专利名称:高效的节煤的无烟尘的简易全煤气发生炉与燃气炉联合装置的制作方法
本发明涉及一种改进了的简易煤气发生炉和由其直接供应煤气的改进了的燃气炉的联合装置。
现有手工散煤炉大多为直火或半煤气燃烧，烟尘污染环境比较严重;排烟黑度最大达林格曼5级，排烟含尘浓度在3000mg/Nm3以上;烟尘不仅污染环境而且污染炉内，降低炉子使用寿命和热能的有效利用率;烟尘(灰)积附在炉内严重的阻碍了传热(其导热系数是一般耐火材料的几十分之一，是金属材料的几百分之一)，甚至堵塞烟道，影响炉子使用;由于烟灰增大了炉内热阻，为了保证炉内必须的传热量，势必提高火焰温度，既增加了燃料消耗，又易于导至燃烧室和火道局部过热而损坏。为了延长炉子的使用寿命和保证炉内必须的传热，许多用户不得不使用价格昂贵的高级筑炉材料如刚玉、碳化硅，和耐热合金等，使炉的造价很高。手工散煤炉劳动环境烟尘大，加煤清灰操作频繁，热辐射大，不符合文明生产的要求。手工散煤炉由于机械和化学不完全燃烧和炉口的辐射和溢流热损失大，空气过剩系数高，而能有效回收余热的二次空气却很少，炉内传热不良，排烟温度高，因而燃料热能的有效利用率低，如马弗煤炉一般只有6～15%。
为了解决上述的问题，通常采用机械加煤和附加除尘器的办法;这样虽然避免了手工间断加煤造成的周期性严重贫氧而冒浓烟的情况，但因没有改变燃烧机理(仍属直火或半煤气燃烧，料层薄、干馏温度高、挥发份分子量大，通过料层的气体流速大，带出物多)，所以消烟除尘效果仍不理想。如不加装高效除尘器，一般仍达不到国家排放标准。特别是炉内烟尘的污染及与此有关的炉内传热不良及局部过热等，直火炉共有的问题仍得不到解决。
在一些大中城市已采用散煤完全气化的燃烧放热方式，在消烟除尘方面取得了较大的进步。但产生了新的问题。一般采用的方式是将煤集中在煤气站完全气化，经不同程度的冷却净化处理后，通过煤气管道和阀门将煤气输送到远处分散的燃气炉内燃烧，这就要求较高的气化强度，较高的制气和输气压力，设备投资大，建设周期长，而且难于避免制气输气过程中带来的煤气泄漏、析炭、焦油和带出物在管道和阀门内的沉积堵塞，酚水污染等，並且对煤种和粒度的要求一般都比较高。
如果象某些小型锅炉和锻造加热炉那样，用紧邻的简易煤气发生炉产生的煤气，不经任何处理直接入燃气炉内燃烧，则可大大降低制气和输气压力，简化设备避免煤气通过长管道和阀门而存在的泄漏，不安全，污染和能量损失等。但是现有的简易煤气炉从炉体侧面间歇加煤和清灰，存在着加煤和清灰操作温度高，粉尘大，煤气质量不稳定，气化不完全，每个加煤和清灰周期分为气化、直火、燃尽三个阶段，不适合昼夜连续作业和要求温度稳定的场合。加煤时在空层形成很大的飞扬损失，带出物多，布风不易均匀，易出现偏炉，而在运行中又难于纠正。
本发明的目的是要提供一种炉内外无烟尘污染，按一次能源计的热利用率高，使用方便，不使用高级筑炉材料，无复杂设备的散煤潜热的发掘和利用装置。具体的讲是要提供一种改进了的简易煤气发生炉和燃用它所提供的煤气的燃气炉的联合装置，用以替代现有的散煤层燃炉，可以用较宽的煤种(同现有散煤层燃的直火，半煤气、简易煤气，混合煤气和水煤气炉相比)，获得最高的一次能源有效利用率(与以相同煤种为一次能源，实现相同工艺目的任何现有煤炉电热炉和气炉相比)，並且产生的炉内外烟尘污染最少(与相同煤种为一次能源，实现相同工艺目的现有煤炉相比)，同时不需要更多更复杂的附加设备(针对煤气的冷却净化、远距离输送及机械加煤和除尘器等而言)，节水(与净化冷煤气、水煤气及使用冷却水套的发生炉相比)，减轻劳动强度可以昼夜连续稳定作业(与现有简易煤气炉相比)。简言之本发明的目的在于以最少的弗用和最简便的方式获得以煤为一次能源的燃气炉的最高热利用率和最佳消烟除尘效果，最长的连续使用寿命和最高的综合经济效益。
根据价值工程的原理，可以把本发明的目的用下面的公式表示出来C单＝ (联合装置寿命周期总成本)/(联合装置使用寿命期总功能)本发明的目的在于创造最低的C单，或说最高的价值Vu＝ (功能)/(成本) 。
本发明的目的是这样实现的，将一合简易全煤气发生炉与相适应的燃气炉用最短煤气管道联接起来(只要不影响操作越短越好)，通道不设任何冷却净化和控制设施，这样煤气携带的全部焦油、带出物和显热，将几乎无损失地送入燃气炉(这部分热量占炉气炉热平衡的15.44～22%)。为保证煤气携带的焦油和带出物不污染煤气炉和燃气炉，並能在燃气炉中燃尽，必须降低焦油和带出物的分子量，重量、粒度和浓度，加强与助燃空气的混合，並提高燃烧温度，减少燃尽所必须的时间，避开最容易歧化析炭的温度区间。因此本发明不同于一般煤气发生炉那样追求高气化强度，而使其不高于使用同一“煤种的”手工自然通风的直火炉栅重量强度。在耗煤量相同的情况下，离床层气体流速之比将≈1/8，带出物粒径之比将≈(1/8)2≈1/64，带出物的颗粒体积及质量流量之比将≈(1/8)6，带出物燃尽所需时间之比将≈(1/8)4，这就是本发明的联合装置，虽不使用任何除尘器却比使用任何除尘器的直火煤炉除尘效果都好的原因，而且它首先防止了炉内污染，这是任何除尘器所做不到的。
经研究证明，为实现完全燃烧，摩尔数相同的气态烃所需氧气量是固定炭所需氧气量的(m+ (n)/4 )倍(m和n分别代表气态烃分子中的炭原子和氢原子个数)，是一氧化炭所需氧气量的2(m+ (n)/4 )倍。所以实现烟煤或木柴的无烟燃烧的有效办法是降低做为挥发份的气态烃的分子量，即降低m和n，特别是降低m数。並避免挥发份的集中排放。这样就能防止出现贫氧，保证完全燃烧。
一氧化炭在200～1000℃的温度范围内，会按下列歧化反应析炭
最大歧化速度出现于450～600℃，这正是一般混合煤气发生炉煤气出口温度和热煤气输送温度范围，也是燃烧不完全的直火煤炉的烟道气温度范围。
本发明在煤气发生炉的空层〔5〕内设置一个上口大下口小的锥形换热筒〔6〕，外壁有肋加强换热，上口直径大到与发生炉内径之差仅够放置钎孔〔7〕。换热筒之上有一个与换热筒上口同粗的输蓄煤筒〔8〕和煤箱〔11〕，煤箱的容量足够5～6小时用的。煤箱一次加满后分多次向输蓄煤筒送煤，保证气化过程的均匀性和连续性，而又能大大减少发生炉内部与大气相通的时间。由于炉顶的热量绝大部分被用来予热煤，因而可以将散煤弄湿后再投放煤箱，从而减少了加煤时的煤尘。加入的湿煤在煤箱中有足够的时间被干燥。水蒸气因比空气和煤气轻将集聚于煤箱的顶部。打开煤箱再次投煤时，从煤箱中冒出的是水蒸气而不是煤气，並防止了空气的串入。煤进入输蓄煤筒和换热筒后，在从下面来的煤气的直接和间接加热下，缓缓升温，进一步受到干燥和低温干馏的作用，缓缓地挥发出分子量较小的气态烃。这种气态烃不仅燃烧时的耗氧量小，而且不易冷凝为焦油，並且气态烃的产率有所提高，从而增加煤气热值。从下面气化层来的煤气通过与煤的热交换，温度从600℃降至350℃以下，部分与换热筒内的干馏气一起从输蓄煤筒上部的煤气出口〔10〕出炉，部分从发生炉顶部的煤气出口〔13〕出炉。两部分汇合后直接送入燃气炉燃烧。这样既解决了降低CmHn分子量的问题，又避开了CO最易歧化的温度区间並且能够进行歧化的时间极短。
空层中的换热筒下口与煤层〔3〕表面相连。这就完全避免了加煤过程中，煤通过空层时的飞扬损失。煤进入煤箱后就不再有跌落运动，而全部是滑动和移动，减少了煤的破碎和滚动，提高了布煤的均匀性。並能在间歇加煤的情况下，保持稳定的料层总厚度。
由于能被气体带出煤层的煤粒径很小，因而能降低使用散煤的粒度，从而增加了燃料的热稳定性和反应界面，有利于热交换气体扩散和气化反应等物理和化学过程，使整个气化进程加速，並可适当降低干燥，干馏，还原和氧化层的厚度，从而降低整个发生炉的高度。但本发明仍保留了一个相对较厚的灰层〔2〕，以利于气化剂的予热和降低灰渣含炭量及显热损失，並提高布风的均匀性。与现有简易土煤气不同，本发明的清灰采用水封灰盒〔1〕可全周边的湿式清灰，无尘、无辐射热，不影响正常气化。
本发明的联合装置可以气化粒度为1-3，3-6，6-13，13-25，25-50mm的无烟煤、焦炭、和弱粘结性烟煤，对灰分和水分的限制也比一般混合煤气发生炉宽。
本发明的燃气炉根据用途有不同的结构、与现有的以煤为一次能源的炉子相比较其特点是1、由于参与燃烧的是全煤气並将其携带杂质和焦油全部参与燃烧，因而所需二次空气量占全部空气用量的71.4%(现有简易煤气炉在50%以下，燃煤炉在20%以下)，在尾部烟道和高温辐射区保温壁内予热，降低了排烟温度和炉体散热损失，提高了炉温、热利用率和高温部件的寿命。
2、为保证完全燃烧，並适应煤气出口压力低，本发明采用两段式大截面火道燃烧器，其截面不仅由火焰流速、更主要由黑度及燃尽时间确定。来自简易全煤气发生炉的热煤气与被予热的二次空气混合后，首先在不长的一段全保温绝热的火道〔19〕中进行绝热不完全燃烧，温度超过1000℃(依工艺要求及炉型而异)后进入部分绝热完全燃烧的第二段火道〔15〕，进一步边混合边燃烧直至煤气中的可燃成分全部烧尽。第二段火道由保温绝热的高温壁面〔17〕与不保温(导热)的低温壁面〔18〕围成。高温壁由粘土质耐火材料、空气夹层、保温材料组成。低温壁可以是隔焰板、冷水壁或其他被加热的物料，吸收来自高温壁面和火焰的辐射热，做为有效热的来源。高低温壁面之间布置多孔的薄烧板〔16〕或肋式柱〔20〕(既起加强传热又起支撑作用的砖垛，数量多、截面小)，使其四面受火焰冲刷，与火焰的温差极小，增加对低温壁面的固体辐射和热传导，並加强了煤气、带出物与助燃空气的混合搅动。焦油、带出物和一氧化炭在第二段被烧尽。
3、当火焰离开火道进入700℃以下的烟道〔22〕时，一氧化炭已被烧尽，不会出现歧化析炭反应。由于消除了烟尘对炉内的污染，因而布置在火道和烟道中的辐射与对流受热面，有很高的传热系数。
由于本发明采用了消除炉内烟尘污染及其它改善炉内传热的措施，由于不完全燃烧热损失的减少，由于过剩空气系数的降低和高比例二次空气的予热及余热的回收等节能措施，与现有手工散煤炉燃烧技术相比，本发明使以散煤化学热为一次能源的热能的有效利用率提高了30%～300%;烟尘污染降低百倍至几十万倍;按单位产量或单位采暖面积计算的设备投资和维持费降低2～4倍。
图1是本发明应用于隔焰烘烧马弗炉的一种实例的具体结构的剖面示意图。
图2是本发明应用于家庭炊事取暖淋浴三用炉的一种实例的具体结构的剖面示意图。
下面结合图1、图2，详细说明本发明提出的具体装置细节及工作情况。
打开水封盖〔12〕把湿的小粒散煤投入煤箱〔11〕，既没有煤尘，也没有煤气从煤箱〔11〕中冒出来，冒出的是几小时前投入的湿煤被干燥后升在煤箱顶部的水蒸汽。所以湿煤带入的水份也不会降低煤气热值。通过操纵料钟〔9〕，使煤箱中的煤沿料钟〔9〕表面滑入输蓄煤筒〔8〕的煤层表面，而很少有飞扬损失，很少被摔碎。煤在输蓄煤筒〔8〕和换热筒〔5〕内受到筒内外上升煤气的予热，在连续地和缓缓地干燥和低温干馏的作用下，产生的轻质气态烃随筒内煤气一起从输蓄煤筒上部的煤气出口〔10〕出炉，换热筒外的煤气则由发生炉筒身顶部的煤气出口〔13〕出炉，两部分煤气汇合不经任何处理进入燃气炉，因而没有任何能量损失和污染。因气化强度只相当于手工自然通风的同煤种直火煤炉，因而离床层的气体设计流速只等于直火煤炉的 1/8 ，带出物的质量流量则只有直火炉的( 1/8 )6≈
，其燃尽时间只有直火炉的( 1/8 )4＝ 1/4000 。进入燃气炉的脏热煤气与由孔〔14〕喷出的在烟道及火道高温段壁内被予热的二次空气混合后，遇到点火室〔21〕的明火被点燃后，在保温良好的绝热不完全燃烧段〔19〕，迅速升温到1000℃以上(根据工艺要求的不同和炉型的不同而异)，以后进入部分绝热完全燃烧段〔15〕。〔17〕为绝热高温壁，〔18〕为导热低温壁。升温最快的是既起支撑又起传热和搅动作用的肋式柱〔20〕以及起强化传热和加强搅动混合作用的烧板〔16〕，火焰的热量主要依靠它们传递给低温壁面，比火焰本身传递的热量要多得多，因黑度不同，受温度影响的方次不同，它们从传热和传质两方面帮助加快了煤气中各种可燃成份的燃尽。
实施例1本发明应用于烘烧搪瓷制品的炉子其主要参数如下烧成室的计算温度 880℃设计全负荷 398kg/h燃料热值 6500kcal/kg耗煤量 39.7kg/h
机械通风耗电功率 2.2KW一次能源的有效利用率(包括电耗) 33.07%排烟黑度 林格曼O级排烟含尘浓度 ＜30mg/m3造价(参考) 2万元吨制品烘烧费用 34.46元/吨实施例2本发明应用于民用炊事、采暖、淋浴的炉子其主要特点1、加煤、清灰、排烟均清洁无尘，因此炉体本身也可以用于室内采暖散热。
2、包括炉体本身采暖散热热利用率高，可达80%以上。
3、水箱进水口〔26〕位于简易全煤气发生炉半水套〔25〕的下部，水箱位于烟囱〔22〕周围的水套〔23〕的上部，两者高差大，因而系统自然循环推动力大。
4、炊事用火升温快，温度高。
5、使用方便，加25W小吹风机，工作时升温调温快，调温范围广，停机时也不会灭火。
6、封火时间长。
7、适用于食堂、饭馆、礼堂、商店、家庭、采暖，面积45～100m2，供热指标为60～100kcal/m2h造价(参考)100元/台。
8、一炉多用，可炊事、采暖、淋浴。
9、煤种适应范围广。
10、水箱〔图中未画出〕位于系统最高点，起补水、稳压、溢流、排气及安全阀作用。
11、烟囱〔22〕呈扁夹缝形，以提高对水套的传热系数和传热面积。
本发明如能在我国普遍推广采用，每年可节约5千万-2.1亿吨煤，每年排放的烟尘污染将减少270-300万吨。
权利要求
1.一种用散粒状无烟煤、焦炭、弱粘结性烟煤，使其化学能转化为热能並加以利用的装置，其特征在于一台燃气炉及一台为其供应煤气的简易全煤气发生炉紧靠在一起。
2.由权利要求
1所规定的装置其特征在于简易全煤气发生炉位于燃气炉的偏下方，产生的煤气不经任何处理直接输入燃气炉内燃烧，没有煤气阀门。
3.根据权项1和2规定的简易全煤气发生炉，其特征是a、气化强度只相当于燃用同一煤种的手烧煤炉的炉栅重量强度的较低值。b、空层中有煤-煤气热交换筒〔6〕，其特征是①内部和外部均可将从下面来的煤气引向煤气出口〔10〕和〔13〕。②外部有肋筋〔4〕加强热交换。③呈锥形，上口大，尽可能与发生炉筒体内径同粗，相差不妨碍钎孔〔7〕操作。c、换热筒之上依次是输蓄煤筒〔8〕和煤箱〔11〕，其特征是①与换热筒上口同粗，煤箱内可用手工一次加足够6小时烧的煤。②输蓄煤筒上部有开口〔10〕通往燃气炉。d、底部有水封灰盆〔1〕，可全周边进行不影响正常气化的温式清灰。
4.按权利要求
1和2规定的燃气炉，其特征是a、超过气化用空气量2倍的助燃空气在烟道内和高温段火道〔15〕的壁内受到予热。b、在煤气入口附近有二次空气的喷口〔14〕，保温良好的绝热不完全燃烧段〔19〕和煤气点火室〔21〕。c、700℃以上的火道由高温壁面〔17〕和低温壁面〔18〕所围成，高温壁面有良好的保温，低温壁有良好的导热性，高低温壁面之间有可通气的烧板〔16〕或肋式柱〔20〕，有效热被低温壁面所吸收-形成部分绝热完全燃烧的第二段火道〔15〕。
5.按权利要求
1、2所规定的燃气炉当用于隔焰烘烧马弗炉时，其特征是炉底火道中的每个砖垛截面积是0.01～0.02m2，数量是20～30个。
6.根据权利要求
1、2所规定的燃气炉当用于家庭炊事采暖淋浴三用炉时，其特征还在于烟囱〔22〕是扁形，发生炉下半部和烟囱周围有水套〔25〕和〔23〕，进水管口〔26〕和出水管口〔24〕分别置于发生炉半水套的下部和烟囱水套的上部。
7.根据权利要求
1所规定的装置其特征是没有煤气净化、除尘装置，没有刚玉、碳化硅、耐热合金等高级筑炉材料。使用的筑炉材料是粘土质和高铝质等常规耐火和保温材料。
专利摘要
本发明提供了一种散粒状弱粘结性烟煤化学能换为热能并加以利用的装置。特点是在转换和利用过程中对煤种要求低，无炉内外的烟尘污染，一次能源的有效利用率高，设备简单，成本低，主要技术经济指标超过电热炉及城市煤气炉。可应用于工业烘烧隔焰或不隔焰加热，生活炊事采暖等。
文档编号F24C11/00GK85106859SQ85106859
公开日1987年4月22日 申请日期1985年9月14日
发明者谭德粹 申请人:北京市振兴建筑搪瓷厂导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan