一种带强化预热的超低热值燃气燃烧器
阅读说明：本技术 一种带强化预热的超低热值燃气燃烧器 (Ultralow-heat-value gas burner with intensified preheating function ) 是由 王恩宇 陈苗苗 于 2021-08-21 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种带强化预热的超低热值燃气燃烧器,包括预热用燃气进口、均质多孔介质、燃烧段、点火针、异构多孔介质、烟气段、多孔辐射层、内壳、外壳、预热段、螺旋叶片、低热值燃气进口、烟气出口和保温层；燃烧段内填充异构多孔介质；异构多孔介质沿内壳的轴向方向分为若干组多孔介质,并按照孔隙密度从靠近预热用燃气进口位置沿轴向方向阶跃递减排布；每组多孔介质由中心多孔介质层和环形多孔介质层组成,在径向方向上,从中心多孔介质层到环形多孔介质层的孔隙密度呈阶跃性递增分布；螺旋叶片置于预热段内,固定在内壳外侧,由烟气段延伸至燃烧段的中上游；本发明可拓宽贫燃极限,实现超低热值燃气高效燃烧并降低污染物排放。(The invention relates to an ultralow-calorific-value gas burner with strengthened preheating, which comprises a gas inlet for preheating, a homogeneous porous medium, a combustion section, an ignition needle, a heterogeneous porous medium, a flue gas section, a porous radiation layer, an inner shell, an outer shell, a preheating section, a spiral blade, a low-calorific-value gas inlet, a flue gas outlet and a heat insulation layer, wherein the gas inlet is connected with the combustion section; heterogeneous porous media are filled in the combustion section; the heterogeneous porous media are divided into a plurality of groups of porous media along the axial direction of the inner shell and are distributed in a step-by-step decreasing manner along the axial direction from the position close to the preheating fuel gas inlet according to the pore density; each group of porous media consists of a central porous medium layer and an annular porous medium layer, and the pore density from the central porous medium layer to the annular porous medium layer is distributed in a step-like increasing manner in the radial direction; the spiral blade is arranged in the preheating section, fixed on the outer side of the inner shell and extended to the middle upstream of the combustion section from the flue gas section; the invention can widen the lean combustion limit, realize the high-efficiency combustion of the gas with ultralow heat value and reduce the pollutant emission.)
技术领域
本发明涉及一种燃气燃烧器，具体涉及一种带强化预热的超低热值燃气燃烧器。
背景技术
在工业生产中存在大量可回收利用的超低热值气体，这些气体由于点火困难、稳定性差等因素难以有效利用，多孔介质燃烧技术具有负荷调节范围广、燃烧效率高、燃烧器体积小和污染物排放低的优势，被认为是经济上和技术上高效处理超低热值气体的有效途径之一。专利CN201110183845.5提出了一种燃用低热值气体燃料的多孔介质燃烧器，通过采用分段式多孔介质孔隙结构，提高了低热值燃料的火焰稳定性，降低了污染物排放；专利CN201610918177.9提出了一种气体燃料用多孔介质燃烧器，有效地防止回火，减少了NOx排放。在热流方向的控制和热流合理分配方面现有技术尚存在一定的改进空间，通过优化孔隙结构和强化边界传热能实现热量的有效迁移，拓宽贫燃极限，并获得更合理的温度分布。
发明内容
本发明的目的在于提供一种带强化预热的超低热值燃气燃烧器，针对燃烧困难、稳定性差的超低热值燃气，提出了一种能够促燃气燃烧，通过优化孔隙结构和强化边界传热，合理分配热流，提高火焰稳定性，拓宽了贫燃极限，实现超低热值燃气高效燃烧并降低污染物排放。
为了达到上述目的，本发明提供一种带强化预热的超低热值燃气燃烧器，包括预热用燃气进口、均质多孔介质、燃烧段、点火针、异构多孔介质、烟气段、多孔辐射层、内壳、外壳、预热段、螺旋叶片、低热值燃气进口、烟气出口和保温层；所述外壳为金属材质长方体或圆柱体，所述预热用燃气进口位于所述外壳侧面中心位置；所述内壳为金属圆柱体，位于所述外壳的内部；所述内壳与所述外壳在内壳的径向方向上存在的空隙为所述预热段；所述内壳包覆在所述均质多孔介质、所述燃烧段和所述烟气段外侧；所述均质多孔介质填充于所述内壳的前段，与所述预热用燃气进口和所述预热段相通；所述均质多孔介质的另一边连通所述燃烧段，所述点火针置于所述均质多孔介质与燃烧段之间的空隙内；所述燃烧段内填充所述异构多孔介质；所述异构多孔介质沿所述内壳的轴向方向分为若干组多孔介质，并按照孔隙密度从靠近所述预热用燃气进口位置沿轴向方向阶跃递减排布；每组多孔介质由中心多孔介质层和环形多孔介质层组成，中心多孔介质层为圆柱体，环形多孔介质层包覆在中心多孔介质层外侧，在径向方向上，从中心多孔介质层到环形多孔介质层的孔隙密度呈阶跃性递增分布；所述烟气段位于所述内壳的尾段，内部设置有所述多孔辐射层；所述螺旋叶片置于所述预热段内，固定在所述内壳外侧，由所述烟气段延伸至所述燃烧段的中上游；所述外壳在远离所述预热用燃气进口的外壁上设有所述低热值燃气进口，所述低热值燃气进口与所述预热段相通；所述外壳外包裹所述保温层。预热用燃气从预热用燃气进口进入内壳中，先通过所述均质多孔介质，对预热用燃气起到整流、防止回火的作用，由所述点火针点火，预热用燃气在所述燃烧段的异构多孔介质中进行燃烧，燃烧的烟气从所述烟气出口排出。当燃烧段达到一定温度后，停止预热用燃气供应，超低热值预混气从所述低热值燃气进口进入，在所述预热段内盘旋流动换热，螺旋叶片起到强化换热的作用，有利于热量由所述烟气段和燃烧段传递给超低热值预混气；预热后的超低热值预混气通过所述均质多孔介质，在异构多孔介质中燃烧，由于异构多孔介质的孔隙结构，避免了燃烧过程中温度分布不均，提高了火焰稳定性，降低CO和NOX排放；布置在所述烟气段的多孔辐射层可防止脱火的发生，最后烟气通过所述烟气出口排出。
优化地，所述螺旋叶片高度不小于所述内壳与所述外壳之间空隙的四分之三，避免所述预热段内阻力分布不均，致使超低热值预混气不能得到有效换热。
优化地，所述螺旋叶片延伸至所述燃烧段中的位置，距所述燃烧段起点的长度不小于所述燃烧段总长度的四分之一，所述均质多孔介质和所述燃烧段上游的外侧不覆盖螺旋叶片，减小该位置的热流损失，保证有效点火和稳定的初始燃烧。
优化地，所述异构多孔介质的孔隙密度为5-70 PPI，孔隙率不小于80%，厚度为30-300 mm。
优化地，所述多孔辐射层的孔隙密度为30-50 PPI，孔隙率为80%-90%，厚度为25-40 mm。
优化地，所述均质多孔介质的孔隙密度为40-65 PPI，孔隙率为80%-90%，厚度为20-30 mm。
附图说明
图1是本发明所提供的带强化预热的超低热值燃气燃烧器的一种
具体实施方式
的截面结构示意图；图中：预热用燃气进口1；均质多孔介质2；燃烧段3；点火针4；异构多孔介质5；烟气段6；多孔辐射层7；内壳8；外壳9；预热段10；螺旋叶片11；低热值燃气进口12；烟气出口13；保温层14。
具体实施例
本发明的核心为提供一种带强化预热的超低热值燃气燃烧器，针对燃烧困难、稳定性差的超低热值燃气，提出了一种能够促燃气燃烧，通过优化孔隙结构和强化边界传热，合理分配热流，提高火焰稳定性，拓宽了贫燃极限，实现超低热值燃气高效燃烧并降低污染物排放。
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图并通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
实施例1，在一种具体实施方式中，本发明提供一种带强化预热的超低热值燃气燃烧器，如图1，包括预热用燃气进口（1）、均质多孔介质（2）、燃烧段（3）、点火针（4）、异构多孔介质（5）、烟气段（6）、多孔辐射层（7）、内壳（8）、外壳（9）、预热段（10）、螺旋叶片（11）、低热值燃气进口（12）、烟气出口（13）和保温层（14）；外壳为金属材质圆柱体，预热用燃气进口（1）位于外壳（9）侧面中心位置；内壳（8）为金属圆柱体，位于外壳（9）的内部；内壳（8）与外壳（9）在内壳（8）的径向方向上存在的空隙为预热段（10）；内壳（8）包覆在均质多孔介质（2）、燃烧段（3）和烟气段（6）外侧；均质多孔介质（2）填充于内壳（8）的前段，与预热用燃气进口（1）和预热段（10）相通；均质多孔介质（2）的另一边连通燃烧段（3），点火针（4）置于均质多孔介质（2）与燃烧段（3）之间的空隙内；燃烧段（3）内填充异构多孔介质（5）；异构多孔介质（5）沿内壳（8）的轴向方向分为4组多孔介质，并按照孔隙密度从靠近预热用燃气进口（1）位置沿轴向方向阶跃递减排布；每组多孔介质由中心多孔介质层和环形多孔介质层组成，中心多孔介质层为圆柱体，包覆在中心多孔介质层外侧的环形多孔介质层为1层，在径向方向上，从中心多孔介质层到环形多孔介质层的孔隙密度呈阶跃性递增分布；总体上，从靠近预热用燃气进口（1）位置沿轴向方向，中心多孔介质层的孔隙密度分别为25 PPI、20PPI、15 PPI、10 PPI，环形多孔介质层的孔隙密度分别为30 PPI、25 PPI、20 PPI、15 PPI；烟气段（6）位于内壳（8）的尾段，内部设置有多孔辐射层（7）；螺旋叶片（11）置于预热段（10）内，固定在内壳（8）外侧，由烟气段（6）延伸至燃烧段（3）的中上游；外壳（9）在远离预热用燃气进口（1）的外壁上设有低热值燃气进口（12），低热值燃气进口（12）与预热段（10）相通；外壳（9）外包裹保温层（14）。预热用燃气从预热用燃气进口（1）进入内壳（8）中，先通过均质多孔介质（2），对预热用燃气起到整流、防止回火的作用，由点火针（4）点火，预热用燃气在燃烧段（3）的异构多孔介质（5）中进行燃烧，燃烧的烟气从烟气出口（13）排出。当燃烧段（3）达到一定温度后，停止预热用燃气供应，超低热值预混气从低热值燃气进口（12）进入，在预热段（10）内盘旋流动换热，螺旋叶片（11）起到强化换热的作用，有利于热量由烟气段（6）和燃烧段（3）传递给超低热值预混气；预热后的超低热值预混气通过均质多孔介质（2），在异构多孔介质（5）中燃烧，由于异构多孔介质（5）的孔隙结构，避免了燃烧过程中温度分布不均，提高了火焰稳定性，降低CO和NOX排放；布置在烟气段（6）的多孔辐射层（7）可防止脱火的发生，最后烟气通过烟气出口（13）排出。
具体地，螺旋叶片（11）高度为内壳（8）与外壳（9）之间空隙的四分之三，避免预热段（10）内阻力分布不均，致使超低热值预混气不能得到有效换热。
具体地，螺旋叶片（11）延伸至燃烧段（3）中的位置，距燃烧段（3）起点的长度为燃烧段（3）总长度的四分之一，均质多孔介质（2）和燃烧段（3）上游的外侧不覆盖螺旋叶片（11），减小该位置的热流损失，保证有效点火和稳定的初始燃烧。
具体地，异构多孔介质（5）的孔隙密度为10-30 PPI，孔隙率为85%，厚度为120 mm。
具体地，多孔辐射层（7）的孔隙密度为50 PPI，孔隙率为85%，厚度为25 mm。
具体地，均质多孔介质（2）的孔隙密度为50 PPI，孔隙率为85%，厚度为30 mm。
以主要成分为CO和N2，热值约为3.0 MJ/m3的燃气为燃料，当量比为0.9时，火焰稳定极限范围为107.38-311.40 kW/m2，NOX低于2 mg/m3，CO排放低于77 mg/m3。
实施例2，本实施例的带强化预热的超低热值燃气燃烧器与实施例1相同，不同之处在于：总体上，从靠近预热用燃气进口（1）位置沿轴向方向，中心多孔介质层的孔隙密度分别为45 PPI、35 PPI、25 PPI、15 PPI，环形多孔介质层的孔隙密度分别为50 PPI、40PPI、30 PPI、20 PPI。异构多孔介质（5）的孔隙密度为15-50 PPI，孔隙率为90%，厚度为100mm。超低热值燃气主要成分为CH4和N2，热值约为1.2 MJ/m3，当量比为0.9时，火焰稳定极限范围为76.43-183.44 kW/m2，NOX低于9 mg/m3，CO排放低于150 mg/m3。
本发明的具体实施方式的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想，而并非是对本发明实施方式的限定。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
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