CN101881439A - 生物质中心空气喷射燃烧器 - Google Patents

Abstract

一种能够燃烧生物质燃料的燃烧装置，包括一个燃烧器组件，该组件包括一个生物质喷嘴，该生物质喷嘴被一个中心空气区域所同心围绕，并沿着中心空气区域的长度轴向延伸，该燃烧器组件置于风箱中，该风箱附至锅炉的炉膛，并且该燃烧器组件通过燃烧器喉口被连接至该炉膛，通过该燃烧器喉口，向燃烧器组件供给的空气和燃料被喷入炉膛中。

Description

生物质中心空气喷射燃烧器

技术领域

本发明一般地涉及用于执行燃烧功能来发电的工业燃烧器装置领域。

背景技术

使用于此的术语“生物质”描述了广范围的有机质，这些有机质来源于各种活着的，或最近活着的有机体，例如草和木制品。生物质源包括树木、灌木、矮树丛、来自收获谷物和蔬菜的残留植物。生物质通常是收集来用于发电或产生热量的植物物质。生物质也可包括能够作为燃料燃烧的有机成因的生物可降解废弃物。

生物质不同于化石燃料，后者是在地壳的顶层内发现的烃类物质。化石燃料的常见实例包括煤炭和石油。与化石燃料不同，生物质燃料一般被认为是CO₂中性的和可再生的资源，因为从生物质燃烧产生的CO₂能够被提供该生物质的植物从大气中除去。

因为生物质物理性能和化学成份大大地不同于煤炭，用于发电的生物质燃料历史上被用作层燃炉和流化床类型锅炉中的主要或辅助燃料。这种锅炉不依赖于燃烧器从而显著地允许更高的用于燃烧的炉内滞留时间，并因此对燃料的制备要求不太严格。

与温室气体释放有关的全球变暖已经增加了人们对于发展能够广泛应用可再生资源来发电的新技术的兴趣。这种兴趣的一个领域是利用生物质燃料悬浮燃烧，其中短的炉内滞留时间需要细小的颗粒以便高效的燃烧。

在发电工业中，粉煤燃烧是悬浮燃烧的主要手段。在第一步，煤被机械粉碎变成细小的颗粒。然后该颗粒通过悬浮体在一次进风流中被输送进燃烧器，其中燃烧器将该空气燃料混合物喷射入用于燃烧的炉子中。滞留时间名义上是1-2秒，其通常足以完成具有适当的颗粒尺寸的粉煤完全燃烧。

作为一个减少温室气体的方案，在粉煤燃烧炉中的生物质燃烧正变得更加普遍。为了使得这种方案能够实施，存在着对发展一种能够在悬浮燃烧中有效地利用生物质燃料的燃烧器的需求。

燃烧生物质燃料面对着许多技术上的挑战。同烟煤比较起来，生物质燃料具有明显低的热值和更高浓度的挥发性物质。热值与含水量成反比，从而使得其折合等于标准烟煤的热值的25％至75％。基于原料处理原因和为了提高工艺效率和产能，通常在燃烧之前减少生物质水分。尽管如此，燃烧生物质代替燃烧煤炭需要更多的燃料量以达到同等的热产出。此外，尽管生物质的易挥发性的性质使得该燃料本来易于燃烧，但高水分含量会延迟点火。在悬浮燃烧中，延迟点火是尤其不希望的。

另一个有关生物质燃料的考虑是生物质不被加工为与粉煤相同的颗粒尺寸。经验表明，与粉煤0.012英寸的上限粒度相比，成功的悬浮燃烧能够用颗粒大小为0.0625英寸的木材实现。颗粒体积通过直径的立方而变化，因而木材颗粒体积约是被用来悬浮燃烧的较大的煤炭颗粒的150倍。因此，该生物质的较大的体积要求迅速点火和快速燃烧，以使得能够在为粉煤燃烧设计的炉子中使用生物质。

一种已知的在悬浮燃烧中利用生物质的技术是生物质共燃烧。在该技术中，生物质颗粒与粉煤和一次进风结合在单一流中。然后该结合流被引入进炉子中。然而，由于产生的燃烧器喷嘴速度必需保持两种类型的颗粒都处于悬浮状态，该技术在实用中受到限制。过大的燃烧器喷嘴速度会导致火焰的不稳定性、延迟点火、和不完全燃烧现象。

因而，仍然需要发展一种高效的和有效的替代煤炭燃烧的用于发电的手段和一种能够用于发电应用的普遍燃烧碳中性燃料的手段。

发明内容

本发明的实施例提供了一种新型的燃烧装置。更具体地说，本发明的实施例提供了一种能够燃烧生物质燃料并在生物质和煤炭燃烧之间交替，如果需要，和/或同时燃烧煤炭和生物质燃料的结合物的燃烧装置。

本发明的实施例扩展了现有技术燃烧器的能力。授予LaRue等的美国专利7,430,970(′970专利)，通过引用与本发明结合成一个整体。

本发明比现有技术燃烧器的进步在于提供了一种新型的用于燃烧可再生燃料的装置，其中的可再生燃料包括但不限于生物质。

本发明的实施例提供了一种生物质与粉煤结合共同燃烧的更好的方法和装置。

一种能够燃烧生物质燃料的燃烧装置包括燃烧器组件，该组件包括一个生物质喷嘴，该生物质喷嘴被中心空气区域所同心围绕，并沿着中心空气区域的长度轴向延伸，该燃烧器组件置于一个风箱中，该风箱附连至一个锅炉的炉膛，并且该燃烧器组件通过一个燃烧器喉口被连接至该炉膛，通过该燃烧器喉口，向燃烧器组件供给的空气和燃料被喷入炉膛中。

在本发明的实施例中，该装置包括一个向风箱提供了第一空气供给的强制引风机，一个围绕中心空气区域的中心空气管道，其用于接收第一空气供给的中心部分，该中心空气管道具有一个用于调节进入中心空气管道的所述中心部分的中心气闸，一个用于从所述中心空气管道接收所述中心部分的中心喷嘴，该中心喷嘴将所述中心部分输送至所述燃烧器喉口，一个用于接收粉煤和第二空气供给的燃烧器弯管，该粉煤和所述第二空气供给连续通过中心喷嘴和煤喷嘴之间形成的环状空间中的煤喷嘴，该中心部分通过接触离开煤喷嘴的煤射流的内圆柱来加速粉煤的点火，该中心部分也用来加速燃烧。

表明本发明新颖性的特性的各种特征在所附的、并构成本发明公开内容一部分的权利要求中以细节指出。为了更好地理解本发明，其操作上的优点和通过它的使用所达到的具体目标，将参考附图和本发明的优选实施例中的说明来加以展示。

附图说明

在附图中：

图1是本发明的一个实施例的侧视示意图。

图2是本发明的另一个实施例的侧视示意图。

图3是本发明的另一个实施例的侧视示意图。

图4是本发明的一个实施例的横剖面示意图，其显示了本发明的同心区域。

具体实施方式

现在参照附图，相同的附图标记指代贯穿多个附图中相同的或功能上相似的部件，图1显示了一个置于风箱2之内的燃烧器组件1，该风箱2附连至锅炉(未显示)的炉膛3。二次进风22通过一个强制引风机(未显示)被提供至风箱2并通过一个空气预热器(未显示)被加热。该燃烧器组件1通过燃烧器喉口4连接至炉膛3，通过该燃烧器喉口4，向燃烧器组件1供应的空气和燃料被喷入炉膛3中。二次进风22的一部分构成了中心空气5。中心空气5进入中心空气管道6并通过中心空气闸7调节。通过中心喷嘴8，中心空气5继续通过燃烧器组件1，并通过燃烧器喉口4喷出。

二次进风22也供给至燃烧器组件(被标明为至燃烧器组件9的二次进风)。二次进风22进入燃烧器组件1并穿过内部空气区域10和外部空气区域11的平行流动路径行进。在这些区域中的回旋叶片用来使二次进风22产生旋流以便于接触粉煤流的二次进风22的点火和燃烧。位于外部区域11出口处的空气分离叶片12用来增大由综合空气动力学所形成的内部回流区(IRZ)的尺寸。粉煤和一次进风13进入燃烧器弯管14，并在形成在中心喷嘴8和煤喷嘴15之间的环形空间中，继续通过煤喷嘴15。中心空气5通过接触离开煤喷嘴15的煤射流(未显示)的内圆柱来加速粉煤的点火；并通过供给空气至火焰中心的“风箱效应”来加速燃烧。LaRue′970提供了涉及中心空气的加速点火的详细讨论。

依照本发明的该实施例的燃烧器组件1可以结合燃尽风(“OFA”)系统(未显示)运行。供给至炉膛以供燃烧的一部分二次进风22被提供给OFA系统，从而使得供给至燃烧器组件1的空气总量小于理论空气量要求。这在供给OFA之前在炉内产生了一个还原环境。加速的燃烧、更高温度的火焰、和更大的IRZ都用来更有效地减少在还原条件下产生的NOx。

本发明的实施例中，悬浮燃烧用的生物质可以使用切碎机、锤式粉碎机等等(未显示)来准备，并通过螺旋给料机或等效装置(未显示)来收集和调节给料速度，并通过一个专用管道被气动地输送到燃烧器组件1。该管道供给生物质和输运空气16穿过弯管14，弯管14的出口位于燃烧器1的轴线上。

在一些实施例中，当该喷嘴横跨燃烧器弯管14并连续通过中心空气管道16时，渐缩管17可以被用来减少生物质喷嘴18的横截面积。当该生物质喷嘴18贯穿燃烧器组件1的长度时，渐缩管17用来减小流动阻力。靠近燃烧器组件1的炉头处，生物质喷嘴头19的直径可以如图所示(图1)被扩径以将生物质出口流速减少至用于燃烧的最佳值。在某些实施例中，该出口流速在约2500ft/min和约5000ft/min之间，并更优选在约3000ft/min和约4000ft/min之间。

在其他实施例中，当生物质进入燃烧器喉口4时，围绕该生物质喷嘴头19的中心空气5用来加速生物质的点火，并当生物质连续进入炉子时中心空气5提供空气来供给燃烧。围绕生物质喷嘴的热的二次中心空气提供热量以使得当为燃料供给氧化剂时能够从生物质燃料排除额外的水分，以便于点火和燃烧。这解决了现有技术燃烧器中与生物质燃烧有关的延迟点火的和燃烧的问题。中心空气闸7被调节为以能够最小化生物质与粉煤结合燃烧时NOx的排放的供给量来供给中心空气5。对于没有燃烧生物质的时间段，将服务于燃烧器组件1的生物质供给系统(未显示)停机并将阀门23关闭。然后阀门21打开并结合中心气闸7调整以供给为最小化燃烧特定的煤时产生的NOx所需的最优中心空气5的量。当准备燃烧生物质时，阀门21关闭，并打开阀门23以允许生物质和输运空气16进入。

现在看图4，其显示了本发明的燃烧器组件1的横剖面示意图，其中可以看出该燃烧器组件1的五个不同的区域。由生物质喷嘴18所限定的生物质区域32被中心空气区域44所同心地围绕，该中心空气区域44限定在生物质喷嘴18和中心喷嘴8之间的范围中。煤喷嘴15同心地围绕着中心喷嘴8，限定了其中流过粉煤和一次进风(PC/PA)13的第一环形区47。套管42同心地围绕着煤喷嘴15并限定了位于套管42内部的内部空气区域10和位于套管42外部的外部空气区域11。

虽然已经显示了优选的实施例，也可以不脱离本发明范围得到另外的实施例。

一个另外可选的实施例包括一个没有渐缩管17(图2)的直管，和/或生物质喷嘴18在炉头没有扩径。在该实施例中，还显示了另一种较短的或带有凹槽的生物质喷嘴18，其中生物质喷嘴头19在中心空气管道6附近终止于中心喷嘴8之中。该实施例提供了用中心空气预热和预混合生物质的额外好处，从而进一步能够从生物质燃料排除额外的水分。

渐缩锥也可以用在生物质喷嘴18的出口处(图3)，以在生物质燃料进入炉子3时使其加速，从而防止其向生物质喷嘴18回火。虽然该生物质喷嘴18在图中被描绘为开放端式喷嘴，其可以在靠近出口处容易地配置有导向装置或旋流式喷嘴以增加生物质和中心空气的混合率。

在其它的实施例中，可以包括调节装置以便于相对中心管来微小的前/后调节生物质喷嘴18的末端位置，以便能够进一步优化燃烧。虽然在图1中，生物质喷嘴18是显示为与中心管的末端齐平的，其也可以设置为略微地向前或向后。在某些实施例中，阀门21可以用来允许进入少量的空气，其是热的二次进风或未受热的空气中的任一种，以当燃烧生物质时向火焰中心附加空气。这样做的目的在于增大中心的化学计量以使得NOx最低(做为增加输运空气量的替代方案)。

本发明的各个实施例提供了大量的优点。依照本发明的实施例的生物质共燃烧空气喷射燃烧器提供了一种新颖的、出众的结构并能够得到一种燃烧生物质燃料的出众的方法。

大的中心区容纳了生物质喷嘴而无需改变燃烧器尺寸，节约了设计和制造成本，这些成本通常与建造不同尺寸的燃烧器以容纳生物质燃烧有关。

大的生物质喷嘴使得能够在选定的燃烧器中燃烧更多量的生物质，从而较少需要提供燃烧生物质的燃烧器。生物质燃烧率达到燃烧器额定输入的40％，则仅仅只需启动一半燃烧器就能使锅炉的生物质燃烧率达到20％。

生物质燃料的可用性通常随着季节而变化，从而使得生物质燃烧可能不会连续地进行。在另一个实施例中，当不燃烧生物质时生物质喷嘴可以被供给二次进风以使得生物质喷嘴18和中心喷嘴8提供了联合的中心空气喷射来用于粉煤燃烧。

此外，当结合燃烧生物质和煤炭时，携带生物质的输运空气有助于燃烧器的优选的中心化学计量。在此情况下，煤炭流被减少以使得向燃烧器供给更高的PA/PC比率。用来自生物质的输运空气增大该比率，从而提供有助于得到非常低的NOx、排放物的中心化学计量。

进一步的，生物质喷嘴在中心区的位置设置提供了热的二次进风源以用于生物质燃料的点火和给料燃烧，防止了现有技术中存在的点火以及共燃烧生物质燃料的给料燃烧的延迟。

虽然已经给出和详细描述了本发明的具体的实施例来说明本发明的原理的应用，应理解的是本发明可以以另外方式来具体实现而不脱离这种原理。

Claims (20)

1.一种能够燃烧生物质燃料的燃烧装置，包括：

一个燃烧器组件，该燃料器组件包括一个生物质喷嘴，该生物质喷嘴被一个中心空气区域同心围绕，并沿着所述中心空气区域的长度轴向延伸，所述燃烧器组件置于风箱中，所述风箱附连至锅炉的炉膛，所述燃烧器组件通过一个燃烧器喉口被连接至所述炉膛，通过该燃烧器喉口，向燃烧器组件供给的空气和燃料被喷入炉膛中；

一个强制引风机，其向所述风箱提供了第一空气供给；

一个中心空气管道，其包绕所述中心空气区域，其用于接收所述第一空气供给的中心部分，所述中心空气管道具有一个用于调节进入所述中心空气管道的所述中心部分的中心气闸；

一个中心喷嘴，其用于从所述中心空气管道接收所述中心部分，所述中心喷嘴将所述中心部分输送至所述燃烧器喉口；

一个燃烧器弯管，用于接收粉煤和第二空气供给；所述粉煤和所述第二空气供给在形成在中心喷嘴和煤喷嘴之间的环状空间中连续通过煤喷嘴，所述中心部分通过接触离开所述煤喷嘴的煤射流的内圆柱来加速粉煤的点火；所述中心部分也用来加速燃烧。

2.根据权利要求1的燃烧装置，其特征在于，所述燃烧器组件结合燃尽风系统来运行。

3.根据权利要求1的燃烧装置，其特征在于，进一步包括用于减少所述生物质喷嘴的横截面积的渐缩管。

4.根据权利要求1的燃烧装置，其特征在于，进一步包括固定至所述生物质喷嘴的出口处的渐缩锥，以在所述生物质燃料进入所述炉膛时使生物质燃料加速，从而防止向所述生物质喷嘴回火。

5.根据权利要求1的燃烧装置，其特征在于，进一步包括至少一个靠近所述生物质喷嘴的出口的导向装置，用来增加所述生物质燃料和所述中心部分的混合率。

6.根据权利要求1的燃烧装置，其特征在于，进一步包括至少一个靠近所述生物质喷嘴的出口的旋流式喷嘴，用来增加所述生物质燃料和所述中心部分的混合率。

7.根据权利要求1的燃烧装置，其特征在于，其中所述第一空气供给通过空气预热器被加热。

8.一种操作根据权利要求1的燃烧装置的方法，包括提供一个第一阀门和一个第二阀门，其中当没有供给生物质时，所述第一阀门被关闭并且所述第二阀门被打开，并结合所述中心气闸进行调节以所希望的量供给所述中心部分，和当供给生物质时，所述第二阀门被关闭并且所述第一阀门被打开以允许生物质和输运空气的进入。

9.一种生物质中心空气喷射燃烧器，包括一个于其中限定了生物质区域的生物质管，一个同心地围绕着生物质管并在二者间限定了轴向区域的轴向管，一个同心地围绕轴向管并在二者间限定了第一环形区域的环形管，一个同心地围绕环形管并在二者间限定了第二环形区域的套管，一个同心地围绕套管并在二者间限定了第三环形区域的燃烧器区域壁，一个径向地插入轴向管和环形管之间的中心空气管道，其中的中心空气管道在轴向区域和风箱之间提供了流体连通，以及一个用于调节围绕着给料管道的一部分的粉煤流的装置，其中的给料管道包含在第一环形区域中。

10.如权利要求9中所述的燃烧器，其特征在于，生物质管具有终止于轴向管之中并终止在中心空气管道之前的生物质喷嘴头。

11.如权利要求9中所述的燃烧器，其特征在于，生物质管具有终止于燃烧器组件之中并终止在中心空气管道下游的生物质喷嘴头。

12.如权利要求11中所述的燃烧器，其特征在于，生物质喷嘴头在燃烧器组件之中径向地扩大。

13.如权利要求11中所述的燃烧器，其特征在于，生物质喷嘴头在燃烧器组件之中径向地缩小。

14.如权利要求11中所述的燃烧器，其特征在于，生物质管进一步包括一个流量阀。

15.如权利要求14中所述的燃烧器，其特征在于，生物质喷嘴沿着燃烧器组件的长度是可以纵向调节的。

16.如权利要求15中所述的燃烧器，其特征在于，第一环形区域包含一个流量调节装置。

17.如权利要求16中所述的燃烧器，其特征在于，生物质管进一步包括一个流量阀下游的渐缩管。

18.如权利要求11中所述的燃烧器，其特征在于，进一步包括一个用于为第一环形区域提供粉煤的装置，和一个来自为生物质管提供生物质燃料的分离装置。

19.如权利要求17中所述的燃烧器，其特征在于，进一步包括一个用于为第一环形区域提供粉煤的装置，和一个来自为生物质管提供生物质燃料的分离装置。

20.如权利要求19中所述的燃烧器，其特征在于，进一步包括位于第二环形区域的叶片，位于第三环形区域的叶片，以及其中的第二环形区域和第三环形区域是与风箱流体连通的。

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