CN104033889B - 蓄热式生物质气化燃烧装置及其生产工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种蓄热式生物质气化燃烧装置及其生产工艺，其装置部分包括上吸式气化炉和蓄热式锅炉系统，其还包括有燃气增压装置；所述燃气增压装置包括成对设置的引射器；所述引射器以所述蓄热式锅炉系统产生的蒸汽或者烟气为介质，对所述上吸式气化炉产生的燃气进行引射，以形成高压/高速燃气射流，喷入到所述蓄热式锅炉系统进行燃烧。本发明满足了高温低氧蓄热式燃烧方法对于燃烧流场的工艺要求，并避免了在蓄热体内产生积灰，从而保证了蓄热式燃烧的稳定运行。本发明在高温低氧环境下可以充分、顺利燃烧，且NOx产生量小、燃烧过程积灰量小、腐蚀性小、烟气排放量小，其热效率高、节能、环保。

Description

蓄热式生物质气化燃烧装置及其生产工艺

技术领域

本发明涉及一种生物质原料燃烧装置及其生产工艺，尤其涉及一种蓄热式生物质气化燃烧装置及其生产工艺。

背景技术

生物质能是通过绿色植物的光合作用把太阳能转化为化学能后固定和贮藏在生物体内的能量，是唯一可再生的CO₂零排放中性燃料。而且，生物质中的硫含量极低，仅相当于特低硫煤中硫含量的1/2～1/5。因此，如果能合理地利用这一清洁的可再生能源，将极大地缓解全球变暖、能源短缺以及大气污染的现状。不过，由于生物质的分布非常分散，而且密度较低，运输半径决定了其更适合于作为中小型分布式能源加以利用，而不适合于大规模集中利用。

生物质能源转换技术主要包括直接燃烧、气化、液化等多种。就目前而言，由于原料供应易于解决以及使用场合灵活等特点，小型生物质利用设备的使用日趋广泛。特别是小型生物质直燃锅炉，其低硫、CO₂零排放、以及运行费用相对较低的特点，尤其适合用于某些居住小区的供暖或工业企业的供热干燥等场合。在当前中国大气雾霾污染日趋严重、各大城市先后禁止小型燃煤锅炉在城区使用的形势下，中小型特别是小型的生物质直燃锅炉逐渐呈现出替代燃煤锅炉的趋势，在小型锅炉市场受到了越来越多的欢迎。

不过，当前使用的中小型生物质直燃锅炉仍存在一些明显的缺陷，集中体现在：

(1)锅炉在实际运行中的过量空气系数α值往往远远高于其设计值1.2～1.75，排烟处的过量空气系数多在2～3.5之间，有的甚至超过4，而过量空气系数每提高0.1，锅炉的热效率将下降0.5～0.7％；

(2)因为锅炉自动化程度低，或一二次风分配不合理，甚至根本未设二次风等问题，导致了含高挥发份生物质燃料发生化学不完全燃烧；

(3)生物质中富含钾、钠等碱金属和钙、镁等碱土金属，其在燃烧过程中容易挥发进入烟气，并在换热管壁上形成不易清除的硬质灰沉积，严重时会明显降低换热管的换热效率，造成锅炉排烟温度过高。一般小型工业锅炉排烟温度在180～240℃之间，有的甚至高达300℃以上。如果同时过量空气系数也偏高，则会造成更为严重的排烟损失。粗略估计，此时锅炉排烟温度每提高10℃，排烟损失增加0.5～0.8％，锅炉效率下降1％；

(4)生物质中富含Cl元素，燃烧后会以HCl及氯化物盐的形式挥发到烟气中，造成换热管管壁上严重的高温腐蚀，增加了爆管的风险；

(5)生物质燃料的高含水量使得排烟中蕴含的水蒸汽潜热很高，但是，为了避免发生低温腐蚀(氯化氢溶于水形成盐酸，三氧化硫溶于水形成硫酸)，这部分蒸汽潜热不易通过冷凝的方法得到回收；

(6)容量相同时，生物质锅炉及其燃料储仓间的占地面积相比燃煤锅炉更大，高度也更高，在将燃煤锅炉更换或改造为生物质锅炉时容易造成安装空间不足；

(7)生物质中的氮含量与生物质种类、植物部位等有关。例如，软木和硬木氮量较低,仅0.1％，软木和硬木的叶子、伐木残料以及稻麦秸秆氮含量较高,在0.3-0.8％。研究表明，当氮含量大于0.6％时，就需要考虑脱氮问题。然而，小型生物质锅炉增设脱氮装置后，其单位容量投资、运行和管理成本相对大容量锅炉而言将会大大增加，这将会严重威胁其竞争力。而且，烟气中富含的碱金属类飞灰容易造成选择性催化还原脱硝系统中催化剂的中毒失效，妨碍脱硝系统的正常运行。

(8)生物质虽然硫含量很低，但是高过量空气系数条件下，也易出现硫被氧化进而生成硫酸盐，而硫酸盐的生成是导致锅炉换热面上硬质灰沉积形成的主要原因。

综上所述，现有小型生物质锅炉在当前应用中仍存在较多问题，无论是其系统组成还是工艺路线选择，都存在着较大的改进空间。主要原因在于，富含碱金属的生物质燃料在燃烧过程中所引起的灰堵塞所致有效换热面积减小，以及燃烧过程所致的高温腐蚀，一直是生物质直燃设备中需要着力克服的难题。

将生物质原料先气化再燃烧是解决上述难题的有效途径之一。蓄热式燃烧技术被国际上公认为是二十一世纪的核心工业技术之一，对以燃烧为基础的能源转换技术带来了变革性的发展。采用了该种燃烧技术的热设备，依靠其能获得高温预热空气的能力和燃气流的高速卷吸紊流混合作用，可实现在超低过量空气系数下低热值燃气的稳定燃烧，以及超低NO_x排放、低CO₂排放和余热的极限回收。而且，相应热设备的体积也能大大降低。因此，蓄热式燃烧方式以其能够获得高温预热空气的能力，有望成为解决这类低热值燃气燃烧缺陷的最佳燃烧方式。不过，生物质气化燃气采用蓄热燃烧方式时，一些其他的难题也随之而来，这些难题主要如下：

(1)蓄热式燃烧要求燃气具有较高的压力。虽然加压气化炉所产燃气可以直接满足这一要求，但是加压气化炉的结构非常复杂，对关键制造技术以及运行的要求都很高，小型气化炉中一般很难采用，因此，在大多场合下都只采用常压气化炉。

不过，常压气化炉所产燃气的压力都很低(有时甚至是负压)，必须经过大幅升压后才能依靠高压燃气射流的卷吸作用实现与已燃尽烟气的紊流混合，从而形成局部低氧的流场分布，最终达到高温低氧低NO_x燃烧的目的。否则，高的预热空气温度将导致NO_x排放的大幅度增加。不过，对燃气的增压很难利用风机来进行，因为燃气中不但富含焦油(各种气化炉均有，上吸式气化炉中最多)，氯化氢(各种气化炉均有，加压气化炉中最多)、飞灰(上吸式气化炉中极少，流化床中极多)，甚至具有较高的温度(流化床与下吸式气化炉中700～900℃，上吸式气化炉中200～300℃)。因工作条件恶劣，一般风机难以胜任。

(2)蓄热式燃烧的长期稳定运行要求尽最大可能避免在蓄热体中发生积灰。通常，由于碱金属类飞灰冷凝物本身也具有类似蓄热体的蓄热能力。因此，少量积灰对于蓄热片的工作性能影响较小。但是，当烟气中含有飞灰量较大时，会导致蓄热体中发生严重的积灰，不但会导致蓄热体材料的堵塞，逼迫其频繁停机清洗，而且有可能诱发蓄热体材料发生侵蚀，严重降低其使用寿命。蓄热体堵灰的可能来源有两个，一是气化燃气直接携带的碱金属/碱土金属类飞灰，二是燃气中富含的焦油在高温低氧燃烧过程中可能会产生的炭黑粒子，因为焦油的H/C比很低，易发生燃烧不完全而形成炭黑粒子。炭黑粒子虽数量较少且不会侵蚀蓄热体，但是长期运行时也会增加蓄热体材料的清洗负担，而且，也会增大燃料的物理不完全燃烧损失。

相比而言，流化床气化炉的一个最显著的特点即是燃气中会携带大量的碱金属/碱土金属等各类飞灰，显然，这会给蓄热体的正常工作带来巨大的麻烦，将导致整套装置很难实现稳定运行。

而对于上吸式气化炉而言，燃气中的碱金属/碱土金属飞灰虽然已经被高效脱除，但是炭黑粒子生成的问题却变得相对突出，因为上吸式气化炉所产燃气中相比其他气化形式而言含有更多的焦油。不过，有研究表明，当燃气流中含有一定量的水蒸汽时，可以将高温低氧燃烧过程中炭黑粒子的生成控制在一个极低的水平。

中国专利申请201010528864.2公开了一种蓄热式燃烧装置以及生物质气加热系统，其技术思想主要是，利用流化床进行生物质原料气化，后再进行蓄热燃烧，以利用生物质能。其采用的技术手段主要是，利用高温燃烧产物与低温助燃介质轮流的通过蓄热体进行间接热交换，以提高燃气热利用效率，并保证燃气燃烧的稳定性；其对于流化床气化炉的反应产物，采用的是两级分离的方法。

不过，由于流化床气化炉存在燃气中含灰量非常高的弊端，尽管其对于燃烧产物也提供了一种两级分离装置，但是，这种分离装置仅对于高沸点的碱土金属等飞灰有效，而对于碱金属飞灰无效。原因在于，低沸点的碱金属类飞灰在高温下以气相形式存在，不经过大幅降温和冷凝无法被分离下来。

因此，采用上述技术方案的燃烧装置，其流化床气化炉中挥发到燃气中的碱金属飞灰，很难避免仍会进入下游蓄热体内，并在换热的过程中发生冷凝，形成积灰，堵塞蓄热体，最终导致系统频繁停机甚至无法稳定运行。

理论研究表明，要顺畅实现先气化然后蓄热燃烧，所用的气体燃料应至少需同时满足以下两点要求：

(1)燃气应具有较高的压力。该要求用以产生高速燃气射流，确保在高温燃烧条件下超低NO_x排放的实现。

(2)燃气应比较清洁。该要求用以确保蓄热体内不易发生堵灰和侵蚀。

发明内容

本发明的目的之一是，提供一种在高温低氧环境下充分、顺利燃烧，且NOx产生量小、燃烧过程积灰量小、腐蚀性小、烟气排放量小的蓄热式生物质气化燃烧装置。

本发明为实现上述目的需要解决的技术问题是，如何对常压燃气增压，以满足高温低氧蓄热式燃烧方法对于燃烧流场的工艺要求，并避免在蓄热体内产生积灰，从而保证蓄热式生物质气化燃烧装置蓄热式燃烧稳定运行的技术问题。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是，一种蓄热式生物质气化燃烧装置，包括上吸式气化炉和蓄热式锅炉系统，其中，上吸式气化炉用于将生物质原料气化成燃气；其特征在于，还包括有燃气增压装置；

所述燃气增压装置包括成对设置的引射器；

所述引射器以所述蓄热式锅炉系统产生的蒸汽或者再循环烟气为介质，对所述上吸式气化炉产生的燃气进行引射，以形成高压/高速燃气射流，经燃烧喷嘴喷入到所述蓄热式锅炉系统进行燃烧；

所述蓄热式锅炉系统除提供所述引射器所需蒸汽介质外，还通过外接装置对外供送热水或者蒸汽。

作为优选，上吸式气化炉自下而上依次包括有灰室、壳体、炉篦、氧化层、还原层、干馏层、干燥层、燃气自动开关阀以及设置在气化炉上方的料斗；

所述引射器以并联方式成对设置，每个引射器均包括有进口端、接受室、喷嘴、混合室、扩压室和出口端；

所述蓄热式锅炉系统包括再循环烟气增压风机、引风机、四通换向阀、鼓风机、炉膛、

第一蓄热体、第二蓄热体、第一燃烧嘴、第二燃烧嘴、第一引射器、第二引射器、上吸式生物质气化炉、第一蒸汽开关阀、第二蒸汽开关阀、第一燃气自动开关阀、第二燃气自动开关阀、烟气三通阀；

所述连接管路分为若干管段，共同将所述引射器、蓄热式锅炉与所述上吸式气化炉连接成一循环系统；

所述循环系统按工艺划分为左右并联且轮流开启关/闭工作的两条支路，所述左、右支路均分别分成上下两段，其中，左支路上段从所述烟气三通阀的左出口端引出，依次连接第一引射器的第二进口、第一引射器的出口端、第一燃烧嘴的进口端，所述左支路上段的末端为所述第一燃烧嘴的出口端；

所述左支路的下段从所述鼓风机的出风口引出，依次连接四通换向阀、第一蓄热体的进口端；所述左支路下段的末端为所述第一蓄热体的出口端；

所述左支路下段的末端与所述左支路的上段的末端汇集，从所述炉膛的入口端进入炉膛内；

所述炉膛的出口端依次连接有第二蓄热体、四通换向阀、引风机和烟囱；

所述右支路分成上下两段，其中，右支路上段从所述烟气三通阀的右出口端引出，依次连接第二引射器的第二进口、第二引射器的出口端、第二燃烧嘴的进口端；所述右支路上段的末端为所述第二燃烧嘴的出口端；

所述右支路的下段的起始端与所述右支路的上段的末端汇集，并从所述炉膛的出口端引出，依次连接第二蓄热体、四通换向阀、引风机和烟囱；

所述四通换向阀与引风机的连接管路上还有一条支管引出，该支管与所述再循环烟气增压风机的进口端连接，所述再循环烟气增压风机的出口端通过管路与所述烟气三通阀进口端连接；

所述烟气三通阀的左出口端与所述第一引射器的第二进口端连接；

所述烟气三通阀的右出口端与所述第二引射器的第二进口端连接；

所述生物质气化炉设置有左右两个燃气出口，其中左侧燃气出口与所述第一引射器的第一进口端连接，右侧燃气出口与所述第二引射器的第一进口端连接；

所述蓄热式锅炉设置有蒸汽输出主管，所述蒸汽输出主管左右两侧分别连接有左右两根蒸汽输出支管；所述左侧蒸汽输出支管与所述第一蒸汽阀的进口端连接，所述右侧蒸汽输出支管与所述第二蒸汽阀的进口端连接。

上述技术方案直接带来的技术效果是，上吸式气化炉具有气化效率高、结构简单、使用灵活、操作方便和成本低等优点，特别是在应用于富含碱金属的生物质气化时，上吸式气化炉相比其他型式的气化炉有一个极为突出的优势，即能够最大程度的将各种飞灰物质(特别是碱金属及其化合物)保留在气化炉内。

因为上吸式气化炉所产生的燃气在离开气化炉向上流动的过程中，会依次经过氧化区、还原区、干馏区和干燥区，其温度依次逐渐降低，从而使得在氧化区因高温而蒸发到燃气中的碱金属物质再次被冷凝为固体，并被上层的原料过滤下来。已有的研究表明，上吸式气化炉可将生物质中99％的碱金属保留在气化炉内，而与之相对应的是，旋风式气化炉所产生的燃气中，其碱金属含量是上吸式气化炉中的40～60倍，而各种流化床气化炉所产生的燃气中，其碱金属含量则为上吸式气化炉的20～60倍。显然，采用上吸式气化炉将生物质固体燃料先气化后再进行燃烧，是解决其碱金属所引发系列问题的有效途径。不过，受反应机理的限制，上吸式气化炉也存在气化气热值偏低、焦油和水分含量高等缺点。气化气的热值低会导致燃烧火焰温度低，抗风能力弱，易出现脱火、断火和熄火等现象。火焰温度低会导致气化气中的挥发份燃烧不完全。水分含量高会使得排烟热损失大，且气化气不易着火，燃烧稳定性下降。因此，当采用上吸式气化方式来解决生物质燃气的碱金属难题时，对于因上吸式气化方式自身固有的缺陷所带来的燃烧困难等其他难题，也必须一并解决。

进一步优选，上述蓄热式生物质气化燃烧装置还包括有第三引射器和第四引射器；

所述第三引射器串联连接在所述第一引射器的出口端和所述第一燃烧喷嘴的进口端之间；

所述第四引射器串联连接在所述第二引射器的出口端与所述第二燃烧喷嘴的进口端之间；

所述第三引射器的第一进口端与所述第一引射器的出口端连接，所述第三引射器的第二进口端与所述第一蒸汽阀的出口端连接；

所述第四引射器的第一进口端与所述第二引射器的出口端连接，所述第四引射器的第二进口端与所述第二蒸汽阀的出口端连接。

该优选技术方案直接带来的技术效果是，可以进一步提高燃气的工作压力，从而带来更好地燃烧效果。

本发明的目的之二是，提供一种上述蓄热式生物质气化燃烧装置的生产工艺。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是，蓄热式生物质气化燃烧装置的生产工艺，其特征在于，整个工艺流程包括上、下两段流程；其中：

上段流程为，冷空气依次经鼓风机、四通换向阀、第一蓄热体进入炉膛内作为高温助燃空气；与此同时，第一燃气自动开关阀开启，第二燃气自动开关阀自动关闭；燃气由生物质气化炉产生，并依次经过第一燃气自动开关阀、第一引射器和/或、第三引射器进入第一燃烧喷嘴高速喷入炉膛，在炉膛内与高温助燃空气一起实现蓄热式燃烧；燃烧后产生的烟气离开炉膛后，依次经第二蓄热体、四通换向阀、引风机和烟囱后，最终排入大气；其中：

上述第一引射器内的吸入气流是来自气化炉的气化燃气，而引射介质气流则是经再循环烟气增压风机增压后的再循环烟气气流，两者在第一引射器内混合成为一次增压燃气；

上述第三引射器内的吸入气流是来自的第一引射器的一次增压燃气，而第三引射器的引射气流则是来自锅炉第一蒸汽阀的蒸汽，两者在第三引射器内混合成为二次增压燃气；

下段流程为，冷空气依次经鼓风机、四通换向阀、第二蓄热体进入炉膛内作为高温助燃空气；

与此同时，第二燃气自动开关阀开启，第一燃气自动开关阀自动关闭；燃气由生物质气化炉产生，并依次经过第二燃气自动开关阀、第二引射器、和/或第四引射器进入燃烧嘴高速喷入炉膛，与高温助燃空气一起实现蓄热式燃烧；燃烧后产生的烟气离开炉膛后，依次经第一蓄热体、四通换向阀、引风机和烟囱后，最终排入大气；其中：

上述第二引射器内的吸入气流是来自气化炉的气化燃气，而引射介质气流则是经再循环烟气增压风机增压后的再循环烟气气流，两者在引射器内混合成为一次增压燃气；

上述第四引射器内的吸入气流是来自的第二引射器的一次增压燃气，而第四引射器的引射气流则是来自锅炉蒸汽第二蒸汽阀的蒸汽，两者在第四引射器内混合成为二次增压燃气。

上述技术方案直接带来的技术效果是：

(1)利用上吸式生物质气化炉将固体生物质燃料转化为低热值的常压燃气，同时，燃气在离开上吸式气化炉的过程中，依次经过生物质原料的还原区、干馏区和干燥区，其温度逐渐降低至300℃以下，绝大部分已经挥发到燃气中的碱金属、卤化物等将因发生冷凝而逐渐被滤除；

(2)利用带压蒸汽、经风机升压的再循环烟气或空气，或上述几种气体的混合物，将上吸式气化炉产生的常压燃气通过引射的方式变为高压/高速射流，喷入到蓄热燃烧器内，并和经蓄热体预热的高温空气一起实现高温、低氧、低NO_x、清洁、彻底的燃烧。因为高速燃气射流的卷吸作用以及大量水蒸汽的存在，使得燃烧过程中能够大幅度抑制氮氧化物和炭黑粒子的形成；

(3)燃烧后的高温烟气先后在炉膛和蓄热体内放热后，再经四通阀、引风机引入到余热回收器进一步放热，最后排入烟囱。

综上所述，在本发明通过引入引射器装置，实现了对常压燃气的增压。对于引射器的具体结构型式，一般采用单喷嘴，也可以视情况需要采用多喷嘴，以便于提高其引射系数。作为引射用介质的引射气体可以是来自锅炉自产的带压蒸汽、也可以是经风机增压的再循环烟气或空气，或上述几种气体的混合物。视情况需要，当仅使用一种引射气体时，引射器可只布置一级。当同时使用蒸汽和再循环烟气/空气作为引射气体时，则引射器可以布置为两级串联的型式，且引射气流压力大的那级引射器应布置在后。高压高速的引射气流在引射器内将吸入气流(低压燃气)引射成为高压/高速射流，从而能够满足高温低氧蓄热式燃烧方式对于燃烧流场的要求。

本发明充分利用了水蒸汽的这一控制原理：本发明中所用水蒸汽的来源有两个，一是，上吸式气化方式所产燃气中本身所富含的水蒸汽；二是，来自锅炉的作为引射器中的引射气流的带压蒸汽(锅炉蒸汽的用量多少视燃烧过程的具体需要而定)，这两者一起被引入到蓄热式燃烧器内，可以达到如下两个目的：一确保了焦油在高温低氧条件下的的充分燃烧，避免了炭黑粒子的生成；二燃气中富含的水蒸汽在燃烧过程中也被焦油所大量消耗，使排烟中的水蒸汽含量大大降低，从而也大幅减少了锅炉排烟中的蒸汽潜热损失。

在解决了上述两大难题后，本发明提出了一种三单元组合的蓄热式生物质气化燃烧锅炉装置。其中，一单元采用上吸式气化炉装置，二单元采用气体引射器对一单元产生的燃气进行增压，三单元为蓄热式燃烧装置。

本发明的生物质气化燃烧装置相对于传统的生物质气化炉，具备以下有益效果：

本发明通过引入一种引射器装置及其引射方法，不但实现了燃气的增压，而且同时实现了烟气中炭黑粒子和水蒸汽的消除。

本发明充分利用了上吸式气化炉、引射器及蓄热燃烧技术三个组成单元各自本身具有的优点，将其集成为一个有机的整体，形成了一个较为理想的节能、低碳和环保的生物质利用系统。

本发明利用高压气流(带压蒸汽、经风机升压的空气、或再循环烟气)将上吸式生物质气化炉产生常压燃气通过引射的方式变为高压/高速射流，喷入到锅炉的蓄热式烧嘴内进行燃烧。上述工艺路线的选择具有以下优点：

(1)燃料中易挥发的碱金属化合物被最大程度的留在了气化炉内，从而获得了灰含量极低的清洁燃气；

(2)引射燃气中富含的水蒸汽能够大幅度降低高温低氧燃烧过程中炭黑粒子的生成。同时，水蒸汽自身也在燃烧过程中被消耗，从而也降低了排烟中的水蒸气潜热损失；

(3)上述(1)和(2)的联合作用，在最大程度上避免了蓄热体中可能发生的堵灰和侵蚀，保证了蓄热体的长期稳定工作，从而使得蓄热式燃烧真正成为可能；

(4)进入到蓄热式烧嘴的高速燃气射流，确保了燃烧场中局部低氧气氛的形成，从而实现了超低的NOx排放；

(5)蓄热方法获得的高温预热空气确保了超低过量空气系数下低热值燃气的完全燃烧。该装置与常规生物质锅炉相比，不但大幅降低了因碱金属灰沉积导致的换热效率下降和腐蚀，而且锅炉的各项热损失控制到了更低的水平，从而同时实现了更高的锅炉热效率，超低的NO_x排放以及CO₂的零排放。

在此基础上，本发明所采用的上吸式气化炉，可将99％的碱金属等飞灰都保留在了气化炉内，其直接带来以下有益效果：

(1)极大的抑制了燃烧装置下游受热面上的积灰问题，提高了换热装置的换热效率，从而降低了排烟温度及相应的排烟损失；

(2)积灰问题的克服，使陶瓷蓄热体材料不再受堵灰问题所困扰，再加上引射器的使用解决了常压燃气的增压难题，从而使得采用更为节能和环保的蓄热式燃烧成为可能；

(3)大大减轻了因可能发生的积灰而导致的金属材料高温腐蚀问题以及陶瓷蓄热体的侵蚀问题，大幅度延长了换热材料的寿命；

(4)积灰问题的有效解决，也省去了吹灰装置的布置，相应的只需每隔较长的一段时间清洗一下蓄热体即可；

(5)烟气中含尘量极低，无需安装除尘器即可满足烟尘排放要求，从而节省了除尘器的一次性投资及运行费用。

本发明的蓄热燃烧技术，可以保证生物质原料在超低过量空气系数(1.05左右)下的高效燃烧。而超低过量空气系数直接带来的有益效果如下：

(1)排烟量大幅度下降，从而使得排烟损失大大降低；

(2)排烟中的含氧量被控制在极低的水平，这样一方面可以明显抑制换热面上硫酸盐的形成，避免发生难以清除的硬质灰沉积。另一方面，三氧化硫的转化率大大下降，使得酸露点明显下降，大大减轻了低温腐蚀问题，有利于实现更低的排烟温度，从而进一步降低排烟损失；

(3)在超低的过量空气系数条件下，再加上引射器所形成的高压高速燃气的射流卷吸及紊流混合作用，才形成了燃烧场中局部低氧的氛围，从而实现了燃烧过程中超低NO_x排放，也省掉了昂贵的烟气脱硝系统的配置。

(4)蓄热燃烧技术的使用，获得了高达800℃以上预热空气，生物质中富含的大量挥发份实现了彻底的燃尽，大大减轻了化学不完全燃烧损失。

(5)上吸式气化燃气中富含的焦油在燃烧过程中与水蒸汽因发生反应而互相消耗，一方面抑制了炭黑粒子的形成，保证了蓄热体材料的正常工作，另一方面，大幅度降低了排烟中的水蒸汽含量，从而降低了排烟损失。

(6)在相同负荷的前提下，蓄热式锅炉占用的体积比传统的直燃锅炉低得多，而且，上吸式气化炉部分燃气与燃烧部分可以通过管道相连将，在布置上也更为灵活机动。

综上所述，蓄热式气化燃烧锅炉实际运行时的整体热效率比传统的生物质锅炉要高的多。不但更加节能，而且实现了更低的碳排放水平。

本发明的蓄热式生物质气化燃烧装置在高温低氧低NO_x环境下燃烧顺利且充分、燃烧过程积灰量小、腐蚀性小、烟气排放量小。

本发明通过对常压燃气增压，满足了高温低氧蓄热式燃烧方法对于燃烧流场的工艺要求，并避免在蓄热体内产生积灰，从而保证了蓄热式燃烧的稳定运行。

附图说明

图1为本发明蓄热式生物质气化燃烧装置的工作原理示意图；

图2为本发明蓄热式生物质气化燃烧装置的上吸式气化炉结构示意图；

图3为本发明蓄热式生物质气化燃烧装置的引射器结构和工作原理示意图；

图4为本发明的蓄热式生物质气化燃烧装置的结构和上段工艺流程示意图；

图5为本发明的蓄热式生物质气化燃烧装置的结构和下段工艺流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细的说明。

图1为本发明蓄热式生物质气化燃烧装置的工作原理示意图，如图1所示，本发明的蓄热式生物质气化燃烧装置主要包括如下三个组成部分：上吸式气化炉、引射器及蓄热式锅炉。空气和生物质原料在上吸式气化炉内进行气化，生成含尘极低但是富含焦油和水蒸汽的气化燃气，而产生的废弃物通过排灰装置排除。气化燃气通过两级引射器后变为高压高速射流，然后进入到蓄热式锅炉内进行高温低氧的蓄热式燃烧。

图2为本发明蓄热式生物质气化燃烧装置的上吸式气化炉结构示意图；如图2所示，上吸式气化炉包括如下9部分：灰室1、壳体2、炉篦3、氧化层4、还原层5、干馏层6、干燥层7、燃气自动开关阀31、料斗9。燃料自气化炉上方的料斗9加入到气化炉内，随着气化反应的进行，生物质燃料因消耗而逐渐下降。空气或空气与蒸汽混合气则自炉篦3下面通入并逐渐上升，自下而上依次通过氧化层4、还原层5、干馏层6、干燥层7形成气化燃气，最后经燃气自动开关阀31后被吸至炉外。因干馏层产物未经过高温氧化层的分解，故燃气中富含大分子的焦油。生物质燃料中富含的碱金属在氧化层4和还原层5中也因高温而进入到燃气中。燃气在向上流动的过程中，其温度逐渐降低，这些碱金属又再次发生冷凝，最后被干馏层6和干燥层7所过滤而滞留在了气化炉内。此外，燃料燃烧后产生的大部分高沸点灰分落在了炉篦3下面，并没有进入燃气，而少量被燃气所携带的灰分则在流经上面各层时被过滤下来，从而确保了上吸式气化炉所产燃气中灰分的含量极低。相比流化床等型式的气化炉而言，这是上吸式气化炉最大的优势。燃气自动开关阀31在气化炉的左右两侧各有1个(如图4、图5所示，分别为第一燃气自动开关阀31-1，第二燃气自动开关阀31-2)，其某一侧的阀打开时，另一侧的阀则关闭。开启的动力来自于各自下游的引射器所产生的抽吸力和其自身重力的合力的大小。

其下游相应的引射器工作时，则相应侧的开关阀即在下游引射器的抽吸力作用下克服自身重力而打开；其下游相应的引射器不工作时，则相应侧的开关阀失去了引射器抽吸力的作用，在自身重力的作用下而自动关闭。

图3为本发明蓄热式生物质气化燃烧装置的引射器结构和工作原理示意图；如图3所示，引射器包括：进口端、接受室11、喷嘴12、混合室13、扩压室14和出口端。其工作过程中，压力较高的流体为引射气流，以很高的速度从喷嘴流出，进入接受室，在射流的紊动扩散作用下，卷吸周围压力较低的流体。被吸入的压力较低的流体为吸入气流。引射气流与吸入气流在混合室内混合，进行动量交换，在流动过程中速度场分布渐渐均匀，在此期间常常伴随压力的升高。随后，混合流体进入扩压室，压力因流速的降低而升高。在扩压室出口处，混合流体的压力高于进入接受室的吸入气流的压力。

图4为本发明的蓄热式生物质气化燃烧装置的结构和上段工艺流程示意图；图5为本发明的蓄热式生物质气化燃烧装置的结构和下段工艺流程示意图。图4和图5分别示出了整个装置运行时的半个工作周期，两者合起来组成一个完整的工作周期。

如图4、图5所示，蓄热式生物质气化燃烧装置由如下12部分组成：再循环烟气增压风机21，引风机22、四通换向阀23、鼓风机24、炉膛25、蓄热体对26-1和26-2、燃烧嘴对27-1和27-2、第一引射器28-3、第二引射器28-4、第三引射器28-1、第四引射器28-2、蒸汽开关阀对29-1和29-2、生物质气化炉30、第一燃气自动开关阀31-1和第二燃气自动开关阀31-2、烟气三通阀32。

如图4所示，生产工艺的上半工作周期的工艺流程为：冷空气依次经鼓风机24、四通换向阀23、蓄热体26-1进入炉膛25内作为高温助燃空气。与此同时，燃气由生物质气化炉29产生，依次经过第一燃气自动开关阀31-1(此时第二燃气自动开关阀31-2自动关闭)、第一引射器28-3、第三引射器28-1进入燃烧嘴27-1高速喷入炉膛25，与高温助燃空气一起实现蓄热式燃烧。燃烧后产生的烟气离开炉膛25后，依次经蓄热体26-2、四通换向阀23、引风机22和烟囱后，最终排入大气。第一引射器28-3内的吸入气流是来自气化炉29的气化燃气，而引射气流则是经再循环烟气增压风机21增压后的再循环烟气，两者在第一引射器28-3内混合成为一次增压燃气。第三引射器28-1内的吸入气流是来自的第一引射器28-3的一次增压燃气，而引射气流则是来自锅炉蒸汽，两者在第三引射器28-1内混合成为二次增压燃气。

如图5所示，生产工艺的下半工作周期的工艺流程为：冷空气依次经鼓风机24、四通换向阀23、蓄热体26-2进入炉膛25内作为高温助燃空气。与此同时，燃气由生物质气化炉29产生，依次经过第二燃气自动开关阀31-2(此时第一燃气自动开关阀31-1自动关闭)、第二引射器28-4、第四引射器28-2进入燃烧嘴27-2高速喷入炉膛25，与高温助燃空气一起实现蓄热式燃烧。燃烧后产生的烟气离开炉膛25后，依次经蓄热体26-1、四通换向阀23、引风机22和烟囱后，最终排入大气。第二引射器28-4内的吸入气流是来自气化炉29的气化燃气，而引射气流则是经再循环烟气增压风机21增压后的再循环烟气，两者在第二引射器28-4内混合成为一次增压燃气。第四引射器28-2内的吸入气流是来自的第二引射器28-4的一次增压燃气，而引射气流则是来自锅炉蒸汽，两者在第四引射器28-2内混合成为二次增压燃气。

此外，对于图4、图5中所示的两两成对设置的四个引射器，视具体生产过程中对于燃气所需引射流强弱的需要，既可以仅仅只设置第三引射器28-1和第四引射器28-2，或者仅仅只设置第一引射器28-3和第二引射器28-4；

也可以同时设置第一引射器28-3、第二引射器28-4、第三引射器28-1和第四引射器28-2共四个引射器。

即，具体生产过程中，对于燃气引射用的媒介，可以仅仅使用再循环烟气或蒸汽作为引射用媒介；也可以同时使用再循环烟气和蒸汽作为引射用媒介(反之亦然)。

生物质燃料经料斗进入上吸式气化炉后变为富含焦油的低热值可燃气体。特别是该过程中借助上吸式气化炉独特的气化方式，使得可燃气体在依次流经燃料中的干馏层和干燥层时温度逐渐降低，碱金属及其他飞灰被冷凝和过滤下来，因而在燃气中的含量极低。此外，相比其他型式的气化炉而言，上吸式气化炉内生物质中的水份被最大程度地直接蒸发为水蒸汽，在下游的蓄热式燃烧过程中能够有效地的抑制燃气中的高焦油含量所引发的燃烧不完全问题。

所得可燃气体经引射器增压后成为高压燃气，高压燃气通过烧嘴后成为高速燃气射流喷射进入炉膛。在很低的过量空气系数下，燃气与高温的预热空气一起进行高温低氧无焰燃烧。该燃烧过程中，超低的过量空气系数加上高速喷射的燃气对周围已燃尽烟气的射流卷吸及混合稀释作用，使得燃气周围形成了局部低氧的气氛，从而大幅度的降低了NO_x的生成。生物质燃气中富含的水蒸汽则在最大程度上抑制了燃气中高C/H比的焦油在燃烧过程中生成炭黑粒子的可能性，并同时大量消耗了烟气中的水蒸汽，最终大幅度降低了排烟中的水蒸汽潜热损失。燃烧后产生的1000℃以上的高温烟气经蓄热体放热降温至150℃以下后再依次经四通阀排入烟囱。

Claims (3)

1.一种蓄热式生物质气化燃烧装置，包括上吸式气化炉和蓄热式锅炉系统，其中，上吸式气化炉用于将生物质原料气化成燃气；其特征在于，还包括有燃气增压装置；

所述燃气增压装置包括成对设置的引射器；

所述引射器以所述蓄热式锅炉系统产生的蒸汽或者再循环烟气为介质，对所述上吸式气化炉产生的燃气进行引射，以形成高压/高速燃气射流，经燃烧喷嘴喷入到所述蓄热式锅炉系统进行燃烧；

所述蓄热式锅炉系统除提供所述引射器所需蒸汽外，还对外供送热水或者蒸汽。

2.根据权利要求1所述的蓄热式生物质气化燃烧装置，其特征在于，所述上吸式气化炉自下而上依次包括有灰室、壳体、炉篦、氧化层、还原层、干馏层、干燥层、燃气自动开关阀以及设置在气化炉上方的料斗；

所述引射器以并联方式成对设置，每个引射器均包括有进口端、接受室、喷嘴、混合室、扩压室和出口端；

所述蓄热式锅炉系统包括再循环烟气增压风机、引风机、四通换向阀、鼓风机、炉膛、第一蓄热体、第二蓄热体、第一燃烧嘴、第二燃烧嘴、第一引射器、第二引射器、上吸式生物质气化炉、第一蒸汽开关阀、第二蒸汽开关阀、第一燃气自动开关阀、第二燃气自动开关阀、烟气三通阀；

连接管路分为若干管段，共同将所述引射器、蓄热式锅炉与所述上吸式气化炉连接成一循环系统；

所述循环系统按工艺划分为左右并联且轮流开启/关闭工作的两条支路，所述左、右支路均分别分成上下两段，其中，左支路上段从所述烟气三通阀的左出口端引出，依次连接第一引射器的第二进口、第一引射器的出口端、第一燃烧嘴的进口端，所述左支路上段的末端为所述第一燃烧嘴的出口端；

所述左支路的下段从所述鼓风机的出风口引出，依次连接四通换向阀、第一蓄热体的进口端；所述左支路下段的末端为所述第一蓄热体的出口端；

所述左支路下段的末端与所述左支路的上段的末端汇集，从所述炉膛的入口端进入炉膛内；

所述炉膛的出口端依次连接有第二蓄热体、四通换向阀、引风机和烟囱；

所述右支路分成上下两段，其中，右支路上段从所述烟气三通阀的右出口端引出，依次连接第二引射器的第二进口、第二引射器的出口端、第二燃烧嘴的进口端；所述右支路上段的末端为所述第二燃烧嘴的出口端；

所述右支路的下段的起始端与所述右支路的上段的末端汇集，并从所述炉膛的出口端引出，依次连接第二蓄热体、四通换向阀、引风机和烟囱；

所述四通换向阀与引风机的连接管路上还有一条支管引出，该支管与所述再循环烟气增压风机的进口端连接，所述再循环烟气增压风机的出口端通过管路与所述烟气三通阀进口端连接；

所述烟气三通阀的左出口端与所述第一引射器的第二进口端连接；

所述烟气三通阀的右出口端与所述第二引射器的第二进口端连接；

所述生物质气化炉设置有左右两个燃气出口，其中左侧燃气出口与所述第一引射器的第一进口端连接，右侧燃气出口与所述第二引射器的第一进口端连接；

所述蓄热式锅炉设置有蒸汽输出主管，所述蒸汽输出主管左右两侧分别连接有左右两根蒸汽输出支管；所述左侧蒸汽输出支管与所述第一蒸汽阀的进口端连接，所述右侧蒸汽输出支管与所述第二蒸汽阀的进口端连接。

3.根据权利要求2所述的蓄热式生物质气化燃烧装置，其特征在于，还包括有第三引射器和第四引射器；

所述第三引射器串联连接在所述第一引射器的出口端和所述第一燃烧喷嘴的进口端之间；

所述第四引射器串联连接在所述第二引射器的出口端与所述第二燃烧喷嘴的进口端之间；

所述第三引射器的第一进口端与所述第一引射器的出口端连接，所述第三引射器的第二进口端与所述第一蒸汽阀的出口端连接；

所述第四引射器的第一进口端与所述第二引射器的出口端连接，所述第四引射器的第二进口端与所述第二蒸汽阀的出口端连接。