CN104776427A - 一种基于燃气/燃油锅炉改造的生物质微米流态燃烧设备 - Google Patents

一种基于燃气/燃油锅炉改造的生物质微米流态燃烧设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于燃气/燃油锅炉改造的生物质微米流态燃烧设备，包括生物质微米燃料输送单元、燃烧单元和常规结构形式的燃气或者燃油锅炉，其中生物质微米燃料输送单元包括料、定量给料器、粉尘云发生器、风机和粉尘云输送管；燃烧单元包括密封炉体、燃烧室、燃料入口、点火口、流态排渣口和火焰出口，并且所述密封炉体的容积燃烧强度被设定为150kg/m3～600kg/m3，它的外壁被保温材料层所包围，并使得流经外壁的热量不超过燃料燃烧能量的10％，由此构成一个相对封闭的储热及燃烧空间。通过本发明，可获得高达1350℃以上的燃烧温度，同时与现有生物质锅炉相比其产物中基本无焦油、无残留碳和灰分，同时具备热效率高、燃料利用效率高、清洁环保等优点。

Description

一种基于燃气/燃油锅炉改造的生物质微米流态燃烧设备
技术领域
本发明属于可再生清洁能源装置领域，更具体地，涉及一种基于燃气/燃油锅炉改造的生物质微米流态燃烧设备。
背景技术
目前的常规燃气/燃油锅炉是指以气态燃气或液态燃油作为燃料，喷入炉膛后被高温烟气加热燃烧的设备，由于其具备易燃烧、发热量大、安全可靠和环境污染相对较小等优点，因而日益取代燃煤锅炉获得了广泛的应用。然而，随着能源供应短缺或价格上涨等因素，加上国内对环境保护意识的进一步加强，如何寻找可替代的新能源正成为重要的研究课题。
生物质燃料是指将农林废弃物如秸秆、锯末、甘蔗渣、稻糠等，经过粉碎、混合、挤压、烘干等工艺，制成各种成型燃料后直接执行燃烧的一种新型清洁燃料。开发生物质燃料不仅能合理利用农林废弃物，防止能源浪费，而且能够减少如CO2、SO2、NOx和烟尘等排放，避免雾霾现象的产生，因而在国内外具备广阔的应用前景。检索发现，现有技术中已经提出了一些涉及生物质燃料燃烧的方案，例如，CN200710049037.3公开了一种生物质燃料锅炉，其中通过采用悬浮燃烧为主、层燃为辅来实现生物质燃料的充分燃料；又如，CN200610029424.6Z公开了一种生物质能燃料锅炉及其燃烧方法，其中通过在炉前设置若干个进口角度可调的进料口来分别均匀进料，并在一次风和二次风的配合下在炉膛内进行悬浮燃烧。
然而，进一步的研究表明，上述现有技术仍然具有以下的不足或缺陷：首先，现有的生物质燃料所产生的烟气易于在管道中结焦，输送不畅，在腐蚀管道的同时还会降低热效率，相应在结合常规燃气/燃油锅炉改造时造成极大不便；其次，尽管可采用多次风的配合来使得生物质燃料悬浮燃烧，但仍存在燃烧温度有限、燃烧效率不高，难于确保充分燃烬的缺点；第三，对于目前大多数的工业应用而言，燃料的燃烧温度要求能够达到1200℃以上，而上述燃烧温度是现有的生物质燃料锅炉所无法达到的。相应地，当考虑采用生物质微米燃料来完全替代燃气/燃油并进行常规工业锅炉的设备改造时，上述问题成为了难以回避的技术难点所在。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于燃气/燃油锅炉改造的生物质微米流态燃烧设备，其中通过采用生物质微米燃料来完全代替燃气/燃油作为燃料，并在常规的燃气/燃油锅炉执行设备改造的基础上，对其他关键组成单元如生物质微米燃料输送单元、燃烧单元及锅炉燃烧器接口等的特定结构和设置方式进行设计，相应能够更为充分利用生物质微米燃料燃烧温度高的优势，同时显著提高操作的可控性并便于现有设备的升级改造；测试表明，按照本发明的设备可获得高达1350℃以上的燃烧温度、锅炉热效率可达到90％以上，同时与现有生物质锅炉相比其产物中基本无焦油、无残留碳和灰分，因而尤其适用于工业锅炉清洁和高效蒸汽生产的应用环境。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种基于燃气/燃油锅炉改造的生物质微米流态燃烧设备，其特征在于，该设备中采用粒径在400微米以下的生物质微米燃料完全代替燃气或者燃油作为流态燃料，并包括生物质微米燃料输送单元、燃烧单元和常规结构形式的燃气或者燃油锅炉，其中：
所述生物质微米燃料输送单元包括料斗、定量给料器、粉尘云发生器、风机和粉尘云输送管，其中该料斗用于贮存作为燃料的上述生物质微米燃料，并在所述定量给料器的配合下将生物质微米燃料定量配送给所述粉尘云发生器；该粉尘云发生器则将生物质微米燃料与空气按照1：3～6的体积比充分混合后形成保持悬浮的粉尘云形式，然后在所述风机的作用下经由所述粉尘云输送管继续输送至所述燃烧单元；
所述燃烧单元包括燃烧室、密封炉体、燃料入口、点火口、流态排渣口和火焰出口，其中该密封炉体整体为卧式或者立式结构，其容积燃烧强度被设定为150kg/m3～600kg/m3，它的外壁被保温材料层所包围，并使得流经外壁的热量不超过燃料燃烧能量的10％，由此构成一个相对封闭的储热及燃烧空间；该燃料入口设置在离火焰出口流程最远处，并用于将由生物质微米燃料与空气混合形成的粉尘云沿着切向方向以1m/秒～12m/秒的流速喷射至此密封炉体内部；该流态排渣口设置在所述燃烧室的最低水位处，并用于在整个燃烧过程中将高温熔化的炉渣予以排出；该火焰出口则设置在离所述燃料入口流程最远的位置；以此方式，生物质微米燃料在燃烧单元内部保持足够时间的悬浮燃烧，并经由所述火焰出口将燃烧温度高达1350℃以上的高温火焰喷入所述燃气/燃油锅炉；
所述燃气/燃油锅炉的原来的燃料入口与所述燃烧单元相连通，在所述燃气/燃油锅炉原来的燃料入口出设有圆柱形充填层，充填层从内向外依次为无机耐热材料层和保温棉层，以此方式保护述燃气/燃油锅炉原来的燃料入口的钢板不受高温破坏。
作为进一步优选地，所述粉尘云发生器的压力优选被设定为0.005MPa～0.05MPa；；并且所述生物质微米燃料与空气之间按照0.98～1.25的过剩空气系数进行充分混合。
作为进一步优选地，所述粉尘云输送管优选由钢材、塑料或者钢管内村塑料材质制成，管内塑料层可以减少摩擦阻力。管道内壁可以是平面或者螺旋面，螺旋面可以更好地保持微米燃料的悬浮输送。所述粉尘云输送管其内径与所述燃烧室的内径之比为1:5～10。
作为进一步优选地，所述燃烧单元的有效燃烧容积优选被设计为所述燃气/燃油锅炉的有效燃烧容积的0.5倍～0.9倍，并优选还配备有水蒸汽入口，该水蒸汽入口用于在燃烧过程中向所述密封炉体内补充适量的水蒸汽，以助于残留碳和焦油的气化和燃尽，并且水蒸汽的加入量与所述生物质微米燃料之间的质量比被设定为1：30～150。
作为进一步优选地，所述燃烧单元的容积燃烧强度优选被设定为150kg/m3～600kg/m3；此外，它优选是侧壁由纤维保温材料层构成的相对封闭储热空间，并且其侧壁壁厚为200mm～500mm，燃烧室高度或长度与其平均截面积之比为0.8倍～4倍。
作为进一步优选地，所述燃烧单元优选还可包括测温口、二次进风口和火焰观察孔，其中该测温口设置在所述燃料入口的相对侧，用于检测所述燃烧室内部的最高燃烧温度；该二次进风口设置在所述燃料入口流程的下游，用于输入二次风的同时起到调节作用；该火焰观察孔设置在所述密封炉体侧部，其用于对燃烧状况进行观察，并可基于观察信息来执行相应调控。
作为进一步优选地，所述燃料喷管的直径被设定为与燃烧室直径之比为1:5～12，所述流态排渣口的孔径被设定为所述燃烧单元的燃烧室直径的1/8到1/25，最适宜的为1/12到1/22。
作为进一步优选地，所述燃气或者燃油锅炉的烟气出口后还配备有旋风除尘器和余热回收单元，由此用于减少进入余热回收单元的粉尘和将余热返回至锅炉内部循环利用。此外，在所述燃气或者燃油锅炉原有防爆孔的上方增设有一个向上的防爆口，在其弯管过道上设有尾部火焰观察孔,以此方式增强锅炉防爆能力，同时便于更全面地监控燃烧室的燃烧状况。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1、通过采用生物质微米燃料来完全替代燃气或燃油，并结合生物质微米燃料的特性来对整个燃烧系统进行构造设计，测试表明该系统能够很好地发挥生物质微米燃料的优点，减少能源消耗和环境污染，而且燃烧过程中基本无焦油，同时便于执行对现有常规工业锅炉的设备改造；
2、通过为生物质微米燃料的燃烧过程设置储热及燃烧空间并对其关键性能参数如容积燃烧强度、热阻等进行设定，可形成一个相对封闭的绝热燃烧单元，将能量密度相对低的生物质燃料的能量聚积在其中，形成高温燃烧条件，与此同时，还使得微粉的气化和燃烧在同一空间内同时刻瞬间完成，反过来继续促进燃烧温度的持续上升，由此达到与现有技术相比显著提高的燃烧温度，燃烧效率可达到98％以上；
3、通过对作为关键组件的粉尘云发生器、粉尘云输送管以及燃烧器接口的结构及其关键参数进行设计，测试表明能够确保生物质微米燃料能够以悬浮雾状进入燃烧单元，相应有助于充分燃烧和燃烧温度和提高；
4、通过在燃烧过程中添加适水蒸汽并对其比例进行设计，在整个燃烧过程中水蒸汽可作为气化剂与燃烧中间产物发生反应，进而将其分解为氢气和一氧化碳等，其中的氢气又能够在相对封闭的绝热空间内加快燃烧速度，并且确保在极短时间内即达到期望的燃烧温度峰值和效率；
5、本发明中由于生物质微米燃料的燃烧温度进一步被提高到1350度以上，使得中间产物如焦油、碳粒等完全分解，而且还可使得所含的不可燃烧的无机物组分也获得熔化，并在绝热燃烧室内转化成液体作为液态炉渣从炉底排出，与现有技术的工业锅炉相比，在环保方面具有优势，因而适用于各类工业锅炉应用环境下的清洁和高效要求。
附图说明
图1是按照本发明的基于天然气锅炉改造的生物质微米流态燃烧设备的示范性示意图；
图2是用于具体显示图1中所示关键组件的示意图，其中左侧为包括料斗、定量给料器、粉尘云发生器等组件的燃料输送单元，右侧为包括密封炉体的燃烧单元；
图3是用于显示按照本发明的燃烧单元与常规燃气/燃油锅炉之间的燃烧器接口的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1是按照本发明的基于天然气锅炉改造的生物质微米流态燃烧设备的示范性示意图。如图1中所示，该生物质微米流态燃烧设备譬如呈现为卧式或者立式，并主要包括生物质微米燃料输送单元1、燃烧单元2和常规结构形式的燃气或者燃油锅炉3等组成部分，该设备中采用了平均粒径为微米量级(优选地，平均粒径在400微米以下)的生物质微米燃料来完全代替燃气或者燃油作为燃料，并通过对其关键组件在结构和设置方面的设计，相应实现对现有工业锅炉的有利改造，并能够很好地适用于各类工业锅炉应用环境下的清洁和高效要求。
具体而言，参见图2，所述生物质微米燃料输送单元1包括料斗4、定量给料器5、粉尘云发生器6、风机7和粉尘云输送管8等，其中料斗4譬如呈柜状结构，其用于贮存作为燃料的上述生物质微米燃料，并在定量给料器5的配合下，将生物质微米燃料定量配送给粉尘云发生器6；该粉尘云发生器6则将生物质微米燃料与空气优选按照1：3～6的体积比充分混合后形成保持悬浮的粉尘云形式，然后在风机7的作用下经由粉尘云输送管8继续输送至燃烧单元2。
对于上述组件，按照本发明的一个优选实施例，所述粉尘云发生器6的压力优选被设定0.005MPa～0.05MPa；的范围；并且所述生物质微米燃料与空气之间按照0.98～1.25的过剩空气系数进行充分混合；以此方式，较多的对比测试表明，能够确保生物质微米燃料以悬浮状态进入到燃烧单元2中，并去后续的高温燃烧提供必要的条件。
燃烧单元作为本设备中的另一关键组件，它包括密封炉体12、燃料入口16、点火口10、流态排渣口27和火焰出口25等，其中密封炉体13整体譬如呈圆柱体结构，并且其容积燃烧强度在本发明中被设定为150kg/m3～350kg/m3，它的外壁被保温材料层所包围，并使得流经外壁的热量不超过燃料燃烧能量的10％，由此构成一个相对封闭的储热及燃烧空间；正是通过为生物质微米燃料的燃烧过程设置储热及燃烧空间并对上述关键性能参数进行设定，形成了一个相对封闭的绝热燃烧单元，将能量密度相对低的生物质燃料的能量聚积在其中，形成高温燃烧条件，与此同时，还使得微粉的气化和燃烧在同一空间内同时刻瞬间完成，反过来继续促进燃烧温度的持续上升，最终使得生物质微米燃料的燃烧高度可高度1350摄氏度以上，并且在此温度下燃料充分燃烧后基本无焦油、碳粒等中间产物存在。
燃料入口16设置在密封炉体13的左侧下端，并用于将由生物质微米燃料与空气混合形成的粉尘云沿着切向方向以1m/秒～10m/秒的流速喷射至此密封炉体13内部；该流态排渣口27设置在密封炉体的最下端处，并用于在整个燃烧过程中将高温熔化的炉渣予以排出；该火焰出口25则设置在所述密封炉体的右侧上部并保持与燃料入口16相对置；以此方式与上述储热及燃烧空间相配合，生物质微米燃料在燃烧单元内部始终保持悬浮燃烧，并经由火焰出口将燃烧温度高达1350℃以上的高温火焰喷入燃气/燃油锅炉。
此外，按照本发明的一个优选实施例，所述燃烧单元2的有效燃烧容积优选被设计为所述燃气/燃油锅炉的有效燃烧容积的0.5倍～0.9倍，并优选还配备有水蒸汽入口，该水蒸汽入口用于在燃烧过程中向所述密封炉体内补充适量的水蒸汽，并且水蒸汽的加入量与所述生物质微米燃料之间的质量比被设定为1：30～150：1。通过在燃烧过程中添加适水蒸汽并对其比例进行设计，在整个燃烧过程中水蒸汽可作为气化剂与燃烧中间产物发生反应，进而将其分解为氢气和一氧化碳等，其中的氢气又能够在相对封闭的绝热空间内加快燃烧速度，并且确保在极短时间内即达到期望的燃烧温度峰值和效率。
燃气或者燃油锅炉3的结构基本上采用了现有的形式不变，其主要改动之处包括其与燃烧单元之间的接口。按照本发明的一个优选实施例，该燃烧器接口的直径在原有基础上被扩大1.5倍～3倍，并且其壳体从内向外依次为厚度譬如为80mm-120mm的无机耐热砖层和厚度譬如为200mm-250mm的保温棉层共同构成的双层结构；通过以上设计，不仅充分考虑了生物质燃烧过程中高温烟气与燃气/燃油燃烧的不同，而且针对其高达1350度以上的高温能够起到良好的防护作用，避免工业锅炉侧的钢板由于高温而损坏。
此外，按照本发明的另一优选实施例，上述工业锅炉的尾部还优选设置有一个旋风除尘器和一个余热收集单元，由此将锅炉余热能够返回至锅炉内部，由此起到进一步提高热效率的作用。
综上，按照本发明进行改造的燃烧设备由于生物质微米燃料的燃烧温度进一步被提高到1350度以上，使得中间产物如焦油、碳粒等完全分解，而且还可使得所含的不可燃烧的无机物组分也获得熔化，并在绝热燃烧室内转化成液体作为液态炉渣从炉底排出，与现有技术的工业锅炉相比，在节省能源和环保方面具有极大优势，因而适用于各类工业锅炉应用环境下的清洁和高效要求。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于燃气/燃油锅炉改造的生物质微米流态燃烧设备，其特征在于，该设备中采用粒径在400微米以下的生物质微米燃料完全代替燃气或者燃油作为流态燃料，并包括生物质微米燃料输送单元(1)、燃烧单元(2)和常规结构形式的燃气或者燃油锅炉(3)，其中：
所述生物质微米燃料输送单元(1)包括料斗(4)、定量给料器(5)、粉尘云发生器(6)、风机(7)和粉尘云输送管(8)，其中该料斗(4)用于贮存作为燃料的上述生物质微米燃料，并在所述定量给料器(5)的配合下将生物质微米燃料定量配送给所述粉尘云发生器(6)；该粉尘云发生器(6)则将生物质微米燃料与空气按照1：3～6的体积比充分混合后形成保持悬浮的粉尘云形式，然后在所述风机(7)的作用下经由所述粉尘云输送管(8)继续输送至所述燃烧单元(2)；
所述燃烧单元(2)包括燃烧室(12)、密封炉体(13)、燃料入口(16)、点火口(10)、流态排渣口(27)和火焰出口(25)，其中该密封炉体(13)整体为卧式或者立式结构，其容积燃烧强度被设定为150kg/m3～600kg/m3，它的外壁被保温材料层(19)所包围，并使得流经外壁的热量不超过燃料燃烧能量的10％，由此构成一个相对封闭的储热及燃烧空间；该燃料入口(16)设置在离火焰出口(25)流程最远处，并用于将由生物质微米燃料与空气混合形成的粉尘云沿着切向方向以1m/秒～12m/秒的流速喷射至此密封炉体(12)内部；该流态排渣口(27)设置在所述燃烧室(12)的最低水位处，并用于在整个燃烧过程中将高温熔化的炉渣予以排出；该火焰出口(25)则设置在离所述燃料入口(16)流程最远的位置；以此方式，生物质微米燃料在燃烧单元内部保持足够时间的悬浮燃烧，并经由所述火焰出口(25)将燃烧温度高达1350℃以上的高温火焰喷入所述燃气/燃油锅炉(3)；
所述燃气/燃油锅炉的原来的燃料入口(20)与所述燃烧单元(2)相连通，在所述燃气/燃油锅炉原来的燃料入口(20)出设有圆柱形充填层(26)，充填层从内向外依次为无机耐热材料层和保温棉层，以此方式保护述燃气/燃油锅炉原来的燃料入口的钢板不受高温破坏。
2.如权利要求1所述的生物质微米流态燃烧设备，其特征在于，所述粉尘云发生器(6)的压力优选被设定为0.005MPa～0.05MPa；并且所述生物质微米燃料与空气之间按照0.98～1.25的过剩空气系数进行充分混合。
3.如权利要求1或2所述的生物质微米流态燃烧设备，其特征在于，所述粉尘云输送管(8)优选由钢材、塑料或者钢管内村塑料材质制成，管内塑料层可以减少摩擦阻力。管道内壁可以是平面或者螺旋面，螺旋面可以更好地保持微米燃料的悬浮输送。所述粉尘云输送管其内径与所述燃烧室(12)的内径之比为1:5～10。
4.如权利要求1-3任意一项所述的生物质微米流态燃烧设备，其特征在于，所述燃烧单元(2)的有效燃烧容积优选被设计为所述燃气/燃油锅炉(3)的有效燃烧容积的0.5倍～0.9倍，并优选还配备有水蒸汽入口(28)，该水蒸汽入口用于在燃烧过程中向所述密封炉体(13)内补充适量的水蒸汽，以助于残留碳和焦油的气化和燃尽，并且水蒸汽的加入量与所述生物质微米燃料之间的质量比被设定为1：30～150。
5.如权利要求4所述的生物质微米流态燃烧设备，其特征在于，所述燃烧单元(2)的容积燃烧强度优选被设定为150kg/m3～600kg/m3；此外，它优选是侧壁由纤维保温材料层构成的相对封闭储热空间，并且其侧壁壁厚为200mm～500mm，燃烧室高度或长度与其平均截面积之比为0.8倍～4倍。
6.如权利要求1-5任意一项所述的生物质微米流态燃烧设备，其特征在于，所述燃烧单元(2)优选还可包括测温口(15)、二次进风口(14)和火焰观察孔(28)，其中该测温口(15)设置在所述燃料入口(16)的相对侧，用于检测所述燃烧室(12)内部的最高燃烧温度；该二次进风口(14)设置在所述燃料入口(16)流程的下游，用于输入二次风的同时起到调节作用；该火焰观察孔(28)设置在所述密封炉体(13)侧部，其用于对燃烧状况进行观察，并可基于观察信息来执行相应调控。
7.如权利要求1-5任意一项所述的生物质微米流态燃烧设备，其特征在于，所述燃料喷管(9)的直径被设定为与燃烧室(12)直径之比为1:5～12，所述流态排渣口(27)的孔径被设定为所述燃烧单元的燃烧室(12)直径的1/8到1/25，最适宜的为1/12到1/22。
8.如权利要求7所述的生物质微米流态燃烧设备，其特征在于，所述燃气或者燃油锅炉(3)的烟气出口后(21)还配备有旋风除尘器和余热回收单元，由此用于减少进入余热回收单元的粉尘和将余热返回至锅炉内部循环利用；此外，在所述燃气或者燃油锅炉(3)原有防爆孔的上方增设有一个向上的防爆口(22)，在其弯管过道上设有尾部火焰观察孔(23),以此方式增强锅炉防爆能力，同时便于更全面地监控燃烧室的燃烧状况。
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