本發(fā)明涉及燃燒裝置技術領域，尤其涉及一種部分催化燃燒的預混噴嘴、噴嘴陣列及燃燒器，其特別適用于燃氣輪機、鍋爐、化工爐、采暖等各種工業(yè)和民用燃燒器。

背景技術：

工業(yè)生產(chǎn)如冶煉、石化、制藥、造紙及采礦等行業(yè)會產(chǎn)生大量有害氣體和低熱值氣體，這些氣體直接排放到大氣中會嚴重污染環(huán)境，而且還浪費了能源。如果將這些氣體燃燒利用，不但減小了環(huán)境污染和節(jié)約能源。當前我國環(huán)境污染問題十分嚴重，發(fā)展相關清潔燃燒技術十分迫切。此外，航空發(fā)動機、發(fā)電用燃氣輪機、艦船用燃氣輪機也都需要燃燒器。燃燒器廠商已經(jīng)開發(fā)了多種清潔燃燒技術，如貧預混燃燒技術、稀相預混預蒸發(fā)技術、貧油直噴技術等，這些技術雖然可以有效降低污染物的排放，但都面臨燃燒不穩(wěn)定的問題，或者燃燒器結構復雜、零部件多、成本高的問題。

因而，亟需開發(fā)一種結構簡單緊湊、零部件少、燃燒穩(wěn)定、污染物排放低的燃燒器。

技術實現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術問題

為了解決現(xiàn)有技術存在的上述問題，本發(fā)明提供了一種部分催化燃燒的預混噴嘴、噴嘴陣列及其燃燒器。

(二)技術方案

本發(fā)明提供了一種部分催化燃燒的預混噴嘴，該預混噴嘴包括中間圓筒、外壁圓筒、網(wǎng)孔板、波浪旋流結構和催化劑涂層，其中：波浪旋流結構位于外壁圓筒內(nèi)，中間圓筒位于波浪旋流結構內(nèi)接圓的內(nèi)部，或者位于波浪旋流結構的內(nèi)接圓與外切圓之間的某一位置，網(wǎng)孔板位于中間圓筒內(nèi)部；波浪旋流結構具有一旋流器，該旋流器是催化劑的載體，包括旋流器褶皺形葉片、旋流器入口圓柱、旋流器出口圓柱、旋流器中間圓筒、旋流器多孔板和旋流器多孔板安裝卡口，旋流器褶皺形葉片位于燃燒器外壁與旋流器中間圓筒之間的流道內(nèi)，是催化劑的載體；旋流器多孔板位于旋流器中間圓筒的內(nèi)部；旋流器入口圓柱和出口圓柱分別位于旋流器的進口和出口處，用于將旋流器褶皺葉片和中間圓筒連接起來；燃料和空氣進入噴嘴前已經(jīng)相互摻混；燃燒在兩個區(qū)域進行，在旋流器上進行催化燃燒，在燃燒器出口進行有焰燃燒。。

本發(fā)明還提供了一種噴嘴陣列，包括多個兼具內(nèi)外流道摻混作用的噴嘴，其中，所述噴嘴陣列為圓形陣列，所述圓形陣列包括P圈噴嘴，每圈噴嘴包括Q個噴嘴，其中1≤P、Q≤100；或者，所述噴嘴陣列為矩形陣列，所述矩形陣列包括P行噴嘴，每行噴嘴包括Q個噴嘴，其中1≤P、Q≤100。

本發(fā)明還提供了一種燃燒器，其包括多個部分催化燃燒的噴嘴，或者噴嘴陣列。

(三)有益效果

從上述技術方案可以看出，本發(fā)明一種部分催化燃燒的預混噴嘴、噴嘴陣列及其燃燒器具有以下有益效果：

燃燒在兩個區(qū)域進行，在旋流器上進行催化燃燒，在燃燒器出口進行有焰燃燒。該旋流器是催化劑的載體，旋流器的褶皺表面有效增大了催化劑涂層的面積，催化劑涂層可以促進燃燒反應的進行，出口的波浪形結構及中間通道周圍的繞流圓柱可以增大湍流度、改善流動的均勻性并提高火焰?zhèn)鞑ニ俣冗M而增強燃燒的穩(wěn)定性，該旋流器及其預混燃燒器能夠拓寬燃燒的熄火極限，能夠降低燃燒溫度，實現(xiàn)有害氣體及低熱值氣體的穩(wěn)定燃燒，減少燃燒污染物如氮氧化物、一氧化碳的生成，最大限度的將有害氣體無害化。

附圖說明

圖1為根據(jù)本發(fā)明實施例一種部分催化燃燒的預混噴嘴、噴嘴陣列及其燃燒器設計方法的半剖示意圖；

圖2為旋流器的一個三維示意圖；

圖3為旋流器的另一個三維示意圖；

圖4為旋流器的又一三維示意圖；

圖5為圖1關鍵尺寸示意圖；

圖6為圖5的局部放大示意圖；

圖7軸向尺寸示意圖；

圖8直徑尺寸示意圖；

圖9為鋸齒形褶皺葉片出口的旋流器；

圖10為中間圓筒在內(nèi)接圓與外切圓之間的某一位置示意圖；

圖11修剪掉全部內(nèi)圈波浪旋流結構示意圖；

圖12增加多個圓筒結構示意圖。

【符號說明】

1-噴嘴入口；2-噴嘴外壁圓筒；3-旋流器入口圓柱；4-旋流器多孔板；5-旋流器褶皺形葉片；6-旋流器的斜流通道；7-旋流器外環(huán)流道；8-旋流器中間圓筒；9-旋流器中間流道；10-噴嘴出口；11-旋流器多孔板安裝卡口；12-旋流器出口圓柱；13-旋流器出口；14--內(nèi)圈旋流波浪結構；15-外圈旋流波浪結構；16-多圓筒結構。

A-旋流器出口與燃燒器出口的距離；B-旋流器出口與旋流器中間流道出口距離；C-旋流器的褶皺形葉片與旋流器中間圓筒之間的間隙大??；D-旋流器的褶皺形葉片與燃燒器外壁之間的間隙大小；E-網(wǎng)孔板厚度；F-網(wǎng)孔板與旋流器出口之間的距離；G-網(wǎng)孔板與中間圓筒出口之間的距離；H-中間圓筒出口與燃燒器出口之間的距離；I-中間圓筒插入波浪旋流結構深度；J-外壁圓筒直徑；K-中間圓筒直徑；L-波浪旋流結構內(nèi)接圓直徑。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。

請參考圖1至圖4，本發(fā)明實施例提供了一種部分催化燃燒的預混噴嘴，包括：噴嘴外壁圓筒2、中間圓筒8、多孔板4、旋流器褶皺形葉片5、旋流器進口圓柱3、旋流器出口圓柱12、旋流器多孔板安裝卡口11以及在旋流器、中間圓筒和多孔板上的催化劑涂層。在該實施例中中間圓筒8位于旋流器5的內(nèi)部。旋流器褶皺形葉片5位于噴嘴外壁圓筒2與旋流器中間圓筒8之間的流道內(nèi)，旋流器褶皺形葉片5由沿徑向起伏的多個波峰和多個波谷沿周向相間排列而成，沿周向排列的波谷圍成內(nèi)接圓，在旋流器褶皺形葉片5的中心形成內(nèi)接圓空間，沿周向排列的波峰形成外切圓；旋流器多孔板4位于旋流器中間圓筒8的入口；旋流器入口圓柱3和出口圓柱12分別位于旋流器的進口和出口處，將旋流器褶皺葉片和中間圓筒連接起來。

本實施例的噴嘴，燃燒在兩個區(qū)域進行——在旋流器的褶皺形葉片、進出口圓柱以及多孔板上進行催化燃燒，在噴嘴出口進行有焰燃燒。

請參考圖1、3和10，對本實施例的工作原理加以說明。催化劑可以很大程度地降低反應所需的活化能，使得低濃度燃料氣和有害氣體能夠在相對較低的溫度下進行反應，因此催化燃燒是利用低濃度燃料氣和分解有害氣體的有效方式之一。催化劑涂層覆蓋在波浪旋流器褶皺形葉片5、波浪旋流器進口圓柱3和出口圓柱12、多孔板4、多圓筒結構16上。催化劑可以為貴金屬催化劑如鉑、鈀、等，也可以為金屬氧化物或其它類型，催化劑類型已超出本發(fā)明專利范圍，這里不再贅述，不同位置可以覆蓋不同種類的催化劑。燃燒反應物在催化劑涂層附近進行催化燃燒，在燃燒器出口進行有焰燃燒。

燃料和空氣在進入噴嘴前已相互摻混，由燃燒器入口1進入噴嘴的為有害氣體或低熱值氣體、其它燃料與空氣的混合物，該混合物可以為多種可燃氣體與空氣的混合物，也可以為可燃固體顆粒與空氣的混合物，還可以為霧化的燃料液滴、水蒸氣與空氣的混合物；這些氣體進入燃燒器前可以預熱。

可燃混合物在旋流器入口被中間圓筒8分成了內(nèi)外兩部分流體，內(nèi)層流體經(jīng)過旋流器多孔板4后進入旋流器中間流道9保持單純軸向運動；外層流體進入燃燒器外壁與中間圓筒之間的流道，在旋流器褶皺形葉片兩側(cè)的斜流通道6作用下，在進行軸向運動的同時還進行沿圓周方向的旋轉(zhuǎn)運動；這兩部分流體在旋流器出口處匯合到一起。旋流器出口圓柱以及旋流器出口褶皺均可以時這兩部分流體之間的過渡更加平緩、均勻，同時增大湍流度。外流道流體帶有旋轉(zhuǎn)運動，在離心力作用下使流體在燃燒器出口形成擴張形，這有助于穩(wěn)定燃燒；內(nèi)流道流體為無旋的軸向運動，可以防止在燃燒器出口形成強回流區(qū)，這樣可以減小流動損失、降低污染物排放。

本實施例中波浪旋流器的褶皺葉片有四個作用：①是催化劑的載體；②產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動；③促進燃燒反應物的摻混；④增大湍流度。

多孔板有三個作用：①是催化劑的載體；②調(diào)整中間流道和外流道的流量分配比例；③增大湍流度。

旋流器進口圓柱3有三個作用，①是用于將旋流器褶皺葉片和中間圓筒連接起來；②是增大流體的湍流度；③是催化劑的載體。

旋流器出口圓柱12有四個作用，①是用于將旋流器褶皺葉片和中間圓筒連接起來；②是增大流體的湍流度；③是使中間圓筒的流體與經(jīng)過褶皺葉片的流體之間的過渡更加平緩、均勻；④是催化劑的載體。

旋流器進出口圓柱個數(shù)分別為2-1000個，截面形狀為三角形、多邊形、圓形、橢圓形，優(yōu)選為圓形。

旋流器的褶皺形葉片入口端截面形狀可以為圓環(huán)形或多邊環(huán)形，優(yōu)選為圓形；旋流器的褶皺形葉片的出口端截面形狀可以為正弦波形、方波形、三角波形、帶有圓形倒角的方波形；褶皺形葉片的引導線為直線或曲線。旋流器褶皺形葉片的波峰和波谷之間為斜流通道，可燃混合物在褶皺葉片的兩側(cè)，在斜流通道作用下會產(chǎn)生沿圓周方面的旋轉(zhuǎn)運動。優(yōu)選地，在斜流通道旋轉(zhuǎn)方向為逆時針旋轉(zhuǎn)情況下，斜流通道與軸向的夾角范圍為-90方至09，優(yōu)選為-30為至-60為；或斜流通道旋轉(zhuǎn)方向為順時針旋轉(zhuǎn)情況下，斜流通道與軸向的夾角范圍為0或至90斜，優(yōu)選為30°至60°。

旋流器多孔板上開孔面積與多孔板面積的比例為0-100％，也就是說多孔板可以不開孔，此時多孔板上開孔面積與多孔板面積的比例為0；多孔板可以全部開孔，相當于不設置多孔板，多孔板上開孔面積與多孔板面積的比例為100％。優(yōu)選多孔板上開孔面積與多孔板面積的比例為40％-80％。多孔板上孔的直徑為0.1-10mm，孔的大小可以相同也可以不同；孔的形狀可以為圓形、橢圓形、三角形、多邊形或者是這些形狀的組合。

為了便于更換，旋流器多孔板4通過旋流器多孔板安裝卡口11安裝在旋流器進口處，通過鎖片固定，也可以采用螺紋連接方式，優(yōu)選采用卡口安裝方式。

請參見圖5～圖8對本發(fā)明實施例的關鍵尺寸加以說明，旋流器出口與燃燒器出口的距離A為0-1000mm；旋流器出口與旋流器中間流道出口距離B為0-1000mm；優(yōu)選，A為噴嘴外徑的1-5倍，B為噴嘴外徑的0.1-1倍。旋流器的褶皺形葉片與旋流器中間圓筒之間的間隙大小C和旋流器的褶皺形葉片與燃燒器外壁之間的間隙大小D為0-100mm；優(yōu)選，C和D為噴嘴外徑的0.01-0.1倍。

中間圓筒插入波浪旋流結構深度為I為1mm～1000mm，優(yōu)選I＝J/2；網(wǎng)孔板厚度E為1mm～1000mm，優(yōu)選E＝5mm；網(wǎng)孔板與旋流器出口之間的距離F為1mm～1000mm，優(yōu)選F＝J/2；中間圓筒出口區(qū)高度G為1mm～1000mm，優(yōu)選G＝J/2；噴嘴出口附近摻混區(qū)高度H為1mm～1000mm，優(yōu)選H介于1.5J～3J之間。

外壁圓筒直徑為J、中間圓筒直徑為K、波浪旋流結構內(nèi)接圓直徑為L，當中間圓筒位于波浪旋流結構的內(nèi)接圓與外切圓之間的某一位置，即J>K>L，優(yōu)選K＝(J+L)/2；當中間圓筒位于旋流結構內(nèi)部時，K<L。中間圓筒截面形狀可以為圓形、三角形、多邊形，優(yōu)選為圓形。

本發(fā)明第二實施例的噴嘴，為了達到簡要說明的目的，上述第一實施例中任何可作相同應用的技術特征敘述皆并于此，無需再重復相同敘述。

請參見圖9，在該實施例中，為了增大湍流度，旋流器褶皺葉片出口可以為鋸齒形。

本發(fā)明第三實施例的噴嘴，為了達到簡要說明的目的，上述任一實施例中任何可作相同應用的技術特征敘述皆并于此，無需再重復相同敘述。

請參見圖10，在該實施例中，中間圓筒8位于波浪旋流結構的內(nèi)接圓與外切圓之間的某一位置。中間圓筒將旋流器的褶皺形葉片分成了內(nèi)圈旋流波浪結構14和外圈旋流波浪結構15兩部分。

本發(fā)明第四實施例的噴嘴，為了達到簡要說明的目的，上述任一實施例中任何可作相同應用的技術特征敘述皆并于此，無需再重復相同敘述。

請參見圖11，在該實施例中，位于中間圓筒內(nèi)的內(nèi)圈旋流波浪結構14被修剪掉了一部分，這樣有助于減輕重量、減小流動摩擦損失。修剪高度介于0～100％之間。修剪之后，網(wǎng)孔板的位置也相應調(diào)整，使網(wǎng)孔板與旋流器出口之間的距離F為1mm～1000mm，優(yōu)選F＝J/2。

本發(fā)明第五實施例的噴嘴，為了達到簡要說明的目的，上述任一實施例中任何可作相同應用的技術特征敘述皆并于此，無需再重復相同敘述。

請參考圖12，在該實施例中，增加了多圓筒結構16，在該多圓筒結構上覆蓋催化劑涂層，每個圓筒的高度可以相同也可以不同，圓筒個數(shù)為2～10000個。

本發(fā)明第六實施例提供了一種噴嘴陣列，其包括多個上述任一實施例所述的噴嘴。

其中，該噴嘴陣列為圓形陣列，該圓形陣列包括P圈噴嘴，每圈噴嘴包括Q個噴嘴，其中1≤P、Q≤100。

其中該噴嘴陣列為矩形陣列，該矩形陣列包括P行噴嘴，每行噴嘴包括Q個噴嘴，其中1≤P、Q≤100。

本發(fā)明第七實施例提供了一種燃燒器，其包括上述第一至五實施例中任一實施例所述的噴嘴，或第六實施例所述的多噴嘴陣列。

至此，已經(jīng)結合附圖對本實施例進行了詳細描述。依據(jù)以上描述，本領域技術人員應當對本發(fā)明一種部分催化燃燒的預混噴嘴、噴嘴陣列及其燃燒器設計方法有了清楚的認識。

此外，上述對各元件和方法的定義并不僅限于實施例中提到的各種具體結構、形狀或方式，本領域普通技術人員可對其進行簡單地更改或替換。

綜上所述，本發(fā)明一種部分催化燃燒的預混噴嘴、噴嘴陣列及其燃燒器設計方法可用于航空燃氣輪機、發(fā)電燃氣輪機、鍋爐、加熱爐等設備，適用于運輸、供暖、制藥、化工、發(fā)電、冶金、采礦等行業(yè)，該旋流器及其預混燃燒器能夠?qū)崿F(xiàn)有害氣體及低熱值氣體的穩(wěn)定燃燒，減少燃燒污染物如氮氧化物、一氧化碳的生成。

以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，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、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。