CN105674241B - 定容式洁净煤燃烧装置 - Google Patents

Abstract

定容式洁净煤燃烧装置，主要包括炉内壁、炉条和弹簧，炉条分隔炉内壁空腔为上下两部分，炉条下方空腔为均压室，炉条上方空腔自下向上依次是燃煤层和燃烧室，燃烧室底面和燃煤层顶面重合，弹簧弹性系数为燃煤自然堆积密度与燃煤层顶面面积乘积，炉条竖直中心轴线和弹簧中心轴线共线，炉条侧壁与炉内壁侧壁之间水平间隙不到炉条厚度的一半，煤燃烧过程中弹簧顶起炉条连同燃煤层一起向上移动并使得燃煤层顶面位置相对固定。燃用低灰分煤、洁净煤或生物质燃料的工业炉窑、工业锅炉或农村燃煤炉具可使用本发明。发明结构简单、投资少，燃烧效率>95％，节能率达到5％～15％，烟气污染物排放低于大气污染物综合排放水平。

Description

定容式洁净煤燃烧装置

技术领域

本发明涉及一种以燃烧散状或型煤状低灰分洁净煤、低灰分燃煤或低灰分生物质燃料，基于燃烧面位置相对固定、燃烧室容积热强度恒定不变原理的定容式洁净煤燃烧装置，特别适用于煤及洁净煤燃烧领域，工业炉窑、工业锅炉和农村生活燃煤炉具使用。

背景技术

工业燃烧供热和农村生活供热产生了大量粉尘、碳黑及一氧化碳气体，是目前雾霾产生的重要原因之一。据统计，2013年我国原煤消耗总量达到42亿吨，其中约20％原煤消耗在燃烧供热场所，排放CO₂约21亿吨、烟尘约0.5亿吨。按50％燃煤装置应用节能环保新技术，装置热效率提高10％测算，节能潜力达到4250万吨，减排CO₂约1亿吨、烟尘约250万吨。

附图3所示的固定炉排式煤炉具，是当今煤燃烧典型装置。该装置包括炉内壁1和炉条2，炉条2两端伸出炉内壁1外，嵌入炉壁内，炉条2位置固定不动。炉条2下方为均压室A，炉条2上方为燃煤层B，燃煤层B上方为燃烧室C。燃煤层B顶面煤着火燃烧。随着煤燃烧过程进行，燃煤层B顶面位置降低，燃烧室C容积增大。在燃煤层B顶面面积及顶面下降速度均不变条件下，燃烧室C容积热强度降低。同时，燃煤层B高度减小，均压室A容积不变，空气流量不变但空气流过燃煤层B阻力减少，导致空气流速增大，一方面和燃煤层B相同燃烧放热所要求的空气流速不匹配，另一方面对燃煤层B顶面高温焦炭冷却作用增强。上述两因素，既导致燃烧速度不可控，又降低燃烧室C燃烧温度，造成不完全燃烧，能源利用率降低，烟气碳粒和一氧化碳排放超标，不能满足当今绿色生态文明建设需要。

开发结构简单、可控性强和能源利用效高的新型洁净煤燃烧装置，可以降低烟气污染物排放，从而促进我国两型社会建设和可持续发展。

发明内容

为了克服固定炉排式煤炉具煤燃烧面位置下降，导致燃烧室容积增加，燃烧室容积热强度降低，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“弹簧顶起炉条固定燃煤层顶面位置”结构特征，“燃烧室容积热强度恒定不变”技术特点，“煤燃烧过程可控性好，煤燃烧效率和能效高，烟气碳黑和一氧化碳排放达标”等技术优势的定容式洁净煤燃烧装置。

定容式洁净煤燃烧装置，主要包括炉内壁、炉条和弹簧，弹簧竖直布置，炉条为短柱体，炉条底面和顶面均水平布置，炉条侧壁为竖直侧壁，炉内壁侧壁为竖直侧壁，炉内壁空腔被炉条分隔为上下两部分，炉条下方空腔为均压室，炉条上方空腔自下向上依次是燃煤层和燃烧室，燃烧室底面和燃煤层顶面重合，弹簧底端和炉内壁底板顶面焊接连接，弹簧顶端和炉条底面焊接连接，炉条侧壁与炉内壁侧壁之间水平间隙不到炉条厚度的一半，炉条竖直中心轴线和弹簧中心轴线共线，弹簧弹性系数为燃煤自然堆积密度与燃煤层顶面面积的乘积，煤燃烧过程中燃煤层连同炉条一起被弹簧顶起向上移动，并使得燃煤层顶面位置相对于炉内壁不变，空气依次流经均压室、炉条和燃煤层后进入燃煤层顶面，并助燃发生在燃煤层顶面的煤燃烧反应，燃烧烟气经燃烧室排烟口排入大气环境。

燃用散状或成型状低灰分洁净煤、低灰分燃煤或低灰分生物质燃料的工业炉窑、工业锅炉、农村生活燃煤炉具等场所，均可使用本发明。

发明结构简单，一次性投资少，制作安装方便，布置紧凑，原理易于理解，燃烧效率超过95％，相对节能率5％～15％以上，烟气粉尘、碳黑、一氧化碳及碳氢化合物等污染物排放浓度低于《大气污染物综合排放标准》(GB16297-1996)排放水平。

附图说明

图1为定容式洁净煤燃烧装置堆满煤时通过弹簧3中心轴线竖直剖视图。

图2为定容式洁净煤燃烧装置堆少量煤时通过弹簧3中心轴线竖直剖视图。

图3为固定炉排式煤炉具通过竖直中心线的竖直剖视图。

图1，图2和图3中，1为炉内壁，2为炉条，3为弹簧，A为均压室，B为燃煤层，C为燃烧室。

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所示，定容式洁净煤燃烧装置，主要包括炉内壁1、炉条2和弹簧3。弹簧3竖直布置，弹簧3顶端和炉条2底面焊接连接并支撑炉条2，使得炉条2保持水平，弹簧3底端和炉内壁1底板顶面焊接连接。炉内壁1底板、炉条2和弹簧3材质为可焊接金属材质。

炉内壁1侧壁为竖直侧壁。炉内壁1侧壁可以是竖直圆筒、竖直方筒或其它竖直不规则筒体，炉内壁1水平截面面积不变。

炉条2为整体式短柱体，炉条2底面和顶面均为水平布置，炉条2侧壁为竖直布置，炉条2侧壁高度即炉条2厚度为δ。炉条2内设气流通道，气流通道的进口在炉条2底面，出口在炉条2顶面。炉条2挡住燃煤层B燃煤不落入均压室A，并为均压室A空气流入燃煤层B提供气流通道。

弹簧3数量可以是一根，可以是多根。弹簧3数量为一根时，炉条2竖直中心轴线和弹簧3中心轴线共线。弹簧3数量为多根时，弹簧3对称布置，平稳托起炉条2及燃煤层B，弹簧弹力始终等于炉条2重力与燃煤层B重力之和，并使炉条2顶面及底面始终处于水平状态。

炉内壁1内腔分为均压室A，燃煤层B和燃烧室C，燃烧室C为燃煤层B顶面上方的气相空腔，燃煤层B为炉条2顶面上方的燃煤堆放区域。炉条2分隔炉内壁1空腔为上下两部分，炉条2下方空腔为均压室A，上方空腔自下向上依次为燃煤层B和燃烧室C。均压室A顶面和炉条2底面重合，炉条2顶面和燃煤层B底面重合，燃煤层B顶面和燃烧室C底面重合。炉条2底面面积，水平截面积和顶面面积相等，燃煤层B底面面积，水平截面积和顶面面积相等，均压室A侧壁、燃煤层B侧壁和炉内壁1侧壁在同一个竖直筒壁上。

炉条2顶面外边缘与炉内壁1侧壁之间水平间隙与炉条2底面外边缘与炉内壁1侧壁之间水平间隙相等，两者均等于炉条2侧壁与炉内壁1侧壁之间水平间隙d。炉条2侧壁与炉内壁1侧壁之间水平间隙d不到炉条2厚度δ的一半。往炉条2顶面上或燃煤层B顶面上添加燃煤时，在弹簧3弹力作用下炉条2顶起燃煤层B沿竖直方向向下移动。燃烧消耗燃煤层B燃煤时，在弹簧3弹力作用下炉条2托起燃煤层B沿竖直方向向上移动。无论燃煤层B沿竖直方向向上移动还是向下移动，都使得燃煤层B顶面位置不变，燃烧室C容积保持不变。炉条2厚度δ大于炉条2侧壁与炉内壁1侧壁水平距离d的两倍。炉条2在炉内壁1空腔内，炉内壁1侧壁与炉条2侧壁不接触，炉条2侧壁与炉内壁1侧壁之间水平距离为d，且满足2d<δ，避免炉条2倾斜时卡死在炉内壁1空腔内，增强炉条2移动时的稳定性。燃煤层B燃煤粒径不仅大于炉条2侧壁与炉内壁1侧壁之间水平距离d，而且大于炉条2顶面气流出口直径，可以避免燃煤层B燃煤通过炉条2侧壁与炉内壁1侧壁之间水平间隙及炉条2气流通道落入均压室A。

炉条2上方燃煤层B置放燃煤，燃煤在自身重力作用下在燃煤层B堆积。均压室A为炉条2底面下方的布风空间，均压室A侧壁开设空气进口。通过均压室A侧壁空气进口流入的空气，依次流经均压室A侧壁空气进口、均压室A、炉条2和燃煤层B，最后进入燃煤层B顶面助燃煤燃烧。炉内壁1顶部开设排烟口，高温烟气和燃烧室C可燃性中间气燃烧形成的高温烟气合并后从燃烧室C排烟口排出。

实践表明：燃烧室C容积热强度太小不利于维持燃烧温度，太大不利于延长可燃物在高温区停留时间和行程，均会导致燃烧不完全。根据燃烧规律，燃烧室C容积热强度稳定维持在265kW/m³～305kW/m³范围，是燃烧完全充要条件之一。发明所指的洁净煤燃烧装置从燃煤层B顶面着火，燃烧面自上向下移动，燃煤层B顶面即为燃烧面，炉条2面积、炉条2侧壁与炉内壁1侧壁之间水平间隙均恒定不变，燃烧面积恒定不变。在空气供应及流量稳定条件下，燃烧面能沿竖直方向自上向下平稳移动，并保持燃烧释热速度不变。炉条2下设置弹簧3,用弹簧3支撑起炉条2及燃煤层B燃煤，炉条2与燃煤层B重力之和始终和弹簧3弹力相等，燃煤层B顶面下移距离和弹簧3因弹力减少而拉长距离相等，达到燃煤层B顶面始终处于初始位置并保持动态平衡状态的效果，燃烧室C底面位置相对于炉内壁1不变，使得燃烧室C容积没有变化，最终达到燃烧室C容积热强度恒定不变。附图1中燃煤层B燃煤量多，燃煤层B高度h大、弹簧3受力大、均压室A高度H小，附图2中燃煤层B燃煤量少，燃煤层B高度h小、弹簧3受力小，均压室A高度H大，附图1和附图2均压室A高度H与燃煤层B高度h之和始终相等，使得燃煤层B顶面位置相对于炉内壁1不变。此时，燃煤层B顶面面积决定的燃烧释热量与燃煤层B顶面位置决定的燃烧室C容积之比稳定维持在265kW/m³～305kW/m³合理范围。另外，燃烧室C容积变小时易造成炉压过大，燃烧室C容积变大时易吸进冷风而降低燃烧温度，维持燃烧室C容积不变是维持燃烧工况和燃烧性能不变的重要前提。

燃煤层B高度为h，均压室A高度为H，h与H之和为定值时可以保证燃烧室C容积恒定不变。由于弹簧3竖直布置，其顶部与底部分别与炉条2底面和炉内壁1底板顶面焊接连接，因此均压室A高度等于弹簧3实际长度。弹簧3支撑炉条2和燃煤层B重力并保持动态平衡，弹簧3弹力等于炉条2与燃煤层B重力之和。

如附图1所示，用ρ表示煤密度，S表示燃煤层B水平截面积，G表示炉条2重力，k表示弹簧3弹性系数，L_o表示弹簧3不受任何外力作用时的自然长度。

按1根弹簧3计算。特殊工况燃煤层B煤全部消耗时，弹簧3只受炉条2重力，炉条2顶面位置最高，弹簧3长度为L_con，弹簧3受力平衡表示为

k·(L_o–L_con)＝G (1)

附图1和附图2所示的一般工况燃煤层B高度为h时，均压室A高度为H,燃煤层B顶面位置即为燃煤层B燃煤全部消耗时炉条2顶面位置。弹簧3受炉条2和燃煤层B重力作用，弹簧3受力平衡表示为

k·(L_o–H)＝G+ρ·S·h (2)

燃烧室C容积不变，即

H+h＝L_con (3)

联立式(1)、式(2)和式(3)可知，弹簧3弹性系数调整到

k＝ρ·S (4)

燃煤层B高度h与均压室A高度H之和为恒定值，保证了燃烧室C容积恒定，即保证了燃烧室C容积不随燃煤层B燃煤消耗而改变。

燃煤层B顶面燃煤以层状燃烧方式燃烧。均压室A空气通过炉条2空隙进入燃煤层B，并与处于燃煤层B顶面燃煤进行混合燃烧。随燃烧反应进行，燃煤层B重量减少，空气流过燃煤层B阻力减小。燃煤层B重量减少使得弹簧3弹力减少而伸长，均压室A容积增大，导致均压室A静压降低。均压室A容积增大和燃煤层B高度减小同时发生，均压室A静压降低和燃煤层B阻力减小相适应，使得从均压室A通入燃煤层B的空气流量和流速均保持稳定不变，避免均压室A容积变大而影响煤燃烧节能环保性能。在传统固定炉排式煤炉具中，燃煤层B高度减少，从空气流过燃煤层B阻力减小，均压室A静压不变，流过燃煤层B的空气速度变大，空气对燃煤层B顶面燃烧冷却作用加强，燃烧温度降低，导致不完全燃烧可能性加大。

炉壁内衬高温耐火材料，炉内壁1可承受1200℃～1500℃高温腐蚀作用。燃烧室C燃烧高温与均压室A之间有燃煤层B相隔，燃烧室C高温传递不到均压室A，均压室A始终处于低温水平，防止处于均压室A内的弹簧3受高温腐蚀作用而缩短弹簧3使用寿命。

燃煤层B装入的固体燃料，灰分质量百分数低于10％～12％，可以是低灰分燃煤，可以是低灰分洁净煤，可以是低灰分生物质物料。

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“弹簧3顶起炉条2自动调整燃煤层B顶面位置到固定不变位置”结构特征。发明所指的洁净煤燃烧装置，包括炉内壁1，炉条2和弹簧3，炉内壁1侧壁呈竖直筒状。发明弹簧3底端与炉内壁1底板顶面焊接联结，弹簧3顶端与炉条2底面焊接联接，从炉条2底面顶起炉条2并使炉条2保持水平。随着燃烧过程进行，发明所指的洁净煤燃烧装置炉条2位置沿竖直方向向上平稳移动，同时均压室A容积变大，燃煤层B容积变小，均压室A和燃煤层B容积之和始终不变，两者高度之和始终保持不变。发明炉条2位置不固定，燃煤层B底面位置变化，燃烧室C底面及燃煤层B顶面位置宏观上无变化、始终处于动态平衡状态，燃烧室C容积及容积热强度均无变化，燃烧温度固定不变。发明基于弹簧3形变特性，实现自动调整燃煤层B顶面位置至相对于炉内壁1固定的功能。附图3所示的固定炉排式煤炉具无弹簧3，炉条2两端伸入炉壁且位置固定，均压室A顶面位置固定，均压室A容积无变化，随着燃烧过程进行燃烧室C底面或燃煤层B顶面不断下移，燃烧室C容积不断变大，燃烧室C容积热强度不断降低，燃烧温度不断降低。

发明上述结构特征直接导致“燃烧室C容积热强度恒定”技术特征。炉条2和燃煤层B煤重力作用使得弹簧3始终处于压缩状态。随着燃烧进行，燃煤层B重力减小，弹簧3顶起炉条2使其沿竖直方向向上平稳移动，使燃煤层B顶面保持在炉膛中的一个确定位置，燃烧室C容积始终保持恒定。附图1所示洁净煤燃烧装置燃烧前期燃煤层B高度大而均压室A高度小，空气流过燃煤层B阻力大而均压室A静压高，附图2所示燃烧后期燃煤层B高度小而均压室A高度大，空气流过燃煤层B阻力变小而均压室A静压低，燃烧过程中燃煤层B高度与均压室A高度之和始终保持不变，燃烧室C容积不变，空气流量与流速维持不变，从而使得燃烧室C容积热强度不变，燃烧性能稳定。附图3所示的固定炉排式煤炉具中，随着燃烧过程进行，燃煤层B顶面位置下移，燃烧室C容积变大、容积热强度降低，燃烧性能变差，另外空气流过燃煤层B阻力变小，而炉条2位置固定导致的均压室A容积不变，即均压室A静压不变，导致空气流速加大，燃煤层B顶面燃烧冷却作用加强，使得燃烧温度降低，使得燃烧性能变差。

发明上述结构特征和技术特征带来的综合技术效果是煤燃烧过程可控性变好，燃烧节能环保性能提高。燃烧过程中弹簧3弹力等于炉条2重力及燃煤层B重力之和，弹簧3形变使得燃煤层B顶面位置固定在一个确定位置，做到燃烧室C容积不变，燃烧室C容积热强度不变。借助弹簧3形变规律，实现了煤完全燃烧所需的燃烧室C容积和容积热强度两者自动调整到最佳值，简化了装置自动控制设计，降低了一次性投资，并使得装置燃烧性能得到保障。发明可以解决工农业领域固定炉排式煤炉具存在的煤不完全燃烧导致的燃烧效率低、能效低，粉尘、碳黑、一氧化碳及碳氢化合物等烟气污染物排放超标等诸多问题。

燃用散状、成型状低灰分洁净煤、低灰分燃煤或低灰分生物质燃料的工业炉窑及工业锅炉新建、节能减排技术升级改造及扩产场所，和农村生活煤炉具，可使用本发明。

应用表明：发明结构简单、一次性投资少、安装方便、布置紧凑；烟气粉尘、碳黑、一氧化碳及碳氢化合物污染物排放低于《大气污染物综合排放标准》(GB16297-1996)排放水平；燃烧装置能源利用效率提高5％～15％，煤燃烧效率达到95％及以上。

Claims (1)

1.定容式洁净煤燃烧装置，主要包括炉内壁、炉条和弹簧，其特征在于：弹簧竖直布置，炉条为短柱体，炉条底面和顶面均水平布置，炉条侧壁为竖直侧壁，炉内壁侧壁为竖直侧壁，炉内壁空腔被炉条分隔为上下两部分，炉条下方空腔为均压室，炉条上方空腔自下向上依次是燃煤层和燃烧室，燃烧室底面和燃煤层顶面重合，弹簧底端和炉内壁底板顶面焊接连接，弹簧顶端和炉条底面焊接连接，炉条侧壁与炉内壁侧壁之间水平间隙不到炉条厚度的一半，炉条竖直中心轴线和弹簧中心轴线共线，弹簧弹性系数为燃煤自然堆积密度与燃煤层顶面面积的乘积，煤燃烧过程中燃煤层连同炉条一起被弹簧顶起向上移动，并使得燃煤层顶面位置相对于炉内壁不变，空气依次流经均压室、炉条和燃煤层后进入燃煤层顶面，并助燃发生在燃煤层顶面的煤燃烧反应，燃烧烟气经燃烧室排烟口排入大气环境。