一种部分催化燃烧的预混喷嘴、喷嘴阵列及燃烧器的制作方法

本发明涉及燃烧装置技术领域，尤其涉及一种部分催化燃烧的预混喷嘴、喷嘴阵列及燃烧器，其特别适用于燃气轮机、锅炉、化工炉、采暖等各种工业和民用燃烧器。

背景技术：

工业生产如冶炼、石化、制药、造纸及采矿等行业会产生大量有害气体和低热值气体，这些气体直接排放到大气中会严重污染环境，而且还浪费了能源。如果将这些气体燃烧利用，不但减小了环境污染和节约能源。当前我国环境污染问题十分严重，发展相关清洁燃烧技术十分迫切。此外，航空发动机、发电用燃气轮机、舰船用燃气轮机也都需要燃烧器。燃烧器厂商已经开发了多种清洁燃烧技术，如贫预混燃烧技术、稀相预混预蒸发技术、贫油直喷技术等，这些技术虽然可以有效降低污染物的排放，但都面临燃烧不稳定的问题，或者燃烧器结构复杂、零部件多、成本高的问题。

因而，亟需开发一种结构简单紧凑、零部件少、燃烧稳定、污染物排放低的燃烧器。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种部分催化燃烧的预混喷嘴、喷嘴阵列及其燃烧器。

(二)技术方案

本发明提供了一种部分催化燃烧的预混喷嘴，该预混喷嘴包括中间圆筒、外壁圆筒、网孔板、波浪旋流结构和催化剂涂层，其中：波浪旋流结构位于外壁圆筒内，中间圆筒位于波浪旋流结构内接圆的内部，或者位于波浪旋流结构的内接圆与外切圆之间的某一位置，网孔板位于中间圆筒内部；波浪旋流结构具有一旋流器，该旋流器是催化剂的载体，包括旋流器褶皱形叶片、旋流器入口圆柱、旋流器出口圆柱、旋流器中间圆筒、旋流器多孔板和旋流器多孔板安装卡口，旋流器褶皱形叶片位于燃烧器外壁与旋流器中间圆筒之间的流道内，是催化剂的载体；旋流器多孔板位于旋流器中间圆筒的内部；旋流器入口圆柱和出口圆柱分别位于旋流器的进口和出口处，用于将旋流器褶皱叶片和中间圆筒连接起来；燃料和空气进入喷嘴前已经相互掺混；燃烧在两个区域进行，在旋流器上进行催化燃烧，在燃烧器出口进行有焰燃烧。。

本发明还提供了一种喷嘴阵列，包括多个兼具内外流道掺混作用的喷嘴，其中，所述喷嘴阵列为圆形阵列，所述圆形阵列包括P圈喷嘴，每圈喷嘴包括Q个喷嘴，其中1≤P、Q≤100；或者，所述喷嘴阵列为矩形阵列，所述矩形阵列包括P行喷嘴，每行喷嘴包括Q个喷嘴，其中1≤P、Q≤100。

本发明还提供了一种燃烧器，其包括多个部分催化燃烧的喷嘴，或者喷嘴阵列。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明一种部分催化燃烧的预混喷嘴、喷嘴阵列及其燃烧器具有以下有益效果：

燃烧在两个区域进行，在旋流器上进行催化燃烧，在燃烧器出口进行有焰燃烧。该旋流器是催化剂的载体，旋流器的褶皱表面有效增大了催化剂涂层的面积，催化剂涂层可以促进燃烧反应的进行，出口的波浪形结构及中间通道周围的绕流圆柱可以增大湍流度、改善流动的均匀性并提高火焰传播速度进而增强燃烧的稳定性，该旋流器及其预混燃烧器能够拓宽燃烧的熄火极限，能够降低燃烧温度，实现有害气体及低热值气体的稳定燃烧，减少燃烧污染物如氮氧化物、一氧化碳的生成，最大限度的将有害气体无害化。

附图说明

图1为根据本发明实施例一种部分催化燃烧的预混喷嘴、喷嘴阵列及其燃烧器设计方法的半剖示意图；

图2为旋流器的一个三维示意图；

图3为旋流器的另一个三维示意图；

图4为旋流器的又一三维示意图；

图5为图1关键尺寸示意图；

图6为图5的局部放大示意图；

图7轴向尺寸示意图；

图8直径尺寸示意图；

图9为锯齿形褶皱叶片出口的旋流器；

图10为中间圆筒在内接圆与外切圆之间的某一位置示意图；

图11修剪掉全部内圈波浪旋流结构示意图；

图12增加多个圆筒结构示意图。

【符号说明】

1-喷嘴入口；2-喷嘴外壁圆筒；3-旋流器入口圆柱；4-旋流器多孔板；5-旋流器褶皱形叶片；6-旋流器的斜流通道；7-旋流器外环流道；8-旋流器中间圆筒；9-旋流器中间流道；10-喷嘴出口；11-旋流器多孔板安装卡口；12-旋流器出口圆柱；13-旋流器出口；14--内圈旋流波浪结构；15-外圈旋流波浪结构；16-多圆筒结构。

A-旋流器出口与燃烧器出口的距离；B-旋流器出口与旋流器中间流道出口距离；C-旋流器的褶皱形叶片与旋流器中间圆筒之间的间隙大小；D-旋流器的褶皱形叶片与燃烧器外壁之间的间隙大小；E-网孔板厚度；F-网孔板与旋流器出口之间的距离；G-网孔板与中间圆筒出口之间的距离；H-中间圆筒出口与燃烧器出口之间的距离；I-中间圆筒插入波浪旋流结构深度；J-外壁圆筒直径；K-中间圆筒直径；L-波浪旋流结构内接圆直径。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

请参考图1至图4，本发明实施例提供了一种部分催化燃烧的预混喷嘴，包括：喷嘴外壁圆筒2、中间圆筒8、多孔板4、旋流器褶皱形叶片5、旋流器进口圆柱3、旋流器出口圆柱12、旋流器多孔板安装卡口11以及在旋流器、中间圆筒和多孔板上的催化剂涂层。在该实施例中中间圆筒8位于旋流器5的内部。旋流器褶皱形叶片5位于喷嘴外壁圆筒2与旋流器中间圆筒8之间的流道内，旋流器褶皱形叶片5由沿径向起伏的多个波峰和多个波谷沿周向相间排列而成，沿周向排列的波谷围成内接圆，在旋流器褶皱形叶片5的中心形成内接圆空间，沿周向排列的波峰形成外切圆；旋流器多孔板4位于旋流器中间圆筒8的入口；旋流器入口圆柱3和出口圆柱12分别位于旋流器的进口和出口处，将旋流器褶皱叶片和中间圆筒连接起来。

本实施例的喷嘴，燃烧在两个区域进行——在旋流器的褶皱形叶片、进出口圆柱以及多孔板上进行催化燃烧，在喷嘴出口进行有焰燃烧。

请参考图1、3和10，对本实施例的工作原理加以说明。催化剂可以很大程度地降低反应所需的活化能，使得低浓度燃料气和有害气体能够在相对较低的温度下进行反应，因此催化燃烧是利用低浓度燃料气和分解有害气体的有效方式之一。催化剂涂层覆盖在波浪旋流器褶皱形叶片5、波浪旋流器进口圆柱3和出口圆柱12、多孔板4、多圆筒结构16上。催化剂可以为贵金属催化剂如铂、钯、等，也可以为金属氧化物或其它类型，催化剂类型已超出本发明专利范围，这里不再赘述，不同位置可以覆盖不同种类的催化剂。燃烧反应物在催化剂涂层附近进行催化燃烧，在燃烧器出口进行有焰燃烧。

燃料和空气在进入喷嘴前已相互掺混，由燃烧器入口1进入喷嘴的为有害气体或低热值气体、其它燃料与空气的混合物，该混合物可以为多种可燃气体与空气的混合物，也可以为可燃固体颗粒与空气的混合物，还可以为雾化的燃料液滴、水蒸气与空气的混合物；这些气体进入燃烧器前可以预热。

可燃混合物在旋流器入口被中间圆筒8分成了内外两部分流体，内层流体经过旋流器多孔板4后进入旋流器中间流道9保持单纯轴向运动；外层流体进入燃烧器外壁与中间圆筒之间的流道，在旋流器褶皱形叶片两侧的斜流通道6作用下，在进行轴向运动的同时还进行沿圆周方向的旋转运动；这两部分流体在旋流器出口处汇合到一起。旋流器出口圆柱以及旋流器出口褶皱均可以时这两部分流体之间的过渡更加平缓、均匀，同时增大湍流度。外流道流体带有旋转运动，在离心力作用下使流体在燃烧器出口形成扩张形，这有助于稳定燃烧；内流道流体为无旋的轴向运动，可以防止在燃烧器出口形成强回流区，这样可以减小流动损失、降低污染物排放。

本实施例中波浪旋流器的褶皱叶片有四个作用：①是催化剂的载体；②产生旋转运动；③促进燃烧反应物的掺混；④增大湍流度。

多孔板有三个作用：①是催化剂的载体；②调整中间流道和外流道的流量分配比例；③增大湍流度。

旋流器进口圆柱3有三个作用，①是用于将旋流器褶皱叶片和中间圆筒连接起来；②是增大流体的湍流度；③是催化剂的载体。

旋流器出口圆柱12有四个作用，①是用于将旋流器褶皱叶片和中间圆筒连接起来；②是增大流体的湍流度；③是使中间圆筒的流体与经过褶皱叶片的流体之间的过渡更加平缓、均匀；④是催化剂的载体。

旋流器进出口圆柱个数分别为2-1000个，截面形状为三角形、多边形、圆形、椭圆形，优选为圆形。

旋流器的褶皱形叶片入口端截面形状可以为圆环形或多边环形，优选为圆形；旋流器的褶皱形叶片的出口端截面形状可以为正弦波形、方波形、三角波形、带有圆形倒角的方波形；褶皱形叶片的引导线为直线或曲线。旋流器褶皱形叶片的波峰和波谷之间为斜流通道，可燃混合物在褶皱叶片的两侧，在斜流通道作用下会产生沿圆周方面的旋转运动。优选地，在斜流通道旋转方向为逆时针旋转情况下，斜流通道与轴向的夹角范围为-90方至09，优选为-30为至-60为；或斜流通道旋转方向为顺时针旋转情况下，斜流通道与轴向的夹角范围为0或至90斜，优选为30°至60°。

旋流器多孔板上开孔面积与多孔板面积的比例为0-100％，也就是说多孔板可以不开孔，此时多孔板上开孔面积与多孔板面积的比例为0；多孔板可以全部开孔，相当于不设置多孔板，多孔板上开孔面积与多孔板面积的比例为100％。优选多孔板上开孔面积与多孔板面积的比例为40％-80％。多孔板上孔的直径为0.1-10mm，孔的大小可以相同也可以不同；孔的形状可以为圆形、椭圆形、三角形、多边形或者是这些形状的组合。

为了便于更换，旋流器多孔板4通过旋流器多孔板安装卡口11安装在旋流器进口处，通过锁片固定，也可以采用螺纹连接方式，优选采用卡口安装方式。

请参见图5～图8对本发明实施例的关键尺寸加以说明，旋流器出口与燃烧器出口的距离A为0-1000mm；旋流器出口与旋流器中间流道出口距离B为0-1000mm；优选，A为喷嘴外径的1-5倍，B为喷嘴外径的0.1-1倍。旋流器的褶皱形叶片与旋流器中间圆筒之间的间隙大小C和旋流器的褶皱形叶片与燃烧器外壁之间的间隙大小D为0-100mm；优选，C和D为喷嘴外径的0.01-0.1倍。

中间圆筒插入波浪旋流结构深度为I为1mm～1000mm，优选I＝J/2；网孔板厚度E为1mm～1000mm，优选E＝5mm；网孔板与旋流器出口之间的距离F为1mm～1000mm，优选F＝J/2；中间圆筒出口区高度G为1mm～1000mm，优选G＝J/2；喷嘴出口附近掺混区高度H为1mm～1000mm，优选H介于1.5J～3J之间。

外壁圆筒直径为J、中间圆筒直径为K、波浪旋流结构内接圆直径为L，当中间圆筒位于波浪旋流结构的内接圆与外切圆之间的某一位置，即J>K>L，优选K＝(J+L)/2；当中间圆筒位于旋流结构内部时，K<L。中间圆筒截面形状可以为圆形、三角形、多边形，优选为圆形。

本发明第二实施例的喷嘴，为了达到简要说明的目的，上述第一实施例中任何可作相同应用的技术特征叙述皆并于此，无需再重复相同叙述。

请参见图9，在该实施例中，为了增大湍流度，旋流器褶皱叶片出口可以为锯齿形。

本发明第三实施例的喷嘴，为了达到简要说明的目的，上述任一实施例中任何可作相同应用的技术特征叙述皆并于此，无需再重复相同叙述。

请参见图10，在该实施例中，中间圆筒8位于波浪旋流结构的内接圆与外切圆之间的某一位置。中间圆筒将旋流器的褶皱形叶片分成了内圈旋流波浪结构14和外圈旋流波浪结构15两部分。

本发明第四实施例的喷嘴，为了达到简要说明的目的，上述任一实施例中任何可作相同应用的技术特征叙述皆并于此，无需再重复相同叙述。

请参见图11，在该实施例中，位于中间圆筒内的内圈旋流波浪结构14被修剪掉了一部分，这样有助于减轻重量、减小流动摩擦损失。修剪高度介于0～100％之间。修剪之后，网孔板的位置也相应调整，使网孔板与旋流器出口之间的距离F为1mm～1000mm，优选F＝J/2。

本发明第五实施例的喷嘴，为了达到简要说明的目的，上述任一实施例中任何可作相同应用的技术特征叙述皆并于此，无需再重复相同叙述。

请参考图12，在该实施例中，增加了多圆筒结构16，在该多圆筒结构上覆盖催化剂涂层，每个圆筒的高度可以相同也可以不同，圆筒个数为2～10000个。

本发明第六实施例提供了一种喷嘴阵列，其包括多个上述任一实施例所述的喷嘴。

其中，该喷嘴阵列为圆形阵列，该圆形阵列包括P圈喷嘴，每圈喷嘴包括Q个喷嘴，其中1≤P、Q≤100。

其中该喷嘴阵列为矩形阵列，该矩形阵列包括P行喷嘴，每行喷嘴包括Q个喷嘴，其中1≤P、Q≤100。

本发明第七实施例提供了一种燃烧器，其包括上述第一至五实施例中任一实施例所述的喷嘴，或第六实施例所述的多喷嘴阵列。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明一种部分催化燃烧的预混喷嘴、喷嘴阵列及其燃烧器设计方法有了清楚的认识。

此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

综上所述，本发明一种部分催化燃烧的预混喷嘴、喷嘴阵列及其燃烧器设计方法可用于航空燃气轮机、发电燃气轮机、锅炉、加热炉等设备，适用于运输、供暖、制药、化工、发电、冶金、采矿等行业，该旋流器及其预混燃烧器能够实现有害气体及低热值气体的稳定燃烧，减少燃烧污染物如氮氧化物、一氧化碳的生成。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。