CN113757641A - 一种可以快速大范围改变热出力的生物质燃烧系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可以快速大范围改变热出力的生物质燃烧系统，根据本发明可以以整捆包作物秸秆(1)等生物质为燃料通过可变出力调节由本发明系统构成的能源系统的发电量或产热量等。本发明系统包含若干个不同类型、不同大小的生物质气化模块，这些生物质气化模块将产出的燃气都送入末端布置了包含若干个根据热出力需要可以提起或落下的缩径小孔(11)、缩径中孔(12)、缩径大孔(13)的横截面减缩装置(10)的一个共用燃气通道(9)。通过缩径孔的工位变化实现本发明系统的快速启动和快速停止的伺服状态并且使得本发明系统在热出力仅为最大热出力的1％的时候仍然能够实现几乎与热出力100％时一样的恒定参数和清洁燃烧。

Description

一种可以快速大范围改变热出力的生物质燃烧系统

技术领域

本发明涉及一种生物质气化燃烧系统，旨在实现气化燃烧热出力在100％和趋近0％之间快速切换且不产生不良尾部烟气排放，本发明的气化燃烧系统通过将若干个带有或不带有横截面减缩装置的烟气通道将来自不同类型气化装置的燃气送入一个末端带有横截面减缩装置的共用燃气通道，并且保持气化燃烧系统的灰渣做为农作物种植肥料的价值和减少对热烟气下行设施及管路的粉尘和结焦污染等。本发明系统通常可广泛用于产出蒸汽或热风等，特别适用于分散式供热或用于满足电网“填峰平谷”的生物质发电系统中。

背景技术

由于风能、太阳能和核能的发电量几乎无法调控，因此调节入网发电量则只有在生物质发电是可能的，特别是可以产生廉价电力、低或零CO2排放并可起到稳定电网供给电量作用的农作物秸秆发电。但目前尚未知可通过快速启动或停止运行调节入网发电量并可用于供热等的以生物质为燃料的热力系统，也没有可以让大型链条炉排和秸秆燃烧系统快速启动运行达到满负荷运行，并且可以在不产生不良排放的情况下快速停止运行的技术解决方案。

已知的长时间低温进行秸秆气化的整捆秸秆气化系统虽能做到快速启动运行但却无法随时快速停止运行，因为没有合适的方法实现随时可以清洁的处理消化掉来自气化系统的燃气。

燃烧散料秸秆的循环流化床生物质锅炉可以相对较快地启动和停止，但这种类型生物质锅炉中的烟气中非常高的粉尘含量要么会给发电等设备带来结焦风险从而影响系统热效率，要么就会严重影响秸秆燃料的充分燃烧和利用。

而且循环流化床生物质锅炉的高温热化学反应还会导致作物秸秆中对作物生长特别重要的矿物质等烧结结焦，因此灰渣很大程度上将会失去作为植物生长所需的肥料的价值，从长远看会影响循环利用作物秸秆闭环的形成。

目前尚未见能够实现热出力在1％到100％之间变化的生物质气化燃烧系统，根据专利CN.201811655101.7的烟气横截面减缩装置也无法实现秸秆热力系统从100％热出力快速的降低到1％的热出力。

当热出力低于15％时就无法稳定运行，因为这个时候的低气化温度虽可以保持热解继续但游离态的碳将不再能够被气化，所以当系统重新快速启动时那些没有被气化的、集聚的炭就会快速升温从而导致气化室内的灰分熔化。

发明内容

本发明的目的是发明一种以生物质低温慢速气化为基础的，适用于快速启动运行和快速停止运行并且不会导致不良排放的，可以快速大范围改变热出力的生物质气化燃烧系统，可以实现在系统快速停止运行后只留存少量生物质燃料炭，而且即使热出力减低到最大设计热出力的1％时系统仍然可以实现生物质燃料的清洁燃烧并且随时准备好重新快速启动。

本发明的目的是通过一定数量的、具有不同燃烧功率的生物质气化模块将它们分别产出的燃料气体送入一个在末端布置了横截面减缩装置的共用燃气通道来实现的。

在共用燃气通道的顶端起点有一个天然气/燃油火焰喷射器用于启动系统并将火焰喷入共用燃气通道中，系统还可以根据需要在一定数量的生物质气化模块另外配置带火焰控制功能的天然气/燃油火焰喷射器用于快速启动生物质燃料的燃烧过程。

共用燃气通道中的横截面减缩装置包含若干个可调整横截面积的孔，这些可调整横截面积的孔是各自独立的，并且可以沿垂直于共用燃气通道燃气流动的方向抬起或者落下。

这些可调整横截面积的孔都包含有沿烟气流动方向逐渐收窄的、陶瓷燃烧喷嘴，燃烧喷嘴可以使燃烧气体形成逐渐收窄横截面的火焰。燃烧喷嘴的形状和尺寸可以改变燃烧气体的聚集度、流动速度和温度。即使热出力仅为设计出力的1％，通过改变燃烧喷嘴的形状和尺寸也可以实现几乎与100％热出力相同的燃烧参数，因此仅用1％热出力也可以可获得几乎与100％热出力相同的燃烧结果。

沿燃气流动方向上的最后一个可调整横截面积的缩径小孔包含的是一个最小的燃烧喷嘴，在这个最小的燃烧喷嘴之前部的侧面有一个燃烧通道开口穿过可调整横截面积的孔。这个位于最小的燃烧喷嘴之前部侧面的燃烧通道连接一个小型气化模块，通过这个燃烧通道的前端可引入二次风，这样在这个燃烧通道中总是有明火存在并且做为进入到最后一个可调整横截面积的孔的未燃烧气体的引燃点。

本发明系统的快速启动是在所有天然气/燃油火焰喷射器的支持下实现的，快速启动时的总给风量λ值是系统最大热出力理论总给风量λ值的2.5倍，这个总给风量值λ值有助于实现快速启动时燃料的清洁燃烧。系统的快速停止是通过立即完全停止大的生物质气化模块的一次风来实现的，但此时的小型生物质气化模块的一次风仍然正常供给。为保证系统能够实现快速停止，系统的气化模块和上料系统均采用密闭设计和构造。

本发明系统需要一个热水储能缓冲罐做为辅助组件用于满足调节发电量、产出蒸汽量或供热等。

附图说明

图1示出了本发明的带有涡流后燃烧模块和蒸汽发生模块的系统的俯视图。

图2示出了本发明系统的部分俯视图的详图。

图3示出了本发明系统的横截面减缩装置的侧视图。

图4以侧视图进一步示出了本发明系统横截面缩小装置，其中包含一个抬起的缩径孔。

图中：1-整捆包作物秸秆，2-多回程烟管蒸汽换热模块，3-一级涡流后燃烧模块，4-二级涡流后燃烧模块，5-带火焰控制功能的天然气/燃油火焰喷射器，6-9兆瓦气化模块，7-6兆瓦气化模块，8-120千瓦气化模块，9-共用燃气通道，10-横截面减缩装置，11-缩径小孔，12-缩径中孔，13-缩径大孔，14-冷却水管，15-外封体，16-冷水抽入管，17-密封垫圈，18-压力垫盘，19-绞盘，20-燃烧喷嘴A，21-燃烧通道，22-二次风，23-气化室，24-热烟气通道，25-过热蒸汽管，26-耐火砖，27-燃气，28-热烟气，29-天然气/燃油火焰喷射器，30-燃烧喷嘴B，31-蛭石层，32-燃气入口，33-陶瓷喷嘴构件，34-冷却水软管。

具体实施方式

图1给出了可以快速大范围改变热出力的生物质燃烧系统的概览图，示出的是一个汽轮机发电机组的一部分，本实施例的机组可为约5000名居民的大约100000m2住宅供热，此外每天还可根据上网电价政策在不同时间段内提供3兆瓦电功率电量以稳定电网。

本实施例的汽轮机发电机组运行所需整捆包作物秸秆(1)可来自半径仅5公里左右的农田，这个距离有利于秸秆运输、储存和灰烬灰渣返回田间。

该机组采用容纳更多水的多回程烟管蒸汽换热模块(2)设计，可以产出最高可达18t/h的3.2MPa蒸汽，容纳更多水的设计使得储存在水中的更多的能量有助于涡轮发电机能够快速启动。

在发电过程中如果系统的热出力降低时可以由一个做为辅助组件的热水储能罐(未显示)补充能量，热水缓冲储能罐在蒸汽机组正常发电后又可以再吸收富余的热量并可做为汽轮机等的冷却水。

图中的本实施例包含3个不同规格的9兆瓦气化模块(6)、6兆瓦气化模块(7)、120千瓦气化模块(8)，其中120千瓦气化模块(8)可采用任何炉型并使用各种形态的生物质燃料，9兆瓦气化模块(6)和6兆瓦气化模块(7)以直径1.5m的整捆包作物秸秆(1)为燃料，9兆瓦气化模块(6)的热出力为9兆瓦、6兆瓦气化模块(7)的热出力为6兆瓦，9兆瓦气化模块(6)、6兆瓦气化模块(7)可根据专利CN202011125398.4.进行设计建造。

图中的本实施例的120千瓦气化模块(8)的热出力仅为100千瓦，足以补偿图中的一级涡流后燃烧模块(3)、二级涡流后燃烧模块(4)和多回程烟管蒸汽换热模块(2)在系统快速停止后的热损失，一级涡流后燃烧模块(3)、二级涡流后燃烧模块(4)几乎始终保持固定温度，多回程烟管蒸汽换热模块(2)也始终保持固定参数，这样就可以确保系统随时快速启动并帮助避免冷凝。

所有三个生物质气化模块都将它们产生的燃气(27)送入共用燃气通道(9)，横截面减缩装置(10)布置在共用燃气通道(9)的端部。在所有热出力状态下燃气(27)的燃烧参数几乎保持不变，即使系统的热出力仅为设计最大热出力的1％时也能实现燃气(27)的清洁燃烧。

图中的本实施例的共用燃气通道(9)优先采用的是圆形结构，其内直径为1150mm，内部采用陶瓷环或陶瓷拱段构造，系统满负荷发电时流速超过40m/s时为全功率，这样的构造方式很大程度上可以防止粉尘等的积聚或附着。

当系统接收到启动指令时，缩径小孔(11)、缩径中孔(12)、缩径大孔(13)首先都会被提升到升起工位，同时引风机自动启动运行，功率大约为4兆瓦的、带火焰控制功能的天然气/燃油火焰喷射器(5)点燃并将火焰喷入共用燃气通道(9)中，可以快速安全地达到或重新达到点燃燃气(27)所需的约450℃的温度。

接下来9兆瓦气化模块(6)、6兆瓦气化模块(7)的一次风通道(未示出)和共用燃气通道(9)中的二次风通道(22)被打开以引入λ值大于2.5空气。与此同时9兆瓦气化模块(6)、6兆瓦气化模块(7)分别配置的2个大约150千瓦的天然气/燃油火焰喷射器(29)开始运行并从两侧迅速点燃或重新点燃气化室(23)内的秸秆燃料与烟气，本实施例的热出力可在3分钟内达到约15兆瓦。

而在这个过程的至少第1分钟蒸汽锅炉可以利用其储存在水中的热能单独供应蒸汽来启动汽轮机，此时蒸汽只会有轻微压降，并且这个轻微的压降会随着系统的快速启动运行很快消失，因此依靠系统的生物质热力系统的启动和再启动速度几乎与众所周知的天然气启动电厂的速度一样快。

本实施例中的5个天然气/燃油火焰喷射器(29)和带火焰控制功能的天然气/燃油火焰喷射器(5)每次在夏季快速启动并运行约3分钟共可消耗约45L燃油或45m3天然气，在冬季时因为系统始终处于供热状态因而快速启动时不需要燃油或燃气点火器的支持。

图2进一步示出了本实施例的部分俯视详图，本实施例的横截面减缩装置(10)由3个陶瓷缩径小孔(11)、缩径中孔(12)、缩径大孔(13)组成，本实施例的3个陶瓷缩径孔优选圆形，3个陶瓷缩径孔都包含有冷却水管(14)以强化陶瓷体结构并且都可以根据热出力的需要提起或者落下。

来自本实施例的120千瓦气化模块(8)的燃气(27)通过延伸缩径小孔(11)内的燃烧通道(21)直接引入到燃烧喷嘴A(20)的前部，二次风(22)被引入燃烧通道(21)的前半部分，由于直接引入到燃烧喷嘴A(20)的前部的燃气始终处于燃着状态，因此可以随时点燃或助燃来自9兆瓦气化模块(6)、6兆瓦气化模块(7)的燃气(27)并确保所有燃气(27)的稳定燃烧。

图3显示了所有的缩径小孔(11)、缩径中孔(12)、缩径大孔(13)都布置在只有共有燃气通道(9)穿过的、密闭的外封体(15)中，冷水抽入管(16)被向上引出的通道则是由经过压力垫盘(18)固定的密封垫圈(17)密封的。缩径孔每个都可以由它们各自的绞盘(19)拉起或落下以改变共用燃气通道(9)中的燃气(27)流动的横截面积。

图4显示了一个本实施例中缩径小孔(11)被拉起的位置。

当要求系统实现最大热出力时，本实施例中所有缩径小孔(11)、缩径中孔(12)、缩径大孔(13)都可以被抬起。当要求系统的热出力降低时，则可以根据热出力变化依次落下缩径大孔(13)、缩径中孔(12)和缩径小孔(11)。当最小的缩径小孔(11)落下后，本实施例的系统即进入可以随时快速启动的状态；当要求系统的热出力提高时，则可以根据热出力变化依次抬起缩径小孔(11)、缩径中孔(12)和缩径大孔(13)。本实施例中所有缩径小孔(11)、缩径中孔(12)、缩径大孔(13)都可以根据电力需求波动变化对系统的热出力的变化要求，被逐个依次拉起或者依次落下，这样的操作还可以在系统快速启动运行或者快速停止运行时始终保持最大限度实现燃气(27)的清洁燃烧。

本实施例中的每个缩径小孔(11)、缩径中孔(12)、缩径大孔(13)都包含一个沿燃气(27)流动方向上收窄的锥形燃烧喷嘴B(30)。燃气(27)流经每个缩径孔都会得到加速并形成具有最佳圆形横截面的火焰。燃烧喷嘴B(30)主要由耐磨、耐高温陶瓷材料构造，燃烧喷嘴B(30)通过与缩径孔中的隔热并且可轻微压缩的蛭石层(31)结合大大减少了热应力。

本实施例的缩径小孔(11)中的燃烧喷嘴A(20)设计为内直径仅为115mm，其横截面积仅为共用燃气通道(9)最大横截面积的1％，这个自由内直径能够实现燃气(27)在100千瓦热出力时的流速几乎与15100千瓦热出力时的流速一样高。

这个时候的燃气(27)燃烧温度也可以达到1000℃以上，因此系统可以实现在仅以最大热出力的1％运行时和以最大热出力运行时的燃气(27)的清洁燃烧，系统构成了以秸秆为燃料的热力系统的可变出力的技术基础。

本发明系统的快速再启动的热能来自一级涡流后燃烧模块(3)、二级涡流后燃烧模块(4)和多回程烟管蒸汽换热模块(2)存储的热能，系统在不同热出力状态下所需要的负压几乎恒定，只需要配置一个低能耗引风机(未示出)和一个内直径约20cm的独立烟囱(未示出)使得系统始终处于伺服启动状态。

当本实施例的系统停止发电时，两个9兆瓦气化模块(6)、6兆瓦气化模块(7)的燃烧给风会立即完全停止，但由于气化室(23)中仍保有热能所以气化室(23)中的秸秆的气化仍将继续但其强度会逐渐减弱。

经过一个延时后缩径大孔(13)被落入到下落工位、再经过一个延时后缩径中孔(12)也被落入到下落工位，直到最后缩径小孔(11)被落入到下落工位，每个延时长与短可通过具体的参数测试来确定。

本实施例中根据专利CN201821509831.1原理设计构造的120千瓦气化模块(8)几乎总是处于运行状态，至少在夏天是这样，但在冬天9兆瓦气化模块(6)、6兆瓦气化模块(7)里的秸秆燃料充分清洁燃烧的时候则不需要120千瓦气化模块(8)。120千瓦气化模块(8)的气化室(23)的秸秆燃料必须足够满足24小时连续运行，即每24小时重新装填一次。

本实施例中将120千瓦气化模块(8)接入位于燃气通道(9)末端的缩径小孔(11)的、同样是由耐火陶瓷材料构造的燃烧通道(21)的内部也首选圆锥形结构已实现汇拢烟气和提高烟气燃烧强度的作用。二次风(22)在燃烧通道(21)的前半部分引入。

来自燃烧通道(21)的燃着的烟气可以随时点燃通过共用燃气通道(9)进入的来自9兆瓦气化模块(6)、6兆瓦气化模块(7)的没有燃着的燃气(27)，因此本实施例的系统就可以通过完全停止给风而最快速度停止9兆瓦气化模块(6)、6兆瓦气化模块(7)的气化燃烧过程。

恰当的关闭风门并完全停止9兆瓦气化模块(6)、6兆瓦气化模块(7)的给风可以确保9兆瓦气化模块(6)、6兆瓦气化模块(7)的气化室(23)中的温度在最短时间内降至320℃以下使得热裂解停止并不再产出有机炭，因此在下一次快速启动时就可以在很大程度上避免有机炭的高温结焦。

缩径小孔(11)、缩径中孔(12)、缩径大孔(13)中的陶瓷喷嘴构件(33)是根据专利CN201911130279.4的后涡流燃烧室的环设计原理建造，燃烧喷嘴B(30)在缩径中孔(12)、缩径大孔(13)中的出口直径小于紧随其后的缩径小孔(11)、缩径中孔(12)中的入口直径，缩径孔之间的非精准横截面桥接也会使得烟气产生不规则压力脉冲从而增加烟气燃烧强度。

热烟气(28)在热烟气通道(24)进入一级涡流后燃烧模块(3)时，会由于本实施例中的一级涡流后燃烧模块(3)1.3m的狭窄内直径而产生高速涡流，这里的一级涡流后燃烧模块(3)1.3m的内直径可以被视为100％热出力时有效吸入热烟气(28)的最小值。

本实施例的两个一级涡流后燃烧模块(3)、二级涡流后燃烧模块(4)都是9m高，如热出力在33％时热烟气(28)在一级涡流后燃烧模块(3)中停留约0.25秒以确保实现清洁燃烧，即便热出力仅为100千瓦时一级涡流后燃烧模块(3)也可以保证热烟气(28)在一级涡流后燃烧模块(3)中的清洁燃烧。

本实施例中的内直径约为2.6m的二级涡流后燃烧模块(4)除可使热烟气(28)停留约2秒钟外，还有足够空间根据专利CN.201811060841.6将过热蒸汽管(25)布置二级涡流后燃烧模块(4)与地面垂直的壁体内并始终连接到多回程烟管蒸汽换热模块(2)，过热蒸汽管(25)由碳化硅等材料制成的异形石的保护而使得过热蒸汽管(25)的使用寿命得以延长。

例如在热出力仅为100千瓦的“停机状态”时，经过缩径小孔(11)后的热烟气(28)的燃烧温度虽约为800℃，但热烟气(28)进入一级涡流后燃烧模块(3)后停留约20秒后温度就会降至600℃以下，而这个温度不会危及处于系统“停机状态”的二级涡流后燃烧模块(4)壁体中的蒸汽过热管(25)。

由于增加了多回程烟管蒸汽换热模块(2)中的水储热量，多回程烟管蒸汽换热模块(2)可以在系统的“停机状态”时保持更长时间的能值有助于系统的再快速启动。

根据本发明系统可以为“虚拟电厂”建设另辟一条风能、太阳能、储能等技术以外的蹊径，还可以通过在“调控发电量”模式下的全年连续运行实现生活垃圾与秸秆的“耦合”利用，使得类似农村地区的电力-热力耦合有利可图。通过“去中心化”的“分布式”利用模式将供热、垃圾处理和“调控发电”相结合，解决秸秆和垃圾长距离运输和长时间储存等问题，并使有效避免灰渣结焦，系统产生的灰渣完全为农业生产所用从而实现资源的循环化利用。

Claims (9)

1.一种可以快速大范围改变热出力的生物质燃烧系统，包含生物质气化系统、出灰渣系统、控制系统、带有集成了过热蒸汽管的涡流后燃烧系统、多回程烟管蒸汽换热器、带火焰控制功能的天然气/燃油火焰喷射器和天然气/燃油火焰喷射器：其特征在于，9兆瓦气化模块(6)、6兆瓦气化模块(7)、120千瓦气化模块(8)将产生的燃气(27)送入共用燃气通道(9)，在该共用燃气通道(9)的末端布置有横截面减缩装置(10)。

2.根据权利要求1所述的一种可以快速大范围改变热出力的生物质燃烧系统；其特征在于，在共用燃气通道(9)的起始处布置有一个天然气/燃油火焰喷射器(5)可以将燃着的火焰喷入共用燃气通道(9)。

3.根据权利要求1所述的一种可以快速大范围改变热出力的生物质燃烧系统，其特征在于，9兆瓦气化模块(6)、6兆瓦气化模块(7)配置的天然气/燃油火焰喷射器(29)可以将火焰喷入气化室(23)。

4.根据权利要求1所述的一种可以快速大范围改变热出力的生物质燃烧系统，其特征在于，横截面减缩装置(10)包含若干个缩径小孔(11)、缩径中孔(12)、缩径大孔(13)，缩径小孔(11)、缩径中孔(12)、缩径大孔(13)可以沿垂直于共用燃气通道(9)的燃气(27)流动的方向各自独立抬起或者落下。

5.根据权利要求4所述的一种可以快速大范围改变热出力的生物质燃烧系统，其特征在于，缩径小孔(11)、缩径中孔(12)、缩径大孔(13)各自包含一个沿燃气(27)流动方向逐渐收窄的陶瓷材料的燃烧喷嘴A(20)、燃烧喷嘴B(30)。

6.根据权利要求5所述的一种可以快速大范围改变热出力的生物质燃烧系统，其特征在于，沿燃气(27)流动方向上最后一个缩径小孔(11)的最小的燃烧喷嘴A(20)之前布置了燃烧通道(21)的开口，该燃烧通道(21)沿来自120千瓦气化模块(8)燃气(27)的流动方向逐渐收窄后进入缩径小孔(11)，并且在该燃烧通道(21)的前半部分位置引入二次风(22)。

7.根据权利要求1所述的一种可以快速大范围改变热出力的生物质燃烧系统，其特征在于，通过带火焰控制功能的天然气/燃油火焰喷射器(5)、天然气/燃油火焰喷射器(29)快速启动本发明的可以快速大范围改变热出力的生物质燃烧系统时的给风量是本发明的系统的最大热出力运行时所需风量的2.5倍。

8.根据权利要求1所述的一种可以快速大范围改变热出力的生物质燃烧系统，其特征在于，9兆瓦气化模块(6)、6兆瓦气化模块(7)和气化模块的上料系统均采用密闭设计和构造。

9.根据权利要求1所述的一种可以快速大范围改变热出力的生物质燃烧系统，其特征在于，可以配置一个热水储能缓冲罐(未示出)做为本发明的系统的辅助功能模块。

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