CN114353055A - 一种用于斯特林发动机的直燃式生物质燃烧炉 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于斯特林发动机的直燃式生物质燃烧炉，包括炉体，炉体自上至下依次设有炉膛和燃烧室，炉膛内设有进行热交换的换热器；燃烧室内设有与换热器连接的能产生平焰的热辐射燃烧器，热辐射燃烧器下方设有装灰盒，在炉体一侧设有料仓，料仓通过进料通道与热辐射燃烧器连接，在进料通道上设有燃料输送机构；该生物质燃烧炉能使发动机的热头插于炉口，炉膛内设有热辐射燃烧器，采用直燃和空气直射的方式，壳体由两组辐射筒构成，目的是均化火焰温度，利用高温烧红辐射筒，将对流热转化为辐射热，通过辐射筒对发动机热头进行辐射加热，还可对燃烧过程中的颗粒进行阻拦过滤，使火焰过火时间长，燃烧充分，利于斯特林发动机做功稳定。

Description

一种用于斯特林发动机的直燃式生物质燃烧炉

技术领域

本发明属于生物质锅炉技术领域，具体涉及一种用于斯特林发动机的直燃式生物质燃烧炉。

背景技术

生物质燃烧器是近几十年来发展起来的一种以多孔介质为载体的基于过焓燃烧理论的预混燃烧技术，储热介质为可蓄热球、无机盐、金属合金或陶瓷蜂窝体，其主要工作原理是利用多孔介质被高温燃气加热后，能够形成比气相介质强得多的热辐射，增强对预混气流上游，还未发生化学反应的各组分的预热作用，大幅度提高燃烧速率，增强火焰的稳定性，提高火焰温度，从而扩展贫燃极隈，并降低有害污染物排放量。

现有的生物质燃烧器都是以燃烧锅炉、热水为主，只侧重某一单一传热方式，即：热-锅炉模式-取暖模式 、热-热水模式，还没有把生物质燃烧器与斯特林发动机发电相结合；通过生物质燃烧器与斯特林发动机相结合，主要解决以下几个问题：

1、热效不高，产生的热量散、热能密度不高，这些热量将直接作用到发动机上，容易对发动机造成很大损坏；

2、炉腔内产生的热量不均匀，一般都使用的引风机牵引，在这种情况下，后端温度比前端高，这是由于热量不能有效散出，前端温度较低，因距发动机热头近，这种温度高低不一致的现象，易对发动机工作状态产生不稳定的影响；

3、生物质燃烧炉在燃烧过程中，温度达到1000°以上时，容易产生结焦，影响发动机热头吸热，结焦黏附在热头毛细管上，影响其寿命。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种加热效能高、加热稳定性好、可提高受热有效面积的一种用于斯特林发动机的直燃式生物质燃烧炉。

本发明的技术方案是：

一种用于斯特林发动机的直燃式生物质燃烧炉，包括炉体，炉体内自上至下依次设有炉膛和燃烧室，炉膛内设有用于进行热交换的换热器；燃烧室内设有与换热器连接的能产生平焰的热辐射燃烧器，热辐射燃烧器下方设有装灰盒，在炉体一侧设有料仓，料仓通过进料通道与热辐射燃烧器连接，在进料通道上设有燃料输送机构。

上述的热辐射燃烧器包括壳体，壳体内设有器膛，在燃烧室内顶部设有能均匀输送燃气的热辐射筒，外顶端设有与热辐射筒位置相对的辐射板。

上述器膛底部设有与器膛连通的支架，顶部设有排烟室，器膛一端均布有若干燃气进口和空气进口，热辐射筒上设有若干与燃气进口相对应的燃气出口，使热辐射筒通过燃气管与燃气进口连接；辐射板设置在排烟室内，其上设有与器膛连通的排烟孔，在支架内设置出烟腔道，排烟室外侧面均布若干排烟口，排烟口通过回气管与出烟腔道连接。

上述的热辐射筒为双层筒状结构，两层筒体之间通过若干使二者相互连通的细长圆管相连接，燃气管的出气端延伸至外层筒体内部；在外层筒体表面设有若干过滤小孔，顶端设有开口，辐射板设置在外层筒体的开口处。

上述的辐射板为圆环辐射板，圆环辐射板的轴孔与外层筒体开口相匹配，在圆环辐射板上呈圆周分布有至少四个排烟孔。

上述的热辐射燃烧器器膛上呈圆周均布设有至少8个燃气进口，在每个燃气进口之间呈圆周均布设有至少6个空气进口，回气管至少为12 根。

上述的热辐射燃烧器支架上设有引风口，在燃烧器的炉体上对称设有冷水进水口和热水出水口。

上述换热器的外侧壁上开设有出烟口，出烟口上设有烟囱或引风机。

上述热辐射燃烧器下端通过铰轴铰接有与进料通道相连的炉箅，燃料输送机构包括设置在铰轴上的齿轮，在炉箅一侧设有电机，齿轮通过链条与电机相互连接。

上述的热辐射燃烧器一侧设有排灰口，排灰口处设有挡板。

与现有技术比较，本发明的有益效果是：

本发明包括炉体，炉体内自上至下依次设有炉膛和燃烧室，炉膛内设有用于进行热交换的换热器；燃烧室内设有与换热器连接的能产生平焰的热辐射燃烧器，热辐射燃烧器下方设有装灰盒，在炉体一侧设有料仓，料仓通过进料通道与热辐射燃烧器连接，在进料通道上设有燃料输送机构；热辐射燃烧器包括壳体，壳体内设有器膛，在燃烧室内顶部设有能均匀输送燃气的双层筒状结构热辐射筒，外顶端设有与热辐射筒位置相对的圆环辐射板，在壳体内设有器膛，器膛一端均布有若干燃气进口和空气进口，热辐射筒上设有若干与燃气进口相对应的燃气出口，使热辐射筒通过燃气管与燃气进口连接；辐射板设置在排烟室一侧，其上设有与器膛连通的排烟孔，在支架内设置出烟腔道，排烟室外侧面均布若干排烟口，排烟口通过回气管与出烟腔道连接。

通过在生物质燃烧炉里面增加一个带有吸热、聚热、流速等功能的燃烧器，通过燃烧器均布吸收热能并传递热能，给斯特林发动机热头加热的主要方式，采用燃烧器，确保气体的畅通和实现温度的均匀性，采用两层辐射桶和进气通道，燃烧器采用特殊的结构设计达到产生平焰的目的。

通过增加燃烧器，生物质燃烧火焰经过烟气和空气经过各自的管道进入，在炉体内混合起到助燃，燃烧产生的热量通过对流传热和辐射传热的方式到达斯特林发动机热头，经热头吸收热量以此来保证斯特林发动机的正常工作，并通过对生物质燃烧器的空气进口、燃气进口和回气管的数量改变，燃气进口8个均布，每个燃气进口周围 6 个均布空气进口，冷却空气通过径向风将火焰封锁，在燃烧区域形成均匀的平面火焰，均匀分布的稳定场，满足炉膛温度和发动机工作的需求；本发明解决了生物质燃烧炉温度均匀性问题，高质量平焰燃烧器确保了火焰均匀性，利用辐射筒的均化作用，抑制高点温升；利用辐射筒的紊流左右，提高火焰均匀性，燃气燃烧器氮氧化物NOX污染物浓度低于国标所规定的，符合国家环保的要求。

附图说明

图1是本发明的生物质燃烧炉的结构示意图；

图2是本发明热辐射燃烧器的立体图；

图3是本发明热辐射燃烧器的立体图；

图4是本发明热辐射燃烧器的顶视图；

图5是本发明热辐射燃烧器的俯视图；

图6是本发明热辐射燃烧器的侧视图；

图7是本发明辐射燃烧器的侧视图；

图8是本发明热辐射燃烧器的剖视图；

图9是本发明热辐射燃烧器的立体半剖视图。

图中：1-炉体；2-换热器；3-热辐射燃烧器；3-1-引风口；3-2-冷水进水口；3-3-热水出水口；3-4-排水口；31-壳体；32-器膛；32-1-排烟室；33-支架；34-燃气进口；35-空气进口；36-热辐射筒；36-1-外层筒体；37-燃气管；38-辐射板；39-回气管；4-装灰盒；5-电机；6-链条；7-炉箅；8-料仓；9-进料通道；10-连通管；11-细长中空圆管。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种用于斯特林发动机的直燃式生物质燃烧炉，包括炉体1，炉体1内自上至下依次设有炉膛和燃烧室，炉膛内设有用于进行热交换的换热器2；燃烧室内设有与换热器2连接的能产生平焰的热辐射燃烧器3，热辐射燃烧器3下方设有装灰盒4，在炉体1一侧设有料仓8，料仓8通过进料通道9与热辐射燃烧器3连接，在进料通道9上设有燃料输送机构。

燃料输送机构包括设置在热辐射燃烧器3下端的炉箅7上的铰轴，铰轴上设有齿轮，在炉箅7一侧设有电机5，齿轮通过链条6与电机5相互连接；炉膛和燃烧室的一端设有料仓8，料仓8与热辐射燃烧器3进料通道9相互连通，其左端设有排灰口和挡板；电机5带动炉箅7转动使得燃烧料以下进式从进料管进入燃烧室，经过气化和挥发在燃烧室燃烧，得到的高温气流进入换热器2中，进行热交换后排出废气；炉箅7的转动也使得燃烧后的灰质从其左端的排灰口排出，落入装灰盒4中，从而实现装料和排灰的自动化；在换热器2的外侧壁上开有一出烟口，出烟口上还可以装有烟囱或引风机。

生物质燃料在炉膛底部进行直接燃烧，解决了燃烧时无烟尘和焦油，燃料能够完全燃烧，燃烧残余物少。把燃烧器中的一次风、二次风配风系统分开，一次风主要利烟囱抽力由进料口提供，完成生物质燃料的直接燃烧，供给加热后的二次风，促进燃烧器处可燃气与空气充分混合燃烧，进一步提高燃烧效率。

本发明专利按照斯特林发动机的设计功率25KW、发动机热转换效率33%计算，实际输入热端的功率应该不低于85KW，即当热效率为100%时，加热器输出功率不低于85KW，考虑到热流失、热损耗等因素，按照100KW的生物质燃烧炉计算，需要一个10万—12万大卡的燃烧炉，来做为斯特林发动机的热源机，其具体性能指标为：

1、气体燃烧热端，即热交换位置温度 800℃~1100℃，温度可调，热交换面温度不均性小于10%；

2、加热炉输出热功率100KW~120KW；

3、预留冷空气进入为期开口，尾气排出温度不大于100℃；

4、保证发动机的发电功率达到 25KW。

根据斯特林发动机热热头的实际尺寸和加热功率的要求，并结合实际工作环境，选择了加热炉的关键部件材料和大致形状，初步完成了生物质燃烧炉中的燃烧器3的结构设计。

如图2-7所示，热辐射燃烧器3包括壳体31，壳体31内设有器膛32，在燃烧室内顶部设有能均匀输送燃气的热辐射筒36，外顶端设有与热辐射筒36位置相对的辐射板38，器膛32底部设有与器膛32连通的环形支架33，顶部设有排烟室32-1，排烟室32-1与器膛32之间通过连通管10连通；器膛32一端均布有若干燃气进口34和空气进口35，热辐射筒36上设有若干与燃气进口34相对应的燃气出口，使热辐射筒36通过燃气管37与燃气进口34连接；辐射板38设置在排烟室32-1一侧，其上设有与器膛32连通的排烟孔，在支架33内设置出烟腔道，排烟室32-1外侧面均布若干排烟口，排烟口通过回气管38与出烟腔道连接。

如图8-9所示，热辐射筒36为双层筒状结构，两层筒体之间通过若干使二者相互连通的细长中空圆管11相连接，燃气管37的出气端延伸至外层筒体36-1内部；在外层筒体36-1表面设有若干可过滤燃烧颗粒的小孔，顶端设有开口，辐射板38设置在外层筒体36-1的开口处。

辐射板38为圆环辐射板，圆环辐射板的轴孔与外层筒体36-1开口相匹配，在圆环辐射板38上呈圆周分布有至少四个排烟孔。

热辐射燃烧器3器膛上呈圆周均布设有至少8个燃气进口34，在每个燃气进口34之间呈圆周均布设有6个空气进口35，使得冷却空气通过径向风将火焰封锁，不形成长直火焰，而是在燃烧区域形成均匀的平面火焰，回气管39至少为12 根，炉体内流体分布均匀，满足加热温度和斯特林发动机工况需求，达到了温度场分布的均匀性要求；通过利用空气和燃气管道设置形成环形火焰，选用了多孔结构的平焰燃烧器，该燃烧器能够提供均匀的面状火焰，8个均布燃气进口34，每个燃气进口34周围6个均布空气进口35，燃气和空气直射入器膛内，在器膛内进行混合后燃烧。通过改变燃烧器3的燃气进口34和空气进气口35的数量、回气管38的位置和数量以及增加辐射筒36等，加热炉内部的流场规律。通过增加燃烧器，生物质燃烧火焰经过烟气和空气经过各自的管道进入，在壳体内混合起到助燃，燃烧产生的热量通过对流传热和辐射传热的方式到达斯特林发动机热头，经热头吸收热量以此来保证斯特林发动机的正常工作。

热辐射燃烧器3支架33上设有引风口3-1，在支架33底面燃气进口34之间还设有排水口3-4，排水口3-4数量至少为两个，在燃烧器3的炉体上对称设有冷水进水口3-2和热水出水口3-3。

为了进一步提高燃烧效率。壳体区内有两块辐射筒构成，其目的一是进一步均化火焰温度，二是利用高温烧红辐射筒，将对流热转化为辐射热，通过辐射筒进行加热热端，提高受热有效面积；回流区将高温尾气引回热交换器，热交换区增加冷热空气热交换面积，完成能量回收。

通过对生物质燃烧器的空气进口35、燃气进口34和回气管39的数量改变，对热辐射燃烧器3进行多次实验，并加上高温热管传导，得到最优结构和参数，将得到的最优结构进行分析，通过分析内部流场，温度场，氮氧化物NOX的分布浓度等，完成了生物质燃烧炉内腔燃烧器的均温性及其他特性。增加高温热管后，加热炉的燃烧非常充分，只有外焰的部分出现小区域的高温区。气体流过高温热管之后温度分布均匀，火焰得到了明显的均化，明显消除了温度梯度。加热炉中心的温度集中在绿色温度区，最高1340℃，最低1280℃，相差60℃，已经达到斯特林热头温差不得大于10%的工作条件。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。

Claims (10)

1.一种用于斯特林发动机的直燃式生物质燃烧炉，包括炉体（1），其特征在于：所述炉体（1）内自上至下依次设有炉膛和燃烧室，所述炉膛内设有用于进行热交换的换热器（2）；燃烧室内设有与换热器（2）连接的能产生平焰的热辐射燃烧器（3），所述热辐射燃烧器（3）下方设有装灰盒（4），在炉体（1）一侧设有料仓（8），料仓（8）通过进料通道（9）与热辐射燃烧器（3）连接，在进料通道（9）上设有燃料输送机构。

2.根据权利要求1所述的用于斯特林发动机的直燃式生物质燃烧炉，其特征在于：所述的热辐射燃烧器（3）包括壳体（31），壳体（31）内设有器膛（32），在燃烧室内顶部设有能均匀输送燃气的热辐射筒（36），外顶端设有与热辐射筒（36）位置相对的辐射板（38）。

3.根据权利要求2所述的用于斯特林发动机的直燃式生物质燃烧炉，其特征在于：所述器膛（32）底部设有与器膛（32）连通的支架（33），顶部设有排烟室（32-1），器膛（32）一端均布有若干燃气进口（34）和空气进口（35），热辐射筒（36）上设有若干与燃气进口（34）相对应的燃气出口，使热辐射筒（36）通过燃气管（37）与燃气进口（34）连接；所述辐射板（38）设置在排烟室（32-1）内，其上设有与器膛（32）连通的排烟孔，在支架（33）内设置出烟腔道，排烟室（32-1）外侧面均布若干排烟口，排烟口通过回气管（39）与出烟腔道连接。

4.根据权利要求3所述的用于斯特林发动机的直燃式生物质燃烧器，其特征在于：所述的热辐射筒（36）为双层筒状结构，两层筒体之间通过若干使二者相互连通的细长圆管相连接，燃气管（37）的出气端延伸至外层筒体（36-1）内部；在外层筒体（36-1）表面设有若干过滤小孔，顶端设有开口，所述辐射板（38）设置在外层筒体（36-1）的开口处。

5.根据权利要求3所述的用于斯特林发动机的直燃式生物质燃烧器，其特征在于：所述的辐射板（38）为圆环辐射板，圆环辐射板的轴孔与外层筒体（36-1）开口相匹配，在圆环辐射板（38）上呈圆周分布有至少四个排烟孔。

6.根据权利要求3所述的用于斯特林发动机的直燃式生物质燃烧器，其特征在于：所述的热辐射燃烧器（3）器膛上呈圆周均布设有至少8个燃气进口（34），在每个燃气进口（34）之间呈圆周均布设有至少6个空气进口（35），所述回气管（39）至少为12 根。

7.根据权利要求3-6任一所述的用于斯特林发动机的直燃式生物质燃烧炉，其特征在于：所述的热辐射燃烧器（3）支架上设有引风口（3-1），在燃烧器（3）的炉体上对称设有冷水进水口（3-2）和热水出水口（3-3）。

8.根据权利要求1所述的用于斯特林发动机的直燃式生物质燃烧炉，其特征在于：在换热器（2）的外侧壁上开设有出烟口，出烟口上设有烟囱或引风机。

9.根据权利要求1所述的用于斯特林发动机的直燃式生物质燃烧器，其特征在于：在热辐射燃烧器（3）下端通过铰轴铰接有与进料通道（9）相连的炉箅（7），所述燃料输送机构包括设置在铰轴上的齿轮，在炉箅（7）一侧设有电机（5），齿轮通过链条（6）与电机（5）相互连接。

10.根据权利要求1所述的用于斯特林发动机的直燃式生物质燃烧炉，其特征在于：所述的热辐射燃烧器（3）一侧设有排灰口，排灰口处设有挡板。

Images