CN111947146A - 一种多孔材料预混燃烧的辐射加热方法及加热装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于燃烧器领域，具体涉及一种多孔材料预混燃烧辐射加热方法及加热装置。本发明所述的辐射加热方法，是以多孔材料的空隙作为预混空间和燃烧空间，使可燃气体和助燃气体在空隙内进行充分预混形成混合气体，并在压力作用下向外扩散，在多孔材料表面被点火装置点燃后燃烧，燃烧放出的热量富集至混合气体的着火点后引燃多孔材料内的混合气体，混合气体在燃烧空间内持续燃烧放热，从而实现无火焰、无回火现象和爆燃现象、能够稳定持续的加热现象。本发明所述的辐射加热装置可以应用于壁炉、灶台、地暖、热水器等家用加热领域及化工、机械、冶金等工业加热领域。
Description
技术领域
本发明属于燃烧器领域，具体涉及一种多孔材料预混燃烧辐射加热方法及加热装置。
背景技术
随着社会的发展和煤炭、石油等化石能源日益减少，人们对拓宽能源利用与节能减排的意识不断深入。我国目前主要燃烧方式为以自由火焰为特征的空间燃烧，待用这种方式燃烧气体燃料时，由于气体导热性能极差，造成火焰附近温度梯度陡而且分布不均，因而燃烧稳定***叉，存在局部火焰温度过高造成氮氧化物排放加剧、所占体积大、燃烧效率低、容易熄火、着火***危险性高和无法燃烧低热值气体等一系列缺陷。
近年来，多孔介质燃烧技术作为一种新颖独特的燃烧技术，具有燃烧效率高、清洁无污染、燃烧稳定性好、燃烧强度高、显著拓宽贫燃极限等优势，而备受各界广泛关注。多孔介质燃烧技术是利用惰性多孔介质材料取代自由空间，利用其较气体强大的蓄热功能和辐射特性实现热反馈，多孔体弥散作用使预混气分散在各个包室内燃烧，为无焰燃烧，相比于传统预混燃烧，是一种无需能源辅助外设条件下的高效回热燃烧技术。同时，高温多孔介质对上游预混染料的辐射加热可以实现超绝热燃烧，起到均匀温度和稳定火焰的作用，避免局部高温生成氮氧化物。另外，多孔介质燃烧技术对使用低热值(劣质)染料(高炉煤气、有机废气等)具有明显优势。由于集捷能、减排、环保于一身，将其应用于冶金、机械、化工、陶瓷、食品等行业以及家用环境，均将具有巨大的节能减排潜力和较高的安全性。
预混燃烧是指将燃气和空气在预混腔中混合，混合后的气体在燃烧器上进行燃烧。因此燃烧器的结构设计对混合后气体的燃烧情况具有较大影响。现有技术的预混燃烧，是通过三通管来同时进入空气和燃气后直接在三通管内进行第一预混，随后经过三通管的出气口流向预混腔或多孔材料，完成空气和燃气的预混。基于此的预混燃烧，具有易回火、燃烧不稳定、预混不充分等劣势。而分别将气体通入多孔材料内直接在空隙内进行预混燃烧，目前还未见相关报道。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术问题的不足，提供一种多孔材料预混燃烧的辐射加热方法及加热装置。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
一种多孔材料预混燃烧的辐射加热方法，所述方法是在压力作用下，使可燃气体和助燃气体在多孔材料的孔内预混后形成混合气体，溢散在多孔材料表面的混合气体在点火装置下点燃并燃烧，产生的热量富集在多孔材料上使得多孔材料的温度达到多孔材料内的混合气体的着火点后，使多孔材料内的混合气体持续燃烧并产生热量，实现辐射加热。
优选的，所述多孔材料为微孔材料或纳米多孔材料。
优选的，所述多孔材料包括金属材料和陶瓷材料，更优选的，所述陶瓷材料为多孔碳化硅陶瓷。
优选的，所述助燃气体为空气、富氧气体或氧气的一种或多种混合。
优选的，所述混合气体中可燃气体的体积分数为1％-99％。
所述多孔材料预混燃烧的辐射加热方法的原理是，在多孔材料内设置有可燃气体通道和助燃气体通道，可燃气体通道内通入有一定压力的可燃气体，助燃气体通道内通入有一定压力的助燃气体，在压力的作用下，可燃气体和助燃气体扩散进多孔材料的孔内，因多孔材料的阻力作用，能够在孔内进行充分混合分离，完成孔内预混形成混合气体，同时混合气体在压力下对外进行扩散，溢散在多孔材料表面的混合气体在点火装置点火下点燃并燃烧放热，同时引燃多孔材料内的部分混合气体，混合气体燃烧产生的热量传递至多孔材料，当多孔材料的热量富集至混合气体的着火点后，以多孔材料的孔作为燃烧空间，内部的混合气体被引燃并在燃烧空间内进行燃烧，使得多孔材料的热量维持并能够对外界进行热量传递，同时没有火焰产生，安全环保，且燃烧的稳定性很好，不会产生回火现象。
本发明的另一目的是提供一种采用上述辐射加热方法的辐射加热装置，所述加热装置包括辐射管和设置于辐射管内部的通道A及通道B，辐射管由多孔材料制成，通道A密封连通可燃气体的管道，通道B密封连通助燃气体的管道，管道上对应设置有阀门控制各通道内气体的压力，辐射管的表面设置有点火装置，当阀门打开向通道内通入各气体后，气体在辐射管内预混，此时通过点火装置进行点火，引燃混合气体并持续燃烧，达到加热效果。
优选的，所述辐射管由微孔材料制成，更优选的所述微孔材料为多孔碳化硅陶瓷材料，孔径为0.1-20μm，孔隙率为50-70％，更优选的孔径为5μm，孔隙率为60％。
优选的，所述通道A和通道B在辐射管内的设置方式包括并排设置、交错设置、对立设置和套筒式设置，还可以为其他的设置方式。
优选的，所述通道A内可燃气体的压力大于所述通道B内助燃气体的压力，可以防止助燃气体向可燃气体方向泄露，从而避免引燃可燃气体管道、引发***等现象，保证安全性。
优选的，所述辐射管设置有失压保护装置，所述失压保护装置在辐射管破碎时能够监测到辐射管的压力抖动，从而反馈信息至进气管并停止进气，避免可燃气体的大幅溢出造成燃烧、***等现象。
优选的，所述点火装置为点火枪。
优选的，所述的辐射加热装置可以应用在壁炉、灶台、地暖、热水器等家用加热领域及化工、机械、冶金等工业加热领域。
本发明与现有技术相比，其有益效果主要体现在：
本发明提供一种多孔材料预混燃烧的辐射加热方法，具有如下优势：
(1)可燃气体和助燃气体在多孔材料的微孔内多次连续进行混合分离形成混合气体，达到充分的预混效果；
(2)多孔材料的孔隙作为预混空间和燃烧空间，能够节省空间，提高空间利用率；
(3)混合气体在燃烧空间进行燃烧，无火焰、无回火现象和爆燃现象，能够稳定持续燃烧；
(4)可以应用于壁炉、灶台、地暖、热水器等家用加热领域及化工、机械等工业加热领域。
附图说明
图1为本发明的一种辐射加热装置示意图。
图中，1、辐射管，21、可燃气体的管道，22、助燃气体的管道，3、阀门，4、点火装置。
具体实施方式
本发明提供一种多孔材料预混燃烧的辐射加热方法，所述方法是在压力作用下，使可燃气体和助燃气体在多孔材料的孔内预混后形成混合气体，溢散在多孔材料表面的混合气体在点火装置下点燃并燃烧，产生的热量富集在多孔材料上使得多孔材料的温度达到混合气体的着火点后，使多孔材料内的混合气体持续燃烧并产生热量，实现辐射加热效果。
本发明中，所述多孔材料为微孔材料或纳米多孔材料，包括金属材料和陶瓷材料，更优选的，所述陶瓷材料为多孔碳化硅陶瓷材料。
本发明中，助燃气体为空气、富氧气体或氧气的一种或多种混合。
本发明所述多孔材料预混燃烧的辐射加热方法的原理是，在多孔材料内设置有可燃气体通道和助燃气体通道，可燃气体通道内通入有一定压力的可燃气体，助燃气体通道内通入有一定压力的助燃气体，在压力的作用下，可燃气体和助燃气体扩散进多孔材料的孔内，因多孔材料的阻力作用，能够在孔内进行充分混合分离，完成孔内预混形成混合气体，同时混合气体在压力下对外进行扩散，溢散在多孔材料表面的混合气体在点火装置点火下点燃并燃烧放热，同时引燃多孔材料内靠近表面的部分混合气体，混合气体燃烧产生的热量传递至多孔材料，当多孔材料的热量富集至混合气体的着火点后，以多孔材料的孔作为燃烧空间，内部的混合气体被引燃并在燃烧空间内进行燃烧，使得多孔材料的热量维持并能够对外界进行热量传递，同时没有火焰产生，安全环保，且燃烧的稳定性很好，不会产生回火现象。
本发明同时提供一种采用上述辐射加热方法的加热装置，所述加热装置包括辐射管和设置于辐射管内部的通道A及通道B，辐射管由多孔材料制成，通道A密封连通可燃气体的管道，通道B密封连通助燃气体的管道，管道上对应设置有阀门控制各通道内气体的压力，辐射管的表面设置有点火装置，当阀门打开向通道内通入各气体后，气体在辐射管内预混，此时通过点火装置进行点火，引燃混合气体并持续燃烧，达到加热效果。
本发明中，所述辐射管由微孔材料制成，更优选的所述微孔材料为多孔碳化硅陶瓷材料，孔径为0.1-20μm，孔隙率为50-70％，更优选的孔径为5μm，孔隙率为60％。
本发明中，所述通道A和通道B在辐射管内的设置方式包括并排设置、交错设置和套筒式设置，还可以为其他的设置方式。
本发明中，所述通道A内可燃气体的压力大于所述通道B内助燃气体的压力，可燃气体的压力和助燃气体的压力均大于辐射管外的压力。
本发明中，所述辐射管设置有失压保护装置，所述失压保护装置在辐射管破碎时能够监测到辐射管的压力抖动，从而反馈信息至进气管并停止进气，避免可燃气体的大幅溢出造成燃烧、***等现象。
本发明中，所述的辐射加热装置可以应用在壁炉、灶台、地暖、热水器等加热领域。
本发明中，辐射管的孔径越小，对气体的压力要求越大，更有利于气体的充分预混和充分燃烧；辐射管的孔隙率越大，燃烧空间越大，有利于气体的燃烧和热量的传递，加热效果更好，同时通过控制进气的压力，能够控制燃烧的温度和功率，压力越大燃烧温度越高。
下面通过具体实施例，并结合附图对本发明的技术方案作进一步的具体说明。
实施例1：
一种采用上述辐射加热方法的加热装置，所述加热装置包括辐射管1和设置于辐射管1内部的通道A及通道B，辐射管1的孔径为5μm，孔隙率为60％，管径为5cm，长度为0.5m，通道A和通道B并排设置，且两者的直径为1cm，长度为0.3m，通道A密封连通可燃气体的管道21，通道B密封连通助燃气体的管道22，管道上对应设置有阀门3控制各通道内气体的压力，辐射管1的表面设置有点火装置4，设置可燃气体为甲烷，压力为15kPa，助燃气体为空气，压力为5kPa，当阀门3打开向通道内通入各气体后，甲烷和空气在多孔材料内预混形成混合气体，此时通过点火装置进行点火，引燃混合气体并持续燃烧，辐射管最终温度高达1000℃，且气体的燃烧效率达99％，氮氧化物低于5mg/Nm3。
实施例2：
一种采用上述辐射加热方法的加热装置，所述加热装置包括辐射管1和设置于辐射管1内部的通道A及通道B，辐射管1的孔径为0.1μm，孔隙率为70％，管径为5cm，长度为0.5m，通道A和通道B并排设置，且两者的直径为1cm，长度为0.3m，通道A密封连通可燃气体的管道21，通道B密封连通助燃气体的管道22，管道上对应设置有阀门3控制各通道内气体的压力，辐射管1的表面设置有点火装置4，并设置有失压保护装置，设置可燃气体为甲烷，压力为18kPa，助燃气体为空气，压力为8kPa，当阀门3打开向通道内通入各气体后，甲烷和空气在多孔材料内预混形成混合气体，此时通过点火装置进行点火，引燃混合气体并持续燃烧，辐射管最终温度高达1300℃，且气体的燃烧效率达99％，氮氧化物低于5mg/Nm3。
实施例3：
一种采用上述辐射加热方法的加热装置，所述加热装置包括辐射管1和设置于辐射管1内部的通道A及通道B，辐射管1的孔径为20μm，孔隙率为50％，管径为5cm，长度为0.5m，通道A和通道B并排设置，且两者的直径为1cm，长度为0.3m，通道A密封连通可燃气体的管道21，通道B密封连通助燃气体的管道22，管道上对应设置有阀门3控制各通道内气体的压力，辐射管1的表面设置有点火装置4，设置可燃气体为甲烷，压力为12kPa，助燃气体为空气，压力为6kPa，当阀门3打开向通道内通入各气体后，甲烷和空气在多孔材料内预混形成混合气体，此时通过点火装置进行点火，引燃混合气体并持续燃烧，辐射管最终温度高达800℃，且气体的燃烧效率达98％，氮氧化物低于5mg/Nm3。
以上所述的实施例只是本发明的较佳方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。
Claims (10)
1.一种多孔材料预混燃烧的辐射加热方法，其特征在于，所述方法是在压力作用下，使可燃气体和助燃气体在多孔材料的孔内预混后形成混合气体，溢散在多孔材料表面的混合气体在点火装置下点燃并燃烧，产生的热量富集在多孔材料上使得多孔材料的温度达到多孔材料内的混合气体的着火点后，使多孔材料内的混合气体持续燃烧并产生热量，实现辐射加热。
2.根据权利要求1所述一种多孔材料预混燃烧的辐射加热方法，其特征在于，所述多孔材料为微孔材料或纳米多孔材料。
3.根据权利要求1所述一种多孔材料预混燃烧的辐射加热方法，其特征在于，所述助燃气体为空气、富氧气体或氧气的一种或多种混合。
4.一种根据权利要求1-3任一所述加热方法的辐射加热装置，其特征在于，所述加热装置包括辐射管和设置于辐射管内部的通道A及通道B，辐射管由多孔材料制成，通道A密封连通可燃气体的管道，通道B密封连通助燃气体的管道，管道上对应设置有阀门控制各通道内气体的压力，辐射管的表面设置有点火装置。
5.根据权利要求4所述的一种辐射加热装置，其特征在于，所述辐射管由微孔材料制成。
6.根据权利要求5所述的一种辐射加热装置，其特征在于，所述微孔材料为多孔碳化硅陶瓷材料。
7.根据权利要求6所述的一种辐射加热装置，其特征在于，所述微孔材料的孔径为0.1-20μm，孔隙率为50-70％。
8.根据权利要求4所述的一种辐射加热装置，其特征在于，所述通道A和通道B在辐射管内的设置方式包括并排设置、交错设置、对立设置和套筒式设置。
9.根据权利要求4所述的一种辐射加热装置，其特征在于，所述通道A内可燃气体的压力大于所述通道B内助燃气体的压力。
10.根据权利要求4所述的一种辐射加热装置，其特征在于，所述辐射管设置有失压保护装置。
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