CN107056106B - 一种含湿生物质燃料的悬浮催化氧化无焰燃烧装备 - Google Patents

Abstract

一种含湿生物质燃料的悬浮催化氧化无焰燃烧装备，包括分解炉、布喂料器、计给料器、含湿生物质燃料仓、输送机Ⅰ、均质机、计给料泵、催化助燃剂储罐、输送机Ⅱ和粉碎机，所述输送机Ⅱ分别与粉碎机的卸料口、均质机的进料口相连，所述计给料泵通过管道与催化助燃剂储罐的出口、均质机的雾化喷淋进液管相连通，所述输送机Ⅰ分别与含湿生物质燃料仓的进料口、均质机的卸料口相连，所述含湿生物质燃料仓的底部出料口与计结料器相连，所述计结料器与布喂料器相连，所述布喂料器与分解炉内相连通。本发明可低成本利用含湿生物质燃料作为水泥生产用替代性燃料，且不影响窑系统工况、不会造成熟料产量损失。

Description

一种含湿生物质燃料的悬浮催化氧化无焰燃烧装备

技术领域

本发明涉及一种含湿生物质燃料的燃烧装备，具体涉及一种含湿生物质燃料的悬浮催化氧化无焰燃烧装备。

背景技术

生物质燃料是仅次于煤炭、石油、天然气的第四大能源，在整个能源系统占有重要地位，使用可再生的生物质燃料，可有效地保护环境，但我国每年有大量的农作物果枝、秸秆等含湿植物纤维燃料弃置在地间地头，由此造成的危害触目惊心，尤其是每年夏收秋收期间，由于秸秆露天焚烧，我国境内从南到北浓烟滚滚、空气环境急剧恶化，影响所及，高速公路封闭、运河停航、飞机迫降他处，秸秆焚烧引发的火灾破财伤人致死人命的恶性事件每年均有发生。

利用生物质能的生物质燃烧技术是将生物质原料直接送入燃烧设备燃烧，利用燃烧过程中放出的热量，或将生物质先气化、液化后再利用的技术方法。按照燃料分类，可将生物质燃烧技术分为生物质的直接燃烧技术及生物质和矿物燃料（煤、油）混合燃烧技术。生物质直接燃烧技术是一种通过燃烧把生物质能转换成为热能的古老的能源转换技术，一直沿用至今，随着文明和科技的进步，燃用生物质的设备设施和方式在不断的改进，生物质直接燃烧技术的装备主要包括炉灶、锅炉等。 生物质和煤或油的混合燃烧技术是目前比较热门的技术，目前主要应用于生活垃圾等废弃物的焚烧处理，主要有盘式炉、流化床炉、炉排炉、层燃炉。但不论是现有的生物质直接燃烧技术还是混合燃烧技术，所用生物质都需要先经必要的干燥（晒干或烘干）处理，干燥加工处理后的生物质具有燃点低、燃烧速度快的优势，但晒干需要很大的场地和阳光，还需要大量的人工，而烘干需要热耗和电耗。

当前，国内在生物质燃烧应用研究方面主要集中于生物质的气化、固化、热解和液化等，且财政支持的大量相关实际项目正在实施中，而关于生物质直接燃烧技术方面进展并不是很顺利。而在国外，生物质气化、液化项目并不太受关注，生物质直燃技术尤其是生物质直燃发电技术在国外的应用已取得快速发展且已相当成熟，因为生物质气化、液化需要外热源和二次能源电，必然导致利用成本增加，无法产生直接利益。生物质直燃技术发电，处理的生物质大部分是经干燥加工处理的农林废弃物、木材厂、造纸厂的残余物等或其成型燃料，且已经有各类生物质燃烧的专用设备以及其应用技术。如专门针对燃烧林木业废弃材料的蒸汽锅炉、生物质流化床炉。我国亦于20世纪90年代初开始对生物质流化床锅炉的探索，如哈工大开发的用于燃用稻谷壳、木屑等生物质废弃物的系列生物质流化床锅炉，也开发了能够燃烧各种林业废弃物的层燃式锅炉。 但国内外所有应用均采用经干燥粉碎处理加工的生物质燃料，或经干燥、粉碎、成型加工的生物质成型燃料，主要设备为烘干、破碎、成型等装备系统。生物质成型燃料有棒状、块状和颗粒状等形状。但成型燃料的最大的缺陷是加工难，加工设备损坏过快，加工的成型燃料能耗高、成本高，且成型燃料燃烧时与空气接触面积较小，燃烧速率慢，燃烧温度较低。中国的余有芳等在棉杆成型燃料燃烧实验中获得的最高温度为720℃。

当前技术有效利用的干燥粉碎生物质燃料，或生物质成型燃料，一方面，干燥需要热耗和电耗及成本；另一方面，农林生物质既便是干燥料其本身的热值较低，能量密度较低，燃烧的火焰温度较低，一般不会超过1000℃，既便是生物质所含的大量内水产生的气体也会带走大量热量，降低热效率，而含湿的生物质燃烧更是非常困难，现有炉灶或锅炉的燃烧技术不能有效地稳定着火燃烧，这就是须干燥粉碎加工或干燥粉碎成型加工为成型燃料的根本原因；其次，干燥加工或干燥成型生物质燃料较粗大颗粒的燃烧速度慢、燃尽率低，导致热效率更低。为提高生物质的燃烧性能，西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室邓磊等采用热水浸泡水洗的方式对小麦秸秆、稻壳和桐木木屑进行粉碎、浸泡、水洗、干燥等处理，除去部分有害杂质，以提高其应用性能，但能耗高、成本高、处理量有限，且客观上造成二次污染。为解决生物质成型燃料的燃烧速度偏慢、粗颗粒燃尽率低的问题，河南科技大学魏学锋等采用固态催化氧化剂MnO₂与KMnO₄和干燥粉碎的秸秆粉末按MnO₂/KMnO₄:秸秆粉=2:1的质量比例混合进行燃烧实验，可有效解决燃尽率问题，达到完全燃尽，且燃烧温度可达1000℃左右，但催化剂用量过大（为秸秆粉的2倍），生产中没有经济性；湘潭大学环境工程系罗婕等以固体氧化剂与生物质（20目筛下的米糠和木屑）按质量比固体氧化剂2:生物质1的比例混合试验，可降低着火温度，提高燃尽率，但固体氧化剂用量为生物质量的2倍，工业生产中没有应用价值。为提高生物质燃料的燃烧温度拓展应用范围，华中科技大学开发了生物质高温燃烧技术进行了生物质微米燃料煅烧水泥的研究，选用研磨至粒径范围在 80-160 目(177um-100um)之间的锯末生物质微米燃料旋风燃烧技术方法，将粒径范围在 80-160 目(177um-100um)之间的锯末粉制成生物质成型燃料，以此生物质微米燃料的旋风燃烧方法，将生物质燃烧温度提高到1385℃，极大的改善破碎生物质的燃烧状态和燃烧效率，提升生物质燃料的品位。并在粉体燃料旋风燃烧方法实验中发现，在燃烧过程中粒径大于0.465mm的粉体很难点燃，没有出现理想的轰燃和持续、稳定燃烧的现象，烟气中CO含量较高燃烧不充分，燃烧过程中除尘器中落出的灰分呈黑色，炉膛温度不稳定。该研究取得了显著的成果，但将生物质粉碎至20目已很困难且能耗很高，粉碎至80-160目的粉体工业生产中缺失可行性。

另一方面，水泥生产是世界上温室气体最大排放源之一，约占全球排放总量的5%，采用替代性燃料已成为世界关注的重要问题。今天，水泥厂燃烧生物质和其他废弃物技术在一些国家，尤其是发达国家已经相当成熟，如德国的海戴尔博格水泥集团以经过专业公司干燥加工或干燥成型加工的动物饲料、城市地下水中的污泥、废弃纸张、废轮胎、废塑料、废木料及润滑油作为替代燃料，最高替代率达83.9%。

我国是世界水泥最大产能国，水泥行业是我国节能减排的重点行业之一，利用生物质能源代替煤炭是水泥行业的发展趋势之一。生物质能就是太阳能以化学能形式贮存在生物质中的能量形式，是一种可再生能源，也是一种可再生的碳源。我国每年产量逾10亿吨的植物纤维如农作物果枝、秸秆就是生物质能源，它在燃烧过程中排放的二氧化碳同其生长时吸收的二氧化碳达到碳平衡，被认定为具有二氧化碳零排放的特点。为此，国内科技工作者进行了大量的研究和实践。如《上海建材》（2014年第2期）《农作物秸秆在水泥焚烧替代燃料应用中的关键问题探讨》介绍了上海建筑材料集团水泥有限公司卢波等，以收集的秸秆输送至成型加工厂，经干燥、粉碎、固化成型制成秸秆成型燃料，与天津水泥工业设计研究院有限公司合作，在新型干法水泥生产线的窑尾塔架外增加流态化分解炉协同处理废弃物，该流态化分解炉不是按正常的新型干法分解炉设计，而是适当增加了塔内面积（塔内炉底设置大量的风管风帽），三次风从炉底鼓入，计量后的秸秆成型燃料喂人流态化分解炉焚烧。流态化分解炉设有喂煤装置，煤粉与炉底进入的三次风混合后燃烧，炉内温度一般在850℃～900℃。该项目以成型秸秆燃料替代一部分燃煤取得了良好的减排效果，每1.5吨成型秸秆燃料可替代1吨燃煤，但存在如下主要问题：一是干燥成本问题，使用燃料烘干则没有经济性，只能人工晒干，无论从使用还是从脱水考虑，秸秆燃料的利用都需要很大的储存用地，其季节性、占地、脱水、防火成了不可忽视的问题；二是加工的成型设备磨损快，电耗高；三是成型秸秆燃料和煤粉在特殊的流化床式分解炉内的混合燃烧速度匹配性差，使系统操作难度增加；四是钾、氯含量高等因素对窑系统工况的稳定性产生了影响，客观上造成了熟料产量损失。又如《水泥》（2016.No.1)《生物质燃料应用于水泥窑的工业试验》介绍了河北金隅鼎鑫水泥有限公司韩永鹏等以糠醛渣作为生物质燃料，将糠醛渣粉磨后通过0.08mm方孔筛，试烧完全燃尽时间约60min，然后，按煤粉用量的3%～5%，将磨细的糠醛渣加入新型干法水泥生产线的窑尾烟室内焚烧，加入量不超过煤粉用量的3%时能保证水泥窑系统连续运行，窑台时产量有所降低。该方法虽然能协同处理生物质—糠醛渣，但处理量有限，且客观上影响了窑系统工况，降低熟料产量。

CN104428397A，KHD洪保德韦达克有限公司提供了一种用于在生产水泥的设施中处理生物质的方法和与之相应的设施，其方法是采用换热装置，利用水泥预热器系统的废热能，干燥湿润的农业生物质并在反应器中碳化，以干燥并碳化的生物质作为燃料。该方法投资大，且换热以干化、碳化过程中易产生二次污染，不适合我国国情。

CN105829262A，纳幕尔杜邦公司提供了一种用于水泥窑的木质纤维素生物质发酵过程的联产品燃料，其方法是将木质纤维素生物质以醇曲酶发酵过程提醇产生的废弃物木质纤维素滤饼和木质纤维素糖浆为原料，然后将木质纤维素滤饼和木质纤维素糖浆按一定的比例再混合，再将混合物干燥作为燃料，用于水泥窑中燃烧。但这种混合物干燥能耗高，干燥制成生物质燃料的过程中所需能耗产生的CO₂与这种生物质燃料的减排CO₂量相当。

再者，由于尚缺少全新的生物质燃烧技术方法，在目前的我国政策和环保标准中，直接燃烧生物质属于高污染燃料，只允许在农村的大灶中使用，不允许在城市中使用。生物质燃料的应用，实际主要是生物质成型燃料，是将农林废物作为原材料，经过粉碎、混合、挤压、烘干等工艺，制成各种成型（如块状、颗粒状等)的可直接燃烧的一种新型清洁燃料。客观点说，这种新型清洁燃料对于使用单位而言是清洁的，其干燥、成型等加工过程中是耗能的、有排放的，且其加工过程所消耗的能源与其清洁燃料的能源数量上几乎相当或处在同一数量级上。因此，对于水泥企业替代部分燃煤的生物质能源尤其是植物纤维燃料的应用，迫切需要一种全新的技术装备系统，以有效降低含湿生物质燃料的加工应用能耗和成本、并便于实现窑系统工况的稳定。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有装备技术的不足，提供一种无需干燥、成型，可低成本利用含湿生物质燃料作为水泥生产用替代性燃料，且不影响窑系统工况、不会造成熟料产量损失的含湿生物质燃料的悬浮催化氧化无焰燃烧装备。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种含湿生物质燃料的悬浮催化氧化无焰燃烧装备，包括分解炉、布喂料器、计给料器、含湿生物质燃料仓、输送机Ⅰ、均质机、计给料泵、催化助燃剂储罐、输送机Ⅱ和粉碎机，所述输送机Ⅱ分别与粉碎机的卸料口、均质机的进料口相连，所述计给料泵通过管道与催化助燃剂储罐的出口、均质机的雾化喷淋进液管相连通，所述输送机Ⅰ分别与含湿生物质燃料仓的进料口、均质机的卸料口相连，所述含湿生物质燃料仓的底部出料口与计结料器相连，所述计结料器与布喂料器相连，所述布喂料器与分解炉内相连通。

进一步，所述的粉碎机为剪切/磨削式粉碎机。

进一步，还设有脱水机，所述脱水机的进料口通过输送机Ⅲ与粉碎机的卸料口相连，所述脱水机的出料口通过输送机Ⅱ与均质机的进料口相连。

进一步，还设有污水罐和脱硝改性罐，所述污水罐的进液口分别与脱水机的排液口、粉碎机的排液口通过管道相连，所述污水罐的出液口与脱硝改性罐的污水进液口相连。

进一步，还设有异臭催化氧化器，所述异臭催化氧化器通过管道与含湿生物质燃料仓、输送机Ⅰ、均质机、输送机Ⅱ、粉碎机、脱水机、输送机Ⅲ、污水罐和脱硝改性罐相连通。

进一步，所述的分解炉为干法水泥生产线系统现有的在线分解炉。

进一步，所述的布喂料器可设置两个以上，将含湿生物质燃料从分解炉的不同位置（如下部、中部或上部）分别送入悬浮于分解炉内，或部分送入分解炉顶部相连的鹅颈管内。

本发明将含湿生物质燃料送入粉碎机粉碎为尺寸1～50mm的物料，粉碎后的物料以输送机Ⅱ送入均质机，在均质混合的同时，以计给料泵抽取催化助燃剂储罐中的催化助燃剂喷洒至含湿生物质燃料上，将含湿生物质燃料均化处理为改性含湿生物质燃料，改性含湿生物质燃料经输送机Ⅰ送入含湿生物质燃料仓中，含湿生物质燃料仓中的含湿燃料经底部出料口的计结料器连续计量给料、再经布喂料器连续布送入分解炉内并悬浮于分解炉内，利用干法水泥生产线系统的拉风及分解炉内840℃（分解炉边部840～900℃）～1200℃（分解炉中心1100～1200℃）的托底温度场，实现改性含湿生物质燃料的悬浮催化氧化无焰燃烧，改性含湿生物质燃料悬浮催化氧化无焰燃烧产生的热量直接供给分解炉内碳酸钙的分解。

本发明借用催化氧化燃烧的优势，以均质机将催化助燃物质直接吸附于生物质燃料上，于分解炉内840℃～1200℃的托底温度场，解决含湿生物质燃料的难燃性问题和燃烧速度慢的问题，使之能快速氧化燃尽释放出热能。本发明以高效而节能的剪切/磨削式粉碎机将植物纤维类物料粉碎为尺寸1mm～50mm的物料，为物料的改性创造好条件。以布喂料器将粉碎的改性含湿生物质燃料分散布入分解炉内，为形成悬浮状态催化氧化无焰燃烧创造出条件，实现改性含湿生物质燃料的快速催化氧化无焰燃烧。且在满足应用的同时，节省大量的干燥能耗和成本，最大限度地降低含湿生物质燃料的加工能耗，最大限度地降低加工成本。

本发明的有益效果：

1）结构简单，工业应用占地小、投资小，便于推广。

2）可有效减少生物质利用加工过程中的能源消耗和环境污染。

3）为水泥企业利用替代性生物质能源提供一种经济而实用的装备，既利于水泥企业节能减排和降本增效，也利于解决生物质就地焚烧造成的环境污染问题。

附图说明

图1为一种含湿生物质燃料的悬浮催化氧化无焰燃烧装备的示意图；

图2为一种处理沼气渣含湿植物纤维燃料的悬浮催化氧化无焰燃烧装备的示意图。

具体实施方式

以下结附图及实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

参照图1，一种含湿生物质燃料的悬浮催化氧化无焰燃烧装备，包括分解炉1、布喂料器2、计给料器3、含湿生物质燃料仓4、输送机Ⅰ5、均质机6、计给料泵7、催化助燃剂储罐8、输送机Ⅱ9和粉碎机10，所述输送机Ⅱ9分别与粉碎机10的卸料口、均质机6的进料口相连，所述计给料泵7通过管道与催化助燃剂储罐8的出液口、均质机6的雾化喷淋进液管相连通，所述输送机Ⅰ5分别与含湿生物质燃料仓4的进料口、均质机6的卸料口相连，所述含湿生物质燃料仓4的底部出料口与计结料器3相连，所述计结料器3与布喂料器2相连，所述布喂料器2与分解炉1内相连通。

本实施例中，所述的粉碎机10为剪切式粉碎机。

本实施例中，所述的分解炉1为干法水泥生产线系统现有的在线分解炉。

工作过程：将含湿植物纤维物料送入粉碎机10粉碎为尺寸1～50mm的物料，粉碎后的物料以输送机Ⅱ9送入均质机6，在均质混合的同时，以计给料泵7抽取催化助燃剂储罐8中的催化助燃剂喷洒至含湿植物纤维物料上，将含湿植物纤维物料均化处理为改性含湿植物纤维燃料，改性含湿植物纤维燃料经输送机Ⅰ5送入含湿生物质燃料仓4中，含湿生物质燃料仓4中的含湿生物质燃料经底部出料口的计结料器3连续计量给料、再经布喂料器2连续布送入分解炉1内并悬浮于分解炉1内，利用干法水泥生产线系统的拉风及分解炉1内840℃（分解炉边部840～900℃）～1200℃（分解炉中心1100～1200℃）的托底温度场，实现改性含湿植物纤维燃料的悬浮催化氧化无焰燃烧，改性含湿植物纤维燃料悬浮催化氧化无焰燃烧产生的热量直接供给分解炉1内碳酸钙的分解。

实施例2

参照图2，一种处理沼气渣含湿植物纤维燃料的悬浮催化氧化无焰燃烧装备，包括分解炉1、布喂料器Ⅰ2a、布喂料器Ⅱ2b、计给料器Ⅰ3a、计给料器Ⅱ3b、含湿生物质燃料仓4、输送机Ⅰ5、均质机6、计给料泵7、催化助燃剂储罐8、输送机Ⅱ9、粉碎机10、异味催化氧化器11、脱水机12、污水罐13、脱硝改性罐14和输送机Ⅲ15，所述脱水机12的进料口通过输送机Ⅲ15与粉碎机10的卸料口相连，所述脱水机12的出料口通过输送机Ⅱ9与均质机6的进料口相连，所述污水罐13的进液口分别与脱水机12的排液口、粉碎机10的排液口通过管道相连，所述污水罐13的出液口与脱硝改性罐14的污水进液口相连，所述计给料泵7通过管道与催化助燃剂储罐8的出液口、均质机6的雾化喷淋进液管相连通，所述输送机Ⅰ5分别与含湿生物质燃料仓4的进料口、均质机6的卸料口相连，所述含湿生物质燃料仓4的底部出料口分别与计给料器Ⅰ3a、计给料器Ⅱ3b相连，所述计结料器Ⅰ3a与布喂料器Ⅰ2a相连，所述布喂料器Ⅰ2a与分解炉1内中部空间相连通，所述计结料器Ⅱ3b与布喂料器Ⅱ2b相连，所述布喂料器Ⅱ2b与分解炉1内下部空间相连通，所述异味催化氧化器11通过气体收集管道分别与含湿生物质燃料仓4、输送机Ⅰ5、均质机6、输送机Ⅱ9、粉碎机10、脱水机12、污水罐13、脱硝改性罐14、输送机Ⅲ15相连通。

本实施例中，所述的粉碎机10为磨削式粉碎机。

本实施例中，所述的分解炉1为干法水泥生产线系统现有的在线分解炉。

本发明将以植物纤维为主的沼气渣含湿物料送入粉碎机10粉碎为尺寸1～50mm的物料，粉碎后的物料以输送机Ⅲ15送入脱水机12脱除过量的水分，脱水机12脱除的污水和粉碎机10产生的污水通过连接管道汇入污水罐13，污水罐13内的污水送入脱硝改性罐14内改性作为脱硝氨水的替代原料，脱水物料经输送机Ⅱ9送入均质机6，在均质混合的同时，以计给料泵7抽取催化助燃剂储罐8中的催化助燃剂喷洒至含湿纤维物料上，将含湿植物纤维物料均化改性处理为含湿植物纤维燃料，改性含湿植物纤维燃料经输送机Ⅰ5送入含湿燃料仓4中，含湿燃料仓4中的含湿燃料经底部出料口的计给料器Ⅰ3a、计给料器Ⅱ3b连续计量给料、再经布喂料器Ⅰ2a、布喂料器Ⅱ2b连续布送入分解炉1内并悬浮于分解炉1内，利用干法水泥生产线系统的拉风及分解炉1内840℃（分解炉边部840～900℃）～1200℃（分解炉中心1100～1200℃）的托底温度场，实现改性含湿植物纤维燃料的悬浮催化氧化无焰燃烧，改性含湿植物纤维燃料悬浮催化氧化无焰燃烧产生的热量直接供给分解炉1内碳酸钙的分解。

Claims (5)

1.一种含湿生物质燃料的悬浮催化氧化无焰燃烧装备，其特征在于：包括分解炉、布喂料器、计给料器、含湿生物质燃料仓、输送机Ⅰ、均质机、计给料泵、催化助燃剂储罐、输送机Ⅱ和粉碎机，所述输送机Ⅱ分别与粉碎机的卸料口、均质机的进料口相连，所述计给料泵通过管道与催化助燃剂储罐的出口、均质机的雾化喷淋进液管相连通，所述输送机Ⅰ分别与含湿生物质燃料仓的进料口、均质机的卸料口相连，所述含湿生物质燃料仓的底部出料口与计结料器相连，所述计结料器与布喂料器相连，所述布喂料器与分解炉内相连通；

所述的粉碎机为剪切/磨削式粉碎机，用于将含湿生物质燃料粉碎为尺寸1～50mm的物料；

所述的分解炉为干法水泥生产线系统现有的在线分解炉。

2.根据权利要求1所述的含湿生物质燃料的悬浮催化氧化无焰燃烧装备，其特征在于：还设有脱水机，所述脱水机的进料口通过输送机Ⅲ与粉碎机的卸料口相连，所述脱水机的出料口通过输送机Ⅱ与均质机的进料口相连。

3.根据权利要求2所述的含湿生物质燃料的悬浮催化氧化无焰燃烧装备，其特征在于：还设有污水罐和脱硝改性罐，所述污水罐的进液口分别与脱水机的排液口、粉碎机的排液口通过管道相连，所述污水罐的出液口与脱硝改性罐的污水进液口相连。

4.根据权利要求3所述的含湿生物质燃料的悬浮催化氧化无焰燃烧装备，其特征在于：还设有异臭催化氧化器，所述异臭催化氧化器通过管道与含湿生物质燃料仓、输送机Ⅰ、均质机、输送机Ⅱ、粉碎机、脱水机、输送机Ⅲ、污水罐和脱硝改性罐相连通。

5.根据权利要求1或2所述的含湿生物质燃料的悬浮催化氧化无焰燃烧装备，其特征在于：所述的布喂料器设置两个以上，将含湿生物质燃料从分解炉的不同位置分别送入悬浮于分解炉内，或部分送入分解炉顶部相连的鹅颈管内。

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