專利名稱:高效的節(jié)煤的無煙塵的簡易全煤氣發(fā)生爐與燃氣爐聯(lián)合裝置的制作方法
本發(fā)明涉及一種改進了的簡易煤氣發(fā)生爐和由其直接供應煤氣的改進了的燃氣爐的聯(lián)合裝置。
現(xiàn)有手工散煤爐大多為直火或半煤氣燃燒，煙塵污染環(huán)境比較嚴重;排煙黑度最大達林格曼5級，排煙含塵濃度在3000mg/Nm3以上;煙塵不僅污染環(huán)境而且污染爐內(nèi)，降低爐子使用壽命和熱能的有效利用率;煙塵(灰)積附在爐內(nèi)嚴重的阻礙了傳熱(其導熱系數(shù)是一般耐火材料的幾十分之一，是金屬材料的幾百分之一)，甚至堵塞煙道，影響爐子使用;由于煙灰增大了爐內(nèi)熱阻，為了保證爐內(nèi)必須的傳熱量，勢必提高火焰溫度，既增加了燃料消耗，又易于導至燃燒室和火道局部過熱而損壞。為了延長爐子的使用壽命和保證爐內(nèi)必須的傳熱，許多用戶不得不使用價格昂貴的高級筑爐材料如剛玉、碳化硅，和耐熱合金等，使爐的造價很高。手工散煤爐勞動環(huán)境煙塵大，加煤清灰操作頻繁，熱輻射大，不符合文明生產(chǎn)的要求。手工散煤爐由于機械和化學不完全燃燒和爐口的輻射和溢流熱損失大，空氣過剩系數(shù)高，而能有效回收余熱的二次空氣卻很少，爐內(nèi)傳熱不良，排煙溫度高，因而燃料熱能的有效利用率低，如馬弗煤爐一般只有6～15%。
為了解決上述的問題，通常采用機械加煤和附加除塵器的辦法;這樣雖然避免了手工間斷加煤造成的周期性嚴重貧氧而冒濃煙的情況，但因沒有改變?nèi)紵龣C理(仍屬直火或半煤氣燃燒，料層薄、干餾溫度高、揮發(fā)份分子量大，通過料層的氣體流速大，帶出物多)，所以消煙除塵效果仍不理想。如不加裝高效除塵器，一般仍達不到國家排放標準。特別是爐內(nèi)煙塵的污染及與此有關(guān)的爐內(nèi)傳熱不良及局部過熱等，直火爐共有的問題仍得不到解決。
在一些大中城市已采用散煤完全氣化的燃燒放熱方式，在消煙除塵方面取得了較大的進步。但產(chǎn)生了新的問題。一般采用的方式是將煤集中在煤氣站完全氣化，經(jīng)不同程度的冷卻凈化處理后，通過煤氣管道和閥門將煤氣輸送到遠處分散的燃氣爐內(nèi)燃燒，這就要求較高的氣化強度，較高的制氣和輸氣壓力，設備投資大，建設周期長，而且難于避免制氣輸氣過程中帶來的煤氣泄漏、析炭、焦油和帶出物在管道和閥門內(nèi)的沉積堵塞，酚水污染等，並且對煤種和粒度的要求一般都比較高。
如果象某些小型鍋爐和鍛造加熱爐那樣，用緊鄰的簡易煤氣發(fā)生爐產(chǎn)生的煤氣，不經(jīng)任何處理直接入燃氣爐內(nèi)燃燒，則可大大降低制氣和輸氣壓力，簡化設備避免煤氣通過長管道和閥門而存在的泄漏，不安全，污染和能量損失等。但是現(xiàn)有的簡易煤氣爐從爐體側(cè)面間歇加煤和清灰，存在著加煤和清灰操作溫度高，粉塵大，煤氣質(zhì)量不穩(wěn)定，氣化不完全，每個加煤和清灰周期分為氣化、直火、燃盡三個階段，不適合晝夜連續(xù)作業(yè)和要求溫度穩(wěn)定的場合。加煤時在空層形成很大的飛揚損失，帶出物多，布風不易均勻，易出現(xiàn)偏爐，而在運行中又難于糾正。
本發(fā)明的目的是要提供一種爐內(nèi)外無煙塵污染，按一次能源計的熱利用率高，使用方便，不使用高級筑爐材料，無復雜設備的散煤潛熱的發(fā)掘和利用裝置。具體的講是要提供一種改進了的簡易煤氣發(fā)生爐和燃用它所提供的煤氣的燃氣爐的聯(lián)合裝置，用以替代現(xiàn)有的散煤層燃爐，可以用較寬的煤種(同現(xiàn)有散煤層燃的直火，半煤氣、簡易煤氣，混合煤氣和水煤氣爐相比)，獲得最高的一次能源有效利用率(與以相同煤種為一次能源，實現(xiàn)相同工藝目的任何現(xiàn)有煤爐電熱爐和氣爐相比)，並且產(chǎn)生的爐內(nèi)外煙塵污染最少(與相同煤種為一次能源，實現(xiàn)相同工藝目的現(xiàn)有煤爐相比)，同時不需要更多更復雜的附加設備(針對煤氣的冷卻凈化、遠距離輸送及機械加煤和除塵器等而言)，節(jié)水(與凈化冷煤氣、水煤氣及使用冷卻水套的發(fā)生爐相比)，減輕勞動強度可以晝夜連續(xù)穩(wěn)定作業(yè)(與現(xiàn)有簡易煤氣爐相比)。簡言之本發(fā)明的目的在于以最少的弗用和最簡便的方式獲得以煤為一次能源的燃氣爐的最高熱利用率和最佳消煙除塵效果，最長的連續(xù)使用壽命和最高的綜合經(jīng)濟效益。
根據(jù)價值工程的原理，可以把本發(fā)明的目的用下面的公式表示出來C單＝ (聯(lián)合裝置壽命周期總成本)/(聯(lián)合裝置使用壽命期總功能)本發(fā)明的目的在于創(chuàng)造最低的C單，或說最高的價值Vu＝ (功能)/(成本) 。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的，將一合簡易全煤氣發(fā)生爐與相適應的燃氣爐用最短煤氣管道聯(lián)接起來(只要不影響操作越短越好)，通道不設任何冷卻凈化和控制設施，這樣煤氣攜帶的全部焦油、帶出物和顯熱，將幾乎無損失地送入燃氣爐(這部分熱量占爐氣爐熱平衡的15.44～22%)。為保證煤氣攜帶的焦油和帶出物不污染煤氣爐和燃氣爐，並能在燃氣爐中燃盡，必須降低焦油和帶出物的分子量，重量、粒度和濃度，加強與助燃空氣的混合，並提高燃燒溫度，減少燃盡所必須的時間，避開最容易歧化析炭的溫度區(qū)間。因此本發(fā)明不同于一般煤氣發(fā)生爐那樣追求高氣化強度，而使其不高于使用同一“煤種的”手工自然通風的直火爐柵重量強度。在耗煤量相同的情況下，離床層氣體流速之比將≈1/8，帶出物粒徑之比將≈(1/8)2≈1/64，帶出物的顆粒體積及質(zhì)量流量之比將≈(1/8)6，帶出物燃盡所需時間之比將≈(1/8)4，這就是本發(fā)明的聯(lián)合裝置，雖不使用任何除塵器卻比使用任何除塵器的直火煤爐除塵效果都好的原因，而且它首先防止了爐內(nèi)污染，這是任何除塵器所做不到的。
經(jīng)研究證明，為實現(xiàn)完全燃燒，摩爾數(shù)相同的氣態(tài)烴所需氧氣量是固定炭所需氧氣量的(m+ (n)/4 )倍(m和n分別代表氣態(tài)烴分子中的炭原子和氫原子個數(shù))，是一氧化炭所需氧氣量的2(m+ (n)/4 )倍。所以實現(xiàn)煙煤或木柴的無煙燃燒的有效辦法是降低做為揮發(fā)份的氣態(tài)烴的分子量，即降低m和n，特別是降低m數(shù)。並避免揮發(fā)份的集中排放。這樣就能防止出現(xiàn)貧氧，保證完全燃燒。
一氧化炭在200～1000℃的溫度范圍內(nèi)，會按下列歧化反應析炭
最大歧化速度出現(xiàn)于450～600℃，這正是一般混合煤氣發(fā)生爐煤氣出口溫度和熱煤氣輸送溫度范圍，也是燃燒不完全的直火煤爐的煙道氣溫度范圍。
本發(fā)明在煤氣發(fā)生爐的空層〔5〕內(nèi)設置一個上口大下口小的錐形換熱筒〔6〕，外壁有肋加強換熱，上口直徑大到與發(fā)生爐內(nèi)徑之差僅夠放置釬孔〔7〕。換熱筒之上有一個與換熱筒上口同粗的輸蓄煤筒〔8〕和煤箱〔11〕，煤箱的容量足夠5～6小時用的。煤箱一次加滿后分多次向輸蓄煤筒送煤，保證氣化過程的均勻性和連續(xù)性，而又能大大減少發(fā)生爐內(nèi)部與大氣相通的時間。由于爐頂?shù)臒崃拷^大部分被用來予熱煤，因而可以將散煤弄濕后再投放煤箱，從而減少了加煤時的煤塵。加入的濕煤在煤箱中有足夠的時間被干燥。水蒸氣因比空氣和煤氣輕將集聚于煤箱的頂部。打開煤箱再次投煤時，從煤箱中冒出的是水蒸氣而不是煤氣，並防止了空氣的串入。煤進入輸蓄煤筒和換熱筒后，在從下面來的煤氣的直接和間接加熱下，緩緩升溫，進一步受到干燥和低溫干餾的作用，緩緩地揮發(fā)出分子量較小的氣態(tài)烴。這種氣態(tài)烴不僅燃燒時的耗氧量小，而且不易冷凝為焦油，並且氣態(tài)烴的產(chǎn)率有所提高，從而增加煤氣熱值。從下面氣化層來的煤氣通過與煤的熱交換，溫度從600℃降至350℃以下，部分與換熱筒內(nèi)的干餾氣一起從輸蓄煤筒上部的煤氣出口〔10〕出爐，部分從發(fā)生爐頂部的煤氣出口〔13〕出爐。兩部分匯合后直接送入燃氣爐燃燒。這樣既解決了降低CmHn分子量的問題，又避開了CO最易歧化的溫度區(qū)間並且能夠進行歧化的時間極短。
空層中的換熱筒下口與煤層〔3〕表面相連。這就完全避免了加煤過程中，煤通過空層時的飛揚損失。煤進入煤箱后就不再有跌落運動，而全部是滑動和移動，減少了煤的破碎和滾動，提高了布煤的均勻性。並能在間歇加煤的情況下，保持穩(wěn)定的料層總厚度。
由于能被氣體帶出煤層的煤粒徑很小，因而能降低使用散煤的粒度，從而增加了燃料的熱穩(wěn)定性和反應界面，有利于熱交換氣體擴散和氣化反應等物理和化學過程，使整個氣化進程加速，並可適當降低干燥，干餾，還原和氧化層的厚度，從而降低整個發(fā)生爐的高度。但本發(fā)明仍保留了一個相對較厚的灰層〔2〕，以利于氣化劑的予熱和降低灰渣含炭量及顯熱損失，並提高布風的均勻性。與現(xiàn)有簡易土煤氣不同，本發(fā)明的清灰采用水封灰盒〔1〕可全周邊的濕式清灰，無塵、無輻射熱，不影響正常氣化。
本發(fā)明的聯(lián)合裝置可以氣化粒度為1-3，3-6，6-13，13-25，25-50mm的無煙煤、焦炭、和弱粘結(jié)性煙煤，對灰分和水分的限制也比一般混合煤氣發(fā)生爐寬。
本發(fā)明的燃氣爐根據(jù)用途有不同的結(jié)構(gòu)、與現(xiàn)有的以煤為一次能源的爐子相比較其特點是1、由于參與燃燒的是全煤氣並將其攜帶雜質(zhì)和焦油全部參與燃燒，因而所需二次空氣量占全部空氣用量的71.4%(現(xiàn)有簡易煤氣爐在50%以下，燃煤爐在20%以下)，在尾部煙道和高溫輻射區(qū)保溫壁內(nèi)予熱，降低了排煙溫度和爐體散熱損失，提高了爐溫、熱利用率和高溫部件的壽命。
2、為保證完全燃燒，並適應煤氣出口壓力低，本發(fā)明采用兩段式大截面火道燃燒器，其截面不僅由火焰流速、更主要由黑度及燃盡時間確定。來自簡易全煤氣發(fā)生爐的熱煤氣與被予熱的二次空氣混合后，首先在不長的一段全保溫絕熱的火道〔19〕中進行絕熱不完全燃燒，溫度超過1000℃(依工藝要求及爐型而異)后進入部分絕熱完全燃燒的第二段火道〔15〕，進一步邊混合邊燃燒直至煤氣中的可燃成分全部燒盡。第二段火道由保溫絕熱的高溫壁面〔17〕與不保溫(導熱)的低溫壁面〔18〕圍成。高溫壁由粘土質(zhì)耐火材料、空氣夾層、保溫材料組成。低溫壁可以是隔焰板、冷水壁或其他被加熱的物料，吸收來自高溫壁面和火焰的輻射熱，做為有效熱的來源。高低溫壁面之間布置多孔的薄燒板〔16〕或肋式柱〔20〕(既起加強傳熱又起支撐作用的磚垛，數(shù)量多、截面小)，使其四面受火焰沖刷，與火焰的溫差極小，增加對低溫壁面的固體輻射和熱傳導，並加強了煤氣、帶出物與助燃空氣的混合攪動。焦油、帶出物和一氧化炭在第二段被燒盡。
3、當火焰離開火道進入700℃以下的煙道〔22〕時，一氧化炭已被燒盡，不會出現(xiàn)歧化析炭反應。由于消除了煙塵對爐內(nèi)的污染，因而布置在火道和煙道中的輻射與對流受熱面，有很高的傳熱系數(shù)。
由于本發(fā)明采用了消除爐內(nèi)煙塵污染及其它改善爐內(nèi)傳熱的措施，由于不完全燃燒熱損失的減少，由于過?？諝庀禂?shù)的降低和高比例二次空氣的予熱及余熱的回收等節(jié)能措施，與現(xiàn)有手工散煤爐燃燒技術(shù)相比，本發(fā)明使以散煤化學熱為一次能源的熱能的有效利用率提高了30%～300%;煙塵污染降低百倍至幾十萬倍;按單位產(chǎn)量或單位采暖面積計算的設備投資和維持費降低2～4倍。
圖1是本發(fā)明應用于隔焰烘燒馬弗爐的一種實例的具體結(jié)構(gòu)的剖面示意圖。
圖2是本發(fā)明應用于家庭炊事取暖淋浴三用爐的一種實例的具體結(jié)構(gòu)的剖面示意圖。
下面結(jié)合圖1、圖2，詳細說明本發(fā)明提出的具體裝置細節(jié)及工作情況。
打開水封蓋〔12〕把濕的小粒散煤投入煤箱〔11〕，既沒有煤塵，也沒有煤氣從煤箱〔11〕中冒出來，冒出的是幾小時前投入的濕煤被干燥后升在煤箱頂部的水蒸汽。所以濕煤帶入的水份也不會降低煤氣熱值。通過操縱料鐘〔9〕，使煤箱中的煤沿料鐘〔9〕表面滑入輸蓄煤筒〔8〕的煤層表面，而很少有飛揚損失，很少被摔碎。煤在輸蓄煤筒〔8〕和換熱筒〔5〕內(nèi)受到筒內(nèi)外上升煤氣的予熱，在連續(xù)地和緩緩地干燥和低溫干餾的作用下，產(chǎn)生的輕質(zhì)氣態(tài)烴隨筒內(nèi)煤氣一起從輸蓄煤筒上部的煤氣出口〔10〕出爐，換熱筒外的煤氣則由發(fā)生爐筒身頂部的煤氣出口〔13〕出爐，兩部分煤氣匯合不經(jīng)任何處理進入燃氣爐，因而沒有任何能量損失和污染。因氣化強度只相當于手工自然通風的同煤種直火煤爐，因而離床層的氣體設計流速只等于直火煤爐的 1/8 ，帶出物的質(zhì)量流量則只有直火爐的( 1/8 )6≈
，其燃盡時間只有直火爐的( 1/8 )4＝ 1/4000 。進入燃氣爐的臟熱煤氣與由孔〔14〕噴出的在煙道及火道高溫段壁內(nèi)被予熱的二次空氣混合后，遇到點火室〔21〕的明火被點燃后，在保溫良好的絕熱不完全燃燒段〔19〕，迅速升溫到1000℃以上(根據(jù)工藝要求的不同和爐型的不同而異)，以后進入部分絕熱完全燃燒段〔15〕?！?7〕為絕熱高溫壁，〔18〕為導熱低溫壁。升溫最快的是既起支撐又起傳熱和攪動作用的肋式柱〔20〕以及起強化傳熱和加強攪動混合作用的燒板〔16〕，火焰的熱量主要依靠它們傳遞給低溫壁面，比火焰本身傳遞的熱量要多得多，因黑度不同，受溫度影響的方次不同，它們從傳熱和傳質(zhì)兩方面幫助加快了煤氣中各種可燃成份的燃盡。
實施例1本發(fā)明應用于烘燒搪瓷制品的爐子其主要參數(shù)如下燒成室的計算溫度 880℃設計全負荷 398kg/h燃料熱值 6500kcal/kg耗煤量 39.7kg/h
機械通風耗電功率 2.2KW一次能源的有效利用率(包括電耗) 33.07%排煙黑度 林格曼O級排煙含塵濃度 ＜30mg/m3造價(參考) 2萬元噸制品烘燒費用 34.46元/噸實施例2本發(fā)明應用于民用炊事、采暖、淋浴的爐子其主要特點1、加煤、清灰、排煙均清潔無塵，因此爐體本身也可以用于室內(nèi)采暖散熱。
2、包括爐體本身采暖散熱熱利用率高，可達80%以上。
3、水箱進水口〔26〕位于簡易全煤氣發(fā)生爐半水套〔25〕的下部，水箱位于煙囪〔22〕周圍的水套〔23〕的上部，兩者高差大，因而系統(tǒng)自然循環(huán)推動力大。
4、炊事用火升溫快，溫度高。
5、使用方便，加25W小吹風機，工作時升溫調(diào)溫快，調(diào)溫范圍廣，停機時也不會滅火。
6、封火時間長。
7、適用于食堂、飯館、禮堂、商店、家庭、采暖，面積45～100m2，供熱指標為60～100kcal/m2h造價(參考)100元/臺。
8、一爐多用，可炊事、采暖、淋浴。
9、煤種適應范圍廣。
10、水箱〔圖中未畫出〕位于系統(tǒng)最高點，起補水、穩(wěn)壓、溢流、排氣及安全閥作用。
11、煙囪〔22〕呈扁夾縫形，以提高對水套的傳熱系數(shù)和傳熱面積。
本發(fā)明如能在我國普遍推廣采用，每年可節(jié)約5千萬-2.1億噸煤，每年排放的煙塵污染將減少270-300萬噸。
權(quán)利要求
1.一種用散粒狀無煙煤、焦炭、弱粘結(jié)性煙煤，使其化學能轉(zhuǎn)化為熱能並加以利用的裝置，其特征在于一臺燃氣爐及一臺為其供應煤氣的簡易全煤氣發(fā)生爐緊靠在一起。
2.由權(quán)利要求
1所規(guī)定的裝置其特征在于簡易全煤氣發(fā)生爐位于燃氣爐的偏下方，產(chǎn)生的煤氣不經(jīng)任何處理直接輸入燃氣爐內(nèi)燃燒，沒有煤氣閥門。
3.根據(jù)權(quán)項1和2規(guī)定的簡易全煤氣發(fā)生爐，其特征是a、氣化強度只相當于燃用同一煤種的手燒煤爐的爐柵重量強度的較低值。b、空層中有煤-煤氣熱交換筒〔6〕，其特征是①內(nèi)部和外部均可將從下面來的煤氣引向煤氣出口〔10〕和〔13〕。②外部有肋筋〔4〕加強熱交換。③呈錐形，上口大，盡可能與發(fā)生爐筒體內(nèi)徑同粗，相差不妨礙釬孔〔7〕操作。c、換熱筒之上依次是輸蓄煤筒〔8〕和煤箱〔11〕，其特征是①與換熱筒上口同粗，煤箱內(nèi)可用手工一次加足夠6小時燒的煤。②輸蓄煤筒上部有開口〔10〕通往燃氣爐。d、底部有水封灰盆〔1〕，可全周邊進行不影響正常氣化的溫式清灰。
4.按權(quán)利要求
1和2規(guī)定的燃氣爐，其特征是a、超過氣化用空氣量2倍的助燃空氣在煙道內(nèi)和高溫段火道〔15〕的壁內(nèi)受到予熱。b、在煤氣入口附近有二次空氣的噴口〔14〕，保溫良好的絕熱不完全燃燒段〔19〕和煤氣點火室〔21〕。c、700℃以上的火道由高溫壁面〔17〕和低溫壁面〔18〕所圍成，高溫壁面有良好的保溫，低溫壁有良好的導熱性，高低溫壁面之間有可通氣的燒板〔16〕或肋式柱〔20〕，有效熱被低溫壁面所吸收-形成部分絕熱完全燃燒的第二段火道〔15〕。
5.按權(quán)利要求
1、2所規(guī)定的燃氣爐當用于隔焰烘燒馬弗爐時，其特征是爐底火道中的每個磚垛截面積是0.01～0.02m2，數(shù)量是20～30個。
6.根據(jù)權(quán)利要求
1、2所規(guī)定的燃氣爐當用于家庭炊事采暖淋浴三用爐時，其特征還在于煙囪〔22〕是扁形，發(fā)生爐下半部和煙囪周圍有水套〔25〕和〔23〕，進水管口〔26〕和出水管口〔24〕分別置于發(fā)生爐半水套的下部和煙囪水套的上部。
7.根據(jù)權(quán)利要求
1所規(guī)定的裝置其特征是沒有煤氣凈化、除塵裝置，沒有剛玉、碳化硅、耐熱合金等高級筑爐材料。使用的筑爐材料是粘土質(zhì)和高鋁質(zhì)等常規(guī)耐火和保溫材料。
專利摘要
本發(fā)明提供了一種散粒狀弱粘結(jié)性煙煤化學能換為熱能并加以利用的裝置。特點是在轉(zhuǎn)換和利用過程中對煤種要求低，無爐內(nèi)外的煙塵污染，一次能源的有效利用率高，設備簡單，成本低，主要技術(shù)經(jīng)濟指標超過電熱爐及城市煤氣爐?？蓱糜诠I(yè)烘燒隔焰或不隔焰加熱，生活炊事采暖等。
文檔編號F24C11/00GK85106859SQ85106859
公開日1987年4月22日 申請日期1985年9月14日
發(fā)明者譚德粹 申請人:北京市振興建筑搪瓷廠導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan