一种金属粉末凝相燃烧产物的分离装置与方法与流程

本发明属于金属粉末利用技术领域，尤其涉及一种金属粉末凝相燃烧产物的分离装置与方法。

背景技术：

与传统化石燃料及其他清洁能源相比，金属粉末燃料具有更高的体积能量密度，同时其燃烧生成的氧化物无毒、稳定，可实现金属凝相燃烧产物回收和利用，使得金属粉末燃料作为清洁能源具有非常大的发展潜力。

为了实现金属粉末燃料的循环利用，提出了金属粉末燃烧装置模型，该模型包括金属粉末燃料供给系统、燃烧室以及凝相产物分离收集系统。金属粉末燃烧装置中经分离得到的金属粉末凝相燃烧产物可经电解或其他方法进行还原，从而得到金属粉末燃料，实现金属粉末燃料的收集与循环利用。

在现有的气固分离技术中，常见的分离机理有重力沉降、惯性力分离、拦截分离、荷电分离等，此外还有依靠热泳力、扩散泳力、磁场力、声场力和辐射力等作用进行分离，人们还常常利用颗粒的凝聚特性、润湿特性来提高或达到分离的目的。但是，重力沉降室只能分离100μm以上的粗颗粒；旋风分离器对于捕获小于5μm颗粒效率较低，单个旋风分离器处理风量有一定的限制，且结构较大；静电分离适用于分离气固两相流中带有电荷的固体颗粒，且其设备庞大，不适用于含有高浓度固体颗粒的两相流；湿洗分离需要气体带有液雾，需在较低温度下使用，并且需要对庞大的废液进行回收及循环，其限制了湿洗分离的应用范围；过滤分离设备庞大，且不易排料清灰；磁分离技术主要用于分离气固两相流中带有磁性的固体颗粒；超声波分离技术对于粒径越小的颗粒，要求声频也越高，且对气体内颗粒浓度大小有一定要求。因此需要设计一种适合金属粉末燃烧装置的凝相产物分离装置，实现金属粉末燃料的高效循环利用。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种金属粉末凝相燃烧产物的分离装置，实现了金属凝相燃烧产物与高温燃气的分离。

本发明采用以下技术方案：一种金属粉末凝相燃烧产物的分离装置，包括：沿轴向一体连接、且相连通的燃烧室和分离段；燃烧室的前端用于与供粉系统管路连通。

上述分离段为一壳体形成的腔室，由前到后包括依次相连通的入口圆弧段、离心段和出口段；在入口圆弧段内，其上壁由前到后呈向下弯曲的圆弧壁面；在离心段内，其上下壁均为向下弯曲的圆弧状，以形成管体下壁凹陷的凹腔；在出口段，包括上下排列、且相互独立的分离段上出口和分离段下出口。

进一步地，燃烧室的内径为50mm，该入口圆弧段的圆弧的半径r＝145mm。

进一步地，该离心段的上下两最低点间的高度h＝25mm。

进一步地，该离心段的最低点与出口段的上下出口的分叉点间的水平距离l＝30mm。

进一步地，该分离段上出口由前到后向上倾斜。

进一步地，该供粉系统包括粉末储箱，粉末储箱的出粉端与燃烧室的前端相连通，在粉末储箱的出粉端还与流化气管路连通，用于携带金属颗粒进入燃烧室。

本发明公开了上述一种金属粉末凝相燃烧产物的分离方法，该分离方法如下：粉末储箱中的金属粉末和流化气均匀掺混，进入燃烧室，在燃烧室内燃烧，燃烧后生成的金属凝相燃烧产物与高温燃气进入分离段的入口圆弧段，碰撞入口圆弧段上壁，金属凝相燃烧产物由直行变为朝向离心段的下壁面的方向前进，高温燃气进入离心段；金属凝相燃烧产物进入离心段，在离心力的作用下，金属凝相燃烧产物向后端的分离段下出口前进，并流出；高温燃气由分离段上出口流出。

本发明的有益效果是：1.实现了金属粉末燃烧装置中金属凝相燃烧产物与高温燃气的分离，通过实验验证了该分离方式可以实现金属凝相燃烧产物80.3％的分离效率。2.该装置体型小，方便实验使用。

【附图说明】

图1为本发明一种金属粉末燃烧装置凝相产物分离装置的结构示意图；

图2为数值仿真模拟得到的金属凝相燃烧产物在分离段中的运动轨迹。

其中：1.流化气管路；2.喷注器；3.燃烧室；4.出口段；5.分离段上出口；6.粉末储箱；7.活塞；8.电机；9.等离子点火器；10.分离段；11.入口圆弧段；12.离心段；13.分离段下出口。

【具体实施方式】

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明实施例公开了一种金属粉末凝相燃烧产物的分离装置，如图1所示，包括：沿轴向一体连接、且相连通的燃烧室3和分离段10；燃烧室3的前端用于与供粉系统管路连通。

上述分离段10为一壳体形成的腔室，由前到后包括依次相连通的入口圆弧段11、离心段12和出口段4；在入口圆弧段11内，其上壁由前到后呈向下弯曲的圆弧壁面；在离心段12内，其上下壁均为向下弯曲的圆弧状，以形成管体下壁凹陷的凹腔；在出口段4，包括上下排列、且相互独立的分离段上出口5和分离段下出口13，分离段上出口5和分离段下出口13均为后端敞口的管状体，前端均与离心段12相连通。上述分离段上出口5由前到后向上倾斜。

优选地，燃烧室3的内径为50mm，入口圆弧段11的圆弧的半径r＝145mm。离心段12的上下两最低点间的高度h＝25mm。离心段12的最低点与出口段4的上下出口的分叉点间的水平距离l＝30mm。

上述供粉系统包括粉末储箱6，粉末储箱6的出粉端与燃烧室3的前端相连通，在粉末储箱6的出粉端还与流化气管路连通，用于携带金属颗粒进入燃烧室3。粉末储箱的底部同轴设置有活塞7，在粉末储箱外设置有电机8，电机8安装于活塞7的连接杆上。

本发明还公开了上述的一种金属粉末凝相燃烧产物的分离方法，该分离方法如下：如图2所示，粉末储箱6中的金属粉末和流化气1均匀掺混，进入燃烧室3，在燃烧室3内燃烧，燃烧后生成的金属凝相燃烧产物与高温燃气进入分离段1的入口圆弧段11，碰撞入口圆弧段11上壁，金属凝相燃烧产物由直行变为朝向离心段12的下壁面的方向前进，高温燃气进入离心段12；金属凝相燃烧产物进入离心段12，在离心力的作用下，金属凝相燃烧产物向后端的分离段下出口13前进，并流出；高温燃气由分离段上出口5流出。

分离段上出口5为高温燃气出气口，该出气口直接与其他装置相连，如斯特林机，用于驱动做功。分离段下出口13为金属凝相燃烧产物的出口，该出口直接与金属凝相燃烧产物收集装置相连。

该金属粉末凝相燃烧产物的分离装置的具体工作过程为：

金属粉末燃料6由电机驱动8与流化气1相遇，由流化气1携带至喷注器2，喷注进入燃烧室3，在燃烧室3经等离子点火器9点燃后实现自持燃烧，燃烧后产生的金属凝相燃烧产物与高温燃气经分离段来流入口进入入口圆弧段11，金属凝相燃烧产物与入口圆弧段11壁面发生碰撞反弹而改变运动轨迹，同时经离心段12离心作用后，高温燃气从分离段上出口流出，绝大多数金属凝相燃烧产物从分离段下出口13流出，从而实现金属凝相燃烧产物与高温燃气分离的作用。

为验证本发明中的装置和方法的使用效果，进行如下数值仿真模拟，采用本发明中的分离装置，数值仿真中给定金属凝相燃烧产物成分分别为fe、fe2o3、feo、fe3o4，颗粒最小粒径为0.003mm，最大粒径为0.11mm，平均粒径为0.04864mm，分布指数n为2.049，颗粒粒径数目为10；数值仿真中壁面设置为反弹壁面，切向反弹系数et多项式公式、法向反弹系数en多项式公式为：

et＝2.3661θ³-4.4071θ²+2.4851θ+0.1013；

en＝-1.2225θ³+4.5530θ²-5.5790θ+2.5266；

式中：θ为粒子入射时与壁面的夹角，单位为rad。

数值仿真模拟得到的金属凝相燃烧产物在分离段10中的运动轨迹如图2所示。由图可知，金属凝相燃烧产物在离心力以及惯性力的作用下，与壁面碰撞反弹后运动至分离段下出口13，从而实现金属凝相燃烧产物的收集；极少量金属凝相燃烧产物由高温燃气携带至分离段上出口5。该结果表明此种分离方式可以实现金属粉末燃烧装置中金属凝相燃烧产物与高温燃气的分离。经过多次模拟，

为验证本发明可以实现金属凝相燃烧产物的分离效果，开展了金属粉末凝相燃烧产物分离实验，实验中金属粉末燃料采用铁粉。分离段10的后端连接有收集段，收集段接入的目的主要为了对分离段10上下两出口的铁粉凝相燃烧产物分别进行收集，从而计算出该分离方式的分离效率。

实验时，流化气质量流量为1.9g/s，铁粉供给流量为1.98g/s。本发明中的装置，适用于粒径不小于20μm的金属颗粒。供粉系统提供的铁粉经流化腔内与流化气1相遇，并均匀掺混为气固两相流体，然后进入燃烧室3头部，与等离子点火器9引导火焰相遇，成功点火。燃烧后生成的金属凝相燃烧产物与高温燃气进入分离段10进行分离，经收集段实现铁粉凝相燃烧产物的收集。实验结束后对实验数据进行处理，实验数据如表1所示，由表可知，进入收集系统中的铁粉凝相燃烧产物在离心力、惯性力的作用下，与分离段10内壁面经过多次反弹后，绝大多数的铁粉凝相燃烧产物进入分离段下出口13，从而流向下出口收集段，实现铁粉凝相燃烧产物的收集；极少量的铁粉凝相燃烧产物进入分离段上出口5。由实验结果可知，分离段10内存在少量的沉积，这主要是由于分离段10内的石墨元件在加工过程中为上下两段拼接而成，拼接处存在一定的缝隙，铁粉凝相燃烧产物在分离段内运动时会镶嵌在拼接的缝隙中，同时极少量的铁粉凝相燃烧产物会粘附在石墨内壁面，最终使得分离段10内存在少量的沉积。

表1实验数据

本发明采用如下所示的公式计算金属凝相燃烧产物的收集效率，最终计算出的铁粉凝相燃烧产物收集效率为80.3％，说明该金属粉末燃烧装置中的分离方式可以实现金属凝相燃烧产物80.3％的分离效率。计算如下；