CN104613465A - 一种混燃型生物质燃料锅炉 - Google Patents

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胡洪
叶勇
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本发明公开了一种应用生物质燃气和生物质燃料的混燃型生物质燃料锅炉。该锅炉包括炉膛、辐射换热室、燃烧室,及出渣装置。炉膛内送入的生物质燃气是属于清洁能源型燃料。辐射换热室与燃烧室之间设置有缩腰结构,使得炉膛结构形成半开式炉膛。缩腰结构包括前水冷壁折焰角和后水冷壁折焰角。燃烧室前侧设置有进料装置。进料装置包括落料管、一次风喷口和喷播调节板。燃烧室后侧设置有二次风气流。二次风气流和L型燃烧蓄热炉产生的烟气流在前水冷壁折焰角和后水冷壁折焰角对导向作用下使炉膛内烟气向上呈S型流动轨迹。本发明具有适用于生物质燃气和生物质燃料充分燃烧,及能够解决燃烧生物质产生的炉膛受热面结焦和对流受热面积灰问题的效果。

Description

一种混燃型生物质燃料锅炉
技术领域
[0001] 本发明属于锅炉领域,特别涉及一种应用生物质燃气和生物质燃料的混燃型生物质燃料锅炉。
背景技术
[0002]因为天然气、燃料油、燃煤等化石燃料被大量使用,造成了整个大气的CO2水平提高,因此引发的温室效应,使得全球气候持续温暖,也使得生态与环境产生了不可逆转的恶化,造成整个大气和环境污染严重。譬如雾霾、酸雨、粉尘微粒等现象,其主要根源于工农业生产、开发过程中,产生的二氧化硫、氮氧化物、粉尘微粒对大气和环境的无序排放。
[0003]另外,中国的可再生生物质能源非常丰富,大量的农林废弃物、秸杆因为相应的燃烧技术和流通渠道原因,还未能被充分利用。目前,我国能源、环保管理部门并未明确认可生物质燃料属于清洁能源范畴,作为燃料只能是有条件地使用。如果这类生物质能源得到大规模普及应用,将有助于改善生态环境和减排C02、SO2, NOx,同时也将成为未来替代能源的重要组成部分。
[0004] 将生物质燃料应用于清洁能源上是一项重大技术进步,主要是利用秸杆、薪材、稻壳、花生壳、树皮、锯木肩等农林废弃作物,经粉碎、烘干、混合、挤压等工艺,制成燃料供给生物质燃料锅炉。燃烧生物质燃料的锅炉有效提高了生物质资源的利用率,能实现环保和高效利用的优点。
[0005]因为植物在生长过程中会富集某些金属元素,尤其是在草本植物的全株和木本植物的果实、枝叶、树皮等部位容易沉积痕量金属元素。如果对这些生物质燃料采用直接燃烧的工艺,其中的钾、钠、钙、镁、铝、硅、铁等元素对燃料灰渣特性的影响(主要是碱土金属产生的影响)就会显现出来。直燃生物质燃料会引起炉膛结焦、受热面积灰、加剧受热面磨损、对金属壁面形成腐蚀等问题,对锅炉运行安全性造成影响。为了解决直燃生物质燃料带来的难题,通常采用降低炉内燃烧负荷、加大炉内过量空气系数等工艺。虽然采用这种操作工艺可以起到降低燃烧室烟气温度、缓解炉膛结焦和受热面积灰现象的作用,但是会直接影响到锅炉蒸汽产量和燃烧效率,对锅炉运行经济性是明显不利的,同时也不能够彻底解决直燃生物质产生的锅炉运行安全性问题。
[0006] 对于生物质燃料燃烧时,必须要兼顾到锅炉运行的安全性和经济性。采用混烧或纯烧生物质燃气的锅炉炉型和生产工艺,无疑是又开辟了一条新的途径。若是既能够燃烧生物质燃料,又能燃烧生物质燃气的混燃型生物质燃料的锅炉,则越来越有其商业应用价值。
[0007] 在现有类似技术中,有采用生物质燃料混合不同种类燃料使用的蒸汽锅炉报道;
[0008] 中国实用新型专利名称为:一种天然气与生物质燃料两用的小型蒸汽锅炉结构,申请号为:201320535317.6,公开了一种可适用于天然气和生物质燃料两种燃料的锅炉。该实用新型采用卧式、折角双炉膛结构,但是在燃天然气炉膛和燃烧生物质燃料炉膛内均未布置辐射受热面。而固体燃料燃烧的发光火焰与天然气燃烧的不发光火焰在热辐射特性上有较大区别,设计者在锅炉辐射受热面的结构布置时,必须要考虑和体现这种区别。另夕卜,在生物质燃料直燃过程中,结焦、积灰问题是普遍存在的。该实用新型公开的内容中仅是提出天然气和生物质燃料混燃的工艺,没有给出直燃生物质燃料或天然气和生物质混燃工况下的受热面结构设计导则和解决结焦积灰的技术措施。
[0009] 中国申请公开的发明名称为:锅炉,国内申请号:96196429.4,公开号:CN1194028A,国际申请号:PCT/DE96/1049096.8.8,国际公布号:W097/08492 德 97.3.6。据该专利说明书公开的锅炉采用双燃烧室结构,第一级燃烧室以煤为燃料,采用半气化工艺制造燃气,部分未燃烧的燃气作为工作介质进入第二级燃烧室内,继续与生物质燃料以及无烟煤混合燃烧。该专利说明书也坦承;设计考虑采用2.5倍过量空气系数的配风方式来降低烟气温度,将炉膛出口烟温控制在<1050°C。这种设计结构虽然对炉膛结焦问题有所缓解,但是直燃生物质燃料产生的碱土金属高温腐蚀问题还是存在。通过锅炉热力计算可知,过量空气系数超过1.35以上,锅炉排烟热损失将随之逐步增加。掺烧无烟煤虽然可以降低燃料成本,但要将燃煤产生的污染物环保达标排放,反过来还将使得锅炉结构复杂化、环保治理成本的增加。
[0010] 中国申请公开的发明名称为:气固双燃环保工业锅炉,申请号:201310171387.2,申请公布号:CN 103292307A。该锅炉本体采用膜式壁立式结构,整体外形呈Π型布置。煤、生物质等固体燃料采用旋流燃烧器,天然气、液化气采用气体燃烧器,两种燃烧器之间固定有隔板以维持炉内燃烧工况正常。从燃烧理论上分析:固体、气体两种燃料的燃烧反应级数、火焰传播速度、火焰发光特性完全不同,采用双炉膛结构或分区段燃烧更符合燃烧动力学的规律,仅靠一层隔板较难解决气体燃料和固体燃料混合燃烧工况下产生的问题。另外,选用旋流燃烧器燃烧生物质,必须对生物质的水分和颗粒度进行预处理,否则采用采层燃方式更合适。按照该发明给出的炉膛结构和燃烧器配置,实现锅炉污染物低浓度排放的难度较大,气固双燃工况下的锅炉效率将会降低。
[0011] 在中国申请公开的发明名称为:生物质燃料锅炉,申请号:200710049037.3,申请公布号:CN 101105336A。,发明资料介绍;该锅炉是在燃煤锅炉基础上该进设计的,采用风机集中供风系统、分散布置一二次风喷口的配风方式,在给料管内和给料口下方设置有送风喷嘴,以保证均匀抛送燃料及料仓安全。炉膛燃烧区横截面大于燃烬区横截面,以悬浮燃烧为主、层燃为辅的燃烧方式。从图纸和设计参数上看,双炉膛结构或分区段燃烧的特性体现不够充分,要做到生物质燃料的稳定燃烧和提高燃烬度应该还存在难度。想达到燃烬生物质燃料中的固定碳,炉内燃烧温度水平须要>900°C,而生物质燃料中的碱土金属〈700°C就已产生气化升华,此时烟气中富含的气相碱金属微粒,将是烟气降温时形成烟尘颗粒的核心同时也会对金属壁面生产高温腐蚀。
发明内容
[0012] 鉴于上述问题,本发明的目的在于提供一种适用于生物质燃气和生物质燃料充分燃烧,及能够解决燃烧生物质产生的炉膛受热面结焦和对流受热面积灰问题的混燃型生物质燃料锅炉。
[0013] 为实现上述目的,本发明提供的一种混燃型生物质燃料锅炉,其中,包括炉膛、在炉膛上部设有辐射换热室、在炉膛下部设有燃烧室,及燃烧室底部设有出渣装置。炉膛内送入的生物质燃气是属于清洁能源型燃料。生物质燃气是采用送入含氧量极少的高温烟气对生物质燃料直接加热进行热解气化得到的,高温烟气温度为f 550°C。辐射换热室与燃烧室之间设置有缩腰结构,使得炉膛结构形成半开式炉膛。缩腰结构包括在辐射换热室与燃烧室之间设有的前水冷壁折焰角和后水冷壁折焰角。前水冷壁折焰角深入炉膛较大,水冷壁折焰角深入炉膛较小。前水冷壁折焰角深入炉膛内25-35%,后水冷壁折焰角深入炉膛内5-10%,前水冷壁折焰角标高比后水冷壁折焰角标高高。缩腰结构内采用的烟气流速>10m/so燃烧室前侧设置有进料装置。进料装置包括落料管、一次风喷口和喷播调节板。燃烧室后侧设置有多组二次风气流。燃烧室两侧的前水冷壁折焰角和后水冷壁折焰角标高区域设置有烟气接入口,烟气接入口与L型燃烧蓄热炉连接。二次风气流和L型燃烧蓄热炉产生的烟气流在前水冷壁折焰角和后水冷壁折焰角对导向作用下使炉膛内烟气向上呈S型流动轨迹。
[0014] 在生物质燃气制取工艺时送入含氧量极少的高温烟气直接加热生物质燃料,且对其进行热解气化,整个热解气化过程中不伴随产生氧化燃烧反应,控制热解气化反应温度^ 550°C。因此,生物质燃料中的草本植物或木本植物的果实、表皮和枝叶富含的碱土金属元素不会产生升华而留在生物质炭渣中。按此工艺获得洁净的生物质燃气送入L型燃烧蓄热炉内进行燃烧,产生的热烟气再送入炉膛内继续换热。
[0015] 炉膛采用带有缩腰的半开式结构。二次风气流和L型燃烧蓄热炉产生的烟气流在前水冷壁折焰角和后水冷壁折焰角的导向作用下,使炉膛内烟气向上呈S型流动轨迹,从而延长了烟气停留时间、提高了炉膛内烟气充满度、增强了炉膛内烟气混合和扰动。使得锅炉整体高度和钢耗量能够控制在合理范围,使设备投资成本降低。
[0016] 对于生物质燃料燃烧过程中常见的结焦、积灰、碱金属腐蚀问题,处理的技术手段是采用通过L型燃烧蓄热炉向炉膛内送入的生物质燃气和从落料管输送入炉膛内的生物质燃料混燃或单独燃烧生物质燃气的新工艺。生物质燃气与生物质燃料混燃的比例为0% -100%,随着燃烧生物质燃气的比例加大,锅炉受热面的结焦、积灰、碱金属腐蚀会随之减轻,最终可彻底解决结焦、积灰、碱金属腐蚀的问题。使锅炉技术性能达到较高安全性和经济性的要求。
[0017] 在一些实施方式,燃烧室前侧上设置有的渣井。由此,利用过热蒸汽将大颗粒的灰渣吹入渣井。
[0018] 在一些实施方式,出渣装置包括在燃烧室底部设有的水冷炉排,及水冷炉排下设有的冷灰斗。
[0019] 在一些实施方式,水冷炉排包括炉排片和水冷壁管排。渣井旁边设置有下集箱,所述的水冷壁管排由下集箱引出。由此,小颗粒的灰渣可经水冷炉排落下冷灰斗排出。
[0020] 本发明的有益效果是具有适用于生物质燃气和生物质燃料充分燃烧,及能够解决炉膛受热面结焦和对流受热面积灰问题的效果。由于,生物质燃料锅炉和生物质燃料的燃烧技术为契机,推广生物质燃料高效、经济、安全地使用,促进可再生的生物质早日纳入清洁能源范畴。通过这些新技术的应用,尽可能地减少对化石燃料的依赖程度。使生物质燃料成为未来替代能源的重要组成部分。提供一种混燃型生物质燃料锅炉(生物质燃料+生物质燃气),其基本炉型结构为立式水管锅炉,使炉膛和燃烧室结构等设计参数尽量符合生物质燃料(特别是富含碱土金属的草本植物和木本植物的果实枝叶)的燃烧特性、焦渣特性。另外,生物质燃气也属于低热值燃气,为使低热值燃气在炉膛内正常燃烧,通常需要在炉膛内设置足够数量的卫燃带和蓄热稳燃体,因此燃烧低热值燃气锅炉的设计难度和设备投资成本较大。采用两侧墙布置燃烧蓄热炉方案是较佳选择,L型燃烧蓄热炉具有蓄热能力强、容易维持炉温、易于布置高速旋流二次风的特点,使进入燃烧蓄热炉内的生物质燃气保持稳定的着火燃烧工况,有效地解决了生物质燃气火焰扩散传播速度慢、燃烧温度低的难题。
附图说明
[0021] 图1本发明的内部结构示意图;
[0022] 图2为图1俯视的内部结构示意图。
具体实施方式
[0023] 下面结合附图对发明作进一步详细的说明。
[0024] 如图1-2所示,一种混燃型生物质燃料锅炉,包括炉膛01、在炉膛01上部设有辐射换热室02、在炉膛01下部设有燃烧室03,及燃烧室03底部设有出渣装置04。炉膛01内送入的生物质燃气是属于清洁能源型燃料。上述主要是应用的双炉膛01结构使用这个生物质燃料。生物质燃气是采用送入含氧量极少的高温烟气对生物质燃料直接加热进行热解气化得到的,高温烟气温度为f 550°C。由于燃用的生物质燃气是属于清洁能源型燃料。采用送入含氧量极少的高温烟气(5 550°C )直接加热生物质燃料进行热解气化的生产工艺,整个热解过程不伴随产生氧化燃烧反应和碱土金属升华现象。辐射换热室02与燃烧室03之间设置有缩腰结构,使得炉膛01结构形成半开式炉膛01。缩腰结构包括在辐射换热室02与燃烧室03之间设有的前水冷壁折焰角11和后水冷壁折焰角12。前水冷壁折焰角11深入炉膛01较大,水冷壁折焰角深入炉膛01较小。前水冷壁折焰角11深入炉膛01内25-35%,后水冷壁折焰角12深入炉膛01内5-10%,前水冷壁折焰角11标高比后水冷壁折焰角12标高高。缩腰结构内采用的烟气流速>10m/s。燃烧室03前侧设置有进料装置05。进料装置05包括落料管51、一次风喷口 52和喷播调节板53。燃烧室03后侧设置有多组二次风气流31。燃烧室03两侧的前水冷壁折焰角11和后水冷壁折焰角12标高区域设置有烟气接入口 54,烟气接入口 54与L型燃烧蓄热炉55连接。L型燃烧蓄热炉55布置在锅炉两侧墙外,在两侧墙折焰角标高附近、采用水平交错型式布置了烟气接入口 54。在燃烧蓄热炉的主燃烧区段,切向布置了两排高速二次风喷嘴,其喷口的风速40-50m/s,使蓄热燃烧炉内烟气沿着螺旋线轨迹旋转贴近壁面向前流动并旋转两圈以上(540° -720° )。烟气在折焰角标高附近转为水平方向流动,然后进入炉膛01内。在蓄热炉转角处设置了放灰孔,烟气转向水平流动时利用惯性分离出灰粒并从放灰孔排出。二次风气流31和L型燃烧蓄热炉55产生的烟气流在前水冷壁折焰角11和后水冷壁折焰角12对导向作用下使炉膛01内烟气向上呈S型流动轨迹。对于燃烧室03后侧设置有多组二次风气流31,每组可以设置7-8个喷嘴,并根据锅炉大小进行多个设置。上述的L型燃烧蓄热炉55的作用是生物质燃气燃烧成的烟气送入炉膛01内进行换热,在燃烧过程中利用炉墙的胶柱料吸热性能储存热量。燃烧室03前侧上设置有的渣井32。利用过热蒸汽将大颗粒的灰渣吹入渣井32。出渣装置04包括在燃烧室03底部设有水冷炉排41,及水冷炉排41下设有的冷灰斗42。水冷炉排41包括炉排片和水冷壁管排43。渣井32旁边设置有下集箱44,所述的水冷壁管排43由下集箱引出。燃烧室03前侧设置有进料装置05。进料装置05包括落料管51、一次风喷口 52和喷播调节板53。为提高炉底水冷壁管的水循环安全性,这部分水冷壁管选取5°〜7°的上升角进行布置,炉底水冷壁管排43对布置在其上面的固定炉排片可以起到支承和冷却保护作用。为保证炉排面上生物质燃料形成半悬浮燃烧工况,选用炉排片通风孔的风速为10-25m/s)、炉排面主燃烧区域的风速为(1.5-2.5m/s),炉排面积比〈0.3〜0.4(即炉排有效燃烧面积与锅炉蒸汽负荷之比)。对生物质燃料燃烧过程中产生的灰渣,采用定期喷射过热蒸汽的方式由炉后向炉前吹扫,灰渣落入带水封结构的渣井32之中。
[0025] 以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明创造构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种混燃型生物质燃料锅炉,其特征在于,包括炉膛、在炉膛上部设有辐射换热室、在炉膛下部设有燃烧室,及燃烧室底部设有出渣装置; 所述的炉膛内送入的生物质燃气是属于清洁能源型燃料; 所述的生物质燃气是采用送入含氧量极少的高温烟气对生物质燃料直接加热进行热解气化得到的;所述的高温烟气温度为5 5500C ; 所述的辐射换热室与燃烧室之间设置有缩腰结构,使得炉膛结构形成半开式炉膛; 所述的缩腰结构包括在辐射换热室与燃烧室之间设有的前水冷壁折焰角和后水冷壁折焰角; 所述的前水冷壁折焰角深入炉膛较大;所述的后水冷壁折焰角深入炉膛较小; 所述的前水冷壁折焰角深入炉膛内25-35% ; 所述的后水冷壁折焰角深入炉膛内5-10% ; 所述的前水冷壁折焰角标高比后水冷壁折焰角标高高; 所述缩腰结构内采用的烟气流速>10m/s ; 所述的燃烧室前侧设置有进料装置; 所述的进料装置包括落料管、一次风喷口和喷播调节板; 所述的燃烧室后侧设置有多组二次风气流; 所述燃烧室两侧的前水冷壁折焰角和后水冷壁折焰角标高区域设置有烟气接入口 ;所述的烟气接入口与L型燃烧蓄热炉连接; 所述的二次风气流和L型燃烧蓄热炉产生的烟气流在前水冷壁折焰角和后水冷壁折焰角对导向作用下使炉膛内烟气向上呈S型流动轨迹。
2.根据权利要求1所述的一种混燃型生物质燃料锅炉,其特征在于,所述的燃烧室前侧上设置有的渣井。
3.根据权利要求2所述的一种混燃型生物质燃料锅炉,其特征在于,所述的出渣装置包括在燃烧室底部设有的水冷炉排,及水冷炉排下设有的冷灰斗。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种混燃型生物质燃料锅炉,其特征在于,所述的水冷炉排包括炉排片和水冷壁管排; 所述的渣井旁边设置有下集箱,所述的水冷壁管排由下集箱引出。
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