流量。
低热值预混气19分别通过4个进气管15,流经浓度仪17、流量计16,通过气动调节阀门14进入预混器13进行均匀混合,流动过程中,浓度仪17、流量计16和气动调节阀门14的预设和状态参数上传至监控***18,通过监控***18对进入调流器12中的预混气19进行气体流速、流量调节,来达到对不稳定气流和燃烧火焰调控的目的。调流器12侧壁安装压力传感器10和火焰传感器11,来监控燃烧回火,回火发生异常,监控***18立即自动关闭气动调节阀门14。
硬性均流阻火板8中通入预混气19,再次对预混气19进行均匀整流,并起到阻火作用,预混气19流入下层多孔介质6后预热升温,下层相变熔盐柱7通过上层相变熔盐柱2传递的热能对预混气19强化预热,部分预混气19流经进入上层多孔介质1与下层多孔介质6交界面预混气19被点燃,燃烧产生高温烟气以对流、辐射、导热方式与上层多孔介质1和上层相变熔盐柱2进行热交换,上层相变熔盐柱2吸收热量熔盐相变融化,在上层强化传热,燃烧热与下相变熔盐柱7对流和导热换热,强化对下层预混气19预热,再进入燃烧界面继续燃烧,如此循环往复重复上述过程,实现双层熔盐相变复合介质燃烧。
试验测试
试验气体:甲烷气与空气的预混燃烧。
1、本实施例的气体当量比0.6(当量比是指实际燃料和氧化剂的质量比与完全反应时燃料和氧化剂制冷比的比值), NaCl复合熔盐,相变熔点在853℃时,与无相变熔盐柱燃烧装置相比,装置热容(即装置储热量)提高了1.3倍。
2、本实施例的气体当量比0.6,NaCl复合熔盐,相变熔点在853℃时,与无相变熔盐柱燃烧装置相比,本实施例进气端预混气温度升高110K。最低贫燃极限(燃烧物质所能燃烧的最低浓度下限称为贫燃极限)当量比试验达到0.46。
3、本实施例的气体燃烧当量比由0.7降低到0.6,或者外部保温层厚度由120mm减少至50mm时,NaCl复合熔盐,气体燃烧温度稳定保持时间10S。气体短时间关闭,实现了气体燃烧8S内的重新启动。
4、本实施例的气体当量比0.6,石英砂硫酸钠复合熔盐,相变熔点在982℃时,与无相变熔盐柱燃烧装置相比,其装置热容提高了1.42倍。
5、本实施例的气体当量比0.6,石英砂硫酸钠复合熔盐,相变熔点在982℃时,与无相变熔盐柱燃烧装置相比,本实施例进气端预混气温度升高155K。最低贫燃极限当量比试验达到0.44。
6、本实施例的气体燃烧当量比由0.7降低到0.6,或者外部保温层厚度由120mm减少至50mm时,石英砂硫酸钠复合熔盐,气体燃烧温度稳定保持时间13S。气体短时间关闭,实现了气体燃烧9.8S内的重新启动。
实施例2
如图5所示,本实施例与实施例不同的是:在上层多孔介质1中心部埋设有上层相变熔盐螺旋管30,在下层多孔介质6中心部埋设有下层相变熔盐螺旋管28,上层相变熔盐螺旋管30与下层相变熔盐螺旋管28内部相连通。
相变熔盐螺旋管的外层为钢管,相变熔盐螺旋管内部填充相变熔盐和钢球;
上层相变熔盐螺旋管30内骨架是4mm-7mm直径钢球,钢球占体积百分比61%-62%,相变熔盐体积百分比38%-39%;下层熔盐螺旋管28内骨架为0.5mm-3mm直径钢球,钢球占体积百分比62%-65%,熔盐体积百分比35%-38%。
对于低热值气体燃烧要求更高的情况,选用相变熔盐螺旋管的结构,火焰面停止在任一位置后(火焰面在多孔介质当中,不同燃烧流量、不同当量比下燃烧,其燃烧位置是不同的,渐变型多孔介质燃烧在多孔介质内火焰面不固定的),火焰上层相变熔盐吸收燃烧区的热能,火焰下层的相变熔盐与上层相变熔盐对流换热,同时下层相变熔盐螺旋对下层预热区进行强化预热,增强燃烧。
试验测试
1、本实施例的气体当量比0.6,NaCl复合熔盐,相同盐量下,相变熔点853℃,本实施例的吸热速度与实施例1相比提高了25倍,放热速率提高了18倍。
2、本实施例的气体当量比0.6,石英砂硫酸钠复合熔盐,相变熔点在982℃时,与无相变熔盐螺旋管燃烧装置相比,本实施例进气端预混气温度升高194K。
Claims (6)
1.一种相变熔盐与多孔介质组合的燃烧装置,包括至少两层多孔介质,各层多孔介质的孔隙至上而下由大变小,其特征是:在每层多孔介质中心部埋设有相变熔盐柱或者相变熔盐螺旋管,各层的相变熔盐柱或相变熔盐螺旋管内部相连通。
2.根据权利要求1所述的相变熔盐与多孔介质组合的燃烧装置,其特征是:所述相变熔盐柱或者相变熔盐螺旋管的外层为钢管,相变熔盐柱内部填充有相变熔盐和泡沫金属基体的混合物;相变熔盐螺旋管内部填充相变熔盐和钢球;所述相变熔盐的相变熔点最高为900℃~1100℃。
3.根据权利要求2所述的相变熔盐与多孔介质组合的燃烧装置,其特征是:所述相变熔盐选用氯化物复合熔盐或石英砂复合熔盐;氯化物复合熔盐成分为氯化物质量占比70%~90%,石墨质量占比10%~30%;石英砂复合熔盐成分为石英砂质量占比10%~55%、Na2SO4质量占比30%~85%、石墨质量占比5%~15%。
4.根据权利要求1-3任一所述的相变熔盐与多孔介质组合的燃烧装置,其特征是:在最上层的多孔介质内,相变熔盐柱或相变熔盐螺旋管的顶端留有膨胀真空腔。
5.根据权利要求1-3任一所述的相变熔盐与多孔介质组合的燃烧装置,其特征是:多孔介质为SiC、Al2O3或者ZrO2泡沫陶瓷的一种或者组合。
6.根据权利要求5所述的相变熔盐与多孔介质组合的燃烧装置,其特征是:多孔介质为Al2O3堆积球体与ZrO2泡沫陶瓷的组合。
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