CN100373093C - 往复式多孔介质燃烧高温空气发生系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种往复式多孔介质燃烧高温空气发生系统及其方法。它采用周期切换装置控制各控制阀，使空气和燃气的预混气体在多孔介质燃烧器内，周期性进行燃烧，高温烟气和低温空气交替流经多孔介质蓄热室，通过多孔介质蓄热体周期性放热和吸热，将产生的高温空气通过高温空气分流器分流，一部分进入多孔介质燃烧器助燃，一部分为系统产生的高温空气，从而实现了多孔介质燃烧与多孔介质蓄热相结合产生高温空气的方法。本发明利用多孔介质燃烧技术实现强化燃烧和低污染物的排放，使用高效多孔介质蓄热技术实现了烟气余热的极限回收；使系统结构简单、小型化、且燃烧负载变化范围更大、燃气适应范围更广。
Description
技术领域
本发明涉及高温空气发生系统，尤其是涉及往复式多孔介质燃烧高温空气发生系统及其方法。
背景技术
高温空气燃烧技术和气化技术是在20世纪90年代兴起的集节能、环保等多种优点的高新技术，是国际燃烧界公认的燃烧领域中的技术革命，两者均采用高于燃料着火点温度的高温空气作为基础。因此，如何连续不断的获得高温空气成为这两项新技术应用的重要条件。为此，国内外学者对高温空气的产生做了大量的研究，并提出相应的高温空气产生方法。
在20世纪80年代初，英国的一些大型公司联合开发出了一种高速切换型燃烧器，并将此行燃烧器应用于小型玻璃熔炉化炉中，节能效果显著，随后这种燃烧器被广泛的应用于英国和美国的钢铁和铝工业中。其中，所采用的蓄热体主要为陶瓷蓄热小球，虽然结构简单，但是蓄热量小，且由于燃烧是在超高温和富氧气氛下的自由空间燃烧，导致大量的NOx等污染物的形成。
在20世纪90年代，日本一些大型公司联合开发出蜂窝陶瓷蓄热体代替蓄热小球，随后又提出低氧气氛燃烧方法来降低NOx等燃烧污染物，出现了真正意义上的高温低氧空气燃烧技术，得到了国际工业界和科学界的广泛关注，被公认为国际燃烧界中的一次重要的技术革命，并迅速得到了广泛的应用。但是，燃烧仍然是在自由空间的扩散燃烧方式，并且低氧气氛是通过燃料高速喷入引起的吸卷效应导致烟气回流，以及燃料的分级燃烧等措施来实现的。这样就不可避免地增加了系统的复杂性，且燃料高速喷入需要较高压头，严格的喷嘴设计，同时一次燃料的燃烧在富氧条件下，会导致大量的NOx生成。其次，高温空气和燃气通过扩散方式来实现充分混合，其燃烧室必须保持足够大的空间来使其充分混合，从而难以使其结构进一步缩小。此外，在设计供给通道时，为降低NOx等污染物，还必须考虑燃料在自由空间中的扩散以及与炉气的混合程度，以及射流角度和深度等问题，给实际设计和应用带来较大困难。
90年代末，日本一些企业和研究院研制出一种专门的高温空气发生器，提出把经过蓄热体预热后的高温空气分成两部分，一部分为高温空气终端产品，另一部分进入燃烧器用于燃烧，提高燃烧室内的平均温度，使燃烧进一步强化。但其燃料的燃烧方式以其燃烧机理仍然属于自由空间扩散燃烧方式。
国内对高温空气燃烧的研究起步比较晚，而高温空气气化技术的开发和研究还处在萌芽时期。目前，一些大学和公司先后对蓄热式高温空气燃烧技术和高温空气发生器进行了研究，并提出了自己相应的模式，虽然形式有所不同，但用于产生高温空气燃烧室的燃烧机理和方式并没有发生变化，仍然属于自由空间扩散控制燃烧方式。
本发明的目的是提供一种结构更简单、小型化、节能和污染物排放更低、负荷变化范围更宽、燃气适应性更强的往复式多孔介质燃烧高温空气发生系统及其方法。
它具有第一多孔介质蓄热室和第二多孔介质蓄热室，第一多孔介质蓄热室上端设有第一烟气出口控制阀和第二空气进口控制阀，第二多孔介质蓄热室上端设有第二烟气出口控制阀和第一空气进口控制阀，第一多孔介质蓄热室下端设有第一多孔介质燃烧器，第一多孔介质燃烧器的进口设有第一预混燃气控制阀，第二高效多孔介质蓄热室下端设有第二多孔介质燃烧器，第二多孔介质燃烧器的进口设有第二预混燃气控制阀，第一预混燃气控制阀另一端和第二预混燃气控制阀另一端分别与预混燃气均匀分配器相接，第一多孔介质燃烧器下部侧向和第二多孔介质燃烧器下部侧向分别与高温空气分流器相接，采用周期切换装置控制。
它采用周期切换装置控制各控制阀，使空气和燃气的预混气体在多孔介质燃烧器内周期性燃烧，高温烟气和低温空气交替流经多孔介质蓄热室，使蓄热体周期性放热和吸热，通过高温空气分流器将产生的高温空气分流，一部分进入多孔介质燃烧器助燃，一部分为系统产生的高温空气，从而实现了多孔介质燃烧与多孔介质蓄热相结合产生高温空气的方法。
本发明的优点是直接将多孔介质燃烧技术和多孔介质蓄热技术相结合。不仅利用多孔介质燃烧技术实现预混气体在多孔介质中的高效低污染燃烧，还利用高效多孔介质蓄热技术实现了烟气余热的极限回收；同时，高温空气的助燃使多孔介质燃烧器具有二次送风的特性和高温空气多孔介质燃烧特性，使燃烧效率更加提高，NOx等污染物排放进一步降低，无需通过高速射流引起的卷吸作用导致烟气回流来实现低氧气氛，或者分级燃烧来降污染物排放(目前高温空气发生/燃烧技术的实现低污染排放的主要方式)，使系统结构简单、小型化、且燃烧负载变化范围更大，燃气适应范围更广。
附图说明
附图是往复式多孔介质燃烧高温空气发生系统结构示意图。
具体实施方式
如附图所示，往复式多孔介质燃烧高温空气发生系统具有第一多孔介质蓄热室4和第二多孔介质蓄热室10，第一多孔介质蓄热室4上端设有第一烟气出口控制阀5和第二空气进口控制阀6，第二多孔介质蓄热室10上端设有第二烟气出口控制阀9和第一空气进口控制阀8，第一多孔介质蓄热室4下端设有第一多孔介质燃烧器3，第一多孔介质燃烧器3的进口设有第一预混燃气控制阀2，第二多孔介质蓄热室10下端设有第二多孔介质燃烧器11，第二多孔介质燃烧器11的进口设有第二预混燃气控制阀12，第一预混燃气控制阀2另一端和第二预混燃气控制阀12另一端分别与预混燃气均匀分配器1相接，第一多孔介质燃烧器3下部侧向和第二多孔介质燃烧器11下部侧向分别与高温空气分流器7相接，采用周期切换装置控制。
所述多孔介质蓄热室的多孔介质为蜂窝型陶瓷蓄热体或陶瓷蓄热小球或泡沫陶瓷。多孔介质燃烧器的多孔介质为孔径、空隙率均匀、或孔径、空隙是逐渐变化的泡沫陶瓷。孔径均匀泡沫陶瓷的孔径范围为0.1mm～5mm。空隙率均匀泡沫陶瓷的空隙率范围为0.1～0.9。
孔径渐变泡沫陶瓷的孔径变化为0.1mm～5mm范围之内，并且是由多孔介质燃烧器进口开始，孔径单调增加变化。空隙率渐变泡沫陶瓷的空隙率变化为0.1～0.9范围之内，并且是由多孔介质燃烧器进口开始，空隙率单调增加变化。多孔介质燃烧器壳体部分或全部由热交换面构成。
第一烟气出口控制阀5、第二烟气出口控制阀9、第一空气进口控制阀8、第二空气进口控制阀6、第一预混燃气控制阀2、第二预混燃气控制阀12为：电磁阀、电动阀或者气动阀。第一烟气出口控制阀5、第二烟气出口控制阀9、第一空气进口控制阀8、第二空气进口控制阀6可采用一个四通换向控制阀。
多孔介质燃烧高温空气发生系统工作原理：第一工作周期开始时，通过由时间继电器、中间继电器、交流接触器等电器元件所组成流体流路周期切换控制装置，来控制第一预混燃气控制阀2、第一烟气出口控制阀5、第一空气进口控制阀8同时开启；并同时关闭第二预混燃气控制阀12、第二烟气出口控制阀9、第二空气进口控制阀6，使在混合燃气均匀分配器1混合后的预混燃气，经过第一预混燃气控制阀2，进入第一多孔介质燃烧器3内，在多孔介质中燃烧，同时，常温空气由第一空气进口控制阀8进入第二多孔介质蓄热室10，经过第二多孔介质燃烧器11中上部，吸收热量成为高温空气后，通过高温空气分流器7将产生的高温空气分流，一部分进入第一多孔介质燃烧器3助燃，这使得多孔介质燃烧器具有二次送风的特性和高温空气多孔介质燃烧特性，一部分为系统产生的高温空气；产生的高温烟气直接进入第一多孔介质蓄热室4释放热量，变成低温烟气后，由第一烟气出口控制阀5排出。
同理，在第二工作周期开始时，通过由时间继电器、中间继电器、交流接触器等电器元件所组成流体流路周期切换控制装置，来控制第二预混燃气控制阀12、第二烟气出口控制阀9、第二空气进口控制阀6同时开启；并同时关闭第一预混燃气控制阀2、第一烟气出口控制阀5、第一空气进口控制阀8，空气和燃气的在经过预混气体均匀分配器1混合后，经过第二预混燃气控制阀12进入第二多孔介质燃烧器11，在多孔介质中燃烧，同时，常温空气由第二空气进口控制阀6进入第二多孔介质蓄热室4，经过第一多孔介质燃烧器3中上部，吸收热量成为高温空气后，通过高温空气分流器7将产生的高温空气分流，一部分进入第二多孔介质燃烧器11助燃，这使得多孔介质燃烧器具有二次送风的特性和高温空气多孔介质燃烧特性，一部分为系统产生的高温空气；产生的高温烟气直接进入第二多孔介质蓄热室10释放热量，变成低温烟气后，由第二烟气出口控制阀9排出。
这样，系统周期性的交替进行，连续不断的产生高温空气，从而实现了多孔介质燃烧与多孔介质蓄热相结合产生高温空气。
此外，当高温空气出口7的高温空气流量调小，甚至关闭，并调节一次空气和二次空气(高温空气)的比例，在本系统中可以实现极稀薄(低热值)可燃气体燃烧。
多孔介质燃烧高温空气发生系统，具有多孔介质燃烧器的优越性，燃烧效率高，污染物排放低，自适应能力强，负荷调节范围广，直接与蓄热技术相结合，实现了烟气余热的极限回收，燃烧室体积小、结构紧凑。产生的高温空气能广泛的应用于冶金、玻璃、陶瓷等工业部门的各种热工炉窑以及工业锅炉，还可应用于煤、生物质、城市生活垃圾、医疗垃圾等固体废弃物的气化或燃烧领域。
Claims (10)
1.一种往复式多孔介质燃烧高温空气发生系统，其特征在于，它具有第一多孔介质蓄热室(4)和第二多孔介质蓄热室(10)，第一多孔介质蓄热室(4)上端设有第一烟气出口控制阀(5)和第二空气进口控制阀(6)，第二多孔介质蓄热室(10)上端设有第二烟气出口控制阀(9)和第一空气进口控制阀(8)，第一多孔介质蓄热室(4)下端设有第一多孔介质燃烧器(3)，第一多孔介质燃烧器(3)的进口设有第一预混燃气控制阀(2)，第二多孔介质蓄热室(10)下端设有第二多孔介质燃烧器(11)，第二多孔介质燃烧器(11)的进口设有第二预混燃气控制阀(12)，第一预混燃气控制阀(2)另一端和第二预混燃气控制阀(12)另一端分别与预混燃气均匀分配器(1)相接，第一多孔介质燃烧器(3)下部侧向和第二多孔介质燃烧器(11)下部侧向分别与高温空气分流器(7)相接，采用周期切换装置对流体流路进行周期性切换。
2.根据权利要求1所述的一种往复式多孔介质燃烧高温空气发生系统，其特征在于，所述多孔介质蓄热室的多孔介质为蜂窝型陶瓷蓄热体、陶瓷蓄热小球或泡沫陶瓷。
3.根据权利要求1所述的一种往复式多孔介质燃烧高温空气发生系统，其特征在于，所述多孔介质燃烧器的多孔介质为孔径、空隙率均匀、或孔径、空隙逐渐变化的泡沫陶瓷。
4.根据权利要求3所述的一种往复式多孔介质燃烧高温空气发生系统，其特征在于，所述孔径均匀泡沫陶瓷的孔径范围为0.1mm～5mm，空隙率均匀泡沫陶瓷的空隙率范围为0.1～0.9。
5.根据权利要求3所述的一种往复式多孔介质燃烧高温空气发生系统，其特征在于，所述孔径渐变泡沫陶瓷的孔径变化为0.1mm～5mm范围之内，并且是由多孔介质燃烧器进口开始，孔径单调增加变化。
6.根据权利要求3所述的一种往复式多孔介质燃烧高温空气发生系统，其特征在于，所述空隙率渐变泡沫陶瓷的空隙率变化为0.1～0.9范围之内，并且是由多孔介质燃烧器进口开始，空隙率单调增加变化。
7.根据权利要求1所述的一种往复式多孔介质燃烧高温空气发生系统，其特征在于，所述多孔介质燃烧器壳体部分或全部由热交换面构成。
8.根据权利要求1所述的一种往复式多孔介质燃烧高温空气发生系统，其特征在于，所述的第一烟气出口控制阀(5)、第二烟气出口控制阀(9)、第一空气进口控制阀(8)、第二空气进口控制阀(6)、第一预混燃气控制阀(2)、 第二预混燃气控制阀(12)为：电磁阀、电动阀或者气动阀。
9.根据权利要求8所述的一种往复式多孔介质燃烧高温空气发生系统，其特征在于，所述的第一烟气出口控制阀(5)、第二烟气出口控制阀(9)、第一空气进口控制阀(8)、第二空气进口控制阀(6)采用一个四通换向控制阀。
10.一种使用如权利要求1所述系统的往复式多孔介质燃烧高温空气发生方法，其特征在于，采用周期切换装置控制各控制阀，使空气和燃气的预混气体在多孔介质燃烧器内周期性燃烧，高温烟气和低温空气交替流经多孔介质蓄热室，使蓄热体周期性放热和吸热，通过高温空气分流器将产生的高温空气分流，一部分进入多孔介质燃烧器助燃，一部分为系统产生的高温空气，从而实现了多孔介质燃烧与多孔介质蓄热相结合产生高温空气的方法。
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