生物质成型燃料解耦燃烧装置及其燃烧方法

专利名称：生物质成型燃料解耦燃烧装置及其燃烧方法
技术领域：
本发明涉及一种生物质成型燃料的燃烧装置及其燃烧方法，特别涉及一种 可以降低生物质成型燃料燃烧排放的烟黑、氮氧化物和一氧化碳，提高生物质 成型燃料利用效率的解耦燃烧装置及其燃烧方法。
背景技术：
生物质是可再生能源，利用过程中不会增加大气中C02净排放量，减少温 室效应。随着化石能源的缺乏以及环保意识的增强，生物质的高效清洁利用备 受关注。我国生物质能丰富，但生物质体积密度小，堆放体积大，储运困难， 而且生物质挥发分多，焦炭燃烧与挥发分燃烧不同步，冒黑烟情况严重。目前 已有的燃烧设备，特别是小型燃烧设备的燃烧效率低，制约了生物质的燃烧利 用。生物质成型燃料是将生物质粉碎到一定粒度后放入挤压成型设备中，在一 定压力和温度的作用下制成的柱状、粒状生物质燃料，其体积密度较大，便于 储运，而且燃烧速度较慢，燃烧过程中不完全燃烧损失较低，近年来成为生物 质利用的主要方法之一。我国对生物质成型燃料燃烧技术和设备研制开发起步 较晚，目前已有的燃烧设备普遍存在燃烧效率低，污染物排放量高的问题，因 而，开发清洁高效的生物质成型燃料燃烧技术具有较高的经济和环保价值。李静海等根据煤燃烧过程的阶段性提出了一种抑制氮氧化物的无烟燃煤方法及燃烧炉(发明专利号95102081.1)，燃烧过程中煤首先在热解室中进行热 解气化，产生的热解产物在燃烧室进行燃烧。该燃烧技术通过利用分级转化的 方法，解除了煤燃烧过程中不同污染物生成过程之间的耦合关系，对其分而治 之，降低燃烧污染物排放量。发明名称为"生物质的低NOx燃烧装置及燃烧方法"(发明专利号-200410098604.0)的中国专利申请公开了一种生物质低NOx高效燃烧装置及燃 烧方法，所提供的燃烧炉内腔被隔板分为底部相通的热解室和燃烧室，燃烧室 下部设有双层倾斜炉排和旋转出渣装置。生物质从料斗首先进入热解室，依次 经过热解室下方的还原区、燃尽区；在热解室生成的挥发分部分从隔板上开设 的连通孔进入燃烧室燃烧，另一部分从热解室下方进入燃烧室燃烧；对应于倾 斜炉排、还原区和燃尽区，燃烧炉炉壁上设有一次风进口、 二次风进口和三次 风进口。该燃烧装置通过在炉内形成不同燃烧气氛来实现良好燃烧，减少烟黑 排放，并通过利用缺氧燃烧和半焦的还原作用降低燃烧过程中的NOx排放。然 而，这种装置中采用的双层倾斜炉排对燃料的流动性要求较高，而且由于生成 的大量挥发分会直接从隔板上开设的连通孔进入燃烧室燃烧，挥发分与半焦共 同燃烧程度较弱，不利于热值较低的半焦的燃尽；此外，燃烧炉中一次风、二 次风和三次风的组织在小型燃烧设备中实现困难。发明内容本发明的目的是提供一种生物质成型燃料的燃烧装置，该装置可以部分解 除生物质成型燃料挥发分和半焦燃烧速度之间的耦合矛盾，从而减少烟黑、NOx 等污染物的排放，实现生物质成型燃料的稳定燃烧和生物质能的高效环保燃烧 利用。本发明的另一目的是提供一种使用上述生物质成型燃料的燃烧装置的燃烧 方法。本发明提供的生物质成型燃料解耦燃烧装置，其特征在于，包括 一立式燃烧炉l，炉体内腔分别设有底部相通的燃烧室2和热解室8，所述 热解室8上方设有料斗7，所述燃烧室2下方设有炉排4，其特征在于，所述热 解室8的下方设有将热解室8热解的生物质成型燃料输送至炉排4上的螺旋输 送器ll,热解室8的外侧壁上设有烟气夹层13，所述烟气夹层13与设于炉体 上的烟气通道9连通，所述炉排4下方设有风道10。所述热解室8的上部设有可以推入和抽出热解室8的热解室滑板12。 所述热解室8的截面为矩形，其中一个侧壁设在燃烧室2的外侧壁上，所 述烟气夹层(13)设在另外三个侧壁上。所述燃烧室2内侧壁上部设有烟气导流板14，其上方与所述烟气夹层13相通所述炉排4包括炉排上表面15、炉排侧面、清渣口 18和与风道10连通的 风室17，其中，炉排4与燃料接触的炉排侧面和炉排上表面15均开有送风孔 16，所述送风孔16与设置在炉排4内部的风室17相通；炉排4下部还设有用 于清除落入风室17中的灰渣的清渣口 18。所述炉排4的炉排上表面15上倾，且与水平面的夹角为0—40°。 本发明提供的使用上述生物质成型燃料解耦燃烧装置进行生物质成型燃料 解耦燃烧的方法，其步骤如下(1) 生物质成型燃料从料斗7进入热解室8，利用燃烧室2内热量以及流经 热解室8外部烟气夹层13的烟气余热，使热解室8内温度达到300—80(TC， 热解室8内的生物质成型燃料热解生成挥发分和半焦；(2) 热解产生的半焦在螺旋输送器11的输送下进入炉排4上，与风道10送 入的空气接触后开始燃烧，热解生成的挥发分进入燃烧室2时将穿过炉排4上 的燃烧的半焦层与半焦共同燃烧；(3) 炉排4上的料层与来自风道10的空气接触燃烧，在螺旋输送器11的推 动下，料层在炉排上缓慢均匀地移动并逐渐燃尽；(4) 燃烧产生的烟气首先经过烟气夹层13加热热解室8中的燃料后再穿过 烟气通道9排出燃烧炉1。本发明结合了生物质成型燃料燃烧特点，利用一个燃烧装置将生物质成型 燃料的热解和燃烧分别在热解室8和燃烧室2这两个温度不同的区域内进行， 减缓热解速度与燃烧速度不匹配的矛盾，通过重新组织挥发分和半焦的燃烧， 解除不同污染物生成过程的耦合，降低不完全燃烧损失，减少CO、 N(X等污染 物的排放量。本发明提供的生物质成型燃料解耦燃烧装置实现生物质成型燃料高效清洁 燃烧的原理基础为生物质成型燃料的挥发分析出燃烧与半焦燃烧被分开，通过重新组织挥发 分和半焦的燃烧，以缓和生物质成型燃料热解与燃烧过程的耦合矛盾。解耦燃 烧过程中，生物质成型燃料首先进入温度较低、无氧的热解室中，由于温度低(300—80(TC)，燃料挥发分析出的速度缓慢，其燃烧速度能够与炉排上半焦的 燃烧速度相匹配，缓解了燃烧过程中送风匹配方面的矛盾；挥发分具有较高的 热值，其与半焦共同燃烧能够提高半焦燃烧后期的燃尽程度，灰渣夹碳现象减 弱；燃烧产生的烟气必须穿过燃烧的半焦层，加强了半焦对N(X的还原，减少 NOx生成量。本发明与现有生物质成型燃料燃烧方法相比有如下进步(1) 生物质成型燃料先在低温无氧的热解室内热解后再燃烧，生物质成型燃 料热解与燃烧的耦合关系减轻，挥发分析出缓慢，挥发分和半焦燃烧速度之间 匹配矛盾较小，可以提高燃烧效率；(2) 热解室外部设有烟气夹层，烟气进入烟气通道排出时必须经过烟气夹 层，且在烟气夹层内由上向下流动，利用燃烧室内热量以及流经烟气夹层的烟 气余热，热解室四面都受热，燃料受热均匀；(3) 利用螺旋输送器可以同时实现机械化给料、除灰，燃料在热解室、炉排 上的移动均匀、稳定，而且可以燃用灰含量较高的生物质成型燃料；(4) 采用具有一定上倾角度(0—40°)或水平的炉排，可以有效限制生物质 成型燃料的自由流动，较为精确的控制燃料量，而且炉排上表面以及炉排侧面 均开有送风口，有利于燃料与燃烧空气在炉排上的混合；(5) 采用具有一定上倾角度(0_40°)或水平的炉排可以在螺旋输送器出口 处形成较厚的半焦层，不仅可以增加半焦与挥发分在燃烧过程中的接触，提高 燃烧效率，还可以延长烟气在半焦层中的停留时间，强化对已生成N(X的还原， 降低NOx排放量；(6) 热解室上方设有热解室滑板，通过推拉热解室滑板可实现料斗中生物质 成型燃料与热解室中燃料的隔离或部分隔离，控制料斗中进入热解室的燃料量。因此，利用本发明提供的生物质成型燃料解耦燃烧装置及燃烧方法，生物 质成型燃料可在整个燃烧过程中实现机械化进料除灰，运行稳定，燃烧效率高， 而且烟气中烟黑、CO和NOx等污染物含量少。


图1为本发明实施例1生物质成型燃料解耦燃烧装置的侧剖面图。图2为本发明实施例1生物质成型燃料解耦燃烧装置的左视图。 图3为本发明实施例1生物质成型燃料解耦燃烧装置的截面图。 图4为本发明实施例1的生物质成型燃料解耦燃烧装置中炉排4的示意图< 附图标记3—炉膛可视窗 7_料斗H—螺旋输送器 15 —炉排上表面 19一电机1 —炉体 5_炉门 9一烟气通道2—燃烧室 6—灰斗 IO—风道13—烟气夹层14一烟气导流板 17—风室 18—清渣口4—炉排8 —热解室12 —热解室滑板16—炉排侧面送风孔具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步解释和说明。 实施例1本实施例的生物质成型燃料解耦燃烧装置，如图1所示，包括 一立式燃烧炉l，炉体上方设有料斗7，料斗7下部与一截面为矩形的热解室8连接，所 述热解室8下方设有螺旋输送器ll，并且所述热解室下部与燃烧室2下部相通， 所述燃烧室2与热解室8相邻，所述燃烧室2下部设有炉排4，所述炉排4下 方设有风道10，所述螺旋输送器11将热解室8热解的生物质成型燃料输送至 炉排4上，如图1所示，所述燃烧室2内部上方设有一烟气导流板14，烟气导 流板14上方与设置在热解室8侧壁上的烟气夹层13相通，与用来将烟气排出 炉体的烟气通道9与所述烟气夹层13连通，所述烟气通道9设于所述炉体的下 部。热解室8的上部也可以设置一个热解室滑板12，该热解室滑板12可以推 拉，当将热解室滑板12完全推入或部分推入热解室8中时，可以实现料斗7与 热解室8的完全隔离或部分隔离；如图3所示，所述的热解室8侧壁被烟气夹层13包围，烟气从燃烧室2上 方进入烟气夹层13，在烟气夹层13内由上方向下方流动，利用烟气余热加热 热解室8内的燃料，最后从烟气通道9排出炉体；所述热解室8截面为矩形， 也可以为圆形或其他适合的形状，这是本领域人员容易想到的，热解室8的各个侧面均有热量传递，使其内部的燃料受热均匀。为了使燃烧室2内的挥发分 能够充分燃烧，在燃烧室2内侧壁的上部还可以设有一烟气导流板14，所述烟 气导流板14上方与烟气夹层13相通，该烟气导流板14使得燃烧室2内的烟气 必须绕过烟气导流板14才能进入烟气夹层13，从而增加烟气在燃烧室2内的 停留时间，燃烧更加充分。炉排4可以采用从市场购买的普通炉排，也可以采用如图4所示的结构， 所述炉排4包括炉排上表面15、炉排侧面、清渣口 18和与风道10连通的风室 17，其中，炉排4与燃料接触的炉排侧面和炉排上表面15均开有送风孔16， 所述送风孔16与设置在炉排4内部的风室17相通；炉排4下部还设有用于清 除落入风室17中的灰渣的清渣口 18。进一步的，所述燃烧室2的侧壁上还可以设有用于观察燃烧情况的炉膛可 视窗3和用于向炉排4上放置燃料的炉门5。还可以在炉排4的下方设置灰斗6，用于接收从炉排4落下的灰渣。所述位于热解室8下方的螺旋输送器11可将热解室8中生成的半焦送入到 炉排4中，并推动炉排4上燃料层移动，半焦在炉排4上缓慢移动的同时逐渐 燃尽，燃烧生成的灰渣随着燃料层的移动缓缓被推到炉排4前端，自动落入燃 烧室2下方的灰斗6中。实施例2使用实施例1中的生物质成型燃料解耦燃烧装置进行燃烧的方法包括如下 步骤(1) 生物质成型燃料从料斗7进入热解室8，利用燃烧室2内热量以及流 经热解室8外部烟气夹层13的烟气余热，热解室8内温度可达300—80(TC， 热解室8内的生物质成型燃料在低温、无氧的条件下缓慢热解生成挥发分和半 焦；(2) 热解产生的生物质半焦在螺旋输送器11的输送下进入炉排4的炉排 上表面15上，与炉排4下方的风室17以及侧面送风口 16送入的空气接触后开 始燃烧，而热解生成的挥发分进入燃烧室2时将穿过炉排4上的燃烧半焦层与 半焦共同燃烧；(3) 炉排4上的料层与来自炉排上表面15和侧面通风孔16的空气接触燃烧，在螺旋输送器ll的推动下，料层在炉排上缓慢均匀地移动并逐渐燃尽，燃烧生成的灰渣逐渐被推动到炉排4前端，自动落入到燃烧室2下方的灰斗6中；(4) 燃烧产生的烟气绕过燃烧室2上部的烟气导流板14流出燃烧室2， 首先经过烟气夹层13加热热解室8中的燃料，然后再穿过烟气通道9排出燃烧 炉l。在整个燃烧装置开始工作之前，还需要先对燃烧炉点火，具体方法如下， 拉出灰斗6，打开炉门5，将少量生物质成型燃料以及易燃物置于炉排4上并点 燃，随后迅速关闭炉门5，并推入灰斗6，燃烧空气在燃烧室2内微负压的作用 下，沿风道10被吸入到炉排4的风室17中，穿过炉排上表面15以及侧面送风 孔16进入燃烧室2内助燃。上述的燃烧过程中，生物质成型燃料储存在料斗7中，随着燃料的移动逐 渐进入热解室8中，受到来自燃烧室2和烟气夹层13中烟气的热量加热，在 300—80(TC的低温和无氧条件下热解，逐渐生成挥发分和半焦；利用位于热解 室8下部的螺旋输送器11，生成的半焦按照一定速率被推送到炉排4中，与炉 排4下部和侧面送入的空气接触开始燃烧；挥发分在燃烧室2中微负压的作用 下进入燃烧室2的同时穿过炉排4上的半焦层并与其共同燃烧，半焦在炉排4 上缓慢移动的同时逐渐燃尽，生成的灰渣随着半焦层在炉排4上的运动慢慢被 移动到炉排4前端并落入灰斗6中；燃烧产生的烟气绕过烟气导流板14后先进 入烟气夹层13中，利用其余热加热热解室8中的燃料，随后沿烟气通道9排出。通过调节螺旋输送器11的转速可以调节燃烧装置的燃烧负荷。当螺旋输送 器11的转速降低时，燃料和半焦在热解室8中和炉排4上的移动速度减慢，单 位时间内进入燃烧室2和炉排4中的可燃物质减少，燃烧室2内温度以及烟气 夹层13中的烟气温度降低，导致热解室8内温度也降低，生物质成型燃料的热 解速度减缓，生成挥发分和半焦的速度降低，从而实现低负荷燃烧；当增加螺 旋输送器ll的转速时，燃烧负荷增大。燃烧过程中，生物质成型燃料首先在热解室8中低温无氧热解，挥发分缓 慢析出后，进入燃烧室2与半焦共同燃烧，挥发分与半焦在燃烧速度方面的矛 盾不突出，提高了挥发分燃烧与半焦燃烧之间的匹配性，便于解决生物质成型燃料燃烧的送风问题，提高燃烧效率；挥发分进入燃烧室2后，部分挥发分在 半焦层中与半焦共同燃烧，挥发分燃烧释放的高热值有利于提高半焦的燃尽率， 减少灰渣中的含碳量，而且由于挥发分与半焦层的充分接触，烟气在灼热半焦 层中的停留时间增加，降低了烟气中不完全燃烧物质的含量，减少了燃烧过程 中的烟黑排放。此外，部分挥发分与半焦共同燃烧，提高了烟气与半焦层的接 触几率，烟气中的NOx可以被半焦有效还原成N2，从而降低燃烧产生的NOx 污染物。
权利要求
1. 一种生物质成型燃料解耦燃烧装置，包括一立式燃烧炉(1)，炉体内腔分别设有底部相通的燃烧室(2)和热解室(8)，所述热解室(8)上方设有料斗(7)，所述燃烧室(2)下方设有炉排(4)，其特征在于，所述热解室(8)的下方设有将热解室(8)热解的生物质成型燃料输送至炉排(4)上的螺旋输送器(11)，热解室(8)的外侧壁上设有烟气夹层(13)，所述烟气夹层(13)与设于炉体上的烟气通道(9)连通，所述炉排(4)下方设有与所述燃烧室(2)相通的风道(10)。
2. 按权利要求1所述的生物质成型燃料解耦燃烧装置，其特征在于，所述热解 室(8)的上部设有可以推入和抽出热解室(8)的热解室滑板(12)。
3. 按权利要求1所述的生物质成型燃料解耦燃烧装置，其特征在于，所述热解 室(8)的截面为矩形，其中一个侧壁设在燃烧室(2)的侧壁上，所述烟气夹 层(13)设在另外三个侧壁上。
4. 按权利要求1所述的生物质成型燃料解耦燃烧装置，其特征在于，所述炉排 (4)包括炉排上表面(15)、炉排侧面、清渣口 (18)和与风道(10)连通的风室(17)，其中，炉排(4)与燃料接触的炉排侧面和炉排上表面(15)均开 有送风孔(16)，所述送风孔(16)与设置在炉排(4)内部的风室(17)相通； 炉排(4)下部还设有用于清除落入风室(17)中的灰渣的清渣口 (18)。
5. 按权利要求l所述的生物质成型燃料解耦燃烧装置，其特征在于，所述炉排 (4)的炉排上表面(15)上倾，所述炉排上表面(15)与水平面的夹角为0—40°。
6. 按权利要求1所述的生物质成型燃料解耦燃烧装置，其特征在于，所述燃烧 室(2)内侧壁上部设有烟气导流板(14)，其上方与所述烟气夹层(13)相通。
7. —种使用权利要求1所述生物质成型燃料解耦燃烧装置进行生物质成型燃料解耦燃烧的方法，其特征在于，包括以下步骤1) 生物质成型燃料从料斗(7)进入热解室(8)，利用燃烧室(2)内热量 以及流经热解室(8)外部烟气夹层(13)的烟气余热，使热解室(8)内温度 达到300—80(TC，热解室(8)内的生物质成型燃料热解生成挥发分和半焦；2) 热解产生的半焦在螺旋输送器(11)的输送下进入炉排(4)上，与风 道(10)送入的空气接触后开始燃烧，热解生成的挥发分进入燃烧室(2)时将 穿过炉排(4)上的燃烧的半焦层与半焦共同燃烧；3) 炉排(4)上的料层与来自风道(10)的空气接触燃烧，在螺旋输送器 (11)的推动下，料层在炉排上缓慢均匀地移动并逐渐燃尽；4) 燃烧产生的烟气首先经过烟气夹层(13)加热热解室(8)中的燃料后 再穿过烟气通道(9)排出燃烧炉(1)。
全文摘要
本发明涉及一种生物质成型燃料解耦燃烧装置及其燃烧方法，其装置包括一立式燃烧炉和底部相通的燃烧室和热解室，所述热解室上方设有料斗，所述燃烧室下部设有炉排，其特征在于，所述热解室的下部设有螺旋输送器，热解室的外侧壁上设有烟气夹层，所述烟气夹层与设于炉体下部的烟气通道连通，所述炉排下方设有风道，所述燃烧室设有一烟气导流板，所述烟气导流板上方与烟气夹层相通；该方法结合了生物质成型燃料燃烧特点，将生物质成型燃料的热解和燃烧分别在两个温度不同的区域内进行，减缓热解速度与燃烧速度不匹配的矛盾，通过重新组织挥发分和半焦的燃烧，解除不同污染物生成过程的耦合，降低不完全燃烧损失，减少CO、NO_x等污染物的排放量。
文档编号F23G5/027GK101270875SQ20071006453
公开日2008年9月24日 申请日期2007年3月19日 优先权日2007年3月19日
发明者李静海, 利 董, 许光文, 郝江平, 高士秋 申请人:中国科学院过程工程研究所