CN105312164B - 流体离心分离装置及包含该分离装置的应用装置 - Google Patents

Abstract

一种流体离心分离装置，包含直管流道（98），直管流道的一端部有流体进口、另一端部有流体出口，有最少一个流体旋转驱动结构；其特征是：具有以下两者之最少任一的流体螺旋上升延缓结构：其一：有流体旋流环腔（60）包围直管流道侧壁；直管流道和流体旋流环腔之间，顺应流体旋转方向，分别设置升‑环通道（36）和环‑升通道（63）；其二：直管流道的内壁设置有流体螺旋上升的阻挡结构;流体螺旋上升的阻挡结构是以具有凹凸形状的截面沿一分布线扫描所得的凹凸结构；该分布线是螺旋线和环线两者之任一。

Description

流体离心分离装置及包含该分离装置的应用装置

技术领域

本专利申请涉及流体离心分离装置，它的应用尤其涉及燃烧减害化、垃圾处理、污水处理、烟气处理、节能、环保、居室（含厢室）环境、便携式个人呼吸器技术领域。

背景技术

燃烧是人们获取热能、动能和电力的重要手段，也是人们处理废弃物的重要方法。

燃烧烟气中，含有氮气、氧气、水蒸汽、二氧化碳、一氧化碳、硫氧化物气体、氮氧化物气体、气态有机物（比如二恶英）、粉尘等成分。

其中前三者被认为对环境无害；二氧化碳仅仅存在温室效应的负面作用，是可接受的正常的燃烧排放物（当然最好是加以资源化的利用，比如用来生产碳酸氢铵化肥）；其余的是有害排放。

充分燃烧，即燃烧温度足够高、烟气含氧量足够高并且烟气在高温下滞留时间足够长，则可以基本消除一氧化碳和气态有机物的生成和存在条件。

高温下，氮氧化物气体可以和一氧化碳反应生成无害的氮气和二氧化碳从而实现减害化；氮氧化物的转化率与一氧化碳浓度和反应时间正相关。

硫氧化物气体可以和氢氧化钙反应生成水和硫酸钙或亚硫酸钙，从而实现减害化。

粉尘比空气和烟气重（密度大），在其失去动能或者湿润时会趋于沉降。

以上是发明人了解的燃烧烟气减害化的现有技术。相关器物方面，发明人以“关键词=煤 AND 垃圾 AND 炉 AND 气 AND ( 炉排 OR 炉篦 ) AND ( 焚 OR 烧 ) AND ( 低OR 下 )”检索中国专利文献，有百余项命中。粗略浏览这些文献和媒体资讯后，发明人觉得在提供相关器物方面，尚存在创新和市场的空间。

发明内容

本专利申请的目的是提供一种流体离心分离装置，它可以应用于燃烧室而参与构成家用炉灶和/或工业窑炉（含锅炉），也可以应用于烟道（包含带换热器的烟道和烟囱）；还可以应用于空气分离，产生富氧空气和乏氧空气，它们可分别应用于居室换气、燃烧供氧、液氮和/或氨气工业、作为原料产生干热的乏氧空气（比如注塑机的塑胶原料需要经过干燥，如果用干热的乏氧空气干燥，则可减轻塑胶原料被氧化）；还可以应用于液体（比如污水）分离，针对被一次或多次分离的各种污水再分别进行减害化和/或资源化处理。

本专利申请的技术方案是（针对燃烧中的气体和烟气来说）：通过结构设计和不同密度流体成分的路径和局部气氛设计，以延长流体平均路径，消减流体动能（减少粉尘排放），增加密度较大流体的滞留时间，实现烟气的减害化排放。

即：一种流体离心分离装置，包含直管流道，直管流道的一端部有流体进口、另一端部有流体出口，有最少一个流体旋转（比如俯视顺时针上升）驱动结构（比如切向的进口、出口和/或旋转桨叶）；其特征是：具有以下两者之最少任一的流体螺旋上升延缓结构：

其一：有流体旋流环腔包围直管流道侧壁；直管流道和流体旋流环腔之间，顺应流体旋转方向，分别设置升-环通道和环-升通道（升-环通道，指从直管流道往流体旋流环腔的通道；环-升通道，指从流体旋流环腔往直管流道的通道。这样的升-环通道和环-升通道，有促使流体产生旋转的功效，也可视为流体旋转驱动结构）；

其二：直管流道的内壁设置有流体螺旋上升的阻挡结构;流体螺旋上升的阻挡结构是以具有凹凸形状的截面沿一分布线扫描所得的凹凸结构（指临近上下区域之间互为凸起和凹陷的结构）；该分布线是螺旋线（比如俯视顺时针下降，与气体上升螺旋线方向相反）和环线两者之任一。

本专利申请的有益效果：以直管流道作为燃烧室为例，结合前文和后文的描述，直管流道为高温过氧气氛，不利于一氧化碳和气态有机物的生成和保持；体积分量最多的氮气密度最小，位于旋转上升气流的中心，最易排出；一氧化碳、气态有机物、氧气、水蒸汽、二氧化碳、硫氧化物气体、氮氧化物气体、粉尘等，它们位于旋转上升气流的边缘，常常碰壁，又常常进入高温的流体旋流环腔内旋转下降然后再进入直管流道，路途曲折漫长而且关隘重重，粉尘会因失速趋于沉降，当没有新进流体进口和较重流体出口时，其余气体会一再的被氧化而终至充分燃烧，形成稳定物质后每次从流体出口排出少部分。

需要还原氮氧化物气体时，通过新进流体进口（见后述）向流体旋流环腔加入一氧化碳使形成最少是局部的还原气氛。

需要区别处理“富氮烟气”和“乏氮烟气”时，从较重流体出口（见后述）引出乏氮烟气。针对乏氮烟气，可以采用本分离装置进一步分离为“富硫烟气”和“富硝烟气”（可以整体串接即相当于延长本分离装置，比如从低位置的较重流体出口引出富硫烟气，从高位置的较重流体出口引出富硝烟气；也可以分支串接即第一个分离装置的较重流体出口接续到第二个分离装置的流体进口），再分别进行减害化处理。

结合前述和后述的结构、方法性的现有技术、组合和选择举例，可以预想本专利申请在烟气减害化方面具有重大的环境和经济效益；由前文专利申请目的部分的描述，可见它具有广泛的应用领域。

附图说明

下面结合附图和实施例对专利申请进一步说明。

图1～图11是包含分离装置的炉具的示意图；图12～图19是包含分离装置的洁净富氧空气发生器的示意图。

为简明表达，图1～图11未绘出炉具保温隔热结构、炉具顶盖和锅的承受结构、炉具进风口调节结构、炉具第二燃料进口盖，前三者为现有技术，后者结构简单依图示配套即可。

图1～图11从炉具的内部结构开始，逐步添加外部构件以及构件的附图，以清楚表达产品结构。

图1是炉篦10、支承结构20和蜂窝煤99的示意图。

图2在图1基础上添加内胆30并且隐藏蜂窝煤99。

图3是内胆30的主视示意图，图中标记390是直管流道内螺纹齿形扫描轮廓线。

图4是内胆30的仰视透视图。

图5在图2基础上添加外胆40。

图6是图5状态隐藏炉篦及其以下结构后的仰视图。

图7是外胆40的示意图。

图8是在图6基础上添加流体旋流环腔60后的立体图。

图9是流体旋流环腔60的示意图。

图10是流体旋流环腔60和内胆30的示意图，主要表示流体旋流环腔60与环-升通道63的位置关系；其中略去了内胆内螺纹投影的烦乱虚线。

图11是炉具的外观图。

图12～图19从洁净富氧空气发生器的内部结构开始，逐步添加外部构件以及构件的附图，以清楚表达产品结构。

图12是洁净富氧空气发生器隐藏流体旋流外环腔70之后的主视图。图中还隐藏了两个流体旋流环腔60。

图13是洁净富氧空气发生器上盖93的示意图。

图14是图12状态再隐藏上盖93之后的示意图。

图15是流体旋流环腔60的示意图。

图16是流体旋流环腔60的主视透视图。

图17是流体旋流环腔60的俯视透视图。

图18是图14状态显示流体旋流外环腔70之后的示意图。

图19是流体旋流外环腔70的主视透视图。

图中标记说明：

10 炉篦；20 支承结构；30 内胆，直管流道侧壁；36 升-环通道；63 环-升通道；39直管流道内螺纹；390 直管流道内螺纹齿形扫描轮廓线；40 外胆；41 第二燃料进口；42 第二燃料容腔-燃煤腔间通道；43 漏渣口；49 第二燃料容腔；50 炉具外筒；51 进风口，流体进口；59 隔热插板；97 炉渣腔；98 燃煤腔，直管流道；99 蜂窝煤；521 较轻流体出口；522较重流体出口； 60 流体旋流环腔； 61 流体旋流环腔顶面；69 流体旋流环腔底面；67流体旋流环腔-外环腔通道；70 流体旋流外环腔；75 挡水环；79 水出口；92 底盖；93 上盖；94环形溢水槽；95 进水管；96 U形水封。

具体实施方式

下文涉及多种附加特征并且为简明说明而加以编号。附加特征编号规则：1000、2000、3000相互并列；1100、1200、1300以附加特征1000为前提并且相互并列；字母看作（16进制的）数字；如此类推。

关于流体离心分离装置：

如图1～19所示，一种流体离心分离装置，包含直管流道98，直管流道的一端部有流体进口、另一端部有流体出口，有最少一个流体旋转驱动结构；其特征是：具有以下两者之最少任一的流体螺旋上升延缓结构：

其一：有流体旋流环腔60包围直管流道侧壁；直管流道和流体旋流环腔之间，顺应流体旋转方向，分别设置升-环通道36和环-升通道63；

其二：直管流道的内壁设置有流体螺旋上升的阻挡结构;流体螺旋上升的阻挡结构是以具有凹凸形状的截面沿一分布线扫描所得的凹凸结构；该分布线是螺旋线和环线两者之任一。间断的大体沿分布线分布的凹凸结构视为等效替换。

并且可选择采用以下附加特征。

附加特征1000：所说的流体螺旋上升延缓结构包含所说的“其一”。

附加特征1100：有最少2个流体旋流环腔60，互为上下设置。

附加特征1200：于直管流道侧，升-环通道36不低于环-升通道63。

附加特征1210：于直管流道侧，升-环通道36高于环-升通道63。附加特征1200和1210，是优化效果的选择；假使于直管流道侧，升-环通道36低于环-升通道63，也比现有技术延长了流体平均路径。

附加特征1300：流体旋流环腔底面69里低外高（见图15、图16）；有最少一个环-升通道63贴近流体旋流环腔60的底面。以便设备维护时冲洗；设备运行时则利于环-升通道63维持通畅。

附加特征1400：升-环通道36和环-升通道63两者之最少任一，其直管流道侧低于流体旋流环腔侧。以避免灰渣落入升-环通道36和环-升通道63。

附加特征1500：流体旋流环腔60内，所有升-环通道和环-升通道的最上一个的上方有空腔（即升-环通道和环-升通道均不贴近流体旋流环腔的顶面）；并且，所有升-环通道和环-升通道的最上一个的上方（可以）设置有新进流体（比如一氧化碳气体）进口（图中未示出）。

附加特征1510：新进流体进口顺应流体旋流环腔内的（也是直管流道内的）流体旋转方向。附加特征1500和1510是为还原氮氧化物而设计。

附加特征1600：流体旋流环腔有较重流体出口。以排出密度较大的流体。

附加特征2000：所说的流体螺旋上升延缓结构包含所说的“其二”。

附加特征2100：凹凸结构的截面形状具有挂钩形状（较重流体到达该处后的运动方向是旋转向上，“挂钩”使它们较难逃逸出该“挂钩”）。

附加特征3000：所说的流体螺旋上升延缓结构包含所说的“其一”和“其二”。

附加特征3100：升-环通道36和环-升通道63两者之最少任一于直管流道侧的位置，位于具有挂钩形状的截面的挂钩部。

流体旋流环腔不一定是扁平的。当流体旋流环腔较高时，其中可能设置有螺旋导流板。

关于炉具：

先解释一下后述的炉具之“包含流体离心分离装置”：虽然实施例只有一个流体出口，但是不同密度的流体是被分离然后经过了不同的路径和被作用，再混合的。其目的是实现洁净排放。

如图1～11所示，包含流体离心分离装置的炉具，包含炉篦10，炉篦上方设置顶部连通大气的直管流道即燃煤腔98，炉篦下方有炉渣腔97并且炉渣腔经过可调流体进口51连通大气；还包含支承结构20和保温隔热结构；有最少一个流体旋转驱动结构；其特征是：包含流体离心分离装置，并且流体离心分离装置具有以下两者之最少任一的流体螺旋上升延缓结构：

其一：有流体旋流环腔60包围直管流道侧壁；直管流道和流体旋流环腔之间，顺应流体旋转方向，分别设置升-环通道36和环-升通道63；

其二：直管流道的内壁设置有流体螺旋上升的阻挡结构;流体螺旋上升的阻挡结构是以具有凹凸形状的截面沿一分布线扫描所得的凹凸结构；该分布线是螺旋线和环线两者之任一。间断的大体沿分布线分布的凹凸结构视为等效替换。

该流体离心分离装置可以具有前述附加特征1000～3100之任一。

总结上面（分别以句话结尾的）两句话，即：一种炉具，包含炉篦10，炉篦上方设置顶部连通大气的直管流道即燃煤腔98，炉篦下方有炉渣腔97并且炉渣腔经过可调流体进口51连通大气；还包含支承结构20和保温隔热结构；其特征是：其包含如权利要求1～7之任一所述的流体离心分离装置。

附加特征4000：包围直管流道外壁设置第二燃料容腔49，该容腔上部经过第二燃料容腔-燃煤腔间通道42连通直管流道98；该容腔之远离第二燃料进口41的部位经过漏渣口43连通炉渣腔97。

燃煤腔内放置比较耐烧的第一燃料比如煤炭，第二燃料可以是柴草。

附加特征4100：第二燃料容腔41连通直管流道98的位置（即第二燃料容腔-燃煤腔间通道42的所在位置），低于燃煤腔内煤炭的最高位置。即：让由第二燃料产生的可燃气体进入燃煤腔后有机会接触到灼热的燃煤固体。在实施例采用附加特征4110：第二燃料容腔41连通直管流道98的位置，低于燃煤腔内煤炭总高的1/2位置（即该位置上方的煤炭比下方多）。

附加特征4200：第二燃料容腔-燃煤腔间通道42以切线方向进入直管流道98。借此可充分混合以及延长气体在燃煤腔内的路径和时间。也构成流体旋转驱动结构。

附加特征4300：第二燃料容腔-燃煤腔间通道42的里侧低于外侧。此结构能够避免细碎颗粒堵塞该通道。

如图所示，实施例有两个第二燃料进口。也可以仅有一个第二燃料进口。

图示支承结构20可以用常见砖砌结构替代。

内胆必须使用耐火材料；外胆可使用烧结无机材料或者钢材（包含不锈钢），它可以是整体构件，也可以是多零件组装件。

第二燃料进口41处的温度可能较高。为防止烫伤，可以做出如图11的改进。当常闭的第二燃料进口41关闭后，隔热插板59插入图示的一对竖立槽内。

并且，前述流体离心分离装置部分的所有附加特征，均可以应用于炉具（在炉具实施例，没有采用附加特征1500和附加特征1600）。

如果以第二燃料作为主要燃料（或者以焚烧垃圾为主要目的），可以减小燃煤腔直径（相当于对比图1所示采用直径更小的单柱的串接的蜂窝煤）来实现节省煤炭的目的。

所采用的煤炭不限于蜂窝煤。而且，煤球和适当粒度的块煤更利于可燃气体和灼热燃煤的接触。因此，炉篦需要依据拟使用的煤炭种类选择现有的其它炉篦。

垃圾焚烧厂也可应用本炉具。另外，发明人觉得垃圾的及时减害化处理也很重要，如果焚烧技术过关，应该推行小区甚至住户的垃圾焚烧；因为大量的生物质垃圾在形成几小时（收集它们就需要这些时间）甚至更久之后再集中在一处，所散发的气味本来就难以忍受（而无论是否于焚烧过程中产生二恶英）。如果本技术方案其效果被更严谨的验证所证实，并得以广泛应用，则可以少建垃圾焚烧厂，而且其选址所遭遇的抵制会趋向减弱。

关于洁净富氧空气发生器：

如图12～19所示，一种洁净富氧空气发生器，包含直管流道98，直管流道的一端部有流体进口、另一端部有较轻流体（乏氧空气或者富氮空气）出口521和较重流体（富氧空气）出口522；有最少一个流体旋转驱动结构；其特征是：包含流体离心分离装置，并且流体离心分离装置具有以下两者之最少任一的流体螺旋上升延缓结构：

其一：有流体旋流环腔60包围直管流道侧壁；直管流道和流体旋流环腔之间，顺应流体旋转方向，分别设置升-环通道36和环-升通道63；

其二：直管流道的内壁设置有流体螺旋上升的阻挡结构;流体螺旋上升的阻挡结构是以具有凹凸形状的截面沿一分布线扫描所得的凹凸结构；该分布线是螺旋线和环线两者之任一。间断的大体沿分布线分布的凹凸结构视为等效替换。

该流体离心分离装置可以具有前述附加特征1000～3100之任一。

总结上面（分别以句话结尾的）两句话，即：一种洁净富氧空气发生器，包含流体进口、较轻流体出口521和较重流体出口522；其特征是：其包含如权利要求1～7之任一所述的流体离心分离装置。

附加特征5000：有流体旋流外环腔70包围流体旋流环腔60侧壁；顺应流体旋转方向设置有流体旋流环腔-外环腔通道67；较重流体出口522顺应流体旋转方向设置于流体旋流外环腔70。

附加特征5100：流体旋流外环腔70内设置有挡水环75；并且，流体旋流外环腔70底部设置有水出口79，水出口79下方连接U形水封96。

附加特征6000：如图13所示，较轻流体出口521的管体向下少许伸入直管流道98。

附加特征7000：直管流道98内设置有环形溢水槽94，环形溢水槽94连通进水管95。此结构为保持直管流道98内壁的湿润，以便分离出空气中的粉尘和水溶性物质，从直管流道98的下方排出。不需要的时候关闭进水管阀门即可。

附加特征8000：直管流道98的下部通过底盖92连接U形水封96（U形水封96构成水和/或粉尘的出口）。

附加特征9000：流体进口51切向进入直管流道98。此构成流体旋转驱动结构。实施例以风机（图中未示出）驱动空气经流体进口51进入直管流道98。

当自然对流或者采用上部出口负压引风时，流体进口不需以管道引出并且可能有多个，相同旋转方向分布于直管流道98的下部（请参考图17，与图中标记67类似的结构）。

直管流道98可能被横置。比如，如图18所示装置，整体横置（靠汽车行进的空气阻力使空气旋转进入横置后的直管流道），较重流体出口522通入车厢。此时需要在如图18所示装置基础上作如下适应性改变：U形水封96即水和/或粉尘的出口改到横置之后的底部位置；采用上一自然段描述的流体进口，并且为全部的流体进口设置一个公共的开口朝前的风罩；关闭进水管阀门。

附加特征a000：较轻流体出口521和较重流体出口522两者之最少任一通过阀门（图中未示出）控制。比如，控制两者的流量体积比为79比21。

有些时候可能需要从富氧空气中去除氧化物气体和气态有机物，它们都比氧气密度大；则可以在图示装置外再包围一层结构进行离心分离；或者用两个图示装置串联进行二次离心分离。

并且，前述流体离心分离装置部分的所有附加特征，均可以应用于洁净富氧空气发生器。在洁净富氧空气发生器实施例，没有采用附加特征1500。

Claims (10)

1.一种流体离心分离装置，包含直管流道（98），直管流道的一端部有流体进口、另一端部有流体出口，有最少一个流体旋转驱动结构；其特征是：具有以下流体螺旋上升延缓结构：有流体旋流环腔（60）包围直管流道侧壁；直管流道和流体旋流环腔之间，顺应流体旋转方向，分别设置升-环通道（36）和环-升通道（63）。

2.根据权利要求1所述的流体离心分离装置，其特征在于：有最少2个流体旋流环腔（60），互为上下设置。

3.根据权利要求1所述的流体离心分离装置，其特征在于：于直管流道侧，升-环通道（36）不低于环-升通道（63）。

4.根据权利要求1所述的流体离心分离装置，其特征在于：流体旋流环腔底面（69）里低外高；有最少一个环-升通道（63）贴近流体旋流环腔（60）的底面。

5.根据权利要求1所述的流体离心分离装置，其特征在于：升-环通道（36）和环-升通道（63）两者之最少任一，其直管流道侧低于流体旋流环腔侧。

6.根据权利要求1所述的流体离心分离装置，其特征在于：流体旋流环腔（60）内，所有升-环通道和环-升通道的最上一个的上方有空腔；并且，所有升-环通道和环-升通道的最上一个的上方设置有新进流体进口。

7.根据权利要求1～6之任一所述的流体离心分离装置，其特征在于：直管流道的内壁设置有流体螺旋上升的阻挡结构;流体螺旋上升的阻挡结构是以具有凹凸形状的截面沿一分布线扫描所得的凹凸结构；该分布线是螺旋线和环线两者之任一；凹凸结构的截面形状具有挂钩形状；升-环通道（36）和环-升通道（63）两者之最少任一于直管流道侧的位置，位于具有挂钩形状的截面的挂钩部。

8.一种炉具，包含炉篦（10），炉篦上方设置顶部连通大气的直管流道即燃煤腔（98），炉篦下方有炉渣腔（97）并且炉渣腔经过可调流体进口（51）连通大气；还包含支承结构（20）和保温隔热结构；其特征是：其包含如权利要求1～7之任一所述的流体离心分离装置。

9.根据权利要求8所述的炉具，其特征在于：包围直管流道外壁设置第二燃料容腔（49），该容腔上部经过第二燃料容腔-燃煤腔间通道（42）连通燃煤腔（98）；该容腔之远离第二燃料进口（41）的部位经过漏渣口（43）连通炉渣腔（97）。

10.一种洁净富氧空气发生器，包含流体进口、较轻流体出口（521）和较重流体出口（522）；其特征是：其包含如权利要求1～7之任一所述的流体离心分离装置。