一种圆柱体有序堆积的多孔介质燃烧器的制作方法

本发明为一种圆柱体有序堆积的多孔介质燃烧器，属于燃烧技术、低品位能源利用领域。

背景技术：

我国经济快速发展需要消耗大量的能源，同时要兼顾环境保护，走人类与自然协调发展的可持续发展道路。然而我国面临着能源供需矛盾突出、环境污染日趋严重和生态遭到持续破坏等一系列问题。其中能源供给紧张可能会成为我国经济发展的薄弱环节。因此，拓宽能源供给渠道的多样化、挖掘和开发使用低品位或低热值的能源、同时寻求有利于环境保护的高效洁净燃烧技术，无疑会成为解决上述问题的有力支持。

与自由空间的燃烧相比，预混气体在多孔介质中的燃烧是一项先进并具有广阔应用前景的燃烧技术，它不仅能够显著地拓展贫富燃极限，而且在污染物排放方面具有显著的优越性。

目前，多孔介质燃烧技术相关的燃烧器设备比较广泛，多孔介质燃烧器内的多孔介质结构为无序的，如泡沫陶瓷等，或者采用等直径的小球作为多孔介质，而小球自然堆积后，其整体结构是无序的。当前多孔介质燃烧器主要填充材料类型有泡沫陶瓷和氧化铝小球两种，当填充床孔隙率较小时，燃烧器工作时的压力损失非常大。如公开号为“CN201610048572.6” 的“一种堆积陶瓷小球多孔介质燃烧器及其使用方法”，该型燃烧器内填充床材料为自然堆积的陶瓷小球。公开号为“CN201610048732.7”的“一种蜂窝陶瓷多孔介质燃烧器及其使用方法”，燃烧器内填充床的材料为泡沫陶瓷，而泡沫陶瓷本身是无序的。该款燃烧器设置稳流段壳体、保温材料、燃烧段壳体、挡块砖、蜂窝陶瓷多孔介质和绝热燃尽室；燃烧段壳体内部前端装有挡块砖和蜂窝陶瓷多孔介质。低浓度预混气体在蜂窝陶瓷多孔介质内预热并开始燃烧；燃烧段壳体内部后端为绝热燃尽室，为还未完全燃烧的低浓度预混气体提供充分反应的空间。由此可以看出，燃烧室分为两部分，也就是说，一部分燃料在陶瓷基质组成的空隙内燃烧，一部分在绝热燃尽室内燃烧。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种适用于低浓度燃料燃烧的多孔介质燃烧器，具有功率调节幅度大、燃烧性能好、污染物排放低，压力损失小等特点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：燃烧器从内到外共三层，第一层为刚玉板，第二层为保温材料，第三层为固定钢板，起到支撑和保护作用；沿气流方向，依次为由三层材料围成的防回火区域、燃烧室区域和燃烧室出口三部分，在防回火区域与燃烧室区域的交界面布置电子点火装置；防回火区域为锥形结构，其倾斜角度10°-30°，通过增加流通截面来降低气体流速，进而达到防回火的目的；同时，在防回火区域填充耐高温陶瓷纤维，起到防回火的作用；而燃烧室和燃烧室出口为长方形结构；防回火区域的外端安装有入口法兰，入口法兰作为连接装置是预留与供气管上的法兰盘相连，而燃烧室出口配有出口法兰，出口法兰预留与换热设备或者热用户等相连接；在燃烧室内，填充的多孔材料是圆柱体（主要材料为氧化铝），圆柱体之间的空间位置为错列；圆柱体之间的轴向和径向距离相等，它们距离的确定是根据燃烧器区域的宏观孔隙率来确定的，宏观孔隙率通过调整圆柱体之间的距离来实现，本发明燃烧器区域的宏观孔隙率是0.42-0.62；圆柱体通过打孔板来固定。燃料/空气流经防回火区域后，经电子点火装置打火后，燃料在圆柱体组成的空隙内燃烧。结构化布置圆柱体的优点是：1.燃烧区域的宏观孔隙率可调；2.与相同孔隙率无序布置的多孔介质燃烧器相比，有序布置的多孔介质燃烧器，在相同的燃烧器功率条件下，燃烧器的压力损失明显降低，同时，由于是错列布置，气体和圆柱体固体之间的换热效果良好。

经过实验验证，本燃烧器的当量比可以扩展到0.16。实验验证的过程是，在燃烧器的圆柱体之间等距离布置11根热电偶，标号为#1-#11，测量空间不同位置的气体温度随时间的变化。图1为实验验证的结果，燃料是甲烷与空气的混合物，当量比是0.324，气体入口流速是0.287m/s。由此可以看出，本装置可以显著地扩展贫可燃极限。

进一步地，本发明所述的防回火段为锥形结构，呈扩口状，其倾斜角度10°-30°，防回区域填充耐高温陶瓷纤维；

进一步地，本发明所述燃烧区域填充等直径的耐高温氧化铝圆柱体，圆柱体的直径d为3.5mm-6.5mm可调，圆柱体之间的横向和纵向距离相等，距离为1.25d-1.5d，对应的燃烧区域的宏观孔隙率为0.42-0.62。

进一步地，本发明所述燃烧区域的圆柱采用打孔板来控制横向和纵向距离。打孔板是不锈钢钢板，钢板上开有圆孔，圆柱安装在圆孔内，且与下底面直接接触，而在上表面留有0.01d的距离。

与现有技术相比，本发明的优点是：

（1）燃烧效率高，该燃烧器与自由式火焰燃烧器相比，能显著拓展贫可燃极限，适用于化工废弃，煤矿瓦斯气体等低热值燃料。（2）燃烧器压力损失小。由于多孔材料的空间位置为有序的，对气流的阻碍作用减弱，因此压力损失小。同时，由于采用了错列布置，气体的速度方向不断变化，增强了传热的作用。

附图说明

图1是圆柱体有序堆积的多孔介质燃烧器，其中：1、入口法兰；2、耐高温纤维；3、电子点火装置；4、固定装置；5、固定钢板；6、出口法兰；7、保温材料；8、刚玉板；9、圆柱体。

图2是圆柱体布置图，d是小球直径。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

如图1所示，本燃烧器为整体设计，包括三部分：防回火区域、燃烧室区域和燃烧室出口区域。最外层的围护结构采用钢板卷焊，钢板厚度4mm-6mm。中间层为保温材料，用于减少通过壁面的热损失。内层为耐高温的4mm厚的刚玉板。制作燃烧器的具体实施办法是：首先整体烧制最内层的刚玉材料。相应地，在防回火区域，刚玉板做成整体的锥形形状，倾斜角度10°-30°，燃烧室区域和燃烧室出口区域是长方形形状。随后，将圆柱体安装在打孔板上，圆柱体和打孔板固定后，按照设计好的尺寸，将打孔板和圆柱体整体嵌入到燃烧室区域。固定钢板厚度4mm-6mm，采用钢板拼接制作，同时在出口和入口焊接法兰。然后组装刚玉方腔和固定钢板，将刚玉方腔插入到固定钢板内，同时采用固定装置，固定二者之间的空间位置。然后，在钢板与刚玉方腔之间，填充保温材料。图3是圆柱体布置图。

在燃烧器的入口和出口处分别焊接入口和出口法兰，作为与燃气和热用户上的法兰连接的配套法兰。

本发明的工作过程如下：首先，需要燃烧高热值燃料对燃烧器进行预热十分钟左右。通入高热值的燃气/空气的混合气体通过防回火区域进入到燃烧器，电子点火装置点燃燃气进行预热。预热结束后，通入低热值气体。随后，燃气在燃烧器区域的空腔内燃烧生成高温气体。高温气体与圆柱体之间进行热量交换，部分热量蓄积在多孔介质中，形成“热坝”，其作用在于对未燃烧的新鲜空气进行预热。同时，高温的圆柱体之间通过辐射换热进行热量交换，特别是，这种热回流形成了向上游的热回流，用于预热混合气体，形成超绝热燃烧，有利于扩展贫可燃极限，燃烧低热值气体。随后，高温烟气通过燃烧器出口，进入到热用户。