CN102252320A - 生物质低氮直燃锅炉 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种生物质低氮直燃锅炉，包括炉膛，炉膛上部设有锅炉本体，炉膛前部进料口处设有料斗，炉膛下部设有链条炉排，锅炉本体的前后端分别设有前烟箱和后烟箱，炉膛腔体内设有隔拱、后拱、翼型烟道和隔烟墙，后拱的前端设有烟气导流板，隔烟墙设置于后拱上部，前拱上设有二次风装置，隔烟墙上设有三次风装置；炉膛腔体内被分隔成热解区、层燃区、再燃还原区和气化燃烧区。本发明根据生物质燃料的成分和燃烧特性，采用层燃与气化耦合燃烧技术，实现了燃料的高效燃烧，采用分级布风、半焦还原及热解产物再燃技术，实现了氮氧化物的超低排放，使生物质锅炉成为真正的节能环保产品。
Description
技术领域
本发明涉及一种生物质锅炉，尤其是一种生物质低氮直燃锅炉。
背景技术
目前在国家重视生物质能开发和限制燃煤双重条件下，生物质锅炉由于政策的支持和优越的环保、经济性能逐渐受到青睐，成为替代燃煤及燃油燃气锅炉的重要产品。然而，目前市场上的生物质锅炉多是燃煤锅炉简单改造而成，或是直接使用燃煤锅炉(如：中国专利申请200710049037.3、200810137245.3、201010151608.6)，难以发挥生物质燃料优势，并不适用于生物质燃料挥发份含量高、着火点低、可燃气体不易燃尽等燃烧特性，燃烧效率低、排烟温度高，热效率低。此外，生物质锅炉的氮氧化物排放量较高，在一定条件下可形成硝酸型酸雨，对生态环境有很大的损害。中国专利申请200910187815.4和201020528853.X的发明，虽采用二次配风或利用流化技术辅助燃烧，但其忽略了燃料燃烧所产生的NOx对环境的影响以及能量的综合利用效率，此类技术尚有发展空间。
因此，市场上迫切需要一种燃烧效率高、大气污染物排放指数低、热效率高的生物质直燃锅炉，实现生物质锅炉的产业化推广，推动生物质能产业链的形成和生物质能技术的发展。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种根据生物质燃料的成分和燃烧特性，采用层燃与气化耦合燃烧技术，实现燃料的高效燃烧，采用分级布风、半焦还原及热解产物再燃技术，实现氮氧化物的超低排放，真正节能环保的生物质低氮直燃锅炉。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种生物质低氮直燃锅炉，包括炉膛，炉膛上部设有锅炉本体，炉膛前部进料口处设有与其连通的料斗，炉膛下部设有链条炉排，锅炉本体的前后端分别设有前烟箱和后烟箱，炉膛的腔体由前拱、后墙、锅炉本体和链条炉排共同围成，炉膛腔体内设有隔拱(隔拱用以形成高温热解区反应微环境，阻隔一次配风，并起到摊匀燃料的作用)、后拱、翼型烟道和隔烟墙，后拱的前端设有烟气导流板，隔烟墙设置于后拱上部，翼型烟道设置于炉膛腔体的上部区域，隔拱设置于炉膛腔体右端底部且与前拱倾斜相对应，后拱横向设置于炉膛腔体中部且一端与后墙相连，所述前拱上设有二次风装置，隔烟墙上设有三次风装置；所述隔拱、前拱和链条炉排之间的区域形成热解区，热解区上部由前拱、烟气导流板、隔拱和翼型烟道之间的区域形成再燃还原区，再燃还原区左侧由烟气导流板、后拱、隔烟墙和翼型烟道之间的区域形成气化燃烧区，后拱的下部由后拱、后墙、链条炉排和隔拱之间的区域形成层燃区。
所述烟气导流板成横向放置的V形结构。
所述翼型烟道内设有对流管束，且翼型烟道与前烟箱连通。
所述锅炉本体外部绕有螺纹烟管，螺纹烟管进气端与前烟箱相通，出气端与后烟箱相通。
所述链条炉排底部鼓入一次风进入层燃区，占总风量的55～60％，二次风装置布置在再燃还原区，其鼓入的风量占总风量的10～15％，三次风装置布置在气化燃烧区内，其鼓入的风量占总风量的25～35％，热解区不配风。
所述二次风装置的主风管布置于前拱中，主风管前端设置的喷嘴位于炉膛之中，若干喷嘴沿炉膛横向均布，喷嘴向下倾斜与水平面呈25～30°夹角，风速为35～45m/s，此角度和风速下，可保证混合气体上升到再燃还原区时形成强烈漩涡，增加其停留和反应时间，同时避免二次风直接吹向后拱和隔拱，冲刷耐火材料。
所述三次风装置的主风管布置于隔烟墙中，主风管上设有控制阀门，主风管前端设置的喷嘴位于气化燃烧区内，为使布风均匀，在隔烟墙底部和顶部分别布置有若干炉膛横向均布的喷嘴，顶部喷嘴倾斜向下与水平面呈20～25°夹角，风速为25～35m/s，此设计角度和风速可对气化燃烧区内的混合气体进行扰动，使其呈“α”曲线运动，增加其停留和反应时间；底部喷嘴向上倾斜与水平面呈25～30°夹角，风速为8～12m/s，底部三次风主要作用是为气化燃烧区内提供足够的空气，使其能完全燃烧，同时，较低的风速不会对混合气体的运动产生较大影响。顶部与底部喷嘴沿炉膛横向均布，通过阀门控制顶部和底部风管风量，使喷嘴风速达到设计要求。
本发明的工作流程为：生物质燃料经上料装置输送至料斗，在链条炉排的驱动下，经调节门进入炉膛。燃料进入炉膛后，首先进入热解区，热解区内不配风，仅靠负压状态下的炉膛漏风提供反应所需风量，属于缺氧状态。在前拱的热辐射下，生物质燃料在缺氧状态下热解，经历烘干和挥发分析出的过程，生成半焦类固体可燃物和还原性气体。半焦类固体可燃物主要为碳、灰分和挥发分，孔隙率大而机械强度低，具有很强的还原性，还原性气体包括CO、H2等可燃气体。
在链条炉排的驱动下，半焦类固体可燃物离开热解区经隔拱进入层燃区，通过调节一次风风量和链条炉排转速，固体可燃物可充分燃烧。层燃燃烧是自下而上进行的，固体可燃物燃烧生成的NOx在逸出时经过孔隙率大的半焦区域，通过半焦还原反应，一部分NOx还原为N2。
在引风机的作用下，热解区生成的还原性气体和层燃区生成的烟气上升进入再燃还原区。由于二次风风速较高，在再燃还原区内，还原性气体与烟气会受到二次风的扰动而形成强烈的漩涡，增加混合烟气在此区域内的停留和反应时间。通过控制二次风的风量，可使此处形成缺氧的还原性气氛，在此条件下，还原性气体和烟气中的NOx进行反应，CO和NOx反应生成N2和CO2，H2和NOx反应生成N2和H2O，从而能抑制NOx排放浓度。
再燃还原区流出的气体(包含未燃尽的还原性气体和飞灰)，在引风机的作用下，经烟气导流板，进入气化燃烧区，三次风装置为还原性气体和飞灰燃烧提供必需的空气，同时对烟气进行扰动，使其呈“α”曲线运动，增加烟气在气化燃烧区内停留时间和反应时间，使其能完全燃烧。
完全燃尽的烟气，经隔烟墙进入翼型烟道，与布置在其内的对流管束完成换热后进入前烟箱，然后进入螺纹烟管，与锅筒内的水进行换热，最后流经后烟箱进入烟道系统，经除尘后由烟囱排入大气。
本发明的积极效果在于：
1、气化与层燃耦合燃烧技术；
采用多燃烧室、层燃与气化燃烧相耦合、分段燃烧、多次布风的高效燃烧技术，解决了生物质挥发分高、不易充分燃烧的难题，提高锅炉热效率。
本发明所采用的燃烧技术，燃烧效率可达90％以上，避免了气体不完全燃烧损失，锅炉热效率可达86％，比普通生物质锅炉高5～8％。
2、NOx还原及排放控制技术；
利用分段配风及半焦还原技术，在反应过程中抑制NOx的生成，降低NOx的排放浓度，使燃料实现分段的高效清洁燃烧。
本发明所采用的NOx还原及排放控制技术，可将NOx的排放浓度控制在100mg/Nm3，真正做到了节能环保。
附图说明
图1是本发明结构示意图；
图2是炉膛布风系统图；
其中1.料斗，2.链条炉排，3.前拱，4.二次风装置，5.隔拱，6.烟气导流板，7.后拱，8.三次风装置，9.隔烟墙，10.后墙，11.前烟箱，12.螺纹烟管，13.锅炉本体，14.翼型烟道，15.后烟箱，16.热解区，17.再燃还原区，18.气化燃烧区，19.层燃区，20.一次风，21.二次风，22.三次风。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1、2所示，一种生物质低氮直燃锅炉，包括炉膛，炉膛上部设有锅炉本体13，炉膛前部进料口处设有与其连通的料斗1，炉膛下部设有链条炉排2，锅炉本体13的前后端分别设有前烟箱11和后烟箱15，炉膛的腔体由前拱3、后墙10、锅炉本体13和链条炉排2共同围成，炉膛腔体内设有隔拱5(隔拱5用以形成高温热解区反应微环境，阻隔一次配风，并起到摊匀燃料的作用)、后拱7、翼型烟道14和隔烟墙9，后拱7的前端设有烟气导流板6，隔烟墙9设置于后拱7上部，翼型烟道14设置于炉膛腔体的上部区域，隔拱5设置于炉膛腔体右端底部且与前拱3倾斜相对应，后拱7横向设置于炉膛腔体中部且一端与后墙10相连，所述前拱3上设有二次风装置4，隔烟墙9上设有三次风装置8；所述隔拱5、前拱3和链条炉排2之间的区域形成热解区16，热解区16上部由前拱3、烟气导流板6、隔拱5和翼型烟道14之间的区域形成再燃还原区17，再燃还原区17左侧由烟气导流板6、后拱7、隔烟墙9和翼型烟道14之间的区域形成气化燃烧区18，后拱7的下部由后拱7、后墙10、链条炉排2和隔拱5之间的区域形成层燃区19。
所述烟气导流板6成横向放置的V形结构。
所述翼型烟道14内设有对流管束，且翼型烟道14与前烟箱11连通。
所述锅炉本体13外部绕有螺纹烟管12，螺纹烟管12进气端与前烟箱11相通，出气端与后烟箱15相通。
所述链条炉排2底部鼓入一次风20进入层燃区19，一次风20风量占总风量的55～60％，二次风装置4布置在再燃还原区17，其鼓入的风量占总风量的10～15％，三次风装置8布置在气化燃烧区18内，其鼓入的风量占总风量的25～35％，热解区16不配风。
所述二次风装置4的主风管布置于前拱2中，主风管前端设置的喷嘴位于炉膛之中，若干喷嘴沿炉膛横向均布，喷嘴向下倾斜与水平面呈25～30°夹角，风速为35～45m/s，此角度和风速下，可保证混合气体上升到再燃还原区17时形成强烈漩涡，增加其停留和反应时间，同时避免二次风21直接吹向后拱7和隔拱5，冲刷耐火材料。
所述三次风装置8的主风管布置于隔烟墙9中，主风管前端设置的喷嘴位于气化燃烧区18内，为使布风均匀，在隔烟墙9底部和顶部分别布置有沿炉膛横向均布的若干喷嘴，顶部喷嘴倾斜向下与水平面呈20～25°夹角，风速为25～35m/s，此设计角度和风速可对气化燃烧区18内的混合气体进行扰动，使其呈“α”曲线运动，增加其停留和反应时间；底部喷嘴向上倾斜与水平面呈25～30°夹角，风速为8～12m/s，底部三次风22主要作用是为气化燃烧区18内提供足够的空气，使其能完全燃烧，同时，较低的风速不会对混合气体的运动产生较大影响。顶部与底部喷嘴沿炉膛横向均布，通过阀门控制顶部和底部风管风量，使喷嘴风速达到设计要求。
本发明的工作流程为：生物质燃料经上料装置输送至料斗1，在链条炉排2的驱动下，经调节门进入炉膛。燃料进入炉膛后，首先进入热解区16，热解区16内不配风，仅靠负压状态下的炉膛漏风提供反应所需风量，属于缺氧状态。在前拱3的热辐射下，生物质燃料在缺氧状态下热解，经历烘干和挥发分析出的过程，生成半焦类固体可燃物和还原性气体。半焦类固体可燃物主要为碳、灰分和挥发分，孔隙率大而机械强度低，具有很强的还原性，还原性气体包括CO、H2等可燃气体。
在链条炉排2的驱动下，半焦类固体可燃物离开热解区16经隔拱5进入层燃区19，通过调节一次风20风量和链条炉排2转速，固体可燃物可充分燃烧。层燃燃烧是自下而上进行的，固体可燃物燃烧生成的NOx在逸出时经过孔隙率大的半焦区域，通过半焦还原反应，一部分NOx还原为N2。
在引风机的作用下，热解区16生成的还原性气体和层燃区19生成的烟气上升进入再燃还原区17。由于二次风21风速较高，在再燃还原区17内，还原性气体与烟气会受到二次风21的扰动而形成强烈的漩涡，增加混合烟气在此区域内的停留和反应时间。通过控制二次风21的风量，可使此处形成缺氧的还原性气氛，在此条件下，还原性气体和烟气中的NOx进行反应，CO和NOx反应生成N2和CO2，H2和NOx反应生成N2和H2O，从而能抑制NOx排放浓度。
再燃还原区17流出的气体(包含未燃尽的还原性气体和飞灰)，在引风机的作用下，经烟气导流板6，进入气化燃烧区18，三次风装置8为还原性气体和飞灰燃烧提供必需的空气，同时对烟气进行扰动，使其呈“α”曲线运动，增加烟气在气化燃烧区内停留时间和反应时间，使其能完全燃烧。
完全燃尽的烟气，经隔烟墙9进入翼型烟道14，与布置在其内的对流管束完成换热后进入前烟箱11，然后进入螺纹烟管12，与锅筒内的水进行换热，最后流经后烟箱15进入烟道系统，经除尘后由烟囱排入大气。
Claims (7)
1.一种生物质低氮直燃锅炉，包括炉膛，炉膛上部设有锅炉本体，炉膛前部进料口处设有与其连通的料斗，炉膛下部设有链条炉排，锅炉本体的前后端分别设有前烟箱和后烟箱，炉膛的腔体由前拱、后墙、锅炉本体和链条炉排共同围成，其特征在于，炉膛腔体内设有隔拱、后拱、翼型烟道和隔烟墙，后拱的前端设有烟气导流板，隔烟墙设置于后拱上部，翼型烟道设置于炉膛腔体的上部区域，隔拱设置于炉膛腔体右端底部且与前拱倾斜相对应，后拱横向设置于炉膛腔体中部且一端与后墙相连，所述前拱上设有二次风装置，隔烟墙上设有三次风装置；所述隔拱、前拱和链条炉排之间的区域形成热解区，热解区上部由前拱、烟气导流板、隔拱和翼型烟道之间的区域形成再燃还原区，再燃还原区左侧由烟气导流板、后拱、隔烟墙和翼型烟道之间的区域形成气化燃烧区，后拱的下部由后拱、后墙、链条炉排和隔拱之间的区域形成层燃区。
2.根据权利要求1所述的生物质低氮直燃锅炉，其特征在于，所述烟气导流板成横向放置的V形结构。
3.根据权利要求1所述的生物质低氮直燃锅炉，其特征在于，所述翼型烟道内设有对流管束，且翼型烟道与前烟箱连通。
4.根据权利要求1所述的生物质低氮直燃锅炉，其特征在于，所述锅炉本体外部绕有螺纹烟管，螺纹烟管进气端与前烟箱相通，出气端与后烟箱相通。
5.根据权利要求1所述的生物质低氮直燃锅炉，其特征在于，所述链条炉排底部鼓入一次风进入层燃区，占总风量的55～60％，二次风装置布置在再燃还原区，其鼓入的风量占总风量的10～15％，三次风装置布置在气化燃烧区内，其鼓入的风量占总风量的25～35％，热解区不配风。
6.根据权利要求1所述的生物质低氮直燃锅炉，其特征在于，所述二次风装置的主风管布置于前拱中，主风管前端设置的喷嘴位于炉膛之中，若干喷嘴沿炉膛横向均布，喷嘴向下倾斜与水平面呈25～30°夹角，风速为35～45m/s。
7.根据权利要求1所述的生物质低氮直燃锅炉，其特征在于，所述三次风装置的主风管布置于隔烟墙中，主风管上设有控制阀门，主风管前端设置的喷嘴位于气化燃烧区内，在隔烟墙底部和顶部分别布置有若干炉膛横向均布的喷嘴，顶部喷嘴倾斜向下与水平面呈20～25°夹角，风速为25～35m/s；底部喷嘴向上倾斜与水平面呈25～30°夹角，风速为8～12m/s。
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