CN111336533A - 用于固体燃料烟气多级后燃烧的方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于固体燃料烟气多级后燃烧的方法与装置，该装置在重污染天气下仍可通过不同的转换而实现清洁燃烧、尾部废烟气清洁无味。清洁燃烧的烟气可与新鲜空气混合后直接用做谷物干燥的热风，热水和蒸汽锅炉在重污染天气时转换为单纯的燃烧状态产出CO2可用作农作物种植温室施肥。这个过程是让烟气在一个以上的涡流后燃烧室中进行多级后燃烧实现的，过程中烟气也会吸收陶瓷材料衬里5中的热能。在其它工艺参数不发生变化的情况下仅改变烟气供应通道的横截面面积即可改变热出力，该方法几乎实现CO、焦油、粉尘和二噁英的零排放。当添加尿素溶液以降低NOx的排放时，应通过在第一涡流后燃烧室3中保持稳定且最佳的温度从而实现效率的最高。

Description

用于固体燃料烟气多级后燃烧的方法与装置

技术领域

本发明涉及一种来自固体燃料，尤其是生物质燃料的烟气通过后燃烧产出纯净烟气的方法。本发明中烟气纯净度可根据不同应用场景进行调整，后燃烧是在一个以上的，控温条件下的大流量三次给风的涡流后燃烧室中进行的。

纯净烟气在一定的燃烧周期中生出，本发明的方法允许重污染天气时通过特定的驱动方式将新鲜空气与纯净烟气混合后用于干燥谷物，本发明方法还使得实质性利用尾部废烟气成为可能，例如将尾部废烟气中的CO2用作农作物种植温室肥料，还可以用在小型的、分散式热力系统中安全的焚烧垃圾。

背景技术

将化石燃料热力系统转换为固体生物质燃料(尤其是更困难的秸秆燃料)热力系统并实现可随时随地补充空气，需要导入全新的、燃烧更加清洁的系统。它要求燃烧装置排放的CO稳定低于10ppm，还可以在重污染天气条件下完全实现尾部废烟气排放优良，这样的热力系统目前尚未有见到。

农作物种植温室需要热量才能实现高产，同时还需要清洁的CO2做为肥料。而以往农作物种植温室主要是通过以天然气等为燃料实现以上目标，因为它几乎是产出无味，不含CO、粉尘、焦油和氯化碳氢化合物等污染物的烟气的唯一途径，而且只有使用天然气才能使氮氧化物含量保持在非常低的水平。而使用生物质，尤其是使用秸秆的热力系统则无法满足以上要求，因此迄今为止在中国禁止用“热烟气+空气”直接混合成的干燥空气干燥谷物。

如果要做到不使用换热器和烟囱等来减少无效热损耗、不使用除尘器、能量转换更加高效且尾部废烟气不含有害成分，以往的燃烧系统建造方法无法满足实现以上目标。

用于改善燃烧纯度的技术广泛存在，在垃圾焚烧时可使用昂贵的天然气或者燃油助燃以保证必需的燃烧温度。而根据CN 201811655101.7还可以使用稻草燃烧时的第二个燃烧装置来支持必要的燃烧温度，但该方法虽可避免二噁英产生，但尚未完全摆脱其它的燃料有害残留物对尾部烟气排放的困扰。

目前尚未见更多的与生物质燃烧相关联的、用燃烧系统储存热量并补充到燃烧过程以支持燃烧过程的技术报道，而一般在劣质煤的燃烧系统通常采用提供过量空气的方法，但这会大大降低热效率并增加燃料消耗。

如因给风造成烟气燃烧温度下降并导致碳气化或燃烧温度无法始终维持在800℃以上，或者由于没有足够长的燃烧时间从而无法实现烟气中未燃烧颗粒的充分燃烧，即便是实现了给风，但如没有进一步的工艺方法也无法实现真正的清洁燃烧和排放。

以往都是将一次风直接添加到燃料中，其燃烧时的空气量远超出燃料燃烧理论所需，但未见有将三次风添加到已接近清洁燃烧烟气中的，也尚未见到更多的用固体燃料，特别是用作物秸秆做为燃料时产出最纯净尾部烟气的工艺方法和装置。

NOx对大气的污染是一个日益严重的问题，向烟气中添加尿素溶液或氨是降低NOx排放的众所周知的方法该方法同样适用于生物质燃烧，但由于成本原因以上方法用在降低生物质燃烧NOx排放时无法使用催化剂，即所谓选择性非催化还原脱除NOx法(SNCR)。SNCR仅在很小的一个温度范围内才能发挥良好作用，当反应温度低于890℃时NH₃的反应不完全会造成所谓的“氨穿透”，当温度高于910℃时NH₃氧化为NO的量增加从而导致NOx排放浓度增大，所以SNCR法的温度控制至关重要。

问题在于燃烧室中的不同点位的温度一般差别较大，已有的热力系统无法做到在燃烧室任何点位都始终保持一个精准温度，让燃烧和降低NOx两个要求不同反应条件的化学过程在一个空间同时进行很可能是一个构造上的错误。

燃油、燃气或燃煤燃烧器产生的火焰柱温度都远高于1000℃，但在燃烧室的其他地方温度则可能低于600℃，在燃烧反应后如果将所有烟气充分混合后烟气温度会趋于平稳。当将用来降低NOx的化学物添加到燃烧室末端时，则有助于缩短烟气充分混合以及进行化学反应的时间，但当在燃烧室中添加化学物达不到最优条件，或者烟气温度变化不定时降低NOx的效果就会很糟糕。

发明内容

本发明的目的是发明一个方法和装置，通过后燃烧将烟气净化到最高纯度，这个后燃烧过程通过多阶段实现，并可设定不同烟气纯净度参数和适于各种固体燃料，尤其适用于秸秆燃料，该装置在重污染天气时仍可通过烟气流向切换或转换而实现清洁燃烧。

本发明方法和装置可以把尾部烟气燃烧洁净度提高到可以将尾部烟气中的CO2用做农作物种植温室生产肥料的程度，由新鲜空气和洁净烟气混合而成的热风还可直接用于谷物干燥并且其热效率接近100％，本发明方法和装置还可将尾部烟气中粉尘排放量减少到接近于零，以获取良好空气质量和有助于防止全球变暖。

本发明方法和装置能够创造最佳工艺条件实现在不使用催化剂的情况下通过添加尿素或氨等有效降低尾部烟气中NOx的排放。

已发现根据WO 2005/040680 A1的，下游带有涡流后燃烧装置的整捆秸秆气化燃烧系统运行时，当其导入大容量给风并且燃烧温度不低于740℃时，尾部烟气CO的含量会减至5ppm以下，而基于本发明方法的装置中的烟气涡流会得到进一步强化并且热化学反应时间得以延长。

一个固体燃料燃烧系统，尤其是秸秆燃料系统包含一个固体燃料气化室和一个燃烧室，通过二次给风产生烟气，而本发明通过将多阶段后燃烧方法引入燃烧过程从而实现烟气的分步后燃烧，根据本发明方法的装置将主要由一个以上的连续的涡流后燃烧室组成。

本发明的涡流后燃烧室都包含陶瓷材料衬里和陶瓷材料衬里下边的隔热层，整个热力系统由引风机产生的负压驱动。分级的后燃烧过程按以下步骤进行：

1.来自固体燃料燃烧系统的烟气通过烟气供应通道被吸入第一涡流后燃烧室，其内部负压来自于安装在多级后燃烧装置后的引风机，第一涡流后燃烧室中的负压由压力传感器连续监测并在一个900-2500Pa的设定范围内进行调节。

这个调节过程是通过改变引风机的速度来实现的，即通过一个执行器减小烟气供应通道的横截面积而使得烟气的燃烧容量发生改变，其结果是烟气流量无论变大变小但流速几乎会保持不变，所以其压力设定值也几乎保持恒定。

通过保持第一涡流后燃烧室负压不变，大容量固体燃料气化燃烧产生的烟气可以非常均匀地流动，从而可以有效的实现温度可控。烟气供应通道和执行器一样，其内部都是按照空气动力学原理采用锥形设计的，烟气以至少45米/秒的几乎恒定的流速流入第一涡流后燃烧室的燃烧涡流中。

第一涡流后燃烧室的下部空间容积的大小被设计成可以使烟气在其中驻留时间至少为0.6秒，在固体燃料燃烧系统里，通过关联一次风量和气化强度可以控制烟气温度在一个870-910℃温度范围内，期望值是890℃，通过控制二次给风量可以控制烟气流的λ值在一个1.4-1.6范围内，期望值是1.5。

烟气在第一涡流后燃烧室的下部空间时，控制烟气中的固态颗粒在高于碳气化所需温度的强湍流中驻留一个时间后，这些固体颗粒就会变成气态随烟气流出。

期望的890℃的烟气温度值主要是通过控制燃烧系统里的一次和二次风量来实现，后边能够强化气化过程的装置也会对温度控制发生作用。

根据第一步骤，烟气流过两个涡流后燃烧室时仅通过在强涡流中驻留足够长时间、无需进一步增加给风就可实现清洁燃烧并最后产出热水或蒸汽。

2.为实现连续地产出洁净烟气，可在第一涡流后燃烧室大约一半高度处通过一个入口通道添加三次风，三次风的λ值至少提高到2.5，通过保持第二涡流后燃烧室温度在750-790℃之间而实现对给风量进行精确控制。

根据实践经验，在750-790℃和λ值2.5的条件下，来自固体燃料燃烧系统的烟气进入第一涡流后燃烧室在给风和强湍流状态中进一步驻留超过1.4秒后，其烟气流即便残存少量固体颗粒也能够实现CO排放值稳定低于2ppm。

同时烟气中没有焦油、粉尘和二噁英，而通过提高引风机速度可自动补偿第一涡流后燃烧室三次给风所造成的压降。

3.为使烟气得到完全纯化、或为提高热效率而减少三次风给风量，可以提高第一涡流后燃烧室中的烟气涡流速度，此时的三次风不再仅仅是被负压吸入，还可以通过喷嘴带压喷入。

压缩的三次风来自于一个独立的高压风机，该风机速度会通过第二涡流后燃烧室中设定的温度区间(750-790℃)来实现慢速的和小步的调整，此时的三次风给风风速会因其大大快于烟气速度从而让烟气涡流加速，这个过程类似于用一个鞭子来抽一个陀螺。

三次风可依先后次序通过多个位于第一涡流后燃器不同高度、可独立闭锁的进风管吹入，在第一涡流后燃烧室下部空间没有完全裂解的燃料颗粒进入第一涡流后燃烧室上部空间的温度区继续完成裂解。

4.为在设定的时间周期内产出纯净烟气，在工艺过程的初始时会添加固定量得三次风，λ值会提高到大于2.8，一个时间延迟后烟气温度也会因混入三次风而下降。

涡流后燃烧室的陶瓷材料衬里可存储热量，热量会因温度差以辐射和对流方式释放到烟气中，伴随过量给风烟气就会实现清洁燃烧并产出纯净烟气，在这个燃烧周期里三次风给风量保持不变。

如果第二涡流后燃烧室中的温度降至750-790℃的范围以下时则三次给风会停止，烟气驻留时间则可延长到1-6分钟，伴随着过量给风产出纯净、无味和CO排放值几乎为零的尾部烟气。

此时的尾部烟气还可用作农作物种植温室所需的CO2肥料。在完成三次给风后两个涡流后燃烧室中的温度会再次升向与第一涡流后燃烧室的下半部的理想温度的890℃，陶瓷材料衬里会被重新加热并存储热能以供下一个燃烧周期使用。

根据经验陶瓷材料衬里的再加热时间可设定为烟气燃烧周期时长的1.2倍。

5.烟气中存在的未裂解气化的粒子可以解释为烟气混合不充分和热反应因子不够充足。存在于第一和第二涡流后燃烧室中间的、有陶瓷材料衬里的传输通道被设计为圆形和圆锥形，类似于燃油燃气燃烧器的火焰管，烟气会因受向心力而呈圆锥形。

此时的烟气已几乎完全呈气态，第二涡流后燃烧室引风机产生的有效负压可将烟气流速提高到最少70米/秒。

6.烟气在第二涡流后燃烧室中停留时间约为0.8秒。由于烟气进入的最小流速为60米/秒，并且因第二涡流后燃烧室内直径减小为第一涡流后燃烧室内直径的0.8倍，因此烟气涡流速度会更高并沿向心力方向离开。

第二涡流后燃烧室中由引风机产生的负压在烟气涡流向心力作用下进一步得到加强。在更低的负压和内摩擦力作用下的水分子裂解所需温度就会降低，由此会产生更多高度活性的氢、氧离子让烟气燃烧更加充分。

整个系统的热出力改变可通过减小或增大烟气供应通道横截面实现，仅需按照步骤4按照热出力比例在烟气燃烧循环中对三次给风量进行校正即可，所有控制回路和设定值保持不变。

这个过程可通过两个执行器的机械或程控匹配来实现，当三次给风带压射入时，烟气供应通道中的执行器位置会与高压风机的速度相关联。

本发明方法的实施主要由两个涡流后燃烧室来实现，两个涡流后燃烧室内腔为圆形，其内腔高度至少是内腔直径的四倍从而确保烟气涡流速度足够高，烟气呈切向进入涡流后燃烧室。

两个涡流后燃烧室的内部容积加在一起允许烟气驻留2秒以上(基于λ值1.6)，相对应的内容积和热功率关系约为7立升/kW，温度跨度可从870℃-170℃，最低2秒的烟气驻留时间符合在烟气中消除二恶英的法规要求。

生物质通常含有氯，因此在气化过程中会产生二噁英。本发明的方法旨在氧化掉甚至最后一个碳原子，因此在烟气降温过程中可有效防止二噁英的再合成从而实现最大的安全性，因此排出烟气中几乎不存在未充分燃烧的碳也不会有二噁英产生。

本发明方法同样适用于小型的分散式垃圾焚烧系统，因过量空气造成热效率损失对垃圾焚烧系统来说并非是重大缺陷，而其干净的燃烧产物则可以延长布袋除尘器的使用寿命。

涡流后燃烧室内不低于7厘米厚的陶瓷材料衬里可经久耐用并具有足够的储热放热能力，可实现1兆瓦热功率有最少18平方米陶瓷材料衬里。

陶瓷材料衬里是由铝含量50％以上的、具有催化活性的陶瓷材料浇铸而成。陶瓷材料成分可以有所不同，但必须确保其尽可能高的导热性，其导热率最小为1.3瓦/米·度、最高可达3瓦/米·度。

陶瓷材料衬里下方的隔热保温层应采用优质保温隔热材料从而为烟气燃烧过程提供热力支持并降低陶瓷材料衬里本身的热应力，隔热保温层厚度最小应为7厘米。

如因系统异常或发生紧急情况时，需有将燃料气化燃烧系统与烟气消耗系统迅速分离时的安全装置，本发明的方法为此提供了一个由电磁开关控制保持水平工位、让烟气自由释放的安全旋转翼板。

烟气向上的通道被安全旋转翼板锁闭，在安全旋转翼板之上布置有一个排气烟囱。如第二涡流后燃烧室中温度低于710℃时，或者发生其它紧急故障需要时则电磁开关会自动断电，安全旋转翼板将自动落下并将烟气引入烟囱中。

本发明的烟气多级后燃烧方法对使用尿素溶液或氨降低NOx排放的过程进行最佳集成，第一涡流后燃烧室下部空间的温度可以控制在NOx没有催化剂的情况下实现转化的最佳温度的890℃，尿素溶液或氨从布置在第一涡流后燃烧室的下部空间的一半高度，也就是第一涡流后燃烧室的内部高度的25％处的喷雾器喷入第一涡流后燃烧室。

至此燃烧过程基本完成。通过调控烟气供应通道横截面积使得烟气温度控制在890℃，接下来的燃烧过程烟气温度变化不会高出1℃，所有的热力学和化学反应参数至少会稳定到下一个0.3秒或者更长时间，脱硝效率达到最高。

附图说明

图1给出了一个来自4.5MW燃烧系统的同体燃料的烟气的多级后燃烧装置。

图2给出了一个在不同高度有若干个三次给风管的第一涡流后燃烧室。

图3给出的是带有两个涡流后燃烧室的装置在不同高度的横切面图。

图4给出的是一个将充分燃烧后的烟气和新鲜空气混合并连续产出用于谷物干燥热风的4.5兆瓦热功率的热力系统。

图5给出的是一个用于农作物种植温室的4.5MW热功率的热力系统，该系统产出的非常纯净的烟气可用做农作物种植温室所需的CO2肥料。

图中：1-秸秆燃烧系统，2-秸秆捆包，3-第一涡流后燃烧室，4-第二涡流后燃烧室，5-陶瓷材料衬里，6-隔热保温层，7-烟气供应通道，8-下部空间，9-引入通道，10-三次风，11-横截面减缩装置，12-伺服电机，13-上部空间，14-烟气传输通道，15-烟气离开通道，16-温度传感器，17-温度传感器，18-温度传感器，19-压力传感器，20-引风机，21-横截面减缩装置，22-冷却通道，23-外壳体，24-水冷却，25-谷物干燥机，26-空气，27-旋转翼板，28-电磁开关，29-废气烟囱，30-火花防护室，31-不锈钢回转筛，32-冷空气，33-风机，34-热交换器，35-农作物种植温室，36-风机，37-烟囱，38-生物过滤器，39-冷却通道，40-高压风机，41-干燥热风，42-消防水嘴，43-温度传感器，44-闭锁装置，45-丝杠，46-脱硝溶液喷雾器，47-脱硝溶液管，48-给风喷嘴，49-手动调节风门。

具体实施方式

以下将参考附图更详细地解释本发明的应用示例。

两个实施例的热力系统的热功率都是4.5MW(860-170℃)，根据CN201811060698.0(特别适合植物茎秆等的自动送料、整捆燃烧的气化装置)构造的秸秆燃烧系统(1)，秸秆捆包(2)送入一个可同时容纳许多个秸秆捆的大的气化室在低温和低气化强度下均匀的产出烟气。

图1示出了用于实施本发明的方法，包含一个内直径为1.8m的第一涡流后燃烧室(3)和一个内直径为1.5m的第二涡流后燃烧室(4)的装置。两个涡流后燃烧室(3，4)的高度均不低于7.5m。烟气在两个涡流后燃烧室(3，4)中的驻留时间不低于2秒。

涡流后燃烧室(3，4)内部有不低于7厘米厚的耐火陶瓷材料衬里(5)，耐火陶瓷材料衬里(5)是由铝含量至少为50％的重质耐火混凝土构成，其导热系数至少为1.3W/mx°K。耐火陶瓷材料衬里(5)下面是一个不低于8厘米厚的粘合体隔热保温层(6)。

由秸秆燃烧系统(1)产生的烟气经过烟气供应通道(7)切向进入第一涡流后燃烧室(3)下部空间(8)并在此启动第一个涡流燃烧过程。在第一涡流后燃烧室(3)的大约一半高度处有切向进入第一涡流后燃烧室(3)上部空间(13)的三次风(10)引入通道(9)。三次风(10)被第一涡流后燃烧室(3)上部空间(13)的负压吸入，并可通过横截面减缩装置(11)和伺服电机(12)进行控制。

第一涡流后燃烧室(3)内、引入通道(9)的下方的下部空间(8)燃烧温度接近890℃，在第一涡流后燃烧室(3)内、引入通道(9)的上方的上部空间(13)中因有过量空气会使得烟气温度降低，但其温度仍足以保证烟气中的燃料残留物完全燃烧，三次风(10)给风量可仅通过测温实现精准和安全控制。

来自第一涡流后燃烧室(3)的烟气通过带有同样带有耐火陶瓷材料衬里(5)和保温隔热层(6)的、横截面为圆形或圆锥形、直径约为56cm的烟气传输通道(14)进入第二涡流后燃烧室(4)。

此处的烟气汇聚成锥形，因第二涡流后燃烧室(4)中引风机(20)形成的可高达2100Pa的负压(图3)，烟气流速在此点可达最高热出力所需的不低于60米/秒。

由于第二涡流后燃烧室(4)的更小内直径能让第二涡流后燃室(4)里的烟气涡流速度达到800转/分钟以上，让烟气充分燃烧后通过烟气离开通道(15)离开第二涡流后燃烧室(4)。

因第二涡流后燃烧室(4)的温度传感器(16)布置在大约一半高度处，这样可以确保烟气在第二涡流后燃烧室(4)再停留至少0.4秒。

第一涡流后燃烧室(3)中的温度传感器(17)提供用于控制秸秆燃烧系统(1)的信号，并根据第一涡流后燃烧室(3)下部空间(8)的890℃的恒温点，按照CN 201811060698.0小步、慢速地调节完成一次和二次给风。

位于第一涡流后燃烧室(3)下部空间(8)中的第二个温度传感器(18)在上一个燃烧周期结束后和下一个燃烧周期开始前对陶瓷材料衬里(5)的再加热和下部空间(8)温度是否保持不低于880℃进行监测，如果在设定的7分钟内温度连续高于880℃则会自动开启下一个燃烧周期，所以温度传感器(18)也具有监测功能。

在第一涡流后燃烧室(3)下部空间(8)中布置有一个压力传感器(19)，通过对引风机(20)的速度进行连续调节从而实现第一涡流后燃烧室(3)下部空间(8)恒定的1400Pa负压，因此气化室中的大容量秸秆可以非常均匀和缓慢地进行气化反应，第一涡流后燃烧室(3)下部空间(8)的工艺参数保持不变和优化，这种最优化还可以惠及烟气中氮氧化物的含量。

在秸秆燃烧系统(1)中可添加二次风使λ值达到1.5，在本示例中第一涡流后燃烧室(3)的下部空间(8)占到第一涡流后燃烧室(3)内部空间的一半，烟气在在第一涡流后燃烧室(3)下部空间(8)的驻留时间约为0.6秒。

烟气供应通道(7)与第一涡流后燃烧室(3)汇合处的内径为62厘米，此处烟气以大约50米/秒的速度流动，烟气随后在第一涡流后燃烧室(3)下部空间(8)的旋转速度达到不低于550转/分钟。

在热功率降低时，为利用第一涡流后燃烧室(3)的下部空间(8)常压力实现烟气流速不减，可按CN 201811655101.7在烟气供应通道(7)中布置一个横截面减缩装置(21)，通过改变烟气供应通道(7)横截面积改变热功率。横截面减缩装置(21)包含的冷却通道(22)允许少量冷却空气从外部进入并成为燃烧系统总给风的一部分。

为连续产出CO含量小于1ppm的纯净烟气，三次风(10)通过引入通道(9)吸入并保持λ值达到2.3、最高2.5，λ值不低于2.3时则相当于约12％的含氧量并可实现非常干净的充分燃烧。

三次风(10)量可根据设定温度点(此处为780℃)温度传感器(16)的测量值通过伺服电机(12)实现调节，当该监测点温度降到710℃以下时则烟气燃烧质量会显著恶化，这时可由温度传感器(43)感知到温度变化并停止二次给风。

因燃料热力反应的惰性和温度感知具有延时性，正常情况下三次风(10)量是通过“行进-停止-行进-停止”进行小步和慢速进行调节，仅通过改变给风量就可以快速改变温度并且还补偿燃料热力学表现偏差，使得本发明的方法的烟气温度波动变化幅度很小。

三次风(10)给风导致第一涡流后燃烧室(3)内的压力下降时，引风机(20)就会吸入更大容量的烟气，压力的偏差则会因引风机(20)速度的改变而得到校正。

图2示出了具有四个引入通道(9)用于三次风(10)给风的实施例，四个引入通道(9)每个都可单独开合，这样就可以在高温状态下通过优化烟气停留时间裂解烟气中的碳颗粒。

为实现良好燃烧表现，三次风(10)还可以被高压风机(40)加压喷入，可对三次风(10)的给风喷嘴(48)进行优化使其正压给风并达到与第一后燃烧室(3)下部空间(8)中的负压形成的效力相同，高压风机(40)形成的压力可达2000Pa。

图2示出了用于喷洒尿素溶液或氨的脱硝溶液喷雾器(46)和脱硝溶液管(47)，脱硝溶液喷雾器(46)布置在第一涡流后燃烧室(3)的下部空间(8)的大约中间高度处，烟气在脱硝溶液喷雾器(46)的下方混合达到稳定温度，其上方的烟气则控制在理想温度的890℃并至少延续至下一个0.3秒。

这个温度是在不使用催化剂的情况下降低NOx的最佳反应温度，强涡流可以保证化学反应物的充分混合和足够的反应强度。这种降低NOx的装置的造价低并且效率高，可有效解决烟气多级后燃烧过程中NOx的排放难题。

图3示出了根据本发明方法的装置的横断面图。烟气从烟气供应通道(7)切向进入第一涡流后燃烧室(3)。

为了在不影响燃烧洁净度的前提下改变热功率，烟气供应通道(7)包含有一个钢制的横截面减缩装置(21)，横截面减缩装置(21)外覆陶瓷涂层和带有一个冷却通道(22)，冷却空气经冷却通道(22)和烟气供应通道(7)进入并可成为热力系统总给风的一小部分，横截面减缩装置(21)是通过一个丝杠(45)由人工手动操作。

两个涡流后燃烧室(3、4)可从外部进行水(24)或空气(26)冷却。如果系统产出的是热风则通过如图所示的外壁体(23)进行空气冷却(26)，如果系统产出的是热水则通过如图所示的外壁体(23)进行水冷却(24)会更好。

图4给出的是用于谷物干燥机(25)的热力系统。在烟气进入引风机(20)之前通过一个手动调节风门(49)与来自冷却系统的空气(26)混合，混合后的热风温度约为250℃，该温度水平与引风机(20)等相容。

旋转翼板(27)由电磁开关(28)控制保持在可让烟气自由通过的水平工位，如果温度传感器(43)显示第二涡流后燃烧室(4)的温度低于710℃或出现其它紧急情况时，电磁开关(28)就会落下旋转翼板(27)，烟气直接被导入进入废气烟囱(29)。

这时候整个热力系统就会启动运行，只有在温度传感器(43)显示第二涡流后燃烧室(4)温度高于710℃的最低温度后再由操作人员手动将旋转翼板(27)转回到烟气自由通行的水平工位而让烟气直接流入火花防护室(30)。

在火花防护室(30)中有两个不锈钢回转筛(31)用来阻滞烟气中的火花，在连续运行2-8小时后可以从外部手动翻转一次不锈钢回转筛(31)，烟气的纯净燃烧可提高不锈钢回转筛(31)的使用寿命。

伴随冷空气(32)加入，谷物干燥机(25)所需热风温度可在45-120℃之间进行调节。风机(33)使火花防护室(30)保持真空并将热风推送到谷物干燥机(25)。因为所有烟气得到利用而没有排放等损失，系统所有部件又具有良好隔热保温性能使得热辐射损耗也几乎没有，因此整个热力系统的热效率可接近100％。

本系统的优势是燃料消耗低、排出气体不污染环境、不需要热交换器，耗电小、热效率高和不需要除尘器，并且应用后将产生巨大经济效益。

图5给出了本发明的方法用于农作物种植温室(35)的热力系统，其包括根据CN201811060698.0的秸秆燃烧装置(1)和紧随两个涡流后燃烧室(3、4)的烟气-水热交换器(34)。该系统可在以下三种模式下应用：

-仅产出热水满足温室供暖时无需添加三次风(10)，由于烟气在两个涡流后燃烧室(3、4)的高强度涡流内燃烧的时间足够长，因此其排放良好且热效率高；

-当重污染天气时，高压风机(40)可将三次风(10)加压吹入第一涡流后燃烧室(3)后使得烟气涡流加速、λ值会提高，排出的废烟气几乎无味且对环境没有危害，燃料消耗会略有提高；

-在重污染天气运行热力系统时，还可以缩短燃烧周期将产出的纯净烟气用作农作物种植温室(35)的CO2肥料，这时候的三次风(10)量会增加、λ值会提高到3以上、含氧量会达到14％。

整个系统通过可编程控制器PLC实现。

通过添加三次风(10)使λ值达到3.3并保持三次风(10)量不变，系统开始产出经过充分燃烧的纯净烟气并让其中的CO2做为农作物种植温室(35)的肥料被利用。

由高压风机(40)将三次风(10)的空气加压到2000Pa后并以120米/秒的速度经给风喷嘴(48)吹入第一涡流后燃烧室(3)，第一涡流后燃烧室(3)上部空间(13)烟气涡流速度则达到750转/分钟以上。

位于农作物种植温室(35)的风机(36)从烟囱(37)中吸入纯净废烟气并被经由冷却通道(39)进入的新鲜空气稀释和冷却至适合农作物种植温室(35)的温度，其中的CO2会被做为农作物种植温室(35)肥料使用，整个工艺的高λ值可补偿热效率损失。

当温度传感器(16)感知的温度降至设定的750℃以下时三次风(10)给风会停止，而温度传感器(43)还负责在第二涡流后燃烧室(4)温度低于设定的710℃时终止燃烧周期，位于农作物种植温室(35)的风机(36)也会停止。

尾部烟气穿过带有一个秸秆捆包或废弃农作物构成的生物过滤器(38)后进入农作物种植温室(35)，这样一个较大面积、高水分含量的生物过滤器(38)可降低烟气中的粉尘含量。在生物过滤器(38)的上方布置有一个消防水嘴(42)。

以上本发明方法的实施例给出了构造实现最清洁排放的热力系统的方法。

在能够认可短时间热效率降低的前提下，本发明方法还可以通过PLC等程控方法实现重污染天气条件下热力系统的功能转换。

烟气在本发明的多级后燃烧装置中按照设定的驻留时间和温度燃烧可提高热效率和减少氮氧化物排放。

该方法还可用于来自劣质燃料(尤其是垃圾)的烟气的分级后燃烧，因为本发明技术基于大容积燃料和大空间燃烧室，所以其安全性高，可用于建造小型分散式垃圾焚烧系统。

对于燃烧系统来说除尘器必不可少，但布袋除尘器的使用寿命会受到烟气中存在的焦油和火星的严重影响，而本发明的方法还为解决微细粉尘问题等提供了解决方案。

Claims (21)

1.一种用于固体燃料烟气多级后燃烧的方法与装置，包含一个气化室和一个燃烧室的固体燃料燃烧系统，在气化室通过关联烟气温度控制添加一次风和在燃烧室添加二次风气化燃烧后产生的烟气进行多级后燃烧的方法，多级后燃烧是在一个以上的、相互连接的涡流后燃烧室中驻留燃烧最少2秒；其特征在于，烟气被以900Pa-2500Pa的负压、870-910℃温度范围、理想的温度是890℃、流速不低于45米/秒、λ值1.4-1.6，切向吸入第一涡流后燃烧室(3)的燃烧涡流中，仅在第一涡流后燃烧室(3)的下部空间(8)燃烧0.6秒后再在第一涡流后燃烧室(3)的上部空间(13)加入三次风(10)直到λ值达到2-3.3。

2.根据权利要求1所述的用于固体燃料烟气多级后燃烧的方法，其特征在于，三次风(10)是在第一涡流后燃烧室(3)的上部空间(13)的不同高度被添加到涡流中。

3.根据权利要求1所述的用于固体燃料烟气多级后燃烧的方法，其特征在于，第一涡流后燃烧室(3)和第二涡流后燃烧室(4)的内腔高度至少是内腔直径的4倍，并且第一涡流后燃烧室(3)的内腔直径是第二涡流后燃烧室(4)内腔直径的1.2倍以上。

4.根据权利要求1所述的用于固体燃料烟气多级后燃烧的方法，其特征在于，在第一涡流后燃烧室(3)下部空间(8)中的压力是在负压900Pa-2500Pa之间连续和自动地进行调节。

5.根据权利要求1所述的用于固体燃料烟气多级后燃烧的方法，其特征在于，压缩的三次风(10)通过引入通道(9)和给风喷嘴(48)，或者通过多个引入通道(9)，切向进入第一涡流后燃烧室(3)的涡流中。

6.根据权利要求1所述的用于固体燃料烟气多级后燃烧的方法，其特征在于，所述的三次风(10)以至少与第一涡流后燃烧室(3)下部空间(8)中相同的压力效力被加压后喷入第一涡流后燃烧室(3)。

7.根据权利要求1所述的用于固体燃料烟气多级后燃烧的方法，其特征在于，为连续地产出纯净烟气，通过“停止-行进-停止-行进”模式小步、慢速的自动改变三次风(10)量从而始终控制第二涡流后燃烧室(4)的温度保持在750-790℃之间。

8.根据权利要求1所述的用于固体燃料烟气多级后燃烧的方法，其特征在于，为在给定时间内的、非连续性烟气燃烧中产出纯净烟气，在连续定量的添加三次风(10)和λ值大于2.8时，温度下降的烟气会以对流和辐射方式从第一涡流后燃烧室(3)的上部空间(13)、烟气传输通道(14)和第二涡流后燃烧室(4)的陶瓷材料衬里(5)中获取热量。

9.根据权利要求8所述的用于固体燃料烟气多级后燃烧的方法，其特征在于，当位于第二涡流后燃烧室(4)大约一半高度的温度传感器(16)测量的第二涡流后燃烧室(4)中的烟气温度降至750-790℃以下时，上一个燃烧周期就会终止。

10.根据权利要求1所述的用于固体燃料烟气多级后燃烧的方法，其特征在于，所述的烟气通过内部呈锥形收窄的烟气传输通道(14)从第一涡流后燃烧室(3)流向第二涡流后燃烧室(4)，此处烟气被加速至不低于70米/秒。

11.根据权利要求1所述的用于固体燃料烟气多级后燃烧的方法，其特征在于，仅通过横截面减缩装置(21)改变进入第一涡流后燃烧室(3)下部空间(8)的烟气供应通道(7)的烟气流横截面积即可改变热出力。

12.一种用于固体燃料烟气多级后燃烧的装置，将来自于包含一个气化室和一个燃烧室的固体燃料燃烧系统的，在气化室通过关联烟气温度控制添加一次风和在燃烧室添加二次风气化燃烧后产生的烟气进行多级后燃烧的装置，后燃烧是在一个以上的、相互连接的涡流后燃烧室中燃烧；其特征在于，所述的三次风(10)是经过引入通道(9)切向进入第一涡流后燃烧室(3)的上部空间(13)。

13.根据权利要求12所述的用于固体燃料烟气多级后燃烧的装置，其特征在于，多个可单独关闭的三次风(10)引入通道(9)在不同的高度通向所述的第一涡流后燃烧器(3)的上部空间(13)。

14.根据权利要求12所述的用于固体燃料烟气多级后燃烧的装置，其特征在于，为连续产出纯净烟气，在三次风(10)引入通道(9)中提供了一个配置伺服电机(12)的横截面减缩装置(11)，并且所述的横截面减缩装置(11)可通过伺服电机(12)的“运行-停止-运行-停止”慢速和小步调节改变工位。

15.根据权利要求12所述的用于固体燃料烟气多级后燃烧的装置，其特征在于，所述第一涡流后燃烧室(3)和第二涡流后燃烧室(4)内腔为圆形，其内腔高度至少是内腔直径的四倍，第一涡流后燃烧室(3)、第二涡流后燃烧室(4)和烟气传输通道(14)的陶瓷材料衬里(5)确保每兆瓦热功率最少匹配不低于18平米的陶瓷材料衬里面积。

16.根据权利要求12所述的用于固体燃料烟气多级后燃烧的装置，其特征在于，所述的第一涡流后燃烧室(3)和第二涡流后燃烧室(4)具有7-10厘米厚的、导热系数至少为1.3瓦/米·度的陶瓷材料衬里(5)，在陶瓷材料衬里(5)的下边是不低于7厘米厚的蛭石隔热保温层(6)。

17.根据权利要求12所述的用于固体燃料烟气多级后燃烧的装置，其特征在于，所述烟气传输通道(14)的陶瓷材料衬里(5)导热率大于3瓦/米·度，并且其厚度至少为12厘米。

18.根据权利要求12所述的用于固体燃料烟气多级后燃烧的装置，其特征在于，通过改变引风机(20)的速度，将所述第一涡流后燃烧室(3)下部空间(8)中的压力持续保持在固定值。

19.根据权利要求12所述的用于固体燃料烟气多级后燃烧的装置，其特征在于，在所述的烟气燃烧周期运行时，烟气供应通道(7)中的横截面减缩装置(21)的工位与三次风(10)的引入通道(9)中的横截面减缩装置(11)的工位或者与引入通道(9)送入三次风(10)的高压风机(40)速度定式关联，该定式关联可通过机械或电子方式实现调控。

20.根据权利要求12所述的用于固体燃料烟气多级后燃烧的装置，包含用于降低NOx排放的尿素溶液或氨等的脱硝溶液喷雾器(46)，其特征在于，所述的脱硝溶液喷雾器(46)在第一涡流后燃烧室(3)中喷雾并布置在第一涡流后燃烧室(3)下部空间(8)的一半高度处。

21.根据权利要求12所述的用于固体燃料烟气多级后燃烧的装置，其特征在于，用于烟气多级后燃烧的设备在下游连接一个安全装置，该装置包括一个由电磁开关(28)控制在水平操作工位的旋转翼板(27)，当温度传感器(43)温度低于710℃或者出现其它紧急情况时电磁开关(28)会关闭，处在水平操作工位的旋转翼板(27)受重力作用自动落下并将烟气直接导入废气烟囱(29)排向外部。

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