一种双锥旋流预混燃烧器
技术领域
本申请涉及一种双锥旋流预混燃烧器，适用于燃烧领域。
背景技术
中国专利申请201120255737.X公开了一种蓄热式燃烧专用燃料烧嘴，包括燃料喷管，其中所述燃料喷管的外部装有冷风风套，冷风风套与燃料喷管之间具有间隙形成冷风风道，冷风风套上固定冷风管，冷风管与冷风风套相通，冷风风道的一端是密封的。该烧嘴的结构和功能比较简单，空气和燃料的混合不够充分，而且喷出的火焰速度不高，不适用于高速和高温燃烧的情形。
中国专利申请201611138901.2公开了一种燃气燃烧器用喷嘴，包括喷嘴本体，喷嘴本体包括均为中空状的喷头和容纳筒，喷头与容纳筒的一端可拆卸式密封连接，容纳筒内设有周身布有出气孔的引料管，容纳筒的侧面设有空气进口管，引料管的管身上设有连接端子，引料管通过连接端子与容纳筒的另一端密封固定连接，容纳筒内的引料管与容纳筒的内壁和喷头的内壁互不接触，彼此之间存在的间隙形成气体混合室。该申请虽然能使空气和燃料的混合相对更为充分，但是喷出的火焰速度不高，不适用于高速和高温燃烧的情形。
因此，现有技术中需要一种能够使空气和燃气充分混合，而且可以极大地提高火焰喷出速度的燃烧器。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服上述缺陷，提供一种操作简单，能够使空气和燃气充分混合，而且可以极大地提高火焰喷出速度的燃烧器。
本申请涉及一种双锥旋流预混燃烧器，包括值班烧嘴，所述值班烧嘴上设有值班燃料进口和一次风进口，所述燃烧器上还设置有主燃料进管和二次风进口，所述燃烧器内设有旋流叶片，经过二次风进口进入燃烧器内的空气与主燃料混合并经过所述旋流叶片高速旋转加速以后喷入混燃仓；所述混燃仓为双锥形布置，包括扩散锥和收敛锥，所述扩散锥从上游到下游呈扩散型；所述收敛锥从上游到下游呈收缩型。
其中，所述燃烧器还包括隔离仓、加速仓和预备仓，所述预备仓设置在隔离仓的上游；所述加速仓设置在所述隔离仓的下游，所述混燃仓设置在所述加速仓的下游；值班烧嘴包括本体和设置在本体端部的信号处理设备，值班烧嘴的本体伸入隔离仓，并且其喷口伸入加速仓；所述本体包括中空的管道；所述二次风进口设置在加速仓的侧部，所述旋流叶片设置在所述加速仓内。
其中，所述主燃料进管设置在预备仓的侧部，预备仓内设有燃料配集箱，燃料配集箱的端部设有燃料喷管，主燃料进管与燃料配集箱相连通；燃料喷管在隔离仓的位置处设有出气孔。
其中，在所述旋流叶片的下游还依次设有第一引流板和第二引流板，所述第二引流板固定在所述混燃仓的本体上，所述第一引流板嵌入所述第二引流板的内部。
优选地，所述扩散锥的半锥角小于5度，所述收敛锥的半锥角小于16度；所述隔离仓和所述加速仓以及所述加速仓和所述混燃仓之间通过法兰连接，所述预备仓与所述隔离仓通过法兰连接；所述信号处理设备的末端设有信号接入端子；所述隔离仓的侧部还设有火焰检测口。
本申请的有益技术效果在于：
1、通过设置值班烧嘴，使得作业过程中可以一直保持燃烧状态，使得后续进入的燃气和空气可以直接进入燃烧状态，而无需反复点火和熄火；
2、通过设置预备仓、隔离仓、加速仓和混燃仓，使得整个燃烧器内部结构合理，气体流动轨迹清晰、混燃充分；
3、通过旋流风机和引流板的特别设计，一方面可以将经过二次风进口进入的空气与混燃仓分开，另一方面可以减小喷入混燃仓的截面积，从而在喷入量一样的情况下，使得燃烧器喷出火焰的速度更大；
4、通过设置扩散锥，使得旋流叶片导入混燃仓的二次风产生离心力，在着火区域形成局部负压，抽吸混燃仓内高温烟气回流，利于稳定起始火焰锋面。
5、通过设置收敛锥，使得通过烟气流道截面逐渐收缩，压迫部分烟气向扩散锥强制回流，强化着火；同时使烟气逐渐加速，形成高速火焰射流，从燃烧器喷出的速度可以达到300m/s。
附图说明
图1显示了根据本申请的双锥旋流预混燃烧器的外部示意图。
图2显示了根据本申请的双锥旋流预混燃烧器的内部示意图。
图3显示了根据本申请的双锥旋流预混燃烧器的局部示意图。
图4显示了带有双锥旋流预混燃烧器的燃烧系统的示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本申请的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
如图1-3所示，根据本申请的一种双锥旋流预混燃烧器，包括值班烧嘴10、隔离仓20、加速仓30和混燃仓40，隔离仓20和加速仓30以及加速仓30和混燃仓40之间通过法兰连接。值班烧嘴10包括本体和设置在本体端部的信号处理设备1，信号处理设备1的末端设有信号接入端子6。本体包括中空的管道，其上设有值班燃料进口2和一次风进口3，值班烧嘴10的本体伸入隔离仓20，并且其喷口7伸入加速仓30。值班燃料通过值班燃料进口2进入本体，并和经过一次风进口3进入的空气混合点燃后即可燃烧。本申请的值班燃料是指起到引燃作用的燃料，作业过程中可以一直保持燃烧状态，使得后续进入的燃气和空气可以直接进入燃烧状态，而无需反复点火和熄火。
在隔离仓20的上游还设有预备仓11，预备仓11与隔离仓20通过法兰连接。主燃料进管5设置在预备仓的侧部，预备仓11内设有燃料配集箱8，燃料配集箱8的端部设有燃料喷管21，主燃料进管5与燃料配集箱8相连通。燃料喷管21在隔离仓20的位置处设有出气孔，在其末端也设有喷口。通过主燃料进管5进入预备仓的燃料在燃料配集箱8中聚集，并通过燃料喷管21喷入隔离仓20和加速仓30内。隔离仓的侧部还设有火焰检测口4，用来对燃烧器内的火焰进行检测和观察。
加速仓30的侧部设有二次风进口31，加速仓30内设有旋流叶片34。经过二次风进口31进入加速仓30的空气与从燃料喷管21的末端喷出的燃料混合并经过旋流叶片34高速旋转加速以后喷入混燃仓40。在旋流叶片34的下游还依次设有第一引流板33和第二引流板32，第二引流板32固定在混燃仓40的本体上，第一引流板33嵌入第二引流板32的内部。如此设置，一方面可以将经过二次风进口31进入的空气与混燃仓40分开，另一方面可以减小喷入混燃仓40的截面积，从而在喷入量一样的情况下，使得燃烧器喷出火焰的速度更大。本申请中出现的技术术语“上游”和“下游”是指相对于燃料的流向而言，燃料的进口处为上游，燃料的喷出处为下游。
混燃仓40为双锥形布置，包括扩散锥41和收敛锥42，扩散锥41从上游到下游呈扩散型，半锥角小于5°；收敛锥42从上游到下游呈收缩型，半锥角小于16°。扩散锥41的目的是通过旋流叶片34导入混燃仓40的二次风产生的离心力，在着火区域形成局部负压，抽吸混燃仓40内高温烟气回流，利于稳定起始火焰锋面；收敛锥42的目的有两个：一个是通过烟气流道截面逐渐收缩，压迫部分烟气向扩散锥41强制回流，强化着火；另一个是使烟气逐渐加速，形成高速火焰射流，从燃烧器喷出的速度可以达到300m/s。优选地，所述扩散锥和所述收敛锥的长度之比为0.1-10。
如图4所示，其中显示了带有上述双锥旋流预混燃烧器的分段式蓄热燃烧系统的示意图。如图所示，根据本申请的蓄热燃烧系统，包括如上所述的燃烧器50、炉膛51、蓄热箱、鼓风机、四通阀53和燃料管路，燃烧器50向炉膛51内喷入高速燃烧气体，蓄热箱设置在炉膛51的外部并与炉膛51连通。鼓风机可以设置有多个，分别用于提供值班燃料燃烧所需空气、主燃料燃烧所需空气和蓄热空气。燃料管路包括值班燃料管路和主燃料管路，分别提供值班燃料和主燃料。四通阀53的两端分别连通三次风的进口和出口以及蓄热箱，通过切换四通阀来实现三次风进风管路和出风管路的互换，从而使得蓄热箱中能够持续储存热空气并持续将热空气通入炉膛51中助燃并循环。
燃烧器50上设有值班燃料进口、主燃料进口、一次风进口和二次风进口，值班燃料通过第一管路501提供到燃烧器50上的值班燃料进口，主燃料通过第二管路502提供到燃烧器50上的主燃料进口，一次风鼓风机56向燃烧器50提供值班燃料燃烧所需要的空气，二次风鼓风机58向燃烧器50提供主燃料燃烧所需要的空气。三次风第一鼓风机54和三次风第二鼓风机57均连接到四通阀53，四通阀53上还分别连通第一蓄热箱521和第二蓄热箱522。当四通阀53处于图示实线阀门位置时，三次风首先经过三次风第一鼓风机54进入供气管路，并经过第一蓄热箱521吹入炉膛51内，此时三次风第二鼓风机57将炉膛51内已经被加热到高温并且多余的助燃空气吸入第二蓄热箱522内进行蓄热；接着，控制四通阀53切换到图示虚线阀门位置，三次风第一鼓风机54将新鲜空气连同第二蓄热箱522中已经被蓄热升温的热空气吹回到炉膛51内，而再次被升温的多余的助燃空气经过第一蓄热箱521进行蓄热，如此循环，从而保证了进入炉膛51内的热空气经过了蓄热箱的升温。如此可以节省大量的热能，从而避免了热量的浪费和损失。蓄热箱可以采用氧化铝球式蓄热箱，各供气管路上均设有调节阀55，此为本领域的常规技术，不再赘述。优选地，所述第一蓄热箱和所述第二蓄热箱的体积之比为0.1-10。
本申请的另一方面还涉及利用上述分段式蓄热燃烧系统进行加热熔化的方法，下面以熔铝为例进行说明。需要说明的是，本申请中分段式并非意指结构上的分段，而是整个加热过程的分段，以下会进行详细说明。
本申请的分段式蓄热燃烧系统的工艺流程与传统的燃料不换向蓄热式燃烧系统近似，主要区别在于分段式蓄热燃烧系统将普通的大气扩散式烧嘴燃烧器替换为如上所述的可灵活操作的双锥旋流预混燃烧器，并为双锥旋流预混燃烧器单独配置助燃风机，定义为二次风机。与此相对应，为值班烧嘴提供助燃风的风机定义为一次风机；为炉膛提供蓄热风的风机定义为三次风机。如图2和4所示。
在生产过程中，分段式蓄热燃烧熔铝的运行操作根据装炉铝材的升温和熔化进程，将传统的简单高温空气燃烧组织模式分解成双锥高速燃烧器完全燃烧组织、双锥高速燃烧器不完全燃烧组织耦合炉内部分高温空气燃烧组织及炉内彻底的高温空气燃烧组织这三种模式。三种模式分别对应熔铝过程的点火启炉升温、固体铝料快速熔化及液体铝水升温三个阶段。
点火启炉升温阶段
炉料装炉完毕，按下上位机启动按钮，燃烧系统开始自检。自检合格，顺序启动引风机、三次风机、二次风机及一次风机，系统进入吹扫程序，并通过鼓、引风管路的气力平衡，识别炉膛各出口、入口的炉料遮挡情况。吹扫和遮挡识别延时操作结束，三次风调节阀、二次风调节阀及一次风调节阀的开度从最大值进行归位调整。三种风的流量得到确认，顺序导通值班烧嘴点火电极及值班燃料快开阀，值班烧嘴点燃。值班烧嘴配置的值班火检显示燃烧正常，接着导通主燃料快开阀，双锥高速燃烧器瞬间点燃，主火检显示燃烧正常，高温火焰从收敛锥喷口高速喷出，直射进入炉膛。在启炉过程中，如果出现故障报警，切断主燃料快开阀和值班燃料快开阀，终止点火返回吹扫程序。其中，两位四通切换阀处于自由切换工作状态，三次风调节阀仅开启少许，目的在于控制排烟温度，以减少排烟热损失。在本阶段运行过程内，预混燃烧器内的燃烧组织为彻底的高强度预混燃烧组织，炉膛内没有高温空气燃烧组织(即蓄热空气)形成。
固体铝料快速熔化阶段
随着炉膛温度升高，自由堆砌炉料开始熔化塌陷，炉内自由空间逐渐释放出。当炉内温度达到设定阈值时，测控系统发出指令，根据设定程序，将本阶段分解成若干个子阶段，各子阶段按照不同参数串接延时运行。在每个子阶段内，设备的动作顺序依次是提高引风机频率、增加三次风调节阀开度、减少二次风调节阀开度、增加主燃料调节阀开度。在最后一个子阶段，顺序将三次风调节阀开启至设计风量的上限、二次风调节阀调节至设计风量的下限、主燃料调节阀开启至设计给燃料量的上限。为了确保安全，二次风机继续保持高赫兹运转，二次风调节阀阀前风作为主燃料气的屏蔽风使用。本阶段结束时，预混燃烧器由不完全预混燃烧器转变为简单的主燃料加热器，即主燃料由值班烧嘴提供的热量在双锥空腔内被加热再以高速喷入炉膛，然后经蓄热箱进入炉膛的高速高温的三次风引流并混合，形成彻底的高温空气燃烧组织。
铝水升温阶段
固体炉料完全熔化塌陷，铝水液面初步形成，进入铝水辐射升温阶段，炉膛对流传热量占总传热量的比例已显著减小。此时，降低总的燃烧热负荷，维持炉温对铝水进行持续辐射加热，直至铝水温度达到下游熔铸加工所需温度，熔化过程即终止。
根据上述三个阶段的特点，采用本申请的分段式蓄热燃烧系统进行加热熔化的方法，可以包括以下步骤：
(1)顺序启动引风机、三次风机、二次风机及一次风机，系统进入吹扫程序；
(2)调节三次风调节阀、二次风调节阀及一次风调节阀的开度；
(3)顺序导通值班烧嘴点火电极及值班燃料快开阀，值班烧嘴点燃；
(4)接着导通双锥预混燃烧器的主燃料快开阀，双锥预混燃烧器瞬间点燃；
(5)当炉内温度达到设定温度时，根据设定程序将本阶段分解成若干个子阶段，各子阶段按照不同参数串接延时运行；主燃料由值班烧嘴提供的热量在双锥空腔内被加热和喷入炉膛，再被经蓄热箱进入炉膛的三次风引流并混合，形成彻底的高温空气燃烧组织；
(6)固体炉料完全熔化塌陷后形成熔料液面，进入辐射升温阶段，降低燃烧热负荷，维持炉温进行持续辐射加热，直至温度达到下游熔铸加工所需温度。
其中，在步骤(5)的每个子阶段内，设备的动作顺序依次是提高引风机频率、增加三次风调节阀开度、减少二次风调节阀开度、增加主燃料调节阀开度；在最后一个子阶段，顺序将三次风调节阀开启至设计风量的上限、二次风调节阀调节至设计风量的下限、主燃料调节阀开启至设计给燃料量的上限。上述动作顺序设定的目的在于，随着炉膛内温度的升高，需要通过三次风调节阀通入更多的空气以在加热后作为蓄热空气储备在蓄热箱内，这样可以通过对四通阀的切换来实现通入新鲜空气的升温储备，而无需通入更多的主燃料，极大地节约了能量损耗。
虽然本申请所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本申请而采用的实施方式，并非用以限定本申请。任何本申请所属技术领域内的技术人员，在不脱离本申请所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本申请的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
