本发明涉及一种生物质粉末可控湍流预混燃烧锅炉及其燃烧方法，属于生物质粉末燃料锅炉技术领域。
背景技术
传统的生物质粉末燃烧采用直接喷燃锅炉或煤粉直接喷燃锅炉，燃烧室采用六面体结构，火焰和烟气出口设计在上方，燃烧室内有多处死角，造成灰分在气流死角堆积，由于燃烧室内湍流预混燃烧火焰状态无序不可控制燃烧位置，二次风无法找到合适的给送位置，部分没有燃烧完全的燃料被烟气携带逸出，导致生物质粉末燃烧不完全。采用单独喷射头烟气折返技术的锅炉，火焰在第一折返点由于遇到巨大阻力而变弱，火焰产生的热量被锅炉墙壁吸收，有一部分逸失浪费，火焰由于反复折返降温而不能燃烧完全，且二次风和三次风没有空间合理设置，最后导致燃烧不完全，烟气中有大量黑色含碳颗粒，不利于回收和造成环境污染。同时，由于传统锅炉的换热方式是烟气经过换热器管程，除了阻力较大，必须使用引风机强制排烟的弊端外，烟气中的灰尘会阻塞管路使烟气无法顺利排出。另外，该领域传统的技术在实现自动控制，自动除灰和燃烧功率设计试用范围等方面都有很多不足之处。
技术实现要素：
本发明目的是为解决现有技术中的生物质粉末燃料装置由于燃烧空间的形状限制，火焰呈现无序不可控的状态，无法定向有序控制，导致燃烧灰烬在死角堆积，需要配套机械清理灰烬；二次风无法找到合适的给送位置，部分没有燃烧完全的燃料被烟气携带逸出，导致生物质粉末燃烧不完全，同时需要配备大功率引风机进行风向牵引的问题，提供一种生物质粉末可控湍流预混燃烧锅炉及其使用方法，保证了火焰的定向有序控制，和生物质粉末的充分燃烧以及避免锅炉内机械除灰和省去引风机的作用。
本发明为达此目的，采用以下技术方案：
本发明所述的生物质粉末可控湍流预混燃烧锅炉包括喷射口、三次风给风管、烟气出口、管式换热管、二次风给风管、主燃烧室、主值班火焰室和付值班火焰室；所述主燃烧室由圆筒套筒形侧壁和顶板一体成型，所述付值班火焰室位于主燃烧室内部并与顶板连接，所述喷射口穿过顶板并伸入付值班火焰室，所述主值班火焰室安装在付值班火焰室的出风口处，所述主值班火焰室包括钝体、引火孔和火焰喷射孔，所述主值班火焰室的出风口的侧壁设置有火焰喷射孔，所述主值班火焰室与喷射口相对的进风口处对应设置有钝体，所述主值班火焰室侧壁上安装有引火孔，所述二次风给风管从顶板伸入主燃烧室并围绕在主值班火焰室的外周，所述三次风给风管从顶板伸入主燃烧室并位于主燃烧室的下方，用于将燃烧完全的灰烬吹出主燃烧室，所述管式换热管安装于主值班火焰室的出风口后方，所述烟气出口安装在主燃烧室的出风口处。
优选的，所述钝体为椎体形状。
优选地，所述半球面形状，且与喷射口相对的面为半球球面形状。
优选地，所述三次风给风管设置有两排且吹出定向气流，用于助燃并将燃烧完全的灰烬吹出主燃烧室。
优选地，所述烟气出口的上下设置有两个开口，用于主动排放烟气。
优选地，所述管式换热器采用管程流体为微正压水的方式。
优选地，所述主燃烧室的侧壁包括内壳体和外壳体，所述内壳体和外壳体形成套筒结构，所述内壳体和外壳体中间装有冷却水。
优选地，所述烟气出口采用广口设计。
一种如所述的生物质粉末可控湍流预混燃烧锅炉的使用方法，包括以下步骤：
步骤一：先将空气和生物质粉末燃料预先混匀成混合物，并由喷射口喷射入付值班火焰室，混合物在钝体的分散和阻碍作用下被导向而改变运动方向，一部分混合物成抛射状态折射进射入主值班火焰室，并在主值班火焰室内形成主回流区，一部风经过钝体反射到付值班火焰室侧壁并在付值班火焰室内形成付回流区，另一部分分散到主值班火焰室的外周；
步骤二：引火孔喷射出引火火焰将主值班火焰室内的混合物点燃，在主值班火焰室和付值班火焰室内的混合物中部分较小粒径生物质粉末直接燃烧，部分较大粒径的生物质粉末表面开始燃烧，放出的热量加热主值班火焰室和付值班火焰室的侧壁并迅速使其内壁温度上升到1000℃以上，此时主值班火焰室形成可控湍流预混燃烧火焰，其余大粒径生物质粉末被加热挥发出易燃气体，从主值班火焰室和付值班火焰室逸出并进入可控湍流预混燃烧火焰，主值班火焰室外部的混合物通过二次给风管的给风作用，吹到可控湍流预混燃烧火焰，由于主燃烧室空间较大，大部分燃料在可控湍流预混火焰外部形成层流火焰并充分燃烧；
步骤三：大粒径没有完全燃烧的生物质粉末，落在主燃烧室的底部，由三次风给风管给出的定向气流助燃，并起到支持可控湍流预混燃烧火焰的持续燃烧作用；
步骤四：可控湍流预混火焰及烟气进入管式换热管和主燃烧室的内壳体形成的壳程，定向向烟气出口方向运动，由于可控湍流预混火焰及烟气的高温作用，加热管式换热管管程内的水，使其温度升高。
本发明所述的生物质粉末可控湍流预混燃烧锅炉的工作原理是：
由喷射口喷出的柱状生物质粉末燃料和空气混合物，喷射到与水平面形成一定角度、设置在主值班火焰室入口处的一定大小的钝板后，生物质粉末和气体混合气悬浮物流被导向而改变运动方向，成抛射状态折射进射入主值班火焰室和反射到付值班火焰室侧壁，在钝板前后两面和主值班火焰室及付值班火焰室内形成两个物料和空气混合物相对流速较小并可以形成回流的空间，引火孔就设计在该空间内下部位置，在引火火焰的作用下，燃料粉末在值班火焰室内被引燃，部分较小粒径粉末直接燃烧，部分较大粒径的粉末表面开始燃烧，放出的热量加热主值班火焰室和付值班火焰室侧壁并迅速使其侧壁温度上升到1000℃以上，其余燃料粉末被加热挥发出易燃气体，从主值班火焰室和付值班火焰室逸出，形成可控湍流预混燃烧火焰，在该逸出出口通过二次风给风管，给二次风，保证充足的氧气供应，大部分粉末和挥发可燃气体在可控湍流预混燃烧火焰中继续燃烧后进入层流火焰悬火焰外焰，在外焰中，大部分燃料燃烧完全，小部分较大粒径的粉末燃料落在主燃烧室下部，由双排三次分给风管给出的空气助燃，继续燃烧，并起到支持生物质粉末可控湍流预混燃烧火焰的持续燃烧作用，使其具备类似气体或液体的湍流预混燃烧火焰的状态。
本发明所述的生物质粉末可控湍流预混燃烧锅炉的有益效果为：
(1)、本发明以粉末燃烧传统的喷射技术为基础，增加了钝体、主值班火焰室和付值班火焰室，改变喷射后粉末运动状态，在主值班火焰室内空气和生物质粉末燃料混合物流速极大降低，并在钝体后产生回流区，达到使被喷射出的粉末燃料和空气混合物形成类似天然气燃烧的湍流预混火焰状态，保证了可控湍流预混火焰为定向运动，克服了原有火焰的无序状态，燃烧过程可控。
(2)、本发明在主值班室外设置了二次风给风管，在湍流预混火焰后端形成层流火焰，使粉末可以更充分燃烧。
(3)、本发明的主燃烧室设计成套筒形状且水平放置，通过改变套筒内筒直径和长度来适应不同的燃烧强度进而可以形成不同规格产热强度的锅炉。主燃烧室设计成密封套筒结构，套筒内形成水流，套筒代替了耐火砖，减轻了锅炉重量，同时提高了热交换效率。所述主燃烧室，除了烟气出口外设计成密封筒状的，提高了热效率，其它筒可以是方筒状，材质可以是普通耐火砖和耐火水泥混凝土结合成，主燃烧室给可控生物质粉末湍流预混燃烧火焰提供燃烧空间。
(4)、本发明主燃烧室相对于传统锅炉的出口的收口设计，采用广口设计，由于主燃烧室的烟气出口可以直接连接烟筒，利用烟气自身温度产生的升力，达到向大气自动排放烟气，去除引风机。
(5)、本发明在锅炉腔体可控湍流预混燃烧火焰后部设置管式换热器，使高温火焰及烟气与流动的常压水进行换热，由于锅炉内腔和换热器直接形成了换热器壳程，避免了传统粉末喷燃锅炉换热器烟气经过管程堵塞管程的弊病。
(6)、本发明采用的三次风给风双排管给出的定向气流，使空气流以一定速度向前内侧喷射，用于三次给风，使落在锅炉底部的较大颗粒继续燃烧直到燃烧完全，同时将灰分被吹到主燃烧室外。这一方法和实现该方法的装置，实现了自动除灰的功能，避免了传统燃粉锅炉需要停炉除灰或增加复杂的除灰系统的弊病。
(7)、本发明经过值班火焰室形成稳定的可控湍流预混燃烧整体火焰，保证了火焰的定向有序控制，同时保证了生物质粉末的充分燃烧。
(8)、本发明由于主燃烧室内的火焰为可控湍流预混火焰，是定向火焰喷射，给锅炉炉体设计提供了有利的基础，炉体可以设计成筒状，炉体下部可以配备定向风管吹风保证灰烬定向运动被吹出锅炉炉体，省去了机械除灰装置。
附图说明
图1是本发明所述的生物质粉末可控湍流预混燃烧锅炉的结构示意图；
图2是本发明所述的生物质粉末可控湍流预混燃烧锅炉的局部立体示意图；
其中箭头表示生物质粉末与空气混合物的流动方向；
图中：1-喷射口；2-钝体；3-三次风给风管；4-烟气出口；5-管式换热管；6-二次风给风管；7-主燃烧室；8-外壳体；9-内壳体；10-主值班火焰室；11-付值班火焰室；12-可控湍流预混火焰；13-主回流区；14-付回流区；15-引火孔；16-火焰喷射孔。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式进一步说明本发明的技术方案。
具体实施方式一、参见图1-图2说明本实施方式，本实施方式所述的生物质粉末可控湍流预混燃烧锅炉包括喷射口1、三次风给风管3、烟气出口4、管式换热管5、二次风给风管6、主燃烧室7、主值班火焰室10和付值班火焰室11；所述主燃烧室7由圆筒套筒形侧壁和顶板一体成型，所述付值班火焰室11位于主燃烧室7内部并与顶板连接，所述喷射口1穿过顶板并伸入付值班火焰室11，所述主值班火焰室10安装在付值班火焰室11的出风口处，所述主值班火焰室10包括钝体2、引火孔15和火焰喷射孔16，所述主值班火焰室10的出风口的侧壁设置有火焰喷射孔4，所述主值班火焰室10与喷射口1相对的进风口处对应设置有钝体2，所述主值班火焰室10的侧壁上安装有引火孔5，所述二次风给风管6从顶板伸入主燃烧室7并围绕在主值班火焰室10的外周，所述三次风给风管3从顶板伸入主燃烧室7并位于主燃烧室7的下方，用于将燃烧完全的灰烬吹出主燃烧室7，所述管式换热管5安装于主值班火焰室10的出风口后方，所述烟气出口4安装在主燃烧室7的出风口处。
所述钝体2为椎体形状或所述钝体2为半球面形状，且与喷射口1相对的面为半球球面形状。
空气和生物质粉末燃料的混合物经过值班火焰室10内的钝体2的分散和阻碍作用，混合气悬浮物流被导向而改变运动方向，一部分成抛射状态向主值班火焰室10内均匀散射开，并在主值班火焰室10内钝体2内侧区域形成主回流区13，另一部分经过钝体2反射后，在付值班火焰室11内付回流区14形成回流，较细燃料颗粒在值班火焰室10和付值班火焰室11内直接燃烧，主值班火焰室10和付值班火焰室11内一部分粒径较大颗粒燃料表层初步燃烧，由于值班火焰室的高温作用，燃料分解挥发出易燃气体，进入可控生物质粉末湍流预混燃烧火焰12。
只有通过钝板2的阻挡和抛射均匀散开作用，只有钝板2的位置在主值班火焰室10入口处，才能保证使高速喷射的生物质粉末和空气混合气流均匀有序喷射到主值班火焰室10和付值班火焰室11的内壁，并在钝板2背面产生主回流区13和在钝板2正面产生付回流区13，使生物质粉末和空气混合物流速迅速降低，形成稳定的可控生物质湍流预混燃烧火焰的支持部分，有利于可控湍流预混燃烧火焰12的持续燃烧，可控湍流预混燃烧火焰12具备类似气体直接燃烧的特征，因此只有通过钝板2和主值班火焰是10及付值班火焰的11共同作用，才能形成稳定的定向运动的可控湍流预混燃烧火焰12。只有稳定的定向运动的生物质粉末湍流预混火焰12的形成，才能保证准确确定二次给风和三次给风的准确位置。
所述所述三次风给风管3设置有两排且吹出定向气流，用于助燃并将燃烧完全的灰烬吹出主燃烧室7。
所述三次风给风双排管3给出的定向气流，除了具备助燃的作用，更重要的作用是将燃烧完全的灰烬吹出主燃烧室7，其吹出气流的方向向前内侧，一定距离的出风孔，保证了灰烬被连续吹响烟气出口方向，进而吹出锅炉主燃烧体。这一方法和实现该方法的装置，实现了自动除灰的功能，避免了传统燃粉锅炉需要停炉除灰或增加复杂的除灰系统的弊病。所述二次给风管6给风使燃烧更充分，再大一些的粒径粉末没有完全燃烧，落在主燃烧室底部，由三次风给风双排管7给出的定向气流助燃，继续燃烧。
所述烟气出口4的上下设置有两个开口，用于主动排放烟气，达到取消引风机的效果。
所述管式换热器5采用管程流体为微正压水的方式。
在主燃烧室7的后部设置管式换热器5，使高温火焰及烟气与流动的常压水进行换热，由于锅炉内腔和换热器直接形成了换热器壳程，避免了传统粉末喷燃锅炉换热器烟气经过管程堵塞管程的弊病，对调传统锅炉的介质，使换热器免维护。
所述主燃烧室7的侧壁包括内壳体9和外壳体8，所述内壳体9和外壳体8形成套筒结构，所述内壳体9和外壳体8中间装有冷却水。
所述主燃烧室7为套筒形结构，内壳体9和外壳体8形成的套筒夹层内装有冷却水起吸热降温作用，所述内壳体9易加工且耐压强度较高，为金属或耐火砖和耐火混凝土构成的刚性结构，它的作用是给生物质粉末湍流预混火焰12提供一个可以充分燃烧的空间并连接和固定各种必要的配套装置。主燃烧室7采用广口设计，有利于烟气出口4的无阻力排烟，不用另加引风机。所述主燃烧室7设计成套筒形状且水平放置，通过改变套筒内筒直径和长度来适应不同的燃烧强度进而可以形成不同规格产热强度的锅炉。
所述烟气出口4采用广口设计。
所述主燃烧室7相对于传统锅炉的出口的收口设计改进为广口设计，由于主燃烧室7的烟气出口4可以直接连接烟筒，利用烟气自身温度产生的升力，达到向大气自动排放烟气，去除引风机。
一种如所述的生物质粉末可控湍流预混燃烧锅炉的使用方法，包括以下步骤：
步骤一：先将空气和生物质粉末燃料预先混匀成混合物，并由喷射口1喷射入付值班火焰室11，混合物在钝体2的分散和阻碍作用下被导向而改变运动方向，一部分混合物成抛射状态折射进射入主值班火焰室10，并在主值班火焰室10内形成主回流区13，一部风经过钝体2反射到付值班火焰室11侧壁并在付值班火焰室11内形成付回流区，另一部分分散到主值班火焰室10的外周；
步骤二：引火孔15喷射出引火火焰将主值班火焰室10内的混合物点燃，在主值班火焰室10和付值班火焰室11内的混合物中部分较小粒径生物质粉末直接燃烧，部分较大粒径的生物质粉末表面开始燃烧，放出的热量加热主值班火焰室10和付值班火焰室11的侧壁并迅速使其内壁温度上升到1000℃以上，此时主值班火焰室10形成可控湍流预混燃烧火焰12，其余大粒径生物质粉末被加热挥发出易燃气体，从主值班火焰室10和付值班火焰室11逸出并进入可控湍流预混燃烧火焰12，主值班火焰室10外部的混合物通过二次给风管7的给风作用，吹到可控湍流预混燃烧火焰12，由于主燃烧室7空间较大，大部分燃料在可控湍流预混火焰12外部形成层流火焰并充分燃烧；
步骤三：大粒径没有完全燃烧的生物质粉末，落在主燃烧室7的底部，由三次风给风管4给出的定向气流助燃，并起到支持可控湍流预混燃烧火焰12的持续燃烧作用；
步骤四：可控湍流预混火焰12及烟气进入管式换热管5和主燃烧室7的内壳体9形成的壳程，定向向烟气出口4方向运动，由于可控湍流预混火焰12及烟气的高温作用，加热管式换热管5管程内的水，使其温度升高。
虽然本发明已以明确的数据和实施例公开，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的本质范围内，都可以做适当的参数修改，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。