CN104713078A - 气固两相分离再耦合式生物质清洁燃烧装置及燃烧方法 - Google Patents

Abstract

一种气固两相分离再耦合式生物质清洁燃烧装置，包括螺旋进料系统、链条炉排、固相燃烧室、还原反应室、气相燃烧室、固相燃烧供风系统、气相燃烧一二次供风系统和长方体炉膛。螺旋进料系统包括敞口料斗、驱动电机、带螺旋翅片的进料轴和螺旋管。所述装置具有独立的还原反应室、固相燃烧室和气相燃烧室。所述气固两相分离再耦合式生物质清洁燃烧装置的燃烧方法是：生物质先自供热分解为气固两相。固相燃烧后的烟气先经过除尘，然后和热解出的气相进行还原反应，降低NOx。再进行一、二次燃烧，控制NOx产生并使得燃烧完全。

Description

气固两相分离再耦合式生物质清洁燃烧装置及燃烧方法

技术领域

本发明涉及新能源洁净燃烧技术领域中的一种气固两相分离再耦合式生物质清洁燃烧装置及其燃烧方法。

背景技术

2007年《中国能源发展报告》指出，中国生物质能的开发利用程度仅为1%，而且绝大多数被直接燃烧利用。与此同时，大面积的秸秆露天焚烧常常导致烟雾产生，造成严重的大气污染和气候变化。目前生物质液化和气化技术还不能实现完全的市场化运行，而且限于复杂的技术条件，只适合在工厂内进行大规模的转化利用，无法适应目前中国生物质能源分散面广、收集成本高等现状。发展结构简单，易操作，且能清洁燃烧的小型装置和探索生物质清洁燃烧方法，是解决目前中国生物质能利用难推广现状的途径之一。

现有的生物质燃料锅炉大部分是由燃煤锅炉改造而来，生物质和煤炭的组成不同，如生物质挥发份是煤炭的5倍以上，而固定碳却只是煤炭的1/4左右，因此生物质和煤炭的燃烧过程存在较大的差异。目前大部分生物质锅炉的助燃空气从炉排底部进入炉膛，受炉排上的燃料、灰渣等影响，炉膛内空气分布不均，生物质燃料的挥发分往往没有完全燃烧就被排出。而且炉排下送风吹起的部分颗粒会随烟气排出，污染周围环境。另外传统机械炉排炉采用上点火下供风的方式，助燃空气从燃料内部通过，高温导致产生较高的NOx，上侧无还原性气体，NOx就直接排入大气，容易造成酸性气体污染。

中国专利申请号为201010242055的发明专利公布了一种双筒燃烧气化制合成气的方法与装置，该装置利用布置在中心位置的燃烧筒加热包在燃烧筒外围的气化筒，通过燃烧炉炉壁导热，热解气化筒中的物料。其特点包括（1）通过同一个转盘为燃烧炉和气化炉供料，并且可以通过调节转盘转速，调整分配在燃烧筒和气化筒内的供料量；（2）气化炉围在燃烧炉外围，燃烧炉可以直接通过炉壁为气化过程供热；（3）燃烧炉和气化炉都采用旋风分离器分离气相中的颗粒物，并回流至气化炉进行补充反应。但该设计也存在以下不足：（1）依然采用传统的燃烧一部分物料为另一部分物料供热，热解制气的技术方案，没有很好的利用挥发分可直接制成合成气，而固相相比经过复杂反应后制成合成气，更有利于稳定燃烧供热的特点；（2）没有对气相炉内的物料气化后的固体剩余物的处理方法进行论述，如果进行连续生产，需要进行进一步的设计；（3）整体布置分散，必然会造成热量散失量大，不利于节约能源；（4）组成装置的部件多，成本高，不利于小型化和在普通用户间推广。中国专利申请号为201310381626.7发明专利公布了一种燃煤解耦燃烧装置及燃烧方法，本装置增设了一个为热解区直接供风的第一炉排，采用分区供风和热解的方式实现了燃煤的解耦燃烧。提高了燃煤的燃烧效率，减少了有害漏风量，提高了燃烧温度，但与传统的层燃炉相比并没有实质上的改进，解耦燃烧的有益效果也没有有效体现，不能实现清洁燃烧。中国专利申请号201110175439.4的发明专利公布了一种煤粉解耦燃烧器及其解耦燃烧方法，其通过惯性分流的方式，实现了不同浓度配比的煤粉和空气混合物的分离，和不同空燃比的可控性，不同的空燃比的混配可以减少NOx的产生。并且该装置有效利用了回流烟气的热量，保证了燃烧区较高的温度水平，为解耦燃烧提供合适的环境。该发明专利可以实现低NOx，低CO排放，对不同的煤种也可进行针对性的调整，比较适宜工业化推广。但因其内部存在较强的气流和剧烈的燃烧过程，不适合民用推广。中国专利申请号为201110322136.0的发明专利公布了一种预燃式机械炉排解耦燃烧炉及其燃烧方法，该发明专利采用炉膛内加中隔墙和阶梯活动炉排的方式，在炉膛内隔出一个预燃室，燃料在预燃室内先进行热解气化，然后再部分燃烧，预燃室内由于低氧环境，抑制了NOx的产生。由于后端主炉排的相对面积较大，虽然采用了局部缺氧的方式对NOx进行控制，但很难保证前期的有益效果不被主炉排上的燃烧所抵消，而且也没有对产生的颗粒物进行抑制措施，并不是完全意义上的清洁燃烧。

发明内容

针对生物质洁净燃烧技术和小型化装置推广的需要，本发明提供一种气固两相分离再耦合式生物质清洁燃烧装置及其燃烧方法，将生物质热解分离为气固两相，固相直接进行层状燃烧，气相和固相燃烧后脱除大部分颗粒物的烟气进行还原反应，降低NOx含量后再经过一二次燃烧排出。本发明可有效控制NOx的产生和颗粒物的排出，并且气固两相燃烧可独立布风，互不干扰，使供风量和燃烧场布置更加合理，更容易实现清洁燃烧。同时避免了传统链条炉完全由链条底部供风进入燃烧室，造成部分颗粒物和NOx直接排出带来的大气污染。

一种气固两相分离再耦合式生物质清洁燃烧装置，其特征是它包括长方体炉膛以及在炉膛中自下而上依次设置有：链条炉排，位于链条炉排上方的固相燃烧室，位于固相燃烧室上方的还原反应室，位于还原反应室上方的气相燃烧室；还有与固相燃烧室连通的固相燃烧供风系统，与气相燃烧室连通的气相燃烧一二次供风系统；还设置有螺旋输送机，螺旋输送机包括圆筒式螺旋管和设置于螺旋管中的螺旋轴，驱动螺旋轴的驱动电机，与螺旋管进料端连通的敞口料斗；螺旋管前部伸入到炉膛中且固定在还原反应室和固相燃烧室之间，螺旋管出料端上扬，与水平方向有5°-15°夹角；在螺旋管上靠近出料端设置有气相出口和固相出口，气相出口位于固相出口和敞口料斗之间；气相出口和固相出口的之间有1-2倍螺旋管外径长度的间距。

还原反应室呈倒四面锥形漏斗状，还原反应室的下口与螺旋管上的气相出口吻合连接，锥形漏斗上口的左右两边与左、右炉膛壁固定连接（定义进料的敞口料斗一侧为左侧，下同），前后两边和前、后炉膛壁之间留有供固相燃烧烟气上升的间隙，并在前后两边的顶部设置两块与前、后炉膛壁平行的竖直板，竖直板与前后炉膛壁之间设置折流肋板；左右炉膛壁上设置一次旋流进风管和二次旋流进风管，并分别加设流量调节阀；在前后炉膛壁上连接下倾的长方形回烟挑板，回烟挑板经过竖直板的上方自然延伸到还原反应室中，回烟挑板左右两边分别延伸至左右炉膛壁；所述四面锥形漏斗、竖直板、左、右炉膛壁和回烟挑板围成还原反应室，其与下侧的固相燃烧室被螺旋管隔开，形成独立的还原反应室和固相燃烧室，还原反应室上部和气相燃烧室相通。

本方案的具体特点还有，在螺旋进料机的螺旋管顶部设置有气相出口，底部设置有固相出口。

螺旋管出料端固定在右炉膛壁上；在距离右炉膛壁2.5d-3.0d的螺旋管上侧设置有长为1.0d-2.0d且宽为四分之一至三分之一截面圆弧长的气相出口，在距离右侧炉膛壁小于10厘米的螺旋管出料端下侧，有长为1.0d-1.5d且宽为四分之一至三分之一截面圆弧长的固相出口，d为螺旋管外径。

还原反应室的锥面倾角为30°-60°，前后炉膛壁到相邻的竖直板距离为1/30W-1/20W，竖直板高1/6W-1/3W，W为前后炉膛壁之间的宽度，竖直板左右两边分别和左右炉膛壁相接。

在前、后炉膛壁和相邻的侧竖直板之间的缝隙中设置有至少4块呈倒“八”字形倾斜布置且端部部分重叠的折流肋板，烟气绕过折流肋板曲线向上流动。

在竖直板顶部向上1/20W-1/10W处的前、后炉膛壁上设置有倾角为30°-45°的下倾长方形回烟挑板，挑出长度为1/8W-1/4W。

在所述回烟挑板根部等高的左炉膛壁和右炉膛壁外分别设有一排水平的与左右炉膛壁夹角10°-30°的一次旋流进风管，在一次旋流进风管向上1/4W-1/2W处，分别设置另一排水平的和左右炉膛壁夹角10°-30°的二次旋流进风管，一次旋流进风管可使两侧进风在气相燃烧室内形成顺时针或者逆时针旋流，相应的二次旋流进风管可使两侧进风在气相燃烧室内形成和一次风反向的逆时针或者顺时针旋流；一次旋流进风管和二次旋流进风管分别通过主管与鼓风机相连，在两条主管上均设置流量调节阀。

一种气固两相分离再耦合式生物质清洁燃烧方法，生物质通过螺旋进料机时被螺旋管下方固相燃烧的温度加热，分解为气固两相；气相顺着上扬的螺旋管流动至气相出口，进入还原反应室，和从固相燃烧室流出的经过折流肋板和回烟挑板后去除了大部分颗粒物的含NO_x的烟气混合，气相出口流出的还原性成分和NO_x反应生成N₂，降低烟气中的NO_x；

还原反应后的混合气体向上流动进入气相燃烧室，和从一次旋流进风管进来的旋流空气再次混合后进行旋流燃烧，调节与一次旋流进风管连通的主管上的流量调节阀，使过量空气系数α<1，以防止NO_x的再次生成；调节与二次旋流进风管连通的主管上的流量调节阀，使进入的空气满足二次燃烧的需要，进行补充燃烧；

热解后的固相半焦继续在螺旋进料机中前行，最终通过固相出口落在固相燃烧室内的链条炉排上；空气通过链条炉排上的风孔进入固相燃烧室，支持固相燃烧。

本方案的具体特点还有，固相燃烧后的烟气绕着折流肋板进入还原反应室，固相烟气中的大部分颗粒物受折流肋板的阻挡和引导，重新落在链条炉排上进行补充燃烧。

本发明的有益效果是：

    （1）生物质通过螺旋进料机时被下侧固相燃烧的温度加热，可使95%以上的生物质分解为气固两相，实现了气相和固相的分离。气相和固相进入相对独立的空间进行燃烧，通过单独的配风布置，可以实现合理的燃烧组织，更有利于实现完全燃烧，提高整体燃烧效率。

（2）生物质固相燃烧的烟气先经过折流肋板除尘、再进入还原反应室还原NOx，生成N₂，减少了固相产生的NOx；气相燃烧进行两次配风设计，首先进行低氧燃烧，避免了NOx产生的环境，然后进行二次补充燃烧，保持了燃烧效率的同时实现了低NOx和低颗粒物排放的洁净燃烧。

（3）气相燃烧室内的双旋流燃烧，增强了可燃成分和空气的混合强度，延长了燃烧时间，相对缩小了气相燃烧室的体积，节省了装置所需钢材的数量。

（4）本发明所述气固两相分离再耦合式生物质清洁燃烧装置实现了气固两相燃烧的完全分离，不但可提高燃烧效率，实现洁净燃烧，而且使得布风设计不需要再考虑气固两相燃烧的耦合问题，对于生物质清洁燃烧技术的推广具有现实的促进作用。

（5）本发明的结构方案简单，易加工，且能够小型化。

附图说明

图1为本发明气固两相分离再耦合式生物质洁净燃烧装置结构示意图；图2为图1的左视B-B截面示意图；图3为图2中C-C截面示意图即本发明一次旋流进风管结构示意图；图4为图2中D-D截面示意图即本发明二次旋流进风管结构示意图；图5为本发明螺旋输送机气固相出口示意图；图6为本发明还原反应室结构示意图；图7为本发明折流肋板结构示意图。图中：1-敞口料斗；2-驱动电机；3-螺旋轴；4-螺旋管；5-链条炉排；6-折流肋板；7-气相出口；8-固相出口；9-四面锥形漏斗；10-二次旋流进风管；11-竖直板；12-回烟挑板；13-一次旋流进风管；14-一次进风流量调节阀；15-二次进风流量调节阀；16-固相燃烧室；17-还原反应室；18-气相燃烧室；19-烟气排出口；20-左炉膛壁；21-右炉膛壁；22-前炉膛壁；23-后炉膛壁。

具体实施方式

实施例1：一种气固两相分离再耦合式生物质清洁燃烧装置，它包括长方体炉膛以及在炉膛中自下而上依次设置有：链条炉排5，位于链条炉排5上方的固相燃烧室16，位于固相燃烧室16上方的还原反应室17，位于还原反应室17上方的气相燃烧室18；还有与固相燃烧室16连通的固相燃烧供风系统，与气相燃烧室18连通的气相燃烧一二次供风系统；还设置有螺旋输送机，螺旋输送机包括圆筒式螺旋管4和设置于螺旋管4中的螺旋轴3，驱动螺旋轴3的驱动电机2，与螺旋管4进料端连通的敞口料斗1；螺旋管4前部伸入到炉膛中且固定在还原反应室17和固相燃烧室16之间，螺旋管4出料端上扬，与水平方向有5°-15°夹角；在螺旋管4上靠近出料端设置有气相出口7和固相出口8，气相出口7位于固相出口8和敞口料斗1之间；气相出口7和固相出口8之间有1-2倍螺旋管4外径长度的间距；还原反应室17呈倒四面锥形漏斗状，还原反应室17的下口与螺旋管4上的气相出口7吻合连接，锥形漏斗上口的左右两边与左、右炉膛壁（20,21）固定连接（定义进料的敞口料斗1一侧为左侧，下同），前后两边和//后炉膛壁（22,23）之间留有供固相燃烧烟气上升的间隙，并在前后两边的顶部设置两块与前、后炉膛壁平行的竖直板11，竖直板11与前、后炉膛壁（22,23）之间设置折流肋板6；左右炉膛壁上设置一次旋流进风管13和二次旋流进风管10，与一次旋流进风管13连通的是一次进风流量调节阀14，与二次旋流进风管10连通的是二次进风流量调节阀15；在前后炉壁上连接下倾的长方形回烟挑板12，回烟挑板12经过竖直板11的上方自然延伸到还原反应室17中，回烟挑板12左右两边分别延伸至左炉膛壁20和右炉膛壁21。

所述四面锥形漏斗，竖直板11，左炉膛壁20，右炉膛壁21和回烟挑板12围成还原反应室17，其与下侧的固相燃烧室16被螺旋管4隔开，形成独立的还原反应室17和固相燃烧室16，还原反应室17上部和气相燃烧室18相通。

在螺旋进料机的螺旋管4顶部设置有气相出口7，底部设置有固相出口8。

螺旋管4出料端固定在右炉膛壁21上；在距离右炉膛壁2.5d-3.0d的螺旋管4上侧设置有长为1.0d-2.0d且宽为四分之一至三分之一截面圆弧长的气相出口7，在距离右炉膛壁21小于10厘米的螺旋管4出料端下侧，有长为1.0d-1.5d且宽为四分之一至三分之一截面圆弧长的固相出口8，d为螺旋管4外径。

还原反应室17四面锥形漏斗的锥面倾角为30°-60°，前、后炉膛壁（22,23）到相邻的竖直板11距离为1/30W-1/20W，竖直板11高1/6W-1/3W，W为前、后炉膛壁（22,23）之间的宽度，竖直板11左右两边分别和左、右炉膛壁（20,21）相接。

在所述前炉膛壁22和后炉膛壁23分别与相邻的竖直板11之间的缝隙中设置有至少4块呈倒“八”字形倾斜布置且端部部分重叠的折流肋板6，烟气绕过折流肋板6曲线向上流动。

在竖直板11顶部向上1/20W-1/10W处的前后炉壁上设置有倾角为30°-45°的下倾长方形回烟挑板12，挑出长度为1/8W-1/4W。

在所述回烟挑板12根部等高的左、右炉膛壁（20,21）外分别设有一排水平的与左右炉膛壁夹角10°-30°的一次旋流进风管13，在一次旋流进风管13向上1/4W-1/2W处分别设置另一排水平的和左右炉膛壁夹角10°-30°的二次旋流进风管10，一次旋流进风管13可使两侧进风在气相燃烧室18内形成顺时针或者逆时针旋流，相应的二次旋流风管10可使两侧进风在气相燃烧室18内形成和一次风反向的逆时针或者顺时针旋流；一次旋流进风管13和二次旋流进风管10分别通过主管与鼓风机相连，在主管上设置流量调节阀。

实施例2：一种基于实施例1气固两相分离再耦合式生物质清洁燃烧装置的气固两相分离再耦合式生物质清洁燃烧方法，生物质通过螺旋进料机时被螺旋管4下方固相燃烧的温度加热，分解为气固两相；气相顺着上扬的螺旋管流动至气相出口7，进入还原反应室17，和从固相燃烧室16流出的经过折流肋板6和回烟挑板12后去除了大部分颗粒物的含NO_x的烟气混合，气相出口7流出的还原性成分和NO_x反应生成N₂，降低烟气中的NO_x；还原反应后的混合气体向上流动进入气相燃烧室18，和从一次旋流进风管13进来的旋流空气再次混合后进行旋流燃烧，调节与一次旋流进风管13连通的主管上的一次进风流量调节阀14，使过量空气系数α<1，以防止NO_x的再次生成；调节与二次旋流进风管10连通的主管上的二次进风流量调节阀15，使进入的空气满足二次燃烧的需要，进行补充燃烧；

热解后的固相半焦继续在螺旋进料机中前行，最终通过固相出口8落在固相燃烧室内的链条炉排5上；空气通过链条炉排5上的风孔进入固相燃烧室16，支持固相燃烧。

固相燃烧后的烟气绕着折流肋板6进入还原反应室17，固相烟气中的大部分颗粒物受折流肋板6的阻挡和引导，重新落在链条炉排5上进行补充燃烧。

Claims (9)

1.一种气固两相分离再耦合式生物质清洁燃烧装置，其特征是它包括长方体炉膛以及在炉膛中自下而上依次设置有：链条炉排，位于链条炉排上方的固相燃烧室，位于固相燃烧室上方的还原反应室，位于还原反应室上方的气相燃烧室；还有与固相燃烧室连通的固相燃烧供风系统，与气相燃烧室连通的气相燃烧一、二次供风系统；还设置有螺旋输送机，螺旋输送机包括圆筒式螺旋管和设置于螺旋管中的螺旋轴，驱动螺旋轴的驱动电机，与螺旋管进料端连通的敞口料斗；螺旋管前部伸入到炉膛中且固定在还原反应室和固相燃烧室之间，螺旋管与水平方向有5°-15°夹角，螺旋管出料端高于进料端；在螺旋管上靠近出料端设置有气相出口和固相出口，气相出口位于固相出口和敞口料斗之间；气相出口和固相出口的之间有1-2倍螺旋管外径长度的间距；

还原反应室呈倒四面锥形漏斗状，还原反应室的下口与螺旋管上的气相出口吻合连接，还原反应室上口的左右两边与左右炉膛壁固定连接，前后两边和前后炉膛壁之间留有供固相燃烧烟气上升的间隙，并在前后两边的顶部设置两块与前后炉膛壁平行的竖直板，竖直板与前后炉膛壁之间设置折流肋板；

左右炉膛壁上设置一次旋流进风管和二次旋流进风管，并分别加设流量调节阀；在前后炉膛壁上连接下倾的长方形回烟挑板，回烟挑板经过竖直板的上方自然延伸到还原反应室中，回烟挑板左右两边分别延伸至左右炉膛壁；

所述四面锥形漏斗、竖直板、左右炉膛壁和回烟挑板围成还原反应室，其与下侧的固相燃烧室被螺旋管隔开，形成独立的还原反应室和固相燃烧室，还原反应室上部和气相燃烧室相通。

2.根据权利要求1所述的气固两相分离再耦合式生物质清洁燃烧装置，其特征是在螺旋进料机的螺旋管顶部设置有气相出口，底部设置有固相出口。

3.根据权利要求1所述的气固两相分离再耦合式生物质清洁燃烧装置，其特征是螺旋管出料端固定在右炉膛壁上；在距离右炉膛壁2.5d-3.0d的螺旋管上侧设置有长为1.0d-2.0d且宽为四分之一至三分之一截面圆弧长的气相出口，在距离右炉膛壁小于10厘米的螺旋管出料端下侧，有长为1.0d-1.5d且宽为螺旋管四分之一至三分之一截面圆弧长的固相出口，d为螺旋管外径。

4.根据权利要求1所述的气固两相分离再耦合式生物质清洁燃烧装置，其特征是还原反应室的锥面倾角为30°-60°，前后炉膛壁到相邻的竖直板距离为1/30W-1/20W，竖直板高1/6W-1/3W，W为前后炉膛壁之间的宽度，竖直板左右两边分别和左右炉膛壁相接。

5.根据权利要求1所述的气固两相分离再耦合式生物质清洁燃烧装置，其特征是在前后炉膛壁和相邻的竖直板之间的缝隙中设置有至少4块呈倒“八”字形倾斜布置且端部部分重叠的折流肋板，烟气绕过折流肋板曲线向上流动。

6.根据权利要求1所述的气固两相分离再耦合式生物质清洁燃烧装置，其特征是在竖直板顶部向上1/20W-1/10W处的前后炉膛壁上设置有倾角为30°-45°的下倾长方形回烟挑板，挑出长度为1/8W-1/4W。

7.根据权利要求1所述的气固两相分离再耦合式生物质清洁燃烧装置，其特征是在所述回烟挑板根部等高的左右炉膛壁外分别设有一排水平的与左右炉膛壁夹角10°-30°的一次旋流进风管，在一次旋流进风管向上1/4W-1/2W处，分别设置另一排水平的和左右炉膛壁夹角10°-30°的二次旋流进风管，一次旋流进风管使两侧进风在气相燃烧室内形成顺时针或者逆时针旋流，相应的二次旋流进风管使两侧进风在气相燃烧室内形成和一次风反向的逆时针或者顺时针旋流；一次旋流进风管和二次旋流进风管分别通过主管与鼓风机相连，在两条主管上均设置流量调节阀。

8.一种基于权利要求1所述气固两相分离再耦合式生物质清洁燃烧装置的燃烧方法，其特征是：生物质通过螺旋进料机时被螺旋管下方固相燃烧的温度加热，分解为气固两相；气相顺着上扬的螺旋管流动至气相出口，进入还原反应室，和从固相燃烧室流出的经过折流肋板和回烟挑板后去除了大部分颗粒物的含NO_x的烟气混合，气相出口流出的还原性成分和NO_x反应生成N₂，降低烟气中的NO_x；

还原反应后的混合气体向上流动进入气相燃烧室，和从一次旋流进风管进来的旋流空气再次混合后进行旋流燃烧，调节与一次旋流进风管连通的主管上的流量调节阀，使过量空气系数α<1，以防止NO_x的再次生成；调节与二次旋流进风管连通的主管上的流量调节阀，使进入的空气满足二次燃烧的需要，进行补充燃烧；

热解后的固相半焦继续在螺旋进料机中前行，最终通过固相出口落在固相燃烧室内的链条炉排上；空气通过链条炉排上的风孔进入固相燃烧室，支持固相燃烧。

9.根据权利要求8所述的燃烧方法，其特征是：固相燃烧后的烟气绕着折流肋板进入还原反应室，固相烟气中的大部分颗粒物受折流肋板的阻挡和引导，重新落在链条炉排上进行补充燃烧。