一种加压平面火焰燃烧装置

摘要

本发明属于固体燃料颗粒的着火、燃烧和气化等反应动力学特性研究领域，公开了一种加压平面火焰燃烧装置。该装置的燃烧器主体设有氧化气腔体和水冷腔体，氧化气腔体上端开口，中心安装内芯；氧化气腔体的侧壁内部设有单独隔离的冷却腔体；底座包括燃料气腔体，燃料气腔体位于氧化气腔体正下方，封板将氧化气腔体和燃料气腔体隔离；平面火焰毛细管内芯包括蜂窝陶瓷块、毛细管阵列和给粉管。本发明通过将氧化气与燃料气分开传输和整流，最终在蜂窝陶瓷块顶面形成稳定的非预混平面火焰，形成高温、高加热速率的烟气环境；而通过水冷降温防止热压变形和热失效，封板配合O型圈密封，使得本发明能够长期稳定地工作于高温、高压环境下。

权利要求

1.一种加压平面火焰燃烧装置，包括加压燃烧器主体(1)、平面火焰毛细管内芯(2)、底座(3)；

燃烧器主体(1)设有内芯安装室和氧化气腔体(22)，内芯安装室上端开口，下端与氧化气腔体(22)连通；

内芯安装室的侧壁内部设有与氧化气腔体(22)隔离的冷却腔体(21)；

平面火焰毛细管内芯(2)包括毛细管阵列(5)和给粉管(13)；

底座(3)包括燃料气腔体(23)、氧化气进口管(10)、燃料气进口管(12)、冷却腔进口管(17)和冷却腔出口管(20)；

其特征在于：

燃烧器主体(1)固定于底座(3)上表面，燃烧器主体(1)的下表面与底座(3)上表面之间通过O型圈夹紧封板(8)密封；

燃料气腔体位于氧化气腔体正下方，封板(8)将氧化气腔体(22)和燃料气腔体(23)隔离；

平面火焰毛细管内芯(2)还包括蜂窝陶瓷块(4)；毛细管阵列(5)和给粉管(13)插装且密封固定于封板(8)上；毛细管阵列(5)上端连通蜂窝陶瓷块(4)对应位置的蜂窝孔，下端位于燃料气腔体(23)内；毛细管阵列(5)的各个毛细管之间留有间隙，且该间隙连通蜂窝陶瓷块(4)对应位置的蜂窝孔；给粉管(13)位于毛细管阵列(5)中心，给粉管(13)上端连通蜂窝陶瓷块(4)的中心孔，下端裸露于底座(3)外表面；氧化气进口管(10)连通氧化气腔体(22)与底座(3)外部空间；燃料气进口管(12)连通燃料气腔体(23)与底座(3)外部空间；冷却腔进口管(17)的上端和冷却腔出口管(20)的上端均依次穿过底座(3)、封板(8)后进入冷却腔体(21)，以连通冷却腔体(21)与底座(3)外部空间。

2.如权利要求1所述的一种加压平面火焰燃烧装置，其特征在于，燃料气腔体(23)内填充有整流微珠(11)，整流微珠(11)由惰性材料制成。

3.如权利要求1所述的一种加压平面火焰燃烧装置，其特征在于，氧化气进口管(10)数量为两个，关于给粉管(13)的轴线对称；冷却腔进口管(17)和冷却腔出口管(20)关于给粉管(13)的轴线对称。

4.如权利要求3所述的一种加压平面火焰燃烧装置，其特征在于，燃料气进口管(12)数量为两个，关于给粉管(13)的轴线对称。

5.如权利要求3所述的一种加压平面火焰燃烧装置，其特征在于，冷却腔进口管(17)的上端靠近冷却腔体(21)下端面，冷却腔出口管(20)的上端靠近冷却腔体(21)上端面。

6.如权利要求1～5任意一项所述的一种加压平面火焰燃烧装置，其特征在于，内芯安装室和蜂窝陶瓷块(4)的横截面为方形，毛细管阵列(5)为方形阵列。

7.如权利要求1～5任意一项所述的一种加压平面火焰燃烧装置，其特征在于，燃烧器主体(1)包括上端部(24)和下法兰(25)，上端部(24)为圆柱状，外表面粗糙度小于Ra6.3，焊接固定于下法兰(25)的上表面；内芯安装室和冷却腔体(21)设于上端部(24)内；氧化气腔体(22)为阶梯孔构造，上端的大孔设于上端部(24)内且位于冷却腔体(21)下方，下端的小孔位于下法兰(25)内，封板(8)的上表面为下端的小孔的下边界。

8.如权利要求1～5任意一项所述的一种加压平面火焰燃烧装置，其特征在于，内芯安装室顶端开设有方形的石英管安装口。

说明书

一种加压平面火焰燃烧装置

技术领域

[0001] 本发明属于离散固体燃料颗粒的着火、燃烧和气化等反应动力学特性研究领域，涉及一种加压平面火焰燃烧装置，更具体地，涉及一种适用于光学测量的用于组织可控高温高压环境的平面火焰燃烧装置。

背景技术

[0002] 微米、纳米粉体燃料的着火、燃烧和气化等反应动力学特性，对于燃烧装置的设计具有重要的参考意义。在实际应用中，粉体反应往往处在比较极端的高温高压环境中，且在实际燃烧环境中具有极高的升温速率，大多数实验室设备难以达到这样的要求。因此，可以提供高温高压环境、且能够使得颗粒具有较高升温速率的燃烧系统是当前研究的重点。

[0003] 目前已有多种不同类型的加压加热系统，如加压热重分析仪、加压滴管炉、加压固定床、加压平面火焰炉等，但这些系统均存在局限性：加压热重只能研究静止状态下的颗粒燃烧，且加热温度低(一般低于1273K)，加热速率慢(3-200K/min)；加压滴管炉可达到高温高压的环境，但其加热速率最高只能达到103-104K/s；加压固定床反应物多为大颗粒或堆积粉层，且温度一般也在723-1273K之间，与实际应用有较大差距。

[0004] 因此，亟需能够在加压环境下提供稳定平面火焰，且兼具高温、高加热速率的加压平面火焰燃烧装置。

发明内容

[0005] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种加压平面火焰燃烧装置，其目的在于，通过分仓设计，结合毛细管阵列对燃料气和氧气进行分流、稳流，在燃烧器上端部表面形成稳定的非预混火焰面，辅以水冷降温保证高温高压条件下燃烧器的耐热承压性能，从而能够在加压环境下提供更高燃烧温度的稳定平面火焰，进而提升加热速率。

[0006] 为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种加压平面火焰燃烧装置，包括：燃烧器主体、平面火焰毛细管内芯、底座；

[0007] 燃烧器主体设有内芯安装室和氧化气腔体，内芯安装室上端开口，下端与氧化气腔体连通；内芯安装室的侧壁内部设有与氧化气腔体隔离的冷却腔体；

[0008] 燃烧器主体固定于底座上表面，燃烧器主体的下表面与底座上表面之间通过封板密封；

[0009] 底座包括燃料气腔体、氧化气进口管、燃料气进口管、冷却腔进口管和冷却腔出口管；燃料气腔体位于氧化气腔体正下方，封板将氧化气腔体和燃料气腔体隔离；

[0010] 平面火焰毛细管内芯包括蜂窝陶瓷块、毛细管阵列和给粉管；毛细管阵列和给粉管插装且密封固定于封板上；毛细管阵列上端连通蜂窝陶瓷块对应位置的蜂窝孔，下端位于燃料气腔体内；毛细管阵列的各个毛细管之间留有间隙，且该间隙连通蜂窝陶瓷块对应位置的蜂窝孔；给粉管位于毛细管阵列中心，给粉管上端连通蜂窝陶瓷块的中心孔，下端裸露于底座外表面；氧化气进口管连通燃料气腔体与底座外部空间；燃料气进口管连通氧化气腔体与底座外部空间；冷却腔进口管的上端和冷却腔出口管的上端均依次穿过底座、封板后进入冷却腔体，以连通冷却腔体与底座外部空间。

[0011] 进一步地，燃料气腔体内填充有整流微珠，整流微珠由惰性材料制成。

[0012] 进一步地，氧化气进口管数量为两个，关于给粉管的轴线对称；冷却腔进口管和冷却腔出口管关于给粉管的轴线对称。

[0013] 进一步地，燃料气进口管数量为两个，关于给粉管的轴线对称。

[0014] 进一步地，冷却腔进口管的上端靠近冷却腔体上端面，冷却腔出口管的上端靠近冷却腔体下端面。

[0015] 进一步地，内芯安装室和蜂窝陶瓷块的横截面为方形，毛细管阵列为方形阵列。

[0016] 进一步地，燃烧器主体包括上端部和下法兰，上端部为圆柱状，密封固定于下法兰的上表面；内芯安装室和冷却腔体设于上端部内；氧化气腔体为阶梯孔构造，上端的大孔设于上端部内且位于冷却腔体下方，下端的小孔位于下法兰内，封板的上表面为下端的小孔的下边界。

[0017] 进一步地，内芯安装室顶端开设有方形的石英管安装口。

[0018] 总体而言，本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

[0019] (1)本发明在燃烧器主体内设置了水冷腔体进行降温，降低高温高压环境下的热变形，从而使得本发明的加压平面火焰燃烧装置能够长期、稳定地工作于高温、高压环境下，有利于固体燃料颗粒的着火、燃烧和气化等反应动力学特性研究实验的顺利开展；并且，通过将氧化气供气仓(即氧化气腔体)与燃料气供气仓(即燃料气腔体)分开设计，燃料气通过阵列排布的毛细管传输和整流，而氧化气通过毛细管的间隙传输和整流，并在顶端通过蜂窝陶瓷块进一步整流，最终在蜂窝陶瓷块顶面形成稳定的非预混火焰面，得到的平面火焰后部烟气环境具有均匀的温度分布，能够产生1200-2000K的稳定烟气温度，喷入颗粒的加热速率可达105-106K/s，具有高温、高燃烧速率的特点，最接近于颗粒燃烧的实际环境。

[0020] (2)由腔体中填充的惰性整流微珠将燃料气进口射流打散，进行初步整流，使得进入毛细管的气流均匀。

[0021] (3)通过分仓设计结合封板的密封固定措施，使得整个燃烧器的密封结构均能满足高压需求，能够配合燃烧系统的压力壳体实现可控加压高温环境，能够适应更大温度及压力范围内，不同燃烧温度及反应压力的调节。

[0022] (4)在内芯安装室顶端设置方形的石英管安装口，可以安装方形的石英管，而内芯整体为方形，得到的方形火焰形状使得流场可以用方形石英管约束，从而适用于进行各种形式的光学诊断。

[0023] (5)将燃烧器主体的上端部设为圆柱状且表面光滑，有利于配合滑动密封手段将燃烧器主体插入高温高压燃烧系统的密封压力腔体内。

[0024] (6)本发明的加压平面火焰燃烧装置结构紧凑，体积较小、性能稳定，可持续使用，并且各个部件可单独更换，维护方便。

附图说明

[0025] 图1是本申请提供的一种加压平面火焰燃烧装置的结构简略示意图；

[0026] 图2、图3分别是本申请提供的一种加压平面火焰燃烧装置的正视、侧视剖面图；

[0027] 图4是本申请提供的一种加压平面火焰燃烧装置的俯视图；

[0028] 图5是本申请提供的一种加压平面火焰燃烧装置的仰视图。

[0029] 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：

[0030] 1-燃烧器主体，2-平面火焰毛细管内芯，3-底座，4-蜂窝陶瓷块，5-毛细管阵列，6-方孔圆板，7-紧固螺栓，8-封板，9-底座O型圈槽，10-氧化气进口管，11-整流微珠，12-燃料气进口管，13-给粉管，14-燃烧器主体O型圈槽，15-双O型圈槽，16-给粉管出口NPT螺纹，17-冷却腔进口管，18-定位槽，19-冷却腔进出口管NPT螺纹，20-冷却腔出口管，21-冷却腔体，22-氧化气腔体，23-燃料气腔体，24-上端部，25-下法兰。

具体实施方式

[0031] 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。

[0032] 如附图1～5所示，本发明优选实施例的一种加压平面火焰燃烧装置，由燃烧器主体1、平面火焰毛细管内芯2、底座3组成。

[0033] 燃烧器主体1设有内芯安装室和氧化气腔体22，内芯安装室上端开口，下端与氧化气腔体22连通。内芯安装室的侧壁内部设有与氧化气腔体22隔离的冷却腔体21。燃烧器主体1固定于底座3上表面，燃烧器主体1的下表面与底座3上表面之间通过封板8密封。

[0034] 底座3包括燃料气腔体23、氧化气进口管10、燃料气进口管12、冷却腔进口管17和冷却腔出口管20。燃料气腔体位于氧化气腔体正下方，封板8将氧化气腔体22和燃料气腔体23隔离。

[0035] 平面火焰毛细管内芯2包括蜂窝陶瓷块4、毛细管阵列5和给粉管13。毛细管阵列5和给粉管13插装且密封固定于封板8上。毛细管阵列5上端连通蜂窝陶瓷块4对应位置的蜂窝孔，下端位于燃料气腔体23内。毛细管阵列5的各个毛细管之间留有间隙，且该间隙连通蜂窝陶瓷块4对应位置的蜂窝孔。给粉管13位于毛细管阵列5中心，给粉管13上端连通蜂窝陶瓷块4的中心孔，下端裸露于底座3外表面。氧化气进口管10连通燃料气腔体与底座3外部空间。燃料气进口管12连通氧化气腔体22与底座3外部空间。冷却腔进口管17的上端和冷却腔出口管20的上端均依次穿过底座3、封板8后进入冷却腔体21，以连通冷却腔体21与底座3外部空间。

[0036] 优选地，为确保各个毛细管内的气流均匀稳定，燃料气腔体23内填充有整流微珠11，通过整流微珠11预先将燃料气进口管12的射流打散。

[0037] 在本实施例中，氧化气进口管10数量为两个，关于给粉管13的轴线对称。冷却腔进口管17和冷却腔出口管20关于给粉管13的轴线对称。两个氧化气进口管10所在平面与冷却腔进口管17和冷却腔出口管20所在平面的夹角为90度。氧化气进口管10从底座3下方插入到燃烧器主体1，通过燃烧器主体1内置的L型管路连通氧化气腔体22(也可以直接通入氧化气腔体22中，具体布置方式不受限制，可根据实际管路布局要求灵活设定)。燃料气进口管12数量为两个，关于给粉管13的轴线对称。两个燃料气进口管12所在平面与冷却腔进口管
17和冷却腔出口管20所在平面的夹角为45度。这里的90度和45度用于使不同管路间隔排列，保证管路之间不发生互相干涉，燃烧器底部管路有足够的扳手空间进行管路连接作业，可根据实际情况自由设定上述角度。

[0038] 在其他实施例中，根据不同流量、流速的要求，氧化气进口管10、燃料气进口管12也可设置为三个以上，均匀分布即可。

[0039] 优选地，冷却腔进口管17的上端靠近冷却腔体21上端面，冷却腔出口管20的上端靠近冷却腔体21下端面，从而延长冷却液的流通路径，提升降温效果。

[0040] 优选地，上端部顶端开设有方形的石英管安装口，内芯安装室和蜂窝陶瓷块4的横截面为方形，毛细管阵列5为方形阵列，由此形成方形的平面火焰，并由燃烧系统内的方形石英管进行流场约束，有利于进行各种形式的光学诊断。若不考虑光学诊断问题，则内芯安装室和石英管的截面形状可以根据实际需求任意设定，如设定为圆形。

[0041] 此外，本实施例采用阶梯状的设计，燃烧器主体1包括上端部24和下法兰25，上端部24为圆柱状，密封固定于下法兰25的上表面。内芯安装室和冷却腔体21设于上端部24内。氧化气腔体22为阶梯孔构造，上端的大孔设于上端部24内且位于冷却腔体21下方，下端的小孔位于下法兰25内，封板8的上表面为下端的小孔的下边界。

[0042] 下面结合附图2～5对本发明的一些辅助密封措施以及具体的组装过程进行更为细致的介绍。

[0043] 本实施例中，燃烧器主体1外形为阶梯状圆柱形，直径较小的一端为上端部24，直径较大的一端为下法兰25，燃烧器主体1中心有打通的方形孔(即内芯安装室)，用来配合插入平面火焰内芯。燃烧器主体1采用分体制造、焊接组装的方式成形。方形孔的侧壁与圆柱外壳间隙中设置有冷却腔体21，冷却腔体21下表面由方孔圆板6焊接密封。方孔圆板6内预留有对称的圆孔，用于通过焊接的方式密封安装冷却腔进口管17和冷却腔出口管20(也可以采用耐高温密封材料，例如耐高温密封胶进行密封安装)。燃烧器主体1内包含氧化气腔体22，下法兰25中对称设置有氧化气进口管10，氧化气进口管10从底座3下方插入，经由L型管路从方孔的侧壁面通入，加工方法可使用先打通孔后填料的方式。下法兰25的下表面开有主体O型圈槽14，配合O型圈与封板8进一步提升耐压密封性能。

[0044] 底座3外形为阶梯状圆柱形，直径较大的一端为上法兰，直径较小的一端为下端部。上法兰表面同样开有底座O型圈槽9。底座内3开有正方形槽用来配合放置平面火焰内芯，槽内部放入整流微珠11(优选为惰性材料，氧化锆、玻璃)，整流微珠应与毛细管端口保持5mm间隙，通过密集的惰性微珠将燃料气进口射流打散，起到整流的作用。上法兰下表面沿周向设置有六个定位槽18，可以插入定位销或紧固螺钉进行定位和固定，用于将整个燃烧装置安装至燃烧系统的加压外壳上。下端部的底部通过直接打孔的方式，设置燃料气进口管12。

[0045] 平面火焰毛细管内芯由封板8、毛细管阵列5、蜂窝陶瓷4和给粉管13组装形成。封板8中心设有密集间排的圆孔，毛细管从圆孔中通入，延伸至蜂窝陶瓷块4对应位置。封板8在毛细管插入后通过注胶的方式密封固定。

[0046] 最终燃烧器装配结果如图1～3所示。平面火焰毛细管内芯2由下方通过预留的方形孔插入燃烧器主体1，使得其封板8与燃烧器主体1下表面紧贴，此时内芯上表面与燃烧器主体1上表面位于同一平面内，再将此整体部分与底座3结合，所有固定在燃烧器主体1上的管路均插入在对应孔中，从底座3正下方伸出，通过紧固螺钉7压紧固定，即得到完整的加压平面火焰燃烧装置。

[0047] 整个加压平面火焰燃烧装置的密封均满足承压要求。燃烧器主体1与底座3连接部位由位于O型圈槽9、14的两个对称O型圈配合封板8压紧密封。给粉管13位于底座3下端部的出口预设有NPT密封螺纹12，使用带有密封螺纹的卡套接头或真空接头，即可实现管路出口的可拆卸密封(在其他实施例中也可以使用注胶密封)。氧化气进口管10位于燃烧器主体1的出口通过焊接或注胶密封，通过底座3的出口已经位于常压环境下，无需密封。冷却腔进口管17、冷却腔出口管20位于燃烧器主体1下法兰25的出口留有双O型圈槽15，通过压入双O型圈进行密封；位于底座3下端部的出口，预设有NPT密封螺纹19，使用带有密封螺纹的卡套接头或真空接头，即可实现管路出口的可拆卸密封。燃料气进口管12可直接焊接到底座3的下法兰对应位置处。

[0048] 本发明通过光滑圆柱形上端结构，与其他密封结构配合，且自身部件之间通过双O型圈配合封板8压紧密封，可适用于加压环境下。圆形的燃烧器主体结构保证能够方便配合各种压力容器的密封插入孔，冷却腔体21保证了所有密封部位的温度安全以及减少热变形。最终间隔阵列排布的毛细管在燃烧器上表面形成平面火焰，方形平面火焰内芯适宜于光学测量。燃烧器上端预留有石英管放置槽位，后部烟气场可由透明石英管组织。

[0049] 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。