CN116241876A - 气固二相高效燃烧生物质锅炉 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种气固二相高效燃烧生物质锅炉，气化炉与锅炉炉膛之间设置有燃气燃烧器，燃气燃烧器连通气化炉与锅炉炉膛，燃气燃烧器所在的锅炉炉膛区域作为气相燃烧区，气相燃烧区位于锅炉炉膛的中部；气化炉出来的气化气在气相燃烧区中进行气相室燃燃烧，气化往复床排出的未燃尽灰渣和气化气携带的未燃尽飞灰在燃尽往复床中进行固相层燃燃烧，气化炉的气化反应给燃气燃烧器提供燃气，使燃气喷入锅炉本体的锅炉炉膛中部产生高温气相燃烧，气相燃烧结合锅炉炉膛下部的固相燃烧，实现气固二相燃烧型式，完美地契合了生物质燃料的燃烧特性，极大地提升了生物质燃料的燃烧效率，实现洁净环保地燃烧，锅炉热效率也高。
Description
技术领域
本发明属于锅炉设备领域，具体来说是一种高效燃烧生物质燃料的锅炉。
背景技术
生物质能源是世界公认的继煤、油、气后的第四大能源库，其温室气体CO2为零排放，属清洁环保能源，以生物质能源作为燃料的生物质锅炉得到国家的大力推广和扶持，目前市面上有两种燃烧方式的传统生物质锅炉：一种为固相层燃生物质锅炉，另一种为气相室燃生物质锅炉。
传统固相层燃生物质锅炉是从燃煤锅炉炉型改造发展而来，燃烧方式为层燃，即固相的生物质燃料输送至锅炉炉膛，炉膛下部布置有移动炉排，生物质燃料在炉排上边燃烧边向锅炉尾部运动。固相层燃燃烧的优点是燃烧时间充足，有利于固体燃料碳颗粒的燃尽，但生物质燃料主要特点是燃料挥发分高(可达75％以上)，挥发分在炉膛受热的情况下会在极短的时间内裂解析出，变成可燃气体，传统固相层燃生物质锅炉多为大炉膛结构，不利于生物质可燃气的组织配风燃烧，在引风机的负压作用下可燃气很容易跟着烟气排出烟囱，加上未燃尽的飞灰也多，锅炉总体燃烧效果欠佳，导致能源的浪费。同时固相层燃为直燃，其燃烧温度高，主要因高温生成的NOx污染物也多，加上飞灰多，从而增大了锅炉原始污染物的排放量，增加了锅炉烟气排放环保处理设备的成本及其运行费用。
传统气相室燃生物质锅炉(也叫生物质燃气锅炉)，是利用生物质气化炉把生物质气化后的气化气输送至燃气锅炉(一般为天然气锅炉炉体)进行气相燃烧，燃烧方式为室燃，生物质气化气由于使用结构紧凑室燃方式的天然气锅炉组织燃烧，燃烧效率得到了极大的提高，但该燃烧效率的提高也只是针对气化气部分，对气化炉排出的未燃尽灰渣部分蕴含的能量没有得到有效的利用，气化炉排出的大量未燃尽灰渣不光能源浪费，而且还造成了灰渣增量，增加固废处理难度和成本。因此传统气相室燃生物质锅炉对能源整体利用率仍然未能有效地提升，锅炉热效率也较低，运行成本高，并且燃气安全问题及次生焦油析出等环保问题也伴随而来。
综述传统生物质锅炉的两种燃烧方式其各自燃烧缺点：1、固相层燃：没有对生物质燃烧过程中产生的大量可燃高挥发份进行专门组织燃烧，挥发份易逃逸，影响燃烧效率，未燃尽而从锅炉尾部排出飞灰也多，也影响锅炉燃烧效率；该种锅炉是直燃，燃烧温度高，产生的污染物NOx多，飞灰也多，颗粒物排放量也多，不属洁净环保燃烧；锅炉热效率低以及污染物处理成本高，增大了锅炉的运行成本。2、气相室燃：有专门独立的气化炉(不属于锅炉设备的部份)对生物质燃料进行气化，生物质属高挥发份燃料，很适合于气化，再通过燃气燃烧器在锅炉内对气化气进行组织燃烧，气相燃烧属洁净环保燃烧，锅炉初始排放的污染物和颗粒物少，但该种锅炉也仅燃烧气化气，对气化炉排出的难以完全气化的残碳(灰渣)没有再进行燃烧利用，产生的焦油也没有燃烧利用，锅炉总体燃烧效果差、热效率低、运行成本高。
发明内容
本发明针对上述存在的单一生物质燃料的气单相、固单相燃烧存在燃烧效率低、飞灰多、残碳多、燃烧排放不环保等缺陷，提供了一种完美契合生物质燃料燃烧特性、洁净环保燃烧、燃烧效果好、锅炉热效率高、运行成本低、结构紧凑的气固二相高效燃烧生物质锅炉。
本发明解决上述问题所采用的技术方案如下：一种气固二相高效燃烧生物质锅炉，包括气化炉、燃气燃烧器和具有燃尽往复床和锅炉炉膛的锅炉本体，所述气化炉的底部设置气化往复床，气化炉与锅炉炉膛之间设置有燃气燃烧器，燃气燃烧器连通气化炉与锅炉炉膛，燃气燃烧器所在的锅炉炉膛区域作为气相燃烧区，气相燃烧区位于锅炉炉膛的中部；气化炉出来的气化气在气相燃烧区中进行气相室燃燃烧，气化往复床排出的未燃尽灰渣和气化气携带的未燃尽飞灰在燃尽往复床中进行固相层燃燃烧。
优选之，所述气化炉、燃气燃烧器和锅炉本体从左至右依次紧密相依布置，左侧下方为气化炉，右侧为锅炉本体，中间为燃气燃烧器，锅炉本体中的燃尽往复床布置在锅炉炉膛的下部。
优选之，所述气化往复床后端与燃尽往复床前端无缝地连接，构成了一体式的倾斜往复床。
优选之，位于气相燃烧区的锅炉炉膛中部设置辅助风道，辅助风道由二次风和三次风组成。
优选之，所述二次风做成下大上小的双层四角切圆布置结构；所述三次风为两侧倾斜向下～10°布置。
实施上述技术方案，通过结合气化炉、燃气燃烧器和锅炉本体，气化炉的气化反应给燃气燃烧器提供燃气，使燃气喷入锅炉本体的锅炉炉膛中部产生高温气相燃烧，气相燃烧结合锅炉炉膛下部的固相燃烧，实现“主气相室燃+辅固相层燃”气固二相燃烧型式，气固二相燃烧取长补短，完美地契合了生物质燃料的燃烧特性；气化区产生的高挥发份生物质气化气由专门的燃气燃烧器在气相燃烧区内充分燃烧，且气化气发热量低，理论燃烧温度也低，能有效地避免因高温生成的“热力型”NOx污染物，实现洁净环保高效地燃烧，同时气化气为热燃气，产生的少量焦油为气相，也通过燃气燃烧器完全燃烧利用，故无焦油析出且有效地利用了焦油的热量；气化往复床对燃料进行翻动(搅动)，使得气化炉的燃料充分燃烧，气化炉排出的少量未燃尽灰渣和气化气携带的未燃尽飞灰由专门的燃尽往复床在固相燃尽区内进行辅助燃烧，进而完全燃尽；能够有效地解决生物质燃料气、固单相燃烧各自不足的难题，气固二相融合燃烧方式极大地提升了生物质燃料的燃烧效率，实现洁净环保地燃烧，锅炉热效率也高。
附图说明
图1为气固二相高效燃烧生物质锅炉的结构示意图。
图2为燃烧区域示意图。
图3为往复床的结构示意图。
图4为气固二相高效燃烧生物质锅炉的侧视图。
图5为锅炉本体中辅助风道的俯视图。
图6a为燃气燃烧器的结构示意图。
图6b为图6a的侧视图。
图7为气固二相高效燃烧生物质锅炉燃烧过程示意图。
图8为气固二相高效燃烧生物质锅炉燃烧现象示意图。
具体实施方式
如图1至图3所示，气固二相高效燃烧生物质锅炉主要由气化炉1、燃气燃烧器2和锅炉本体3共三大部件组成，该三大部件做成生物质锅炉的整体构造，同时构成三大燃烧区域：气化区、固相燃尽区和气相燃烧区。三大部件从左至右依次紧密相依布置，左侧为气化炉1，中间为燃气燃烧器2，右侧为锅炉本体3。
气化炉1中的气化往复床11位于气化炉1的下部，气化往复床11后端与燃尽往复床35前端无缝连接，气化炉1中的往复推动装置114和燃尽往复床35中的往复推动装置354均布置在气化炉1的最前端，气化往复床11在前、燃尽往复床35在后，构成了一体式的倾斜往复床。气化往复床和燃尽往复床6～8°的小倾斜度，利于灰渣排出的同时，也可进一步地降低气化炉和燃尽往复床的高度，节省材料和造价。
设置三大燃烧区域：气化区位于气化炉1内，后底部与固相燃尽区连通，后顶部通过燃气燃烧器2与气相燃烧区连通，气化区位于气化往复床11的上方。固相燃尽区位于锅炉炉膛下部，区域为燃尽往复床35上方的约700mm范围内，顶部与气相燃烧区连通。气相燃烧区位于锅炉炉膛中部，即布置燃气燃烧器2处的锅炉炉膛上下范围内，下部与固相燃尽区连通，上部比辅助风道33中的三次风332高约500～1500mm。
气化炉1由气化往复床11、气化炉炉墙12、外壳13和燃料进口14组成。气化往复床11由往复炉排片111、往复推动梁112、构架113和往复推动装置114等组成，整个气化往复床1倾斜向下6～8°，其有效气化面积R气＝D/(1.5～2.5)(m2)(D为锅炉额定蒸发量t/h)。往复炉排片111采用耐热铸铁材质，相邻炉排片排与排之间一动一静，动的往复炉排片111安装在往复推动梁112上；构架113主要由耐热铸件、钢板和型钢等构成，承担整个气化往复床11的重量。往复推动装置114采用液压推动系统，液压推动系统的油缸与往复推动梁112相接，推动往复推动梁112，带动动的往复炉排片111作往复推动动作。气化炉炉墙12分为前墙、隔料墙、后墙12-1、左侧墙、右侧墙和顶墙共六个部分，一起包覆形成气化区，整个炉墙由耐火砖、耐火混凝土、保温砖和硅酸铝纤维等构成。外壳13主要由彩板和型钢构成，外包整个气化炉1。气化炉的前墙上部处设置燃料进口14，由钢板和型钢焊接构成。
燃气燃烧器2布置在锅炉炉膛中部，前端接气化区，后端接气相燃烧区，气化气和空气从燃气燃烧器2中出来，在气相燃烧区内混合燃烧。
如图6所示，燃气燃烧器2由进风口21、旋流片22、出风口23、风箱24和气道25组成，为矩形体结构，由钢板焊接而成。进风口21外端接鼓风机引来的风道，内端接风箱24；旋流片22材质采用耐热不锈钢310S，右旋(偏移)10～30°安装，片间距为80～150；出风口23材质采用耐热不锈钢310S，与气道25的间距为50～120；风箱24上接进风口21，右接出风口23；气道25通气化气，材质采用耐热不锈钢310S，耐高温材质使其使用寿命更长，其矩形截面流通面积S≈0.026D(m2)(D为锅炉额定蒸发量t/h)。
锅炉本体3由水冷壁31、锅炉本体炉墙32、辅助风道33、燃尽往复床35和本体余部34组成。水冷壁31下拉至距燃尽往复床35中的往复炉排片351上方的约300～800mm处，其主要由管子和集箱构成，形成锅炉的辐射受热面。锅炉本体炉墙32包围锅炉的各个受热面，形成烟气流通的烟道，其主要由耐火砖、耐火混凝土、保温砖和硅酸铝纤维等构成，其在锅炉本体3前部包围着整个水冷壁31，形成了锅炉炉膛。本体余部34是除了水冷壁31、锅炉本体炉墙32、辅助风道33和燃尽往复床35之外的其余部件，比如：锅炉管束、省煤器、空气预热器、锅筒、钢架和平台扶梯等，与水冷壁31、锅炉本体炉墙32、辅助风道33和燃尽往复床35组成完整的一台锅炉的锅炉本体3。
燃尽往复床35结构与气化往复床11相似，由往复炉排片351、往复推动梁352、构架353和往复推动装置354等组成，整个燃尽往复床倾斜向下6～8°，其有效燃烧面积R固＝D/(2.2～3.6)(m2)(D为锅炉额定蒸发量t/h)；往复炉排片351采用耐热铸铁材质，相邻炉排片排与排之间一动一静，动的往复炉排片351安装在往复推动梁352上；构架353主要由耐热铸件、钢板和型钢等构成，承担整个燃尽往复床35的重量。往复推动装置354采用液压推动系统，液压推动系统的油缸与往复推动梁352相接，推动往复推动梁352，带动动的往复炉排片351作往复推动动作。燃尽往复床35前端与气化往复床11后端无缝连接，气化炉1中的往复推动装置114和燃尽往复床35中的往复推动装置354均布置在气化炉1的最前端。
锅炉本体3中的燃尽往复床35布置在锅炉炉膛的下部。气化炉炉墙12的后墙(12-1)和锅炉本体炉墙32的前墙(32-1)下部共用同一堵炉墙，燃气燃烧器2就布置在此共用炉墙上。
如图4和图5所示，位于气相燃烧区的锅炉炉膛中部设置辅助风道33，辅助风道33由二次风331和三次风332组成，作为燃气燃烧器2燃烧的辅助风道，主要由钢管、钢板和型钢等构成，三次风332为两侧倾斜朝下约10°布置。辅助风道33中的二次风331做成“下大上小”的双层四角切圆布置结构，二次风331(下层)切圆直径d1≈φ0.45w(w为锅炉炉膛宽度)，二次风331(上层)切圆直径d2≈φ0.25w。“下大上小双层四角切圆布置的二次风”加上“两侧倾斜向下～10°的三次风”，进一步地使生物质气化气和助燃风混合完美，配比合理，保证了气化气的完全燃烧。
本发明三合一的整体构造，使锅炉结构更紧凑，对两种燃烧取长补短，以气化燃烧为主，气化气(含气相焦油)有专门的燃气燃烧器在锅炉炉膛内的气相燃烧区中进行组织燃烧，以固相燃烧为辅，“气化炉排出的未完全气化的残碳”和“混入气化气中的未燃尽飞灰”也有专门的往复炉床在锅炉炉膛内的固相燃尽区进行燃烧，可见燃烧效率极高，同时也属洁净环保燃烧的方式。本发明可完美契合生物质燃料挥发份高和碳渣难燃尽的燃烧特性，实现洁净环保燃烧的同时，锅炉的燃烧效果好、热效率高、运行成本低、结构紧凑，锅炉的热效率可比传统单相层燃或室燃的生物质锅炉高5～10％，能够产生更好的燃烧效率，同时对于各种品质的生物质燃料适应性也更强，可使用低质低价的生物质燃料，极大地降低了锅炉的运行成本。
以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。
Claims (5)
1.一种气固二相高效燃烧生物质锅炉，包括气化炉、燃气燃烧器和具有燃尽往复床和锅炉炉膛的锅炉本体，其特征在于：所述气化炉的底部设置气化往复床，气化炉与锅炉炉膛之间设置有燃气燃烧器，燃气燃烧器连通气化炉与锅炉炉膛，燃气燃烧器所在的锅炉炉膛区域作为气相燃烧区，气相燃烧区位于锅炉炉膛的中部；气化炉出来的气化气在气相燃烧区中进行气相室燃燃烧，气化往复床排出的未燃尽灰渣和气化气携带的未燃尽飞灰在燃尽往复床中进行固相层燃燃烧。
2.根据权利要求1所述的气固二相高效燃烧生物质锅炉，其特征在于：所述气化炉、燃气燃烧器和锅炉本体从左至右依次紧密相依布置，左侧下方为气化炉，右侧为锅炉本体，中间为燃气燃烧器，锅炉本体中的燃尽往复床布置在锅炉炉膛的下部。
3.根据权利要求1所述的气固二相高效燃烧生物质锅炉，其特征在于：所述气化往复床后端与燃尽往复床前端无缝地连接，构成了一体式的倾斜往复床。
4.根据权利要求1所述的气固二相高效燃烧生物质锅炉，其特征在于：位于气相燃烧区的锅炉炉膛中部设置辅助风道，辅助风道由二次风和三次风组成。
5.根据权利要求4所述的气固二相高效燃烧生物质锅炉，其特征在于：所述二次风做成下大上小的双层四角切圆布置结构；所述三次风为两侧倾斜向下～10°布置。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |