一种全预混表面燃烧器头部气体分配结构

1.本发明涉及一种燃烧器头部气体分配结构，属于气体燃烧技术领域。


背景技术：

2.随着国家环保政策的日益严格，采用扩散或者半预混燃烧方式的传统燃烧器在燃烧过程中产生的污染物浓度很难达到现有的排放标准。通过分析nox的生成机理得出，采用燃烧温度分布均匀的全预混表面燃烧方式可以进一步降低nox的排放浓度。目前表面燃烧方式多采用金属纤维表面燃烧器，其nox排放浓度可控制在30mg/m3以下，并且燃烧效率高于90％，拥有较广的适用范围。但是，在前期应用过程中发现存在以下问题：表面燃烧器的头部气体分配结构在实际运行过程中很难确保燃烧头部近端和远端压力分布的均匀性；即使具有较好的压力分配均匀性，普遍都具有较复杂的结构，带来很大的压损；另外，空气不洁净和外力对其碰撞挤压容易堵塞金属纤维材质的孔隙，造成燃烧器头部的预混气分布不均匀，进一步导致燃烧温度分布均匀性变差，以致出现局部蓝焰和局部红外燃烧的现象，甚至变负荷时可能会出现回火和爆炸等安全问题，即使在空气过滤器存在的条件下，也会带来整体压力损失增加，容易造成燃烧头部首尾压力分布不一致；燃烧头部压力分布的均匀性与燃烧器表面温度分布、co和nox的排放浓度密切相关，还会影响燃烧头部燃烧面的使用寿命。从加工角度，现有技术方案采用分配筒上的异形孔或按一定规律分布的非均匀气孔，要造成了加工难度大，成本偏高的问题。
3.综上所述，在较小的压力损失条件下增强燃烧头部的压力分布均匀性和提高表面燃烧器头部对不洁净空气的适用性尤为关键，这是当前亟待解决的问题。


技术实现要素：

4.针对如何采用更为简单的结构，在较小的压力损失条件下增强燃烧头部的压力分布均匀性和提高表面燃烧器头部对不洁净空气的适用性的问题，本发明提供一种全预混表面燃烧器头部气体分配结构。
5.本发明的一种全预混表面燃烧器头部气体分配结构，所述结构包括支撑筒1、等压锥2和出气孔3；
6.所述支撑筒1为近端开口远端靠等压锥2底边封闭的圆筒，等压锥2位于支撑筒1内部，使支撑筒1内部形成等压风室；支撑筒1的壁面分布若干出气孔3，出气孔3的中心所在截面与支撑筒1的中心轴线垂直且相交。
7.作为优选，所述等压锥2的外形为以直线或曲线为母线的结构，等压锥的母线直段与支撑筒1的中心轴线所形成的夹角控制在2-10
°
之间。
8.作为优选，通过修改等压锥2的母线与支撑筒中心轴线夹角α，优化支撑筒外壁面出气孔速度大小的均匀性。
9.作为优选，所述结构还包括多孔泡沫陶瓷，所述多孔泡沫陶瓷包裹在支撑筒1的外表面。
10.作为优选，所述结构包括双层多孔泡沫陶瓷圆筒，分别为第一层多孔泡沫陶瓷圆筒5和第二层多孔泡沫陶瓷圆筒6；第一层多孔泡沫陶瓷圆筒5覆盖在支撑筒1的外表面，第二层多孔泡沫陶瓷圆筒6覆盖在第一层多孔泡沫陶瓷圆筒5外表面；第一层多孔泡沫陶瓷圆筒5用于预热燃气和防止回火，第二层多孔泡沫陶瓷圆筒6作为燃烧层，当火焰在第二层多孔泡沫陶瓷圆筒6的表面时为表面燃烧模式，当火焰在第二层多孔泡沫陶瓷圆筒6内部燃烧时则为浸没燃烧模式。
11.作为优选，第一层多孔泡沫陶瓷圆筒5选用氧化铝或氧化锆泡沫陶瓷材料，孔密度控制在50-65ppi；
12.作为优选，第二层多孔泡沫陶瓷圆筒6圆筒材质选用碳化硅泡沫陶瓷材料，孔密度控制在10-20ppi。
13.作为优选，所述第一层多孔泡沫陶瓷圆筒5和第二层多孔泡沫陶瓷圆筒6之间可以留有空隙，空隙内设有空气层或填充有催化剂。
14.作为优选，所述结构还包括限位盘4和接耳7；所述支撑筒1的远端设置有限位盘4，限位盘4通过接耳7与等压锥2底边连接。
15.作为优选，所述支撑筒1的径向截面为圆形、方形、矩形或多边形。
16.本发明的有益效果，本发明的支撑筒1内部采取等压风室结构的设计方案，可以在较小的压力损失、更为简单的结构和低成本条件下实现燃烧头部近端和远端压力分配均匀，使支撑筒圆柱外壁面上出气孔速度大小接近，利用等压锥完成均匀分配可省去复杂的异型分配结构；另一方面，多孔泡沫陶瓷替代传统的金属纤维结构可以减缓空气不洁净和外力碰撞导致的孔隙堵塞问题且方便更换；与此同时，双层多孔泡沫陶瓷圆筒的设计模式可以通过控制入口燃气流量实现表面燃烧蓝焰模式和浸没燃烧红外辐射模式，及可以起到预热新鲜预混气和防止回火的作用，并且对低热值气体燃烧也有一定的适应性，具有更高的功率调节能力和安全性能。
附图说明
17.图1为全预混表面燃烧器圆形头部气体分配结构示意图；
18.图2为全预混表面燃烧器方形头部气体分配结构示意图；
19.图3为全预混表面燃烧器头部气体分配结构局部剖视图；
20.图4为全预混表面燃烧器头部气体分配结构中支撑筒、出气孔和限位盘的示意图。
具体实施方式
21.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作出创造性劳动的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。
22.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
23.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
24.如图1至图4所示，本实施方式的全预混表面燃烧器头部气体分配结构，包括支撑
筒1、等压锥2和出气孔3；
25.所述支撑筒1为近端开口远端靠等压锥2底边封闭的圆筒，等压锥2位于支撑筒1内部，两者以焊接的方式连接，等压锥2底边与支撑筒1焊接，围成的内部空间可形成等压风室结构，支撑筒1的壁面分布若干出气孔3，出气孔的形状为不限于圆形的多种开孔型式，出气孔3的中心所在截面与支撑筒1的中心轴线垂直且相交。
26.本实施方式的等压风室结构可使燃烧器头部近端和远端的压力均匀分配，进而使支撑筒圆柱面出口速度均匀的分布。本实施方式支撑筒1的开口端通过法兰盘与表面燃烧器的预混室连接，等压锥2为了减轻自身重量可采用中空结构，其可以通过焊接与支撑筒1的远端封闭；
27.本实施方式与传统的分配结构比较，该外形具有结构简单和相对较小的压力损失，而且可以使表面燃烧器头部首尾压力均匀分配，使支撑筒1圆柱面上出气孔出口速度更为一致，进一步使支撑筒外壁面出口速度均匀分布。
28.本实施方式中，等压锥2的外形为以直线或曲线为母线的结构，等压锥的母线直段与支撑筒1的中心轴线所形成的夹角控制在2-10
°
之间。
29.本实施方式中，通过修改等压锥2的母线与支撑筒中心轴线夹角α，优化支撑筒外壁面出气孔速度大小的均匀性。
30.本实施方式采用数值模拟的方式得出不同倾斜角度对应的表面燃烧器头部支撑筒出气孔速度大小方差的变化规律，如表1所示。随着夹角α在有限范围的改变，速度大小方差呈现先增加后降低的变化规律，当夹角α为8
°
时方差最小，表明支撑筒出气孔速度分布最为均匀，同时说明通过修改夹角α可以进一步优化本实施方式的全预混表面燃烧器头部气体分配结构。进一步可以得出支撑筒1外壁面出气孔3速度大小分布的均匀性，通过提升速度大小分布的均匀性优化表面燃烧器头部温度分布的均匀性，避免出现温度差异导致燃烧头部因热量分布不均而造成应力破坏问题。
31.表1燃烧器头部支撑筒出气孔速度大小方差的变化规律
[0032][0033]
本实施方式优化后的等压锥2轮廓线可以在更宽的负荷调节比范围内实现预混气出口速度均匀，可简化为了达到均匀分配目的而采用的分配筒上的复杂气孔结构，进而可使用均匀分布气孔，而且可以通过对等压锥轮廓线修型而适用于具有不同组分的燃气；
[0034]
本实施方式的结构还包括多孔泡沫陶瓷，所述多孔泡沫陶瓷包裹在支撑筒1的外表面。相比较金属纤维结构，多孔泡沫陶瓷具有更强的耐高温、耐腐蚀和蓄热能力强等优点，并且可以减弱因空气不洁净和外力碰撞造成孔隙堵塞且方便更换。
[0035]
优选实施例中，包括双层多孔泡沫陶瓷圆筒，分别为第一层多孔泡沫陶瓷圆筒5和第二层多孔泡沫陶瓷圆筒6；第一层多孔泡沫陶瓷圆筒5覆盖在支撑筒1的外表面，第二层多孔泡沫陶瓷圆筒6覆盖在第一层多孔泡沫陶瓷圆筒5外表面；
[0036]
第一层多孔泡沫陶瓷圆筒5用于预热燃气和防止回火，第二层多孔泡沫陶瓷圆筒6作为燃烧层，当火焰在第二层多孔泡沫陶瓷圆筒6的表面时为表面燃烧模式，当火焰在第二层多孔泡沫陶瓷圆筒6内部燃烧时则为浸没燃烧模式。
[0037]
支撑筒1圆柱外壁面的出气孔3流出的燃气进入第一层多孔泡沫陶瓷圆筒5中，第一层多孔泡沫陶瓷圆筒5不但可进一步增强燃气分布均匀性，而且可作为预热层对新鲜的预混气起到一定的预热作用，更进一步拓宽贫燃极限；与此同时第一层多孔泡沫陶瓷圆筒5的孔隙小于淬熄直径，可防止回火的发生。第二层多孔泡沫陶瓷圆筒6作为燃烧层，当入口流量较大时，火焰在第二层多孔泡沫陶瓷圆筒6形成表面蓝焰模式，当入口流量出于火焰回火极限和吹脱极限之间时，火焰进入第二层多孔泡沫陶瓷圆筒6内部形成浸没燃烧辐射模式。
[0038]
本实施方式中双层多孔泡沫陶瓷圆筒的设计模式可以通过控制入口燃气流量实现表面燃烧蓝焰和浸没燃烧红外辐射两种模式，而且可以起到预热新鲜预混气和阻断回火的作用，并且对低热值气体也有一定的适用性，具有更高的功率调节能力和安全性能。
[0039]
本实施方式中，第一层多孔泡沫陶瓷圆筒5材质选用较低的导热系数、较低的体积换热系数和较高辐射消光系数的氧化铝或氧化锆泡沫陶瓷或其他耐火材料，孔密度控制在50-65ppi。第二层多孔泡沫陶瓷圆筒6圆筒材质选用具有较高的导热系数、较高的体积换热系数和中等的辐射消光系数的为碳化硅泡沫陶瓷或其他耐火材料，孔密度控制在10-20ppi。
[0040]
本实施方式的第一层多孔泡沫陶瓷圆筒5和第二层多孔泡沫陶瓷圆筒6之间可保留一定间隙或不保留间隙，当保留间隙时层间设有空气层或加填充物，也可于层间或层内负载催化剂，可进一步增强火焰稳定性、降低污染物生成及扩大负荷调节比。
[0041]
本实施方式中还包括限位盘4和接耳7；
[0042]
支撑筒1的远端设置有限位盘4，限位盘4用于双层多孔泡沫陶瓷圆筒限位固定，限位盘4通过接耳7与等压锥2底边连接。
[0043]
接耳7端面与等压锥2末端面平齐，限位盘与等压锥通过接耳连接，其连接方式之一是可以使用自身带有螺纹孔的接耳，通过螺钉或螺栓的方式使其连接固定，实现对双层多孔泡沫陶瓷圆筒限位固定，以及方便后期对多孔泡沫陶瓷的清洗和更换。另一种方式是使用焊接的方式对限位盘与等压锥固定，该方式的泡沫陶瓷安装后不可更换。
[0044]
本实施方式的支撑筒1的径向截面不限于圆形，可以是方形、矩形或多边形，参照图3，图3是燃烧器正方形头部气体分配结构，等压锥2因之加以设计更改轮廓外形使所形成的等压风室可保证轴向表面上气体分布均匀，相应的多孔泡沫陶瓷形状也可随之改变，可适应多种形状炉膛和多种应用场景。
[0045]
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。