專利名稱：無焰燃燒組織結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)的無焰燃燒室的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室 的無焰燃燒組織結(jié)構(gòu)，以及實(shí)現(xiàn)該無焰燃燒組織結(jié)構(gòu)的無焰燃燒室。
背景技術(shù)：
目前我國以煤為主的能源結(jié)構(gòu)所帶來的環(huán)保問題己經(jīng)面臨越來越大 的國際壓力，急需潔凈煤技術(shù)的突破和創(chuàng)新。以先進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)為核心的整
體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)、煤炭聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)、煤直接制氫發(fā)電系統(tǒng)等高效 熱-功轉(zhuǎn)換過程由于在效率、經(jīng)濟(jì)競爭力、污染物排放控制、尤其在co2 減排等多方面的巨大發(fā)展?jié)摿Γ俏磥碇髁靼l(fā)電技術(shù)的重要組成部分。這 些系統(tǒng)中動(dòng)力生產(chǎn)核心單元——燃?xì)廨啓C(jī)的燃料均為中低熱值富氫燃料， 因此發(fā)展針對(duì)富氫燃料的超低污染燃燒技術(shù)是以燃?xì)廨啓C(jī)為核心的先進(jìn) 動(dòng)力循環(huán)應(yīng)用的基礎(chǔ)技術(shù)之一。
目前燃?xì)廨啓C(jī)低NOx燃燒技術(shù)主要包括稀釋擴(kuò)散燃燒、貧燃料預(yù)混、 富態(tài)一急冷一貧態(tài)(Rich-bum, Quick-quench, Lean burn, RQL)燃燒、催化 燃燒等。
稀釋擴(kuò)散燃燒技術(shù)是廣泛應(yīng)用于重型燃?xì)廨啓C(jī)的針對(duì)中低熱值富氫 燃料的低NOx燃燒技術(shù)。其特點(diǎn)就是采用惰性氣體稀釋富氫燃料，降低燃 料熱值；或稀釋空氣，降低燃燒時(shí)的氧濃度，達(dá)到降低擴(kuò)散燃燒絕熱火焰 溫度來降低NOx排放的目的。在IGCC系統(tǒng)中，采用空分產(chǎn)生的高壓N2 作為富氫燃料的稀釋劑具有節(jié)省投資、回收壓力勢(shì)能的特點(diǎn)。GE公司中 低熱值燃料氣擴(kuò)散稀釋燃燒室能夠使用的燃料氣的熱值范圍從5MJ/Nm3 到12MJ/Nm3， NOx排放水平普遍降低到40ppm((^15。/。O2)以下，個(gè)別采用 多噴嘴低噪聲燃燒室(Multi nozzle quiet combustor,MNQC)的機(jī)型甚至低 于10ppm(@15%O2)。但該技術(shù)很難獲得極低的NOx排放，因?yàn)檫^量稀釋 會(huì)導(dǎo)致燃燒不穩(wěn)定、燃燒室的CO和UHC排放增加，燃燒效率下降，如采用值班穩(wěn)燃技術(shù)，又增加了NOx排放，故稀釋擴(kuò)散燃燒技術(shù)很難達(dá)到下
一代燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)一步降低NOx排放到3ppm的要求。
貧燃料預(yù)混技術(shù)已經(jīng)在燃燒天然氣的燃?xì)廨啓C(jī)上得到了成功應(yīng)用，如
GE公司的F級(jí)和H級(jí)重型燃?xì)廨啓C(jī)，當(dāng)前的NOx排放水平可達(dá)到 25ppm(@15%02)，個(gè)別機(jī)型低于10ppm(@15°/。O2)。該技術(shù)存在的一個(gè)問 題就是容易產(chǎn)生熱聲振蕩和回火。為了獲得極低的NOx排放，就需要使燃 料在更貧的條件下燃燒，而這樣會(huì)更進(jìn)一步增強(qiáng)振蕩燃燒。對(duì)于富氫燃料 由于含有大量的H2， H2的高活性和高火焰?zhèn)鞑ニ俣葧?huì)使回火和熱聲振蕩 問題更加嚴(yán)重。因此現(xiàn)有的燃燒富氫燃料的商用燃?xì)廨啓C(jī)均未采用貧燃料 預(yù)混技術(shù)。
RQL燃燒技術(shù)最初是為了降低含氮(如NH3)燃料的NOx排放而提 出的，其特點(diǎn)是燃燒分為兩個(gè)區(qū)進(jìn)行，在富燃料區(qū)燃料中的氮大部分被轉(zhuǎn) 化為N2而不是NO，然后用空氣急冷，形成貧預(yù)混燃燒。近幾年來，該技 術(shù)的概念被進(jìn)一步發(fā)展為雙區(qū)燃燒模型，燃料分別進(jìn)入兩區(qū)，其中的點(diǎn)火 區(qū)位于主燃區(qū)旁邊，不隨負(fù)荷變動(dòng)，成為穩(wěn)定點(diǎn)火源?；谶@種概念的燃 燒室有TVC (Trap Vortex Combustor)， AVC (Advanced Vortex Combustor) 等，這類燃燒技術(shù)的特點(diǎn)是火焰穩(wěn)定，適應(yīng)較大的負(fù)荷變動(dòng)，NOx也可降 到lOppm以下，但是目前仍處于研究階段。
催化燃燒目前也仍然處于研究階段，存在燃燒室結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜和可靠 性差的問題。這種技術(shù)使得化學(xué)反應(yīng)可以在很低的溫度下進(jìn)行，因此避免 了高溫區(qū)，可以保證非常低的NOx排放水平。這種方法的主要缺點(diǎn)就是在 高溫條件下催化劑和有效反應(yīng)面的壽命有限，并且它們價(jià)格昂貴。

發(fā)明內(nèi)容
(一) 要解決的技術(shù)問題
有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于針對(duì)現(xiàn)有中低熱值富氫燃料低NOx 燃燒技術(shù)的不足，提供一種應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的無焰燃燒組織結(jié)構(gòu)， 以及實(shí)現(xiàn)該無焰燃燒組織結(jié)構(gòu)的無焰燃燒室，以實(shí)現(xiàn)無焰燃燒，達(dá)到燃?xì)?輪機(jī)燃燒室的極低污染排放與穩(wěn)定燃燒。
(二) 技術(shù)方案為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的無焰燃 燒組織結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在筒形燃燒室的一端環(huán)形均勻布置多個(gè)同軸射流噴 嘴，且在該環(huán)形均勻布置的多個(gè)射流噴嘴的中心布置筒形回流結(jié)構(gòu)，筒形 燃燒室中無二次空氣參與燃燒，參與反應(yīng)的空氣從筒形燃燒室布置射流噴 嘴的一端進(jìn)入，利用環(huán)形均勻布置的噴嘴與中心布置的筒形回流結(jié)構(gòu)之間 的位置關(guān)系，形成大量的回流高溫?zé)煔馀c新鮮空氣摻混，提高空氣的溫度 并且對(duì)空氣進(jìn)行稀釋，該經(jīng)稀釋的高溫空氣遇到燃料發(fā)生自燃，形成高度 分散反應(yīng)區(qū)，在燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室中實(shí)現(xiàn)無焰燃燒。
上述方案中，空氣與燃料通過多個(gè)同軸射流噴嘴高速射入燃燒室中， 不采用空氣旋流器與燃料旋流器，保證射流穿透深度，使反應(yīng)物高速射流 入筒形燃燒室的燃燒區(qū)域。
上述方案中，利用環(huán)形均勻布置的噴嘴與筒形回流結(jié)構(gòu)之間的相對(duì)位 置關(guān)系，反應(yīng)結(jié)束后高溫?zé)煔庋赝残稳紵业闹行木€回流，并且在空氣進(jìn) 入筒形燃燒室空氣入口附近沿徑向向外擴(kuò)散，與反應(yīng)物發(fā)生摻混。
上述方案中，由于筒形回流結(jié)構(gòu)存在，火焰穩(wěn)定在距離噴嘴一定距離 的區(qū)域，具體距離大小取決于射流速度以及燃料氣的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣取?br> 上述方案中，火焰區(qū)域?yàn)檎w式分布火焰，不存在明顯火焰鋒面，沒 有明顯高溫區(qū)域，不需要采取二次空氣的設(shè)計(jì)，參與反應(yīng)的空氣全部從筒 形燃燒室布置射流噴嘴的一端進(jìn)入。
本發(fā)明還提供了一種實(shí)現(xiàn)無焰燃燒組織結(jié)構(gòu)的無焰燃燒室，該無焰燃 燒室包括
位于該無焰燃燒室一端用于提供燃料的可拆卸的燃料氣室； 與該燃料氣室固定連接的空氣氣室；
末端位于燃料氣室，前端位于筒形燃燒室，且貫穿該空氣氣室、環(huán)形
均勻布置的多個(gè)同軸射流噴嘴；
在該環(huán)形均勻布置的多個(gè)射流噴嘴的中心布置的筒形回流結(jié)構(gòu)； 與該空氣氣室固定連接的筒形燃燒室；
用于設(shè)計(jì)空氣摻混孔，研究摻混空氣對(duì)于出口流場的影響，并與該筒 形燃燒室固定連接的尾部摻混段。
上述方案中，所述筒形燃燒室采用雙層火焰筒結(jié)構(gòu)，該雙層火焰筒結(jié)構(gòu)內(nèi)部為反應(yīng)區(qū)，兩層之間為空氣通道，起冷卻作用。
上述方案中，所述筒形回流結(jié)構(gòu)可更換，用以控制筒形燃燒室內(nèi)回流 量以及回流區(qū)域大小。
上述方案中，所述同軸射流噴嘴為12個(gè)，內(nèi)徑等于12mm，均勻分布 在筒形回流結(jié)構(gòu)周圍，安放位置在筒形燃燒室一端，距離筒形燃燒室中心 線38mm處。
上述方案中，所述同軸射流噴嘴為預(yù)混噴嘴或擴(kuò)散噴嘴，預(yù)混噴嘴頭 部封閉長管壁面開孔，燃料氣在空氣氣室與空氣摻混；擴(kuò)散噴嘴為同軸射 流形式，頭部開孔長管壁面封閉，頭部留5mm與射流空氣摻混然后高速 進(jìn)入筒形燃燒室。
上述方案中，所述筒形回流結(jié)構(gòu)可更換，利用筒形燃燒室的火焰筒蓋 板與空氣氣室之間的間隙固定，無需焊接，該筒形回流結(jié)構(gòu)頭部回流區(qū)域 內(nèi)徑O50mm，長度分別為30mm、 50mm、 70mm。
上述方案中，空氣從筒形燃燒室后部通過四個(gè)孔進(jìn)入雙層火焰筒結(jié)構(gòu) 之間，經(jīng)過雙層火焰筒結(jié)構(gòu)內(nèi)外壁之間的火焰筒區(qū)域后通過槽型結(jié)構(gòu)進(jìn)入 空氣室，然后通過環(huán)形孔板對(duì)伸入空氣室中的頭部回流區(qū)結(jié)構(gòu)進(jìn)行沖擊冷 卻，通過空氣噴嘴進(jìn)入筒形燃燒室。
(三)有益效果 從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果
1、 本發(fā)明提出了在筒形燃燒室入口周圍均布噴嘴、燃燒室頭部安置 中心筒狀回流區(qū)的燃燒組織結(jié)構(gòu)，并且提出模型燃燒室加以結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。模 型燃燒室除可更換頭部回流區(qū)域結(jié)構(gòu)外，火焰筒中間部分使用雙層火焰筒 結(jié)構(gòu)并利用逆流空氣加以冷卻，燃料噴嘴采用擴(kuò)散/預(yù)混可更換噴嘴結(jié)構(gòu)。 通過該組織結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)的燃燒室，有效的實(shí)現(xiàn)無焰燃燒，從而達(dá)到 燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的極低污染排放與穩(wěn)定燃燒。
2、 本發(fā)明為燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室中低熱值富氫燃料的燃燒提出了有效的 解決方案，具有高穩(wěn)定性，極低污染的特點(diǎn)。同時(shí)避免了目前主流低污染 燃燒方式應(yīng)用在中低熱值富氫燃料上的不足，是一種新型的燃燒室的燃燒 組織形式及其結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。3、本發(fā)明由于采用高射流速度，因此避免了預(yù)混燃燒的回火問題； 由于采用整體式燃燒，也避免了熱聲振蕩問題。


圖1是流體在模型燃燒室中的流動(dòng)過程示意圖2是無焰燃燒室三維半剖視圖3是無焰模型燃燒室后部視圖4是可更換頭部回流結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖5是空氣氣室結(jié)構(gòu)示意圖6是燃料氣氣室結(jié)構(gòu)示意圖7是可更換燃料噴嘴結(jié)構(gòu)的示意圖8是本發(fā)明擴(kuò)散方案計(jì)算結(jié)構(gòu)圖9是本發(fā)明預(yù)混方案計(jì)算結(jié)構(gòu)圖IO是本發(fā)明擴(kuò)散噴嘴沿軸向速度分布圖11是本發(fā)明預(yù)混噴嘴沿軸向速度分布圖12是本發(fā)明高溫?zé)煔饣亓髑闆r頭部溫度染色跡線分布圖13是擴(kuò)散噴嘴結(jié)構(gòu)溫度分布截面分布圖14是預(yù)混噴嘴結(jié)構(gòu)溫度分布截面分布圖。
具體實(shí)施例方式
首先，對(duì)無焰燃燒進(jìn)行詳細(xì)介紹。
無焰燃燒是一種興起于90年代的，在高溫、低氧濃度、低燃料空氣 當(dāng)量比條件下產(chǎn)生不可見火焰的燃燒技術(shù)。這種技術(shù)是采用大量回流的高 溫?zé)煔馀c新鮮的空氣摻混， 一方面要提高空氣的溫度使之超過燃料的自點(diǎn) 燃溫度，另一方面達(dá)到稀釋氧化劑、降低氧濃度的目的，這種經(jīng)過稀釋的 高溫空氣遇到燃料后使燃料發(fā)生自燃。由于這時(shí)燃燒反應(yīng)是在一定的空間 范圍內(nèi)同時(shí)發(fā)生的，形成高度分散的反應(yīng)區(qū)，不存在象擴(kuò)散燃燒或者預(yù)混 燃燒那樣明顯的火焰鋒面。雖然與煙氣摻混后的空氣溫度很高，但是由于 稀釋后氧氣濃度很低，因此得到的火焰溫度很低。只要通過調(diào)整煙氣的回 流比使得火焰溫度低于1800K，就可以獲得極低的NOx排放。采用無焰燃燒技術(shù)時(shí)，可以使得燃料和空氣分別供入燃燒室，并且可 以采用很高的燃料射流速度，因此不會(huì)發(fā)生回火；在無焰燃燒形成的這種 高度分散反應(yīng)區(qū)內(nèi)不存在火焰?zhèn)鞑ミ^程，因此幾乎不會(huì)發(fā)生熱聲振蕩問 題。無焰燃燒的這些特點(diǎn)特別適合于燃燒富氫燃料，不但可以獲得很低的 NOx排放，還可以解決回火和熱聲振蕩問題。
無焰燃燒還具有高度火焰穩(wěn)定性，不需要采用旋流器或者鈍體等穩(wěn)焰
技術(shù)，即使在很低的02濃度和當(dāng)量比條件下也可以穩(wěn)定燃燒。此外，無
焰燃燒還具有很高的燃燒效率，這又使得無焰燃燒也可以應(yīng)用于極低熱值 的燃料，解決火焰穩(wěn)定和燃燒效率低等問題。
相比于背景部分提到的燃燒技術(shù)，無焰燃燒技術(shù)在富氫燃料燃燒上有
如下的優(yōu)勢(shì)
1、 不需要額外的輔助設(shè)備或者其他供給(催化燃燒或稀釋燃燒)，這 樣燃燒室有更高的可靠性。
2、 與分級(jí)燃燒相比，實(shí)現(xiàn)無焰燃燒技術(shù)的結(jié)構(gòu)簡單，而且NOx排放
在更低的水平，原因在于無焰燃燒技術(shù)只有一個(gè)簡單的利用流動(dòng)空氣燃燒
區(qū)域，并沒有產(chǎn)生大量NC^的值班預(yù)混火焰
3、 擁有更好的安全性，避免了回火與熱聲振蕩問題(貧預(yù)混燃燒)。
4、 不需要在物理結(jié)構(gòu)上分成富-貧兩個(gè)區(qū)(RQL)，它也不需要專門冷卻。
為了達(dá)到上述目的，形成無焰燃燒，本發(fā)明提出了通過在筒形燃燒室 布置噴嘴的一端增加回流區(qū)域結(jié)構(gòu)，在該回流區(qū)域結(jié)構(gòu)周圍均勻布置同軸 射流噴嘴，形成高溫?zé)煔鈨?nèi)部中心回流，使高溫?zé)煔馀c未燃新鮮產(chǎn)物相互 摻混，形成無焰燃燒的燃燒組織結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明提供的這種應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的無焰燃燒組織結(jié)構(gòu)，在筒 形燃燒室的一端環(huán)形均勻布置多個(gè)同軸射流噴嘴，且在該環(huán)形均勻布置的 多個(gè)射流噴嘴的中心布置筒形回流結(jié)構(gòu)，筒形燃燒室中無二次空氣參與燃 燒，參與反應(yīng)的空氣從筒形燃燒室布置射流噴嘴的一端進(jìn)入，利用環(huán)形均 勻布置的噴嘴與中心布置的筒形回流結(jié)構(gòu)之間的位置關(guān)系，形成大量的回 流高溫?zé)煔馀c新鮮空氣摻混，提高空氣的溫度并且對(duì)空氣進(jìn)行稀釋，該經(jīng) 稀釋的高溫空氣遇到燃料發(fā)生自燃，形成高度分散反應(yīng)區(qū)，在燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室中實(shí)現(xiàn)無焰燃燒。
在本發(fā)明提供的這種應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的無焰燃燒組織結(jié)構(gòu)中， 空氣與燃料通過多個(gè)同軸射流噴嘴高速射入燃燒室中，不采用空氣旋流器 與燃料旋流器，保證射流穿透深度，使反應(yīng)物高速射流入筒形燃燒室的燃 燒區(qū)域。
在本發(fā)明提供的這種應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的無焰燃燒組織結(jié)構(gòu)中， 利用環(huán)形均勻布置的噴嘴與筒形回流結(jié)構(gòu)之間的相對(duì)位置關(guān)系，反應(yīng)結(jié)束 后高溫?zé)煔庋赝残稳紵业闹行木€回流，并且在空氣進(jìn)入筒形燃燒室空氣 入口附近沿徑向向外擴(kuò)散，與反應(yīng)物發(fā)生摻混。
在本發(fā)明提供的這種應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的無焰燃燒組織結(jié)構(gòu)中， 由于筒形回流結(jié)構(gòu)存在，火焰穩(wěn)定在距離噴嘴一定距離的區(qū)域，具體距離 大小取決于射流速度以及燃料氣的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣取?br> 在本發(fā)明提供的這種應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的無焰燃燒組織結(jié)構(gòu)中， 火焰區(qū)域?yàn)檎w式分布火焰，不存在明顯火焰鋒面，沒有明顯高溫區(qū)域， 不需要采取二次空氣的設(shè)計(jì)，參與反應(yīng)的空氣全部從筒形燃燒室布置射流 噴嘴的一端進(jìn)入。
本發(fā)明還提供了一種實(shí)現(xiàn)上述無焰燃燒組織結(jié)構(gòu)的無焰燃燒室，該無 焰燃燒室包括
位于該無焰燃燒室一端用于提供燃料的可拆卸的燃料氣室； 與該燃料氣室固定連接的空氣氣室；
末端位于燃料氣室，前端位于筒形燃燒室，且貫穿該空氣氣室、環(huán)形
均勻布置的多個(gè)同軸射流噴嘴；
在該環(huán)形均勻布置的多個(gè)射流噴嘴的中心布置的筒形回流結(jié)構(gòu)； 與該空氣氣室固定連接的筒形燃燒室；
用于設(shè)計(jì)空氣摻混孔，研究摻混空氣對(duì)于出口流場的影響，并與該筒 形燃燒室固定連接的尾部摻混段。
該無焰燃燒室考慮了與其他燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行配合的情況，空氣從筒形燃 燒室后部通過四個(gè)孔進(jìn)入雙層火焰筒結(jié)構(gòu)之間，經(jīng)過雙層內(nèi)外壁之間的火 焰筒區(qū)域后通過槽型結(jié)構(gòu)進(jìn)入空氣室，然后通過環(huán)形孔板對(duì)伸入空氣室中 的頭部回流區(qū)結(jié)構(gòu)進(jìn)行沖擊冷卻，通過空氣噴嘴進(jìn)入筒形燃燒室。該逆流式空氣的作用主要包括1)對(duì)主燃區(qū)進(jìn)行冷卻；2)使進(jìn)入空氣室內(nèi)空氣流 場更為均勻。
空氣氣室中安置環(huán)形孔板，從套管中進(jìn)入的空氣穿過空氣氣室頭部孔 板，在空氣氣室中穿過環(huán)形孔板對(duì)伸入空氣氣室中的頭部回流區(qū)結(jié)構(gòu)進(jìn)行 沖擊冷卻。
所述筒形燃燒室采用雙層火焰筒結(jié)構(gòu)(該雙層火焰筒結(jié)構(gòu)也可以稱為 雙層火焰筒結(jié)構(gòu))，該雙層火焰筒結(jié)構(gòu)內(nèi)部為反應(yīng)區(qū)，兩層之間為空氣通
道，起冷卻作用。雙層火焰筒結(jié)構(gòu)中，外層套管的內(nèi)徑為146mm，內(nèi)層套 管的內(nèi)徑為100mm。所述同軸射流噴嘴一般為12個(gè)，也可以為多個(gè)。同 軸射流噴嘴的內(nèi)徑等于12mm，均勻分布在筒形回流結(jié)構(gòu)周圍，安放位置 在筒形燃燒室一端，距離筒形燃燒室中心線38mm處。該同軸射流噴嘴可 以為預(yù)混噴嘴或擴(kuò)散噴嘴，預(yù)混噴嘴頭部封閉長管壁面開孔，燃料氣在空 氣氣室與空氣摻混；擴(kuò)散噴嘴為同軸射流形式，頭部開孔長管壁面封閉， 頭部留5mm與射流空氣摻混然后高速進(jìn)入筒形燃燒室。
在筒形燃燒室內(nèi)，空氣通過環(huán)布12個(gè)噴管高速射入筒形燃燒室中， 火焰筒頭部中心是一個(gè)筒形回流區(qū)域結(jié)構(gòu)，由于筒形回流區(qū)域的存在，反 應(yīng)產(chǎn)物從中心回流，在噴嘴附近摻混入未燃反應(yīng)物中，使其達(dá)到燃料自點(diǎn) 火溫度。稀釋高溫的反應(yīng)物經(jīng)過燃料的自點(diǎn)火延遲時(shí)間后，在燃燒室后部 形成無明顯火焰鋒面的均勻布置式燃燒。
所述筒形回流結(jié)構(gòu)可更換，用以控制筒形燃燒室內(nèi)回流量以及回流區(qū) 域大小，不同長度的頭部回流區(qū)結(jié)構(gòu)可以改變回流摻混量，從而在控制回 流區(qū)的大小。該筒形回流結(jié)構(gòu)利用筒形燃燒室的火焰筒蓋板與空氣氣室之 間的間隙固定，無需焊接，該筒形回流結(jié)構(gòu)頭部回流區(qū)域內(nèi)徑O50mm， 長度分別為30mm、 50mm、 70mm。
燃料噴嘴可以更換，從而分別進(jìn)行噴嘴出口處燃料與空氣均勻摻混 (預(yù)混燃燒)，燃料與空氣部分摻混(擴(kuò)散燃燒)在主反應(yīng)區(qū)內(nèi)不同的無 焰燃燒實(shí)驗(yàn)。
以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。 圖1是流體在模型燃燒室中的流動(dòng)過程示意圖。5為筒形燃燒室的火 焰筒輪廓，與傳統(tǒng)火焰筒不同的是，頭部存在筒形回流區(qū)域結(jié)構(gòu)，噴嘴環(huán)形均勻布置在頭部筒形回流區(qū)域周圍。1為空氣流動(dòng)軌跡，逆流空氣首先 對(duì)燃燒室壁面進(jìn)行冷卻后進(jìn)入火焰筒；2為燃料流動(dòng)軌跡，燃料與空氣在 同一位置進(jìn)入火焰筒，燃料與空氣進(jìn)入火焰筒的方式可以用預(yù)混方式，可 以采用擴(kuò)散方式，這些均對(duì)無焰燃燒組織結(jié)構(gòu)無影響。3為燃燒室內(nèi)主流
燃?xì)獾牧鲃?dòng)軌跡，4為回流燃?xì)獾牧鲃?dòng)軌跡，回流燃?xì)庠谌肟诟浇帗交?軌跡3中，形成高溫的貧燃料的混合氣，經(jīng)過一段距離后，在4軌跡的開 端形成無焰燃燒。
圖2為無焰燃燒室三維半剖示意圖。模型燃燒室主要由四個(gè)部分組成
8為可拆卸燃料氣室；7為空氣氣室，23燃料噴嘴穿過8進(jìn)入7中；6為 火焰筒部分，空氣通過火焰筒部分6的雙層火焰筒結(jié)構(gòu)進(jìn)入空氣氣室7中，
然后在進(jìn)入火焰筒部分6的內(nèi)層套管中；9為摻混段，設(shè)計(jì)空氣摻混孔，
可以研究摻混空氣對(duì)于出口流場的影響。
圖3為無焰模型燃燒室后部視圖，火焰筒由三個(gè)部分組成，ll為外層 管壁，內(nèi)徑為146mm; 12為內(nèi)層管壁，內(nèi)徑為100mm; 13為火焰筒頭部 蓋板；空氣從標(biāo)號(hào)10所示的4個(gè)孔中進(jìn)入筒形燃燒室，孔直徑O10mm。
圖4為可更換頭部回流結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。14為筒形回流結(jié)構(gòu)。筒 形回流結(jié)構(gòu)14可以更換，長度分別為30mm， 50mm， 70mm。筒形回流 結(jié)構(gòu)14被火焰筒頭部蓋板13與空氣氣室頭部蓋板15夾在中間，不采用 焊接工藝。
圖5為空氣氣室的結(jié)構(gòu)示意圖，空氣氣室采用不銹鋼材料，氬弧焊接。 空氣氣室由空氣氣室頭部蓋板15、空氣氣室后部蓋板16、空氣氣室外壁 17、沖擊冷卻孔板18與空氣噴嘴19組成?？諝鈴目諝鈿馐翌^部蓋板15 進(jìn)入后，通過孔板18對(duì)筒形回流結(jié)構(gòu)14進(jìn)行沖擊冷卻，然后通過空氣噴 嘴19進(jìn)入火焰筒部分6中。
圖6為燃料氣室的結(jié)構(gòu)示意圖，燃料氣室主要由燃料氣室蓋板21，燃 料氣室外壁面20，燃料氣室內(nèi)壁面22組成。其中，燃料氣室外壁面20 上開有6個(gè)螺紋孔，用來與空氣氣室7固定，整個(gè)燃料氣室可以拆卸更換。
圖7為可更換噴嘴結(jié)構(gòu)的示意圖，23為可更換燃料噴嘴。如果采用 擴(kuò)散方案，噴嘴23的長管壁面封閉，頭部開孔；如果采用預(yù)混方案，噴 嘴23的長管壁面開一系列小孔，頭部封死。這樣燃料在空氣氣室7中與混氣室。
應(yīng)用本發(fā)明方法的無焰燃燒CFD模擬結(jié)果為了檢驗(yàn)該發(fā)明的設(shè)計(jì) 成果，分別對(duì)該燃燒室在擴(kuò)散與預(yù)混兩種工況進(jìn)行了數(shù)值模擬，為了節(jié)約 計(jì)算成本，計(jì)算無焰燃燒室的1/12，采用周期性邊界條件，這樣仍然可以
模擬整個(gè)燃燒室的工作情況。
圖8、圖9分別是本發(fā)明擴(kuò)散結(jié)構(gòu)、預(yù)混結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)構(gòu)示意圖。24 為燃料氣入口， 25為空氣入口， 27為預(yù)混氣入口， 26與28為計(jì)算域。計(jì) 算域26與28的側(cè)壁面采用周期性邊界條件。數(shù)值模擬與本發(fā)明尺寸結(jié)構(gòu) 比例為1: 1。
圖10、圖11分別為兩種噴嘴情況下軸向速度分布等值線剖面圖，可 以看到，由于頭部回流結(jié)構(gòu)的存在，中心產(chǎn)生了明顯的回流區(qū)域，在這個(gè) 區(qū)域中，高溫?zé)煔饣亓鞯絿娮旄浇?，與未燃的新鮮產(chǎn)物相互摻混達(dá)到著火 溫度從而實(shí)現(xiàn)無焰燃燒。
圖12是本發(fā)明高溫?zé)煔饣亓髑闆r頭部溫度染色跡線分布圖，用于表 面為噴嘴附近的流體跡線分布，可以看到煙氣回流在噴嘴出口附近與未燃 的混合物發(fā)生了摻混現(xiàn)象，這說明，本發(fā)明提出的結(jié)構(gòu)可以有效的實(shí)現(xiàn)無 焰燃燒。
圖13、圖14為兩種噴嘴方案下的軸向溫度分布剖面圖?？梢钥吹?， 溫度分布與擴(kuò)散燃燒預(yù)混燃燒明顯不同，火焰產(chǎn)生了抬升現(xiàn)象，并且形成 了整體式火焰，最高溫度也有所下降。
本發(fā)明還計(jì)算了污染物的情況，經(jīng)過計(jì)算，不論擴(kuò)散噴嘴方案，預(yù)混 噴嘴方案，NOx排放均在10ppm以下，低于擴(kuò)散燃燒形式。同時(shí)由于高射 流速度，也避免了預(yù)混燃燒的回火問題；由于是整體式燃燒，也避免了熱 聲振蕩問題。
綜上所述，本發(fā)明為燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室中低熱值富氫燃料的燃燒提出了 有效的解決方案，具有高穩(wěn)定性，極低污染的特點(diǎn)。同時(shí)避免了目前主流 低污染燃燒方式應(yīng)用在中低熱值富氫燃料上的不足，是一種新型的燃燒室 的燃燒組織結(jié)構(gòu)及其結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。
以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行 了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修 改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。 ^
權(quán)利要求
1、一種應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的無焰燃燒組織結(jié)構(gòu)，其特征在于，該結(jié)構(gòu)在筒形燃燒室的一端環(huán)形均勻布置多個(gè)同軸射流噴嘴，且在該環(huán)形均勻布置的多個(gè)射流噴嘴的中心布置筒形回流結(jié)構(gòu)，筒形燃燒室中無二次空氣參與燃燒，參與反應(yīng)的空氣從筒形燃燒室布置射流噴嘴的一端進(jìn)入，利用環(huán)形均勻布置的噴嘴與中心布置的筒形回流結(jié)構(gòu)之間的位置關(guān)系，形成大量的回流高溫?zé)煔馀c新鮮空氣摻混，提高空氣的溫度并且對(duì)空氣進(jìn)行稀釋，該經(jīng)稀釋的高溫空氣遇到燃料發(fā)生自燃，形成高度分散反應(yīng)區(qū)，在燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室中實(shí)現(xiàn)無焰燃燒。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的無焰燃燒組織結(jié)構(gòu)，其特征在于，空氣與燃料通過多個(gè)同軸射流噴嘴高速射入燃燒室中， 不采用空氣旋流器與燃料旋流器，保證射流穿透深度，使反應(yīng)物高速射流 入筒形燃燒室的燃燒區(qū)域。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的無焰燃燒組織結(jié) 構(gòu)，其特征在于，利用環(huán)形均勻布置的噴嘴與筒形回流結(jié)構(gòu)之間的相對(duì)位 置關(guān)系，反應(yīng)結(jié)束后高溫?zé)煔庋赝残稳紵业闹行木€回流，并且在空氣進(jìn) 入筒形燃燒室空氣入口附近沿徑向向外擴(kuò)散，與反應(yīng)物發(fā)生摻混。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的無焰燃燒組織結(jié) 構(gòu)，其特征在于，由于筒形回流結(jié)構(gòu)存在，火焰穩(wěn)定在距離噴嘴一定距離 的區(qū)域，具體距離大小取決于射流速度以及燃料氣的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣取?br> 5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的無焰燃燒組織結(jié) 構(gòu)，其特征在于，火焰區(qū)域?yàn)檎w式分布火焰，不存在明顯火焰鋒面，沒 有明顯高溫區(qū)域，不需要采取二次空氣的設(shè)計(jì)，參與反應(yīng)的空氣全部從筒 形燃燒室布置射流噴嘴的一端進(jìn)入。
6、 一種實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述無焰燃燒組織結(jié)構(gòu)的無焰燃燒室，其特 征在于，該無焰燃燒室包括位于該無焰燃燒室一端用于提供燃料的可拆卸的燃料氣室； 與該燃料氣室固定連接的空氣氣室；末端位于燃料氣室，前端位于筒形燃燒室，且貫穿該空氣氣室、環(huán)形均勻布置的多個(gè)同軸射流噴嘴；在該環(huán)形均勻布置的多個(gè)射流噴嘴的中心布置的筒形回流結(jié)構(gòu)； 與該空氣氣室固定連接的筒形燃燒室；用于設(shè)計(jì)空氣摻混孔，研究摻混空氣對(duì)于出口流場的影響，并與該筒 形燃燒室固定連接的尾部摻混段。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的無焰燃燒室，其特征在于，所述筒形燃燒 室采用雙層火焰筒結(jié)構(gòu)，該雙層火焰筒結(jié)構(gòu)內(nèi)部為反應(yīng)區(qū)，兩層之間為空 氣通道，起冷卻作用。
8、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的無焰燃燒室，其特征在于，所述筒形回流 結(jié)構(gòu)可更換，用以控制筒形燃燒室內(nèi)回流量以及回流區(qū)域大小。
9、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的無焰燃燒室，其特征在于，所述同軸射流 噴嘴為12個(gè)，內(nèi)徑等于12mm，均勻分布在筒形回流結(jié)構(gòu)周圍，安放位置 在筒形燃燒室一端，距離筒形燃燒室中心線38mm處。
10、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的無焰燃燒室，其特征在于，所述同軸射流 噴嘴為預(yù)混噴嘴或擴(kuò)散噴嘴，預(yù)混噴嘴頭部封閉長管壁面開孔，燃料氣在 空氣氣室與空氣摻混；擴(kuò)散噴嘴為同軸射流形式，頭部開孔長管壁面封閉， 頭部留5mm與射流空氣摻混然后高速進(jìn)入筒形燃燒室。
11、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的無焰燃燒室，其特征在于，所述筒形回流 結(jié)構(gòu)可更換，利用筒形燃燒室的火焰筒蓋板與空氣氣室之間的間隙固定， 無需焊接，該筒形回流結(jié)構(gòu)頭部回流區(qū)域內(nèi)徑O50mm，長度分別為30mm、 50mm、 70mm。
12、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的無焰燃燒室，其特征在于，空氣從筒形燃 燒室后部通過四個(gè)孔進(jìn)入雙層火焰筒結(jié)構(gòu)之間，經(jīng)過雙層火焰筒結(jié)構(gòu)內(nèi)外 壁之間的火焰筒區(qū)域后通過槽型結(jié)構(gòu)進(jìn)入空氣室，然后通過環(huán)形孔板對(duì)伸 入空氣室中的頭部回流區(qū)結(jié)構(gòu)進(jìn)行沖擊冷卻，通過空氣噴嘴進(jìn)入筒形燃燒 室。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的無焰燃燒組織結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在筒形燃燒室的一端環(huán)形均勻布置多個(gè)同軸射流噴嘴，且在該環(huán)形均勻布置的多個(gè)射流噴嘴的中心布置筒形回流結(jié)構(gòu)，筒形燃燒室中無二次空氣參與燃燒，參與反應(yīng)的空氣從筒形燃燒室布置射流噴嘴的一端進(jìn)入，利用環(huán)形均勻布置的噴嘴與中心布置的筒形回流結(jié)構(gòu)之間的位置關(guān)系，形成大量的回流高溫?zé)煔馀c新鮮空氣摻混，提高空氣的溫度并且對(duì)空氣進(jìn)行稀釋，該經(jīng)稀釋的高溫空氣遇到燃料發(fā)生自燃，形成高度分散反應(yīng)區(qū)，在燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室中實(shí)現(xiàn)無焰燃燒。本發(fā)明同時(shí)公開了一種實(shí)現(xiàn)無焰燃燒組織結(jié)構(gòu)的無焰燃燒室。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)無焰燃燒，達(dá)到了燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的極低污染排放與穩(wěn)定燃燒。
文檔編號(hào)F23R3/28GK101625130SQ20081011637
公開日2010年1月13日 申請(qǐng)日期2008年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月9日
發(fā)明者煊 呂, 崔玉峰, 綱 徐, 聶超群 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院工程熱物理研究所