CN105627294A - 石油焦粒燃烧装置 - Google Patents
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Abstract
石油焦粒燃烧装置，主要包括中心轴线共线的正立圆桶状炉外壳、圆筒状炉内胆、炉条和进气管，炉内胆底边缘焊接连接炉外壳底板，炉内胆和炉外壳之间圆环柱区域宽度是0.41～0.43倍炉内胆半径，炉条侧壁紧贴炉内胆无缝隙上下移动，炉条上方堆置焦粒，焦粒层上方为燃烧室，炉内胆和炉外壳之间圆环柱区域和炉内胆圆柱区域通过炉内胆底部众多连通口相连通，连通区域充注纯水后形成外圆环柱区域—内圆柱区域型连通器，高出焦粒层顶面的外圆环柱水柱高度和内圆柱焦粒层厚度相等。燃用低硫石油焦粒炉窑可使用发明。发明节能率>5％～15％，烟气污染物排放满足《大气污染物综合排放标准》(GB16297-1996)要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种以燃用石油焦粒，基于连通器原理、燃烧面位置固定、燃烧室容积热强度不变原理的石油焦粒燃烧装置，尤其适用于中小型燃煤工业炉窑(含锅炉)装置低碳节能减排技术升级改造场所使用。
背景技术
石油焦低热值高达33440kJ/kg～37620kJ/kg，购买成本低，作为燃料使用替代燃煤，受到越来越多的关注。以2015年物价水平为例，石油焦市场价不到重油市场价的一半，一吨重油相当于1.2吨石油焦产生的热量。我国容量35t/h及以下中小型燃煤炉窑(含锅炉)装置使用分布广泛、数量大、燃煤消耗总量大，以低硫(硫含量<0.5％)石油焦替代燃煤，可以促进我国工农业领域煤燃烧装置低碳节能环保工作的开展。
中小型燃煤炉窑(含锅炉)广泛使用附图4所示的固定炉排式煤燃烧装置，该装置包括炉内壁2和炉条3，炉条3两端伸出炉内壁2外，嵌入炉壁内，炉条3位置固定不动。炉条3上方堆置燃煤，燃煤层顶面上方为燃烧室。燃煤层顶面煤着火燃烧。随着燃烧过程进行，燃煤层顶面位置降低，燃烧室容积增大，燃烧室容积热强度降低，降低燃烧温度，造成不完全燃烧，能效降低，烟气中粉尘、碳粒、一氧化碳和氮氧化物化物等污染物排放超标等问题。燃烧室容积热强度太小不利于维持燃烧温度，太大缩短了可燃物在高温区停留时间和行程，均会导致煤燃烧不完全。根据燃烧规律，燃烧室容积热强度稳定维持在265kW/m3～305kW/m3范围，是燃烧反应完全充要条件。固定燃烧室容积和容积热强度，增强煤燃烧过程可控性，是燃煤炉窑(含锅炉)低碳节能减排技术升级改造的关键。
开发燃烧容积及容积热强度可控性良好的新型石油焦粒燃烧装置，可以减少工农业领域燃煤消耗，降低碳排放及烟气污染物排放，满足当今社会能源消耗总量及其增长速度双控制，节能减排和雾霾治理等需要。
发明内容
为了克服固定炉排式煤燃烧装置燃烧面位置下降，导致燃烧室容积增加、容积热强度降低，煤不完全燃烧热损失及烟气污染物排放增加等问题，本发明设计一种具有“连通器自动调节固定焦粒层顶面位置”结构特征，“燃烧室容积热强度不变”技术特点，“燃烧过程可控性良好，低碳节能环保，烟气污染物达标排放”等技术优势的石油焦粒燃烧装置。
石油焦粒燃烧装置，主要包括正立长圆桶状炉外壳、长圆筒状炉内胆、短圆柱状炉条、倒立圆台筒状均压室、圆管状进气管和圆板状顶盖，进气管出口边缘和均压室小底面边缘焊接连接，均压室大底面边缘和炉条底面边缘焊接连接，炉条、均压室和进气管自然成一体，炉内胆底部均匀开设众多连通口，炉内胆底面圆周和炉外壳底板焊接连接，进气管进口从炉外壳底板中心开设的圆孔穿出，炉条侧壁紧贴炉内胆无缝隙上下移动，同时带动进气管紧贴炉外壳底板中心圆孔边缘无缝隙上下移动，进气管、均压室、炉条、炉内胆和炉外壳侧壁竖直布置且中心轴线共线，炉内胆和炉外壳之间圆环柱区域宽度是0.41～0.43倍炉内胆半径，炉内胆和炉外壳之间圆环柱区域和炉内胆圆柱区域通过炉内胆底部连通口相连通，连通区域充注纯水后形成外圆环柱区域—内圆柱区域型连通器，低硫石油焦粒从炉内胆顶部加入并在炉条上方堆成焦粒层，焦粒层顶面至炉内胆顶面空腔为燃烧室，燃烧室高度满足容积热强度在265kW/m3～305kW/m3范围，炉内胆顶面和顶盖法兰连接，顶盖中心开设排烟口，高出焦粒层顶面的外圆环柱水柱高度和内圆柱焦粒层厚度相等。
燃用密度2.0t/m3～2.1t/m3、灰分含量<8％且硫含量<0.5％的低硫石油焦型煤或粒径8mm以下占比<25％低硫石油焦粒，容量≤35t/h中小型燃煤工业炉窑(含锅炉)装置，可使用本发明。
发明投资少，原理易于理解，可一次性加料并稳定燃烧，燃烧效率>95％，碳排放减少及节能>5％～15％，烟气碳黑及一氧化碳排放浓度低于《大气污染物综合排放标准》(GB16297-1996)达标排放水平。
附图说明
图1为堆满石油焦粒时的石油焦粒燃烧装置通过中心轴线的竖直剖视图。
图2为剩余少量石油焦粒时石油焦粒燃烧装置通过中心轴线竖直剖视图。
图3为未堆置石油焦粒时石油焦粒燃烧装置通过中心轴线的竖直剖视图。
图4为固定炉排式煤燃烧装置通过中心轴线的竖直剖视图。
图1，图2，图3和图4中，1为炉外壳，2为炉内胆，21为连通口，3为炉条，4为均压室，5为进气管，6为顶盖，61为排烟口。
具体实施方式
下面结合附图对发明作进一步的说明。
如附图1、附图2和附图3所示，石油焦粒燃烧装置，主要包括炉外壳1、炉内胆2、炉条3、均压室4，进气管5和顶盖6。顶盖6呈圆板状，顶盖6中心开设圆孔作为排烟口61。进气管5呈圆管状，竖直布置。均压室4呈倒立圆台状，由圆形大底面、圆台筒状侧壁和圆形小底面围成。炉条3呈短圆柱状，包括水平顶面、竖直侧壁和水平底面。炉内胆2呈长圆筒状，竖直布置。炉外壳1呈正立长圆桶状，包括竖直布置的长圆筒侧壁和水平布置的圆形底板，底板中心开设圆孔供进气管5穿过并上下移动。
进气管5出口边缘和均压室4小底面圆周焊接连接，均压室4大底面圆周和炉条3底面圆周焊接连接，炉条3、均压室4和进气管5焊接连接后成一体式结构。炉条3、均压室4连同进气管5一起，从炉内胆2顶部塞进炉内胆2，进气管5进口从炉外壳1底板中心开设的圆孔穿出。炉条3侧壁紧贴炉内胆2无缝隙上下移动，同时带动进气管5紧贴炉外壳1底板中心圆孔边缘无缝隙上下移动。炉外壳1侧壁、炉内胆2、炉条3、均压室4和进气管5竖直布置且中心轴线共线。
炉内胆2底部均匀开设众多和炉内胆2底面圆周相切的连通口21，炉内胆2底面圆周和炉外壳1底板焊接连接。炉内胆2顶面和顶盖6法兰连接，顶盖6中心开设排烟口61。炉外壳1与炉内胆2之间圆环柱区域和炉内胆2圆柱区域通过炉内胆2底部周向均匀布置的众多连通口21相连通，连通区域充注纯水后形成外圆环柱区域—内圆柱区域型连通器。
炉条3端面直径和炉内胆2半径相等。炉内胆2和炉外壳1侧壁均为等水平截面面积圆筒面，炉外壳1侧壁内径比炉内胆2直径大，炉内胆2和炉外壳1之间圆环柱空腔宽度是0.41～0.43倍炉内胆2半径。松开炉内胆2和顶盖6法兰连接后，石油焦粒从炉内胆2顶部缓慢加入，焦粒在炉条3上方的炉内胆2空腔里堆成焦粒层，根据燃烧时间长短一次性添加完焦粒后盖上顶盖6,炉内胆2和顶盖6法兰连接，顶盖6中心开设排烟口61。焦粒层水平截面面积沿竖直方向无变化，焦粒层顶面到炉内胆2顶面的炉内胆2空腔为燃烧室。燃烧室高度满足容积热强度在265kW/m3～305kW/m3范围。高出焦粒层顶面的外圆环柱水柱高度和内圆柱焦粒层厚度相等。炉内胆2底部连通口21位置始终在炉条3底面以下。
炉条3将炉内胆2内腔沿竖直方向分隔为上下两部分，炉条3顶面和焦粒层底面重合，焦粒层顶面和燃烧室底面重合。炉条3底面和均压室4顶面重合，均压室4气流进口和进气管5出口重合。炉条3气流通道进口开设在炉条3底面，出口开设在炉条3顶面。炉条3可以挡住焦粒层焦粒不落入均压室4，并为均压室4空气流入焦粒层提供气流通道。均压室4可以使得空气均匀流入焦粒层。
炉条3、均压室4侧壁和进气管5选用可焊接金属材质，可以依次焊接连接。炉条3底面圆周焊接连接均压室4大底面圆周，均压室4小底面圆周焊接连接进气管5出口圆周。均压室4由进气管5出口、倒置圆台筒状侧壁及炉条3底面围成，均压室4上底面面积比下底面面积大。进气管5穿过炉外壳1底板中心圆孔。炉条3侧壁紧贴炉内胆2无缝隙上下移动，同时带动进气管5紧贴炉外壳1底板圆孔圆周无缝隙上下移动，进气管5进口始终在炉外壳1底板以下。进气管5、均压室4和炉条3相互连接成一体式结构，能沿竖直方向同时上下移动。为便于炉条3上下移动时进气管5能相应上下移动，将进气管5设计成从炉外壳1底板中心圆孔穿出。炉条3底面、水平截面和顶面，焦粒层底面、水平截面和顶面的面积均相等，炉条3侧壁、焦粒层侧壁和炉内胆2在同一个竖直圆柱面上。炉外壳1底板中心供进气管5上下移动的圆孔圆周与进气管5外壁紧密无缝隙连接，炉内胆2内腔水在该连接处无渗出至炉外壳1之外的故障发生。炉条3侧壁与炉内胆2紧密无缝隙连接，炉内胆2内腔水在该连接处无渗入焦粒层问题发生。
空气从进气管5进口流入，经进气管5出口流出后流入均压室4，最后流经炉条3气流通道进入焦粒层，流至焦粒层顶面时助燃焦粒层顶面燃烧面的焦粒燃烧反应，未燃尽中间气流进燃烧室后继续燃烧，最终高温烟气经顶盖6排烟口61排入大气环境。炉外壳1和炉内胆2材质均为金属材质。连通器内水吸热蒸发导致盛水量减少，需要补充纯水到合适量：炉条3上下移动时，均压室4进口始终不触及炉外壳1底板，进气管5进口始终在炉外壳1底板以下。添加焦粒时，均压室4进口不触及炉外壳1底板。
实践表明：石油焦粒燃烧装置从焦粒层顶面着火，焦粒层顶面即为燃烧面，燃烧面积恒定不变，燃烧面沿竖直方向自上向下缓慢移动，并保持燃烧释热速度不变。焦粒层顶面焦粒消耗会导致焦粒层顶面下降，但连通器外圆环柱水柱静压作用使得炉条3顶起焦粒层底面上升，外圆环柱区域水流向内圆柱区域，最终使焦粒层顶面回复到初始位置，焦粒层顶面位置处于动态平衡状态，相对固定在原来初始位置保持不变，燃烧室容积没有变化、容积热强度恒定不变。附图1中炉条3上方焦粒重量达到最大，焦粒层厚度δ最大，炉条3顶面受力最大，连通器外圆环柱水柱顶面位置最高，水柱压力相应最大。附图2中炉条3上方堆积少量焦粒，焦粒层厚度δ小，炉条3顶面受力小，连通器外圆环柱水柱顶面位置低，水柱压力小。附图3中炉条3上方没有焦粒，炉条3顶面没有受力，连通器外圆环柱水柱流到内圆柱区域，外圆环柱水柱顶面和炉条3顶面处于同一水平面。附图1、附图2和附图3焦粒层顶面位置相对于炉内胆2均不变。来自连通器外圆环柱水柱压力平稳顶起炉条3之上焦粒层，高出炉条3顶面的外圆环柱水柱重力始终等于焦粒层重力。焦粒层顶面面积决定燃烧释热量，焦粒层顶面位置与燃烧室顶面位置决定燃烧室容积。设计燃烧室顶面位置，可以调整燃烧释热量与燃烧室容积之比在265kW/m3～305kW/m3范围。焦粒燃烧时焦粒层顶面位置不变，燃烧室容积不变、容积热强度不变，保证燃烧节能环保性能不随焦粒层焦粒消耗而改变。
石油焦粒燃烧装置容积热强度、燃烧温度及燃烧性能稳定不变，燃烧功率可依据实际供热大小而变化。石油焦粒燃烧装置容积热强度265kW/m3～305kW/m3决定燃烧室容积，即焦粒层顶面到炉内胆2顶面距离。连通器外圆环柱区域或内圆柱区域水平横截面积决定燃烧室容积，燃烧室容积决定石油焦粒燃烧装置燃烧功率。连通器外圆环柱区域高度决定焦粒燃烧时间。根据所需燃烧时间长短，连通器外圆环柱区域高度比内圆柱区域高度可能高可能矮。
炉条3上方石油焦粒要求硫含量<0.5％，灰分含量<10％～12％，自然堆积密度在2.0t/m3～2.1t/m3范围，可以是散粒，但要求粒径8mm以下占比低于25％，可以是型煤，但需限制型煤通风孔总面积以满足密度要求。
发明结构创新、技术特征及带来的技术效果描述如下：
发明具有“连通器自动调整固定焦粒层顶面位置”结构特征。石油焦粒燃烧装置，主要包括正立长圆桶状炉外壳1和长圆筒状炉内胆2。炉内胆2和炉外壳1之间圆环柱水柱和均压室4侧壁以下炉内胆2内圆柱水柱通过炉内胆2底部开设的众多连通口21相连通，形成外圆环柱水柱—内圆柱水柱型连通器。连通器外圆环柱区域盛纯水，内圆柱区域是“水柱+炉条3+焦粒层”。连通器外圆环柱区域宽度是内圆柱半径的0.41～0.43倍，加上焦粒自然堆积密度是水密度的2倍，随着焦粒燃烧反应进行，水由外圆环柱区域流到内圆柱区域，内圆柱水柱高度增加与外圆环柱水柱高度减少相等。连通器外圆环柱水柱通过外圆环柱区域敞开的顶部和大气环境直接连通，内圆柱水柱通过顶盖6排烟口61和大气环境相连通，连通器内外水柱通道顶面所受的大气压力作用力相等。高出焦粒层顶面的外圆环柱水柱高度h始终等于内圆柱焦粒层厚度δ，即焦粒层顶面位置相对于炉内胆2固定不变。附图4所示的固定炉排式煤燃烧装置炉条3两端伸入炉壁内且位置固定。燃烧过程中燃烧室底面即燃煤层顶面下移，燃烧室容积变大、容积热强度降低，导致燃烧温度降低，燃烧节能环保性能变差。石油焦粒燃烧装置要求同时满足连通器外圆环柱区域水平截面面积和连通器内圆柱区域水平横截面积相等、炉条3上方固体燃料自然堆积密度是连通器内充入液体密度的2倍、焦粒层顶面位置与炉内胆2顶面位置决定的燃烧室容积满足容积热强度265kW/m3～305kW/m3要求。炉条3、均压室4和进气管5三者重力之和与三者排出纯水重力相等。炉条3和进气管5沿竖直方向上下移动时，连通器内圆柱区域水不渗漏到焦粒层，也不渗漏到炉外壳1底板以下的大气环境。确保连通器外圆环柱水柱吸热蒸发后蒸汽能流入大气环境，以保持外圆环柱水柱顶面只受大气压力作用，确保补充纯水以避免进气管5出口触及炉内胆2底板。
发明上述结构特征直接导致“燃烧室容积热强度恒定不变”技术特征。往炉条3顶面或焦粒层顶面上添加焦粒时，连通器内圆柱区域水柱受力增加使炉条3下方水移至外圆环柱区域，内圆柱区域焦粒层顶面位置相对不变但底面位置下移，外圆环柱水柱高度增加且水柱顶面位置上升。焦粒自然堆积密度在2.0t/m3～2.1t/m3，而纯水密度为1.0t/m3，另外连通器外圆环柱区域宽度ΔR是内圆柱区域半径R的0.41～0.43倍，不难看出内圆柱焦粒层增加高度等于外圆环柱水柱顶面增加高度，内圆柱焦粒增加重量等于外圆环柱水柱增加重量的二倍。以焦粒层底面为基准面，则连通器内圆柱焦粒层厚度为外圆环柱水柱顶面高出焦粒层底面高度的0.5倍，即焦粒层顶面位置保持不变。燃烧消耗焦粒层焦粒时，连通器内圆柱焦粒减少重量等于外圆环柱水柱减少重量的二倍，并且内圆柱焦粒层减少厚度等于外圆环柱水柱顶面降低高度。无论焦粒层厚度增加或减少，焦粒层顶面位置都是相对不变，燃烧室容积保持不变。一般地，燃烧过程中焦粒层厚度减少速度极其缓慢，只要不出现急速添加焦粒造成焦粒层厚度急速增加现象，就可以实现焦粒层厚度及焦粒层底面位置准平衡变化，维持焦粒层顶面位置处于相对不变状态。附图4所示的固定炉排式煤燃烧装置中，随着燃烧过程进行燃煤层顶面位置下移，燃烧室容积变大、容积热强度降低，燃烧性能变差。
发明上述结构特征和技术特征带来的综合技术效果是焦粒燃烧过程可控性变好，燃烧节能环保性能提高。燃烧消耗焦粒时连通器外圆环柱区域水流到内圆柱区域，焦粒层顶面位置自动调整固定在一个确定位置，做到燃烧室容积和容积热强度不变。借助连通器原理，实现焦粒完全燃烧所需的燃烧室容积和容积热强度两者自动调整到最佳值，简化了石油焦粒燃烧装置自动控制设计，进而保证燃烧节能环保性能。发明可解决工农业领域固定炉排式煤燃烧装置煤不完全燃烧导致的燃烧效率低、能效低，烟气污染物排放超标等诸多问题。
以石油焦替代燃煤、燃煤减量替换节能技改为目的，燃用低硫石油焦型煤或粒径8mm以下占比不超过25％的散料低硫石油焦粒，石油焦粒自然堆积密度在2.0t/m3～2.10t/m3之间，容量不超过35t/h的中小型燃煤炉窑(含锅炉)新建、节能减排技术升级改造及扩产场所，和农村生活燃烧供热装置，可以使用本发明。
应用表明：发明结构简单、原理易于理解，投资少，无需人工频繁添加燃料；粉尘、碳黑、一氧化碳及碳氢化合物等烟气污染物排放低于《大气污染物综合排放标准》(GB16297-1996)排放水平；燃烧装置碳排放减少和能源利用效率提高5％～15％，燃烧效率达到95％及以上。
Claims (1)
1.石油焦粒燃烧装置，主要包括正立长圆桶状炉外壳、长圆筒状炉内胆、短圆柱状炉条、倒立圆台筒状均压室、圆管状进气管和圆板状顶盖，其特征在于：进气管出口边缘和均压室小底面边缘焊接连接，均压室大底面边缘和炉条底面边缘焊接连接，炉条、均压室和进气管自然成一体，炉内胆底部均匀开设众多连通口，炉内胆底面圆周和炉外壳底板焊接连接，进气管进口从炉外壳底板中心开设的圆孔穿出，炉条侧壁紧贴炉内胆无缝隙上下移动，同时带动进气管紧贴炉外壳底板中心圆孔边缘无缝隙上下移动，进气管、均压室、炉条、炉内胆和炉外壳侧壁竖直布置且中心轴线共线，炉内胆和炉外壳之间圆环柱区域宽度是0.41～0.43倍炉内胆半径，炉内胆和炉外壳之间圆环柱区域和炉内胆圆柱区域通过炉内胆底部连通口相连通，连通区域充注纯水后形成外圆环柱区域—内圆柱区域型连通器，低硫石油焦粒从炉内胆顶部加入并在炉条上方堆成焦粒层，焦粒层顶面至炉内胆顶面空腔为燃烧室，燃烧室高度满足容积热强度在265kW/m3～305kW/m3范围，炉内胆顶面和顶盖法兰连接，顶盖中心开设排烟口，高出焦粒层顶面的外圆环柱水柱高度和内圆柱焦粒层厚度相等。
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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 | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20170915 Termination date: 20180329 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |