CN102345862B - 生物质颗粒燃烧装置及其燃烧方法 - Google Patents

Abstract

一种生物质颗粒燃烧装置及其燃烧方法，它包括一立式炉膛，在炉膛上方设有进料管，进料管与外部加料装置相连接，炉膛内部设有点火装置，其特征是炉膛内部设有挡灰板；在位于炉膛底部的炉底平板中心设置可以转动的灰叉；挡灰板正下方的炉膛底部侧面设有与灰箱相通的落灰口；炉膛一侧设置火管连通口连接内部相通的火管形成燃烧区，挡灰板底部及两侧与炉膛内壁连接，底部自火管连通口下端起向上延伸且顶部高于火管连通口的上端，在火管内部布置与二次风道相连通的二次风喷管。

Description

生物质颗粒燃烧装置及其燃烧方法

技术领域

本发明涉及的是一种生物质颗粒燃烧装置及其燃烧方法，属于生物质能源及节能技术领域。

背景技术

在工业中采用的燃油燃气锅炉以及燃气（油）燃烧器燃料成本高，且将高品位燃料用于燃烧造成很大的浪费。农作物秸秆、木材加工剩余物等生物质具有分布广、储量大、可再生、成本低的特点，经成型设备压制成的颗粒燃料具有外形规则、尺寸均一、流动性好等优点，适于长期储存及远距离运输，其燃烧性能远优于松散的生物质，具有广阔的应用前景。以经过压制的生物质颗粒为燃料用于锅炉燃烧可以实现替代燃油燃气，具有非常大的市场。生物质颗粒燃料的一个特点是固定碳含量低而挥发分含量高，生物质燃料挥发分质量含量高于60%，并且挥发分析出温度低，析出速度快，在组织燃烧的过程中，如果对固定碳及挥发分燃烧所需的空气分配不当，极易产生冒黑烟及燃烧不充分等现象，降低燃烧效率。对于生物质颗粒燃料，尤其是秸秆颗粒燃料，灰分含量高，灰熔点低，在燃烧过程中灰尘扬析量大且易结渣；而对于生物质颗粒燃烧装置，一旦出现结渣现象而无法及时破渣排渣就会中断燃烧。另外，生物质颗粒灰中无机元素含量较高，特别是含有大量的碱金属元素，烟气中大量的颗粒灰对用能设备换热器造成腐蚀，减少其使用寿命，甚至危及设备运行安全。 

公开号为CN101270875A的中国发明专利公开了一种生物质成型燃料解耦燃烧装置及其燃烧方法，其装置包括一立式燃烧炉和底部相通的燃烧室和热解室，热解室上方设有料斗，热解室下部设有螺旋输送器，热解室外侧壁上设有烟气夹层，燃烧室下部设有炉排，炉排下方设有风道，燃烧室设有一烟气导流板，导流板上方与烟气夹层相通。其方法是将生物质成型燃料的热解和燃烧分别在两个温度不同的区域进行。就其装置而言，料斗与热解室连通并置于热解室之上使得热解生成的挥发分更容易从料斗处溢出而非经过底部半焦到达燃烧室进行燃烧，而且热解室吸收了烟气中大量的热从而降低了燃烧装置输出烟气的温度，降低了后部换热设备的换热效率，并且将颗粒灰直接排入燃烧室增加了烟气中颗粒灰的含量，必须在后部增加除尘设备，增加了设备成本。

发明内容

为克服现有生物质颗粒燃料在使用过程中燃烧不充分、燃烧效率低、烟尘含量高、燃烧过程易结渣及颗粒灰腐蚀设备等问题，本发明提出一种生物质颗粒燃料燃烧过程中固相和气相分段燃烧、自动排渣排灰并直接输出高温火焰和烟气的燃烧装置，可直接配接锅炉、工业窑炉等用能设备。

本发明的另一目的是提供一种可以实现生物质颗粒燃料固相和气相清洁燃烧的方法。

本发明的目的是这样实现的：一种生物质颗粒燃烧装置，包括：

一立式炉膛，在炉膛上方设有进料管，进料管与外部加料装置相连接，炉膛内部设有点火装置，其特征是炉膛内部设有挡灰板，所述的挡灰板底部及两侧与炉膛内壁连接，其底部自火管连通口下端起向上延伸且顶部高于火管连通口的上端；在位于炉膛底部的炉底平板中心设置可以转动的灰叉；炉底平板底部是由隔板分隔而成的相互独立的灰箱和一次风室；挡灰板正下方的炉膛底部侧面设有与灰箱相通的落灰口，灰箱底部一侧设置清灰口；炉膛一侧设置火管连通口连接内部相通的火管形成燃烧区，在火管内部布置与二次风道相连通的二次风喷管。

炉体一侧安装电机，电机与灰叉相连并带动灰叉旋转；炉底安装风机，风机与一次风道和二次风道相连，一次风道与一次风室连通，一次风道和二次风道内部分别设置一次风调节阀和二次风调节阀。点火装置固定在进料管下方的炉膛壁上。

所述的点火装置包括氮化硅点火器、陶瓷点火器及热风点火器。所述的挡灰板将炉体分隔为顶部相通的半气化区和燃烧区。

所述的挡灰板是指其与炉膛内壁相连接，挡灰板底部及两侧与炉膛内壁连接，挡灰板顶部高于火管连通口上端，并保证炉膛与燃烧区相连通，。

所述的挡灰板与炉膛组成半气化区，即固相燃烧区；挡灰板与火管组成气相燃烧区。所述的挡灰板其另一重要作用是减少固相燃烧区所形成的热煤气所携带的颗粒灰含量，实现本燃烧装置输出清洁热烟气的目的。

所述的灰叉是由灰叉轴以及设置于灰叉轴顶部且与灰叉轴垂直均匀布置的的拨杆组成。所述的灰叉轴灰叉上设置有连通一次风道和炉膛的风道。所述的风道是指在灰叉轴内部沿轴向设置中空通道且两端密闭，在灰叉轴中空部位设置一次风进口和与拨杆相连通的一次风出口，所述拨杆内部为中空且与灰叉轴连接的一端相连通，拨杆表面设置与炉膛相连通的一次风出口，使得一次风可以进入灰叉轴内部并流向拨杆，最终从拨杆进入炉膛底部参与气化燃烧；所述拨杆的数目至少2个，拨杆数目不小于2的灰叉都在本发明保护范围内。在本发明中，灰叉是由电机带动旋转，灰叉的转动速率在0.25r/min (转/分钟) ~1.5r/min之间，其具体转速由拨杆数量及生物质颗粒燃料完全燃尽所需的时间决定。

所述的火管截面及二次风喷管截面为圆形或方形，方便与锅炉等用能设备对接。

所述的一次风与二次风由风机产生，其中一次风风量占总风量的30%~45%，二次风占总风量的55%~70%，其具体比例根据生物质颗粒燃料种类不同而相应改变。

为了达到生物质颗粒燃料的高效清洁燃烧的目的，本发明的生物质颗粒燃料燃烧的方法包含固相燃烧方法和气相燃烧方法。

固相燃烧主要发生炉膛与挡灰板形成的半气化区内，即固相燃烧区，所述的固相是指生物质颗粒燃料气化后的残炭。所述固相燃烧方法，其步骤为：

（1）加料点燃。将固态生物质颗粒燃料由外部加料装置加入进料管，在重力作用下颗粒燃料从进料管落入炉膛，并在启动阶段由点火装置点燃。

（2）通过灰叉通一次风。一次风通过设置在炉底平板之上的灰叉进入炉膛底部并参与生物质颗粒燃料的气化。生物质颗粒燃料气化产生气化煤气和残炭，气化煤气包括一氧化碳、二氧化碳、氢气、甲烷等，一次风参与生物质颗粒燃料气化同时与气化后的残炭反应，使残炭充分燃尽，达到固相残炭充分燃烧的目的。残炭燃烧产生的热量为后续进入的颗粒燃料气化提供能量。

（3）调风。通过一次风调节阀可以调节一次风的风量。

（4）灰叉除灰。产生的颗粒灰在灰叉的拨动下落入灰箱，并从设置在灰箱一侧底部的清灰口清除。

气相燃烧主要发生在挡灰板与火管形成的气相燃烧区，所述的气相是指生物质颗粒燃料气化形成的热煤气。所述的气相燃烧方法，其步骤为：

（1）气固分离。热煤气在经过挡灰板的过程中气化煤气与烟气充分混合，挡灰板的作用是减少颗粒灰进入气相燃烧区，实现燃烧区的清洁燃烧。颗粒燃料气化产生的气化煤气与残炭燃烧产生的高温烟气混合后形成了热煤气，通过调整生物质颗粒燃料的加料量控制固相燃烧区所产生热煤气的温度维持在500℃～750℃，此温度保证了热煤气在燃烧区的连续燃烧。

（2）二次风管引射送风。在气相燃烧区，热煤气与来自二次风喷管的二次风混合，速度相对较高的二次风在火管内对热煤气产生引射作用，加速了炉膛内热煤气的流出速度，提高混合后煤气的速度，同时增加了火焰长度和火焰温度。二次风的引射作用使炉膛内部保持微负压，消除了炉膛内热煤气外泄所造成的危险。

（3）温控点火。当热煤气温度低于500℃时，点火装置启动，温度高于500℃时，点火装置关闭。

（4）调风。通过二次风调节阀可以调节二次风的风量。实现与二次风混合后的热煤气在火管出口处高效燃烧，产生高温火焰，火焰温度可以达到900℃～1200℃，达到清洁高效燃烧的目的。

本发明所提出的生物质颗粒燃烧装置，具有如下效果或优势：

1、通过生物质颗粒燃料在燃烧过程中固相和气相燃烧，解决了生物质在燃烧过程中效率低、燃烧不充分等问题；

2、有效控制炉膛内温度，解决了生物质颗粒燃料尤其是秸秆类颗粒燃料在燃烧过程中易结渣等问题，并通过灰叉将生物质颗粒灰顺利排出，避免了颗粒灰进入与颗粒燃烧装置配接的锅炉等用能设备，降低了颗粒灰对用能设备的腐蚀等问题；

3、通过挡灰板大幅降低了烟气中烟尘颗粒的含量，实现了清洁燃烧；

4、燃烧装置可独立运行，替代燃油燃气燃烧机，也可以与锅炉等用能设备配接使用，对现有供热系统改造小，配接方便，布置灵活。

附图说明

图1是本发明生物质颗粒燃烧装置的结构示意图；图中：Ⅰ—燃烧系统，Ⅱ—动力除灰系统。其中：1—进料管，2—炉膛（半气化区），3—挡灰板，4—火管，5—二次风喷管，6—燃烧区，7—二次风道，8—落灰口，9—炉底平板，10—清灰口，11—灰箱，12—隔板，13—二次风，14—一次风室，15—二次风调节阀，16—风机，17—电机，18—一次风调节阀，19—一次风道，20—一次风，21—点火装置，22—灰叉。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步阐述。

如图1所示，本发明生物质颗粒燃烧装置的结构示意图。

包括：一立式炉膛2，进料管1置于炉膛2顶部一侧，且与炉膛2相通，炉膛2内部设有点火装置21，点火装置21固定在进料管1下方的炉膛壁上。生物质颗粒燃料经进料管1进入炉膛2，由点火器21点燃，并在炉膛2底部的炉底平板9上燃烧。炉膛2内部设有挡灰板3。

炉底平板9中心装配可以转动的灰叉22，灰叉22内部为中空，可以通过一次风20，一次风20需经过一次风道19进入一次风室14，经过一次风室14进入灰叉22，最后进入炉膛2参与生物质颗粒燃料的气化燃烧。生物质颗粒燃料气化产生气化煤气和残炭。一次风20参与生物质颗粒燃料气化同时与气化后的残炭反应，使残炭充分燃尽，产生高温烟气，达到固相残炭充分燃烧的目的。炉膛2底部侧面设有落灰口8，并与灰箱11相连通，产生的颗粒灰在灰叉22的拨动下进入灰箱11,并最终通过清灰口10排出，残炭燃烧产生的热量为后续进入的颗粒燃料气化提供能量。炉体的一侧与炉底平板9水平布置电机17，电机17带动灰叉22旋转。

过量的一次风在炉膛内部与气化煤气发生反应产生高温烟气，提高了半气化区炉膛2的温度。经过挡灰板3的气体包括气化煤气和高温烟气，其混合后形成了热煤气，挡灰板3的作用是减少颗粒灰进入燃烧区，实现燃烧区的清洁燃烧。通过调整生物质颗粒燃料的加料量控制热煤气的温度维持在500℃～750℃。

炉膛2侧面与火管4连通，火管4构成了燃烧区6，火管4内部布置与火管4同方向的二次风喷管5，二次风喷管5与二次风道7相连通；生物质颗粒燃料气化燃烧后产生的煤气及高温烟气经过挡灰板3进入火管4，并在火管4内与来自二次风喷管5的二次风混合，混合后的煤气在燃烧区6内燃烧，并在火管4出口输出高温火焰和烟气，火焰温度可以达到900℃～1200℃。

生物质颗粒燃烧器所需的空气由风机16提供，在空气进入燃烧装置之前，空气分别经过一次风道19和二次风道7成为一次风和二次风。一次风和二次风风量的大小分别由一次风调节阀18和二次风调节阀15进行调节。

燃烧系统Ⅰ主要作用是将生物质颗粒燃料气化燃烧，实现生物质颗粒燃料固相和气相燃烧，产出高温火焰和高温烟气，供用热单位使用；动力除灰系统Ⅱ的作用有三个：一是提供生物质颗粒燃料燃烧气化所需要的一次风；二是对炉膛底部的颗粒灰和颗粒搅拌混合，加速气化燃烧速度，降低生物质颗粒燃料灰由于温度过高而导致的结渣问题，一旦结渣可以达到破渣排渣的目的；三是通过炉膛底部转动的灰叉将生物质颗粒燃料气化燃烧后的颗粒灰排入灰斗。

下面给出了两个实施例，以便更好地阐述本发明。

实施例一：

以棉秆颗粒为燃料，生物质颗粒燃烧装置运行过程中，热煤气温度控制在500℃~650℃之间，一次风与二次风的体积比为4：6，采用四个拨杆的灰叉，并控制灰叉转速为0.85r/min，经检测输出火焰温度为1010℃。

实施例二：

以木质颗粒为燃料，燃烧装置运行过程中，热煤气温度控制在600℃~750℃之间，一次风与二次风的体积比为7：13，采用三个拨杆的灰叉，并控制灰叉转速为0.7r/min，经检测输出火焰温度为1090℃。

Claims (6)

1.一种生物质颗粒燃烧装置，它包括一立式炉膛，其特征是炉膛内部设有挡灰板，挡灰板底部及两侧与炉膛内壁连接，挡灰板底部自火管连通口下端起向上延伸且顶部高于火管连通口的上端；在位于炉膛底部的炉底平板中心设置可以转动的灰叉；炉膛一侧设置火管连通口连接内部相通的火管形成燃烧区，在火管内部布置与二次风道相连通的二次风喷管；所述的灰叉是由灰叉轴以及设置于灰叉轴上的拨杆组成；所述拨杆至少2个，灰叉上设置有连通一次风道和炉膛的风道；所述灰叉上设置的风道是指在拨杆内部及灰叉轴内部沿轴向均设置中空通道；炉底安装风机，风机与一次风道和二次风道相连，一次风道与灰叉上的下通道口连通，一次风道和二次风道内部分别设置一次风调节阀和二次风调节阀；所述的一次风与二次风由风机产生，其中一次风风量占总风量的30%~45%，二次风占总风量的55%~70%。

2.根据权利要求1所述的生物质颗粒燃烧装置，其特征是炉体一侧安装电机，电机与灰叉相连并带动灰叉旋转；灰叉的转动速率在0.25r/min(转/分钟)~1.5r/min之间。

3.根据权利要求1所述的生物质颗粒燃烧装置，其特征是在炉膛上方设有进料管，进料管与外部加料装置相连接，炉膛内部设有点火装置，挡灰板正下方的炉膛底部侧面设有与灰箱相通的落灰口；点火装置固定在进料管下方的炉膛壁上。

4.一种利用权利要求1所述的生物质颗粒燃烧装置实现的生物质颗粒燃料燃烧的方法，其特征是它包含固相燃烧方法和气相燃烧方法。

5.根据权利要求4所述的生物质颗粒燃料燃烧的方法，其特征是固相燃烧主要发生炉膛与挡灰板形成的半气化区内，即固相燃烧区，所述的固相是指生物质颗粒燃料气化后的残炭；所述固相燃烧方法，其步骤为：

（1）加料点燃；将固态生物质颗粒燃料由外部加料装置加入进料管，在重力作用下颗粒燃料从进料管落入炉膛，并在启动阶段由点火装置点燃；

（2）通过灰叉通一次风；一次风通过设置在炉底平板之上的灰叉进入炉膛底部并参与生物质颗粒燃料的气化；生物质颗粒燃料气化产生气化煤气和残炭，气化煤气包括一氧化碳、二氧化碳、氢气、甲烷等，一次风参与生物质颗粒燃料气化同时与气化后的残炭反应，使残炭充分燃尽，达到固相残炭充分燃烧的目的；残炭燃烧产生的热量为后续进入的颗粒燃料气化提供能量；

（3）调风；通过一次风调节阀可以调节一次风的风量；

（4）灰叉除灰；产生的颗粒灰在灰叉的拨动下落入灰箱，并从设置在灰箱一侧底部的清灰口清除。

6.根据权利要求4所述的生物质颗粒燃料燃烧的方法，其特征是气相燃烧主要发生在挡灰板与火管形成的气相燃烧区，所述的气相是指生物质颗粒燃料气化形成的热煤气；所述的气相燃烧方法，其步骤为：

（1）气固分离；热煤气在经过挡灰板的过程中气化煤气与烟气充分混合，挡灰板的作用是减少颗粒灰进入气相燃烧区，实现燃烧区的清洁燃烧；颗粒燃料气化产生的气化煤气与残炭燃烧产生的高温烟气混合后形成了热煤气，通过调整生物质颗粒燃料的加料量控制固相燃烧区所产生热煤气的温度维持在500℃～750℃，此温度保证了热煤气在燃烧区的连续燃烧；

（2）二次风管引射送风；在气相燃烧区，热煤气与来自二次风喷管的二次风混合，速度相对较高的二次风在火管内对热煤气产生引射作用，加速了炉膛内热煤气的流出速度，提高混合后煤气的速度，同时增加了火焰长度和火焰温度；二次风的引射作用使炉膛内部保持微负压，消除了炉膛内热煤气外泄所造成的危险；

（3）温控点火调节热媒气温度；当热煤气温度低于500℃时，点火装置启动，温度高于500℃时，点火装置关闭；

（4）调风；通过二次风调节阀可以调节二次风的风量；实现与二次风混合后的热煤气在火管出口处高效燃烧，产生高温火焰，火焰温度可以达到900℃～1200℃，达到清洁高效燃烧的目的。

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