脉动燃烧过热蒸汽发生装置

技术领域

本发明涉及蒸汽发生技术领域，尤其涉及一种脉动燃烧过热蒸汽发生装置。

背景技术

脉动燃烧是指在一定的声学条件下，在燃烧区内表征燃烧过程的状态参数，如温度、压力、气流速度及热释放率等稳态变量都随时间周期性波动的一种特殊的不稳定燃烧过程。脉动燃烧作为与常规稳态燃烧不同的一种燃烧方式，具有燃烧效率和燃烧强度高、传热效率高、污染物排放量小等优点，不仅可以提高能源的利用率，做到节约能源、降低工业生产运行成本，还可以降低污染物排放、保护环境。

传统的蒸汽加热炉的烟风系统中包含混合风机或助燃风机等部件，当生产环境恶劣时，风机的磨损加剧，导致风机的维护成本较高，同时导致影响生产。

脉动燃烧器使用脉动燃烧时产生的局部负压，将新空气吸入燃烧室内，无需额外使用风机等动力部件，不仅减少了设备投资，也降低了后期的维护成本。使用气体燃烧为燃料，可代替目前钢厂中使用的蒸汽加热装置。

现有技术中有一种脉动燃烧蒸汽发生装置(CN206572488U)，该技术提供一种防止水和蒸汽从蒸汽出口喷出，保证水蒸气的出气压力，结构简单、体积小、重量轻、热效率高、环境污染小的脉动燃烧蒸汽发生装置。它包括内部有水的筒体、用于对水进行加热以产生蒸汽的脉动燃烧器、汽包组件；所述汽包组件包括汽包筒体、位于汽包筒体内的上下两层滤网；汽包筒体的下部与筒体相通，汽包筒体的顶部具有蒸汽出口。此技术将脉动燃烧器与汽包相结合，通过脉动燃烧产生的热量加热汽包中的水，从而产生蒸汽。但是，该设备只能产生饱和蒸汽，无法生产过热蒸汽；设备单机功率较小，无法满足工业中蒸汽加热器的大产量需求。

现有技术中还有一种多燃烧并联加热大功率脉动燃烧蒸汽锅炉(CN101799154A)，该技术公开了一种多燃烧器并联加热大功率脉动燃烧蒸汽锅炉，属于先进能源技术领域。该技术采用多组脉动燃烧器联动方式为蒸汽锅炉供热，即多个脉动燃烧器并联浸没于锅壳内；并联的脉动燃烧器的安全点火及控制通过电控系统程序设定，实现并联的多个脉动燃烧器中每个脉动燃烧器独立的点火熄火保护重新启动，达到安全自动控制功能；在去耦室内加入管网作为余热回收装置，以充分利用热量、提高蒸汽锅炉热效率。该技术在确保脉动燃烧稳定运行的前提下，实现了大功率的蒸汽锅炉设计；燃烧器组的安全点火-熄火保护-启动的自动控制程序，保证脉动燃烧器点火的安全性及可靠性；余热回收装置，使得排烟温度降低至180℃，减少了热量损失。但是，该技术只能生产饱和蒸汽，无法生产过热蒸汽。

由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种脉动燃烧过热蒸汽发生装置，以克服现有技术的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种脉动燃烧过热蒸汽发生装置，利用脉动燃烧器工作过程中产生负压脉冲波，并能够根据其自身的热声效应形成燃烧循环的特性，代替传统过热蒸汽发生装置需要设风机等辅机的现状，减少了设备投资，同时降低了后期维护成本。

本发明的目的是这样实现的，一种脉动燃烧过热蒸汽发生装置，包括至少一个脉动燃烧器，所述脉动燃烧器能混合燃烧燃气和空气以生成高温高压烟气且能产生负压脉冲以吸收燃气和空气，所述脉动燃烧器上连通有烟气扰动腔体，所述烟气扰动腔体用于脉动燃烧器生成的高温高压烟气换热及降噪，所述烟气扰动腔体内设置换热器，所述换热器内设置用于蒸汽流通的蒸汽通道，高温高压烟气能在流动和振动耦合作用下与所述蒸汽通道内的低温蒸汽换热以生成过热蒸汽，所述烟气扰动腔体上设置烟囱，所述烟囱用于排放换热后的部分烟气；所述烟气扰动腔体上还连通烟气循环部，所述烟气循环部用于将换热后的部分烟气循环至所述脉动燃烧器；所述脉动燃烧过热蒸汽发生装置还包括控制部，所述脉动燃烧器、所述烟气扰动腔体和所述烟气循环部均与所述控制部电连接。

在本发明的一较佳实施方式中，所述烟气扰动腔体上设有泄爆阀，所述泄爆阀能在所述烟气扰动腔体内超压时自动打开泄压且能在泄压后回落复位。

在本发明的一较佳实施方式中，所述脉动燃烧器上连接有燃气调节装置，所述燃气调节装置用于保证燃气压力大于大气压以使燃气能被吸入所述脉动燃烧器。

在本发明的一较佳实施方式中，所述脉动燃烧器包括顺序连通的混气室、燃烧室和喷管，所述混气室用于混合燃气和空气以形成混合气体，所述燃烧室用于燃烧混合气体以产生高温高压烟气，所述喷管连通所述燃烧室和所述烟气扰动腔体，所述喷管能将燃烧室产生的高温高压烟气输入所述烟气扰动腔体内且使所述燃烧室形成负压环境。

在本发明的一较佳实施方式中，所述烟气循环部包括烟气管和第一单向阀结构，所述烟气管的两端分别连通所述烟气扰动腔体和所述燃烧室，所述第一单向阀结构通过调节开启压力控制自所述烟气扰动腔体回流的烟气量，所述第一单向阀结构与所述控制部电连接。

在本发明的一较佳实施方式中，所述混气室上设置第二单向阀结构，所述第二单向阀结构能关闭且能在负压作用下打开以吸入空气。

在本发明的一较佳实施方式中，所述混气室上连通所述燃气调节装置；所述混气室和所述燃烧室之间设置点火针，所述点火针与所述控制部电连接。

在本发明的一较佳实施方式中，所述燃烧室上连通着火检测探头，所述着火检测探头与所述控制部电连接。

在本发明的一较佳实施方式中，烟气扰动腔体的入口套接于脉动燃烧器的出口，脉动燃烧器的出口与烟气扰动腔体的连接处通过高压氮气吹扫形成气体密封。

在本发明的一较佳实施方式中，所述脉动燃烧过热蒸汽发生装置的外侧设置保温层，所述烟气扰动腔体的内壁设置隔声层。

由上所述，本发明提供的脉动燃烧过热蒸汽发生装置具有如下有益效果：

本发明利用脉动燃烧器工作过程中产生的负压脉冲波吸入新空气和燃气，并能够根据其自身的热声效应形成燃烧循环的特性，代替传统过热蒸汽发生装置需要设风机等辅机的现状，减少了设备投资，同时降低了后期维护成本；

本发明采用的脉动燃烧器的燃烧强度高，生成的硫化物与氮氧化物含量低，减少了烟气净化设备的投资；

本发明的脉动燃烧过热蒸汽发生装置后期扩容方便，只需要在烟气扰动腔体外壁增加脉动燃烧器即可，无需对设备进行较大范围的改动。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：

图1：为本发明的脉动燃烧过热蒸汽发生装置的示意图。

图2：为本发明的脉动燃烧器的示意图。

图中：

100、脉动燃烧过热蒸汽发生装置；

1、脉动燃烧器；11、混气室；12、燃烧室；13、喷管；14、第二单向阀结构；15、点火针；16、着火检测探头；

2、烟气扰动腔体；21、烟囱；22、泄爆阀；

3、换热器；

4、烟气循环部；41、烟气管；42、第一单向阀结构；

5、燃气调节装置。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1、图2所示，本发明提供一种脉动燃烧过热蒸汽发生装置100，包括至少一个脉动燃烧器1，脉动燃烧器1能混合燃烧燃气和空气以生成高温高压烟气(如烟气温度1000-1200℃，压力600Pa)且能产生负压脉冲以吸收燃气和空气，脉动燃烧器1上连通有烟气扰动腔体2，烟气扰动腔体2用于脉动燃烧器1生成的高温高压烟气换热及降噪，烟气扰动腔体2内设置换热器3，换热器3内设置用于蒸汽流通的蒸汽通道，高温高压烟气能在流动和振动耦合作用下与蒸汽通道内的低温蒸汽换热以生成过热蒸汽，烟气扰动腔体2上设置烟囱21，烟囱21用于排放换热后的部分烟气；烟气扰动腔体2上还连通烟气循环部4，烟气循环部4用于将换热后的部分烟气循环至脉动燃烧器1；脉动燃烧过热蒸汽发生装置100还包括控制部，脉动燃烧器1、烟气扰动腔体2和烟气循环部4均与控制部电连接。

至少一个脉动燃烧器1连接至烟气扰动腔体2，并且换热器3置于烟气扰动腔体2中，高温高压烟气在流动和振动耦合作用在换热器外表面，将热量传输给换热器3，换热后形成的部分烟气(低温烟气)可以从烟囱21排出，部分烟气经烟气循环部4返回到脉动燃烧器1，低温烟气与脉动燃烧器1内高温烟气混合，维持合适的烟气温度；带水的湿蒸汽(低温)从换热器的入口进入，在换热器内吸收高温高压烟气显热，变成过热蒸汽，从换热器的出口排出。

根据脉动燃烧过热蒸汽发生装置100容量设置一个或多个脉动燃烧器1，当需要调整脉动燃烧过热蒸汽发生装置100的蒸汽出力时，通过调节脉动燃烧器1上连接的燃烧器燃料调节阀来适应不同的加热负荷需求。燃料(如液化石油气、天然气、煤气、重油等)经脉动燃烧器1雾化、燃烧、振动、扩散等过程，产生高温烟气进入烟气扰动腔体2。

本发明利用脉动燃烧器工作过程中产生的负压脉冲波吸入新空气和燃气，并能够根据其自身的热声效应(热声效应是指固体介质与振荡流体之间产生的时均能量效应，产生沿着或逆着声传播方向的时均热流和时均功流。按能量转换方向的不同，热声效应分为两类：一是用热能来产生声能，包括各类热声发动机；二是用声能来输运热能，包括各种回热式制冷机。可产生热声效应的流体介质必须有可压缩性、较大的热膨胀系数、小的普朗特数，而且对于要求较大温差，较小能量流密度的场合，流体比热要小，对于要求较小温差，较大能量流密度的场合，流体比热要大)形成燃烧循环的特性，代替传统过热蒸汽发生装置需要设风机等辅机的现状，减少了设备投资，同时降低了后期维护成本；

本发明采用的脉动燃烧器的燃烧强度高，生成的硫化物与氮氧化物含量低，减少了烟气净化设备的投资；

本发明的脉动燃烧过热蒸汽发生装置后期扩容方便，只需要在烟气扰动腔体外壁增加脉动燃烧器即可，无需对设备进行较大范围的改动。

进一步，如图1所示，烟气扰动腔体2上设有泄爆阀22，泄爆阀22能在烟气扰动腔体2内超压时自动打开泄压且能在泄压后回落复位。当未燃尽的烟气在烟气扰动腔体2形成爆燃时，腔体内超压，泄爆阀22的阀瓣自动打开泄压后，阀瓣回落、复位。泄爆阀22能够保护烟气扰动腔体2及脉动燃烧器1。

进一步，如图2所示，脉动燃烧器1上连接有燃气调节装置5，燃气调节装置5用于保证燃气压力大于大气压(略大即可)以使燃气能被吸入脉动燃烧器1(微真空的压力下燃气能够被吸入)。

进一步，如图1、图2所示，脉动燃烧器1包括顺序连通的混气室11、燃烧室12和喷管13，混气室11用于混合燃气和空气以形成混合气体，燃烧室12用于燃烧混合气体以产生高温高压烟气，喷管13连通燃烧室和烟气扰动腔体，喷管13能将燃烧室产生的高温高压烟气输入烟气扰动腔体2内且使燃烧室12形成负压环境。

进一步，如图1、图2所示，烟气循环部4包括烟气管41和第一单向阀结构42，烟气管41的两端分别连通烟气扰动腔体2和燃烧室12，第一单向阀结构42通过调节开启压力控制自烟气扰动腔体回流的烟气量，第一单向阀结构42与控制部电连接。第一单向阀结构42采用阀屏结构。

烟气扰动腔体2的部分烟气能够通过烟气管41回流至燃烧室12中，通过调节第一单向阀结构42上的钢片位置，控制第一单向阀结构42的开启压力。当烟气扰动腔体2温度较低时，降低第一单向阀结构42的开启压力，使得烟气扰动腔体2内的烟气能够快速回流至燃烧室12中，提高烟气温度。当烟气扰动腔体2温度较高时，调高第一单向阀结构42的开启压力，使得烟气扰动腔体2内的烟气能够少量回流至燃烧室12中，降低烟气温度。

进一步，如图1、图2所示，混气室11上设置第二单向阀结构14，第二单向阀结构14能关闭且能在负压作用下打开以吸入空气。第二单向阀结构14采用阀屏结构。

燃气及空气在混气室11混合后进入燃烧室12内，混合气体由上个燃烧循环中残余的火焰点燃，形成爆燃，产生的高温高压烟气冲入喷管13，由于气体的惯性作用，燃烧室12内产生真空，第二单向阀结构打开，吸入新鲜的空气及燃气，随后完成一个燃烧循环。

进一步，如图2所示，混气室11上连通燃气调节装置5；混气室11和燃烧室12之间设置点火针15，点火针15与控制部电连接，点火针15用于燃烧室12内首次点火。

进一步，如图2所示，燃烧室12上连通着火检测探头16，着火检测探头16与控制部电连接，着火检测探头16检测燃烧室的燃烧情况，保证燃烧的稳定性。

在本实施方式中，脉动燃烧器1为Helmholtz型，第一单向阀结构42采用阀屏结构，第一单向阀结构42置于燃烧室后侧，结合点火针15、着火检测探头16等结构，通过控制部控制实现燃烧器吹扫、点火、燃烧检测的流程。

进一步，烟气扰动腔体2的入口套接于脉动燃烧器1的出口(接缝处以实物填塞)，脉动燃烧器的出口与烟气扰动腔体的连接处通过高压氮气吹扫形成气体密封。

进一步，脉动燃烧过热蒸汽发生装置100(脉动燃烧器1、烟气扰动腔体2和烟气循环部4)的外侧设置保温层；烟气扰动腔体2的内壁设置隔声层，烟气扰动腔体2能够起到降低爆燃产生的噪音的作用。

本发明的脉动燃烧过热蒸汽发生装置100的工作过程如下：

燃气通过燃气调节装置5调整为低压燃气后通入脉动燃烧器1的混气室11，混气室11混合燃气和空气形成混合气体，混合气体流向燃烧室12，点火针15产生电火花点燃燃烧室12中的混合气体，爆炸产生的高温高压烟气从喷管13喷出，由于流体的惯性作用，燃烧室12内部形成负压，第二单向阀结构14打开，吸入新鲜空气，当吸入的空气体积再一次达到燃气爆炸极限时，混合气体(燃气混合物)再次发生燃烧，从而产生做功循环，保证燃烧持续进行。通过调节第一单向阀结构42的开启压力，控制回流的烟气量。

高温高压烟气经喷管13喷入烟气扰动腔体2，高温高压烟气进入烟气扰动腔体2加热蒸汽后消声、排放，部分烟气经烟气循环部4回流至燃烧室12中，维持脉动燃烧器1温度。当未燃尽的烟气在烟气扰动腔体2形成爆燃时，腔体内超压，阀瓣自动打开泄压后，阀瓣回落、复位。

由上所述，本发明提供的脉动燃烧过热蒸汽发生装置具有如下有益效果：

本发明利用脉动燃烧器工作过程中产生的负压脉冲波吸入新空气和燃气，并能够根据其自身的热声效应形成燃烧循环的特性，代替传统过热蒸汽发生装置需要设风机等辅机的现状，减少了设备投资，同时降低了后期维护成本；

本发明采用的脉动燃烧器的燃烧强度高，生成的硫化物与氮氧化物含量低，减少了烟气净化设备的投资；

本发明的脉动燃烧过热蒸汽发生装置后期扩容方便，只需要在烟气扰动腔体外壁增加脉动燃烧器即可，无需对设备进行较大范围的改动。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。