CN103017172A - 一种螺旋式超高温焚烧炉 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种螺旋式超高温焚烧炉，包括由内筒（4）、中间壁（3）和外筒（2）从内至外依次嵌套构成的炉体，外筒侧壁开口形成燃烧空气注入口（1）、炉体底部的炉灰排放口和燃料投入口，所述的中间壁与内、外筒之间形成相互连通的燃烧空气通道（A）和（B），且内筒筒壁外侧及中间壁外侧设有螺旋隔板（5），内筒筒壁上端开设两个以上的燃烧空气喷口（6）并固定安装导向板（9）。本发明的螺旋式超高温焚烧炉可以使注入的燃烧空气维持螺线形旋转，从而使燃烧灰不会附着在燃料表面，而是旋转积聚在火焰的中央，氧气和燃料充分接触，显著提高燃烧效率。

Description

一种螺旋式超高温焚烧炉

技术领域

本发明属于基于螺旋空气流动原理的超高温焚烧炉技术领域，尤其是涉及一种螺旋式超高温焚烧炉。

背景技术

在广义上，焚烧炉是对废物进行焚烧的燃烧设备。燃烧是指，燃料中的易燃性碳和氢与空气中的氧气结合，通过化学反应释放大量热能的过程。这种以燃烧基本定义为原理的燃烧设备，如今在各行各业中的普及率已经很高。即，在燃烧室内部使用各种各样的燃料，点火、焚烧后产生热能的燃烧设备。在工业界随着对燃烧设备要求的提高，人们对高效率、低污染的高性能燃烧设备的需求正在日益增加。

阶梯式(Seutoka)焚烧炉是普及率最高的一种传统燃烧设备。 阶梯式(Seutoka)燃烧方法是在燃烧室内的燃料底部提供空气进行高温燃烧的方式。这种方法最严重的问题就是，燃料在未能完全燃尽的状态下就通过上端出口排放出去，降低了燃烧效率。另外，由于燃料不能得到完全燃烧，导致大量的环境污染物质，如一氧化碳、二氧化硫（Sox）、氮氧化物（NOx）及二恶英排放到空气中。因为燃烧室内部空气是自下而上流动的，所以上述环境污染物质就和用于燃烧的热能气体一同从上端排放出去。为处理这些环境污染物质，就必须另设除尘设备。这也是传统燃烧设备所存在的弊端之一。

近年来，正在研发一种比传统的阶梯式(Seutoka)燃烧方式更加先进的、以焚烧炉空气流动的离心力为原理的离心分离焚烧炉。如韩国专利局注册的第10-559745号“以焚烧炉空气流动为原理的离心分离焚烧装置”，这种装置的结构由说明书附图中的图1所示，其由焚烧炉燃烧室12筒体外侧设置外筒13，筒体与外筒形成空气通道10；外筒13上面设置法兰16和空气调节板14；鼓风机11向空气通道10注入空气，空气在燃烧室12筒体和外筒13间的空气通道里旋转上升。空气流动到上端时，被法兰16下平面阻挡，空气在法兰下平面U形回转，自上而下的被注入燃烧室12。被注入燃烧室的空气不断旋转并产生离心力，因此不会聚集在中央，而是悬浮在燃烧室12的内壁表面上，并沿着内侧表面旋转下降，与燃料17混合产生燃烧火烟。

其设计原理如下：燃料被高速旋转的冷却空气离心分离，比重低的燃料向中心移动，燃烧后从排气筒15排放出去；比重高的燃料被离心分离后，悬浮在燃烧室12内壁旋转上升，与下降的空气汇合。汇合的空气和燃料通过旋转循环过程完全燃烧后从排气筒15排放出去。

该焚烧炉使空气旋转上升，上升的空气被法兰16阻挡，U型回转下降时，继续旋转并产生离心力。但是，仅依靠鼓风机11从切线方向注入空气时的力度，是远远不能维持空气旋转速度的。空气上升时，其旋转速度逐渐降低，流动到顶端的空气被法兰16阻挡、U型回转下降时，旋转速度再度降低。另外，虽然上述的焚烧炉使空气从炉上端沿着内壁旋转下降，但并不能保证在炉底部与燃料反应产生的燃烧火焰只集中在中央位置，而是蔓延上升到周围，导致与下降的空气发生冲突，产生湍流现象。湍流不但阻碍燃烧，更使熔融状态的燃料附着凝固在出口边缘和内壁，大大降低了燃烧效率。因无法安全燃烧，且火焰向四周蔓延、无法集中在中央，下降的燃烧空气就不能起到空气幕的作用，使内壁温度提高，大大降低了焚烧炉的寿命。

又如韩国专利局注册的第10-907269号“离心分离式连续燃烧装置及其燃烧方法”，说明书附图图2所示的是另外一种离心分离焚烧装置的断面概念图。

在图2里可以看到，该连续燃烧装置意识到了图1的现有技术中所存在的问题。即，燃烧空气在下降过程中无法维持原有离心力。为解决此问题，图2在燃烧室内壁中端和上端增设了内部注入口26和第三法兰34，强行向下移动从鼓风机90所注入的空气，使与炉内燃烧火焰冲突而产生的湍流量降为最低。但此技术仍然无法阻止火焰向周围蔓延，上升的火焰还是会与下降的空气相互冲突。虽然与图1的技术相比，燃烧效果上有一定程度的提高，但仍旧存在相同问题。

现存技术产生这些问题的根本原因是，燃烧火焰在上升排放过程中，不能聚集在中央排放。虽然火焰气体向排放口方向移动，但同时也向周围大面积扩散。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现存技术问题。本发明中，在炉的上端注入用于燃烧的空气，在焚烧炉中央形成螺旋旋转向心力，悬浮在炉内壁上的燃烧空气可以自然下降，起到冷却内壁和促进燃烧的作用，使炉内部火焰凝集成火柱排放出去，不会扩散到周边。且火焰火柱内部是超高温状态，使得燃料可以完全燃烧后排放出去。

为达到上述目的，本发明应用了螺旋空气流动的原理制成螺旋式超高温焚烧炉，如附图图四所示，本发明的螺旋式超高温焚烧炉的结构包括由内筒、中间壁和外筒从内至外依次嵌套构成的炉体，外筒侧壁开口形成空气注入口，炉体底部开有燃料投入口和炉灰排放口，所述中间壁与内、外筒之间形成相互连通的燃烧空气通道，且内筒筒壁外侧及中间壁外侧设有螺旋隔板，在内筒筒壁上端开设两个以上的燃烧空气喷口并固定安装导向板，嵌套结构的内筒、中间壁、外筒上端用顶板密封。

当焚烧炉内部的垃圾燃料被点火器点着火时，由外部注入口注入燃烧空气，该空气注入口的位置可以设在上端、中央位置或底部，注入的燃烧空气通过外筒流入内筒，因其两个通道中都设置了螺旋隔板，燃烧空气可以维持稳定的匀加速旋转运动，从而维持旋风式的螺旋回转运动。再经过设置在内筒上端的燃烧空气喷口和导向板，使旋转上升的燃烧空气向中央位置水平聚拢后旋转喷入燃烧燃料的炉内，另外，强有力的匀加速圆周运动可以产生向心力，达到形成圆柱形的火焰柱的目的，使之充分燃烧后，燃烧空气再形成螺旋式集聚在一起的圆柱形火焰从排放口排放出去，而不扩散到周边。

基于上述的焚烧炉的结构，本发明的焚烧炉可以高温收集排放空气，所以可以高效率的使用在锅炉加热或发电等需要热交换的作业中。而且焚烧过程中不需要加入任何助燃剂，这显著地降低了焚烧费用以及炉的制造成本，设计制造大型或小型焚烧炉均可。而且在燃烧中，燃烧灰不会附着在燃料表面，而是旋转积聚在火焰的中央，使燃烧灰无法妨碍氧气和燃料发生热化学连锁反应。氧气和燃料得到充分接触，形成了充分的燃烧条件，显著提高了燃烧效率。

附图说明

图1为韩国专利局注册的第10-559745号“以焚烧炉空气流动为原理的离心分离焚烧装置”的结构示意图；

图2是韩国专利局注册的第10-907269号“离心分离式连续燃烧装置及其燃烧方法”，离心分离式连续燃烧装置的结构示意图；

图3为本发明的螺旋式超高温焚烧炉的俯视图；

图4为本发明的螺旋式超高温焚烧炉的结构示意图；

其中，图3、图4中的符号：

A、内筒和中间壁形成的燃烧空气通道；B、外筒和中间壁形成的燃烧空气通道；1、燃烧空气注入口；2、外筒；3、中间壁；4、内筒；5、螺旋隔板；6、燃烧空气喷口；7、引导板；8、掐断板；9、导向板；100、排放口；101、顶板。

具体实施方式

如图3和图4所示，一种螺旋式超高温焚烧炉，包括由内筒（4）、中间壁（3）和外筒（2）从内至外依次嵌套构成的炉体，外筒侧壁开口形成空气注入口（1），炉体底部开有燃料投入口和炉灰排放口，且中间壁与内、外筒之间形成相互连通的燃烧空气通道（A）和（B），内筒筒壁外侧及中间壁外侧设有螺旋隔板（5），在内筒筒壁上端开设两个以上的燃烧空气喷口（6）并固定安装导向板（9），在嵌套的内筒、中间壁、外筒的上端平面处用顶板（101）密封。

供燃烧的空气通过外筒侧壁开口形成的空气注入口先流入外筒通道，此通道中的中间壁外侧上等距离设置螺旋隔板，这些螺旋隔板从垂直纵向上的第一条螺旋隔板到第二条螺旋隔板的距离、第二条到第三条的距离以及接下来的螺旋隔板间的距离均相同，且螺旋隔板沿着空气的方向倾斜。

中间壁（3）上设置螺旋隔板（5）是因为中间壁（3）接近中央位置，所以温度相对高一些，通过燃烧空气注入口（1）注入的燃烧空气，流经中间壁（3）和螺旋隔板（5）所形成的、拥有相对大的表面积的外通道（B）空间时，可以降低筒壁、特别是中间筒壁（3）的温度，达到燃烧空气自行预热的效果。另外，螺旋隔板5与外筒（2）间的空隙不但可以使空气流动顺畅，还可以防止因热膨胀或热变形而产生的炉内部结构的损坏。

内筒等距离地设置螺旋隔板，可以预热从外通道（B）流入内通道（A）的燃烧空气，降低内壁的温度，使燃烧空气可以维持稳定的匀加速旋转运动。在内筒筒壁外侧设置螺旋隔板的方式、原理和机能与上述外通道B的说明相同。

内筒设置的螺旋隔板和中间壁之间留有空隙。不在中间壁而是在内筒上设置螺旋隔板是因为内筒接近中央位置，所以温度相对高一些。内筒和螺旋隔板扩大了内筒的传热面积，即热传达面积，使通过外筒流入的燃烧空气，流经拥有相对大的表面积的内筒空间时，可以降低中间壁、特别是内筒的温度，达到燃烧空气自行预热的效果。另外，如同上述外筒的描述，螺旋隔板与中间壁间的空隙不但可以使空气流动顺畅，还可以防止因热膨胀或热变形而产生的炉内部结构的损坏。

另外，在上述内筒的最顶端设置了两个以上的燃烧空气喷口，使燃烧空气可以向中央位置水平喷出并旋转运动。燃烧空气喷口处设置导向板是由引导板和掐断板连接组成的，是一套设备，能够使喷出的燃烧空气可以与内筒的内侧接触并进行旋转运动。燃烧空气先流经内筒螺旋隔板的通道，再穿过引导板和掐断板之间，向炉内部中央位置旋转运动并水平喷射。为使水平喷射现象更加顺畅，内筒最顶端与导向板底部平面需保持垂直，才能使燃烧空气喷口呈水平方向、面向炉内部的中央位置。

设置的燃烧空气喷口和导向板是为了诱导旋转上升的燃烧空气向中央位置水平聚拢后旋转喷出。另外，强有力的匀加速圆周运动可以产生向心力，达到形成圆柱形的火焰柱的目的。

本发明的燃烧空气外部注入口设置在外筒侧壁的上端，为了使燃烧空气的流动更加顺畅，可根据需要将外部注入口设置在外筒上端和中央位置及下端等不同位置。另外，本发明的上述焚烧炉本体应由金属板材系列材质制成。

基于上述结构，以下是本发明的运作原理及其功能的说明。

本发明中，焚烧炉内部的垃圾燃料被点火器点火，由外部注入口（1）注入的燃烧空气，通过外通道（B）流入内通道（A），再经过设置在内筒（4）上端的燃烧空气喷口6进入炉的内部后水平喷出。此时，内通道（A）和外通道（B）中设置的螺旋隔板（5）使燃烧空气螺旋旋转，并且流动到内筒（4）的上端。燃烧空气吸收内筒（4）及中间壁（3）的热量，预热温度达到400℃以上。

注入炉内的空气流经外通道（B）和内通道（A）的空气通道，达到400度以上的预热状态。炉内的温度使中央位置形成火柱，内筒的内侧周围预热的燃烧空气一边下降一边吸收从中央位置的热源所传递而来的辐射热，使辐射热不能传递到内筒内侧，因此内筒内侧周围的温度可以维持在400-500度左右。

流动到内筒（4）上端的燃烧空气，沿着内筒（4）上端侧面的切线方向，通过由引导板（7）和掐断板（8）所组成的导向板（9），向炉内部中央位置水平喷出。此时，喷出空气的旋转力成倍上升。燃烧空气喷口（6）由两个以上、最好是四个或更多组成。这样向中央位置喷出的旋转燃烧空气才能维持匀加速圆周运动。

在上端中央位置旋转的燃烧空气，维持匀加速旋转，从上端开放的排出口（100）排放到外部。同时，连续的流体运动使底部的火焰从中央位置向外部喷出，与上述旋转的燃烧空气一同维持匀加速旋转运动，并一同排放到外部。因此，炉内部的火焰空气不断上升，和上端的旋转燃烧空气混合，集中在一起形成旋转火柱并流动上升。

此时，随着底部火焰空气的上升，底部压力也随之下降，导致上端和底部产生压力差。因此，从炉上端喷射到中央位置的、被预热的部分燃烧空气将沿着内筒的内侧下降，维持压力的平衡。下降的预热空气吸收从中央热源传递过来的辐射热，再次提高了预热温度。燃料和高温预热的燃烧空气混合，形成充分的热分解化学反应条件。这一过程不断循环，推进焚烧的整个过程。

在重复进行这一过程时，炉排放口（100）附近的燃烧空气不断水平旋转维持着匀加速圆周运动，致使空气产生向心力。因此炉内的中央位置形成旋转的火柱，燃料被匀加速圆周旋转向心力集聚到火柱中心，此时中央火柱的温度达到800-1200°C。同时，此时的压力、温度和旋转上升流体速度达到极限值。另外，由于旋转燃烧的缘故热分解化学反应进行的距离急速增加，扩大了氧气和燃料的接触面积，形成充分的完全燃烧条件。在这一过程中，形成完全燃烧，使燃烧热量最大限度的集聚在旋转燃烧的中央位置，中央位置的温度达到1300-1500℃。

当燃烧温度达到1300-1500℃时，燃烧物质将变为熔融状态，部分熔融状态物质的原子核被分解重组，并且释放热量产生超高温等离子现象，使温度急速上升至1600℃到2000℃以上，这时实现燃料的完全燃烧。

此后，燃烧的火焰靠着向心力在中央位置形成火柱，从外部新注入的燃烧空气完全隔离了正在进行燃烧过程的中央位置和内筒、中间壁、外筒这些周边位置，使中央位置和周边位置温度相差甚多，参与完完全燃烧的高温空气螺旋集聚在一起，高速旋转从炉体上端的排放口排放出去，炉灰从底部的炉灰排放口排放出去。

以上所述，为本发明内容的较佳实施案例，并非对发明内容作任何限制，凡是根据本发明内容技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明内容技术方案的保护范围内。

Claims (6)

1.一种螺旋式超高温焚烧炉，包括由内筒（4）、中间壁（3）和外筒（2）从内至外依次嵌套构成的炉体，外筒侧壁开口形成空气注入口（1），炉体底部开有燃料投入口和炉灰排放口，所述中间壁与内、外筒之间形成相互连通的燃烧空气通道（A）和（B），其特征在于，所述内筒筒壁外侧及中间壁外侧设有螺旋隔板（5），在内筒筒壁上端开设两个以上的燃烧空气喷口（6）并固定安装导向板（9）。

2.根据权利要求1所述的螺旋式超高温焚烧炉，其特征在于，内筒筒壁外侧及中间壁外侧设置的螺旋隔板均是等距离设置的，且内筒的螺旋隔板与中间壁之间、中间壁的螺旋隔板与外筒之间均存在空隙。

3.根据权利要求2所述的螺旋式超高温焚烧炉，其特征在于，所述的螺旋隔板沿着注入的燃烧空气的方向倾斜。

4.根据权利要求1所述的螺旋式超高温焚烧炉，其特征在于，在空气喷口处设置的导向板是由引导板（7）和掐断板（8）组成的。

5.根据权利要求1或4所述的螺旋式超高温焚烧炉，其特征在于，导向板的底部平面与内筒筒壁上端平面相垂直。

6.根据权利要求1所述的螺旋式超高温焚烧炉，其特征在于，外筒侧壁上的空气注入口位置可以在上端、中央位置或底端。

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