低氮生物质燃烧方法及生物质热风炉与流程

本发明属于工业锅炉、生物质燃料燃烧技术领域，尤其涉及一种低氮生物质燃烧方法及生物质热风炉。

背景技术：

热风炉在粮食等烘干作业中广泛应用，燃料多以燃煤为主。普遍存在环保排放不达标问题。也有企业为了满足环保排放要求，安装环保设施，承受较大经济压力。生物质燃料作为可再生能源有其自身的优势，燃料本身含硫低，燃烧后无需经过脱硫处理，采用科学合理的低氮燃烧技术，可有效控制氮氧化物的排放量。为了适应越来越严格的环保要求，为了环保达标且兼顾企业运营成本，燃煤改燃生物质热风炉是未来热风炉发展趋势。

为实现经济可持续发展，顺应环保要求，所有燃煤热风炉都需要改燃生物质热风炉，市场需求巨大。

现有的生物质方法及生物质热风炉基本上都是基于原有燃煤炉的简单改造，沿用传统煤的绝热燃烧的方法，燃烧形式比较粗放。现有技术中的生物质燃料燃烧时在主燃区提供含有大量氧气的风，短时间内迅速燃烧时产生局部高温，容易使生物质灰结焦，燃烧不完全，生成大量氮氧化物。并且时常出现炉排结焦，无法连续运行等情况发生。

技术实现要素：

本发明提供了一种低氮生物质燃烧方法及生物质热风炉，主要目的是为了解决了现有技术中燃烧不充分、氮氧化物排放多的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种低氮生物质燃烧方法，包括:

火床区，用于燃料初次燃烧；

空腔一，位于所述火床区上方；

在空腔一内通入制造还原性气氛的气体和一次风。

可选的，在所述空腔一内通入循环烟气一。

可选的，所述制造还原性气氛的气体和一次风由火床区的下侧向上吹。

可选的，所述空腔一内部设置有二次风，所述二次风风向垂直于所述区域烟气流动方向。

可选的，还包括连通于所述空腔一的出口的上升过道，所述上升过道的入口处设置有三次风，所述三次风带动烟气上升至空腔二混合再次燃烧。

可选的，所述空腔二的出口为朝下倾斜的斜坡，通入风向向下的循环烟气二，带动烟气进入空腔三旋转流动燃尽。

可选的，所述空腔三的出口朝上。

可选的，所述制造还原性气氛的气体为二氧化碳。

本发明还提供一种生物质热风炉，包括用于燃料初次燃烧的火床区和位于所述火床区上方的空腔一，在空腔一底部设置有气管和一次风风箱，所述气管通入制造还原性气氛的气体。

可选的，在所述空腔一内设置有循环烟气口一。

本发明取得了以下有益效果：在空腔一内通入制造还原性气氛的气体，在燃料床上产生还原性气氛，降低燃料层温度，这就为生物质燃料燃烧初始阶段降低no生成创造先决条件，有利于降低整个运行过程中nox的生成。

通入制造还原性气氛的气体，同时也能一定程度降低火床区的温度，避免氧气短时间接触大量含氧量较高的空气造成结焦，降低氮氧化物的排放。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明的一种生物质热风炉一实施例的结构示意图；

图2是本发明的一种生物质热风炉一实施例中凝渣受热区的结构示意图；

图3是图1中旋流燃尽区烟气挡板的俯视图。

其中：

1-进料斗、2-给料机、3-炉排、4-空腔一、5-空腔二、6-空腔三、7-凝渣受热区、8-炉壁、9-前炉拱、10-后炉拱、11-第三炉拱、12-管式换热装置、13-上升过道、61-空腔三入口、62-旋流燃尽区烟气挡板、63-空腔三出口、41-一次风风箱、42-第一循环烟气入口、43-二次风风管、44-三次风风管、45-气管、51-第二循环烟气入口、71-外壳、72-凝结管、73-烟气入口、74-烟气出口、75-沉降室、76-出灰口、77-冷凝段；

具体实施方式

如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

以下结合附图对本申请作进一步详细说明，但不作为对本申请的限定。

本申请实施例提供了一种低氮生物质燃烧方法，该方法包括:

火床区，用于燃料初次燃烧；

空腔一，位于火床区上方；

在空腔一内通入制造还原性气氛的气体和一次风。

一次风的作用是为了给生物质燃料燃烧提供氧，但是由于生物质燃烧产生的生物质灰熔点低，现有技术中的生物质燃料燃烧时提供含有大量氧气的风，短时间内迅速燃烧时产生局部高温，容易使生物质灰结焦，燃烧不完全，生成大量氮氧化物。并且时常出现炉排结焦，无法连续运行等情况发生。

燃气炉的气体燃料与氧气结合，燃烧过程属于同相介质结合，接触面积充分，燃气炉的过量空气系数设定值为1.02。煤粉炉与氧气的结合，其接触面积同样比较充分，过量空气系数理论设定值为1.2，而生物质层燃炉过量空气系数设定值为1.7，明显高于它们，这是因为在燃烧过程中生物质成型燃料因受高温辐射，其内部的挥发分向外析出，氧气很难进入燃料内部与其大面积接触，因此由生物质锅炉的燃烧形式及燃料的特点要求其必须具备较高的过量空气系数才能使其炉床上燃料燃尽，但也因此给层燃炉带来了一些列污染物排放的问题，最主要的就是氮氧化物的排放，由公式一即污染物折算浓度公式可知，炉膛内过量空气增大时，烟气中各类成分含量的折算浓度都成倍增加。

公式一：

式中：

ρ——大气污染物基准氧含量排放浓度，mg/m³；

ρ′——实测的大气污染物排放浓度，mg/m³；

——实测的氧含量；

——基准氧含量。

火床区即燃料床上生物质燃料被点燃开始燃烧的区域，现有技术中的热风炉火床区的燃料外表面接触大量含氧量较高的空气，局部温度过高，部的挥发分向外析出，氧气很难进入燃料内部与其大面积接触，容易结焦、燃烧不充分，产生大量氮氧化物。

通入制造还原性气氛的气体，在燃料床上产生还原性气氛，降低燃料层温度，这就为生物质燃料燃烧初始阶段降低no生成创造先决条件，有利于降低整个运行过程中nox的生成。

通入制造还原性气氛的气体，同时也能一定程度降低火床区的温度，避免氧气短时间接触大量含氧量较高的空气造成结焦，降低氮氧化物的排放。

在一些实施例中，在火床区通入一次风，一次风由火床区的下侧向上吹，提供氧气的同时有利于吹散生物质燃料，使燃料均匀充分的接触氧气，避免局部温度过高造成结焦。

而在一些实施例中，所述制造还原性气氛的气体采用二氧化碳，在火床区通入二氧化碳；通过co2与空腔一尤其是燃料床上固定碳的还原反应：

c+co2↑—co↑-q

根据厌氧燃烧原理，在燃料床上产生还原性气氛，降低燃料层温度，这就为生物质燃料燃烧初始阶段降低no生成创造先决条件，有利于降低整个运行过程中nox的生成。

一些实施例中，在空腔一内通入循环烟气一。空腔一通入循环烟气一，循环烟气一为再循环烟气，再循环烟气为经过热交换的锅炉尾部排放出的烟气，相较于锅炉内部烟气温度较低、能够起到降低炉内的温度的作用，降低热力氮的生成。

同时将烟气中残余的氧气在循环过程中再次参与燃烧，这样也起到降低尾部烟气氧含量的作用，由公式一即污染物折算浓度公式可知，锅炉烟气原始氧含量降低，各项污染物排放折算浓度也相应的降低。

一些实施例中，循环烟气一通入空腔一燃烧处和落料处之间。再循环烟气含氧量较低，阻隔了火焰向给料装置处蔓延，为给料装置营造了一个相对无氧的环境，有效的避免了给料装置及被引燃引发事故，也避免了燃料的浪费。

一些实施例中，二氧化碳和一次风由火床区的下侧向上吹。一次风由火床区的下侧向上吹，提供氧气的同时有利于吹散生物质燃料，使燃料均匀充分的接触氧气，避免局部温度过高造成结焦。二氧化碳与一次风同时通入，从生物质燃料燃烧初始阶段降低no生成创造先决条件，有利于降低整个运行过程中nox的生成。

现有技术中的热风炉往往会通入足量的空气，由此导致燃料燃烧强度过大，燃料床温度过高，会加大热力氮生成，并且很大程度上会出现结焦现象。而本实施例，由于在空腔一通入了循环烟气一和二氧化碳，一次风的量会相对减少，减少燃料床上结焦现象，一次风充分燃尽颗粒中固定碳，使挥发分充分析出。

空腔一内部设置有二次风。

二次风风向垂直于所述区域烟气流动方向。在提供氧的同时打乱烟气原流动方向，使烟气和二次风混合更加均匀。

而在另一些实施例中，空腔一的两侧内通入二次风。而在空腔一的两侧内通入二次风，作用在于燃烧析出燃料中的大部分挥发份，风量优选将空腔一火焰控制为“红火”即为最佳状态。

一些实施例中，该燃烧方法中，除了风道、烟气管道入口以及尾部出口，其他地方与外界空气隔离。对锅炉各连接件进行密封；锅炉本体外墙采用不低于5mm厚度的钢板进行满焊密封保温；烟道连接处一律采用满焊形式焊接；除尘器落灰口避免使用插板等简易漏灰方式，改用密闭卸灰阀。避免过量空气导致的高污染物排放的问题。

当燃烧系统完全密封时，一次风比二次风和三次风之和的比率为5:4至7:4。合理布置一、二、三次风量，避免烟气排放指标浓度超标。

一些实施例中，还包括连通于空腔一的出口的上升过道，上升过道的入口处设置有三次风，三次风带动烟气上升至空腔二混合再次燃烧。上升过道的入口处通入三次风，三次风用来辅助燃烧在空腔一未燃尽的挥发分，这样就模拟出了类似天然气的燃烧状态，同时避免了火焰在一个区域过于集中形成局部高温，减少热力氮生成，风量通过监测锅炉尾部烟气含氧量、烟气温度等数据的变化进行调节，这样从整体上达到了降低了过量空气系数的作用。

空腔二的出口为朝下倾斜的斜坡，通入风向向下的循环烟气二，带动烟气进入空腔三旋转流动燃尽。烟气在循环烟气二的作用力下沿朝下倾斜的斜坡进入，冲入空腔三，空腔三朝上，烟气在空腔三内旋转流动燃烧，烟气由此停留燃烧的时间更长，并且利用循环烟气二中的氧气继续充分燃烧。

如图1所示，本发明的实施例还提供生物质热风炉，包括用于燃料初次燃烧的火床区和位于火床区上方的空腔一，在空腔一底部设置有二氧化碳气管和一次风风箱41。

在空腔一内设置有循环烟气口一。循环烟气口一设置有第一循环烟气入口42。

本发明的一些实施例中的生物质热风炉，包括依次按照燃料输送方向设置的进料斗1、给料机2、位于该给料机2出料口下方的炉排3和位于该炉排3上方的炉膛空间。

炉膛空间包括依次连通的主燃区4、再燃区5和旋流燃尽区6。分区分步骤进行燃烧，燃程长，燃烧完全，排污少。空腔一为主燃区4。

旋流燃尽区入口61烟气流向朝下，出口烟气流向朝上。此方式再循环烟气与再燃区5产生的烟气在旋流燃尽区6进行充分混合，通过调节再循环烟气量可以有效控制烟温。由于烟气出口74向上，旋流燃尽区6内的烟气在向上出旋流燃尽区6时，烟气中的部分烟尘会在重力作用下回落，沉降在旋流燃尽区6底部，并在旋流燃尽区底部设置清扫口。有效减少烟尘对后续部件的影响，同时减少了现有技术中的烟尘堵塞管式换热面的现象，同时降低了换热管束的换热效率的技术问题。

炉排3上方为燃料燃烧的火床区，火床区下方设置有一次风风箱41。

主燃区4包括火床区和火床区上方的挥发分燃烧区，生物质燃料从进料斗1由给料机2输送至炉排3上，在炉排3上火床区进行初次燃烧析出挥发分，产生的挥发分在一次风作用下进入主燃区4上方进行燃烧，主燃区4未燃尽的挥发分通过上升通道13进入再燃区5，在再燃区5燃烧后进入旋流燃尽区6继续燃烧。这种分段燃烧方式，使挥发分燃烧更加充分。

一些实施例中，炉膛包括炉壁8、前炉拱9、后炉拱10和第三炉拱11，炉壁8和内置的前炉拱9构成主燃区4，主燃区4通过前炉拱9和后炉拱10构成的上升过道13连通再燃区5，上升过道13为向上倾斜的通道，再燃区5出口即旋流燃尽区入口61烟气流向朝下倾斜进入旋流燃尽区6。

而在另一些实施例中，如图1所示，前炉拱9包括水平段和向下倾斜的倾斜段，倾斜段的上表面构成上升过道13的下壁。后炉拱10的下表面构成上升过道13的上壁，后炉拱10的上表面构成旋流燃尽区入口61的下壁，第三炉拱11构成旋流燃尽区入口61的上壁。由此导致旋流燃尽区入口61烟气流向朝下倾斜进入旋流燃尽区6，进行旋流燃烧。

一些实施例中，出料口下对应着生物质燃料在炉排上的落料处，在物料燃烧处与该落料处之间设置有第一循环烟气入口42。

第一循环烟气入口42用于在主燃区4通入循环烟气一，循环烟气一为再循环烟气，再循环烟气为回流风机将管式换热器12出口的烟气强行回流的烟气。经过热交换的烟气，相较于锅炉内部烟气温度较低、含氧量较低、挥发分含量较低，能够起到降低混合烟气的温度的作用，避免因为温度太高而对管式换热面造成损坏；降低热力氮的生成。

同时将烟气中残余的氧气在循环过程中再次参与燃烧，这样也起到降低尾部烟气氧含量的作用，由公式一即污染物折算浓度公式可知，锅炉烟气原始氧含量降低，各项污染物排放折算浓度也相应的降低。

公式一：

式中：

ρ——大气污染物基准氧含量排放浓度，mg/m³；

ρ′——实测的大气污染物排放浓度，mg/m³；

——实测的氧含量；

——基准氧含量。

旋流燃尽区入口61上方设置有第二循环烟气入口51，射入方向朝向旋流燃尽区入口61的方向，再燃区产生的烟气与循环烟气二的沿旋流燃尽区入口61的下壁进入，冲入旋流燃尽区6，旋流燃尽区出口63朝上，混合烟气在旋流燃尽区旋转混合，通过调节循环烟气量，可以有效调节混合烟温度。在此过程中，循环烟气二中的氧气又一次参与反应消耗。

一些实施例中，第三炉拱11设置于第二循环烟气入口51靠旋流燃尽区6的一侧，第三炉拱11的朝向为垂直向下或者与后炉拱10平行，第二循环烟气入口51通入烟气后，在第三炉拱11和后炉拱10的阻挡下进入旋流燃尽区入口61。

在一些实施例中，如图1和图3所示，旋流燃尽区出口63处设置有旋流燃尽区烟气挡板62，旋流燃尽区烟气挡板62置于旋流燃尽室正上方，挡板两侧为烟气出口。再燃区产生的烟气与循环烟气进入旋流燃尽区6形成如图所示的旋流，充分混合后能够迅速降低烟气温度。旋流烟气从上部出口被抽出，旋流燃烧效果好。从说明书附图中可以看出，图1和图3中旋流方向一致。

工作时，烟气在一次风和循环烟气一的作用下在主燃区4混合燃烧，然后沿前炉拱9下表面流动，烟气从主燃区4出口流出，主燃区4出口即前炉拱9的尾部与炉排3之间的开口。前炉拱9内表面和炉壁8内表面构成梯形的上底和两腰，主燃区4上半段呈梯形内腔，烟气中的可燃挥发分在主燃区4内有足够的空间与氧气接触燃烧。

而在另一些实施例中，主燃区4内还设置有通入二次风的入口。二次风风管43设置在主燃区4的两侧，前炉拱9下方，锅炉本体两侧错落布置，即左右两根风管一高一低，为主燃区不同高度的烟气提供氧。

一次风的作用是为了给生物质燃料燃烧提供氧，但是由于生物质燃烧产生的灰分灰熔点低，现有技术中的生物质燃料燃烧时提供含有大量氧气的风，短时间内迅速燃烧时产生局部高温，容易使炉排3上燃料结焦，燃烧不完全，生成大量氮氧化物，无法连续运行等情况发生。因此在主燃区4内分次通入一次风和二次风，再配合上循环烟气一，在保证主燃区正常燃烧的状态下，尽可能的通入循环烟气一，避免了上述问题，使挥发分充分燃尽的同时，使过量空气系数降低，降低氮氧化物的排放浓度。

在另一些实施例中，上升过道13的入口处设置有三次风风管44，所述三次风风管44上开有三次风入口，上升过道13二次风设置在后炉拱10中部，主要作用是为通过上升过道13的未燃尽的挥发分提供继续燃烧所需的氧气。使未燃尽的挥发分继续燃烧，然后进入再燃区5。

现有技术中的热风炉往往会通入足量的空气，由此导致燃料燃烧强度过大，燃料床温度过高，会加大热力氮生成，并且很大程度上会出现结焦现象。而本实施例，由于在主燃区4通入了循环烟气一和二氧化碳，在保证主燃区所需烟温的情况下，一次风的量尽可能相对减少，避免主燃区氧含量过高导致的燃烧温度过高，可降低热力氮生成。一次风充分燃尽颗粒中固定碳，使挥发分充分析出。而在主燃区4的两侧内通入二次风，使挥发分在主燃区充分燃烧，二次风量可维持主燃区4火焰控制为“红火”即为最佳状态。上升过道13内通入三次风，三次风用来辅助燃烧主燃区4未燃尽的挥发分，这样就模拟出了类似天然气的燃烧状态，同时避免了火焰在一个区域过于集中形成局部高温，减少热力氮生成，风量通过监测锅炉尾部烟气含氧量、烟气温度等数据的变化进行调节，这样从整体上达到了降低了过量空气系数的作用。

一些实施例中，该燃烧方法中，除了风道、烟气管道入口以及尾部出口，其他地方与外界空气隔离。对锅炉各连接件进行密封；锅炉本体外墙采用不低于5mm厚度的钢板进行满焊密封保温；烟道连接处一律采用满焊形式焊接；除尘器落灰口避免使用插板等简易漏灰方式，改用密闭卸灰阀。避免过量空气导致的高污染物排放的问题。

当燃烧系统完全密封时，一次风与二次风和三次风之和的比率为5:4至7:4。合理布置一、二、三次风量，避免烟气排放指标浓度超标。

一些实施例中，如图一所示，炉排3为链条式炉排3，生物质燃料挥发分在炉排上析出，在炉膛上部空间燃烧，固定碳在炉排上燃烧，第一循环烟气入口42位于炉排前下侧。

一些实施例中，一次风联合风箱设置于炉排3上链条下侧，一次风垂直于炉排向上吹入一次风。

一些实施例中，主燃区4的上炉排底部设置二氧化碳脉冲喷气管和一次风，二氧化碳与一次风同时通入主燃区4。具体来说，二氧化碳喷气装置45设置于一次风风箱41内。

燃气炉的气体燃料与氧气结合，燃烧过程属于同相介质结合，接触面积充分，燃气炉的过量空气系数设定值为1.02。煤粉炉与氧气的结合，其接触面积同样比较充分，过量空气系数理论设定值为1.2，而生物质层燃炉过量空气系数设定值为1.7，明显高于它们，这是因为在燃烧过程中生物质成型燃料因受高温辐射，其内部的挥发分向外析出，氧气很难进入燃料内部与其大面积接触，因此由生物质锅炉的燃烧形式及燃料的特点要求其必须具备较高的过量空气系数才能使其炉床上燃料燃尽，也因此给生物质锅炉炉带来了一些列污染物排放的问题，最主要的就是氮氧化物的排放，由公式一即污染物折算浓度公式可知，炉膛内过量空气增大时，排放的烟气中各类成分含量的折算浓度都成倍增加。

火床区即炉排上燃料层固定碳燃烧的区域，现有技术中的热风炉火床区的燃料外表面接触大量含氧量较高的空气，导致燃烧强度过大，局部温度过高，产生大量氮氧化物。在火床区通入二氧化碳，使其与燃料床上固定碳发生还原反应：

c+co2↑—co↑-q

根据厌氧燃烧原理，在燃料床上产生还原性气氛，降低燃料层温度，这就为运行初始阶段降低no生成创造先决条件，有利于降低整个运行过程中nox的生成。

而在另一些实施例中，为了更有效的解决现有技术中的烟尘堵塞管式换热面，换热效率降低的技术问题，低氮生物质燃烧方法中还包括连通于旋流燃尽区6的烟气出口74的凝渣受热区7，如图1和图2所示，凝渣受热区7包括密封的外围护结构71和凝渣管72，密封的外围护结构71上设有烟气入口73和烟气出口74，密封的外围护结构71内具有连通烟气入口73和烟气出口74的烟气通道，烟气通道包括冷凝段77；凝渣管72设置于烟气通道的冷凝段77，凝渣管72用于将高温烟气中的熔融性灰分在冷凝管束外表面冷凝析出，有效的解决了现有技术中的烟气灰渣堵塞受热面甚至形成炉渣、烟气逃逸、凝渣效果不佳的问题，凝渣效果好。凝渣管72的冷凝介质入口端和冷凝介质出口端分别伸出密封的外围护结构71。

冷凝介质为二次风机引入的室外冷空气，各层纵向布置的凝渣管72交错布置，持续有效的凝结灰分。

凝渣管72优选为耐腐蚀管道。

本发明的一些实施例中，烟气入口73位于冷凝段77的上方，烟气出口74位于冷凝段77的下方。

本发明的一些实施例中，烟气入口73设置有用于连接热风炉的烟气出口的第一段保温密封烟道，烟气出口74设置有用于连接管式受热面的第二段保温密封烟道。可用于连接传统热风炉各受热装置之间，解决了现有技术中烟道连接部位散热量大、漏风严重等问题。

本发明的一些实施例中，还包括设置于密封的外围护结构71底部的沉降室75，烟气出口74设置于沉降室75上方。凝渣管72上凝结的灰分会导入沉降室75，而烟气会从沉降室75上方的烟气出口74通出，进入受热装置或者换热装置，如管式换热装置12，大大降低了烟气中的熔融灰分或者其他可凝结灰分，保障了烘干系统连续稳定运行。

本发明的一些实施例中，还包括设置于沉降室75下部的密封卸灰阀。凝渣管72呈多排设置，相邻两排的凝渣管72竖向位置相互交错。烟气通过时能够通过各排凝渣管72的多次换热凝结，充分析出灰分，效果更佳。

本发明的一些实施例中，凝渣管72呈多排设置构成多个凝结受热面，相邻两排的凝渣管72相互平行。烟气从烟气入口73通入时通过多排凝结受热面，即通过多排交错的凝渣管72，凝结效率更高。

本发明的一些实施例中，密封的外围护结构71为长方体，沉降室75连接于密封的外围护结构71底部，沉降室75底部为出灰口76。

本发明的一些实施例中，沉降室5轴向横截面为上宽下窄的梯形。不易积灰，使用便利。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求的保护范围内。