TWI740244B

TWI740244B - 適用於生質固態燃料混燒的熱裂解對衝式淨煤燃燒爐

Info

Publication number: TWI740244B
Application number: TW108138439A
Authority: TW
Inventors: 李約亨; 黃朝偉; 陳文立; 陳冠邦; 黃昱翔
Original assignee: 國立成功大學
Priority date: 2019-10-24
Filing date: 2019-10-24
Publication date: 2021-09-21
Also published as: TW202117231A

Abstract

本發明係提供一種適用於生質固態燃料混燒的熱裂解對衝式淨煤燃燒爐，包括有一爐體，分設於該爐體上之燃料供應裝置，以及一與該爐體連接之能量集收裝置，而前述該燃料供應裝置恰位於該爐體之燃燒室的反應區處，以便當該燃料供應裝置分別將固態燃料與氣態燃料輸入該燃燒室內，可使固態燃料與可燃氣體形成反應的高溫作用，並透不斷持續噴入之氣態燃料可使該燃燒室之迴流區形成一具有對衝火焰燃燒之高溫狀態的迴流場，有利於固態燃料進行熱裂解與完全燃燒，以形成能源往該能量集收裝置集收，大大有效提高熱能燃燒轉換為提供之電與熱之效能使用的需求。

Description

適用於生質固態燃料混燒的熱裂解對衝式淨煤燃燒爐

本發明是有關於一種燃燒爐，特別是指一種適用於生質固態燃料混燒的熱裂解對衝式淨煤燃燒爐。

查，對於天然能源的短缺，以及近年來因二氧化碳的遽增所引起的溫室效應而引起全球暖化現象等熱污染環境問題受到廣泛的重視，因此生質燃料的使用已被多國所重視與利用，而目前透過生質燃料轉換為生質能源使用是全球第四大能源，其僅次於石油、煤及天然氣，而生質能源是一種再生能源且同樣與風能、太陽能一樣具有取之不盡、用之不竭的特性，並對環境友善，同時生質燃料泛指為由生物產生的有機物質，如廢棄的木材、林業廢棄物之木屑等，農作物或農業的廢棄物等，皆可獲得有效轉換為電與熱等可使用的能源；因此，在生質發電系統部分，主要是採分批處理生質料，首先將生質料進行碳化或氣化後以產生較高能量密度的生質燃料，再將生質燃料導到粉煤燃燒系統或渦輪燃燒系統進行燃燒，如此才能轉換為電與熱之能源供應使用；惟，由於生質燃料的來源不一、燃料特性不一致，且其熱質偏低，同時亦具有高水分含量的因素存在，因此在通過一般的燃燒爐進行燃燒時，其必須先要進行熱處理，如此將會產生額外的能耗，若與粉煤進行混合燃燒時，其必須先將生質燃料加以粉碎、研磨至最小，如此方能與該粉煤混合以加速完全燃燒，但往往鑒於生質燃料常具有纖維，難以達到破碎處理，同時更因為生質燃料與化石燃料的燃燒特性不一，若以現有的燃燒爐進行混掺燃燒時常會因生質燃料的顆粒大小不同，而有燃燒不穩定與不完全的現象產生，且產生的電與熱能效果仍有限，實有待改善。

因此，本發明之目的，是在提供一種適用於生質固態燃料混燒的熱裂解對衝式淨煤燃燒爐，可使固態燃料完全產生熱裂解，藉由該淨煤燃燒爐可調整導引輸入之氣態燃料呈對衝的設置，以產生一高溫迴流區之對衝火焰的燃燒，大幅提升爐體迴流區之固態燃料的熱裂解與燃燒反應，有效增進電與熱的轉換的燃燒效率。

於是，本發明一種適用於生質固態燃料混燒的熱裂解對衝式淨煤燃燒爐，主要包括一內部形成有一燃燒室之爐體，分設於該爐體上之燃料供應裝置，以及一與該爐體連接之能量集收裝置；其中，該燃燒室區隔間隔設有一鄰近燃料供應裝置之該反應區，一鄰近於該能量集收裝置之燃燒區，以及一位於該反應區與該燃燒區間之迴流區，而前述該固體燃料單元恰位於該反應區處，同時該爐體位於該固體燃料單元處形成有一供該固體燃料單元輸入固體燃料之噴出口，且該爐體位於該固體燃料之周緣形成有一傾斜設置之導引面，且該導引面上形成至少有一可供該氣體燃料單元對應設置之噴氣口；因此，當該固體燃料單元經該噴出口將固體燃料輸入該反應區形成反應的高溫熱裂解，以不斷釋出可燃氣體往該迴流區與燃燒區方向流動，且待該固體燃料因熱裂解而重量減少後，該迴流區即會因該氣體燃料單元對應該導引面之傾斜模式，適當針對氣態燃料噴入的角度進行對應該噴氣口的對應調整，以使氣態燃料不斷輸入時所產生對衝效應，進而使該迴流區形成一具有對衝火焰燃燒的迴流場，如此有利加速該固態燃料熱裂解效應與燃燒，使減輕後之固態燃料所形成的火焰面與殘餘固態燃料被運送至該燃燒區時再次燃燒，有效降低燃燒不完全之情事，更能大大有效提高熱能燃燒轉換為提供之電與熱之效能使用的需求。

(本發明)

1:淨煤燃燒爐

11:爐體

12:燃料供應裝置

13:能量集收裝置

111:燃燒室

112:導引面

113:噴出口

114:噴氣口

121:固體燃料單元

122:氣體燃料單元

A1:反應區

A2:迴流區

A3:燃燒區

2:二氧化碳捕捉系統

圖1是本發明之一較佳實施例之示意圖。

圖2是該一較佳實施例之淨煤燃燒爐之局部構件示意圖。

圖3是該一較佳實施例之淨煤燃燒爐之局部構件另一實施態樣示意圖。

圖4是該一較佳實施例之作動示意圖。

圖5是本發明之另一較佳實施例之示意圖。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的明白。

參閱圖1及圖2，本發明適用於生質固態燃料混燒的熱裂解對衝式淨煤燃燒爐1之一較佳實施例，包括有一內部形成有一燃燒室111之爐體11，一設於該爐體11上之燃料供應裝置12，以及一與該爐體11連接之能量集收裝置13；其中，該燃料供應裝置12包含一可供應固體燃料之固體燃料單元121，以及至少一供應氣態燃料且將該氣態燃料向該燃燒室111輸出之氣體燃料單元122，在本實施例中，該固體燃料為生質燃料的生質碳、粉煤、木屑，或前述彼此等之混合構成群組中所選出之至少一種，而該氣態燃料可為氧氣、氮氣及氧氣/氮氣的混合，同時該氣態燃料可依據燃燒模式的不同進行成分與比例的調整。

接續前述，該燃燒室111為一可裂解燃燒物料之設置，而該燃燒室111區隔間隔設有一鄰近燃料供應裝置12之該反應區A1，一鄰近於該能量集收裝置13之燃燒區A3，以及一位於該反應區A1與該燃燒區A3間之迴流區A2，而前述該固體燃料單元121恰位於該反應區A1處，同時該爐體11位於該固體燃料單元121處形成有一供該固體燃料單元121輸入固體燃料之噴出口113，且該爐體11位於該固體燃料單元121之周緣形成有一傾斜設置之導引面112，而該導引面112上形成至少有一可供該氣體燃料單元122對應設置之噴氣口114；特別的是，在本實施例中，該爐體11位於該固體燃料單元121之周緣形成呈一平面態樣設置，亦或為該爐體11位於該固體燃料單元121之周緣形成呈一環狀面態樣的設置(即如圖3之局部構件圖所示)，不論前述該爐體11為何種型態，都只在於為因應不同的燃燒需求而設置，在本實施例就以位於該固體燃料單元121之周緣形成呈一平面態樣為例加以說明，同時該氣體燃料單元112在位於該固體燃料單元121之二側可呈至少二對應的設置，以使該氣體燃料單元122得以對應該導引面112之傾斜幅度，來控制欲進行輸入氣態燃料與對應之該噴氣口114的輸入角度設置，通過該氣體燃料單元122對應設置的角度不同來適當調整該迴流區A2的大小，使得往該燃燒室111內輸入之氣態燃料因而形成呈不同的角度的對衝模式，通過氣態燃料輸入的角度不同有助於控制該迴流區A2之迴流場的強度，如此得以因應不一樣的燃燒爐亦或發電系統進行組合與尺度大小的需求。

參閱圖4，首先將裝置有固態燃料之該固體燃料單元121對應該噴出口113且設於該反應區A1處，同時再於該導引面112上之該噴氣口114將選擇使用之該氣體燃料單元122對應設置於上，而後便可進行運作，即先行使該反應區A1產生具有可燃燒之火焰，同時作動該固體燃料單元121將固態燃料由該噴出口113輸入該反應區A1內，即使該固態燃料進入該反應區A1後便會受到火焰的燃燒，以使該固態燃料逐漸在高溫的受熱中產生火焰及熱裂解反應，且於熱裂解過程中形成釋放出可燃氣體，因此先行於該反應區進行燃燒之固態燃料的型態，無需再刻意進行破碎處理及研磨加工至微細顆粒等型態，便能有效進行完全的燃燒作用，同時再透過設於該導引面112上之該噴氣口114供該等氣體燃料單元122輸入氣態燃料，利用該導引面112的傾斜設置，可供該氣體燃料單元122調整對應之角度，以使輸入之氣態燃料於該反應區A1中形成對衝氣態的火焰燃燒，且進一步於該迴流區A2中產生一迴流場效應及調整該迴流場的高溫強度，同時藉由迴流場效應作用得以使可燃氣體的流速形成降速作用，並與輸入之該氣態燃料與該可燃氣體相互促進反應，有效提高該反應區A1與該迴流區A2的燃燒效率，大大增進燃燒之釋放熱能，加速固態該固態燃料的燃燒、熱裂解作用，以使該燃燒室111內的熱能得以充分的傳遞，待該固態燃料因熱裂解作用而使重量減少後，便可受到形成於該迴流區A2中之可燃氣體的運送下，往該燃燒區A3移動，同時為使該固態燃料得以在該燃燒區A3中完全被燃燒，且能有效降低燃燒後的污染問題，這時便可調整該氣體燃料單元122輸入該氣態燃料的比例調整，藉由所輸入的氣態然料可使該燃燒室111形成富氧燃燒亦或純氧燃燒現象，以降低燃燒該固態燃料會有燃燒不完全亦或是污染情事產生，進而有效提高該固態燃料經本發明之淨煤燃燒爐燒燃後產生之熱能得以有效全數輸出，且由該能量集收裝置進行集收，達到有效進行轉化成可用之能源使用。

參閱圖5，本發明適用於生質固態燃料混燒的熱裂解對衝式淨煤燃燒爐之另一較佳實施例，其仍包含有爐體11、燃料供應裝置12 及能量集收裝置13等構件，在本實施例中，為避免燃燒時產生之二氧化碳造成環境負擔，特別另位於該爐體11之側邊設有一二氧化碳補捉系統2(圖中以簡圖表示)，以針對該燃燒室111燃燒後所形成之二氧化碳進行捕獲，而所進行捕獲模式可為化學吸入方式與薄膜分離方式中所選出之至少一種；是以，在該燃燒室111內進行該固態燃料之燃燒以轉換熱能之際，即會因該固態燃料的種類不同以及與輸入之氣態燃料的不同而於燃燒後，於該燃燒室111內形成大量的二氧化碳，同時當該燃燒室111內蓄積有大量之二氧化碳存在時，便會使該燃燒室111內的燃燒效率受到影響，且亦會導致無法有效進行熱能的轉換，而若將產生之二氧化碳直接向外排出，亦會產生空污問題而對生態環境造成相當大的影響，因此在進行燃燒行程的同時，即同步啓動該二氧化碳補捉系統2進行作動，俾便針對該燃燒室111於燃燒後所產生之大量二氧化碳進行捕獲，並將捕獲後之二氧化碳進行封存，如此可使該燃燒室111形成一富氧/純氧燃燒狀態，同時亦能使所進行之燃燒轉換為熱能的行程得以順暢，且亦能對環境達到低碳排與淨煤等效果，當然捕獲封存之二氧化碳亦可經過處理後再轉化為有用物質使用，以使廢棄物得以再進化使用，有利循環廢棄物高價值。

由上述之說明可知，本發明確實具有以下所列之優點與功效：

1.本發明通過位於該固體燃料單元121之周緣形成有一傾斜設置之導引面111的該爐體11設置，使得設置於該導引面112上之該氣體燃料單元122能針對燃燒行程所需而適當調整輸入之氣態燃料的對應角度控制，如此不但可調整迴流區A2之大小，亦可使設置於上之該氣體燃料單元122得以隨之呈不同角度對應，利用輸入之氣態燃料所形成的對衝角度不同而進一步達到控制調整迴流場的高溫強度，有效提高該反應區A1與該迴流區A2的燃燒效率，大大增進燃燒之釋放熱能，如此可加速固態燃料的燃燒與熱裂解作用。

2.接續前述，藉由該導引面112為傾斜之設計，可使該氣體燃料單元122對應該燃燒室111輸入之氣態燃料的的角度進行調節控制，以利針對燃燒之固態燃料的種類不同而形成不同的對衝角度調整，因此欲進行燃燒之該固態燃料，無需刻意另外進行破碎與及研磨加工至微細顆粒態樣的處理，便能有效在輸入氣態燃料時，利用傾斜設計之該導引面112在輸入氣體之對衝所形成的具有高溫燃燒火焰迴流場中進行該固態燃料的燃燒作用，更進一步加速固態燃料形成熱裂解作用，並與該可燃氣體相互促進反應，有效大幅提高該反應區A1與該迴流區A2的燃燒效率。

3.再者，在進行該固態燃料的燃燒過程中，更可藉由該爐體11一側具有該二氧化碳補捉系統2的設置，藉以針對該燃燒室111燃燒後所產生的大量二氧化碳進行捕獲，且予以進行封存，以免除所進行之燃燒行程受到影響外，同時更可避免向外排出而導致有空污疑慮情事產生，如此可大幅提升燃燒轉換為熱能之行程得以順暢，且亦對環境達到低碳排的效果。

歸納前述，本發明適用於生質固態燃料混燒的熱裂解對衝式淨煤燃燒爐，其主要利用該爐體位於該固體燃料單元之周緣形成有一傾斜設置之導引面，且該導引面上可供該氣體燃料單元設置，使該氣體燃料單元輸入之氣態燃料得以呈不同對衝角度輸入於該爐體之燃燒室內，大幅提升該燃燒室之反應區與該迴流區的燃燒效率，以產生一具高溫之迴流區的對衝火焰燃燒，同時提高該迴流區之固態燃料的熱裂解與燃燒反應，大大增進燃燒之熱能的釋放，加速該固態燃料的燃燒、熱裂解作用，以使該燃燒室內的熱能得以充分的傳遞，進而有效提高經該淨煤燃燒爐燒燃後產生之熱能得以有效全數輸出，以有效進行轉化成可用之能源使用。

惟以上所述者，僅為說明本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。