挥发分在封顶火焰燃烧室旋转供风燃烧的排烟回流锅炉

摘要

本发明挥发分在封顶火焰燃烧室旋转供风燃烧的排烟回流锅炉，采用在炉壁、炉门，或回流孔口装倾斜吹风嘴向边缘有向下排烟回流烟道的封顶火焰燃烧室供可控流量水平旋转风，使燃煤层析出的挥发分在封顶炉膛旋转风中无限旋转混合燃烧旋转分离，生成较重不可燃惰性质沿旋转燃烧气流切线边缘的向下排烟回流烟道不断重烟下排，排烟中轻质挥发分上浮通过旋转燃烧气流在炉膛形成的负压区的回流孔回流或通过回流孔入口吹风嘴吹风射吸将挥发分吸进炉膛回流旋转循环燃烧；通过屏蔽烟气炉门观察炉膛内挥发分全部转化成火焰，用以调整供风量与挥发分生成量达到氧化平衡燃烧，当煤层进入焦炭燃烧期停止供风，开烟道底门使锅炉进入对流平衡的排烟中可燃物回流循环燃烧方式，使锅炉全过程无烟运行。

说明书

技术领域

本发明涉及一种固体燃料锅炉，特别适用于挥发分大的烟煤作燃料的无烟锅炉。

背景技术

本发明是根据2002年9月1日首届中国科学家论坛公开发表的《从燃烧直排到排烟回流》一文有新发展而得来的新技术方案。

在公知排烟回流锅炉中，仅适用于挥发分小的无烟煤作燃料，而挥发分大量集中产生的燃料燃烧难以使挥发分全部穿过炉膛进行循环燃烧，如何用最简单可靠，成本低寿命长的简化现有锅炉的实用结构，将烟煤或柴草的挥发分燃尽即全部转化成火焰而不排出炉外，以提高热效率而使锅炉无烟，达到节约燃料，消除锅炉绝大部分污染是长期未能解决的难题。

发明内容

本发明要解决的问题是：用简单成熟可靠低成本简化现有常规锅炉结构的排烟回流锅炉的边缘有向下排烟回流通道的封顶火焰燃烧室结构使燃烧烟煤集中产生的挥发分(冒大烟)上浮在上述燃煤层上部的封顶火焰燃烧室中用可调流量的旋转风在无限旋转混合燃烧中，通过旋转分离，使燃烧产生较重的不可燃的惰性质沿旋转燃烧气流切线边缘的“向下排烟道”即排烟回流烟道中不断在冷面形成重烟下排；同时分离出排烟中轻质挥发分上浮，从开在炉膛旋转燃烧气流形成的炉膛负压区的回流孔回流循环燃烧或通过回流孔口装吹风嘴的吹风流在回流孔中形成射吸流，将排烟中轻质挥发分回流到封顶火焰燃烧室进行循环回流旋转燃烧。通过屏蔽烟气的透明炉门观察炉膛中挥发分火焰燃烧状况，不断调节旋转供风流量及方向，并同时调整炉排下进风量以便控制燃煤层挥发分生成量，使挥发分生成量与旋转空气供应量达到氧化平衡燃烧，即观察到炉膛内挥发分全部转变成火焰燃烧而不排出炉外；当挥发分燃烧过后，煤层进入焦炭燃烧周期停止旋转供风，打开烟道底门使烟筒吸力减小；锅炉转换成自然对流平衡燃烧的分离排烟中可燃物沿炉壁垂直回流循环燃烧的现有排烟回流锅炉无烟运行方式。

为实现上述要解决的技术问题，必须采用现有排烟回流锅炉基本结构，见图1，是由上封顶和四周封闭(指运行状态)的封顶水套(1)覆罩“上口敞开的燃煤炉火焰燃烧炉膛”(4)，炉膛内炉壁呈园弧形，并使封顶水套(1)覆罩燃煤炉的燃煤层炉膛内装耐火炉墙(7)的炉壁，从而使燃煤炉煤层上方敞开内装耐火炉墙炉壁围成的火焰燃烧炉膛(4)空间与水套的上封顶之间的空间构成四周有向下排烟道的封顶火焰燃烧室(20)，封顶水套(1)向下全部履罩燃煤炉膛(15)的炉壁(26)与封顶水套(1)内壁之间留有围绕燃煤炉的炉膛外壁的环形空间构成环形向下排烟道(5)该向下排烟道(5)上口，即燃煤炉火焰燃烧炉膛(4)上沿与水套封顶之间留有排烟夹缝(19)，使封顶火焰燃烧室(20)与环形向下排烟道(5)相通，环形向下排烟道(5)下口，即封顶水套(1)下沿与燃煤炉膛(15)的下部炉壁之间封闭成环形底烟道(14)并与烟筒(40)相通，在环形底烟道(14)向上返的烟筒底口装片形旋转控烟门(43)，在封顶水套(1)覆罩的燃煤炉膛(15)的炉壁(26)上开燃煤炉膛(15)与环形向下排烟道(5)之间相通的回流孔(11)，此环形向下排烟道(5)就构成了环形排烟回流烟道(6)，燃煤炉膛(15)煤层下部装有炉排(17)，炉排(17)下是碴仓(28)，在碴仓(28)壁上有碴仓门(16)和装鼓风机进风口(29)；靠近烟筒(40)的环形底烟道(14)的封顶水套(1)下沿低点有进冷水管图3(42)，水套封顶高点有输出热水管或蒸气输出管(18)；其创新结构是(见图2)：封顶水套[图2(31)]与燃煤炉膛(15)的炉壁(26)垂直面部分重合为一体，其余燃煤炉膛(15)的炉壁(26)被覆罩在封顶水套(31)之内，该部分被斜面封顶水套(31)覆罩的炉膛炉壁(26)与封顶水套(31)内部之间的空间就构成燃煤炉膛(15)一侧平行炉膛的向下排烟道(5)，即是在公知环形排烟回流烟道(6)的沿炉膛外壁环形向下排烟道(5)的炉膛一侧的部分烟道构成平行炉膛的向下排烟道(5)，此种封顶火焰燃烧室(20)即成为部分炉壁(26)与封顶水套(31)重合的水套炉壁(37)与部分被封顶水套(31)覆罩的燃煤炉火焰燃烧炉膛(4)的炉壁(26)共同围成的，其侧面有向下排烟道(5)的封顶火焰燃烧室(20)，该炉膛侧面的向下排烟道(5)由不与炉壁(26)重合的封顶水套(31)下沿与被封顶水套(31)覆罩的燃煤炉膛下部炉壁(26)之间封闭成炉膛侧面的底烟道(14)即构成燃煤炉膛一侧的排烟回流烟道(6)的底烟道(14)。

在围绕燃煤炉炉壁(26)的环形排烟回流烟道(6)或燃煤炉膛(15)一侧平行燃煤炉膛(15)的排烟回流烟道(6)的底烟道(14)底部装烟道底门(27)，在封顶火焰燃烧室(20)的封顶水套(1)(31)垂直壁上并穿过燃煤炉的火焰燃烧炉膛(4)的炉壁(26)开观察炉膛火焰能屏蔽烟气外冒可换耐热玻璃片的透明炉门图1(9)，因为在封顶水套覆罩燃烧炉的水套上开口都必然形成排烟出口，因此为实现观察炉膛火焰的炉门或观察孔的孔口装可更换的耐热玻璃片。在炉膛内壁耐火炉墙(7)中装由炉外通往炉膛侧回流孔(11)口向下射流的热风通道(13)；用以对挥发分从回流孔回流供风燃烧。

本发明重点关键技术是向封顶火焰燃烧室供可调旋转风结构，及旋转燃烧离心分离排出燃烧产生惰性质，和排烟回流烟道分离出未完全燃烧挥发分回流到封顶火焰燃烧室循环旋转燃烧结构及运行方式。

本发明倾斜回流孔(41)入口装吹风嘴(24)的旋转供风射吸回流结构是：在封顶火焰燃烧室(20)与排烟回流烟道(6)相隔的炉壁(26)上开倾斜回流孔(41)，其倾斜方向是在火焰燃烧炉膛(4)开孔处内炉壁(26)弧面水平切线，向火焰燃烧炉膛(4)内倾斜夹角为大于15°小于70°(见图6 a、b)并在排烟回流烟道(6)侧的倾斜回流孔(41)口装小于其孔口内径的可调流量风源的吹风嘴(24)通过倾斜回流孔(41)导流向封顶火焰燃烧室(20)吹风，风流以内切内炉壁(50)方向在内炉壁(50)折射形成炉膛内水平旋转风(21)，同时在倾斜回流孔(41)口由吹风气流形成射吸，加速排烟回流烟道(6)中受热上浮的排烟中未完全燃烧挥发分通过倾斜回流孔(41)回流到封顶火焰燃烧室(20)进行燃烧，构成向封顶火焰燃烧室(20)从倾斜回流孔(41)吹入旋转风和回流孔射吸回流的倾斜回流孔(41)入口装吹风嘴(24)的供风射吸回流结构。

本发明炉门装倾斜吹风嘴向封顶火焰燃烧室供旋转风和炉门边吹风缝炉门风屏流结构是在包围封顶火焰燃烧室(20)的封顶水套(1)垂直壁面并穿过其覆罩中的火焰燃烧炉膛的炉壁(26)或仅穿过封顶水套(1)与炉壁(26)重合成一体的封顶火焰燃烧室(20)的水套炉壁(37)，开通往封顶火焰燃烧室(20)的炉门通道(10)，在该炉门通道(10)的门口上装水平旋转的开扇炉门(8)，使炉门(8)转开30°至70°时，在炉门(8)上，装吹向火焰燃烧炉膛(4)内门口的内炉壁(50)弧面为水平内切方向的倾斜吹风嘴(36)，在该炉门外门壁上装可调风量的鼓风机(35)或便于开关门的活动供风软管(47)联接可调风量的风源向该倾斜吹风嘴(36)供风，在炉门口边缘有辅助吹风缝(46)向另一侧门口边缘的火焰燃烧炉膛(4)内壁呈切面吹风，形成屏蔽炉门的风屏流(45)，并使其与装在炉门上倾斜吹风嘴(36)吹风保持同向；利用炉门(8)开关转向带动装在炉门上的倾斜吹风嘴(36)向炉膛内炉壁(50)沿切线方向吹风，使风流沿炉膛内炉壁(50)折射在封顶火焰燃烧室(20)内形成可调流量随炉门(8)开向的水平调向的封顶火焰燃烧室(20)水平旋转风(21)；炉门(8)边口的吹风缝(46)吹风形成炉门风屏流(45)，阻挡炉膛烟气从炉门(8)外冒以便敞开炉门(8)观察封顶火焰燃烧室(20)火焰燃烧状况的炉门(8)装倾斜吹风嘴(36)向封顶火焰燃烧室(20)提供可调转向和流量的炉膛水平旋转风(21)和炉门(8)边的吹风缝(46)吹风的炉门风屏流(45)结构。

本发明多层倾斜吹风孔，多层倾斜回流孔和多层排流孔在炉壁错位分布邻层反向形成炉膛内多层水平旋转供风回流结构，是适用于超大型封顶火焰燃烧室中提供炉膛离心分离回流燃烧旋转供风，其结构是：在封顶火焰燃烧室(20)的封顶水套(1)的垂直壁面并穿过其覆罩的火焰燃烧炉膛(4)的炉壁(26)，或仅穿过封顶水套(1)与火焰燃烧炉膛炉壁重合的水套炉壁(37)开通往封顶火焰燃烧室的倾斜吹风孔(41)，其倾斜方向是在火焰燃烧炉膛(49)内开孔处内壁弧面呈水平切线向炉膛内倾斜夹角大于15°小于70°(图6)，并由炉外可调流量的可调风源管道(25)穿过水套向该倾斜吹风孔(41)供风，炉膛中倾斜吹风孔口为穿过耐火炉墙(7)的耐火材料中形成的耐火孔口；在排烟回流烟道(6)与封顶火焰燃烧室(20)相隔的炉壁(26)开与倾斜吹风孔(41)同向的倾斜回流孔(23)；或在封顶火焰燃烧室(20)炉壁(26)并穿过其覆罩火焰燃烧炉膛的耐火炉墙(7)或仅穿过封顶水套与火焰燃烧室炉壁(26)重合的水套炉壁(37)按水平分层，开多层倾斜吹风孔(41)，并开同层同向的倾斜回流孔(23)和与炉壁(26)面垂直的排流孔(2)，每层中倾斜回流孔(23)开在靠近倾斜吹风孔(41)较近的吹风形成的炉膛负压区(22)的封顶水套(1)覆罩的炉壁(26)上，该垂直排流孔(2)开在距倾斜吹风孔(41)较远的吹风在封顶火焰燃烧室(20)形成正压区(3)的封顶水套(1)覆罩的炉壁(26)上；该多层倾斜吹风孔(41)相邻层之间的倾斜风吹方向为邻层反向，并在垂直炉壁上倾斜吹风孔(41)，为邻层错开分布；从而构成封顶火焰燃烧室(20)中多层倾斜吹风孔(41)，多层倾斜回流孔(23)和多层排流孔(2)在炉壁错位分佈邻层反向形成多层水平旋转供风回流结构。

本发明炉门(8)装倾斜吹风嘴(36)提供可调转向和流量的炉膛水平旋转风结构，用于小型常压热水锅炉，其封顶水套为向上导流排烟进入封顶高点的排烟回流烟道(6)顶部的斜面封顶水套(31)，其斜面封顶倾角与水平夹角(48)为15°～40°之间图7中a为弧型斜面封顶水套透视图，b为方矩型斜面封顶水套透视图。在炉门装倾斜吹风嘴(36)向斜面封顶火焰燃烧室(20)提供可调转向的炉门(8)开在斜面封顶水套(31)的斜面封顶的低点向下垂线(34)为中线的垂直水套炉壁上；排烟回流烟道(6)在斜面封顶水套(31)的斜面封顶高点(30)的向下垂线为对称中线的斜面封顶水套(31)覆罩下的燃烧炉水套隔墙(38)与斜面封顶水套(31)高点向下的内壁之间留有的空间构成；在斜面封顶水套(31)的封顶斜面低点向下垂线(34)为中线的水套炉壁(37)向两侧为对称的垂直水套壁面与燃煤炉膛炉壁(26)部分重合相贯为一体，并和不相贯的水套炉壁(38)即被斜面封顶水套(31)覆罩的水套炉壁(38)一起围成燃煤炉膛(15)，被斜面封顶水套(31)覆罩下的燃煤炉的水套炉壁(38)就构成燃煤炉膛(15)与排烟回流烟道(6)之间的水套隔墙(38)，在水套隔墙(38)上用耐火材料做成带回流孔(11)和离心排流孔(2)的反射热隔墙(51)，在反射热隔墙(51)的墙顶与斜面封顶水套(31)内顶壁之间留有排烟夹缝(19)，使斜面封顶火焰燃烧室(20)与燃烧炉膛一侧的排烟回流烟道(6)相通，并在斜面封顶火焰燃烧室(20)的下部的贴近燃煤层的水套隔墙(38)上开回流孔(11)，其余结构均同前述结构。采用上述斜面封顶向上沿斜面导流火焰及排烟进入高位入口的向下排烟回流烟道结构减小了炉膛火焰气流对封顶斜面低位的炉门的气压，减少了火焰和烟气从炉门外冒；又因小型常压热水锅炉的炉门很小，其小炉门上装倾斜吹风嘴吹风稍加散射吹风即能构成炉门风屏流阻止火焰和烟气从炉门外冒的效果，因此可以省略炉门其它屏蔽烟气外冒结构实现开门观察炉膛内火焰燃烧状况。

由于燃煤炉膛煤层状况及运行中耐火墙烧蚀变化和燃料变化非常复杂，严格按水平旋转风难以满足实用需求，应用在挥发分较小或着火条件差的劣质烟煤作燃料时，倾斜回流孔(41)入口装吹风嘴(24)的倾斜回流孔(41)或炉门(8)装倾斜吹风嘴(36)或封顶火焰燃烧室(20)中多层倾斜吹风孔(41)中接近燃烧煤层最下层的吹风孔(41)沿水平向下倾斜即向煤层倾斜10度至20度，用于增加燃煤层表层供风强化燃烧来提高火焰燃烧室的温度。

本发明在超大封顶火焰燃烧室(20)中多层倾斜吹风孔(41)的可调流量的风源管道中每层倾斜吹风孔(41)应分别有独立的调流量的风源供风管道(25)，以满足调整炉膛内变化的挥发分不同层面供风需要。

附图说明

图1为基本方案图。

图中：1封顶水套，15燃煤炉膛，2排流孔，3正压区，4火焰燃烧炉膛，5向下排烟道，6排烟回流烟道，7耐火炉墙，8炉门，9耐热玻璃片，10炉门通道，11回流孔，13热风通道，14底烟道，16碴仓门，17炉排，18输出蒸气管，19排烟夹缝，20封顶火焰燃烧室，21水平旋转风，22负压区，41倾斜回流孔或倾斜吹风孔，23倾斜回流孔，24吹风嘴，25可调风源管道，40烟筒，43旋转控烟门，26炉壁，27烟道底门，28碴仓，29鼓风机进风口。

图2为斜面封顶水套炉门供旋转风方案图。

图中：30为封顶斜面高点，31斜面封顶水套，23倾斜回流孔，20封顶火焰燃烧室，21水平旋转风，35可调流量鼓风机，36倾斜吹风嘴，8炉门，7耐火炉墙，13热风通道，37水套炉壁，29鼓风机进口，28碴仓，16碴仓门，11回流孔，18输出热水管，5向下排烟道，19排烟夹缝，51反射热隔墙，2排流孔，38水套炉壁或水套隔墙，6排烟回流烟道，39燃煤层，43旋转控烟门，40烟筒，14底烟道，17炉排，27烟道底门，28碴仓。

图3为图2的A-A剖视图。

图中：6排烟回流烟道，23倾斜回流孔，22负压区，21水平旋转风，36倾斜吹风嘴，8炉门，35可调流量鼓风机，10炉门通道，20封顶火焰燃烧室，37水套炉壁，1封顶水套，38水套隔墙，42进冷水管，7耐火炉墙，40烟筒，43旋转控烟门，2排流孔，3正压区。

图4为封顶火焰燃烧室水平剖视图。

图中：6排烟回流烟道，22负压区，21水平旋转风，1封顶水套，44耐火孔口，41倾斜吹风孔，37水套炉壁，36倾斜吹风嘴，8炉门，2排流孔，38水套炉墙，3正压区，45风屏流，46吹风缝，25可调风源管道，47供风软管。

图5为多层倾斜吹风孔在炉壁分佈图。

图中：23倾斜回流孔，22负压区，2排流孔，3正压区，41倾斜吹风孔，25可调风源管道，4火焰燃烧炉膛，26炉壁。

图6为倾斜吹风孔或倾斜回流孔与内炉壁弧面切线夹角图。

图中：4火焰燃烧炉膛，50内炉壁，41倾斜吹风孔或倾斜回流孔。

图7为斜面封顶火焰燃烧室炉门和排烟回流烟道位置透视图。

图中a圆弧型斜面封顶水套透视图，b为方矩型斜面封顶水套透视图。

图中31斜面封顶水套，48斜面封顶与水平夹角，8炉门，34封顶斜面低点向下垂线，37水套炉壁，30封顶斜面高点，5向下排烟道，38水套隔墙，6排烟回流烟道，15燃煤炉膛。

具体实施方式

人类在征服锅炉排烟中忽视了燃烧排烟在冷热温度场作用中利用排烟组成成分的热容量和比重差值，将锅炉排烟在炉内分离成较重不可燃的惰性质遇冷下排；可燃气体受热上浮回流循环燃烧的规律。本发明继上述的热容重力对流分离基础上，用旋转燃烧离心分离，使火焰中生成较重的惰性质沿旋转燃烧的切线边缘不断重力分离下排，下排中轻而易上浮的挥发分再次被分离回流参加旋转燃烧，炉膛中大量在旋转燃烧集中在低压低速的中心区的挥发分不断旋转混合离心燃烧，以其极宽的可应用结构范围能使锅炉无烟运行，达到粗质劣质燃料精烧使排烟全部变成火焰的预想不到的效果。

实例1，锅炉强正压旋转供风平衡回流燃烧。

图2的炉门(8)上倾斜吹风嘴(36)很容易做成可调方向的吹风嘴(36)(如采用带孔的球形转向活节等结构)，当该吹风嘴为可调向时，可关上炉门(8)，调整倾斜吹风嘴(36)方向，使之向炉膛内供水平旋转风(21)，在关闭碴仓门(16)和烟底门(27)的条件下，用碴仓鼓风机进口和炉门上两台鼓风机(35)强供风的同时适当关烟筒(40)上的旋转控烟门(43)，使碴仓鼓风机供风在煤层产生的挥发分生成量和炉门(8)鼓风机供旋转风量实现氧化平衡旋转燃烧，并使旋转控烟门缝隙高速排出惰性质生成量，实现锅炉内强正压平衡旋转供风回流燃烧。

应用实例2。

对烟筒排烟出口装红外线发射和接收装置利用排烟浓度遮挡红外线发射接收信号的强弱提供传感信号，指令微机控制操作鼓风机的供风量和可动吹风嘴在炉膛内供水平旋转风达到火焰氧化平衡燃烧，实现烟筒出口排烟遮挡量反馈给定值控制锅炉供旋转风量控制锅炉无烟运行。

应用实例3。

利用炉膛火焰探测器传输到微机通过监视器在屏幕上显示，并用相应软件程序操控水平旋转供风机构，实现锅炉平衡供氧旋转燃烧。