專利名稱:節約層燃煤爐能源的燃燒方法
發明屬于改造固體燃料層式燃燒的技術領域：
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現有層燃煤爐類型多、量大、面廣、耗能高、效率低。其浪費、污染情況，各節煤、環保部門的統計文件足供參考。有關書籍很多，如浙大陳運銑編鍋爐燃燒過程引論、孫竹生編蒸汽機車工程、柴志明編蒸汽鍋爐的理論和計算……等等。
發明目的，想把年燒兩億多噸煤炭的層燃爐，經過簡易改造舊爐，和設計制造新爐，較大幅度的提高其燃燒效率和熱強度，以達到較大幅度的節能、消煙、提高熱效率之目的。
現有層燃方式，進行著爐床上的煤層燃燒和爐膛空間的室燃。爐氣承載可燃物(可燃氣體和炭粒)在爐膛內的運動軌跡和逗留時間，完全受氣體流程和流速的限制，因而室燃的氣體動力結構對燃燒過程起著極為重要的決定作用。層燃的氣流結構為直線型，氣流承載可燃物在爐膛內的運動基本為平行直線流程，所以不可能使氧與可燃物充滿全空間良好均勻的混合接觸，并逗留足夠時間進行反應。結果已燃未盡和未燃之炭粒與可燃氣體，以及過剩空氣等，都將由煙囪逸損，僅這三項，一般約為5%～30%的熱損失。
為減少這部分損失，有的層燃爐送入爐膛二次風，蒸汽機車鍋爐用導風器送入爐膛蒸汽空氣混合物，目的都是為了輔助燃燒減少損失。但二次風各咀都僅射出一股氣流集中到爐床直接上方中央一點處進行局部擾動混合助燃沒有遍布于全截面。導風器則是在火箱拱磚下面，爐床上方約500毫米高處，由兩側扳上交錯相對平行布置若干二次混合風咀，與爐氣進行擾動混合助燃，由于僅是在原層燃氣流結構上進行局部助燃，而不是徹底改變層燃氣流結構，就必然仍存留其缺點，不能全部均勻混合，并延長足夠時間，得到較完全的燃燒。而且距爐床較近，不是爐溫最高處，射入的二次風不僅有降低爐溫之可能，且有壓抑層燃氣流暢通之弊，而影響了層式燃燒。故而雖有這種裝置，多不使用，未起到設想的作用。
我的發明是在不影響現有層燃穩定性的前提下，變革爐膛內適當局部空間的全部層燃氣體動力結構，為先進的氣體動力結構，形成爐床和此局部空間具有不同方式的兩段強化燃燒中心，以大幅度的提高此部分的室燃效率和熱強度，來促進爐床煤層的燃燒率。
如屬于改造現用的幾萬臺層燃煤爐，在不動其爐體結構的前提下，結合各型爐的具體條件，于爐膛內選一距爐床較遠，最好是經過回轉(回程)，而爐溫達最高(不低于1100℃)處的空間變革成先進室燃。由于各型類固定爐的結構和燃燒各異，不易概括，今以燃燒效率最低(熱效率僅為8%)構造和燃燒情況基本相同的蒸汽機車鍋爐為典型例子，以說明各問題。如圖1，為機車鍋爐現有層燃氣體動力結構示意。火箱內拱磚下面的層燃氣流結構保持不變，而變革火箱拱磚上面的部分和再燃室這段連通空間為先進的氣體動力結構。不論這段空間內腔的形狀如何，都可因爐制宜的選擇幾個與進入此空間的層燃爐氣基本垂直(也可根據爐膛結構呈一斜度)的空間橫截面(如圖1A-A、B-B、C-C)，每個截面設置幾個風咀，每個風咀沿截面內自軸心至爐壁的幾個(根據截面大小，以能變革全截面的氣流結構為準)空間假想同心圓的切線方向射入幾股不同流量、不同流速(以到達各假想圓的切點處，幾股切圓氣流的動量基本相等為準)的氣體(空氣、蒸汽、爐氣、或某二者混合)射流，如圖2所示。當層燃爐氣攜帶炭粒進入此空間時，受到第一截面向室內傾一角度安裝的兩風咀的射流誘導，使層燃爐氣和攜帶的炭粒順利進入，以保證拱磚下火箱內的層燃氣流和層式燃燒不受影響，甚或對爐床下一次風的引入也起到誘導作用。由于氣體射流、與進入的層燃爐氣和炭粒的流向、流速、溫度、濃度等等都不同，所以經過射流沿各假想圓的切向攔截、沖擊后，它們之間必然要進行物質、熱量、動量等等的交換，破壞了原有層流秩序，迫使它們在全截面上形成強烈的脈動紊流，為氣流與可燃物充滿全空間，充分均勻混合接觸反應打下基礎。于此進口處的爐溫約為1300℃，在強烈紊流混合下，向高溫燃氣擴散氧的速度很高，首先急劇燃燒起來，迅速提高爐溫，約可達1500℃，改善了爐內熱工狀況，為炭粒的燃燒創造了有利條件。由于炭粒比氣流的慣性大得多，離心作用強得多，并且運動軌跡也不相同，所以炭粒與氣流的相對速度很高，相差數倍，因此向炭粒擴散氧的速度必然也很快，高速氧沖刷炭粒表面時，不可能保持穩定的燃燒，只能氣化，介吸后的氣化產物向四周擴散的速度也很高，再與紊流中的氧迅速反應燃燒，大大地加強了炭粒單位表面上的氣體交換，因而炭粒的化學反應也很劇烈。
第一截面的射流將沿各假想圓卷吸爐氣旋轉，爐氣將拖曳射流沿軸向前進，結果形成自軸心至爐壁的幾圈圓形摻雜炭粒的混合旋轉氣流螺旋前進，并使炭粒的離心力逐漸增強向爐壁分離。因需較大動量的射流才能卷吸層燃直流爐氣旋轉，但為保持爐內較高溫度水平，射流宜力求高速少量。以機車鍋爐為例，由于它爐床進入的一次風過多，一般過剩空氣系數α＝1.2-1.5，所以氣體射流可以采用乏汽。進口風速約為150米/秒，射流量約占爐氣量的7～10%，即能將通過爐膛的直流爐氣和其中的炭粒卷吸旋轉，見圖二之示意。實際上橫向射流與直流爐氣攪拌混合到一起，互相擾動交織還形成許多紊流區，圖上未示出。如此便把這段空間變革成螺旋紊流動力結構的燃燒室，自形成一個與層燃氣體動力結構完全不同的強化燃燒中心。
如此紊流螺旋前進的幾圈混合燃燒物，再遇到第二截面三風咀的射流切入，沿軸向再次起到交會紊流的混合作用，沿各圓形渦流圈的切向則加強了它們的旋度和炭粒的分離作用，絕大多數炭粒基本上都根據不同顆粒度，一方面各沿所在渦流中形成不同大小的圓周旋轉運動，一方面又逐漸超越所在渦流圈向爐壁波及分離。隨著氣化燃燒過程的發展，炭粒尺寸不斷縮小，當第二截面氣體射流切入進行強烈紊流混合時，對于已進入燃燒終結階段的可燃氣體和逐漸縮小到一定尺寸的炭粒，尤其起著極為重要的急劇燃盡作用。炭粒受到種種力的作用，小炭粒受軸向曳引力較突出，因而旋轉圈數較少，靠近軸心部分隨氣流螺旋運動基本燃盡。大炭粒受離心力較突出，因而旋轉圈數較多，在燃燒室內逗留的時間較長，并逐漸波及分離到近爐壁大約100毫米厚的高旋度氣流環帶中，作復雜的沸騰旋轉運動，氣流與炭粒的旋轉速度相差5～6倍，所以沸騰層中的炭粒也是進行著急劇的氣化和氣化產物的燃燒反應。這種根據炭粒大小，自動調節在螺旋紊流燃燒室內的流程和逗留時間的現象，是提高炭粒燃盡程度的保證之一。
如果還有第三……等截面的氣體射流切入，當然更加強軸向紊流混合和切向旋度。如果沸騰環帶中的大炭粒螺旋運行到出口遇有擋板(例如煙管板)時，將產生回路逆轉，回轉到一定深度后，將再被正向氣流卷吸一同又向管板前進，如此往復循環，更能提高燃燒的完全程度。由上可見，炭粒和燃氣在螺旋紊流燃燒室中，進行著空間可燃物與氧紊流混合的化學反應過程，和爐壁附近沸騰燃料層與氧的化學反應過程。決定燃燒強度的是燃料的氣化和氣化產物的燃燒，而氣化產物的燃燒又取決于紊流的強度。一般燃燒室效率可達90%以上;容積熱強度可達3百萬大卡/m3小時以上，過剩空氣系數可達α＝1.1左右。越是浪費嚴重黑煙滾滾的煤老虎，越是燃燒劣碎煤，被吹播于爐膛中的炭粒越多的爐子，采用這種燃燒方法，收效就越大。這是因為凡不利于層燃的因素，都可轉變為有利于螺旋紊流室燃的因素。
由上可見，我發明的這種螺旋紊流燃燒方式，既具有先進旋風燃燒氣體動力結構的某些共性，因而必將發揮旋風燃燒的高效率、高強度、低過剩空氣等的優點;又具其獨有的特性，而利于空間的紊流燃燒。雖然發揮了旋風燃燒的某些基本優點，但我卻完全破除了旋風燃燒所必須具備的嚴格基礎條件，和復雜的輔助系統設備，以及對煤種、運行液態排渣等等的麻煩限制和要求，僅僅代之以我所發明的特殊射流。如此便可實現，既能無損現有各類層燃煤爐的原有結構，又能效高易行地進行兩段強化燃燒的技術改造。
如果應用我的發明，設計制造新型的爐床層燃和先進室燃兩段強化燃燒中心的煤爐，不僅結構簡單、節省鋼材、爐體減小，效果將會更增大。只要一個保留爐床層燃氣流結構的爐膛，發揮層燃穩定性的優點，另于層燃氣流迂回拐彎處，也就是層燃溫度達到最高處設置一個內腔較具流線型的螺旋紊流燃盡室，此室可以設計成燃燒50%以上的可燃物，更多的發揮旋風燃燒的優點，大大提高爐子出力。截面的氣體射流風咀可以更合理的布置。例如，最后一截面的氣體射流風咀，安在燃盡室末端前適當距離處，向燃盡室進口方向傾一角度，以減緩較大炭粒前進的速度，并可防止冷射流直接射擊出口煙管板。可燃物如能在此室內基本燃盡，由于此室爐溫可能較高于層燃段，所以需要經過兩回程的煙管迂回多吸收它的熱量。如果為了更提高燃燒效率，更多的吸收熱量，也可于螺旋紊流燃燒室后再設一燃盡室，然后再進入煙管排出。從環保角度來說，這種燃燒較理想時，煙囪只能望到白氣。
關于氣體射流風咀的構造，可以根據所采用的氣體類別和爐體結構，以及可使用的動力等來考慮。不論現用的導風器、引射泵……等等輸送二次風的哪種裝置，與我發明氣體射流風咀的不同之點在于原有這些型類的風咀，每個角度位置只設一個風咀，一咀只射出一股氣流。而我的發明是每個位置裝設一個同時射出幾股不同角度(根據不同情況，可能包括不同流速不同流量)的射流，或者根據結構情況，于每個位置裝設幾個各射出不同角度的射流，以形成同時切幾個假想同心圓的切線射流。
綜觀上述我的發明與現用單一層燃相比，具有如下優點和效果1、由于良好均勻混合接觸，增加反應機會，減少過剩空氣。這種均勻混合，較之一些層燃爐采取的多回程迂回混合完善得多，因為迂回混合并未完全擺脫平行直流的范疇，混合的速度、均勻性和充滿空間性都不及此。氣體射流的作用主要是用其動量變革氣體動力結構，如為空氣射流，可以增加爐床煤層厚度，提高爐床燃燒率，減少一次空氣量，把增加懸浮在煤層上面的可燃物，轉移與二次空氣射流中的氧進行螺旋紊流室燃。如此便可使兩段燃燒中的可燃物都能與適量的氧均勻混合，不會增加過剩空氣，一般可以維持在α＝1.05～1.2。各型層燃爐都沒有這樣低的過剩空氣。如機車鍋爐在一般運轉情況下，其α＝1.2～1.5，由煙囪帶出2%～4%的熱量損失;嚴重時可達α＞2，將由煙囪帶出10%的熱量損失。因此，它就不需要補充二次空氣，它的截面射流只用其汽缸乏汽即可，其目的僅為用其動量變革氣流結構，它的一次空氣量足夠其兩段燃燒用了。由于我這種燃燒方式的過剩空氣少，平均約可減少3%以上的熱量損失。
2、由于爐溫提高，改善了爐子熱工狀況;又由于爐氣的螺旋紊流運動速度極快，尤其炭粒和爐氣的相對速度加快幾倍，因而各種反應過程必然加速很多;所以燃氣可以達到完全燃盡的程度，對于炭粒的燃燒也大大有利。如機車鍋爐在一般運轉情況下，由煙囪逸出的CO為排出煙氣量的2%，約相當于6%的熱量損失;嚴重時可能高達7%，約相當于20%的熱量損失。尚未計及逸出其它可燃氣體的損失。其他層燃爐的可燃氣體逸損雖各不同，但能燃盡者不多。由于我這種燃燒方法可以消除可燃氣體的逸損，故可減少5%以上的熱量損失。
3、由于可燃物螺旋運行，紊流擾動，還可能有往復循環，因此炭粒逗留進行反應的時間延長，加上混合均勻反應機會多，和反應速度快，所以小炭粒可以基本燃盡，大炭粒亦可燃燒大半。如機車鍋爐一般運轉情況下，約有15%～20%的炭粒由煙囪逸損，采用我這種燃燒方法，約可減少10%的炭粒逸損。
由上可見，采用這種燃燒方法，平均可能節約現有層燃煤爐從煙囪逸出的30%～50%的熱量損失，每年得以百萬噸計。而這些熱損失不僅在室燃內進行了放熱反應，提高了爐子熱效率，減少了污染，并且由于室燃熱強度的提高，還可以加厚煤層，提高爐床燃燒率，把被吹起到爐膛內的可燃物，都轉移到螺旋紊流燃燒室內進行室燃，進一步提高爐子出力，這項積極效果，更高于節能。
例如機車鍋爐的燃燒強度，一般約為3百萬大卡/m2小時，比一般固定爐僅為0.8～1.5百萬大卡/m2小時高得多。按機車鍋爐有30%的可燃物在螺旋紊流室內燃燒，假如全部燃盡，它的容積熱強度不過約為2百萬大卡/m3小時，較螺旋紊流室的容積熱強度3百萬大卡/m3時還差很多。所以螺旋紊流室內還可以燃燒更多的可燃物，以促進爐床燃燒率的提高。這就有可能把機車的熱效率從8%提高到10%以上，因而提高了鐵路運輸能力。因為蒸汽機車仍為鐵路運輸主力，約占80%，所以這方面的效果，與節能可以并列。至于固定爐就更大有文章可做了，使用我的燃燒方法后，可以普遍平均提高爐子出力10%～20%。
此外，因為我的燃燒方法有一段室燃，所以適于燃燒劣質碎煤，以充分發揮室燃的效能，因而可以節約優質塊煤。尤其機車，它為燃用優質塊煤，自用煤的運輸量相當大，(它現有八千臺，年耗煤幾千萬噸)，如能就地取材燃用劣碎煤，不僅可以減少它自用煤的運輸量，還可以使加煤完全機械化，減輕勞動，因為煤中每含1%的0～6毫米的煤末，將使加煤機機車的鍋爐效率降低0.4～0.5%，而這些煤末，正好是螺旋紊流燃燒的適當粒度，所以爐床上被吹起的煤末越多，越適合這種燃燒方式，這是一種強化層燃的效高易行的方法。
這種燃燒方法的爐溫高也是特點，有需要高溫(1500℃)加熱的鍛件。油爐和煤氣爐等不能解決的，這種燃燒加熱爐可以解決，不過須以旋風室燃為主，爐床層燃為輔。這就變革成爐床層燃旋風室燃兩段強化燃燒中心的爐子。
如果實現這項發明的專利權，最好是通過爐子制造和使用的主管部門，與發明者簽定合同，把改造舊爐和設計新爐并舉。先選擇現用批量大，耗煤多的幾類典型爐子有領導的進行改造;同時根據現在最多使用的幾類爐子的參數，有領導的設計新爐;我可以參加這些重點的改造和設計。
至于分散使用的各種類型、各種用途的所有大小層燃煤爐，也應由各地區的主管部門與發明者簽定合同進行改造。
權利要求
發明屬于改造固體燃料層式燃燒的技術領域：
。是將現有單一的層燃，變革成爐床層燃和先進室燃兩段強化燃燒中心的爐子。本發明的特征是1、如屬改造舊爐，在不動爐體結構，不影響爐床層燃的前提下，選一具有適當爐溫的局部爐膛空間，把此空間變革成為與層燃氣體動力結構完全不同的先進氣體動力結構，形成爐床層燃和先進室燃的兩段強化燃燒中心的爐子。對新設計的爐子，只要一個保留爐床層燃氣體動力結構的爐膛，發揮層燃穩定性的優點；另于層燃達最高溫度處，令氣流經過回轉進入另一內腔較具流線型的先進氣體動力結構燃燒室，此室的容積，最好能使燃燒發熱量不低于爐床層燃的發熱量，甚或更高一些。如此形成的兩段強化燃燒中心的爐子，更適于燃燒劣質碎煤。這類兩段強化燃燒中心的爐型，既發揮了爐床層燃特有的爐溫穩定的優點，又大幅度的提高室燃的效率和強度，從而再促進爐床層燃的燃燒率，并且改造極簡單。是對各種類型、各種用途的一切固體燃料層式燃燒爐子的節能、消煙、提高熱效率的效高易行的燃燒方法。2、變革氣體動力結構的方法不論所選先進燃燒室的內腔形狀如何，都可因爐制宜的選擇幾個與進入此室的層燃爐氣體基本垂直(根據爐膛結構，也可呈一斜度)的空間橫截面，在每個橫截面的爐壁適當位置，設置幾個風嘴，每個風嘴沿截面內自軸心至爐壁的幾個空間假想同心圓的切線方向，射入幾股氣體射流，經過這些射流與進入此室的層燃爐氣和炭粒進行各種交換后，破壞了原有層流秩序，迫使它們在全截面上形成強烈的脈動紊流，為氣流與可燃物充滿全空間，充分均勻混合接觸反應打下基礎。射流將沿各假想圓卷吸爐氣旋轉，爐氣將拖曳射流沿軸向前進，結果形成自軸心至爐壁的幾圈圓形摻雜炭粒的混合旋轉氣流螺旋前進，并使炭粒的離心力逐漸增強向爐壁分離。實際上橫向射流與直流爐氣攪拌混合到一起，互相擾動交織還形成許多紊流區。如此便改造成螺旋紊流動力結構的燃燒室。炭粒和可燃氣體在螺旋紊流燃燒室中，進行著空間可燃物與氧紊流混合的化學反應過程和爐壁附近沸騰燃料層與氧的化學反應過程。由于混合均勻，燃燒劇烈和逗留反應的時間延長，所以燃燒效率和熱強度都高，而過剩空氣卻減少。3、氣體射流的作用，主要是用其動量變革氣體動力結構。因此必需具有一定動量的射流，才能卷吸層燃直流爐氣與炭粒旋轉，但為保持爐內較高溫度水平，射流宜力求高速少量。如氣體射流中含有空氣，則可以提高爐床燃燒率，把增加懸浮的可燃物轉移到螺旋紊流燃燒室中與補充的二次空氣射流進行室燃。4、氣體射流風嘴，應根據所采用的氣體類別、爐體結構和使用的動力等來考慮。但與現用的不論是引射泵、導風器……等等輸送裝置比較，主要不同點在于原有各型風嘴，每個位置只設一個風嘴，每個風嘴只射出一股氣流。我的發明則是每個位置可裝設一個或幾個風嘴，一個風嘴同時射出幾股不同角度的射流;或者幾個風嘴各射出一、兩股不同角度的射流，以便形成同時切幾個假想同心圓的切線射流，變革全截面的氣流結構。
專利摘要
發明屬于改造固體燃料層式燃燒的技術領域：
。是將現有單一的層燃，變革成爐床層燃和先進室燃兩段強化燃燒中心的爐子。以提高室燃的效率和強度，促進層燃的燃燒率，達到節能、消煙、提高熱效率之目的。在選定的適當爐膛局部空間內，選幾個與進入此空間的層燃爐氣基本垂直的空間橫截面，在每個橫截面的爐壁適當位置，安裝幾個風嘴，每個風嘴沿截面內自軸心至爐壁的幾個空間假想同心圓的切線方向，射入幾股氣體射流，經過這些射流與進入此室的層燃爐氣和炭粒進行各種交換后，變革成為螺旋紊流的先進動力結構燃燒室。
文檔編號F23D14/48GK85102001SQ85102001
公開日1986年10月1日 申請日期1985年4月4日
發明者宋鴻升 申請人:宋鴻升導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan