一种预混式防回火无焰式燃烧器

摘要

本发明属于燃烧器领域，并具体公开了一种预混式防回火无焰燃烧器，其中：预混单元用于将燃料和空气预混后获得预混燃料并送入防回火单元；防回火单元用于将预混燃料送入喷射单元并防止回火现象的发生，其包括沿气体流动方向依次连接的渐缩管、防回火通道和文丘里管；喷射单元用于喷射预混燃料，其包括喷射通道和第一钝体。本发明通过设置预混单元，能够将燃料与空气混合均匀获得预混燃料，并利用防回火单元的渐缩管、扩缩栅板和文丘里管等结构有效地防止回火现象的发生，同时通过在喷射单元中设置可收缩的旋流叶片和第一钝体，能够实现预热阶段与无焰燃烧阶段的快速切换，保证燃烧的稳定性，同时还能够实现超低NOx排放。

权利要求

1.一种预混式防回火无焰燃烧器，其特征在于，包括沿气体流动方向依次连接的预混单元、防回火单元和喷射单元，其中：所述预混单元用于将燃料和空气预混后获得预混燃料并送入所述防回火单元；

所述防回火单元用于将所述预混燃料送入所述喷射单元并防止回火现象的发生，其包括沿气体流动方向依次连接的渐缩管(5)、防回火通道(7)和文丘里管(8)，所述渐缩管(5)用于加速所述预混燃料，从而防止回火现象的发生，所述防回火通道(7)内设置有扩缩栅板(6)，所述扩缩栅板(6)在所述防回火通道(7)内形成预设数量的文丘里管通道，用于增强防回火效果，所述文丘里管(8)中渐扩段的侧壁上设置有预设数量的空气喷孔(13)，用于在该渐扩段的管壁内形成空气膜，从而进一步防止回火现象的发生；

所述喷射单元用于喷射所述预混燃料，其包括喷射通道(9)和第一钝体(12)，所述喷射通道(9)与所述文丘里管(8)的出口连接，用于输送和喷射所述预混燃料，所述第一钝体(12)可收缩地设置在所述喷射通道(9)的外侧，用于在预热阶段形成稳定火焰，并利用所述第一钝体(12)的收缩实现预热阶段和无焰燃烧阶段的切换。

2.如权利要求1所述的预混式防回火无焰燃烧器，其特征在于，所述预混单元包括预混室(4)、空气管道(1)、燃料管道(3)和第二钝体(14)，所述空气管道(1)和燃料管道(3)与所述预混室(4)连接并且相互垂直，以此使得所述空气与燃料形成1/4切圆进行预混从而获得预混燃料，所述第二钝体(14)设置在所述空气管道(1)的出口，用于加强预混效果。

3.如权利要求2所述的预混式防回火无焰燃烧器，其特征在于，所述预混室(4)优选为正方形，所述燃料管道(3)与空气管道(1)的内径之比为1:10～3:10。

4.如权利要求1所述的预混式防回火无焰燃烧器，其特征在于，所述喷射单元还包括渐缩喷头(11)和旋流叶片(10)，所述渐缩喷头(11)设置在所述喷射通道(9)的出口，用于将所述预混燃料加速喷入炉膛，所述旋流叶片(10)可收缩地设置在所述喷射通道(9)内，用于在预热阶段带动所述预混燃料旋转。

5.如权利要求1所述的预混式防回火无焰燃烧器，其特征在于，所述渐缩管(5)的射流角为20°～75°。

6.如权利要求1所述的预混式防回火无焰燃烧器，其特征在于，所述防回火通道(7)中每个文丘里管通道的进口面积与出口面积相等，并且该文丘里管通道中渐缩段的长度大于渐扩段的长度，其喉部面积大于临界喉部面积。

7.如权利要求1所述的预混式防回火无焰燃烧器，其特征在于，所述文丘里管(8)的进口面积与出口面积相等，并且该文丘里管(8)中渐缩段的长度大于渐扩段的长度，其喉部面积大于临界喉部面积。

8.如权利要求1所述的预混式防回火无焰燃烧器，其特征在于，所述空气喷孔(13)与该空气喷孔(13)出口所在壁面切线的夹角小于70°。

9.如权利要求1所述的预混式防回火无焰燃烧器，其特征在于，所述空气喷孔(13)出口的总面积为所述文丘里管(8)喉部面积的0.05～0.5倍。

10.如权利要求4所述的预混式防回火无焰燃烧器，其特征在于，所述旋流叶片(10)与渐缩喷头(11)入口的距离为10mm～200mm。

说明书

一种预混式防回火无焰式燃烧器

技术领域

[0001] 本发明属于燃烧器领域，更具体地，涉及一种预混式防回火无焰燃烧器。

背景技术

[0002] 随着环境污染问题日益严重，针对污染物的排放标准也日渐严苛。因燃料高温燃烧可以产生大量的热力型NOx，为了解决这个问题，提出了一种新的燃烧模式-无焰燃烧模式，该燃烧模式下燃烧区域不存在局部高温区，可大大降低热力型NOx的生成量，同时由于燃烧区域温度的均匀性，燃烧效率并未降低。无焰燃烧同时兼顾了污染物低排放和燃烧效率两方面的考虑，因此，国内外有不少专利均将无焰燃烧其应用到燃烧器上，但是大多为非预混燃烧器，预混燃烧器上该项技术应用较少，且多存在无焰燃烧效果不够好、燃烧稳定性较低、回火风险较大、熄火风险大、对燃烧环境适应性较差、结构复杂等问题。

[0003] CN104990078B提出了一种可快速实现无焰燃烧的燃烧器，该专利即是通过在燃烧的不同阶段改变燃料和空气的流速大小来获得稳定的无焰燃烧，但是该燃烧器只能应用于非预混燃烧，不能实现预混无焰燃烧；CN105953219B提出了一种无焰燃烧装置，该装置通过在多个助燃风喷出口分别设置回流引射器来引射高温烟气实现无焰燃烧，但是，该装置效率较低，需要设置多个回流引射器，并且这种燃烧装置并不能直接应用在现有炉膛上，需要对炉膛进行较大改造，造成很大的不便；CN104266190B提出了一种富氧无焰燃气燃烧器及其控制方法，该燃烧器为非一体式装置，并且采用燃烧初期预混有焰燃烧，后期转为非预混无焰燃烧的模式，但是该燃烧器不同燃烧阶段的燃烧控制较为复杂，存在一个预混与非预混燃烧同时存在的阶段，并且两者之间存在较高的配合要求，若两个配合度不够高，就会发生燃烧不稳定、无焰燃烧无法实现甚至熄火现象，应用较为困难，同时在预混燃烧阶段也存在很大的回火风险。

发明内容

[0004] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种预混式防回火无焰燃烧器，其中对其关键组件如防回火单元、喷射单元的结构及其具体设置方式进行研究和设计，相应的可有效解决燃烧阶段回火风险大的问题，同时还具备燃烧模式切换快捷的优势，因而尤其适用于预混燃烧的应用场合。

[0005] 为实现上述目的，本发明提出了一种预混式防回火无焰燃烧器，包括沿气体流动方向依次连接的预混单元、防回火单元和喷射单元，其中：

[0006] 所述预混单元用于将燃料和空气预混后获得预混燃料并送入所述防回火单元；

[0007] 所述防回火单元用于将所述预混燃料送入所述喷射单元并防止回火现象的发生，其包括沿气体流动方向依次连接的渐缩管、防回火通道和文丘里管，所述渐缩管用于加速所述预混燃料，从而防止回火现象的发生，所述防回火通道内设置有扩缩栅板，所述扩缩栅板在所述防回火通道内形成预设数量的文丘里管通道，用于增强防回火效果，所述文丘里管中渐扩段的侧壁上设置有预设数量的空气喷孔，用于在该渐扩段的管壁内形成空气膜，从而进一步防止回火现象的发生；

[0008] 所述喷射单元用于喷射所述预混燃料，其包括喷射通道和第一钝体，所述喷射通道与所述文丘里管的出口连接，用于输送和喷射所述预混燃料，所述第一钝体可收缩地设置在所述喷射通道的外侧，用于在预热阶段形成稳定火焰，并利用所述第一钝体的收缩实现预热阶段和无焰燃烧阶段的切换。

[0009] 作为进一步优选地，所述预混单元包括预混室、空气管道、燃料管道和第二钝体，所述空气管道和燃料管道与所述预混室连接并且相互垂直，以此使得所述空气与燃料形成1/4切圆进行预混从而获得预混燃料，所述第二钝体设置在所述空气管道的出口，用于加强预混效果。

[0010] 作为进一步优选地，所述预混室优选为正方形，所述燃料管道与空气管道的内径之比为1:10～3:10。

[0011] 作为进一步优选地，所述喷射单元还包括渐缩喷头和旋流叶片，所述渐缩喷头设置在所述喷射通道的出口，用于将所述预混燃料加速喷入炉膛，所述旋流叶片可收缩地设置在所述喷射通道内，用于在预热阶段带动所述预混燃料旋转。

[0012] 作为进一步优选地，所述渐缩管的射流角为20°～75°。

[0013] 作为进一步优选地，所述防回火通道中每个文丘里管通道的进口面积与出口面积相等，并且该文丘里管通道中渐缩段的长度大于渐扩段的长度，其喉部面积大于临界喉部面积。

[0014] 作为进一步优选地，所述文丘里管的进口面积与出口面积相等，并且该文丘里管中渐缩段的长度大于渐扩段的长度，其喉部面积大于临界喉部面积。

[0015] 作为进一步优选地，所述空气喷孔与该空气喷孔出口所在壁面切线的夹角小于70°。

[0016] 作为进一步优选地，所述空气喷孔出口的总面积为所述文丘里管喉部面积的0.05～0.5倍。

[0017] 作为进一步优选地，所述旋流叶片与渐缩喷头入口的距离为10mm～200mm。

[0018] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

[0019] 1.本发明提供的预混式防回火无焰燃烧器结构简单，不需要对现有炉膛进行较大改造便可直接应用，具有较好的经济性，同时为提高燃烧器的安全性，本发明相应设计了渐缩管、扩缩栅板和文丘里管等结构，能够有效地防止回火现象的发生，此外通过在喷射单元中设置可收缩的第一钝体，能够实现预热阶段与无焰燃烧阶段的快速切换，从而保证了燃烧的稳定性，并实现预混无焰燃烧，利用本发明提供的预混式防回火无焰燃烧器能够达到3
小于50mg/m的超低NOx排放；

[0020] 2.同时，本发明通过对预混室的结构进行改进，使得空气与燃料形成1/4切圆进行预混获得预混燃料，并利用第二钝体加强预混效果，能够保证空气与燃料混合完全；

[0021] 3.尤其是，本发明对防回火单元中渐缩管的角度、扩缩栅板和文丘里管的形状、以及空气喷孔的布置方式和出口总面积进行优化，能够在保证防回火效果的同时避免对燃料的燃烧产生较大影响。

附图说明

[0022] 图1是按照本发明优选实施例提供的预混式防回火无焰燃烧器的剖视图；

[0023] 图2是按照本发明优选实施例提供的预混式防回火无焰燃烧器的右视图；

[0024] 图3是图1中D部分的局部视图；

[0025] 图4是图1中F部门的局部视图；

[0026] 图5是图1中G部门的局部视图。

[0027] 在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

[0028] 1-空气管道，2-空气管道支管，3-燃料管道，4-预混室，5-渐缩管，6-扩缩栅板，7-防回火通道，8-文丘里管，9-喷射通道，10-旋流叶片，11-渐缩喷头，12-第一钝体，13-空气喷孔，14-第二钝体。

具体实施方式

[0029] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

[0030] 如图1～5所示，本发明提出了一种预混式防回火无焰燃烧器，包括沿气体流动方向依次连接的预混单元、防回火单元和喷射单元，其中：

[0031] 预混单元用于将燃料和空气预混后获得预混燃料并送入防回火单元，其包括预混室4、燃料管道3、空气管道1和第二钝体14，空气管道1和燃料管道3与预混室4连接并且相互垂直，以此使得空气与燃料形成1/4切圆进行预混获得预混燃料，从而增加预混时间和预混距离，进而增强预混效果，流线型的第二钝体14设置在空气管道1的出口，位于预混燃料的下游位置，预混燃料在所述第二钝体14之后形成漩涡，以此加强预混效果；

[0032] 防回火单元用于将所述预混燃料送入喷射单元并防止回火现象的发生，其包括沿气体流动方向依次连接的渐缩管5、防回火通道7和文丘里管8，渐缩管5用于加速预混燃料，从而使预混燃料的实际流速显著大于理论火焰传播速度，以防止回火现象的发生，防回火通道7内设置有扩缩栅板6，扩缩栅板6在防回火通道7内形成预设数量的文丘里管通道，使预混燃料在通道内被进一步加速，从而增强防回火效果，文丘里管8中渐扩段的侧壁上设置有预设数量的空气喷孔13，用于在该渐扩段的管壁内形成空气膜，并且提升壁面边界层的气流速度，从而进一步防止回火现象的发生，该空气喷孔13与空气管道支管2连接；

[0033] 喷射单元包括喷射通道9、渐缩喷头11、旋流叶片10和第一钝体12，喷射通道9与文丘里管8的出口连接，用于输送和喷射预混燃料，渐缩喷头11设置在喷射通道9的出口，用于将预混燃料加速喷入炉膛，旋流叶片10可收缩地设置在喷射通道9内，预热阶段时，旋流叶片10带动预混燃料旋转，无焰燃烧阶段时，旋流叶片10收缩后贴紧燃烧器的内壁，第一钝体12可收缩地设置在喷射通道9的外侧，预热阶段时，第一钝体12用于在预热阶段形成稳定火焰，无焰燃烧阶段时，第一钝体12收缩后贴紧燃烧器的外壁，为方便进行燃烧模式的切换，旋流叶片10和第一钝体12相互联动，可同时将其收缩。

[0034] 进一步，预混单元中，预混室4优选为正方形，因其结构较为对称，有利于燃料和空气在预混室4中分布均匀，获得较好的混合效果；燃料管道3与空气管道1的内径之比优选为1:10～3:10，从而保证预混室4内的空气浓度远高于燃气浓度，有利于燃气的完全燃烧。

[0035] 进一步，防回火单元中，渐缩管5的射流角优选为20°～75°，用于对预混燃料进行适当加速，且不显著提升流动阻力；防回火通道7中形成的文丘里管通道的进口面积与出口面积相等，并且该文丘里管通道中渐缩段的长度大于渐扩段的长度，其喉部面积大于临界喉部面积，以使预混燃料在通道内被进一步加速，使预混燃料实际流速显著大于其理论火焰传输速度，且不显著增加流动阻力，从而进一步增强防回火效果；同时，文丘里管8的进口面积与出口面积相等，并且该文丘里管8中渐缩段的长度大于渐扩段的长度，其喉部面积大于临界喉部面积；

[0036] 此外，空气喷孔13与该空气喷孔13出口所在壁面切线的夹角小于70°，该角度过大会造成空气的吹扫效果不明显，并且空气喷孔13出口的总面积为文丘里管8喉部面积的0.05倍～0.5倍，空气喷孔13出口的总面积过小会造成喷出的空气量过少，无法有效地吹扫壁面，无法起到缓滞燃气、防止回火的作用，但是空气喷孔13出口的总面积过大会导致进入的空气量过大，不利于燃烧。

[0037] 进一步，喷射单元中，旋流叶片10与渐缩喷头11入口的距离优选为10mm～200mm，该距离不仅能够避免旋流叶片10与渐缩喷头11距离过近发生碰撞，并且能够获得较好的旋流效果。

[0038] 按照本发明一个优选实施例，预混室4的截面为290mm×190mm的矩形，空气管道1设置于预混室4的前端，该空气管道1的直径为65mm并且进口方向与燃烧器的轴线平行，渐缩管5的射流角为43°，防回火通道7中形成的文丘里管道中渐缩段的长度为渐扩段长度的2倍，文丘里管中渐缩段的长度为渐扩段长度的3倍，空气喷孔13与该空气喷孔13出口壁面切线的夹角为65°，空气喷孔13出口的总面积为文丘里管8喉部面积的1/8。

[0039] 下面对本发明提供的预混式防回火无焰燃烧器的具体工作过程作具体说明：空气通过空气管道1进入预混室4，燃料通过燃料管道3进入预混室4，空气和燃料在预混室内混合均匀获得预混燃料通过渐缩管5加速并进入防回火通道7，通过防回火通道7中的文丘里通道后进入文丘里管8，最后进入喷射单元，预热阶段，开启旋流叶片10和第一钝体12，预混燃料通过旋流叶片10获得一定的旋流度，并通过渐缩喷头11加速后喷入炉膛，并在第一钝体12之后形成涡结构，进行稳定的有焰燃烧，待燃烧稳定之后切换到无焰燃烧阶段，收缩旋流叶片10和第一钝体12，使其分别贴紧燃烧器的内壁和外壁，预混燃料直接从渐缩喷头11加速喷入炉膛，预混燃料的长距离喷射卷吸大量高温烟气，稀释并加热燃料，形成中低温低氧的无焰燃烧并依靠无焰燃烧产生的热量不断维持下去。

[0040] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。