CN112469943A - 燃烧器装置和燃烧装置 - Google Patents

Abstract

公开了一种粉末燃烧器装置和燃烧装置，在粉末燃烧器装置中，可以将甚至粗粉碎的生物质粉末用作工业燃料；可以通过使用燃烧器装置稳定且高效地控制燃烧装置的运行。本申请的燃烧器装置(10)具有：燃烧器管(12)；将生物质粉末(F)供应到燃烧器管(12)的燃料供应装置(30)；以及连接到燃烧器管(12)的侧壁的一次空气供应管(14)，其中从燃料供应装置(14)供应的生物质粉末(F)在通过来自一次空气供应管的一次空气在燃烧器管(12)中涡旋的同时下降，并从在燃烧器管(12)的下端处从燃料排出口(13)排出。燃烧器装置(10)还具有隔热壁(17)，其在燃料排出口(13)下方具有圆锥形内壁(17a)。

Description

燃烧器装置和燃烧装置

技术领域

本申请涉及使用诸如草、木材、食物垃圾等的生物质粉末作为燃料的燃烧器装置和燃烧装置。本申请公开了一种甚至可以将粗粉碎(或磨碎、切割)的生物质粉末用作工业燃料的粉末燃烧器装置，并且还公开了一种使用该燃烧器装置的燃烧炉，该燃烧炉可以稳定且高效地运行。本申请的生物质粉末燃烧设备可以使用草(如稻草、麦秸、稻壳和耀司(yoshi))、木本(如稀木、木材废料、建筑废料、树皮和修剪的树枝)作为能够燃烧控制的工业燃料。它也可以使用固体阻燃生物质，例如咖啡渣、废地板和食物残渣，即使该生物质是不易燃的生物质，例如低热值、高灰分或低熔点灰分。除了热源设备和发电设备之外，本申请的燃烧设备还可以用作替代设备，例如现有的油/气燃料燃烧设备。

背景技术

存在各种类型的生物质但未被广泛使用的原因是，它们并未大量地用作工业燃料。如果可以用作工业燃料，它将成为宝贵的能源。为了用作工业燃烧设备的燃料，重要的是能够如天然气和石油燃料的情况下那样，在短时间(以分钟为单位)内控制燃烧量、燃烧废气温度、废气特性等作为热源。在使用生物质作为燃料的燃烧设备中，除了燃烧器类型之外，没有其他系统可以满足该条件。在燃烧器类型的情况下，燃烧量可以由燃料粉末的供应量瞬时控制，燃烧废气温度和废气特性也可以由燃烧空气量瞬时控制，并且该燃烧器装置可以用作工业热源的燃烧设备。然而，目前，尚未开发出使用生物质粉末作为燃料并且可以用于通用目的的粉末型燃烧设备。

在本申请中，燃烧器装置是其中燃料和空气从燃料排出口排出并且在该排出口附近进行点火和火焰保持的类型，并且诸如焚化炉(焚化炉通过整体上使用燃烧炉保持燃烧，燃料仅在炉中燃烧并且没有火焰形成并从燃料排出口附近排出)的装置不被称为燃烧器装置。

工业上使用粉末燃料的最佳系统之一是粉末燃烧器系统。粉末燃烧器型设备几乎100％用于商业燃煤大型锅炉。粉末燃烧器型设备的最重要的一点是可以在燃料排出口进行点火和火焰保持。因此，在以煤为燃料的粉末燃烧器装置中，通常使用75μm或更小的超细粉末的煤粉。另一方面，生物质具有大量的纤维状物质，需要大量的粉碎功率进行粉碎，并且在某些情况下消耗的能量等于或大于原料热量，导致成本增加，不能用作工业燃料。

传统上，使用移动床或固定床式炉排的机动炉排式燃烧设备是使用碎片和粉末形式的生物质作为燃料的燃烧设备的主流。在这些燃烧设备中，使用被处理成碎片、粒料等的生物质。尽管机动炉排式广泛用于焚化炉，但是难以控制燃烧量和燃烧温度以将其用作工业用途的热源，并且不用作工业用途的热源装置。此外，在炉排式的情况下，可燃燃料的量与炉排的面积成比例。因此，当包括炉排下游部分的气态燃烧区时，燃烧空间与焚化炉的燃烧空间一样变得过大，并且不能用作工业热源装置。另一方面，已经提出了使用生物质作为热源的各种方法，但是很少有可以用作工业用途的通用热源的方法，并且稍后将描述的各种现有技术也具有缺点。

在使用用于木质生物质的炉排的常规的上风机动炉排式生物质燃烧设备中，对于100kg/h级的燃烧量，该设备的近似尺寸可以如下计算：

-燃烧量：100kg/h(基于20％的含水生物量)

-燃烧热值：1.5×10⁶(低热值标准)kJ/h

-炉排面积：1.2m²

-燃烧设备的尺寸：垂直1.1m×水平1.1m×高度7.5m

-燃烧区容积：9m³

-炉负荷，表明燃烧设备的性能：1.5x10⁶kJ/h/9m³＝167,000kJ/m³h＝40,000kcal/m³h

由于炉负荷约为本申请的燃烧设备的负荷的1/10(这将在后面进行描述)，因此设备体积是10倍大。作为工业上使用的热源装置而言，太大了，因此难以用作实际用途。

上面讨论了使用炉排的常规的100kg/h机动炉排式木材生物质燃烧设备的基本设计尺寸，但是该燃烧设备不仅尺寸太大，而且在性能方面具有以下缺点。

(1)在机动炉排式燃烧中，炉排上表面的点火燃烧引起燃料的部分燃烧和热解气体的产生。为了完成燃烧，将OFA(燃尽风)吹入下游部分，但是难以将燃烧气体和空气彼此均匀地混合，并且容易留下未燃烧的气体。

(2)在机动炉排式燃烧中，难以通过增加燃烧炉的容积和使用OFA来提高燃烧气体的温度。通常，燃烧炉出口处的燃烧气体的温度保持在800与900℃之间，并且不能提供超过1000℃的高温热源。

(3)OFA空气量通常是吹入燃烧设备的空气总量的30％到40％，但是必须增加OFA以便与燃烧气体充分混合，因此燃烧温度被降低并抑制了燃烧。

(4)由于炉排上的燃烧受燃料碎片的堆积状态的影响，因此燃烧状态容易随时间变化，难以用作工业热源。

(5)如上所述，难以完全燃烧燃烧气体中的未燃烧成分，并且在热利用之后排出包含碳和碳氢化合物的燃烧废气，因此需要净化装置。

(6)生物质通常包括盐水。因此，燃烧气体包含氯(Cl₂)，并且倾向于产生具有强毒性的二恶英。

(7)据称在炉排表面上产生的二恶英是通过将燃烧气体在燃烧炉出口处以800℃或更大保持2秒钟或更长时间而分解的，但是二恶英是当温度由于热燃烧气体的热利用而下降时，在600至250℃的低温范围内通过称为二次合成的反应产生的。

(8)二恶英是氯气和碳氢化合物的化学混合物，剧毒，并且禁止排放。废气中的二恶英浓度调节非常严格，为0.1ng-TEQ/m³。(注：1ng＝10^-9g，TEQ是各种二恶英的转化值之和。)

从以上描述可以看出，在通常常用的机动炉排式燃烧设备中使用生物质作为工业燃料存在许多问题。

近年来，已经开发了使用生物质作为燃料并且可以用作工业热源的燃烧设备。例如，专利文献1公开了一种系统，其中将固体生物质粉碎成平均粒径为300μm或更小并用作普通燃料。粉碎使生物质更易于处理、更易燃烧和燃烧，并且可用作燃烧设备的燃料。然而，据说粉碎所需的功率和能量与粉碎后的粉碎材料的表面积成比例地增加，并且平均粒径为300μm或更小的粉碎所需的功率是一般的中等到粗粉碎所需功率的数十至数百倍，并且在某些情况下，超过了原料热量，这使得生物质难以用作工业燃料。

正在利用稻壳作为生物质燃料进行技术开发，稻壳每年作为巨大的农业副产品产生。仅在日本，稻壳的年产量就达到170万吨，相当于50万吨石油，这是一种可再生能源，是一种宝贵的资源。然而，稻壳难于燃烧，具有易烟性，并且由于它们是属于阻燃物质的燃料而难以使用。由于稻壳的尺寸对应于尺寸大约为10mm的粗磨，因此将其压缩成型并用作粒料的方法、将其用作煤的方法等已经实用化，但是存在的缺点是工业热源燃料的生产成本太高。

还促进了稻壳的使用作为工业燃料，并且近年来，稻壳发电业务在东南亚得到发展。可将用于锅炉和蒸汽轮机的朗肯循环系统以及气化发动机发电系统用作发电系统。但是，由于稻壳具有阻燃性，因此燃烧和气化系统都配备了重装设备，并且操作功率成本很高。作为燃烧系统，空气喷射式行进机动炉排系统、鼓风式搅拌流化床燃烧炉、用于低温燃烧的流化床燃烧炉等在实际中使用或开发；作为气化系统，上风炉排部分燃烧气化系统、外部热窑气化系统等在实际使用或开发中。这两种系统以及设备成本都很昂贵，并且需要工业上的改进。

在专利文献1是通过粉碎固体生物质来改善可燃性的技术的同时，专利文献2公开了一种燃烧装置，其利用中等至粗(数百微米至几厘米)的生物质粉末作为燃料，其可以低成本生产。使用琼脂粉或稻壳粉作为燃料生物质粉，在系统中，系统底部设有燃烧室，将粉状燃料和燃烧空气吹入燃烧室，燃烧气体被空气的旋流旋风燃烧，燃烧气体被输送到二次燃烧室，构成二次燃烧室的周壁的水冷却管被加热以将废气排放到系统外部。该系统仅在集成到设备中的热交换器中加热热水或蒸汽，不能用作通用燃烧设备。另外，由于由燃料带入的灰分由燃烧气体进行输送和排出，因此必须使中空圆筒在燃烧炉中的速度(空间平均气体流速)等于或高于灰分颗粒的最终速度(颗粒滴落停止的速度)，不能实现作为高效率条件的高负荷燃烧。另外，除了计划的操作条件之外，不可能改变操作条件，并且很难将它们用于一般目的。

专利文献3公开了一种使用粉末生物质作为燃料的粉末燃料燃烧燃烧器。但是，该设备的燃料供应管的远端部不具有作为燃烧器的点火功能，仅是侧方圆筒管的燃烧炉，不是本申请中所涉及的燃烧器装置。此外，设置在设备的入口处的点火装置在成本方面存在问题，因为在操作期间不断使用除生物质以外的能源，例如气体、液体燃料、电火花等。

尽管专利文献4具有用作生物质粉末燃烧器的功能，但是它具有更小例如1)至5)所述的缺点。

1)当使用稻壳等阻燃粉作为燃料时，火焰保持功能不足。

2)在使用阻燃剂粉末的情况下，难以调节一次空气量以保持点火稳定性。

3)假定粉末的粒径为中等压碎的粉末(3mm或更小)，并且在包括几cm级的粗粉碎的粉末颗粒时，难以实现稳定的点火和火焰保持。

4)当使用5％至20％的高灰分含量的草基生物质作为燃料时，在点火和火焰保持方面存在问题。

5)在杂草和其他草类生物质的情况下，低熔点灰分的含量高，无法防止熔渣。

现有技术

专利文献

专利文献1：日本专利申请公开号2008-13738

专利文献2：日本专利申请公开号2010-185631

专利文献3：日本专利申请公开号2011-7478

专利文献4：日本专利申请公开号2014-206346

发明内容

尽管期望将生物质燃料用作可再生能源，但是它们的使用被限制在狭窄范围内。仅木材碎片通常用作工业燃料。这是因为白木是含有很少的阻碍燃烧的灰分、氯、氮等的高质量燃料。目前的状态是焚烧具有阻燃性、高灰分含量和低热值问题的大多数生物质，例如树皮、修剪的树枝、稻壳、食物垃圾、稻壳、杂草等。

上面提到的各种类型的生物质也是有价值的可再生能源原料，并且如果它们可以用作工业燃料，则不仅可以获得低成本的热源，而且同时可以降低焚烧处理的成本。

为了使用将燃烧气体用作工业用途的热源的燃烧设备，除了低污染之外，还必须具有与石油和天然气燃料的燃烧设备相同程度的可控性。例如，要求燃烧量、燃烧废气温度、废气特性等的控制可以在短时间内(以分钟为单位)进行。

将固体燃料用于工业用途的最佳系统是粉末燃烧器系统，并且几乎100％的商用燃煤大型锅炉都使用粉末燃烧器系统。在该系统中，由于必须将粉状燃料点燃并且必须在燃料排出口处保持火焰，因此使用具有75μm或更小的超细颗粒的粉状煤。另一方面，生物质原料通常包含大量的纤维材料，并且如果将其超细粉碎，则粉碎力超过了产品粉末的热值，并且价格超出了工业使用的范围。

本发明的目的是实现一种生物质粉末燃烧设备，该设备可以利用多种固体生物质作为工业燃料，而无需花费过多的研磨费用。本申请的燃烧设备具有将粉末燃烧器装置和燃烧炉连接的结构，并且满足以下要求(1)-(8)的全部或一部分。

(1)在粉末燃烧器系统中，即使使用了粗粉状的粉末生物质，在没有气体和液体燃料的辅助燃烧的情况下，也能够在燃料排出口附近稳定地保持点火和火焰保持。

(2)可以在短时间内(在几分钟内)改变(控制)负荷(燃烧量)。

(3)应根据负荷的变化，控制燃烧炉出口处的燃烧气体的温度。

(4)即使使用低熔点灰分燃料，也不引起熔渣故障。

(5)即使使用高灰分的燃料，也可以将灰分毫无问题地排放到系统外部。

(6)燃烧设备的尺寸(体积)比碎片燃烧单元的尺寸更紧凑。

(7)可控制燃烧废气，以明确法规标准。

(8)即使燃料中含有氯，也可以将二恶英抑制在规定的标准值以下。

解决问题的手段

在本申请中，公开了具有以下方面的发明。

<构成1>

一种粉末燃烧器装置，包括：

燃烧器管，

燃料供应装置，其向燃烧器管供应生物质粉末，以及

连接到燃烧器管的侧壁的一次空气供应管，其中；

从燃料供应装置供应的生物质粉末在由从一次空气供应管供应的一次空气涡旋的同时，落入燃烧器管内，并在燃烧器管的下端处从燃料排出口排出，其特征在于；

在燃料排出口的下方设置有具有圆锥形内壁的隔热壁。

<构成2>

2.根据构成1所述的燃烧器装置，其中，圆锥形内壁的扩展立体角为3.5立体弧度或更小。

<构成3>

3.根据构成1或2所述的燃烧器装置，其中，生物质粉末的最大粒径为30mm或更小，并且包含粒径为0.5mm或更小的、重量百分比为10或更大的生物质粉末。

<构成4>

4.根据构成1至3中的任一项所述的燃烧器装置，还包括一次空气控制装置，用于控制一次空气的温度和供应量，以使圆锥形内壁的温度保持在900℃或更高。

<构成5>

一种燃烧炉，包括：

根据构成1至4中任一项的燃烧器装置，以及

直接连接到燃烧器装置的下部的燃烧炉。

<构成6>

根据构成5所述的燃烧炉，还包括：

一级燃烧区，

一级燃烧区下游的二级燃烧区，用于通过吹入二级燃烧区的二次空气进行主燃烧，

二级燃烧区下游的三级燃烧区，用于通过吹入三级燃烧区的三次空气来燃烧未燃烧的内容物，以及

二次空气控制装置和三次空气控制装置，用于控制二次空气和三次空气的供应量。

<构成7>

7.根据构成5或6所述的燃烧炉，还包括除灰装置，该除灰装置用于将积聚在炉的底面上的燃烧灰去除至系统的外部。

在本申请的构成1的粉末燃烧器装置中，通过更小使生物质的点燃和火焰保持特性得到了显著改善：使用使生物质粉末落到燃烧器管中的燃料排出口的方法以及通过使生物质粉末在燃烧器管内涡旋的两种方法，并且在燃料排出口的下方设置具有圆锥形内壁的隔热壁。

圆锥形内壁的温度可以通过一次空气的供应量、温度等来控制。通过将隔热壁的内壁的形状形成为圆锥形，可以将内壁的宽区域保持在例如900℃或更大的高温。通过该效果，改善了生物质粉末的点燃和火焰保持特性，可以减小所需的内壁面积，可以缩短从内壁表面到燃料排出口的距离，或者可以以低成本紧凑地制造燃烧炉。

在优选的实施例中，燃烧器装置能够在不使用气体或液体燃料的情况下点火和保持火焰。另外，由于燃烧器型装置是用作工业热源的最佳燃烧方法，所以燃烧设备可以具有燃烧炉直接连接到燃烧器装置的下部的构造。

通过采用燃烧粉末的方法，可以容易地控制燃烧量、燃烧炉出口温度(目标利用温度)和废气特性(无污染)，并且可以使控制时间如所需情况那样短(几分钟内)。

在上述粉末燃烧器装置中，草、木材、农业副产品、食物残渣等可以用作生物质粉末燃料。特别是，可以使用稻壳等阻燃性生物质、杂草等灰分高或熔点低的生物质，也可以使用水分高(约重量百分比为30)的生物质。

粉末粒度大致分为粗粉碎(约几厘米)、中等粉碎(几百微米到几毫米)、细粉碎(几十到几百微米)和超细粉碎(多达几十微米)。本申请中的粒度基于网孔尺寸。粒度根据JIS通用规则Z8815网筛测试方法测量。由于具有高水分含量的粉末趋于团聚，因此将其干燥至约10％水分含量并且以粉末状的状态进行测量。

当一次空气变得过多时，点火和火焰保持变得困难。因此，一次空气的供应量需要等于或小于生物质粉末的理论空气量(理论化学计量)。生物质粉末的理论空气量与生物质燃料(干基)的重量比(空气/燃料)为5至6。在正常燃烧中，燃烧时使用理论空气量的1.5至2.5倍的空气量。

燃料供应装置优选地通过使用重量是生物质粉末的2至4倍(理论空气量的40至60％)的输送空气将生物质粉末供应到燃烧器管，并且如果使用该浓度，容易在燃烧器管的排出口获得稳定的点火，并且燃烧量可以在短时间内(几分钟内)改变。

在粉末燃烧器装置中，在燃烧器管排出口处稳定点火是最重要的，因此，通过粉末燃料供应量和一次空气供应量来平衡控制粉末浓度是必不可少的，但是通过设定一次空气温度达到150℃或更高，高水分阻燃生物质燃料的点火性也得到改善。

优选的是，燃烧炉具有一级燃烧区；在一级燃烧区下游的二级燃烧区，其用于通过吹入二级燃烧区的二次空气的主燃烧；在二级燃烧区下游的三级燃烧区，其用于通过吹入三级燃烧区的三次空气燃烧未燃烧的内容物；以及用于控制二次空气和三次空气的供应量的二次空气控制装置和三次空气控制装置。通过控制二次空气和三次空气的供应量，可以在短时间内(几分钟内)控制燃烧废气温度、废气特性等和/或不超过废气法规标准。

通过将燃烧炉中的燃烧温度设定为800-1200℃，可以得到几乎没有留下未燃烧气体(特别是碳氢化合物)的不超过法规标准值的燃烧废气。即使原料含有氯，由于将在800℃或更大的燃烧温度下的停留时间设定为2秒或更大，因此二恶英(如果有的话)可以在燃烧区和燃烧炉出口之间分解，并且燃烧废气中碳氢化合物的未燃烧含量接近于零，因此不会发生二次反应。因此，可以将二恶英抑制为等于或低于废气法规标准值。

作为工业热源的温度，在许多情况下需要800至1200℃的高温，并且当将燃烧炉出口处的温度控制在该温度范围时，在燃烧炉中产生灰渣。如果使用1000℃或更小的低熔点灰分的生物质燃料，则可能会发生由熔渣等引起的故障。因此，在燃烧前将石灰石、熟石灰、白云石等作为灰分熔点提高剂混入燃料中以防止灰渣。在这种情况下，增加了灰分熔点提高剂的混合成本以及排出的灰分的处理成本，这是操作中的问题。

在本发明中，在使用低熔点灰分燃料的情况下，可以提供用于冷却炉底的冷却装置。这导致燃烧灰以熔融或软化的状态附着在燃烧炉的炉壁上，并下降到炉底，在此其凝结或凝固。凝结的或凝固的燃烧灰通过推进器排出系统。这样可以防止熔渣(固体灰分)被固定。燃烧炉的炉壁可以具有软化点温度，例如600℃，并且炉底的温度可以小于或等于软化点温度。可以产生一次空气、二次空气和/或三次空气的旋流，以促进熔融或软化状态的燃烧灰分附着在炉壁上。通过具有冷却的炉底，低熔点灰分燃料也可以用作工业燃料。

附图说明

图1示出了根据本发明的一个实施例的生物质粉末燃烧设备40的透视图。

图2示出了粉末燃烧器装置10，(A)是侧面示意图，(B)是顶部示意图。

图3示出了粉末燃料供应装置30。

图4示出了圆锥形内壁17a、燃料排出口13和火焰保持板13a的布置的例子。

图5示出了燃烧炉20的除灰装置。

图6示出了用于示范性实验设备中的实验的测试生物质粉末F1至F3的粒径分布。

图7示出了雪松粉末F1的稳定点火范围。

图8示出了稻壳粉末F2的稳定点火范围。

图9示出了杂草和剪枝粉末F3的稳定点火范围。

具体实施方式

图1示出了本发明的一个实施例的燃烧设备40的整体视图。燃烧设备40包括燃烧器装置10和直接连接到燃烧器装置10的下部的燃烧炉20。生物质粉末F从燃料供应装置30供应到燃烧器装置10。

图2示出了燃烧器装置10。燃烧器装置10包括连接至燃料供应装置30的燃料供应管11、具有形成在其下端的燃料排出口13的燃烧器管12、连接至燃烧器管12的侧壁的一次空气供应管14、以及位于燃烧器管12下方的隔热壁17。优选的是，燃料排出口13的周围被隔热壁17以及燃烧器管12的内部空间和隔热壁17的内部空间彼此直接连接。

图3示出了示例性的燃料供应装置30。燃料供应装置30包括燃料输送管31、料斗32和由马达33驱动的螺旋给料器34。生物质粉末F通过输送空气A₀从燃料输送管31输送到料斗32，暂时存储在料斗32中，并由螺旋给料器34以恒定的速度送到燃料供应管11。

从位于燃烧器管12的上部的燃料供应管11供应的生物质粉末F在由来自一次空气供应管14的一次空气A₁在燃烧器管12中涡旋的同时，朝着燃料排出口13下落，并且从燃料排出口13向下排放。通过结合落下生物质粉末F的方法和使生物质粉末F涡旋的方法(形成固-气混合流M)，可以增加在燃料排出口13的外边缘附近的生物质粉末F的浓度。

粉末燃烧器装置10可以包括用于控制一次空气进给速度A₁和温度T₁的一次空气控制装置14a。一次空气控制装置14a可以包括控制阀。

隔热壁17具有圆锥形内壁17a。圆锥形内壁17a位于燃烧器管12的下方。圆锥形内壁17a具有圆锥形形状，其内径随着向下而增大。圆锥形形状例如是截头圆锥形形状。可以使用其他形状，例如截断的多边形金字塔形状。截面积的增加可以是线性的、弯曲的或阶梯状的。锥形扩展角(扩展立体角)对于生物质粉末的点火和火焰保持具有重要作用。被圆锥形内壁17a包围的粉末燃烧器的点火燃烧区ZZ和一级燃烧区Z1散发热以加热隔热壁。因此，可以同时从加热的圆锥形隔热内壁17a放出辐射热，以稳定地保持点火和一次燃烧。圆锥形的扩散角影响火焰的扩散和圆锥形内壁17a的辐射热的热接收分布。通过将扩展角设定为适当的值，可以在适当的高温下保持圆锥形内壁17a的较大面积。

扩展角优选为4.5sr或更小，更优选为4sr或更小，特别优选为3.5sr或更小。扩展角优选为1.5sr或更大，更优选为2sr或更大，特别优选为2.5sr或更大。隔热壁17的整个内壁可以是具有上述扩展角的圆锥形内壁17a，或者隔热壁17的高度范围H1和H2的仅一部分可以是具有如图4(a)和图4(b)所示的上述扩展角的圆锥形内壁17a(即，隔热壁17可以包括具有在上述数值范围之外的扩展角的内壁部分17b)。在本申请中，扩展立体角是指平均立体角。平均立体角可以由连接圆锥形内壁17a的下端和上端的直线限定，如图4A和4B中的虚线所示(平均立体角可以在几何上由上底部和下底部的面积、从上底部到下底部的距离等来定义)。

隔热壁17a的表面温度Tw优选等于或高于850℃，更优选为等于或高于900℃，特别优选为等于或高于950℃。温度Tw可以由一次空气的进给速度A₁和温度T₁控制。例如，当温度Tw低于规定温度时，可以通过降低一次空气进给速度A₁并提高一次空气温度T₁来提高温度Tw。如果为了避免熔渣等而需要降低温度Tw，则可以进行相反的操作(一次空气进给量A₁的增加和一次空气温度T₁的降低)。

结果，实现了即使当可以将粗粉碎和/或高水分的生物质粉末用作燃料时也可以稳定地保持火焰的燃烧器装置10。在本申请人公司的粉末燃烧器装置10中，已经证实，通过将圆锥形扩展角设置为πsr(π立体弧度)，可以将圆锥形内壁17a的较宽部分保持在适当的高温下(例如900℃或更大)。结果，可以将足够的辐射热供应给点火区ZZ和燃烧区Z1附近的宽区域，并且显著改善了生物质粉末的点火和火焰保持性能。特别地，在粉末燃烧器装置10中，具有如图5所示的粒径分布的生物质粉末可以在稳定地保持火焰的同时被稳定地点燃(将生物质粉末粗粉碎至30mm或更小，并且包含重量百分比为10的、粒径为0.5mm或更小的生物质粉末；更优选将生物质粉末粗粉碎至20mm或更小，更优选将其粗粉碎至10mm或更小)。由于可以使用粗粉碎的生物质粉末，因此可以大大降低粉碎成本。在燃烧器装置10中，还可以使用具有高达约30％的高水含量的生物质粉末。

优选地，火焰保持板13a布置在燃料排出口13处。火焰保持板13a优选布置在燃料排出口13的外边缘附近。火焰保持板13a具有例如与燃料排出口13同心的环形。

如图2所示，燃料排出口13和火焰保持板13a可以设置在与圆锥形内壁17a的上端相同的高度处，或者可以设置在圆锥形内壁17a的上端的上方或下方，如图4(a)至4(c)中所示。火焰保持板13a可以设置在与燃料排出口13相同的高度，但是也可以如图4(d)和4(e)所示设置在不同的高度。然而，将燃烧器管12布置在燃料排出口13下方(图4(e))不是优选的，因为需要燃烧器管12具有高的耐热性。

用于点燃点火区ZZ的点火炬15可以布置在燃料排出口13的附近。从燃料排出口13排出的生物质粉末F被点火炬15点燃并在点火区ZZ和一级燃烧区Z₁中燃烧。因此，燃烧器装置10可以用作从燃料排出口13向下排出火焰的燃烧器。点火炬15仅在点火时是必需的，而在点火和火焰稳定的稳定运行时则不需要。由于点火炬通常使用高质量和昂贵的燃料，例如甲烷气、丙烷气和煤油，因此优选的是，仅在启动时在以低成本运作为主要目标的燃烧设备40中使用点火炬15。(点火炬是独立于主燃烧系统的紧凑型燃烧器，它是稳定维持主燃烧的点火源。)

燃烧炉20具有二级燃烧区Z₂和三级燃烧区Z₃。二级燃烧区Z₂是生物质粉末F主要被来自二次空气喷嘴22的二次空气A₂燃烧的区域。二级燃烧区Z₂位于一级燃烧区Z₁的下游。三级燃烧区Z₃是用于利用来自三次空气喷嘴23的三次空气A₃使未燃烧残渣完全燃烧的区域。三级燃烧区Z₃位于二级燃烧区Z2下游的炉底部。燃烧后的燃烧废气G从燃烧炉出口24排出。

在工业燃烧设备中，需要在短时间内(几分钟内)控制燃烧废气G的燃烧量和温度Tg。在本实施例的燃烧设备40中，由于能够通过生物质粉体F的供应量来控制燃烧量，并且燃烧气体在燃烧炉20中的滞留时间为数秒，因此能够瞬时响应。炉出口24处的燃烧气体的温度Tg由通过公式V＝Mf/Va计算的值V确定，其中：

-Mf：粉末燃料的供应量(kg/h)，

-Ma：供应空气的总量(A₀+A₁+A₂+A₃)(kg/h)。

由于A₀和A₁被确定为主要用于稳定点火区ZZ中的点火和火焰，因此燃烧气体的温度Tg优选地由A₂和A₃控制。

由于生物质粉末可以是阻燃剂粉末，例如粒度为10mm级的粉末、高水分含量为30％级的粉末或高灰分含量为20％级的粉末，因此生物质粉末可能在一级和二级燃烧区Z₁和Z₂产生未燃烧的成分。因此，为了使燃烧炉底部的未燃成分完全燃烧，本发明的燃烧设备40利用图1和图5所示的三次空气A₃在三级燃烧区Z₃中进行三级燃烧。根据剩余灰分H的沉积情况，通过由驱动马达27操作的灰分推进器25将剩余灰分H排放到灰池26中。

优选的是，通过冷却剂供应管28等冷却装置来冷却燃烧炉20的炉底面。当生物质粉末F的燃烧灰分具有低熔点时，可以认为通过熔化灰分产生了熔渣，但在低熔点灰的情况下，通过控制供气量A₁，A₂和A₃的比率，可以创建具有灰分熔点或更高的高温气氛，以防止燃烧灰凝固和堆积在炉壁上。燃烧灰以熔融或软化的状态下降到炉底，并在冷却的炉底表面固化或凝结。沉积在炉底的焚烧炉灰、熔渣等通过除灰装置(如推进器装置)25及时地排出系统。

实施例

制造燃烧量为70kg/h的、具有与图1的燃烧设备40相同构造的示范性实验设备，并进行燃烧实验。燃烧设备20的尺寸如下：

高度：2.3m

炉的横截面上部直径：0.56m

炉的下直径：0.75m

体积：0.81m³

炉负荷：380,000kcal/m³h

这是在现有技术部分中描述的机动炉排式燃烧设备(传统的上风机动炉排式燃烧设备)中的炉负荷(40,000kcal/m³h)的9.5倍。考虑到在机动炉排式系统中需要风箱，已经示出了本实施例的燃烧设备40的体积可减小到机动炉排式系统的大约十分之一。

在示范实验设备中用于实验的生物质粉末是三种类型：木粉(木粉末)、稻壳和杂草。将这些原料粉末通过设置有适当的粉碎机出口筛的锤式粉碎机进行粗粉碎，准备了具有图6所示的粒径分布的被试验生物质粉末F1-F3。如图6所示，测试生物质粉末F1至F3的最大粒径为8至10mm，并且含有重量百分比为10或更大的、粒径为0.5mm或更小的生物质粉末。

在上述示范测试设备中的点火和火焰保持稳定性测试结果在图7至图9中示出。(在图7至图9中，NT表示常温，SI表示稳定点火，US表示不稳定点火，NI表示不可点燃。)待测的生物质粉末F1至F3的水分含量约为10％、20％和30％。通过有意的加湿来调节水分含量。在每个测试中，通过改变一次空气温度T₁和一次空气供应量A1来测试点火稳定性，同时注意用作点火源的隔热壁的温度Tw。在图7至图9中，横轴表示一次空气温度T₁，纵轴表示隔热壁温度Tw。一次空气供应量A₁在图中以数字表示为相对于粉末F1至F3的供应量的空气比λ₁(A₁与化学计量空气量的重量比)。隔热壁温度Tw由一次空气温度T₁和空气比λ₁控制。

图7示出了使用雪松粉(雪松粉末)F1时的测试结果。如图7所示，即使在一次空气温度T₁为100℃的情况下，在水分含量(MC)为大约10％的情况下，隔热壁温度Tw为900℃，并且能够实现稳定的点火。由于当一次空气温度T₁变高时Tw超过1000℃，因此通过增加λ₁来降低Tw以应对熔渣。尽管对于水分含量为30％的粉末，Tw没有增加，但是通过在保持一次空气温度T1为300℃的同时对λ₁进行节流(降低)，能够将Tw增加至900℃，并实现稳定的点火。由这些结果可知，燃料排出口13附近的辐射热对点火能量的影响大，可以看出，甚至在使用本申请中定义的粗粉碎的且水分含量高的生物质粉末的情况下，通过设定隔热壁17的温度Tw为900℃或更大，能够稳定地点火。

在水分含量为20％的雪松粉F1的燃烧试验中，获得以下结果。

(1)可以确认，通过调整雪松粉末F1的供应量，可以毫无问题地将燃烧量调整在60-100％的范围内。

(2)通过调节二次空气供应量A₂和三次空气供应量A₃，证实了燃烧废气G的温度Tg可以在950至1150℃的范围内调节，而没有任何问题。

(3)尽管即使对于利用雪松粉末的相对较大的颗粒也产生未燃烧成分，但炉底的三级燃烧区Z₃发挥了其作用，并实现了清洁燃烧。

(4)始终实现一氧化碳CO含量为50ppm或更小的清洁燃烧。根据到目前为止的经验，可以判断出二恶英的产生也低于废气规定值。

图8是使用稻壳粉末F2时的测试结果。点火稳定性稍逊于雪松粉，但即使在隔热壁温度Tw为900℃、水分含量为30％时也能获得稳定的点火性。稻壳含有约15％的灰分，但大部分灰分沉积在炉子的底部，已证实灰分可以毫无问题地从系统中排出。

图9是使用杂草粉末F3时的测试结果。类似于图7和图8，以10％、20％和30％的三种水分含量进行了测试，并且对于所有它们，在900℃或更高的温度Tw下均实现了稳定的点火和火焰保持。在雪松粉末F1和稻壳粉末F2中未观察到熔渣的产生，但是可以通过降低一次空气温度T₁和增加一次空气进给速度A₁来控制隔热壁的温度为900至1030℃，从而抑制熔渣的产生。

使用上述示范测试设备获得的实验结果总结如下。

(1)本申请的燃烧设备的体积为传统的机动炉排式燃烧设备的体积的约1/10，从而可以实现设备的小型化。

(2)在本发明的燃烧设备中，大多数生物质(例如草、木材和食物残渣都)可以用作生物质粉末。

(3)在本申请的燃烧设备中，可以将最大粒径为10mm或更小的生物质粉末用作燃料，所述生物质粉末包含重量百分比为10或更大的、粒径为0.5mm或更小的生物质粉末。因此，可以大大降低生物质粉末的加工成本。此外，可以接纳的水分含量高至30％，从而可以进一步降低成本。

(4)可以在短时间内(几分钟内)控制工业燃烧设备所需的燃烧量和燃烧炉出口处的燃烧废气温度。

(5)本申请的燃烧设备能够不超过燃烧废气的废气规定值。

(6)因为炉底具有冷却结构，所以即使在低熔点灰分燃料的情况下，本申请的燃烧设备也不会引起熔渣附着问题。

本申请的粉末燃烧器装置和燃烧设备使用含有重量百分比为10的、直径为0.5mm或更小的生物质粉末的生物质作为燃料，以及包括诸如普通木材、木材废料、建筑废料、树皮和修剪的树枝的木材、以及诸如稻草、小麦秸秆和稻壳的植物、咖啡渣和食物残渣在内的各种生物质可以用作工业燃料，而不会产生很大的粉碎成本。另外，燃烧设备的体积可以减小到炉排燃烧装置的体积的大约1/10，可以在短时间内(几分钟内)控制燃烧气体的量和燃烧温度，燃烧废气具有极少的未燃烧含量，有害气体(如二恶英)含量可保持在废气法规标准之下。由于燃烧设备可以在与石油或天然气燃料设备相同的水平上稳定地运行和控制，因此可以替换现有的化石燃料燃烧设备。例如，它可以用作可再生能源公司、木材厂、食品厂、废物处理公司、废物产生场所等的新安装或更换的燃烧设备。

附图的简要说明

10：燃烧器装置

11：燃料供应管

12：燃烧器管

13：燃料出口

13a：火焰保持板

14：一次空气供应管

14a：一次空气控制装置

15：点火炬

16：热电偶

17：隔热壁

17a：圆锥形内壁

20：燃烧炉

21：炉壁

22：二次空气喷嘴

23：三次空气喷嘴

24：燃烧炉出口

25：除灰装置

26：储灰器

27：驱动马达

28：冷却剂供应管

30：燃料供应装置

31：燃料输送管

32：料斗

33：马达

34：螺旋给料器

40：燃烧装置

A₀：输送空气

A₁：一次空气或一次空气量

A₂：二次空气或二次空气量

A₃：三次空气或三次空气量

C：冷却剂

F：粉末燃料或粉末燃料供应量

G：燃烧气体

T1：一次空气温度

T_g：燃烧气体出口温度

T_w：燃烧器出口周围的隔热壁温度

H：沉积的灰分

M：粉末燃料和一次空气的固-气混合流

Z₁：一级燃烧区

Z₂：二级燃烧区

Z₃：三级燃烧区

ZZ：点火和燃烧区

Claims (7)

1.一种粉末燃烧器装置，包括：

燃烧器管，

燃料供应装置，所述燃料供应装置向所述燃烧器管供应生物质粉末，以及

连接到所述燃烧器管的侧壁的一次空气供应管，其中；

从所述燃料供应装置供应的生物质粉末在由从所述一次空气供应管供应的一次空气涡旋的同时，落入燃烧器管内，并在所述燃烧器管的下端处从燃料排出口排出，其特征在于；

在燃料排出口的下方设置有具有圆锥形内壁的隔热壁。

2.根据权利要求1所述的燃烧器装置，其中，所述圆锥形内壁的扩展立体角为3.5立体弧度或更小。

3.根据权利要求1或2所述的燃烧器装置，其中，所述生物质粉末的最大粒径为30mm或更小，并且包含粒径为0.5mm或更小的、重量百分比为10或更大的生物质粉末。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的燃烧器装置，还包括：一次空气控制装置，所述一次空气控制装置用于控制所述一次空气的温度和供应量，以使所述圆锥形内壁的温度保持在900℃或更高。

5.一种燃烧炉，包括：

根据权利要求1至4中任一项所述的燃烧器装置，以及

直接连接到燃烧器装置的下部的燃烧炉。

6.根据权利要求5所述的燃烧炉，还包括：

一级燃烧区，

所述一级燃烧区下游的二级燃烧区，用于通过吹入所述二级燃烧区的二次空气进行主燃烧，

所述二级燃烧区下游的三级燃烧区，用于通过吹入所述三级燃烧区的三次空气来燃烧未燃烧的内容物，以及

二次空气控制装置和三次空气控制装置，用于控制二次空气和三次空气的供应量。

7.根据权利要求5或6所述的燃烧炉，还包括除灰装置，所述除灰装置用于将积聚在所述炉的底表面上的燃烧灰去除到系统的外部。

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