[发明专利]一种同时降低烟尘、二氧化硫和氮氧化物排放的高效燃煤采暖炉及采暖方法和用途

说明书

技术领域

本发明属于燃煤燃烧设备领域，涉及一种燃煤采暖炉及采暖方法和用途，尤其涉及一种同时降低烟尘、二氧化硫和氮氧化物排放的高效燃煤采暖炉及采暖方法和用途。

背景技术

民用燃煤炉主要指以散煤为燃料(包括烟煤及无烟煤)，以炊事或取暖为目的的家用小型燃煤炉具；民用燃煤炉也包括用蜂窝煤和煤球为燃料的炉具。

目前，市面上民用炉具的主要型式有两种：

正烧炉(图1(a))：即传统的最简单也是最普遍的直燃方式，固体燃料燃烧时火焰顺热烟气自然流动方向传播，燃烧强度高，火力旺，能满足用户炊事需求。正烧炉适用于无烟煤等挥发分低的燃料。正烧炉虽然具有良好的炊事能力，但在使用烟煤散煤或以烟煤为原料制成的型煤时，由于燃煤加入后受热升温，挥发分析出，随烟气立即排出，挥发分难以燃尽，导致大量黑烟(焦油，CO，VOC，硫和氮的氧化物等)冒出，严重污染环境。此外，正烧炉用于采暖时，需要频繁加煤，且加煤时燃烧强度，污染物排放大幅变化，具有很强的不稳定性和周期性。

反烧炉(图1(b))：即固体燃料燃烧时火焰逆热烟气自然流动方向传播的燃烧方式，具有能延缓挥发分析出速度的特点，炉温高、燃烧充分，可基本消除黑烟，颗粒物排放浓度低，适用于烟煤等挥发分高的燃料，适合采暖。然而，反烧燃烧强度高，燃烧区温度高，导致SO₂和氮氧化物排放浓度高。为了有效消烟，反烧炉多采用多回程烟道，因而炊事火力较弱，不适宜于炊事，只能取暖，难以被大部分老百姓接受。

经大量实验研究表明，目前市面上的民用炉具均存在炉具燃烧周期性强、负荷不易调节，封火时间短，耗煤量大等缺陷。不论是正烧炉还是反烧炉，其在加煤后会迅速升温，挥发分快速析出，导致大量的硫及氮氧化物急剧析出排放。

炉具与原料煤不匹配，导致炉膛燃烧温度及过量空气系数过高，不仅经常出现炉膛结焦影响正常使用，NO_x排放浓度升高，并且不利于炉内燃烧过程中的煤灰的自固硫或添加的固硫剂的固硫。高挥发分含量(Vdaf大于15％左右)的烟煤在传统正烧炉中燃烧，有大量黑烟冒出；在反烧炉中燃烧，会使炉膛及尾部烟道中有大量煤焦油附着，影响换热效果的同时造成烟道堵塞，影响通风，难以清洗。

针对传统正烧炉和反烧炉中存在的问题，人们又研究出可同时应用于炊事和采暖的民用燃煤炉-气化炉(如CN 201212696Y和CN 201555250U等)。气化炉本质上属于正烧炉，不同于传统的正烧炉，其将燃煤析出的挥发分在随烟气排出前，经过二次风燃烧，降低排烟黑度。然而有的气化炉，如图2所示，在每次加煤前都要将切换拉杆到供暖状态，进而使加煤时炉内燃烧状态变化较大(如火力强弱和污染物的排放量等)。并且，气化炉在炊事时依然为“正烧”，使用烟煤炊事时依然冒烟，并未从根本上解决稳定燃烧和降低SO₂，染气体排放的问题。

作为民用燃煤炉有效降低氮氧化物的低氮燃烧技术，CN 1110776公开了一种抑制氮氧化物的无烟燃烧方法及燃煤炉。该燃烧方法称为分级燃烧方法，其要点是在煤炉内将煤层分为预热干馏区和一次燃烧区，经炉箅进入的空气仅通过一次燃烧区，预热干馏区缺氧干馏产生的可燃物直接经煤层导向进入一次燃烧区，与其中的煤(焦和半焦)和空气混合燃烧，未燃尽的可燃物进入二次燃烧区进一步燃烧，排出物洁净无烟。分级燃烧可以有效降低燃煤过程氮氧化物排放，其基本原理如图3所示。当煤从加煤口加入后，首先被从焦炭燃烧区传来的热量加温，逐渐在贫氧环境中进行干馏、热解。产生的焦油，挥发分和半焦一起向下流动到半焦燃烧区。在半焦燃烧区，一次燃烧空气从进风口流入，使焦油、半焦和挥发分燃烧，同时热解气和半焦发生如下反应：

C+2NO＝CO₂+N₂；

2CO+2NO＝2CO₂+N₂；

NH₃+NO+O₂＝N₂+3/2H₂O

其结果是，煤自身产生的还原性物质半焦(C)、CO和NH₃，有效还原煤燃烧生产的NO，实现了拟制和降低氮氧化物的目的。

然而已有分级燃烧炉主要针对燃烧散煤而设计。由于散煤尺寸不均匀，煤粒/块间空隙小，所以炉体高度低，半焦燃烧区热强度大，燃烧温度高达1300℃以上，虽然有利于消烟和焦炭燃尽，但一定程度上增加了半焦氮生成氮氧化物的趋势，抵消了分级燃烧对NO_x的减排作用。