技术领域
[0001] 本实用新型属于瓦斯燃烧领域。
背景技术
[0002] 众所周知瓦斯的主要成分甲烷，是严重的
温室气体，其
温室效应与CO2相比，是它的24.6倍，对破坏大气臭
氧层的能
力更是CO2的7倍。因此每年矿井大量的低浓度瓦斯因无法利用而对空排放，不仅是对有限的不可再生的化石
能源的严重浪费，同时还导致了温室效应及环境污染加剧。瓦斯其
燃烧热值在35000～39000kJ/m3之间，在成为温室气体的同时还扮演着优质能源的
角色，，堪比常规
天然气，可以作为能源化工过程的原料。
[0003] 但是低浓度瓦斯顾名思义可供燃烧的成分极低，燃烧过程中所产生的热量远小于往环境中的
散热量，持续燃烧非常困难，因此不能采用常规的燃烧装置来进行燃烧，因此对于处在该浓度的低浓度瓦斯必须采用特殊的燃烧方式及相应的燃烧器。
[0004] 脉动燃烧作为特殊的燃烧方式，既非爆燃也非正常燃烧而是介于其中间。给予其一定条件的激励，使其产生的声学脉动与燃烧过程中产生的热脉动达到一定的声热耦合，便可以产生周期性的脉动燃烧。燃烧过程中压力、
温度以及热释放率等表征燃烧特性的状态参数随时间做周期性的变化，具有高燃烧效率、较大
传热系数、较小污染
排放量、可以自吸
增压的优点，利用脉动燃烧技术可以有效处理低浓度瓦斯的燃烧；
[0005] 由于瓦斯源的浓度并非稳定值，从主管压入
燃烧室中的低浓度瓦斯可能存在甲烷浓度过低的问题，即使在燃烧室脉动供气的情形下，燃烧室中也存在无法顺利点燃，或是无法保持多个脉动周期燃烧的连续性。
发明内容
[0006] 发明目的：为了克服
现有技术中存在的不足，本实用新型提供燃烧更加稳定的带翼管的低浓度瓦斯脉动燃烧器。
[0007] 技术方案：为实现上述目的，本实用新型的带翼管的低浓度瓦斯脉动燃烧器，包括长柱状的瓦斯分流箱，所述瓦斯分流箱的一侧设置有五个瓦斯燃烧器；
[0008] 所述瓦斯分流箱远离若干所述瓦斯燃烧器的一侧还设置有瓦斯脉动供给管，所述瓦斯脉动供给管与所述瓦斯分流箱相互垂直设置；所述瓦斯脉动供给管的出气端连通于所述瓦斯分流箱内的分流腔的中部；
[0009] 所述瓦斯脉动供给管的两侧还对称旁通连接有左翼管和右翼管，所述左翼管和右翼管的出口分别连通所述瓦斯分流箱内的分流腔两侧；
[0010] 五所述瓦斯燃烧器沿所述瓦斯分流箱的轴线等距阵列分布；各所述瓦斯燃烧器的轴线均与所述瓦斯分流箱的轴线垂直；所述瓦斯燃烧器为柱状筒体结构，所述瓦斯燃烧器的内腔为柱状燃烧室，各所述燃烧室的燃气进气端均通过至少五个均布的瓦斯导气孔连通所述瓦斯分流箱内的分流腔；各所述燃烧室远离所述瓦斯分流箱的一端为排烟端。
[0011] 进一步的，所述瓦斯脉动供给管的管内设置有一段内径变小的喉缩通道，所述喉缩通道的内径为左翼管/右翼管内径的一半；所述瓦斯脉动供给管与左翼管/右翼管的旁通连接处为分流部，所述喉缩通道位于所述分流部与所述瓦斯分流箱之间。
[0012] 进一步的，五所述瓦斯燃烧器依次包括第一瓦斯燃烧器、第二瓦斯燃烧器、第三瓦斯燃烧器、第四瓦斯燃烧器、第五瓦斯燃烧器；所述左翼管的出口与所述分流腔的连通处位于所述第一瓦斯燃烧器与第二瓦斯燃烧器之间；所述右翼管的出口与所述分流腔的连通处位于所述第四瓦斯燃烧器和第五瓦斯燃烧器之间；所述瓦斯脉动供给管的出气端与所述第三瓦斯燃烧器相互同轴心。
[0013] 有益效果：本实用新型的结构简单，增加翼管结构，有效增强了各个燃烧室中着火期间的火焰
稳定性，拓宽了进入燃烧器内的燃气流速上限，在该优化设计方案下可以获得较优的速度场，流量均匀性，燃烧稳定性得到大大加强；与此同时在本方案中还增加了加浓的结构，解决了浓度过低无法连续燃烧的问题。
附图说明
[0014] 附图1为带翼管的燃烧器组合结构；
[0015] 附图2为带翼管的燃烧器组合结构的CFD分析速度
云图；
[0016] 附图3为瓦斯燃烧器的CFD分析局部矢量速度云图；
[0017] 附图4为还未加装甲烷加浓
箱体时的燃烧器剖开结构示意图；
[0018] 附图5为在燃烧器上加装甲烷加浓箱体后的结构示意图；
[0019] 附图6为附图4的第一立体剖视图；
[0020] 附图7为附图4的第二立体剖视图；
[0021] 附图8为附图4的第三立体剖视图；
[0022] 附图9为旋转配气环体结构示意图。
具体实施方式
[0023] 下面结合附图对本实用新型作更进一步的说明。
[0024] 如附图1至9所示的带翼管的低浓度瓦斯脉动燃烧器，包括长柱状的瓦斯分流箱79，所述瓦斯分流箱79的一侧设置有五个瓦斯燃烧器10；
[0025] 所述瓦斯分流箱79远离若干所述瓦斯燃烧器10的一侧还设置有瓦斯脉动供给管82，所述瓦斯脉动供给管82与所述瓦斯分流箱79相互垂直设置；所述瓦斯脉动供给管82的出气端连通于所述瓦斯分流箱79内的分流腔78的中部；
[0026] 所述瓦斯脉动供给管82的两侧还对称旁通连接有左翼管84和右翼管85，所述左翼管84和右翼管85的出口分别连通所述瓦斯分流箱79内的分流腔78两侧；
[0027] 五所述瓦斯燃烧器10沿所述瓦斯分流箱79的轴线等距阵列分布；各所述瓦斯燃烧器10的轴线均与所述瓦斯分流箱79的轴线垂直；所述瓦斯燃烧器10为柱状筒体结构，所述瓦斯燃烧器10的内腔为柱状燃烧室12，各所述燃烧室12的燃气进气端均通过至少五个均布的瓦斯导气孔77连通所述瓦斯分流箱79内的分流腔78；各所述燃烧室12远离所述瓦斯分流箱79的一端为排烟端。
[0028] 所述瓦斯脉动供给管82的管内设置有一段内径变小的喉缩通道88，所述喉缩通道88的内径为左翼管84/右翼管85内径的一半；所述瓦斯脉动供给管82与左翼管84/右翼管85的旁通连接处为分流部013，所述喉缩通道88位于所述分流部013与所述瓦斯分流箱79之间。
[0029] 五所述瓦斯燃烧器10依次包括第一瓦斯燃烧器10.1、第二瓦斯燃烧器10.2、第三瓦斯燃烧器10.3、第四瓦斯燃烧器10.4、第五瓦斯燃烧器10.5；所述左翼管84的出口与所述分流腔78的连通处位于所述第一瓦斯燃烧器10.1与第二瓦斯燃烧器10.2之间；所述右翼管85的出口与所述分流腔78的连通处位于所述第四瓦斯燃烧器10.4和第五瓦斯燃烧器10.5之间；所述瓦斯脉动供给管82的出气端与所述第三瓦斯燃烧器10.3相互同轴心。
[0030] 所述瓦斯燃烧器10的外侧一体化设置有环状的甲烷加浓箱体18，所述环状甲烷加浓箱体18内为环状的纯甲烷蓄压腔2；所述纯甲烷蓄压腔2与所述燃烧室12之间还同轴心设置有环状的甲烷加浓空腔层7；所述纯甲烷蓄压腔2与所述甲烷加浓空腔层7之间由第一环壁1分隔，所述甲烷加浓空腔层7与所述燃烧室12之间有第二环壁9分隔；所述第二环壁9的两侧沿轴线呈圆周阵列均布有若干甲烷加浓孔11，各所述甲烷加浓孔11将所述甲烷加浓空腔层7与所述燃烧室12之间相互连通；所述第一环壁1上呈圆周阵列分布有若干第一导气通道14，各所述第一导气通道14的内端均连通所述甲烷加浓空腔层7，所述纯甲烷蓄压腔2内还包括旋转配气环体6，所述旋转配气环体6转动套接在所述第一环壁1外侧，所述旋转配气环体6的
内圈中部一体化同轴心设置有环形凸缘21，所述环形凸缘21的内壁封堵各所述第一导气通道14的外端，所述环形凸缘21上呈圆周阵列分布有若干第二导气通道17，各所述第二导气通道17的外端均连通所述纯甲烷蓄压腔2，各所述第二导气通道17的内端能随环形凸缘21同步旋转至分别对齐连通若干第一导气通道14的外端；还包括纯甲烷增压供给管8，所述纯甲烷增压供给管8的出气端连通所述纯甲烷蓄压腔2；各所述第一导气通道14内均设置有防止气体反流的单向
阀13，所述
单向阀13能防止甲烷加浓空腔层7内的气体通过第一导气通道14反流至纯甲烷蓄压腔2内；所述旋转配气环体6内圈的环形凸缘21两侧还对称转动安装有两
轴承16；所述旋转配气环体6的
外圈设置有一圈齿体25，所述纯甲烷蓄压腔2还固定安装有
电机5，所述电机5的
输出轴4上同步连接有输出
齿轮3，所述输出齿轮3与所述旋转配气环体6上的一圈齿体25
啮合连接，所述电机5通过输出齿轮3带动所述旋转配气环体6沿轴线旋转。
[0031] 采用CFD数值模拟方法对燃烧器的结构合理性和技术进步进行验证：
[0032] 使用用ANSYS Fluent16.0完成该网格下的数值模拟，首先检验网格，确保其网格面积和体积没有负值的存在，不考虑重力影响。
[0033] 在模型中，设置流动过程为基于压力的稳态流动，同时由于我们主要关心低浓度瓦斯的流动状况，因此假定
流体为CH4和空气的混合气，采用多组分模型数值计算其在燃烧器管道中的流场分布情况。
[0034] 模型设置：
能量方程、标准
湍流方程、组分输运方程；
[0035] 材料设置：流体为methane-air、固体壁面为默认aluminum；
[0036] 边界条件设置：入口边界条件：速度入口，设定瓦斯脉动供给管82的供给速度为1.5m/s；出口边界条件：燃烧室12的排烟出口为
大气压力出口；湍流指标：湍流强度+
水力直径；
[0037] 温度：300K；
[0038] 组分：4％CH4、19.74％O2、2.82％CO2、73.44％N2；
[0039] 求解方法：SIMPLE单
精度，梯度基于网格采用最小二乘法，压力采用二阶迎
风，动量采用一阶迎风，湍流
动能采用一阶迎风，湍流耗散率采用一阶迎风；
[0040] 残差监视：所有参数收敛精度设置为0.001；
[0042] 初始化，运算过程中，在第324步时，各项指标均收敛至设定精度；
[0043] 模拟结束后得到的带翼管的燃烧器组合结构的CFD分析速度云图如附图2，由速度云图可以看出带翼管的结构，能获得较好的进气速度场，在附图3为瓦斯燃烧器的CFD分析局部矢量速度云图中可以看出，燃烧室12中产生双回流区，燃烧器局部速度矢量图可以明显看出其流场内有两个近乎对称的回流区，该对称双回流区的产生增强了瓦斯燃烧，并在期间新增了以下过程和现象：随着燃烧的进行高温烟气不断产生，同时伴随着回流现象被卷吸到火焰根部，与新进燃气进行热量传递。这意味着在燃烧器根部又新增了一个热源，对于瓦斯的持续燃烧有着重要意义；特别是在初点火时期，回流区的作用将更加明显；高温烟气从开始回流到燃烧器根部，其流速将越来越大，在这期间被回流的烟气与主流中的介质相混合，进行高效的动量传输，促使在回流区的新旧燃气相互交换混合，从而进一步使得燃烧室内部的温度分布更加均匀；部分随着高温烟气回流到燃烧室根部的未燃尽的燃气，会和新进燃气一起在根部被重新燃烧，对于气体的完全燃烧有重要作用。总而言之回流区的综合作用是，使燃烧器中瓦斯稳定而完全的燃烧，促进燃烧室内温度均匀、热加工
质量高；增强了每个脉动周期时着火期间的火焰稳定性，拓宽了进入燃烧器10内的燃气流速上限；
[0044] 本方案的加浓机构的方法、过程以及技术进步
整理如下：
[0045] 瓦斯源为包含CH4、O2、N2、CO2的混合气体，其中O2的浓度足够CH4的燃烧反应：
[0046] 瓦斯源中CH4浓度超过4％时，不用对燃烧室22进行CH4加浓；此时纯甲烷增压供给管8不向纯甲烷蓄压腔2内供给纯甲烷即可；此时单向阀13能防止甲烷加浓空腔层7内的气体通过若干第一导气通道14反流至纯甲烷蓄压腔2内；然后在瓦斯
泵的作用下将瓦斯通过瓦斯脉动供给管82呈脉动周期的形式连续向瓦斯分流箱79内供给瓦斯；进而使分流腔78的内部形成连续的脉动气压，进而分流腔78内的瓦斯通过各瓦斯导气孔77呈脉动周期的向燃烧室12内喷射瓦斯气体；燃烧室12内的瓦斯经点火装置点燃后，燃烧室12内形成连续的脉动火焰，进而燃烧室12内因燃烧产生的高温尾气持续通过燃烧室12的排烟端以尾焰的形式喷出，进而各个排气直管20所喷出的尾焰对用热设备进行加热；进而实现了对瓦斯的利用；
[0047] 当瓦斯源中CH4浓度小于4％时，在瓦斯泵的作用下将瓦斯通过瓦斯脉动供给管82呈脉动周期的形式连续向瓦斯分流箱79内供给瓦斯；进而使分流腔78的内部形成连续的脉动气压，进而分流腔78内的瓦斯通过各瓦斯导气孔77呈脉动周期的向燃烧室12内喷射瓦斯气体；由于通过若干瓦斯导气孔77喷出的瓦斯气体中CH4浓度小于4％，燃烧室12中无法顺利点燃或是无法保持多个脉动周期燃烧的连续性，需要对燃烧室12进行CH4加浓；此时纯甲烷增压供给管8将纯甲烷压入纯甲烷蓄压腔2内，并且纯甲烷增压供给管8持续维持纯甲烷蓄压腔2内的气压，且保证纯甲烷蓄压腔2内的气压始终大于燃烧室12内的气压，此时启动电机5，进而电机5通过输出齿轮3带动所述旋转配气环体6沿轴线旋转，进而环形凸缘21随旋转配气环体6同步旋转，环形凸缘21的呈周期性旋转使各第二导气通道17的内端呈周期性的旋转至对齐连通若干第一导气通道14的外端，进而使纯甲烷蓄压腔2与甲烷加浓空腔层7之间呈周期性的相互连通，进而使纯甲烷蓄压腔2内的甲烷通过若干第一导气通道14呈周期性的向甲烷加浓空腔层7内压入射纯CH4，进而使甲烷加浓空腔层7内形成纯CH4脉动气压，进而甲烷加浓空腔层7内的CH4脉动气体通过若干甲烷加浓孔11呈脉动周期性的向燃烧室12内压入纯CH4，通过控制电机5的输出齿轮3转速，进而控制旋转配气环体6，使纯甲烷蓄压腔2与甲烷加浓空腔层7之间呈周期性的相互连通周期和步调与瓦斯导气孔77向燃烧室12内喷射瓦斯气体的周期和步调一致；进而实现对燃烧室12内每个脉动燃烧周期都进行了燃气加浓，保证燃烧室12能连续的脉动燃烧；进而燃烧室12内因燃烧产生的高温尾气持续通过通过燃烧室12的排烟端以尾焰的形式喷出，，进而各个排气直管20所喷出的尾焰对用热设备进行加热；进而实现了对瓦斯的利用；与此同时甲烷加浓空腔层7内的纯甲烷气体能通过第二环壁9吸收燃烧室12内燃烧后产生的热量，进而使若干甲烷加浓孔11向燃烧室12内喷射的是已经预热的纯CH4，进而有效提高燃烧室12内的燃烧效率。
[0048] 以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
