一种带收缩段的高速多相射流燃烧器的制作方法

1.本发明涉及一种带收缩段的高速多相射流燃烧器，属于燃烧器领域。


背景技术：

2.高速射流火焰由于自身的流场速度较大，燃料的驻留时间有限，且在高速火焰内部由于燃烧反应产生的高压区，使得燃料难以充分燃烧，燃烧效率不高。粉末燃料相比气态和液态燃料，在高速射流火焰中燃烧效率不高的问题更为突出。
3.目前，常见的提高高速射流火焰燃烧效率的方法是在高速射流火焰的周围布置与高速射流火焰同向的伴燃火焰，使高速射流火焰与外部冷空气隔绝以减少高速射流火焰的热量损失，从而提高高速射流火焰的温度与燃烧效率。但是在中心高速射流火焰的引射作用下，周围的伴燃火焰会向中心的高速射流火焰聚集，导致伴燃火焰仅能包覆高速射流火焰下部的部分区段，使得伴燃火焰对高速射流火焰燃烧效率的提升作用有限。
4.典型的分级燃烧器有将主燃烧区、再燃区和燃尽区在垂直方向上依次布置的轴向分级燃烧方式；还有径向的分级燃烧方式，例如在炉内形成一次风煤粉气流在内、二次风在外的双切圆燃烧方式。主燃烧区中生成的部分no
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在再燃区中被还原为n2；主燃烧区燃料燃尽度、再燃区温度、二次燃料的量以及气流与燃料的送入方式等都对燃料的燃烧效率和no
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的排放有影响；再燃区的温度越高，则降低no
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排放的效果越显著。双切圆的径向分级燃烧方式能够进一步提高降污减排的效果，但存在着炉内燃温偏差大、炉膛易结焦等问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种带收缩段的高速多相射流燃烧器，能够实现气相、固相燃料的快速掺混与高效燃烧，具有良好的可调可控性，还能够达到降污减排目的，并能够产生高速多相燃气射流。
6.本发明的目的是通过下述技术方案实现：
7.本发明公开的一种带收缩段的高速多相射流燃烧器，包括上盖、垫片、收缩腔、燃烧器框和底座。所述燃烧器框由外框、整流介质和多孔介质构成；外框四周设有多个气流入口，用于通入预混的贫燃气体；多孔介质为开有多个径向平行进气口的环形结构；所述外框和多孔介质之间存有间隙，形成环形的腔室；整流介质置于环形的腔室中，固定安装在多孔介质上，由外框四周的气流入口通入的贫燃的预混气体，首先在外框与整流介质之间的环形腔室中扩散，然后经过整流介质与多孔介质，能够在燃烧室中形成四周均匀分布且稳定的、指向燃烧室轴线的径向射流。燃烧器框的下方安装有底座，上方安装有收缩腔与上盖。所述底座与燃烧器框、燃烧器框与收缩腔、收缩腔与上盖之间均安装有垫片。所述底座、多孔介质和收缩腔三者形成的内部腔室构成了燃烧器的燃烧室。所述底座上设有轴向射流入口，能够向燃烧器内通入多相燃料射流。由于燃烧室的内径(即环状多孔介质的内径)大于轴向燃料射流入口内径，使得轴向燃料射流在通入燃烧室后速度减缓，滞留时间增长。所述收缩腔的内腔横截面为圆形，内径较大的一端与环状的多孔介质的内径相等，收缩腔的内
径逐渐缩小、平滑过渡，内径较小的一端作为燃烧器的燃气出口，收缩腔即燃烧器的收缩段。所述收缩腔设有凹槽，与上盖密闭之后形成环形腔；收缩腔外侧设有冷却水出入口，能够向该环形腔内注入冷却水，将该环形腔作为燃烧器的水冷流道对收缩腔进行冷却。
8.作为优选，底座为凸台状，能够与环状的多孔介质相配合，提高底座上的射流入口与燃烧室的同轴度。
9.作为优选，所述外框的横截面外轮廓为方形，内轮廓为圆形。
10.作为优选，所述外框周围安设置的气流的个数为4个，四周均布且指向燃烧室中心轴线。
11.作为优选，所述收缩腔上设置的冷却水出入口各1个。
12.作为优选，所述外框、底座、收缩腔及上盖能够通过四周均布的螺栓孔位使用紧固螺栓固定，两两之间安装垫片保证密封。
13.本发明公开的一种带收缩段的高速多相射流燃烧器的工作方法为：从外框四周的气流入口通入贫燃的预混气体，预混气体首先在外框与整流介质之间的环形腔室中扩散，在经过整流介质与多孔介质后，在燃烧室中形成由外向内、四周均布的径向射流。将此径向射流点燃后，在燃烧室中形成气相管状火焰，管状火焰的轴线与燃烧室的轴线重合，内部的温度分布均匀。向底部轴向射流入口通入由气体燃料携带粉末燃料形成的气固混合燃料射流，轴向射流入口轴线与燃烧室轴线重合。径向通入燃烧室的预混气体与轴向的通入气固混合燃料均采用射流的方式通入燃烧室中，能够有效地减少湍流、回流的产生，使火焰具有良好的可调可控性。轴向的气固混合燃料射流与由外向内且四周均布的径向预混贫燃射流燃烧后富余的氧化剂进行快速掺混与高效燃烧。由于沿径向通入的预混气为贫燃气体，通过轴向射流入口向燃烧室中注入气固混合燃料，调控全局当量比为1，实现燃料的分级燃烧，提高燃烧效率的同时显著降低no
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的排放，达到降污减排的目的。收缩腔各横截面内腔直径由维托辛斯曲线方程确定，保证收缩腔与燃烧室的平滑过渡和收缩腔本身的平滑过渡，减少凝相物质沉积，并使高温多相燃气从燃烧器喷出时具有均匀稳定的速度分布，在燃烧器的燃气出口形成稳定的高速多相射流火焰。收缩腔上设置有环形的水冷流道，冷却水从收缩腔外侧的冷却水出入口流入/流出水冷流道，能够起到对收缩腔的冷却保护作用。
14.有益效果：
15.1、本发明公开的一种带收缩段的高速多相射流燃烧器，充分利用管状火焰的燃烧特性。利用环状的整流介质与多孔介质将贫燃的预混气通入燃烧室，在燃烧室中产生由外向内、四周速度与流量均布的径向来流；点燃径向均布的贫燃预混气来流后在燃烧室中形成管状的火焰区，产生分布均匀的温度区；由轴向通入气固混合燃料，调控全局当量比为1，轴向气固混合燃料射流与管状火焰中心的贫燃燃气掺混反应，并且轴向燃料在与管状火焰中心的燃气反应初期形成还原性氛围，实现燃料的分级燃烧；另外，管状火焰有利于降低轴向燃料射流燃烧的热损失，提高还原区温度，能够有效提高燃烧效率并降低no
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的排放，达到降污减排的目的。
16.2、本发明公开的一种带收缩段的高速多相射流燃烧器，充分利用径向的预混贫燃气体来流与轴向燃料射流的流动特性。径向与轴向气流均采用射流的方式，能够减少湍流与回流的产生，有利于对气流及颗粒流动速度、燃料在燃烧室的停留时间和燃气温度的控制。气固混合的轴向燃料射流与贫燃管状火焰的燃烧产物，借助轴向、径向射流的冲击与流
动特性进行快速、充分混合，进而使气固混合的轴向燃料射流与径向预混贫燃管状火焰燃烧后的产物能够进行充分反应，在提高燃烧效率的同时还有利于将降低no
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的排放。
17.3、本发明公开的一种带收缩段的高速多相射流燃烧器，轴向燃料射流能够利用气相燃料射流携带固相燃料颗粒，形成具有良好的可调可控性的气固两相流，能够调控实现气固混合燃料射流的稳定注入。通过改变轴向射流流量、流速，能够实现对气固混合燃料射流的气固比例、粉末流量的控制。通过改变径向来流、轴向射流的流量、速度，能够实现对颗粒在燃烧室中滞留时间的控制。径向来流与气固混合的轴向燃料射流的相互冲击作用有利于燃料与氧化剂的充分混合，能够有效提高燃料的燃烧效率(尤其对熔沸点较高、点火燃烧困难的固相燃料颗粒的燃烧效率的提高更为显著)，进而形成高效燃烧的高温多相燃气。
18.4、本发明公开的一种带收缩段的高速多相射流燃烧器，燃烧室内气固混合燃料的燃烧产生大量高温多相燃气；利用收缩腔对气固混合燃料燃烧产生的高温多相燃气进行加速，收缩腔各横截面内腔直径由维托辛斯曲线方程确定，保证收缩腔与燃烧室的平滑过渡与收缩腔本身的平滑过渡，能够使高温多相燃气从燃烧器喷出时具有均匀的气流速度分布和平直的流动方向，使燃气出口的射流火焰能够达到所需要的、稳定的流速，形成稳定的高速多相射流火焰。，具有贫燃的预混气由燃烧室四周均匀通入，在燃烧室壁面附近形成氧化性气氛，有利于抑制燃烧器内的结渣；光滑过渡的收缩腔也具有减少凝相物质沉积的作用。收缩腔外设有水冷流道，能够通过冷却水实现在燃烧器工作时对收缩腔的冷却保护。
附图说明
19.图1为带收缩段的高速多相射流燃烧器纵向剖视图；
20.图2为燃烧器在水冷流道处的横向剖视图；
21.图3为燃烧器在燃烧器框处的横向剖视图。
22.其中，1—上盖、2—垫片、3—收缩腔、4—燃烧器框、4.1—外框、4.2—整流介质、4.3—多孔介质、5—底座、6—燃气出口、7—轴向射流入口、8—冷却水出入口、9—水冷流道、10—气流入口。
具体实施方式
23.本实施例公开的一种带收缩段的高速多相射流燃烧器，包括上盖1、垫片2、收缩腔3、燃烧器框4、底座5；其中燃烧器框4由外框4.1、整流介质4.2和多孔介质4.3构成。
24.底座5为方形结构，底座5中心位置设有圆形的轴向射流入口7，上端设有圆形凸台，底座5上的圆形凸台结构与圆形轴向射流入口7的轴线相重合；底座5上方安装有外框4.1，外框4.1为外方内圆结构，四周均布4个径向的气流入口10。外框4.1内部由外至内依次安装有环状的整流介质4.2与环状的多孔介质4.3，整流介质4.2与多孔介质4.3的高度与外框4.1相同，且三者的轴线相重合。整流介质4.2与外框4.1之间存有一定间隔，形成一个环形的空腔。整流介质4.2与多孔介质4.3之间紧密贴合，多孔介质4.3的内径与底座5上的圆形凸台直径相等，使底座5与多孔介质4.3能够相互配合，保证底座5上的轴向射流入口7与多孔介质4.3的轴线相重合。外框4.1上方安装有收缩腔3，收缩腔3的内腔任一横截面均为圆形，收缩腔3的入口直径与环状多孔介质4.3的内径相同，收缩腔3的内腔截面直径沿轴向分布由维托辛斯曲线方程确定：
[0025][0026]
式中，r0、r1分别为收缩腔3出口半径、入口半径，l为收缩腔3总长，r为任一点半径，x为任一点与入口端的垂直距离。
[0027]
收缩腔3上留有环状凹槽，在收缩腔3上安装上盖1，使该环状凹槽密闭，进而可通过收缩腔3外侧的冷却水出入口8向其中注入冷却水，将其作为水冷流道9。
[0028]
底座5与外框4.1、外框4.1与收缩腔3、收缩腔3与上盖1之间均安装有垫片2，保证燃烧器各组件之间具有良好的密封性。
[0029]
上盖1、收缩腔3、外框4.1和底座5的四周设有螺栓孔位，通过紧固螺栓将其固定。
[0030]
本实施例公开的一种带收缩段的高速多相射流燃烧器的工作方法为：从外框4.1四周的气流入口10通入贫燃的预混气体，预混气体首先在外框4.1与整流介质4.2之间的环形腔室中扩散，在经过整流介质4.2与多孔介质4.3后，在燃烧室中形成由外向内、四周流量流速均匀分布的径向气流。将此径向气流点燃后，在燃烧室中形成管状的火焰区，管状火焰区的轴线与燃烧室的轴线重合。从底座5上轴向射流入口7中通入由气体燃料携带粉末燃料形成的气固混合燃料射流，轴向射流入口7轴线与燃烧室轴线重合。径向通入燃烧室的预混气体与轴向的通入气固混合燃料均采用射流的方式通入燃烧室中，能够有效地减少湍流、回流的产生，使燃烧器具有良好的可调可控性。贫燃的管状火焰将轴向通入气固混合燃料射流点燃，进行快速掺混与高效燃烧。由于由外向内径向通入的预混气为贫燃气体；然后再由燃烧室轴线上通入气固混合的燃料射流，使当量比为1，进而使火焰温度上升，实现燃料的分级燃烧，能够显著降低no
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的生成，达到降污减排的目的。收缩腔3各横截面内腔直径由维托辛斯曲线方程确定，保证收缩腔3与燃烧室的平滑过渡和收缩腔3本身的平滑过渡，减少凝相物质沉积，并使高温多相燃气从燃烧器的燃气出口6喷出时具有均匀稳定的气流速度分布和平直的流动方向，使燃烧器的燃气出口的射流火焰能够达到所需要的、稳定的流速，形成稳定的高速多相射流火焰。收缩腔3上设置有环形的水冷流道9，冷却水从收缩腔外侧的冷却水出入口8流入/流出水冷流道9，能够起到对收缩腔3的冷却保护作用。
[0031]
本实施例中，由外框4.1的四周向燃烧室内径向通入的气体为空气与甲烷的预混气，且为空燃比小于1的贫燃状态；由底座5上的轴向射流入口7通入燃烧室的气固混合燃料射流中的气体燃料为甲烷，使用碳颗粒作为气固混合的轴向燃料射流中的固相燃料。
[0032]
本实施例公开的一种带收缩段的高速多相射流燃烧器的工作方法，具体实现步骤如下：
[0033]
步骤一：计算燃烧器全局当量比为1时的各个入口最终需要通入的燃料与空气的流量：甲烷与氧气完全燃烧的化学方程式为：ch4+2o2＝co2+2h2o；碳与氧气完全燃烧的化学方程式为：c+o2＝co2；计算时按照空气中的氧气含量为五分之一。燃烧器稳定工作时，由气流入口10中通入的预混气流量为24m3/h，其中甲烷与空气比例为1:15；轴向射流入口7中通入的甲烷流量为0.5m3/h，轴向通入的甲烷气流中所携带的碳颗粒流量取整后为268g/h。根据甲烷与氧气完全燃烧的化学方程式和碳与氧气完全燃烧的化学方程式，计算可知上述条
件下燃烧器全局当量比为1。
[0034]
步骤二：进行管路安装，在外框4.1四周布置的各个气流入口10上接入甲烷与空气的预混贫燃气管路，在燃烧器底座5的轴向射流入口7上接入甲烷与碳颗粒混合的燃料管路。
[0035]
步骤三：从气流入口10中通入少量的甲烷与空气的预混气，此步骤中从气流入口10中通入的预混气总流量为1.6m3/h，甲烷与空气比例为1:15，并点燃燃烧器内甲烷与空气的预混气。
[0036]
步骤四：由底座5上的轴向射流入口7通入甲烷与碳颗粒的气固混合燃料射流，此步骤中甲烷流量为0.05m3/h，碳颗粒流量为27g/h。
[0037]
步骤五：逐渐增加径向预混贫燃气体射流流量，将各个气流入口10的预混气流量增加至24m3/h，其中甲烷与空气比例为1:15；轴向射流入口7中通入的甲烷流量增加至0.5m3/h，碳颗粒流量增加至268g/h，最终形成稳定的高速多相射流火焰。
[0038]
步骤六：停止燃烧器工作时，首先将轴向燃料射流流量逐渐降低至零，再将径向预混贫燃气体中的甲烷气体流量与空气气体流量降低至零，至此燃烧器停止工作。
[0039]
以上所述的描述对本发明的目的、方法及装置方案和优点进行了进一步详细说明，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。