CN101995017A - 一种生物质循环流化床锅炉防烟气反窜装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种生物质循环流化床锅炉防烟气反窜装置，包括设置在炉膛上的下料槽，所述装置中还设置有回炉烟道、自平衡挡烟门机构、联动风门机构和双级布风机构；所述回炉烟道的一端与所述下料槽的顶部连接，另一端与所述炉膛上部负压区相连的；所述自平衡挡烟门机构由挡板、套筒、连接杆和圆钢依次固定连接；所述联动风门机构设置在所述回炉烟道中，通过联动杆与所述自平衡挡烟门机构中的圆钢连接；所述双级布风机构设置在所述下料槽的底部。本发明采用了双级布风机构和自平衡挡烟门机构的联合运用方式，前者阻止了小量烟气的反窜，后者引导了大量烟气至炉膛上部负压区，从而在实现整个装置灵活调节的基础上有效防止了烟气的反窜。

Description

一种生物质循环流化床锅炉防烟气反窜装置

技术领域

本发明涉及一种生物质循环流化床锅炉防烟气反窜装置。

背景技术

近年来，中国能源、电力供求趋紧，国内外发电行业对资源丰富、可再生性强、有利于改善环境和可持续发展的生物质资源的开发利用给予了极大的关注。于是生物质能发电行业应运而生。生物质发电主要是利用农业、林业、工业废弃物、城市生活垃圾和污水厂污泥等为原料，采取直接燃烧或气化的发电方式。就我国的基本国情和生物质利用开发水平而言，生物质直接燃烧技术无疑是最简便可行的高效利用生物质资源的方式之一。

早期生物质直燃技术主要采用层燃燃烧方式，然而，使用这一技术的水冷振动炉排炉炉膛温度高，炉温最高可达1000℃以上，由于生物质燃料含较多的钾、氯无机杂质，灰中含钾物质性质活泼，燃烧温度越高越容易在锅炉受热面上造成沉积、结渣，阻碍传热，而且，高温下析出并沉积在受热面上的碱金属物质又会诱发高温腐蚀。循环流化床燃烧方式是另一种直燃技术，运用这种技术的锅炉炉膛温度可控制在600～900℃之间，属于低温燃烧，因此很好地解决了上述问题。同时，循环流化床锅炉炉内气固混合良好，燃料适应性强，不仅可以燃烧棉秸秆、树皮、蔗渣等高热值燃料，而且可以燃烧垃圾、污泥等低热值物质，这对于我国多样化的生物质资源现状显得非常重要。

然而，在目前实际运行的生物质循环流化床锅炉中，都不可避免地存在烟气反窜问题。通常认为，烟气反窜是由于以下几个原因造成的：首先，气固流化床是典型的混沌系统，床内气泡的生成、聚并以及最后在床表面的破碎等一系列运动，会引起床内压力脉动；其次，物料的连续下落，尤其是对于大块物料，会破坏处于流化状态的气固系统，从而引起烟气飞溅；再者，大量含水分较大的物料连续快速下落，会明显降低床内温度，物料得不到快速燃烧，积聚了大量燃料，当燃料和空气混合物达到了爆燃的浓度，炉内发生爆燃，引起烟气侧压力迅速增加；最后，大量燃料水分在极短时间内快速蒸发，产生大量水蒸气，也会导致烟气侧压力的快速增加。

循环流化床锅炉发生烟气反窜，首先会极大地影响炉内的燃烧状况，降低床内温度，使燃料得不到充分燃烧。其次，炽热的烟气会冲刷加料设备，这些金属设备在冷热交变应力作用下，会发生疲劳损伤，从而严重降低设备的使用寿命。更重要的是，反窜烟气会蔓延至燃料仓，在天气干燥的情况下，极有可能点燃燃料，发生火灾事故。如果，炉前料斗有运行人员在巡检，反窜烟气很有可能会危及运行人员的人身安全。由此可知，十分有必要开发一种能有效防止烟气反窜的装置。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对生物质循环流化床锅炉在连续快速加料或加含水分大的物料的过程中出现的烟气反窜至炉外问题，提供一种防止烟气反窜的装置。

技术方案：本发明所述的生物质循环流化床锅炉防烟气反窜装置，包括设置在炉膛上的下料槽，所述装置中还设置有回炉烟道、自平衡挡烟门机构、联动风门机构和双级布风机构；所述回炉烟道的一端与所述下料槽的顶部连接，另一端与所述炉膛上部负压区相连的；所述自平衡挡烟门机构由挡板、套筒、连接杆和圆钢依次固定连接；所述套筒通过固定轴设置在所述下料槽与所述回炉烟道的交界处，所述挡板伸入所述下料槽的内部；所述联动风门机构设置在所述回炉烟道中，通过联动杆与所述自平衡挡烟门机构中的圆钢连接；所述双级布风机构设置在所述下料槽的底部。所述圆钢的两端设置有平衡锤，通过销子限位。

所述联动风门机构由带有凹槽的支撑板、风门叶片、圆轴、联动板、滚动轴承和调节板组成，所述支撑板为两块，对称设置在回炉烟道内壁面上的同一高度处；所述圆轴的两端设置在所述支撑板的凹槽中，其中靠近所述自平衡挡烟门机构的一根圆轴的一端通过所述滚动轴承伸出所述回炉烟道；所述风门叶片对称固定在所述圆轴的周向，且每块风门叶片都相互平行，各风门叶片的端部通过联动板活动连接，叶片倾角α在15～90°之间调节；所述调节板设置在所述回炉烟道的外壁，其一端通过联动杆与所述自平衡挡烟门机构中的圆钢连接；另一端与伸出回炉烟道的圆轴连接，可通过所述圆轴带动所有的风门叶片转动。

所述双级布风机构由锁烟风系统和助推风系统组成，其中，锁烟风系统布置在下料槽底部靠近炉膛部分，助推风系统布置在下料槽底部的靠近生物质燃料进口部分。

所述锁烟风系统由一级布风板、一级风室和锁烟风入口组成，其中，一级布风板开有锁烟风小孔，小孔直径为1～1.5mm，开孔率为2～3％，小孔风速达v1＝20～30m/s；一级风室布置在一级布风板的下面，进口处逐渐收缩，与锁烟风入口相接。

所述助推风系统由二级布风板、二级风室和助推风入口组成，其中，二级布风板开有助推风小孔，小孔直径为2.5～3mm，开孔率为8～10％，小孔风速达v2＝5～10m/s；二级风室布置在二级布风板的下面，进口处逐渐收缩，与助推风入口相接。

所述挡板由两段光滑弧形板组成，靠近所述套筒的弧形板半径为r₁＝1/5～1/6r₂，弧度为β₁＝18～30°，远离所述套筒的弧形板半径为r₂＝1.2～1.5h，弧度为β₂＝38～60°，两段弧形板光滑固定连接，其中h为下料槽的高度。

本发明的主要构思为：通过在下料槽底部设置双级布风机构，形成具有一定刚度的锁烟风帘，从而阻断由于床内压力脉动和烟气飞溅等造成的小量烟气的反窜；通过在下料槽顶部与回炉烟道相连的地方布置自平衡挡烟门机构，当由于炉内爆燃和燃料水分快速蒸发而形成大量烟气反窜时，自平衡挡烟门机构自动切断烟气的反窜通路，同时，置于回炉烟道内的联动风门机构自动开启，将反窜烟气通过回炉烟道引入床层上部负压区。通过三个组合机构的联合运用，有效防止了不同情况下反窜烟气的外逸。

本发明原理如下：

当生物质循环流化床锅炉正常运行，即无烟气反窜时，自平衡挡烟门机构置于下料槽的顶部与回炉烟道相连的地方，挡板将下料槽沿高度方向分成两部分：一部分是反窜烟气进入回炉烟道的通道，另一部分是物料下落的通道。联动风门机构通过联动杆与自平衡挡烟门机构活动连接，风门叶片处于微开状态。物料从生物质燃料进口进入并自由下落，然后在助推风和锁烟风的作用下，呈悬浮状态沿着下料槽方向进入炉内。当大团物料突然下落，并且充满整个下料槽高度时，物料会推动挡板，使其绕着固定轴顺时针转动，从而使下料通道的高度增加。同时，助推风也能疏通物料，使物料分部分逐渐下滑进入炉内。

当由于循环流化床锅炉炉内的压力脉动，或者由于大量物料非正常下落而引起烟气飞溅等造成小量烟气的反窜时，具有一定刚度的锁烟风消耗了反窜烟气的动量，从而阻止了反窜烟气的外逃。此时，自平衡挡烟门机构及其联动风门机构并未开始动作，物料可以正常下落，这部分下落的物料又进一步挡住了烟气的反窜。

当循环流化床锅炉炉内由于可燃物大量聚积造成炉内爆燃，或者燃料含有大量水分，进入炉内遇高温快速蒸发，从而引起大量烟气反窜时，高速射入的锁烟风将反窜的烟气向上托起，因此，大量反窜烟气沿着下料槽槽顶面向上流动。当反窜烟气撞击到挡板后，自平衡挡烟门机构的转矩平衡被破坏，逆时针的转矩大于顺时针的转矩，挡板便绕着固定轴作逆时针转动。由于套筒、连接杆和圆钢是固定连接，因此，当挡板绕着固定轴作逆时针转动时，与套筒相连的连接杆和圆钢同样作逆时针转动，在此过程中，平衡锤则绕着圆钢转动，此时，平衡锤到固定轴的垂直距离变大，也就是说，自平衡挡烟门机构在此过程中受到的逆时针力矩逐渐增加。因此，在反窜烟气推力和平衡锤重力的共同作用下，挡板快速作逆时针转动，直到挡板边沿与下料槽槽底接触，这样，下料槽即被自动关闭，烟气无法通过下料槽反窜至炉外。

在挡板的转动过程中，联动杆被带动向左移动，这促使调节板作顺时针转动，同时，与调节板相连的那块风门叶片也被带动作顺时针转动。由于每块风门叶片都通过螺栓和螺母与联动板活动连接，因此，当与调节板相连的那块风门叶片转过一定角度时，其余叶片也跟随着转过相同的角度。这样，风门叶片的开度逐渐增加，直到挡板完全关闭下料槽时，开度达到最大。相应的，回炉烟道的阻力损失逐渐减小，负压却逐渐增加，这有利于反窜烟气进入回炉烟道，并最终流入炉膛负压区。

当所有的反窜烟气都流入炉膛负压区后，挡板受到的顺时针转动力矩大于逆时针转动力矩，挡板便绕固定轴作逆时针转动，直到达到自平衡，回到起始位置。和以上过程相反，风门叶片经过一系列机械传动后，又恢复到原来的位置。

本发明与现有技术相比，其有益效果为：

1、本发明的生物质循环流化床锅炉防烟气反窜装置无需外加动力设备，设备的动作完全由反窜烟气撞击挡板获得，可以灵活调节，具有有效防止烟气反窜的效果，既适合燃烧棉花秆、玉米秆等硬质生物质的循环流化床锅炉，也适合燃烧麦秸秆、稻秸秆等软质生物质的循环流化床锅炉，同时也适合燃烧城市生活垃圾、污泥等生物质的循环流化床锅炉。

2、采用了双级布风机构和自平衡挡烟门机构的联合运用方式，前者阻止了小量烟气的反窜，后者引导了大量烟气至炉膛上部负压区，从而在实现整个装置灵活调节的基础上有效防止了烟气的反窜。

3、锁烟风系统的小孔风速达到20～30m/s，多排小孔形成气帘，有效地阻止了小量烟气的外逸；高速气流使下落物料处于悬浮状态，便于下料顺畅；进入炉内的气流可以作为二次风，以补充燃料燃烧所需的空气量，并加强物料的混合。

4、助推风系统采用水平方向的小孔，引导助推风水平进入下料槽，这一方面使助推风起了气垫作用，避免了物料在下料槽上部的堆积，另一方面使助推风起了强劲助推作用，使物料能快速进入炉内。

5、从双级布风机构产生的高速气流大大降低了下料槽槽底的温度，既避免了设备长期处于高温烘烤的情况，保护了设备，又防止了物料在下料槽中的部分燃烧。

6、自平衡挡烟门机构设置在回炉烟道和下料槽的结合点，挡板的自动关闭无需借助外部动力，完全依靠反窜烟气的撞击实现，这样不仅节约了动力消耗，而且简化了设备部署，并降低了操作的复杂性。

7、设备正常运行时，置于回炉烟道的联动风门机构处于微开状态，这样有利于平衡系统的压力；自平衡挡烟门机构的关闭带动联动风门机构动作，使其处于全开状态，这样可以增加回炉烟道的负压，从而便于反窜烟气通过回炉烟道顺利进入上部炉膛的负压区。

8、联动风门机构的动力间接来源于反窜烟气的推动力，通过机械结构降低了动力消耗，使整个装置更具经济性。

附图说明

图1为是本发明的生物质循环流化床锅炉防烟气反窜装置的结构示意图；

图2是本发明的自平衡挡烟门机构的结构示意图；

图3是图2的右视图；

图4是本发明的联动风门机构的结构示意图；

图5是图4的右视图；

图6是本发明的双级布风机构的结构示意图；

图7是图6中一级布风板和二级布风板结构示意图；

图8是一级布风板的局部放大图；

图9是二级布风板的局部放大图。

其中：1、生物质燃料进口；2、固定轴；3、自平衡挡烟门机构；4、联动杆；5、联动风门机构；6、双级布风机构；7、下料槽；8、回炉烟道；9、炉膛；10、挡板；11、套筒；12、连接杆；13、圆钢；14、平衡锤；15、销子；16、烟道壁面；17、支撑板；18、风门叶片；19、圆轴；20、联动板；21、螺栓；22、螺母；23、滚动轴承；24、调节板；25、锁烟风系统；26、助推风系统；27、一级布风板；28、一级风室；29、锁烟风入口；30、锁烟风小孔；31、二级布风板；32、二级风室；33、助推风入口；34、助推风小孔。

具体实施方式

以下参照图1～9来详细说明本发明的生物质循环流化床锅炉防烟气反窜装置的最佳实施例，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

如图所示，一种生物质循环流化床锅炉防烟气反窜装置，包括设置在炉膛9上的下料槽7，所述装置中还设置有回炉烟道8、自平衡挡烟门机构3、联动风门机构5和双级布风机构6。

所述回炉烟道8的一端与所述下料槽7的顶部连接，另一端与所述炉膛9上部负压区相连的。

所述自平衡挡烟门机构3由挡板10、套筒11、连接杆12和圆钢13依次固定连接，所述圆钢13的两端设置有平衡锤14，通过销子15限位；所述套筒11通过固定轴2设置在所述下料槽7与所述回炉烟道8的交界处，所述挡板10伸入所述下料槽7的内部；所述挡板10由两段光滑弧形板组成，靠近套筒11的弧形板半径为126mm，弧度为22°，远套筒的弧形板半径为630mm，弧度为55°，两段弧形板光滑相连，挡板10顶端距离下料槽7槽底300mm。下料槽7高度为450mm。

所述联动风门机构5设置在所述回炉烟道8中，通过联动杆4与所述自平衡挡烟门机构3中的圆钢13连接；所述联动风门机构5由带有凹槽的支撑板17、风门叶片18、圆轴19、联动板20、滚动轴承23和调节板24组成，所述支撑板17为两块，对称设置在回炉烟道8内壁面上的同一高度处；所述圆轴19的两端设置在所述支撑板17的凹槽中，其中靠近所述自平衡挡烟门机构3的一根圆轴的一端通过所述滚动轴承23伸出所述回炉烟道8；所述风门叶片18对称固定在所述圆轴19的周向，且每块风门叶片18都相互平行，各风门叶片18的端部通过联动板20活动连接，叶片倾角α在15～90°之间调节；所述调节板24设置在所述回炉烟道8的外壁，其一端通过联动杆4与所述自平衡挡烟门机构3中的圆钢13连接；另一端与伸出回炉烟道8的圆轴19连接，可通过所述圆轴19带动所有的风门叶片18转动。

所述双级布风机构6设置在所述下料槽7的底部；所述双级布风机构6由锁烟风系统25和助推风系统26组成，其中，锁烟风系统25布置在下料槽7底部靠近炉膛9部分，助推风系统26布置在下料槽7底部的靠近生物质燃料进口1部分。所述锁烟风系统25由一级布风板27、一级风室28和锁烟风入口29组成，其中，一级布风板27开锁烟风小孔30，直径为1.5mm，开孔率为2.8％，小孔风速可在20～30m/s之间调节，一级风室布置在一级布风板的下面，进口处逐渐收缩，与锁烟风入口29相接。所述助推风系统26由二级布风板31、二级风室32和助推风入口33组成，其中，二级布风板31开助推风小孔34，直径为3mm，开孔率为7.8％，小孔风速可在5～10m/s之间调节，二级风室32布置在二级布风板31的下面，进口处逐渐收缩，与助推风入口33相接。

利用本实施例装置处理的生物质物料为软质秸秆-稻秸秆，预处理后尺寸为0～300mm，含水量为40％。秸秆物料从生物质燃料进口1输入，然后自由下落至下料槽7上。当大量物料下落时，在助推风和锁烟风的作用下，物料连续不断地进入炉内。由于大量含水分较大的物料连续快速下落，床内温度明显降低，物料得不到快速燃烧，积聚了大量燃料，当燃料和空气混合物达到了爆燃的浓度，炉内发生爆燃，同时，大量燃料水分在极短时间内快速蒸发，产生大量水蒸气，两者使炉膛烟气侧压力突然升高，从而产生大量烟气反窜。由于锁烟风垂直于槽底向上射入，反窜烟气突破了锁烟风的阻挡，沿着下料槽7顶部向上反窜。此时，物料已停止下料。

当大量反窜烟气撞击到挡板10后，自平衡挡烟门机构2的转矩平衡被破坏，挡板8便绕着固定轴2作逆时针转动，直到挡板8顶端接触到下料槽7槽底，将下料槽7关闭。此时，反窜烟气改变流动方向，向上流入回炉烟道8。

联动风门机构5的风门叶片18起始时处于微开状态，倾角为15°。挡板8的转动间接带动了风门叶片18的转动，当挡板10转动到最大角度触碰到下料槽7槽底时，风门叶片18也转动到了最大角度90°，这样，反窜烟气可以顺利通过回炉烟道8进入炉膛上部负压区。

当炉膛维持正常燃烧，并且反窜烟气都流入炉膛负压区后，挡板10在平衡锤14的转矩作用下，绕固定轴2作逆时针转动，回到起始时的平衡位置，同时，风门叶片18经过一系列机械传动后，也恢复到原来的位置。此时，物料又可正常下料。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (7)

1.一种生物质循环流化床锅炉防烟气反窜装置，包括设置在炉膛(9)上的下料槽(7)，其特征在于：所述装置中还设置有回炉烟道(8)、自平衡挡烟门机构(3)、联动风门机构(5)和双级布风机构(6)；所述回炉烟道(8)的一端与所述下料槽(7)的顶部连接，另一端与所述炉膛(9)上部负压区相连的；所述自平衡挡烟门机构(3)由挡板(10)、套筒(11)、连接杆(12)和圆钢(13)依次固定连接，所述套筒(11)通过固定轴(2)设置在所述下料槽(7)与所述回炉烟道(8)的交界处，所述挡板(10)伸入所述下料槽(7)的内部；所述联动风门机构(5)设置在所述回炉烟道(8)中，通过联动杆(4)与所述自平衡挡烟门机构(3)中的圆钢(13)连接；所述双级布风机构(6)设置在所述下料槽(7)的底部。

2.根据权利要求1所述的生物质循环流化床锅炉防烟气反窜装置，其特征在于：所述圆钢(13)的两端设置有平衡锤(14)，通过销子(15)限位。

3.根据权利要求1所述的生物质循环流化床锅炉防烟气反窜装置，其特征在于：所述联动风门机构(5)由带有凹槽的支撑板(17)、风门叶片(18)、圆轴(19)、联动板(20)、滚动轴承(23)和调节板(24)组成，所述支撑板(17)为两块，对称设置在回炉烟道(8)内壁面上的同一高度处；所述圆轴(19)的两端设置在所述支撑板(17)的凹槽中，其中靠近所述自平衡挡烟门机构(3)的一根圆轴的一端通过所述滚动轴承(23)伸出所述回炉烟道(8)；所述风门叶片(18)对称固定在所述圆轴(19)的周向，且每块风门叶片(18)都相互平行，各风门叶片(18)的端部通过联动板(20)活动连接，叶片倾角α在15～90°之间调节；所述调节板(24)设置在所述回炉烟道(8)的外壁，其一端通过联动杆(4)与所述自平衡挡烟门机构(3)中的圆钢(13)连接；另一端与伸出回炉烟道(8)的圆轴(19)连接，可通过所述圆轴(19)带动所有的风门叶片(18)转动。

4.根据权利要求1所述的生物质循环流化床锅炉防烟气反窜装置，其特征在于：所述双级布风机构(6)由锁烟风系统(25)和助推风系统(26)组成，其中，锁烟风系统(25)布置在下料槽(7)底部靠近炉膛(9)部分，助推风系统(26)布置在下料槽(7)底部的靠近生物质燃料进口(1)部分。

5.根据权利要求4所述的生物质循环流化床锅炉防烟气反窜装置，其特征在于：所述锁烟风系统(25)由一级布风板(27)、一级风室(28)和锁烟风入口(29)组成，其中，一级布风板(27)开有锁烟风小孔(30)，小孔直径为1～1.5mm，开孔率为2～3％，一级风室布置在一级布风板的下面，进口处逐渐收缩，与锁烟风入口(29)相接。

6.根据权利要求4所述的生物质循环流化床锅炉防烟气反窜装置，其特征在于：所述助推风系统(26)由二级布风板(31)、二级风室(32)和助推风入口(33)组成，其中，二级布风板(31)开有助推风小孔(34)，小孔直径为2.5～3mm，开孔率为8～10％，二级风室(32)布置在二级布风板(31)的下面，进口处逐渐收缩，与助推风入口(33)相接。

7.根据权利要求1所述的生物质循环流化床锅炉防烟气反窜装置，其特征在于：所述挡板(10)由两段光滑弧形板组成，靠近所述套筒(11)的弧形板半径为r₁＝1/5～1/6r₂，弧度为β₁＝18～30°，远离所述套筒(2)的弧形板半径为r₂＝1.2～1.5h，弧度为β₂＝38～60°，两段弧形板光滑固定连接，其中h为下料槽的高度。

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