CN110553252A - 高灰分生物质颗粒燃料燃烧炉及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高灰分生物质颗粒燃料燃烧炉，炉膛顶部的一侧设有与炉膛连通的落料口，落料口与进料绞龙的出口连通，锥形旋转炉盘位于炉膛底部，电弧点火器安装在位于落料口下方生物质颗粒点燃区，炉膛侧壁底部的一侧设有半圈布风管，炉膛侧壁底部的另一侧设有落灰口，布风管上设有面向锥形旋转炉盘的一次风口，布风管通过连接管连接风机的送风管，连接管上设有一次风调节阀，炉膛中部侧壁设有二次风口，二次风口上套有二次风管，二次风管与送风管连通，二次风管内设有二次风阀，炉膛上部侧壁设有三次风口，三次风口与送风管连通，三次风口对面的炉膛侧壁上布置有出风口。本发明实现输出均匀的高温烟气给供锅炉、工业窑炉等中小型设备。
Description
技术领域
本发明涉及可再生能源技术领域，具体地指一种高灰分生物质颗粒燃料燃烧炉及方法。
背景技术
随着电荒、油荒、电价上涨、油价上涨等能源状况的紧张，以及环境污染问题的日益严峻，各个行业使用可再生能源的意识逐步提升，其中生物质能源的利用是目前最切实可行的方向。
生物质颗粒燃烧是生物质能源利用的重要途径之一。中国发明专利CN201510713036.9公开了一种典型生物质颗粒燃烧机，其装置包括箱体及箱体内部的送料装置、送风装置和控制装置。其方法是生物质颗粒从送料口进入，通过送料绞龙送入燃烧头，燃烧空气通过风管与配风室，经进风口进入燃烧头。生物质颗粒与空气在燃烧头是扩散燃烧，存在燃烧不完全的问题，由于燃烧位于燃烧头下部，同时气流受重力影响易产生火焰下垂的现象。提高生物质颗粒燃烧效率需要对其进行改进。同时，由于生物质多数为秸秆、灌木等农林废弃物，其中Na、K、Si及其它挥发性物质含量比纯净的木屑高数十倍，而且在颗粒制作过程中混有尘土、沙粒等杂质，因此燃烧中灰渣含量高，且结焦、结渣严重，容易导致燃烧器堵塞。
专利号为CN200910147181X，CN2011102470690和CN2012101389342的中国专利都是针对高灰分生物质颗粒的燃烧进行设计，分别采用了活塞往复清灰、灰叉旋转清灰和旋转绞龙拨料清灰，实现了清灰的效果。但是由于单纯依靠机械式，易出现清灰装置的粘连和磨损问题。因此，对其清灰方式的改进显得尤为必要。
发明内容
为克服现有生物质颗粒燃料在使用过程中燃烧不充分、燃烧效率低、烟尘含量高、燃烧过程易结渣及火焰下垂等问题，本发明提供一种高灰分生物质颗粒燃料燃烧炉及方法，在解决以上问题的同时实现输出均匀的高温烟气给供锅炉、工业窑炉等中小型设备。
为实现此目的，本发明所设计的高灰分生物质颗粒燃料燃烧炉，其特征在于：它包括炉膛、进料绞龙、锥形旋转炉盘、炉盘电机、电弧点火器和风机，其中，炉膛顶部的一侧设有与炉膛连通的落料口，落料口与进料绞龙的出口连通，所述锥形旋转炉盘位于炉膛底部，锥形旋转炉盘由炉盘电机驱动旋转，电弧点火器安装在位于落料口下方的生物质颗粒点燃区，生物质颗粒点燃区位于锥形旋转炉盘锥形面的侧方，所述炉膛侧壁底部的一侧设置有半圈布风管，炉膛侧壁底部的另一侧设置有落灰口，布风管和落灰口位于锥形旋转炉盘锥形面的侧方，布风管上设有面向锥形旋转炉盘的一次风口，布风管通过连接管连接风机的送风管，连接管上设有一次风调节阀，炉膛中部侧壁设置有二次风口，二次风口上套有二次风管，二次风管与送风管连通，二次风管内设有二次风阀，炉膛上部侧壁设置有三次风口，三次风口与送风管连通，三次风口对面的炉膛侧壁上布置有出风口。
一种基于上述燃烧炉的高灰分生物质颗粒燃料燃烧方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：生物质颗粒进入进料绞龙，并在进料绞龙的作用下经落料口进入炉膛，进料三秒后进料绞龙停止运转，锥形旋转炉盘此时处于静止状态，电弧点火器打火点燃生物质颗粒，风机开始工作，一次风调节阀打开，一次风送入炉膛；
步骤2：热电偶检测到高于200℃的烟气时，炉盘电机驱动锥形旋转炉盘旋转，同时进料绞龙重新启动，生物质颗粒继续送入炉膛，燃烧的生物质颗粒在自身重力，一次风的风力，锥形旋转炉盘的离心力作用下处于一种微悬浮燃烧的状态，燃烧效率更高，生物质颗粒燃尽之后，自身体积比重增加，平衡被打破，生物质颗粒灰烬在力的作用下滑向锥形旋转炉盘边缘，最后从落灰口落入灰箱；
步骤3：当出风口处的烟气传感器检测到CO，H2等气体时，二次风调节阀打开，二次风开始送入，二次风在导流叶片的作用下产生旋转的二次风，旋转的二次风扩散与未燃尽的可燃气体充分混合燃烧，同时减少烧壁情况发生，保证炉膛安全；
所述步骤1～3中，风机开始工作时，三次风口吹出的三次风在出风口处正好处于水平稳定状态，保证炉膛炉顶负压，使火焰扬起，加快燃烧速度。
本发明中底部可转动的锥形炉盘与一次风配合，使生物质颗粒达到一种动态稳定，进入悬浮燃烧的状态，燃烧效率高。并利用一次风与二次风，达到气固两相燃烧，燃烧更充分。旋转的炉盘防止物料堆积与燃烧时结焦，同时出去燃尽颗粒。三次风在炉膛顶部产生微负压，简化流场，安全连续进料，抑制火焰下垂，同时使出风口的高温烟气为均匀烟气，可直接供设备使用。另外，本发明布置有多个探测装置，能为设备自动化运行提供传感数据。
本发明燃烧迅速高效，产热高，燃料燃烧完全，不会产生二次污染，自动出灰，解决生物质燃烧灰分易结焦结渣问题。
附图说明
图1为本发明生物质颗粒燃烧装置的结构示意图；
图2为本发明中燃烧炉的俯视图；
图3为本发明中锥形旋转炉盘的主视图；
图4为本发明中锥形旋转炉盘的俯视图；
图5为本发明中梯形管束的布置示意图。
其中，1—料斗、2—进料绞龙、3—加长旋杆、4—落料口、5—出风口、6—烟气传感器、7—观察口、8—热电偶、9—炉膛、10—锥形旋转炉盘、11—减速环、12—温度传感器、13—落灰口、14—灰箱、15—支撑墙、16—炉盘电机、17—电弧点火器、18—布风管、19—一次风口、20—一次风调节阀、21—风机、22—送风管、23—二次风阀、24—二次风口、25—导流叶片、26—管束、27—三次风口、28—绞龙电机、29—连接管、30—二次风管。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
本发明所设计的一种高灰分生物质颗粒燃料燃烧炉，如图1～5所示，它包括炉膛9(立式圆柱型炉膛，炉膛高径比约为5：2)、进料绞龙2、锥形旋转炉盘10、炉盘电机16、电弧点火器17和风机21，其中，炉膛9用支撑墙15支撑，炉膛9顶部的一侧设有与炉膛9连通的落料口4，落料口4与进料绞龙2的出口连通，进料绞龙2的入口与料斗1连通，所述锥形旋转炉盘10位于炉膛9底部，锥形旋转炉盘10由炉盘电机16驱动旋转，电弧点火器17安装在位于落料口4下方的生物质颗粒点燃区(焊接在炉膛9侧壁上，距离锥形旋转炉盘10水平距离3～5cm，因生物质颗粒密度较大，一般点火装置不易点燃，故利用高压电弧点燃生物质颗粒，一般在生物质点火过程中使用，正常燃烧时关闭此装置)，生物质颗粒点燃区位于锥形旋转炉盘10锥形面的侧方，所述炉膛9侧壁底部的一侧设置有半圈布风管18，炉膛9侧壁底部的另一侧设置有落灰口13，布风管18和落灰口13位于锥形旋转炉盘10锥形面的侧方，布风管18上设有面向锥形旋转炉盘10的多个一次风口19，相邻一次风口之间所呈角度约为30°，风速为10～20m/s，布风管18通过连接管29连接风机21的送风管22，连接管29穿出炉膛9侧壁，连接管29外壁与炉膛9侧壁之间密封，连接管29上设有一次风调节阀20，炉膛9中部侧壁设置有二次风口24，二次风口24上套有二次风管30，二次风管30与送风管22连通，二次风管30内设有二次风阀23，炉膛9上部侧壁设置有三次风口27，三次风口27与送风管22连通，三次风口27对面的炉膛9侧壁上布置有出风口5。
上述技术方案中，所述进料绞龙2由绞龙电机28驱动，进料绞龙2的入口连接有料斗1，进料绞龙2的末端同轴设有加长旋杆3。加长旋杆3用于防止颗粒在末端没及时落入落料口堆积挤压，损坏机器。进料绞龙2保证连续进料安全性，防止回火，倒火现象产生，一般进料绞龙2在末端可能会有物料堆积挤压的现象，故进料绞龙2与落料口4衔接处设有加长旋杆3，使生物质颗粒能全部落入进料口。
上述技术方案中，所述锥形旋转炉盘10的锥面上设有同轴的多个减速环11。利用旋转炉盘10不停旋转防止物料堆积与燃烧时结焦，在物料从落料口4落下时具有垂直方向上的动能，易直接滑到炉膛9侧边，引起堆积导致燃烧不完全，故在锥形旋转炉盘10上布置了环状的三角凸起作为减速环11，减缓跌落炉盘时的动能。
上述技术方案中，所述锥形旋转炉盘10的转速为6～10r/min。
上述技术方案中，所述落灰口13上布置有温度传感器12，落灰口13连接有灰箱14。落灰口13至锥形旋转炉盘10中心与落料口4至锥形旋转炉盘10中心之间的夹角为沿锥形旋转炉盘10转动方向的270°，这样尽最大可能延长生物质颗粒在锥形旋转炉盘10上燃烧的时间，同时防止生物质颗粒直接落入落灰口13。落灰口13处设有CO探头，生物质颗粒在未燃尽落入落灰口13时，由于灰箱14封闭，落灰口13氧气含量低，易在落灰口13出现CO气体，故在出现一定浓度的CO2时减慢锥形旋转炉盘10转速，无CO产生时加快锥形旋转炉盘10转速。
上述技术方案中，所述二次风管30设置有导流叶片25，二次风通过二次风管30与二次风阀23，在导流叶片25的作用下产生旋转的二次风，旋转的二次风快速扩散与未燃尽的可燃气体充分混合燃烧，同时减少烧壁情况发生，保证炉膛9安全。
上述技术方案中，生物质颗粒一次燃烧一般不完全，在烟气中会残留可燃性气体如一氧化碳、甲烷等，故在炉膛9中部布置二次风口，将残留的可燃气体在燃烧炉中清除，不但保护环境，而且提高燃烧效率。但直接吹出的二次风与可燃气体混合燃烧时易发生偏向烧壁现象，故在二次风管30设置导流叶片25，使吹出的二次风为旋风，紊流系数约在0.20～0.28，二次风在离开出风口后急剧扩散与炉膛9中的未燃尽的挥发分气体充分混合燃烧，同时减弱烧壁现象，保护炉壁安全，延长使用年限。
上述技术方案中，所述三次风口27位于二次风口24的正上方，三次风口27与二次风口24之间的距离为炉膛9炉高的30～40％，所述三次风口27相对炉膛向上倾斜3～8°。
所述三次风口27由呈梯形布置的管束26组成，所述出风口5的中心高于三次风口27的中心5～10cm，出风口5的直径为三次风口27直径的1.7～2.2倍，吹出的三次风在出风口处正好处于水平稳定状态，可直接接中小型设备，高速的三次风还会产生一个流速压差，使得火焰上扬。出风口5处布置有烟气传感器6，当检测到烟气中含有可燃性气体时，会改变二次风阀23的开度，增加二次风量，燃尽可燃气体。
一般的生物质颗粒燃烧炉会存在火焰下沉的问题，影响燃烧效率也容易积灰，故在炉膛上部布置三次风口，利用高速的三次风在上部产生一个微负压区，不但能简化流场，亦使火焰上扬。因为下方有一次风和二次风的影响，三次风口为呈梯形布置的多层管束，上窄下宽，其顶部与底部比值约为1比2，使产生的三次风受一次风与二次风影响更小，更加稳定。同时在实际中观测到由于三次风与炉内温度不一致，空气密度不同，三次风会存在明显下垂现象，故将三次风口略向上倾斜，一般三次风温度约在200～300℃，空气密度ρe约为0.83～0.74kg/m3，而炉内温度约为600～800℃，空气密度ρm约为0.40～0.33kg/m3，依据公式
可以得到三次风在垂直方向上的加速度j，g为重力加速度，又依据物理关系，联立公式得出，三次风口略向上倾斜3～8°，则三次风在出风口处正好为水平风，出风口高温烟气更为均匀，可以直接供中小型设备使用。
上述技术方案中，在出风口5处布置烟气传感器6，若发现烟气中有未完全燃尽的一氧化碳、焦油、甲烷、氢气时增加进风量，在炉膛内燃尽可燃气体。
依据生物质燃烧特性得一次风量约占总风量的20％至30％，二次风量约占总风量的50％至60％，三次风量约占总风量的10％至30％。
根据设计设备一次燃烧区约占炉膛高度20～30％，二次燃烧区约占炉膛高度60～70％，三次风区占炉膛高度5％～15％。一次燃烧区温度在600～750℃，二次燃烧区温度在800～1000℃，出风口温度在600～800℃。
上述技术方案中，所述二次风口24侧向的炉膛9侧壁上设置有观察口7，观察口7采用石英玻璃材质，用于观察火焰燃烧与设备运转情况，二次风口24正对面的炉膛9侧壁上设置有热电偶8。热电偶8用于检测温度，在火焰温度过高时，降低进料绞龙22的转速，减少通过落料口4进入炉膛9的生物质颗粒，保证炉膛9的安全稳定。二次燃烧区的温度为800～1000℃。
上述技术方案中，燃烧炉所用的生物质颗粒燃料一般为高径比3比1圆柱型颗粒，密度约在1.2至1.5kg/m3风阻系数c约在0.5至0.75之间，受到的风力为
又有离心力
其中，F1为受到的风力，ρ为生物质颗粒密度，S为生物质颗粒截面积，V为一次风速度，F2为离心力，m为生物质颗粒质量，V1为旋转线速度，R为锥形旋转炉盘半径，D为生物质颗粒直径。
同时受到自身重力及炉盘垂直斜面的支持力与摩擦力的影响，对其受力分析后，依据公式联立求解得锥形炉盘的圆锥角约为150°～170°，此时生物质颗粒在力平衡的状态下进行悬浮燃烧，燃烧效率更高。
一种上述燃烧炉的高灰分生物质颗粒燃料燃烧方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：生物质颗粒进入进料绞龙2，并在进料绞龙2的作用下经落料口4进入炉膛9，进料三秒后进料绞龙2停止运转，锥形旋转炉盘10此时处于静止状态，电弧点火器17打火点燃生物质颗粒，风机21开始工作，一次风调节阀20打开，一次风送入炉膛9；
步骤2：热电偶8检测到高于200℃的烟气时，炉盘电机16驱动锥形旋转炉盘10以6～10r/min的速度旋转，同时进料绞龙2重新启动，生物质颗粒继续送入炉膛9，燃烧的生物质颗粒在自身重力，一次风的风力，锥形旋转炉盘10的离心力作用下处于一种微悬浮燃烧的状态，燃烧效率更高，生物质颗粒燃尽之后，自身体积比重增加，平衡被打破，生物质颗粒灰烬在力的作用下滑向锥形旋转炉盘10边缘，最后从落灰口13落入灰箱14，此阶段燃烧温度为600～750℃，落灰温度为450～550℃。在生物质颗粒落入落灰口未燃尽时，会产生CO气体，利用CO传感器监测，当检测到CO时，减慢旋转炉盘10转速；
步骤3：当出风口5处的烟气传感器6检测到CO，H2等气体时，二次风调节阀打开，二次风开始送入，二次风在导流叶片25的作用下产生旋转的二次风，旋转的二次风扩散与未燃尽的可燃气体充分混合燃烧，同时减少烧壁情况发生，保证炉膛9安全，二次燃烧区的温度为800～1000℃；
所述步骤1～3中，风机21开始工作时，三次风口27吹出的三次风在出风口处正好处于水平稳定状态，保证炉膛9炉顶负压，使火焰扬起，加快燃烧速度，生物质颗粒一般热值较低，快速燃烧可以保证供热。
本发明中，当以谷壳颗粒为燃料时，生物质颗粒燃烧装置运行过程中，一次风量为40％，二次风量为40％，三次风量为20％，炉盘转速为8～10r/min，出口烟气温度为680℃。
当以林业废弃物颗粒为燃料时，生物质颗粒燃烧装置运行过程中，一次风量为30％，二次风量为45％，三次风量为25％，炉盘转速6～8r/min，出口烟气温度为740℃。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (10)
1.一种高灰分生物质颗粒燃料燃烧炉，其特征在于：它包括炉膛(9)、进料绞龙(2)、锥形旋转炉盘(10)、炉盘电机(16)、电弧点火器(17)和风机(21)，其中，炉膛(9)顶部的一侧设有与炉膛(9)连通的落料口(4)，落料口(4)与进料绞龙(2)的出口连通，所述锥形旋转炉盘(10)位于炉膛(9)底部，锥形旋转炉盘(10)由炉盘电机(16)驱动旋转，电弧点火器(17)安装在位于落料口(4)下方的生物质颗粒点燃区，生物质颗粒点燃区位于锥形旋转炉盘(10)锥形面的侧方，所述炉膛(9)侧壁底部的一侧设置有半圈布风管(18)，炉膛(9)侧壁底部的另一侧设置有落灰口(13)，布风管(18)和落灰口(13)位于锥形旋转炉盘(10)锥形面的侧方，布风管(18)上设有面向锥形旋转炉盘(10)的一次风口(19)，布风管(18)通过连接管(29)连接风机(21)的送风管(22)，连接管(29)上设有一次风调节阀(20)，炉膛(9)中部侧壁设置有二次风口(24)，二次风口(24)上套有二次风管(30)，二次风管(30)与送风管(22)连通，二次风管(30)内设有二次风阀(23)，炉膛(9)上部侧壁设置有三次风口(27)，三次风口(27)与送风管(22)连通，三次风口(27)对面的炉膛(9)侧壁上布置有出风口(5)。
2.根据权利要求1所述的高灰分生物质颗粒燃料燃烧炉，其特征在于：所述进料绞龙(2)由绞龙电机(28)驱动，进料绞龙(2)的入口连接有料斗(1)，进料绞龙(2)的末端同轴设有加长旋杆(3)。
3.根据权利要求1所述的高灰分生物质颗粒燃料燃烧炉，其特征在于：所述锥形旋转炉盘(10)的锥面上设有同轴的多个减速环(11)。
4.根据权利要求1或3所述的高灰分生物质颗粒燃料燃烧炉，其特征在于：所述锥形旋转炉盘(10)的转速为6～10r/min。
5.根据权利要求1或3所述的高灰分生物质颗粒燃料燃烧炉，其特征在于：所述落灰口(13)上布置有温度传感器(12)，落灰口(13)连接有灰箱(14)。
6.根据权利要求1所述的高灰分生物质颗粒燃料燃烧炉，其特征在于：所述二次风管(30)设置有导流叶片(25)，二次风通过二次风管(30)与二次风阀(23)，在导流叶片(25)的作用下产生旋转的二次风。
7.根据权利要求1所述的高灰分生物质颗粒燃料燃烧炉，其特征在于：所述三次风口(27)位于二次风口(24)的正上方，三次风口(27)与二次风口(24)之间的距离为炉膛(9)炉高的30～40％，所述三次风口(27)相对炉膛向上倾斜3°～8°。
8.根据权利要求1或7所述的高灰分生物质颗粒燃料燃烧炉，其特征在于：所述三次风口(27)由呈梯形布置的管束(26)组成，所述出风口(5)的中心高于三次风口(27)的中心5～10cm，出风口(5)的直径为三次风口(27)直径的1.7～2.2倍，出风口(5)处布置有烟气传感器(6)。
9.根据权利要求1所述的高灰分生物质颗粒燃料燃烧炉，其特征在于：所述二次风口(24)侧向的炉膛(9)侧壁上设置有观察口(7)，二次风口(24)正对面的炉膛(9)侧壁上设置有热电偶(8)。
10.一种基于权利要求1所述燃烧炉的高灰分生物质颗粒燃料燃烧方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：生物质颗粒进入进料绞龙(2)，并在进料绞龙(2)的作用下经落料口(4)进入炉膛(9)，进料三秒后进料绞龙(2)停止运转，锥形旋转炉盘(10)此时处于静止状态，电弧点火器(17)打火点燃生物质颗粒，风机(21)开始工作，一次风调节阀(20)打开，一次风送入炉膛(9)；
步骤2：热电偶(8)检测到高于200℃的烟气时，炉盘电机(16)驱动锥形旋转炉盘(10)旋转，同时进料绞龙(2)重新启动，生物质颗粒继续送入炉膛(9)，燃烧的生物质颗粒在自身重力，一次风的风力，锥形旋转炉盘(10)的离心力作用下处于一种微悬浮燃烧的状态，燃烧效率更高，生物质颗粒燃尽之后，自身体积比重增加，平衡被打破，生物质颗粒灰烬在力的作用下滑向锥形旋转炉盘(10)边缘，最后从落灰口(13)落入灰箱(14)；
步骤3：当出风口(5)处的烟气传感器(6)检测到CO，H2等气体时，二次风调节阀打开，二次风开始送入，二次风在导流叶片(25)的作用下产生旋转的二次风，旋转的二次风扩散与未燃尽的可燃气体充分混合燃烧，同时减少烧壁情况发生，保证炉膛(9)安全；
所述步骤1～3中，风机(21)开始工作时，三次风口(27)吹出的三次风在出风口处正好处于水平稳定状态，保证炉膛(9)炉顶负压，使火焰扬起，加快燃烧速度。
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