本发明涉及一种装置及其燃烧方法，特别是涉及一种固体燃料分级燃烧装置及其分级燃烧方法。
背景技术：
固体燃料燃烧排放是大气污染物的重要来源之一，直接影响到区域大气环境以及居民的人体健康，目前典型案例就是南亚棕色云以及我国严重灰霾污染。据世界卫生组织最新统计，当前全球仍有约30亿人口无法获得清洁能源，仍然使用煤、秸秆、薪柴等固体燃料用于烹饪和取暖，绝大多数都在中低收入国家，从而造成全球4.30万人过早死亡。
固体燃料的燃烧，明显不同于清洁能源使用。其燃烧不仅包含固态组分的燃烧，还存在燃料中挥发组分的燃烧。广泛的三石式燃烧以及底部供风上部直燃式正烧均不能够保证固态组分以及气态组分的完全燃烧，突出表现在新燃料添加后快速冷却导致燃烧中断，从而大量有毒有害大气污染物被持续排放，表现为浓烟直冒的现象。
最近研究的解耦燃烧装置以及共燃燃烧装置，对常规燃烧装置和技术进行了一定的改良，较好的解决了固体燃料燃烧效率低和过程不稳定的问题，在一定程度上提高了固体燃料中固态组分的燃烧效率，但是当对于挥发分的燃烧问题，仅适用于挥发分较低的固体燃料，对于挥发分相对较高的燃料则仍然存在燃烧不充分的问题。固体燃料的固态组分和挥发（可气态）组分的比例存在着极大的差异性，其中挥发分占到4%~90%范围之间。挥发分的不完全燃烧，直接就会产生大量煤焦油、多环芳烃以及碳黑等有害物质，对大气环境和人体健康造成严重影响。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种固体燃料分级燃烧装置及其分级燃烧方法，本发明根据固体燃料燃烧包括固态组分和气态组分两类燃烧特点，结合固态燃烧以及气体燃烧特性，设计了固体燃料分级处理燃烧方法，在燃烧装置内实现功能区清晰分化以及科学燃烧原理，分级实现了固体燃料中固态组分和气态组分的完全燃烧，真正意义上的实现了节能减排的效果。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种固体燃料分级燃烧装置，所述装置包括包括燃料仓及固态燃烧部分、气态燃烧部分、分级供风部分和多组炉排部分；燃料仓及固态燃烧部分自上而下包括进料口、新添燃料层、干燥热解层和固态燃烧层；气态燃烧部分位于所述燃料仓及固态燃烧部分一侧，其自下而上包括吸气收缩段、混合裂解段和扩压段；分级供风部分包括底部的一级供风以及与气态燃烧部分相连的二级供风和三级供风；多组炉排包括位于固态燃烧层底部和一级供风顶部的斜体炉排和水平炉排以及位于气体燃烧部分的底部与水平炉排相同高度的固定炉排。
所述的一种固体燃料分级燃烧装置，所述燃料仓及固态燃烧部分中固态燃烧层侧方与吸气收缩段直接连接，其厚度与吸气收缩段高度相当；干燥热解层紧接固态燃烧层上部，其厚度与固态燃烧层厚度相当；新添燃料层位于干燥热解层上部，其厚度无要求，只需到达进料口；进料口位于新添燃料层上部，位置不仅限于正上，也可侧方或斜口，只需满足加料至燃料仓。
所述的一种固体燃料分级燃烧装置，所述气体燃烧部分为文丘里燃烧器，混合裂解段为圆筒混合管，其直径与长度相当，长度不小于10cm；吸气收缩段位于混合裂解段下面，且紧邻固态燃烧层侧方，其宽度必须大于混合管直径，高度不低于混合管长度的0.6倍，也不会高于混合管长度的1.5倍，其收缩口位于混合管下端，周围安装有二级供风出风口；扩压段位于混合裂解段上面，其宽度必须大于混合管直径，高度不低于混合管长度，其扩压口位于混合管上端，周围安装三级供风出风口，其上部与换热设备连接。
所述的一种固体燃料分级燃烧装置，所述分级供风部分中的各级供风部分彼此独立，且均可单独调节，且每级供风均被预热后使用，从而实现不同固体燃料的清洁高效燃烧。其中一级供风，安装在所述燃料仓及固态燃烧部分同侧下面，包括进风口和进风通道（即第一清渣室）；二级供风安装在固态燃烧层下部周围，进风口位于炉体正面，通道绕过炉体正面及两侧后直接到达气态燃烧部分，与混合管外围的下进风通道相连；三级供风安装在固态燃烧层中部周围，紧邻二次供风通道上侧，进风口位于炉体正面，通道绕过炉体正面及两侧后直接到达气态燃烧部分，与混合管外围的上进风通道相连。
所述的一种固体燃料分级燃烧装置，所述多组炉排部分，斜体炉排为双层活动炉排，双层之间距离不小于3cm，炉排面与炉体正面形成角度位于0~90度之间，炉排上层下端与水平炉排处于相同高度，且仅存在较小缝隙（一般不大于2cm）；水平炉排为双层活动炉排，双层之间距离不小于3cm，炉排一段与斜体炉排一端紧邻，另一端与第一清渣室和第二清渣室之间隔断墙紧邻，两端缝隙不大于2cm；固定炉排为单层固定炉排，安装在第二清渣室上方，吸气收缩段的下面，其跨度直接与炉体后壁和清渣室隔壁连接。
所述的一种固体燃料分级燃烧装置，所述分级供风部分的各级供风部分均预热后使用，其中一级供风进入第一清渣室会被初步加热，随后到达双炉排中间层，进一步高温加热，最后到达固态燃烧层；二级供风进入二级供风通道后，其通道仅仅围绕高温的固态燃烧层，从而被辐射增温，随后到达文丘里燃器的混合裂解段，进一步会被加热，从而达到直接助燃的温度；三级供风进入三级供风通道后，其通道仅仅围绕高温的固态燃烧层，从而被辐射增温，随后到达文丘里燃器的混合裂解段，进一步会被加热，从而达到直接助燃的高温。
一种固体燃料分级燃烧方法，所述方法包括以下步骤：
1）新添燃料到达干燥热解层，固体燃料进行干燥和去挥发分过程，实现固定碳与挥发分的分离，热解出的挥发分物质多分子量较大的煤焦油和烃类等干燥热解层高温下气态物质，分离出的固定碳为固体燃料中在干燥热解层高温下不易挥发的固态组分，也就是实现了固体燃料中两大可燃组分的分离；
2）步骤1）分离出的固态可燃组分进入固态燃烧层后，在预热后一次供风作用下进行富氧条件下的充分燃烧直至燃尽；
3）步骤1）分离出得气态物质在负压作用下经过高温固态燃烧层，进行煤焦油等大分子物质初步裂解，其中小分子的烃类和氢气等物质与一次风的过剩空气混合燃烧，维持气态燃料组分高温以及火焰传输；
4）步骤3）产生的小分子物质以及未完全裂解的大分子物质在烟囱负压作用下进入文丘里燃烧器收缩段，与预热后二次风进一步混合，随后进入混合裂解段进行涡旋运动混合燃烧，实现煤焦油等大分子的充分裂解，小分子物质的进行燃烧维持了高温火焰的延续；
5）步骤4）裂解后的可燃物质以及燃烧产物到达扩压段，由于燃烧对氧气的大量消耗，以及产生的大量二氧化碳将可燃气体冲散成为多个碎小气团，为保证这些小气团中可燃气体的充分燃烧，第三次预热后的空气必须给予补充，最终实现气态组分的完全燃烧。
本发明的优点与效果是：
本发明在固体燃料燃烧过程中无法较好地同步解决燃料中固态组分和气态组分的高效清洁燃烧问题，根据固体燃料燃烧特点，结合固态燃烧以及气体燃烧特性，提供一种可以分级实现了固体燃料中固态组分和气态组分的完全燃烧的固体燃料分级燃烧装置与方法。
本发明的固体燃料分级燃烧装置清晰的划分了固体燃料燃烧的功能区，明显的设置了固体燃料仓、干燥热解层、固态燃烧层及气态文丘里燃烧器等，保障燃料的持续供给，燃料干燥热解的平稳进行，固态组分的完全燃烧，以及气态挥发组分的多级裂解和完全燃烧，从而实现了固体燃料平稳高效清洁燃烧。
本发明的固体燃料分级燃烧装置和方法可以实现各类固体燃料的高效清洁燃烧，实现真正意义上的节能减排和使用安全，也可为全球目前仍然使用煤、秸秆、薪柴等固体燃料烹饪和取暖的30亿人口提供高效清洁和使用安全的燃烧装置和燃烧方法，改善区域大气和人居环境，提升人体健康水平以及延长寿命。
附图说明
图1 为本发明的固体燃料分级燃烧装置的结构示意图；
图2.为本发明的固体燃料分级燃烧装置的前视结构图；
图3.为本发明的固体燃料分级燃烧装置的文丘里燃烧器结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图所示实施例对本发明进行详细说明。
附图标记为：1、燃料仓及固态燃烧部分，2、气态燃烧部分，3、分级供风部分，4、多组炉排部分，5、清渣室，6、换热设备，1.1、进料口，1.2、新添燃料层，1.3、干燥热解层，1.4、固态燃烧层，2.1、吸气收缩段，2.2、混合裂解段，2.3、扩压段，3.1、一级供风，3.2、二级供风，3.3、三级供风，4.1、斜体炉排，4.2、水平炉排，4.3、固定炉排，5.1、第一清渣室，5.2、第二清渣室。
需要说明的是：本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
图1和图2为本发明的固体燃料分级燃烧装置的结构示意图和正视结构图，燃烧装置主要包括燃料仓及固态燃烧部分1、气态燃烧部分2、分级供风部分3和多组炉排部分4。其中燃料仓及固态燃烧部分1自上而下依次为进料口1.1、新添燃料层1.2、干燥热解层1.3和固态燃烧层1.4；所述气态燃烧部分2位于所述燃料仓及固态燃烧部分1一侧，其自下而上包括吸气收缩段2.1、混合裂解段2.2和扩压段2.3；所述多组炉排4包括位于固态燃烧层底部和一级供风顶部的斜体炉排4.1和水平炉排4.2以及位于气体燃烧部分的底部与水平炉排4.2相同高度的固定炉排4.3；所述分级供风部分3包括底部的一级供风3.1以及与气态燃烧部分2相连的二级供风3.2和三级供风3.3；
燃料仓及固态燃烧部分1中固态燃烧层1.4侧方与吸气收缩段2.1直接连接，其厚度与吸气收缩段2.1高度相当；干燥热解层1.3紧接固态燃烧层1.4上部，其厚度与固态燃烧层1.4厚度相当；新添燃料层1.2位于干燥热解层1.3上部，其厚度无要求，只需到达进料口1.1；进料口位于新添燃料层上部，位置不仅限于正上，也可侧方或斜口，只需满足加料至燃料仓。
图3.为本发明的固体燃料分级燃烧装置的气体燃烧部分2的文丘里燃烧器结构示意图，吸气收缩段2.1与燃料仓及固态燃烧部分1中固态燃烧层1.4侧方直接连接，混合裂解段2.2和扩压段依次向上排开。其中混合裂解段2.2为圆筒混合管，其直径与长度相当，长度不小于10cm；吸气收缩段2.1位于混合裂解段2.2下面，且紧邻固态燃烧层1.4侧方，其宽度必须大于混合管2.2直径，高度不低于混合管2.2长度的0.6倍，也不会高于混合管2.2长度的1.5倍，其收缩口位于混合管下端，周围安装有二级供风3.2出风口；扩压段2.3位于混合裂解段2.2上面，其宽度必须大于混合管直径，高度不低于混合管长度，其扩压口位于混合管上端，周围安装三级供风3.3出风口。
根据图1、图2和图3，所述分级供风部分3中的各级供风部分彼此独立，且均可单独调节，且每级供风均被预热后使用，从而实现不同固体燃料的清洁高效燃烧。其中一级供风3.1，安装在所述燃料仓及固态燃烧部分1同侧下面，包括进风口和进风通道（即第一清渣室5.1）；二级供风3.2安装在固态燃烧层1.4下部周围，进风口位于炉体正面，通道绕过炉体正面及两侧后直接到达气态燃烧部分2，与混合管2.2外围的下进风通道相连；三级供风3.3安装在固态燃烧层1.4中部周围，紧邻二次供风3.2通道上侧，进风口位于炉体正面，通道绕过炉体正面及两侧后直接到达气态燃烧部分，与混合管2.2外围的上进风通道相连。
本发明的固体燃料分级燃烧装置，多组炉排部分4，斜体炉排4.1为双层活动炉排，双层之间距离不小于3cm，炉排面与炉体正面形成角度位于0~90度之间，炉排4.1上层下端与水平炉排4.2处于相同高度，且仅存在较小缝隙（一般不大于2cm）；水平炉排4.2为双层活动炉排，双层之间距离不小于3cm，炉排一段与斜体炉排一端紧邻，另一端与第一清渣室5.1和第二清渣室5.2之间隔断墙紧邻，两端缝隙不大于2cm；固定炉排4.3为单层固定炉排，安装在第二清渣室5.2上方，吸气收缩段2.1的下面，其跨度直接与炉体后壁和清渣室隔壁连接。
本发明的固体燃料分级燃烧装置，分级供风部分3的各级供风部分均预热后使用，其中一级供风3.1进入第一清渣室5.1会被初步加热，随后到达双炉排中间层，进一步高温加热，最后到达固态燃烧层1.4；二级供风3.2进入二级供风通道后，其通道仅仅围绕高温的固态燃烧层，从而被辐射增温，随后到达文丘里燃器的混合裂解段，进一步会被加热，从而达到直接助燃的温度；三级供风3.3进入三级供风通道后，其通道仅仅围绕高温的固态燃烧层，从而被辐射增温，随后到达文丘里燃器的混合裂解段，进一步会被加热，从而达到直接助燃的高温。
本发明基于固体燃料分级燃烧装置的燃烧方法，包括以下步骤：
1）新添燃料到达干燥热解层，固体燃料进行干燥和去挥发分过程，实现固定碳与挥发分的分离，热解出的挥发分物质多分子量较大的煤焦油和烃类等干燥热解层高温下气态物质，分离出的固定碳为固体燃料中在干燥热解层高温下不易挥发的固态组分，也就是实现了固体燃料中两大可燃组分的分离；
2）步骤1）分离出的固态可燃组分进入固态燃烧层后，在一次供风从底部供风口进入，随后在穿双层炉排间后被快速预热，到达固态燃烧层，使得固态组分实现富氧条件下的充分燃烧直至燃尽；从而最大限度降低了固态组分燃烧过程中CO的产生；
3）步骤1）分离出得气态物质在负压作用下经过高温固态燃烧层，进行煤焦油等大分子物质初步裂解，其中小分子的烃类和氢气等物质与一次风的过剩空气混合燃烧，维持气态燃料组分高温以及火焰传输；
4）步骤3）产生的小分子物质以及未完全裂解的大分子物质在烟囱负压作用下进入文丘里燃烧器收缩段，与预热后二次风进一步混合，随后进入混合裂解段进行涡旋运动混合燃烧，实现煤焦油等大分子的充分裂解，小分子物质的进行燃烧维持了高温火焰的延续；
5）步骤4）裂解后的可燃物质以及燃烧产物到达扩压段，由于燃烧对氧气的大量消耗，以及产生的大量二氧化碳会将可燃气体冲散成为多个小气团，为保证这些可燃气体的充分燃烧，第三次预热后的空气必须适当的给予补充，最终实现气态组分的完全燃烧；从而真正实现了固体燃料中挥发分组分的高效清洁燃烧，实现污染物的极大减排。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。