一种混合燃烧装置及利用该装置的燃烧设备的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及燃烧设备技术领域，更具体地说，涉及一种混合燃烧装置及利用该装置的燃烧设备。
【背景技术】
[0002]能源是人类赖以生存和发展的基础，各种以气体、液体和固体形态存在的化石能源、生物质能源以及它们的衍生品又是已被开发利用能源中占绝对支配地位的能源。而上述能源由于燃料成分、燃烧方式存在的局限，容易燃烧不充分和产生有毒有害物质，已经给生态环境和人们的身心健康造成了巨大损害，如燃烧过程中排放的主要空气污染物之一，氮氧化物已经确定会造成大气质量退化，形成污雾和酸雨。
[0003]就化石能源而言，虽然其为各种能源中对环境造成压力最大的能源，但目前还没有能够全面替代它的可行能源方案，且化石能源是不可再生的，它的日渐枯竭已逐步制约了经济发展并增加了人们的生活成本，鉴于化石能源的利用以燃烧为主要的能量转换利用方式，所以改进燃烧设备是不得不进行的选择。生物质能源在人类发现和利用化石能源以前是占统治地位的能源，目前仍然在能源结构中占非常重要的地位，其消费总量仅次于化石能源，对于生物质能源而言，改进燃烧设备同样具有重要意义。并且，生物质能源是可再生能源，是能够实现自然界碳循环而不增加大气温室效应的能源，对其进行二次开发清洁利用能够带来巨大的经济和社会效益，符合节能减排建设生态文明的大政方针。
[0004]本领域的技术人员应能理解，改进燃烧通常可以有以下几种方式:增加燃烧持续时间，升高燃烧温度，或优化氧气与燃料的混合。然而，在某些情况下，增大某个因素可能会导致其他因素的减小。例如，优化氧气混合通常需要增大气流，但当更冷的空气进入燃烧区时会导致燃烧温度下降，因此对燃烧的改进通常需要平衡上述几种因素。
[0005]经检索和调研发现，现有燃烧设备普遍存在燃烧结构不合理、能量利用不充分的问题，主要表现在以下几方面:一是空气与燃料的占比不协调，氧气不足会导致燃烧不完全，氧气过量会导致产生大量的氮氧化物；二是氧化和还原反应的关系没有得到很好的解决，主要是对还原反应的重视程度不够，还原反应能够实现燃料、二氧化碳、水分子、氮氧化物等向一氧化碳、氢气、氮气等转换，从而促进进一步的氧化反应以及减少氮氧化物的排放；三是空气和燃料的混合结构不够优化，混合均匀度没有很好实现，不利于充分燃烧、燃烧工况也不够稳定；四是燃烧反应的持续时间不够长，无益的热辐射和热质量损失导致不同反应区温度得不到合理优化并造成能量浪费；五是由于换热结构的缺陷导致热交换介质吸热不迅速、不充分。
[0006]上述几个方面的问题并不是孤立地存在，它们之间存在某种程度的关联性，一个方面解决不好会影响其它方面的功效发挥从而导致既浪费了燃料又污染了环境。且不仅化石能源及其衍生燃料的燃烧设备存在这种缺陷，对于生物质燃料燃烧设备而言这种缺陷更明显。如果生物质燃料裂解燃气燃烧不充分，那么燃烧设备对生物质固体燃料的前期处理工作就得不偿失了，未完全燃烧的生物质裂解燃气中存在的焦油等高分子化合物会对环境造成二次污染。
[0007]检索对比的专利技术文献主要有:专利号为CN200510009881.4于2005年9月28日公开的一种生物质与煤粉复合燃烧及生物质再燃脱硝的燃烧装置；专利号为CN200520031064.4于2006年11月29日公开的一种煤粉掺烧秸杆发电燃烧器；专利号为CN200920025119.9于2010年2月3日公开的适用于煤粉锅炉的生物质燃烧器；专利号为CN201520050117.0于2015年7月1日公开的一种改进结构的粉状生物质燃烧器；专利号为CN201320024063.1于2013年7月31日公开的一种直喷式生物质燃烧器；专利号为CN201510110422.9于2015年7月1日公开的一种耦合分级燃烧和烟气再循环的低NOx链条炉；专利号为CN201510215794.8于2015年9月9日公开的一种生物质油燃烧装置；专利号为CN200710192984.8于2008年5月21日公开的用于产生活塞流的低氮氧化物分级燃料喷射燃烧器；专利号为CN200910162415.8于2011年3月23日公开的生物质气化燃烧器；专利号为CN201510083006.4于2015年7月1日公开的一种半预混低NOx烧嘴；专利号为CN201310223085.5于2013年8月21日公开的沼气自动分级燃烧器；专利号为CN201520288521.1于2015年9月9日公开的液化气工业炉燃烧装置；专利号为CN201510271908.0于2015年9月9日公开的一种生物质类固废及危废燃烧制汽工艺；专利号为CN201420737971.X于2015年8月5日公开的一种生活垃圾焚烧炉油气两用型燃烧器；专利号为CN201210543178.1于2013年3月27日公开的一种多层分级燃烧器；专利号为CN201510160266.7于2015年8月12日公开的一种多级接力燃烧装置；专利号为CN201010515398.4于2012年5月9日公开的一种生物质低碳炉；专利号为CN201220501480.6于2013年4月24日公开的一种改进型生物质低碳炉；以及本申请人于2015年7月22日公开的申请号为201510216305.0，名称为一种生物质炊事取暖炉的专利申请。
[0008]需要重点指出的是，上述专利公开的燃烧设备一般采用一体化设计，混合燃烧功能的实现严重依附于其它功能部件，不利于优化炉体内部的布局以节约空间拓展功能并降低成本，而且事关燃烧充分度这一核心问题的混合燃烧装置在出现故障后不易甚至无法修复或更换，燃烧设备存在被迫报废的问题。如本申请人申请的专利申请号为201510216305.0的专利，就存在这种整个燃烧设备一体化集成设计的缺点。该申请案虽然较其它生物质炉在燃烧性能上有了较大提高，且设计了多种功能单元，但各功能单元混合燃烧功能及其它功能的实现在结构上作为一个整体高度依赖不可分割，是一损倶损的关系，与混合燃烧功能的实现密切相关的零部件出现故障后难以处理，就算能够修复或更换也只能总体处理，代价较高。燃烧设备每个功能单元之间混合燃烧功能的紧密关联性制约了每个功能单元混合裂解功能的独立性，每个功能单元都有若干级兼作燃气通道的混合燃烧通道即该申请案所述的各级混合裂解腔，但只有在同一个功能单元中各级混合裂解腔之间才连通成一根通道，不同功能单元之间的混合裂解腔是不连通成一根通道的。各功能单元的若干级供氧管以及与其一一对应的供氧腔的紧密集成结构使得上述局限性更加明显。且至少两组功能单元若干级供氧管所对应的每一级供氧腔都共同对应同一个空气预热通道(即本申请案所述的非一次风供给机构)，各功能单元不同级供氧管所对应的不同级供氧腔对应不同的空气预热通道，这些不同预热通道最近的共同入口都位于加料筒盖外部的供氧室。显然完全可以进行新的设计来弥补这种缺陷，设计一种混合燃烧装置，每一个这种混合燃烧装置只能应用于燃烧设备的一个功能单元而不是一个混合燃烧装置可同时应用于燃烧设备的多个功能单元，并且当燃烧设备只有一个功能单元时可以只使用一个混合燃烧装置，也可以使用多个这样的混合燃烧装置松散地搭配组合以便于维修保养和设备创新；并且当燃烧设备有多个功能单元时，多个混合燃烧装置的空气预热供给通道可以根据燃烧设备的整体布局优化调整，而不是把所有的不同空气预热供给通道都从加料筒盖外的供氧室逐个引出；如果空气供给通道受到加料筒盖及其外部供氧室的制约，那么在燃料供给方式为自动化的螺旋挤压、链条传输输送时就不能适应这种新的变化。
[0009]此外，作为燃烧设备的一种，目前生物质燃料燃烧设备普遍采用的方案是通过空气喷口向兼作混合燃烧通道的燃料通道中补充助燃空气。上述方案的缺陷是对于同一款生物质炉，炉膛中添加燃料的多少、生物质燃料品种的不同以及不同工况下炉膛温度的差异都会使得所产燃料的量处于波动状态，导致燃烧不稳定。即使是有的生物质炉对助燃空气的供应进行了分级处理，比如本申请人申请的专利申请号为201510216305.0的专利，也还是存在助燃空气在分级分配方面没有充分考虑氧化反应和还原反应对各级混合燃烧通道的不同需求问题，没有对各级空气通道的空气喷射量做出合理的优化。这个问题并非只有生物质燃烧设备存在，其它类型燃烧设备也有同样的缺陷。
[0010]再次，现有技术在对燃烧设备点火初期以及燃烧终了阶段的关注不够，尤其对于能够气化燃烧的固体燃料燃烧设备，虽然本申请人在专利申请号为201510216305.0的专利中已通过对灰斗的改进实现了拉开灰斗可同时增加从炉桥进入炉膛的一次风和从炉膛二次配风自然增强腔(即该申请案所述的炉膛保火强化通道)进入炉膛的非一次风，使得起火迅速且燃烧充分，但未能实现在需要时向炉膛供应的一次风与非一次风的各自单独控制。而所述各自单独控制的重要性在于能实现既需要增强炉膛非一次风的供应以提高炉膛温度和氧化反应程度，又需要限制一次风的供应以限制燃料的气化剧烈程度，即能实现保火前提下的适当强化。
[0011]生物质固体燃料的燃烧特性决定了理想的点火方式是反烧点火。对于普通的类水平式炉膛，所述反烧点火是指先在炉膛中添加一定的燃料，然后从这些燃料的上表面点火以减少甚至杜绝点火初期未燃烟雾排放造成的污染。对于纵向的类垂直自动落料逐层燃烧设备，所述反烧点火通常是指先从炉膛上部纵向加料机构加料桶的顶部加料口向炉膛底部添加一些引火柴点燃，火焰类水平转向后再向上移动至混合燃烧通道，当引火柴燃烧程度强到不会被后续添加的大量燃料盖灭后再从纵向炉膛的顶部加料口向炉膛添加足够的燃料。对于非自动化控制的民用生物质燃烧设备来讲上述两种采用反烧点火的炉膛共同的缺点是由于只有一个加料口，点火时无论是横向还是纵向都受到可操作纵深的制约，从而也对燃烧设备燃料的总容积、反应区的燃料容积以及整体设计带来不利影响，尤其是对于需要进行燃烧切换的多功能的生物质燃烧设备更需要克服一个加料口的局限。而增加加料机构纵深，尤其是纵向加料桶深度来提高燃料总容积还会带来一个衍生问题，就是大量生物质燃料受热后会在加料机构上部积聚较多游离态水分和烟气，这种游离态水气会导致生物质压块和颗粒等成型燃料膨胀粘成一体并因后续燃料的潮湿度大而对燃烧产生非常不利的影响。增加加料桶纵向深度还会带来另一个衍生问题，随着料桶深度的增加，料桶本身会产生有损燃烧效果的负压抽力，这种有害的负压抽力随着温度的升高而增强，在一定程度上会削弱燃烧设备的有益负压作用，会导致从高处加料口溢出烟气，尤其在通过高处加料口添加燃料时负面影响更加明显。
[0012]燃烧设备，尤其对于民用的燃煤和生物质多功能燃烧设备，现有技术虽然存在类似燃烧切换开关这样的设计，但大都是通过改变同一个混合燃烧通道火焰喷射方向来实现燃烧室功能切换的。这种设计的缺陷在于，一个拓展功能的实现往往以增加同一束火焰在不同燃烧室的行程来实现，能量的损失非常大，虽然本申请人在专利申请号为201510216305.0的专利中采