CN110006036A

CN110006036A - 低温低压下按理论空燃比充分混合的粉尘爆炸锅炉

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Publication number: CN110006036A
Application number: CN201910308058.5A
Authority: CN
Inventors: 贾永康
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2018-06-05
Filing date: 2019-04-19
Publication date: 2019-07-12
Also published as: CN108758621A

Abstract

本发明属于锅炉技术领域，特别涉及粉尘爆炸锅炉结构的设计。针对传统锅炉不能为燃料提供理想的燃烧(反应)条件，设计出一种新型结构的粉尘爆炸锅炉，包括锅炉内胆和锅炉外壳等，为燃料提供理想的燃烧(反应)条件：能让粉尘在①纯净的空气、②低温低压下③按理论空燃比(仅限燃料中的氢和碳2种元素完全燃烧成水和二氧化碳)④充分混合的条件下点燃爆炸，具有①结构简单、②制造容易、③高效节能、④防止氮氧化物、一氧化碳、PM2.5等污染产生的优点并⑤可以实现按需运行。轻易解决传统锅炉结构复杂、制造困难、效率低、污染严重、用电(尖峰、低谷)调节等难题。

Description

低温低压下按理论空燃比充分混合的粉尘爆炸锅炉

技术领域

本发明属于锅炉技术领域，特别涉及粉尘爆炸锅炉结构的设计。

背景技术

锅炉主要由“锅”和“炉”两大部分组成。“炉”是燃烧设备，层燃炉是由炉前煤斗、炉排、炉膛、除渣板、送风装置等组成的燃烧设备。煤粉炉包括送粉系统、煤粉燃烧器、炉膛。流化床锅炉包括溜煤管、布风板、风室。“锅”是由锅筒、锅内设备、管束、水冷壁、集箱、蒸汽过热器、省煤器和管道等组成的封闭汽水系统。辅助部分包括炉墙、构架、受热面吊挂系统、基础、平台扶梯、护板、锅炉范围内管道和附属阀门仪表(安全阀、水位表、压力表)。——韩沐昕主编《锅炉及其附属设备》中国建筑工业出版社2018年8月第一版 P2---P3

锅炉设备是锅炉本体设备及其辅助设备的总称。锅炉本体设备主要由燃烧设备、蒸发设备、对流受热面、锅炉墙体构成的烟道和钢架构件等组成。锅炉的燃烧设备包括燃烧室、燃烧器和点火装置。蒸发设备主要由汽包、下降管和水冷壁等组成。对流受热面是指布置在锅炉对流烟道内的过热器、省煤器和空气预热器。锅炉的辅助设备主要包括：通风设备、给水设备、燃料运输设备、制粉设备、除尘设备、除灰设备、锅炉辅件等，如给水泵、送风机、引风机、磨煤机、除尘器、烟囱、灰渣泵、安全门、水位计等，都属于锅炉的辅助设备。— —关金峰李加护主编《发电厂动力部分》中国电力出版社2015年8月第三版P74

高效煤粉工业锅炉系统主要包括十一个集成设备单元(站)，即煤粉储供单元、燃烧器单元、锅炉本体单元、除尘单元、脱硫单元、热力单元、点火油气站、惰性气体保护站、压缩空气站、飞灰收集及储存单元和测控单元。——许立信张淑谦童忠良等编《燃烧与节能技术》化学工业出版社2018年9月第一版P89

煤、石油、天然气等化石燃料的燃烧会产生二氧化碳(CO₂)、二氧化硫(SO₂)、氮氧化物(NOx)和颗粒等污染物的排放，其中煤燃烧产生的污染物最为严重，是我国目前大气污染的主要来源。据统计，我国80％的电力能源、70％的化工燃料、60％的化工原料和80％的供热燃料都来自煤，这种状况在目前和今后相对长的一段时间内不会有根本改变。

根据(NOx)生成机理，煤炭燃烧过程中所产生的NOx量与煤炭燃烧方式、燃烧温度、过量空气系数和烟气在炉内停留时间等因素密切相关，煤炭燃烧产生NOx的主要机理有下述三个方面。一、热力型NOx是由空气中氮在高温条件下氧化而成，生成量的多少主要取决于温度。在相同条件下NOx生成量随温度增高而增大，当温度低于1350℃时，几乎不生成热力 NOx，且与介质在炉膛内停留时间和氧浓度的平方根成正比，随着反应温度t的升高，其反应速率按指数规律增加。二、燃料型NOx是燃料中氮化合物在燃烧过程中热分解且氧化而成的。三、快速型NOx是1971年Fenimore通过实验发现的，碳氢化合物燃料在燃料过浓时，反应区附近会快速生成NOx，其转化率取决于过程中空气过剩条件和温度水平。——张忠武文江主编《火电厂脱硫与脱硝实用技术手册》中国水利水电出版社2017年8月第一版P277---P278

燃料中的可燃物与空气中氧的充分混合是有效燃烧的基本条件，混合程度决定于空气的湍流度。对于蒸汽的燃烧，湍流可以加速液体燃料的蒸发；对于固体燃料的燃烧，湍流可以破坏燃烧产物在燃料颗粒表面形成的层流边界层，从而提高表面反应的氧利用率，加速燃烧过程。适当控制这四个因素——空气与燃料之比、温度、时间和湍流度，是在大气污染物排放量最低条件下实现有效燃烧所必需的。评价燃烧过程和燃烧设备时，必须认真考虑这些因素，通常把温度(Temperature)和时间(Time)和湍流(Turbulence)称为燃烧过程的“三T”。当温度、时间、湍流都处于理想状态，即完全燃烧。——韩沐昕主编《锅炉及其附属设备》中国建筑工业出版社2018年8月第一版P31

煤粉炉的燃烧温度通常为1300——1500℃，循环流化床锅炉采用低温(850-950℃)燃烧及二次分段燃烧，因此煤粉炉相比循环流化床锅炉更易生成NOx，特别是热力型NOx排放量远大于循环流化床锅炉，烟煤煤粉炉实测的NOx排放浓度为450-600mg/m³，循环流化床锅炉的排放浓度一般为150-280mg/m³。在相同烟气量情况下，煤粉炉NOx实际排放量是循环流化床锅炉的2倍左右。——张忠武文江主编《火电厂脱硫与脱硝实用技术手册》中国水利水电出版社2017年8月第一版P279

燃料在炉膛内燃烧所需的氧气是由作为一次风、二次风的热空气提供的。1kg收到基燃料完全燃烧而又无剩余氧存在时，所需要的空气量称为理论空气量，以V₀表示。V₀可通过不同煤种可燃成分的化学反应方程式计算得到。

在实际的燃烧过程中，空气和燃料不可能混合得绝对均匀，如果按理论空气量提供氧气，必然会有一部分燃料的可燃成分无机会与氧气进行反应，而不能达到完全燃烧。为此，实际送入炉膛的空气量要大于其理论空气量，使反应在有多余氧的情况下进行。实际空气量V_t(标准状态下m³/kg)与理论空气量(标准状态下m³/kg)的比值称为过量空气系数，以a表示，即a＝V_t/V₀当a值确定后，可通过此式确定实际空气量V_r。a值的大小反映了空气与燃料的配比情况。a过大时，会因送入的空气量过多而造成炉温降低，影响煤粉的着火燃烧，并且造成烟气容积增大，排烟热损失增大；a过小时，又会因空气不足而造成不完全燃烧热损失。使锅炉总损失最小时的a值称为最佳过量空气系数。对于煤粉炉，炉膛出口处的过量空气系数一般控制在1.15-1.25范围为宜。——关金峰李加护主编《发电厂动力部分》中国电力出版社2015年8月第三版P87-88

氮的价电子构型2s²2p³，第一电离能1402kJ/mol，氮的原子以叁键连接成双原子分子，结合力很强，是已知双原子分子中最稳定的构型，化学性质很不活泼。比如在生火取暖的炉子中，作为空气主要成份的氮与氧一起进入炉火中，氧立即就与碳化合生成二氧化碳或一氧化碳，而氮在炉火中无论待多长时间，却依然固我——进去时是单质氮，出来时还仍然是单质氮。常温下，除跟金属锂反应外，在空气和水中均不发生作用，也不跟其它物质反应。既不能燃烧又不支持燃烧。但在高温下比较活泼，很容易溶解在钢水里，并能跟卤素、碱金属、碱土金属以及钛、铝、硼、硅反应。若在高温、高压又有催化剂的条件下，也可与氢化合成氨，与焦炭反应生成氰，而且无论在天然放电或人工放电的情况下，都能与氧直接合成一氧化氮。在2000℃以上的高温中，空气里的氮也会燃烧成氧化氮和二氧化氮。——徐德海李绍山等编《化学元素知识简明手册》化学工业出版社2016年7月北京第2版P25-P26

在温度超过2000℃或者放电情况下，空气中的氮气能与氧气反应生成无色的一氧化氮气体。例如雷雨天时，大气中会有少量NO。O₂+N₂＝2NO——赵峥嵘段晓琴主编(供五年制高职使用)《化学》化学工业出版社2015年11月北京第1版P127

在锅炉各项热损失中，排烟热损失是指末级热交换器后排出烟气带走的物理显热(包括干烟气带走的热量和烟气所含水蒸气的显热)占输入热量的百分率，所占比例最大，约为总损失的40％——50％。——陈海平主编《热力发电厂》中国电力出版社2018年2月第一版 P23

由于燃烧煤粉，煤粉炉的飞灰含量可达90％以上，且飞灰机磨损很严重，再加上煤粉炉不宜在低负荷下运行，不宜经常起停，故而煤粉炉一般用于较大型的锅炉(蒸发量大于35t/h)，电站锅炉绝大多数都采用煤粉燃烧方式。——韩沐昕主编《锅炉及其附属设备》中国建筑工业出版社2018年8月第一版P36

据环保部《2012中国环境状况公报》数据，2012年，全国二氧化硫排放总量2117.6万吨，氮氧化物排放总量2337.8万吨；脱硫机组总装机容量占火电装机容量的92％，脱硝机组总装机容量占火电装机容量的27.6％，综合脱硫效率90％以上，全国脱硝机组平均脱硝效率48％。——张忠武文江主编《火电厂脱硫与脱硝实用技术手册》中国水利水电出版社2017 年8月第一版前言

可燃物与氧气的接触面积越大，燃烧就越剧烈。加油站、油库、面粉加工厂、纺织厂和煤矿的矿井内，都标有“严禁烟火”字样或图标，因为这些地方的空气中常混有可燃性的气体或粉尘，它们遇到明火，就有发生爆炸的危险。——王晶郑长龙主编《化学》九年级上册人民教育出版社2012年10月第1版P133

总之，传统锅炉因为不能为燃料提供理想的燃烧(反应)条件，虽然结构复杂，但燃烧不完全，效率低，产生严重污染：即①高温产生氮氧化物(吸热反应)；②过量空气系数产生二氧化硫；③混合时间太短产生颗粒物PM；为了达标排放，④脱硫脱硝过程复杂、成本高，中国综合脱硫效率90％以上，全国脱硝机组平均脱硝效率48％。

发明内容

本发明为解决传统锅炉因为不能为燃料提供理想的燃烧(反应)条件而带来的结构复杂、效率低、污染严重等问题，设计出一种新型结构的粉尘爆炸锅炉，能为燃料提供理想的燃烧 (反应)条件：即①低温低压下②按理论空燃比(仅限燃料中的氢和碳2种元素完全燃烧成水和二氧化碳，绝对不包括燃料中的硫等其它元素)③充分混合，所以燃料中的氢和碳2种元素完全燃烧成水和二氧化碳，同时可以防止氮氧化物、一氧化碳、PM2.5等污染产生；既有①结构简单、②制造容易、③高效节能、④防止氮氧化物、一氧化碳、PM2.5等污染产生的优点又可以实现⑤按需运行。轻易解决已有锅炉结构复杂、制造困难、效率低且污染严重等难题。

本发明设计的低温低压下按理论空燃比(仅限燃料中的氢和碳2种元素完全燃烧成水和二氧化碳，绝对不包括燃料中的硫等其它元素)充分混合的粉尘爆炸锅炉。包括储罐、水箱 (附带过滤设备)、气泵、供粉尘和喷粉尘设备、高压包(图中未示出)等。其特征在于，还包括锅炉内胆、锅炉外壳，所述的锅炉内胆上安装有排气阀、进水阀、排水阀、进气阀、进粉尘阀以及火花塞等；所述的锅炉外壳上还安装有排气阀和进水阀、排水或气阀、保温层等；其中锅炉内胆在锅炉外壳的内部；锅炉外壳通过排水或气阀与储罐(或用能设备直接) 相连；进水阀、排水阀以及排气阀都与水箱(需附带过滤设备)相连；进空气阀与气泵相连；进粉尘阀与供粉尘和喷粉尘设备相连；本发明模拟自然界的粉尘爆炸现象，为燃料提供理想的燃烧(反应)条件：可以让粉尘在①低温低压下②按理论空燃比(仅限燃料中的氢和碳2 种元素完全燃烧成水和二氧化碳，绝对不包括燃料中的硫等其它元素)③充分混合后点燃爆炸，既有①结构简单、②制造容易、③高效节能、④防止氮氧化物、一氧化碳、PM2.5等污染产生的优点又可以实现⑤按需运行。

本发明的特点是模拟粉尘爆炸等自然现象，为燃料提供理想的燃烧(反应)条件：即① 低温低压下②按理论空燃比(仅限燃料中的氢和碳2种元素完全燃烧成水和二氧化碳，绝对不包括燃料中的硫等其它元素)③充分混合，所以燃料中的氢和碳2种元素完全燃烧成水和二氧化碳，同时可以防止氮氧化物、一氧化碳、PM2.5等污染的生成，也就不需要尾气后处理等设备，所以零部件少、制造简单、制造成本和使用成本都低。

所述的锅炉内胆、锅炉外壳都是圆型空腔容器。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的组合示意图。

具体实施方式

本发明设计的一种低温低压下按理论空燃比(仅限燃料中的氢和碳完全燃烧成水和二氧化碳；绝对不包括燃料中的硫等其它成分)充分混合的粉尘爆炸锅炉，实施例结构如图1所示，它是由锅炉内胆1、锅炉外壳2、储罐3及附属设备构成，其中锅炉内胆1包括排气阀 11，进水阀12，排水阀13，进气阀14，进粉尘阀15，火花塞16；锅炉外壳2包括排气阀21，进水阀22，排水或气阀23，以及保温层24。储罐3包括排水或气阀31。储罐等附属设备都是常规成熟产品，包括水箱(附带过滤设备)、气泵、供粉尘和喷粉尘设备、高压包(图中未示出)等。其中锅炉内胆1在锅炉外壳2的内部；锅炉外壳2通过排水或气阀23与储罐3相连；排气阀11，排气阀21，进水阀12，进水阀22以及排水阀13，都与水箱(附带过滤设备)相连；进气阀14与气泵相连；进粉尘阀15与供粉尘和喷粉尘设备相连；火花塞16 与高压包相连。

本实施例的锅炉内胆1由导热且耐压的金属制成，上边有6个通孔，分别安装排气阀11，进水阀12，排水阀13，进气阀14，进粉尘阀15，火花塞16；锅炉外壳2由耐压的金属制成，上边另有3个通孔，分别安装排气阀21，进水阀22，排水或气阀23，保温层24紧贴在锅炉外壳2的外侧。锅炉内胆1固定在锅炉外壳2的内部，锅炉外壳2通过排水或气阀23与储罐3相连。

本实施例的实施过程为：

一：同时打开排气阀11、排气阀21、进水阀12、进水阀22；按需充入定量水到锅炉外壳后关闭排气阀21和进水阀22；当水充满整个锅炉内胆后关闭排气阀11和进水阀12。

二：打开进气阀14，然后打开排水阀13，待空气排掉所有的水时关闭排水阀13和进气阀14。一方面可以保证燃烧①纯净的空气(绝对没有废气)；另一方面也可以使整个锅炉内胆里的燃烧环境保持②低温和低压。

三：打开进粉尘阀15，根据理论空燃比(仅限燃料中的氢和碳完全燃烧成水和二氧化碳；绝对不包括燃料中的硫等其它成分)喷入粉尘。可以③保证理论空燃比。

四：等待粉尘和空气④充分混合后用火花塞16点燃。

五：当锅炉内胆内部与外部温度平衡时打开排水或气阀23，如果是热水，就等待热水流尽后关闭排水或气阀23，完成一个工作循环；如果是蒸气，就等待锅炉外壳内压力与储罐的压力相等时关闭排水或气阀23，完成一个工作循环；如此循环往复。

在实际应用中，根据需要排水或气阀23也可以与使用热水或蒸气的设备直接相连，根本不需要储罐3。当然根据需要为了得到较大的能量，可以同时使用几个粉尘爆炸锅炉组合成为锅炉组，如图2所示，共同为储罐3提供热水或蒸气，只有在储罐3内的热水的水位(或者压力)降低到限定值时，才会用火花塞点燃粉尘爆炸(粉尘与空气混合时间越长越好)，完全按步骤(条件)进行，所以用可编程序控制器PLC或简单的控制芯片组都极易实现自动控制，根本不需要传统锅炉的连续运行，可以实现按需运行；尤其适用于煤、石油、天然气、生物质等燃料发电、供暖、供热水等有着极强的高(尖)峰和低谷的场合。

本发明的燃烧是在固定的容积中进行，并且提供理想的燃烧(反应)条件，由于用水排掉所有的废气，可以保证①纯净的空气；②低温低压，就可以防止氮氧化物生成：因为氮分子中存在氮氮叁键，键能很大(941KJ/mol)，以至于加热到3273K时仅有0.1％离解，氮分子是已知双原子分子中最稳定的。因此其化学性质十分稳定，只有在高温高压并有催化剂存在的条件下，氮气成分可以和氢气反应生成氨；从事实方面来说，空气中氮气与氧气已经充分混合，如果低温低压下就可以产生氮氧化物，那么烧水、炒菜等就会引发燃烧(反应)；但实际上，空气中有78％的氮气和21％的氧气……粉尘爆炸后确实会产生高温，但是定量(理论空燃比)的氧气已经被氢和碳反应成水和二氧化碳，只剩氮气时即使高温高压也不能生成氮氧化物。由于③按理论空燃比(仅限燃料中的氢和碳2种元素完全燃烧成水和二氧化碳，绝对不包括燃料中的硫等其它元素)的情况下，都不会有二氧化硫生成(从元素周期表中可以得知H、C、N、O、S元素的性质随着元素原子序数的递增而呈周期性变化)，对于所谓的 “劣质高硫煤”，还可以得到附加价值更高的副产品——单质硫；④由于充分混合，也就不产生不完全燃烧的PM颗粒物。

Claims

1.本发明属于锅炉设备技术领域，涉及低温低压下按理论空燃比(仅限燃料中的氢和碳2种元素完全燃烧成水和二氧化碳，绝对不包括燃料中的硫等其它元素)充分混合的粉尘爆炸锅炉。包括储罐、水箱(附带过滤设备)、气泵、供粉尘和喷粉尘设备、高压包(图中未示出)等。其特征在于，还包括锅炉内胆、锅炉外壳，所述的锅炉内胆上安装有排气阀、进水阀、排水阀、进气阀、进粉尘阀以及火花塞等；所述的锅炉外壳上还安装有排气阀和进水阀、排水或气阀、保温层等；本发明模拟自然界的粉尘爆炸现象，为燃料提供理想的燃烧(反应)条件：可以让粉尘在①纯净的空气(绝对没有废气)、②低温低压下③按理论空燃比(仅限燃料中的氢和碳2种元素完全燃烧成水和二氧化碳，绝对不包括燃料中的硫等其它元素)④充分混合的条件下点燃爆炸，具有①结构简单、②制造容易、③高效节能、④防止氮氧化物、一氧化碳、PM2.5等污染产生的优点并⑤可以实现按需运行。

2.如权利要求1所述的低温低压下按理论空燃比充分混合的粉尘爆炸锅炉，其特征在于，模拟自然界的粉尘爆炸现象，为燃料提供理想的燃烧(反应)条件：可以让粉尘在①纯净的空气(绝对没有废气)、②低温低压下③按理论空燃比(仅限燃料中的氢和碳2种元素完全燃烧成水和二氧化碳，绝对不包括燃料中的硫等其它元素)④充分混合的条件下点燃爆炸，具有①结构简单、②制造容易、③高效节能、④防止氮氧化物、一氧化碳、PM2.5等污染产生的优点并⑤可以实现按需运行。

3.如权利要求1所述的低温低压下按理论空燃比充分混合的粉尘爆炸锅炉，其特征在于，可以让粉尘在纯净的空气(绝对没有废气)中燃烧。

4.如权利要求1所述的低温低压下按理论空燃比充分混合的粉尘爆炸锅炉，其特征在于，可以让粉尘在低温低压下燃烧。

5.如权利要求1所述的低温低压下按理论空燃比充分混合的粉尘爆炸锅炉，其特征在于，可以让粉尘按理论空燃比(仅限燃料中的氢和碳2种元素完全燃烧成水和二氧化碳，绝对不包括燃料中的硫等其它元素)燃烧。

6.如权利要求1所述的低温低压下按理论空燃比充分混合的粉尘爆炸锅炉，其特征在于，可以让粉尘在充分混合的条件下燃烧。