一种用于煤粉炉掺烧的生物质调质燃烧器装置

1.本发明属于燃烧器领域，涉及生物质的预处理，具体涉及一种用于煤粉炉掺烧的生物质调质燃烧器装置。


背景技术：

2.生物质作为一种重要的可再生能源，其来源广泛、种类繁多，比如农林固废、生活垃圾和牲畜粪便等。相比于传统的化石燃料，生物质具有成本低、来源广、储量大和可再生等优点，在能源转化利用方面具有很大的优势。因而，合理高效利用生物质能源这一话题在近些年受到了国内外很多研究人员的关注。
3.生物质与煤的混合燃烧在能源利用、污染物排放上具有重要的经济效益和环境效益。据研究报道，在煤粉与生物质的掺烧过程中，生物质产生的挥发分可以还原煤粉燃烧产生的部分氮氧化物以及硫化物，在一定程度抑制了部分污染物的形成，有效改善烟气中污染物的排放特性。另外，生物质的添加改善了混合燃料的燃烧反应性，如提高燃烧速率，缩短燃尽时间，提高炉内的燃烧稳定性。
4.基于诸多的优点，生物质与煤粉掺烧技术在电厂锅炉中早已得到广泛的应用，该技术在近年来已相当成熟。然而现有生物质在煤粉炉中的掺烧方式主要是将生物质直接喷入煤粉炉里掺烧或者是将生物质提前气化再通到煤粉炉里掺烧，前者燃烧效果差以及其对污染物排放控制差，后者装置能耗高、装置结构复杂。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明提供一种用于煤粉炉掺烧的生物质调质燃烧器装置，能够将生物质原料在装置内转化成一种气固两相的燃料，再通入锅炉内与煤粉进行掺烧，以达到调质的效果。相较于生物质颗粒与煤的直接燃烧，这种生物质预调质燃烧具有良好的燃烧特性，同时有效地控制了污染物的排放。
6.关于本发明的第一个目的可以通过下述技术方案实现：
7.所述一种用于煤粉炉掺烧的生物质调质燃烧器装置大体由四部分组成，分别是生物质仓、螺旋调质装置、燃料喷管和控制系统。
8.螺旋调质装置是本发明的核心装置。生物质原料在螺旋调质装置中均匀受热并不断被螺旋传送至装置末端，在装置中不完全地逐步转化为可燃性气体和焦炭，实现了其调质的功能。同时，生物质粒径将变得更细小，增强了其流动性，便于调质后的气固混合物被锅炉高温烟气吹入炉膛并与煤粉进行掺烧。因此，相比于未调质的生物质与煤粉的直接掺烧，生物气固混合物将会在炉膛混合得更均匀，在煤粉炉中的燃烧性能也将得到提高。此外，螺旋调质装置在初始阶段还起到一个干燥生物质料的作用，降低了生物质的着火点温度，使得其在煤粉炉中的燃烧更充分，污染物的排放降低。
9.本发明的第一个目的在于提供一种用于煤粉炉掺烧的生物质调质燃烧器装置。
10.本发明的第二个目的在于提供一种用于锅炉烟气循环再利用装置。
11.本发明的第三个目的在于提供一种能够调控生物质与煤粉掺烧程度、控制污染物排放的装置。
12.本发明的第四个目的在于提供一种轻型、经济和环保的生物质燃烧器装置。
13.一种用于煤粉炉掺烧的生物质调质燃烧器装置，包括螺旋调质装置和燃料喷管，
14.螺旋调质装置包括保温外壳以及位于保温外壳内的烟气通道和螺旋肋片，烟气通道转动设置，且烟气通道的进口用于与锅炉的高温烟气出口相通，烟气通道的末端设置有用于排出生物质气固混合物的排料孔，螺旋肋片沿烟气通道长度方向设置，螺旋肋片与保温外壳内壁之间形成螺旋调质通道，且螺旋调质装置上设置有生物质进料口；
15.燃料喷管设置在螺旋调质装置的出口处，且燃料喷管的出口端用于与煤粉炉生物质喷入入口连通。
16.生物质经螺旋调质通道通道转变为一种气固混合物，使螺旋调质装置装置具有生物质调质功能，可以改善煤粉与生物质的燃烧状况，实现高效低污燃烧。烟气管道和螺旋肋片紧密焊接在一起，保温外壳套设于其表面，三者之间形成一个密闭的螺旋调质通道，生物质在此通道内转变成一种生物质气固混合燃料以实现其在煤粉炉中掺烧的调质功能。
17.进一步地，所述螺旋调质装置包括变频电机、烟气管道、螺旋肋片、滚动轴承、挡板、保温外壳、基体法兰、密封垫圈等零部件。变频电机是一种可以随时改变其转速的电机。螺旋肋片与烟气管道紧密焊接在一起形成螺旋调质装置的核心构件。烟气管道的两端与挡板相套，通过滚动轴承嵌合。保温外壳与螺旋肋片的外边缘之间留有间隙以避免对烟气管道的转动造成干涉，保温外壳的两端再通过法兰结构与两密封挡板相连，形成一个密闭的送料空间。烟气管道中所连接的烟气为高温烟气，温度范围为450℃至550℃。
18.进一步地，所述生物质仓，安装于保温外壳左端的正上方。在生物质仓的出口设有单向的弹簧片，原料在此处只能出不能进。进一步地，弹簧片可以根据投入的物料的重量来间歇式控制生物质仓出料口的开和闭。
19.进一步地，所述燃料喷管，安装于右侧挡板的右端，其出口通过管道直接与煤粉炉生物质喷入入口相接。进一步地，燃料喷管末端增设一次进风管道以增加煤粉炉中生物质与煤粉掺烧时的氧气量。
20.所述控制系统，通过控制电子流量阀的开度来控制烟气管道中的烟气流量、通过控制系统控制烟气管道的转动速度。
21.进一步地，在螺旋调质装置中，所述保温外壳的正下方设置有支架支撑。保温外壳的最左端正上方位置通过法兰结构与生物质仓相接。挡板安装在保温外壳两端，再由挡板支撑起烟气管道和螺旋肋片的组合体。
22.进一步地，在螺旋调质装置中，其输送的生物质物料可视为是一种气固两相的共混物。生物质气固混合物在螺旋调质装置末端受压从在烟气管道上开设的排料孔喷出，随后与在螺旋调质装置中间接加热生物质料的高温烟气混合。
23.进一步地，在螺旋调质装置中，所述烟气管道中的烟气为高温烟气。烟气管道贯穿整个螺旋调质装置。高温烟气通过烟气管道以及螺旋肋片将热量间接传送给生物质原料。由于烟气直接从锅炉尾气中抽出，流速较快，可以通过流量阀的开度来实际控制烟气的流量，从而控制烟气的流速，进而间接控制对生物质物料的加热速率。
24.进一步地，在螺旋调质装置中，所述装置左侧挡板的左端通过法兰结构将变频电
机安装于其侧壁，通过齿轮传动结构将最左端的烟气管道与变频电机安装在一起；装置左侧挡板的右端通过法兰与保温外壳左端连接；装置右侧挡板的左端通过法兰与保温外壳右端连接；装置右侧挡板的右端通过法兰与燃料喷管右端相连。
25.进一步地，在螺旋调质装置中，所述装置烟气管道末端侧壁合适位置增设的排料孔，其出口的通道上安装有微型喷管将生物质气固混合物垂直喷出。
26.以上的描述可以实现生物质调质的功能，从而更有利于生物质在炉膛里与煤粉的掺烧，实现高效低污掺烧。
27.关于本发明的第二个目的可以通过下述技术方案实现：
28.所述一种适用于锅炉烟气循环再利用装置，主要是利用锅炉燃烧后产生的高温烟气来加热装置，实现对锅炉烟气的循环再利用。所述装置的大体特征与关于本发明的第一个目的的装置特征描述相似，可在原有装置的基础上做适当的调整和改变以实现其功能。
29.进一步地，所述高温烟气是从锅炉尾气特定位置抽出的部分烟气，其温度范围为450℃至550℃。本装置通过控制电子流量阀的开度来控制高温烟气的流量，从而控制烟气的流速，进而间接控制其对生物质物料的加热速率。所通的高温烟气起到加热、预热的作用。高温烟气途径烟气管道，在螺旋调质装置末端与生物质气固混合物混合均匀，然后通过燃料喷管进一步增速，最后喷入炉膛，实现烟气的一次循环利用。所述部分烟气甚至可以如此地重复循环。因此，本发明的第二个目的也相应地实现了。
30.关于本发明的第三个目的可以通过下述技术方案实现：
31.所述一种能够调控生物质与煤粉掺烧程度、控制污染物排放的装置，主要是通过控制系统来控制某些部件上的辅助元件来控制某些物理量，例如烟气流量、变频电机转速等，它们都能够影响加热速率，另外变频电机的转速还会影响生物质气固混合物的混合程度，从而导致生物质转化成其他成分的量以及转化速率都不一样，进而影响生物质与煤粉的掺烧程度，实现了对污染物的排放的控制。
32.进一步地，所述关于生物质与煤粉的污染物排放的控制，可以从以下两个方面分析。首先，从烟气污染物的角度分析，由于部分锅炉烟气会被抽出反复循环利用，螺旋调质装置中产生的挥发分可以在炉膛的还原区还原这部分烟气中未被还原的部分氮氧化物，相当于这部分烟气中的氮氧化物进一步减少。第二，从燃烧的角度分析，煤粉与生物质的燃烧都必然会产生污染物的排放，这是不可控制的，但是通过改变生物质与煤粉的燃烧方式，例如本装置对生物质的预调质，随后喷入炉膛与煤粉进行掺烧，这样可以使燃料混合的更加均匀，更加接近充分燃烧，氮氧化物生成量减少，从而使污染物的排放相应的得到缓解和改善。
33.关于本发明的第四个目的可以通过下述技术方案实现：
34.本发明的第四个目的关于提供一种轻型、经济和环保的生物质燃烧器装置，根据第一个目的、第二个目的、第三个目的的描述可以清晰地看出其本身就是具备这样一种轻型、经济和环保特征的燃烧器装置。因此本装置的第四个目的也相应地实现了。
35.本发明所提供的生物质调质燃烧器装置：
36.1)采用螺旋调质装置，即能够起到输送物料的作用，又能起到加热、预热物料的作用，从而得到所需要的生物质气固混合物，以实现生物质调质功能；
37.2)采用锅炉烟气再循环来实现对生物质的加热、预热，实现了对锅炉烟气的再利
用；
38.3)采用微型喷管将形成的生物质气固混合物垂直送入烟气管道末端，再经烟气管道流入燃料喷管。这使得被利用完后的烟气与新形成的气固混合物能够混合得更加均匀，同时也方便了其借助烟气气流的作用更容易地通过燃料喷管并最后喷入炉膛；
39.4)采用电子元件实时控制烟气流量，实现了其连续稳定的工作。
40.本发明的有益效果在于：
41.1)从生物质与煤粉的掺烧角度分析：
42.相比于生物质与煤粉的直接掺烧，该装置使得调质后的生物质的利用价值更高，其在炉膛内与煤粉的混合程度更加均匀，着火点温度低、燃尽时间短、燃烧程度更充分，这些条件使得其燃烧产生的污染物排放降低，具有重要的环境友好效益。
43.2)从能量利用的角度分析：
44.首先，由于装置的加热热源主要来自锅炉尾气中抽出的部分高温烟气，将其通到螺旋调质装置直接参与换热，这对能源的节约利用具有重大的实际意义；第二，由于螺旋调质装置内部核心结构高速旋转，与生物质物料因摩擦而产生热量，这部分热量相当于直接用来加热生物质本身，变频电机所用的部分电能转化为热能，实现了对输入能量的高效利用；第三，螺旋调质装置的外表面是由保温外壳所构成，进一步的降低了装置内的热损失，使得热量不易流失。综上，该本发明是一个非常节能、能量利用率极高的装置。
45.3)从污染物排放的角度分析：
46.首先，由于该装置具有生物质调质功能，相比于未调质的生物质，调质过后的生物质产生的还原组分如挥发分多，这些还原组分可以还原煤粉燃烧时产生的氮氧化物，因此污染物的排放量降低；第二，由于调质过后的生物质相比于未调质的生物质具有高热值、低着火点温度以及其与煤粉的混合程度更均匀等特点，其燃烧更趋向于完全燃烧，又由于完全燃烧相比于不完全燃烧产生的污染物排放少，因此其污染物排放降低；第三，所述从锅炉尾气中抽出的部分烟气本身就含有未被处理的氮氧化物，这部分污染物有可能继续在炉膛内被还原，如此反复地循环。综上所述，污染物的排放会进一步降低。
47.4)从装置结构设计角度分析：
48.本发明所设计的螺旋调质装置，结构合理且简单，各个构件之间在工作时相互配合。首先，变频电机与烟气管道采用齿轮结构传动，使它们之间可以更好的配合转动；第二，采用滚动轴承嵌套于烟气管道与挡板之间，它即起到支撑烟气管道的作用，又可以起到降低螺旋调质装置转动时产生的摩擦阻力、方便其能够自由地转动的作用；第三，安装于排料孔内的微型喷管与螺旋调质装置末端的燃料喷管，使得被利用完后的烟气与调质后的生物质混合得更均匀并以较快的速度喷入炉膛。所有部件之间相互配合，实现了该装置的高效运转、连续性工作。
附图说明
49.为了更清楚地说明本发明的实施例或现有技术的技术方案，下面将采用附图的方式对其进行简单地说明。附图仅用作示例说明，而非实物，为更加直接且准确地说明本发明，附图会省略、放大、缩小部分零件，并非为本发明的实际尺寸。
50.图1为本发明实施例中生物质调质燃烧器装置结构前视图；
51.图2为本发明实施例中生物质调质燃烧器装置结构俯视剖面图；
52.图3为本发明实施例中螺旋肋片与烟气管道组合体的前视图和侧视图；
53.图4为本发明实施例中保温外壳的前视图和侧视图；
54.图5为本发明实施例中挡板的前视图和侧视图；
55.图6为本发明实施例中燃料喷管的前视图和侧视图。
56.图中：1、烟气管道，11、烟气入口，12、烟气出口，13、一次送风管道；2、挡板， 21、左侧挡板，22、右侧挡板；3、滚动轴承，31、滚动轴承转珠；4、保温外壳；5、螺旋肋片，51、螺旋调质通道；6、排料孔；7、燃料喷管；8、生物质仓(未画出)，81、生物质进料口，82、生物质气固混合物出口，83、微型喷管；9、密封垫圈；10、变频电机 (未画出)。
57.图中螺栓和螺母结构均未画出。
58.图中有部分常见装置未画出，已用“未画出”红色字样标识。
具体实施方式
59.下面结合附图对本技术作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本技术进行进一步的说明，不能理解为对本技术保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述申请内容对本技术做出一些非本质的改进和调整。
60.结合附图1-6，本发明提供的一种用于煤粉炉掺烧的生物质调质燃烧器装置，包括生物质仓8、螺旋调质装置、燃料喷管7和控制系统，在螺旋调质装置的左端安装有变频电机 10(未画出)，在螺旋调质装置的右端安装有燃料喷管7，在螺旋调质装置的左正上方安装有生物质仓8(未画出)。
61.螺旋调质装置包括保温外壳4、位于保温外壳4内的烟气管道1和设置在烟气管道1 上的螺旋肋片5，螺旋肋片5与保温外壳4之间形成一个螺旋调质通道51。生物质从生物质进料口81进入装置，并在螺旋调质通道51内完成调质，同时受螺旋给进的作用输送至螺旋调质装置末端，最后受压从排料孔6喷出。从锅炉抽出的部分高温烟气从烟气入口11 进入烟气管道1。排料孔6内部安装有一个微型喷管83用于提高生物质气固混合物的流速，可以加快生物质气固混合物与被利用完后的高温烟气的混合。在保温外壳4的两端装有挡板2，挡板2内部嵌有滚动轴承3，两者之间保持相对静止，相当于滚动轴承3的外圈与挡板2的内圈固定不动。滚动轴承3的内圈与烟气管道1相嵌，且保持相对静止。变频电机10通过齿轮结构带动烟气管道1转动，挡板2与保温外壳4组成的结构固定不动，用于支撑内部的转动结构。
62.在本发明的其中一些实施例中，微型喷管83的管道直径渐缩，用以加速生物质气固混合燃料。
63.在本发明的其中一些实施例中，燃料喷管7的管径逐渐缩小。
64.在本发明的其中一些实施例中，所述螺旋调质装置包括变频电机10、烟气管道1、螺旋肋片5、滚动轴承3、挡板2、保温外壳4、基体法兰、密封垫圈9等零部件。所述变频电机10是一种可以随时改变其转速的电机。螺旋肋片5与烟气管道1紧密焊接在一起形成螺旋调质装置的核心构件，该构件的最左端由变频电机10传动以实现其螺旋给料的功能。挡板2包括左侧挡板21和右侧挡板22，烟气管道1的两端分别与左侧挡板21和右侧挡板22相套，通过滚动轴承3嵌合，滚动轴承3的内圈与烟气管道1相连，滚动轴承3 的外圈与挡板2相连，这样就保证了烟气管道能够自由地转动。保温外壳4内壁与螺旋肋片5的外边缘之间留有一定间隙
以保证装置的正常旋转，保温外壳4的两端通过法兰结构分别与左侧挡板21和右侧挡板22相连，形成一个密闭的送料空间，同时在接口增设密封垫圈9保证该处的气密性。高温烟气通过烟气管道1以及螺旋肋片5将热量间接传送给生物质原料。螺旋肋片5除了起到输送的作用还起到增大换热表面的作用即增强换热，使得烟气中的热量得到更充分的利用。
65.在本发明的其中一些实施例中，烟气管道1中所连接的烟气为高温烟气，其为从锅炉锅炉尾气管道合适位置(高温烟气温度处于450到550℃之间)处抽出的烟气。
66.在本发明的其中一些实施例中，所述生物质仓8，安装于保温外壳4左端的上方位置，与生物质进料口81通过法兰结构相连，生物质进料口81需要穿过保温外壳4，安装时需要保证在该处的气密性。在生物质仓8的出口处设有单向的弹簧片，原料在此处只能出不能进，防止螺旋调质装置中产生的气体通过该弹簧片发生回流。进一步地，弹簧片可以根据投入的物料的重量来间歇式控制生物质仓8出口的开和闭，当投入的物料超过弹簧片设定的重量时，生物质仓出口处的弹簧片就会因超重而打开，生物质原料在重力的作用下投入螺旋调质装置内，随后弹簧片不受力马上又会关闭，物料又重新慢慢的累积在弹簧片上，重复这样一个间歇式的工作过程，从而可以防止调质过程产生的气体回流，该设计保证了装置进料的连续性和运行的稳定性。所述生物质仓8的出口即生物质进料口81的正投影位置应恰好落入螺旋调质装置的生物质进料口位置。
67.在本发明的其中一些实施例中，所述燃料喷管7安装于右侧挡板22的右侧，其出口通过管道直接与煤粉炉生物质喷入入口相接。该部件可以提高喷入煤粉炉的流体的速度，使得其与煤粉的混合更加均匀，燃烧更加充分。燃烧程度高，那么所产生的污染物排放减少。进一步地，燃料喷管7末端增设一次送风管道13道以增加煤粉炉中生物质与煤粉掺烧时的氧气量，从而使其更趋近于完全燃烧。
68.所述控制系统，通过控制电子流量阀的开度来控制烟气管道1中的烟气流量，电源开关等所有控制按钮均安装于控制箱内。
69.在本发明的其中一些实施例中，在螺旋调质装置中，所述保温外壳4的正下方的合适位置由两支架支撑起整个装置。保温外壳4的最左端正上方位置通过法兰结构与生物质仓8相接，正投影位置处在组合体的螺旋线刚开始位置。挡板2安装在保温外壳4两端，再由挡板2支撑起烟气管道1和螺旋肋片5的组合体。
70.进一步地，在螺旋调质装置中，其输送的物料可视为是一种气固两相的共混物。加热产生的部分气体掺杂在生物质中，部分气体沿着螺旋肋片5外缘与保温外壳4内壁之间的缝隙流到螺旋调质装置末端并从出口喷出。且由于螺旋调质装置是不断旋转搅拌的，这种气固混合物会沿着螺旋调质通道混合得更加均匀。生物质气固混合物在螺旋调质装置末端受压从在烟气管道1上开设的排料孔6喷出，随后气固混合物与在螺旋调质装置中间接加热生物质料的高温烟气混合，其混合主要发生在燃料喷管7初段，最后流经喷管增速从生物质燃烧位置喷入炉膛与煤粉掺烧。在本发明的其中一些实施例中，在煤粉炉的炉膛还原区处开设生物质喷入入口，以使高温烟气与气固混合物经生物质喷入入口喷入炉膛与煤粉掺烧。
71.进一步地，在螺旋调质装置中，所述烟气管道1中的烟气为高温烟气，在某种程度上体现了对锅炉烟气的循环再利用。烟气管道1贯穿整个螺旋调质装置。烟气管道1中所通的高温烟气对生物质物料起到加热、预热的作用。由于烟气直接从锅炉尾气中抽出，其流速
也较为快，可以通过流量阀的开度来实际控制烟气的流量，从而控制烟气的流速，进而间接控制对生物质物料的加热速率。进一步地，根据伯努利流速方程，流速快的地方压强小，烟气的流速一般较快，在装置末端即生物质气固混合物与烟气混合的地方容易产生负压，又由于螺旋调质通道51的压强相对烟气管道1而言较大，生物质气固混合物被吸附进入燃料喷管7与烟气混合，这使得其较容易地通过螺旋调质装置末端所增设的排料孔6，而不用担心烟气回流造成螺旋调质通道堵塞。此外，随着混合物进一步通过燃料喷管7，其流速进一步增大，随后喷入炉膛参与燃烧。
72.在本发明的其中一些实施例中，在螺旋调质装置中，所述左侧挡板21的左端通过法兰将变频电机10安装在其侧壁上，再通过齿轮传动构件将最左端的烟气管道1与变频电机 10安装在一起；所述左侧挡板21的右端通过法兰结构与保温外壳4左端连接，组装时需要增设密封垫圈9以保证装置气密性；所述右侧挡板22的左端通过法兰与保温外壳4右端连接，组装时需要增设密封垫圈9以保证装置气密性；所述装置右侧挡板22的右端通过法兰与燃料喷管7右端相连，组装时也需要增设适合其大小的密封垫圈9以保证装置气密性。
73.进一步地，在螺旋调质装置中，所述装置烟气管道1末端侧壁合适位置(右侧挡板22 之前的位置)设置的排料孔6，其出口可以安装微型喷管以将生物质气固混合物喷出。由于装置源源不断地从生物质仓8进料，再加上螺旋给进的作用，相当于装置某种程度上也在不断地压缩生物质气固混合物，使得在装置末端有一个较大的压强推进，也促进了生物质气固混合物经生物质气固混合物出口82从排料孔6排出。当生物质气固混合物通过微型喷管83时速度增大，使得所得到的气固混合物能够较容易的通过并与降温后的高温烟气发生混合。
74.所述滚动轴承与烟气管道内嵌、与挡板外嵌，滚动轴承的大小与挡板相适应。在本发明的其中一些实施例中，所述安装于烟气管道1与挡板2之间的滚动轴承3是用隔热材料制作而成的，具有较强的隔热性，传热系数极低，保证了烟气管道1上的热量很难传送至滚动轴承3内，降低了滚动轴承3内的温度，因此滚动轴承内部的润滑油不会因为高温而发生热解或气化。
75.本发明实施例提供的一种适用于煤粉炉掺烧的生物质调质燃烧器装置，可以实现煤粉与不同比例的生物质成分进行掺烧，实现锅炉炉膛内更高效的燃烧以及更少量的污染物排放。同时，该装置可以实现对生物质原料的安全转化和高效利用，并在最后可得到一种气固两相的生物质混合燃料。
76.本发明实施例提供的装置利用锅炉尾气的热量来加热生物质，让最终所得的生物质燃料处于一种气固混合状态，即部分气化，以实现生物质调质功能；同时利用锅炉尾气来加热生物质，不需要提供额外的加热热源。
77.以上的描述可以实现本发明实例的生物质调质功能，从而更有利于生物质在炉膛里与煤粉的掺烧，实现高效低污掺烧。
78.显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。