本发明涉及热能工程技术领域，具体是一种把气体燃料转化为高温烟气的装置。
背景技术：
燃烧器是一种将燃料通过燃烧这一化学反应方式将化学能转化为热能的设备，广泛应用于冶炼炉、热风炉、热处理炉、加热炉、烟气炉、锅炉等热能相关行业。
目前已有技术与现状：工业气体燃烧器有套筒燃烧器、旋流燃烧器、旋切燃烧器等多种结构形式，上述燃烧器存在的弊端是：a燃烧器混合室及各孔口空间布局不合理，气流组织效果较差，导致空气与煤气混合不均匀、燃烧不充分，空气过剩系数大，烟气中co、o2、nox含量高，燃烧温度低、热利用率差、b燃烧产生nox量大，污染环境；c燃烧器阻力损失大，需要较高的和稳定的煤气压力才能正常工作；d燃烧器结构不合理，运行中空气入口、煤气入口、煤气喷口砖易脱落损坏；e燃烧器结构复杂，砖型设计困难，制造质量难以保证。
由此可见，上述已有公知技术与现状的燃烧器存在诸多不足、缺陷与弊端，亟待给予改进与解决。
鉴于上述已有公知技术与现状的燃烧器所存在的诸多不足、缺陷与弊端，本设计人基于丰富的实践经验及专业知识，在认真研究已有公知技术及现状基础上，积极加以创新，采用“切向空气入口”、“切向煤气入口”、“悬链线回转体整流室”、“空气分段供给”、“圆锥螺旋线形涡旋”、“分段燃烧”、“浓淡燃烧”、“导流槽强化喉口”等关键技术，以期创造一种新型结构的燃烧器，解决已有公知技术与现状燃烧器存在的不足、缺陷与弊端，使其达到更具有实用性及更好使用效果，以提高工业炉窑燃料利用效率、降低氮化物排放量、延长燃烧器使用寿命，满足大功率、燃气压力低、压力波动大等恶略应用场所。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种燃烧器，改进现有燃烧器理念和结构，以此改变空气和煤气气流流动组织方式和煤气燃烧方式，改善空气和煤气混合效果，使得燃烧器功率更大、煤气燃烧更充分，所需要煤气和空气压力更低，煤气压力波动适应性更强，氮氧化物生成量更少，加工制造更容易，使用寿命更长。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案为：
三维涡旋燃烧器，包括空气入口(1)、空气环腔(2)、一次空气喷口(3)、二次空气喷口(4)、煤气入口(5)、煤气环腔(6)、上层煤气喷口(7)、下层煤气喷口(8)、探测孔(9)、整流室上段(10)、整流室下段(11)、喉口收缩段(12)、喉口(13)、喉口导流槽(14)、燃烧室(15)、以及组成上述空间腔室的钢壳(16)和耐火材料(17)组成，其特征在于：
所述的整流室上段形状是悬链线(catenary)回转体，探测孔、整流室上段、整流室下段、喉口收缩段、喉口、燃烧室从上到下依次相连通；
所述的上层煤气喷口和下层煤气喷口一侧与整流室上段相连通，另一侧与煤气环腔连通；m个上层煤气喷口沿切线方向并倾斜向下α角设置在整流室上段侧壁直径φa圆周上，切向中心线与整流室中心线夹角β，各喷口中心线相切于直径为φb的假想圆上；n个下层煤气喷口沿整流室径向并倾斜向下γ角设置在整流室上段悬链线回转体侧壁直径φc圆周上，φa≤φb，α≥γ；
所述的煤气入口沿煤气环腔的圆周切线方向布置，p个煤气入口设置在煤气环腔外侧壁上。
所述的一次空气喷口和二次空气喷口一侧与整流室下段相连通，另一侧与空气环腔连通；q个一次空气喷口沿切线方向并倾斜向下δ角设置在整流室下段侧壁圆周上，与整流室中心线夹角ε，一次空气喷口中心线相切于直径为φd的假想圆上；s个二次空气喷口沿切线方向并倾斜向下ζ角设置在整流室下段侧壁圆周上，与整流室中心线夹角η，各喷口中心线相切于直径为φe的假想圆上，φd≥φe；δ≥ζ，一次空气喷口断面积占空气喷口总面积的80％～50％，二次空气喷口断面占空气喷口总面积的20％～50％；
所述的空气入口沿空气环腔的圆周切线方向布置，t个空气入口设置在空气环腔外侧壁上；
所述的煤气入口数量p是1～2个，煤气入口中心线位于煤气环腔的切向与径向之间，所述的空气入口数量t是1～2个，空气入口中心线位于空气环腔的切向与径向之间。
所述的上层煤气喷口的个数m是0～60个，与水平面的夹角α在0～60度，切向中心线与整流室中心线的夹角β在±35度，下层煤气喷口的个数n是0～80个，与水平面的夹角γ在0～50度，下层煤气喷口沿整流室切向布置，切向中心线与整流室中心线的夹角在±40度。
所述的一次空气喷口的个数q是0～80个，与水平面的夹角δ在0～45度，切向中心线与整流室中心线的夹角ε在±45度，二次空气喷口的个数s是0～80个，与水平面的夹角ζ在0～35度，切向中心线与整流室中心线的夹角η在±45度。
所述的喉口位于喉口收缩段和燃烧室之间，喉口圆柱体侧壁上有u个呈螺旋形布置的凸台，这些凸台联合组成了喉口导流槽；
工作时，空气从空气入口切向进入空气环腔，通过空气环腔输送到各个空气喷口，并通过空气喷口沿假想切线圆喷入整流室下段，由于ζ≥δ，φd≥φe，在切向空气入口、切向空气喷口和整流室下段内圆柱面的综合导流作用下，空气被整流成向下旋转的漏斗状圆锥螺旋线形涡旋，空气涡旋内部存在负压区；
煤气从煤气入口切向进入煤气环腔，通过煤气环腔输送到各个煤气喷口，下层煤气喷口喷出的煤气沿整流室径向并向下倾斜γ角喷入整流室下段的空气涡旋内，上层煤气喷口喷出的煤气沿直径为φb的假想圆切向方向并向下倾斜α角喷入整流室，由于上层煤气喷口径向作用，喷出的煤气有旋流，带动下层煤气喷口喷出的煤气也产生弱旋流，使煤气在圆周方向分布趋于均匀；
煤气从整流室上段向整流室下段流动进入空气涡旋内，在空气涡旋负压引射作用下，空气裹挟着煤气一同向喉口流动，由于下层煤气喷口的径向煤气流与空气涡旋的旋转气流流动方向不同，并且空气流速大于煤气流速，在流向差和和速度差作用下，一次空气喷口空气与下层煤气喷口煤气发生剧烈扩散、掺混、并开始燃烧；
掺混的空气与煤气与燃烧产生的部分烟气混合物依次流经喉口收缩段、喉口，被喉口压缩，流动状态转化为紊流，喉口导流槽增加了喉口的粗糙度，加强紊流效果，使混合进一步强化，最终生成火焰从喉口喷出进入燃烧室。
由于空气涡旋的引射作用，在极低的煤气煤气压力下即可顺利进行混合与燃烧；
一次空气喷口喷入一次空气量只占总空气量的80％～50％，第一阶段煤气处于过浓燃烧(贫氧)，二次喷口喷入空气补足了燃烧所需要的全部空气量，第二阶段煤气处于过淡燃烧，煤气的分段燃烧和浓淡型燃烧可有效抑制氮氧化物nox生成；
所述的低压煤气三维涡旋燃烧器采用水平或倾斜布置，即中轴线与水平中心线的夹角在0～75度之间，适用于烟气炉、热处理炉、加热炉等不同应用场所。
所述的空气和煤气二种介质可以位置互换，当煤气压力充足，空气压力偏低时，可以煤气走下层空气走上层，以煤气涡旋引射空气，适应性强。
所述的耐火材料是由定型耐火材料砌筑成型，或者由不定性耐火材料浇注成型，特别适用于功率大，煤气和空气流量大的场所。
所述的煤气入口数量p是1～2个，煤气入口中心线位于煤气环腔的切向与径向之间，空气入口数量t是1～2个，空气入口中心线位于空气环腔的切向与径向之间，在现有工程改造中，可以根据现场实际需要灵活选择煤气入口和空气入口数量和放线，从而大幅度减少改造工程量。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
第一，本发明中设置的整流室上段为悬链线回转体，订端为盲端，下部与整流室下段圆柱体相连接，进入整流室煤气和空气只能向下方的喉口方向流动；通过改变悬链线的矢跨比可方便调整煤气喷口与水平面的夹角，便于得到最优的煤气喷口角度；悬链线回转体顶端距离上层煤气喷口距离小，减少顶部空间积存煤气，大幅度削弱积存煤气燃爆对煤气喷口和整流室墙壁的破坏；悬链线回转体的钢壳和耐火材料砌体结构形状相吻合，消除钢壳内部的无用空间，从而节省耐火材料；整流室上段悬链线回转体墙体结构受力合理、结构稳定、寿命长，砌筑更方便。
第二，本发明通过设置切向空气入口，使得空气进入进入空气环腔更顺畅，空气进入空气环腔即产生与空气喷口朝向相一致的圆周方向流动，空气进入空气喷口更顺畅，减小了阻力损失，有利于煤气在空气环腔和各空气喷口中均匀分布；
第三，本发明中空气的流场特征是涡旋，即旋转向下的漏斗状圆锥螺旋线形流场，流场压力分布呈中心低外圆周高的特征，涡旋内存在负压区，具有强烈的引射作用，使得煤气在压力极低的情况下很容易进入空气涡旋内部与空气发生强烈混合；通过设置一次空气喷口和二次空气喷口的不同切线方向和向下倾斜的不同角度，并在整流室下段内圆柱面导向作用下，使得一次空气喷口和二次空气喷口喷出空气最终被整流成直径上大下小(φd≥φe)、上缓下陡不同倾斜角度(δ≥ζ)的漏斗状圆锥螺旋线形涡旋。
第四，本发明的一次空气喷口面积占全部喷口面积的约75％，喷出空气量约为总空气量的75％，使得第一阶段空气不足，煤气处于过浓燃烧(贫氧)，二次喷口喷入空气补足了燃烧所需要的全部空气量，第二阶段煤气处于过淡燃烧，煤气的分段燃烧和浓淡型燃烧可有效抑制氮氧化物nox生成；
第五，本发明的上层煤气喷口具有切向角度，煤气喷出时可以带动下层煤气喷口煤气发生弱旋转，使得煤气在圆周方向上分布更均匀，防止煤气偏流。
第六，本发明设置带有导流槽的喉口，掺混的空气与煤气与燃烧产生的部分烟气混合物依次流经喉口收缩段和喉口时被喉口压缩，即体积减小，空气和煤气浓度增大，单位时间内分子碰撞次数增多，反应速率加快，同时喉口部位受燃烧室高温和烟气回流影响，温度升高，使一部分原来能量较低分子变成活化分子，增加了活化分子的百分数，使得有效碰撞次数增多，故反应速率加块，喉口还能起到点火作用，使燃烧更稳定；
喉口导流槽可使来自整流室旋流气体混合物的旋流度得到进一步强化，生成火焰从喉口喷出进入燃烧室时气流分布更均匀；喉口导流槽呈螺旋形布置的凸台对流经喉口的气流起到扰动作用，加强了煤气与空气的混合效果，使煤气燃烧更彻底。
第七，本发明在整流室上段顶端设置有探测孔，可方便地用于燃烧器测温、测压以及安装火焰监测器。
第八，本发明煤气与空气混合充分，空气过剩系数小，煤气与空气的消耗量少，动力消耗少，且燃烧温度高。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是图1中a-a剖面图。
图3是图1中b-b剖面图。
图4是图1中的c-c剖面图。
图5是图1中的d-d剖面图。
图6是图1中的e-e剖面图。
图7是煤气与空气的流动方向示意图。
图中标记：空气入口(1)、空气环腔(2)、一次空气喷口(3)、二次空气喷口(4)、煤气入口(5)、煤气环腔(6)、上层煤气喷口(7)、下层煤气喷口(8)、探测孔(9)、整流室上段(10)、整流室下段(11)、喉口收缩段(12)、喉口(13)、喉口导流槽(14)、燃烧室(15)、钢壳(16)、耐火材料(17)。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体的实施方式对本发明所述的技术方案作进一步的说明。
如图所示：三维涡旋燃烧器，由钢壳(16)和耐火材料(17)构筑成空气入口(1)、空气环腔(2)、一次空气喷口(3)、二次空气喷口(4)、煤气入口(5)、煤气环腔(6)、上层煤气喷口(7)、下层煤气喷口(8)、探测孔(9)、整流室上段(10)、整流室下段(11)、喉口收缩段(12)、喉口(13)、喉口导流槽(14)、燃烧室(15)，
整流室上段(10)、整流室下段(11)、喉口收缩段(12)、喉口(13)、燃烧室(15)从上到下依次相连通；
上层煤气喷口(7)和下层煤气喷口(8)一侧与整流室上段(10)相连通，另一侧与煤气环腔(6)连通，15个上层煤气喷口(7)沿切线方向并倾斜向下α角设置在整流室上段(10)侧壁直径φa圆周上，切向中心线与整流室中心线夹角β，各喷口中心线相切于直径为φb的假想圆上；20个下层煤气喷口(8)沿整流室径向并倾斜向下γ角设置在整流室上段(10)的悬链线回转体侧壁直径φc圆周上，φa≤φb，α≥γ。煤气入口(5)沿煤气环腔(6)的圆周切线方向布置，1个煤气入口(5)设置在煤气环腔(6)外侧壁上。
一次空气喷口(3)和二次空气喷口(4)一侧与整流室下段(11)相连通，另一侧与空气环腔(2)连通，18个一次空气喷口(3)沿切线方向并倾斜向下δ角设置在整流室下段(11)侧壁圆周上，与整流室中心线夹角ε，18个一次空气喷口(3)中心线相切于直径为φd的假想圆上；12个二次空气喷口(4)沿切线方向并倾斜向下ζ角设置在整流室下段(11)侧壁圆周上，与整流室中心线夹角η，12个二次空气喷口中心线相切于直径为φe的假想圆上，φd≥φe；δ≥ζ，一次空气喷口(3)断面积占空气喷口总面积的75％，二次空气喷口(4)断面占空气喷口总面积的25％，1个空气入口(1)沿空气环腔(2)的圆周切线方向布置，空气入口(1)设置在空气环腔(2)外侧壁上；
喉口(13)位于喉口收缩段(12)和燃烧室(15)之间，喉口(13)圆柱体侧壁上有u个呈螺旋形布置的凸台，这些凸台联合组成了喉口导流槽(14)；
工作时，空气从空气入口(1)切向进入空气环腔(2)，通过空气环腔(2)输送到各个空气喷口，并通过空气喷口沿假想切线圆喷入整流室下段(11)，由于ζ≥δ，φd≥φe，在切向空气入口(1)、切向一次空气喷口(3)、切向二次空气喷口(4)和整流室下段(11)内圆柱面的综合导流作用下，空气被整流成向下旋转的漏斗状圆锥螺旋线形涡旋，空气涡旋内部存在负压区；
一次空气喷口(3)一次空气量只占总空气量的75％，第一阶段煤气处于过浓燃烧(贫氧)，二次空气喷口(4)喷入空气补足了燃烧所需要的全部空气量，第二阶段煤气处于过淡燃烧，煤气的分段燃烧和浓淡型燃烧可有效抑制氮氧化物nox生成；
煤气从煤气入口(5)切向进入煤气环腔(6)，通过煤气环腔(6)输送到各个煤气喷口，下层煤气喷口(7)喷出的煤气沿整流室径向并向下倾斜γ角喷入整流室下段(11)的空气涡旋内，上层煤气喷口(7)喷出的煤气沿直径为φb的假想圆切向方向并向下倾斜α角喷入整流室，由于上层煤气喷口(7)切向作用，喷出的煤气有旋流，带动下层煤气喷口(8)喷出的煤气也产生弱旋流，使煤气在圆周方向分布趋于均匀；
煤气从整流室上段(10)向整流室下段(11)流动进入空气涡旋内，在空气涡旋负压引射作用下，空气裹挟着煤气一同向喉口(13)流动，由于下层煤气喷口(8)的径向煤气流与空气涡旋的旋转气流流动方向不同，并且空气流速大于煤气流速，在流向差和和速度差作用下，一次空气喷口(1)空气与下层煤气喷口(8)煤气发生剧烈扩散、掺混、并开始燃烧，由于空气涡旋的引射作用，在极低的煤气压力下即可顺利进行混合与燃烧；
掺混的空气与煤气与燃烧产生的部分烟气混合物依次流经喉口收缩段(12)、喉口(13)，被喉口(13)压缩，空气和煤气混合得到强化。
喉口导流槽(14)使来自整流室旋流气体混合物的旋流度得到进一步强化，生成火焰从喉口(13)喷出进入燃烧室(15)时气流分布更均匀；喉口导流槽(14)呈螺旋形布置的凸台对流经喉口(13)的气流起到扰动作用，加强了煤气与空气的混合效果，使煤气燃烧更彻底。