CN103528084B - 自身预热式高温氧化排烟罩 - Google Patents
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自身预热式高温氧化排烟罩，主要包括共中心轴线的圆台筒状炉顶盖(1)、外圆管(2)、内圆管(3)和圆柱筒状排烟管(4)，圆环状中挡板(5)和圆环状底挡板(6)，炉顶盖(1)内腔和排烟管(4)内腔相连通，外圆管(2)内置内圆管(3)，内圆管(3)内置排烟管(4)，炉顶盖(1)侧壁面周向均匀布置众多条缝状倾斜进风口(11)，内圆管(3)侧壁面均匀布置中心轴线延长垂直相交于排烟管(4)中心轴线的众多细圆孔(31)。发明结构紧凑，性能稳定，室外无烟雾排放，室内空气清新、无焦油味，无胸闷恶心感，空气粉尘焦油一氧化碳浓度均满足GB16410-2007要求。农业农村领域生物质燃料高效清洁燃烧可使用本发明。
Description
技术领域本发明涉及一种综合空气-烟气喷吹换热、高温燃烧和旋流燃烧等技术优势，以减少生物质燃料不完全燃烧烟气碳黑、焦油和一氧化碳等环境污染为目的的自身预热式高温氧化排烟罩。适用于农业农村领域生物质燃料高效清洁燃烧使用。
背景技术我国生物质燃料分布广泛，总量巨大，仅农村每年产生的生物质燃料可折合2.7×109吨标准煤，占农村总能耗40％左右，其中秸秆产量超过700Mt，谷壳40Mt。由于缺乏有效的生物质燃料高效清洁燃烧技术，全国有近一半的秸秆在田间直接焚烧。另外，木材加工、木制品生产产生的大量木屑、锯木等被废弃，食品加工产生的壳、皮等被当作垃圾填埋。研发一种生物质燃料高效清洁燃烧炉具，可以满足当今节能减排和建设“两型”社会的需要，提高我国生物质资源能源化利用水平，缓解我国广大农村面临的日益严重的环保压力。
生物质燃料属于低热值燃料，燃烧温度不高，其燃烧属于中低温燃烧。目前农村大多数生物质炉具只考虑为炉内生物质燃料燃烧提供一次空气，但一次空气难以均匀接触到固体生物质燃料表面，燃烧过程中空气供应严重不足，加上燃烧温度不高，炉内发生明显的不完全燃烧，火焰呈黄色，火焰温度低。炉膛内热浮力作用使得碳黑、焦油和一氧化碳等燃烧中间产物过早地离开高温区。这些燃烧中间产物一旦离开高温区，即刻失去继续完全氧化所需的温度条件，加上炉具敞开式排烟设计，这些燃烧中间产物浓度迅速变低，失去继续完全氧化所需的又一个可燃分子浓度条件。这些燃烧中间产物随后以燃烧污染物形式扩散到室内，使得室内碳黑、焦油和一氧化碳浓度逐渐升高，最终达到远远超过国家标准GB16410-2007规定的燃烧污染物排放浓度，散发出难闻的焦油味，严重的发生胸闷甚至一氧化碳中毒事故。这些燃烧中间产物一方面是可以继续燃烧放热，即储存在碳黑、焦油和一氧化碳中的能源没有充分释放出来，造成大量宝贵的生物质能源得不到有效利用，另一方面是燃烧污染物，严重污染环境和危害人们的身体健康。解决上述问题的技术关键是为这些燃烧污染物提供完全氧化所需条件：碳黑、焦油和一氧化碳分子高度浓缩，增加助燃空气供应，可燃分子和氧分子充分均匀混合，延长燃烧污染物在高温区的停留时间，提高燃烧氧化温度。
发明内容为了克服传统生物质燃料炉具因中低温燃烧、空气供应不足、可燃物和空气混合不均匀不充分、燃烧时间短而出现的排放黑烟、焦油、一氧化碳等不节能、环境污染问题，本发明集成空气-烟气喷吹换热、高温燃烧和旋流燃烧新技术，提供一种二次空气喷吹高温排烟管，实现烟气余热高效回收和二次空气高效预热，二次空气在炉膛顶部区域旋流使碳黑、焦油、一氧化碳等浓缩集中并和二次空气充分混合，实现燃烧污染物长时间高温氧化的自身预热式高温氧化排烟罩。
自身预热式高温氧化排烟罩，主要包括呈圆台筒状的炉顶盖1、外圆管2、内圆管3、呈圆柱筒状的排烟管4、呈圆环状的中挡板5和呈圆环状的底挡板6，炉顶盖1侧壁外表面周向均匀布置众多呈矩形条缝状的进风口11，进风口11两短边中点连线延长汇集相交于炉顶盖1中心轴线上同一点，通过任一个进风口11的呈条缝状的气流通道均沿逆时针方向向炉顶盖1内腔倾斜且任一个气流通道和其所在的进风口11两短边中点连线与炉顶盖1中心轴线决定的垂直面交角均相等，进风口11上短边和气流通道顶面在同一水平面上，进风口11下短边和气流通道底面在同一水平面上，炉顶盖1和排烟管4中心轴线重合，排烟管4底面圆周和炉顶盖1顶面金属圆周重合且满焊连结，炉顶盖1底面金属圆周和外圆管2底面圆周重合且满焊连结，外圆管2内置共中心轴线的内圆管3，内圆管3内置共中心轴线的排烟管4，内圆管3底圆面和排烟管4底圆面在同一水平面上，在排烟管4侧壁中部位置垂直于排烟管4侧壁布置中挡板5并用中挡板5将排烟管4和内圆管3之间的环形通道封死，在内圆管3底圆面位置垂直于内圆管3侧壁布置底挡板6并用底挡板6将外圆管2和内圆管3之间的环形通道封死，中挡板5以下的内圆管3侧壁面均匀布置众多的细圆孔31，细圆孔31中心轴线延长线和排烟管4中心轴线垂直相交。
发明结构紧凑，制作安装维护简便，炉具性能稳定，燃烧污染物氧化速度快，能量利用率高，炉具使用现场室外无明显烟雾排放，室内空气清新、无焦油味，无胸闷恶心感，室内空气粉尘、焦油和一氧化碳浓度均低于GB16410-2007排放标准，灰渣燃烧干净，生物质燃料适应性强。农业农村领域各种生物质燃料高效清洁燃烧使用场所均可使用本发明。
附图说明
图1为自身预热式高温氧化排烟罩垂直剖面图，图2为炉顶盖1俯视图，图3为内圆管3侧壁展开图，标号1为炉顶盖，11为进风口，2为外圆管，3为内圆管、31为细圆孔、4为排烟管，5为中挡板，6为底挡板。
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
具体实施方式
如图1、图2和图3所示，自身预热式高温氧化排烟罩，主要包括呈圆台筒状的炉顶盖1、外圆管2、内圆管3、呈圆柱筒状的排烟管4、呈圆环状的中挡板5和呈圆环状的底挡板6。炉顶盖1、外圆管2、内圆管3和排烟管4的中心轴线重合。外圆管2、内圆管3和排烟管4从外向内依次套装且共中心轴线。外圆管2内置中心轴线重合的内圆管3，内圆管3内置中心轴线重合的排烟管4。炉顶盖1包括金属外壳和耐火砖内衬。炉顶盖1顶面金属外壳和排烟管4底面圆周重合且满焊连结，炉顶盖1底面金属外壳和外圆管2底面圆周重合且满焊连结。炉顶盖1侧壁外表面周向均匀布置众多呈矩形条缝状的、等高等宽的进风口11，进风口11两短边中点连线延长汇集相交于炉顶盖1中心轴线上同一点，通过任一个进风口11的呈条缝状的气流通道均沿逆时针方向向炉顶盖1内腔倾斜，且任一个气流通道和其所在的进风口11两短边中点连线与炉顶盖1中心轴线决定的垂直面交角均相等，进风口11上短边和气流通道顶面在同一水平面上，进风口11下短边和气流通道底面在同一水平面上，进风口11和气流通道高度相等、宽度相等，同一水平面气流通道中心线与炉顶盖1中心轴线的距离相等。内圆管3底圆面和排烟管4底圆面处于同一水平面上。底挡板6内径和内圆管3内径相等，底挡板6外径和外圆管2内径相等，底挡板6和内圆管3垂直并沿底挡板6内圆周满焊连结，底挡板6和外圆管2内侧壁垂直并沿底挡板6外圆周满焊连结。底挡板6垂直于内圆管3侧壁面并在内圆管3底圆面位置将外圆管2和内圆管3之间的环形通道封死。二次空气不能从外圆管2和内圆管3的环形通道直接流到炉顶盖1与外圆管2之间空间。中挡板5内径和内圆管3内径相等，中挡板5外径和排烟管4外径相等，顶挡板5和排烟管4外壁垂直并沿中挡板5内圆周满焊连结，中挡板5和内圆管3内壁面垂直并沿中挡板5外圆周满焊连结。中挡板5垂直于内圆管3侧壁面并在排烟管4侧壁中部位置将内圆管3和排烟管4之间的环形通道封死。二次空气进入内圆管3和排烟管4之间的环形通道后不能向上流动，只能流到炉顶盖1与外圆管2之间空间。底挡板6和中挡板5之间的内圆管3壁面均匀布置众多的细圆孔31，细圆孔31中心轴线延长线和排烟管4中心轴线垂直相交。
炉顶盖1外壳和除炉顶盖1外的各个组件材质均为同种钢材，能焊接连结相邻两部件。炉顶盖1内衬为高温耐火砖。
发明加工制作时，外圆管2以底挡板6位置为界裁成两段，内圆管3以中挡板5位置为界裁成两段。先预制炉顶盖1众多切向进风口11和内圆管3下段众多细圆孔31，再加工排烟管4，中挡板5和底挡板6，最后依次满焊连结排烟管4与炉顶盖1、中挡板5和排烟管4、内圆管3下段和中挡板5、内圆管3下段和内圆管3上段、内圆管3下段和底挡板6、底挡板6和外圆管2下段、外圆管2下段和外圆管2上段、外圆管2下段和炉顶盖1。
炉顶盖1底面金属外壳直径和炉具炉膛顶面圆周直径相等，炉顶盖1将炉膛空间封闭。发明置于炉具炉膛顶部，垂直安装，排烟管4顶端伸出室外。
二次空气流量占到全部助燃空气流量比例为40％～60％。
生物质燃料和一次空气混合燃烧，燃烧污染物聚集于炉顶盖1内腔。鼓风机驱动的二次空气进入内圆管3和外圆管2之间的环形通道。在底挡板6阻塞作用下，从众多细圆孔31径向喷吹而出的二次空气垂直冲击高温排烟管4侧壁外表面，二次空气吸收排烟管4壁面热量后从常温预热到450℃～600℃中温水平。在中挡板5阻塞作用下，中温二次空气流动方向改变90°，流至外圆管2与炉顶盖1之间空间，然后沿炉顶盖1侧壁面众多进风口11及气流通道倾斜喷入炉顶盖1内。在炉顶盖1内中温二次空气旋转向上流动，不断卷吸原来停留在炉顶盖1内的燃烧污染物，燃烧污染物快速完全氧化生成高温烟气，燃烧温度提高到800℃～1000℃。高温烟气在排烟管4向上抽吸作用下离开炉顶盖1进入排烟管4。二次空气流过排烟管时烟气加热排烟管4侧壁，为排烟管4外侧二次空气预热升温提供热源，烟气自身降温到200℃～250℃排至室外。
发明结构特征、技术特征及带来的技术效果详细描述如下：
发明具有“炉顶盖1侧壁面周向均匀布置众多呈矩形条缝状的进风口11”的结构特征。如图1和图2所示，炉顶盖1侧壁外表面周向均匀布置众多呈矩形条缝状的进风口11，进风口11两短边中点连线延长汇集相交于炉顶盖1中心轴线上同一点，通过任一个进风口11的呈条缝状的气流通道均沿逆时针方向向炉顶盖1内腔倾斜且任一个气流通道和其所在的进风口11两短边中点连线与炉顶盖1中心轴线决定的垂直面交角均相等，进风口11上短边和气流通道顶面在同一水平面上，进风口11下短边和气流通道底面在同一水平面上。进风口11沿炉顶盖1侧壁面呈辐射状向外均匀散开。炉顶盖1侧壁进风口11位置不超出炉顶盖1侧壁面与外圆管2相交的圆周范围。该结构特征带来两个技术特征：一是组织炉顶盖1内壁贴壁区域旋流流动。在炉顶盖1内二次空气旋转向上流动、同时不断卷吸炉腔顶部区域集留的碳黑、焦油、一氧化碳等燃烧污染物。在旋流离心力作用下，碳黑、焦油、一氧化碳和氧分子在炉顶盖1内贴壁区域高度集中，炉顶盖1内壁贴壁区域同时具备碳黑、焦油、一氧化碳分子高度浓缩、氧分子足够、可燃分子和氧分子充分均匀混合、燃烧区停留时间足够长和燃烧温度高等燃烧污染物完全氧化所需条件。二次空气旋流流动设计延长了燃烧污染物在高温区的停留时间。炉顶盖1内壁贴壁区域空间小，单位容积燃烧放热强度大，燃烧污染物氧化速度快。二次空气向上旋流增强了外排烟气动力，增大了炉内负压，减少了燃烧污染物外泄污染。二是全封闭式炉具代替敞开式炉具，减少了炉膛顶部区域温度梯度，增强了炉内燃烧过程的调节性，有效地避免炉膛顶部热损失，净化了室内空气。
发明具有“外圆管2、内圆管3和排烟管4从外向内依次套装且共中心轴线”的结构特征。如图1所示，外圆管2、内圆管3和排烟管4的中心轴线重合，外圆管2内套装内圆管3，内圆管3内套装排烟管4。内圆管3间壁将外圆管2和排烟管4之间的环形空间分为两个稳压空间。外圆管2上段、内圆管3和底挡板6围成的环形空间是二次空气流动区域，为外稳压室。内圆管3下段、中挡板5、排烟管4、炉顶盖1、外圆管2下段和底挡板6围成的空间也是二次空气流动区域，为内稳压室。外稳压室压力大于内稳压室压力，二次空气均匀地喷出流过众多细圆孔31。内稳压室压力大于炉膛压力，使中温二次空气均匀流过炉顶盖1众多进风口11进入炉顶盖1内。该结构特征带来三个技术特征：一是二次空气-烟气喷流换热。内外两个稳压室压力差使得二次空气喷吹流过众多细圆孔31，压力势能转变为动能，实现二次空气径向喷吹排烟管4效果。二是增强了发明结构和使用的安全性。从内向外依次是800℃～1000℃的高温烟气、450℃～600℃的中温二次空气、常温二次空气，防止了使用过程中热量散失和可能发生的烫伤事件发生。三是降低了排烟管4侧壁温度，延长了排烟管4使用寿命，
发明具有“炉顶盖1内腔和排烟管4内腔相连通”的结构特征。如图1所示，炉顶盖1和排烟管4的中心轴线重合，炉顶盖1顶面金属外壳和排烟管4底面圆周重合且满焊连结，排烟管4位于炉顶盖1顶中心，排烟管4顶端伸出室内。该结构特征带来技术特征：炉膛内负压稳定，排烟顺畅。排烟管4高度保证了足够的烟气自下向上抽吸作用力，炉膛内生物质燃料燃烧及燃烧污染物氧化始终在一定的负压条件下发生，防止炉膛内燃烧污染物外泄至室内而污染室内空气。
发明具有“内圆管3侧壁面均匀布置众多的细圆孔31”的结构特征。如图1和图3所示，内圆管3侧壁面均匀布置了众多细圆孔31，细圆孔31中心轴线延长线和排烟管4中心轴线垂直相交。细圆孔31最高点高度不超出中挡板5高度。该结构特征带来两个技术特征：一是二次空气流过内圆管3众多细圆孔31时压力势能转变为动能，从细圆孔31径向喷吹而出的二次空气垂直冲击高温排烟管4侧壁外表面，破坏了贴附在排烟管4侧壁外表面的流动边界层，加快了高温烟气→排烟管4侧壁→二次空气的综合传热，在烟气余热高效回收利用的同时二次空气高效预热。高温烟气→常温二次空气综合传热过程包括排烟管4侧壁内表面烟气-侧壁辐射对流换热、排烟管4侧壁导热和排烟管4侧壁外表面空气-侧壁对流换热，制约传热速度的关键是排烟管4侧壁外表面空气-侧壁对流换热，二次空气径向喷吹排烟管4侧壁外表面使得综合传热系数在二次空气平行流过排烟管4侧壁外表面基础上增大1倍～2倍，二次空气预热温度从平行流过150℃～350℃提高到450℃～600℃中温水平，烟气温度从平行流过450℃～350℃降低到200℃～250℃低温水平。二是炉顶盖1内中温二次空气和燃烧污染物充分均匀混合发生高温氧化，提高了燃烧温度，克服了传统低温燃烧缺点。二次空气进入炉顶盖1内腔温度提高到450℃～600℃，燃烧温度高到800℃～1000℃。燃烧温度提高可以使碳黑、焦油、一氧化碳等燃烧污染物氧化速度加快，二氧化碳和水蒸汽生成速度加快，从而提高燃烧污染物氧化反应完全程度，降低燃烧污染物排放浓度。
上述结构特征和技术特征带来的二个综合技术效果是：一是改传统炉具的中低温燃烧为高温燃烧，高效回收燃烧污染物氧化放热，在无需额外添加能源条件下改传统炉具的低或极低浓度燃烧污染物不完全氧化或不氧化为高浓度燃烧污染物完全氧化，解决了传统炉具低温燃烧难以克服的烟气中一氧化碳氧化反应速度慢、焦油分子难以氧化等问题，降低了燃烧污染物排放浓度；二是改传统炉具炉膛顶部未燃烬的燃烧污染物扩散排入室内空间为炉膛顶部未燃烬燃烧污染物高度聚集并完全氧化，提高了室内空气质量。
在生物质燃料燃烧炉具、生物质柴火灶具、生物质燃料锅炉等农业农村领域各种生物质燃料高效清洁燃烧场合都可以使用本发明。
试验表明：发明结构紧凑，制作安装维护简便，炉具性能稳定，燃烧污染物氧化速度快，能量利用率高，炉具使用现场室外无明显烟雾排放，室内空气清新、无焦油味，无胸闷和恶心等一氧化碳中毒感，室内空气粉尘、焦油和一氧化碳浓度均满足GB16410-2007要求，灰渣燃烧干净，生物质燃料适应性强。
Claims (1)
1.自身预热式高温氧化排烟罩，其特征在于：主要包括呈圆台筒状的炉顶盖(1)、外圆管(2)、内圆管(3)、呈圆柱筒状的排烟管(4)、呈圆环状的中挡板(5)和呈圆环状的底挡板(6)，炉顶盖(1)侧壁外表面周向均匀布置众多呈矩形条缝状的进风口(11)，进风口(11)两短边中点连线延长汇集相交于炉顶盖(1)中心轴线上同一点，通过任一个进风口(11)的呈条缝状的气流通道均沿逆时针方向向炉顶盖(1)内腔倾斜且任一个气流通道和其所在的进风口(11)两短边中点连线与炉顶盖(1)中心轴线决定的垂直面交角均相等，进风口(11)上短边和气流通道顶面在同一水平面上，进风口(11)下短边和气流通道底面在同一水平面上，炉顶盖(1)和排烟管(4)中心轴线重合，排烟管(4)底面圆周和炉顶盖(1)顶面金属圆周重合且满焊连结，炉顶盖(1)底面金属圆周和外圆管(2)底面圆周重合且满焊连结，外圆管(2)内置共中心轴线的内圆管(3)，内圆管(3)内置共中心轴线的排烟管(4)，内圆管(3)底圆面和排烟管(4)底圆面在同一水平面上，在排烟管(4)侧壁中部位置垂直于排烟管(4)侧壁布置中挡板(5)并用中挡板(5)将排烟管(4)和内圆管(3)之间的环形通道封死，在内圆管(3)底圆面位置垂直于内圆管(3)侧壁布置底挡板(6)并用底挡板(6)将外圆管(2)和内圆管(3)之间的环形通道封死，中挡板(5)以下的内圆管(3)侧壁面均匀布置众多的细圆孔(31)，细圆孔(31)中心轴线延长线和排烟管(4)中心轴线垂直相交。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20160120 Termination date: 20181030 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |