本发明属于生物质气化技术领域，具体涉及一种喉口结构，还涉及一种含有所述喉口结构的生物质气化炉。
背景技术
生物质能是指由光合作用而产生的各种有机体光合作用利用空气中的二氧化碳和土壤中的水，将吸收的太阳能转换为碳水化合物和氧气所产生的能量。生物质通常包括农业废弃物、木材及森林工业废弃物、禽畜粪便、城镇生活垃圾以及能源作物等几种类型。
随着煤、石油、天然气等化石能源的日益枯竭，生物质能等可再生能源越来越受到人们的关注，在世界能源消耗量中所占比例也越来越高。此外，生物质能作为一种清洁能源，其燃烧能在co2总量上实现零排放，可从根源上控制温室气体的产生。因此，生物质能的利用能够有效缓解能源紧张、改善生态坏境。生物质气化技术为生物质能利用的主要方向之一，生物质气化是以生物质为原料，以氧气、水蒸气等气体作为气化剂，在高温条件下，通过热化学反应析出挥发物并在高温下裂解产生可燃气体的过程。但是，传统的气化技术存在的燃气中焦油含量高、废水难以处理等技术缺陷一直制约着生物质气化技术的发展，因此，如何开发出稳定高效的低焦油气化工艺成为生物质气化行业公认的难题。
为此，现有技术提出了诸多解决方案，例如，cn202116518u所披露的技术方案虽然能够使得炉内脱除部分焦油，然而其设计的气化炉结构极为复杂，并且需要加入催化剂进行催化裂解，后续还接有燃气净化装置，从而使得整体气化工艺繁琐复杂，不利于大规模工业化生产；又如，在cn202626125u所提供的技术方案中，虽然其结构简单，且含有喉口结构，但喉口中心区域的最高温度仅为900～1100℃，而许多焦油在1100℃以上才能氧化裂解，因此，该工艺炉内脱焦油效率有限；而在专利cn101007956b中，上海交通大学披露了一种两段式生物质气化炉喉口结构，包括喉口渐缩段，喉口段，喉口渐扩段，以及由空气喷管，空气母管，空气进气管构成的空气喷射系统，空气母管沿气化炉圆周布置并与空气进气管相连通，空气母管上均匀分布奇数个空气喷管连通喉口段；该喉口结构在通入氧化剂后能够在炉内实现焦油的部分脱除，但由于喉口部分喷口结构设计存在技术缺陷，喉口区域的温度分布不均匀，从而导致其炉内焦油脱除效果仍不能令人满意。
总之，现有技术中的喉口结构设计存在种种缺陷，导致温度分布不均匀，温度提升效果也不明显。例如，部分现有的喉口结构采用单层对置式喷口设计，然而，喷口对置放置，会使得气体燃烧、焦油裂解等反应主要发生在喉口横截面中央，使得中央区域温度很高，而喉口横截面四周温度则较低，流经四周的焦油很难得到有效脱除；又如，部分现有的喉口结构采用单层夹角式喷口设计，即喷口与炉壁成一定角度放置，则气体燃烧、焦油裂解等反应主要发生在喉口横截面四周，并能形成一个圆周反应带，在反应带周围形成很高的温度而喉口横截面中央区域温度则较低。因此，喉口横截面的温度不均匀分布，会大大降低喉口部分焦油脱除效率。
技术实现要素：
本发明所提供的技术方案旨在解决现有技术中存在的上述技术问题，发明人拟设计并制造出一种喉口结构，能够克服喉口区域内温度不均匀、炉内焦油脱除效率低技术问题。
因此，本发明的第一方面提供了一种喉口结构，用于生物质气化炉；所述喉口结构包括喇叭形的上渐缩段、喇叭形的下渐扩段、喉口段；所述喉口段为圆筒形，所述喉口段包含氧化剂喷口上层和氧化剂喷口下层；并且，氧化剂喷口上层、氧化剂喷口下层包括相同数量的氧化剂喷口，且各自包括沿圆筒形的圆周均匀分布的3～6只氧化剂喷口；
其中，所述喉口段的炉壁外连接有一根上层氧化剂进气管和一根下层氧化剂进气管，所述喉口段的炉壁内设置有一根上层环形气管和一根下层环形气管，并且，所述上层氧化剂进气管与所述上层环形气管相连通，所述下层氧化剂进气管与所述下层环形气管相连通；所述氧化剂喷口上层中的每只氧化剂喷口连通着所述上层环形气管与喉口内腔，所述氧化剂喷口下层中的每只氧化剂喷口连通着所述下层环形气管与喉口内腔；
其中，设置在所述氧化剂喷口上层和所述氧化剂喷口下层之任一层中的每只氧化剂喷口的中心线均穿过所述喉口段的炉壁围成的圆形的圆心，而设置在另一层中的每只氧化剂喷口的中心线均与所述喉口段的炉壁围成的圆形相割且与该圆形的切线成夹角α，且α≠90°；
并且，每只氧化剂喷口的垂直投影均不重叠。
当实施生物质气化工艺时，热解气从热解段进入生物质气化炉内，先通过所述上渐缩段，然后进入所述喉口段、所述下渐扩段；同时，经过换热后达到一定温度的氧化剂从各氧化剂进气管输入至相应的环形气管内，再由各只氧化剂喷口喷入所述喉口内腔中，于是，氧化剂与热解气在所述喉口结构内进行充分反应，形成高温反应环境，从而使得热解气中所含的焦油等物质彻底氧化、裂解，生成小分子气体。
优选地，在上述喉口结构中，所述氧化剂喷口上层、所述氧化剂喷口下层各自包括沿圆筒形的圆周均匀分布的4只氧化剂喷口。
优选地，在上述喉口结构中，每只所述氧化剂喷口内均安装有一个节流装置。所述节流装置被用于调节氧化剂流量，使得氧化剂的入射速度均匀平缓。
优选地，在上述喉口结构中，每只所述氧化剂喷口的垂直投影均匀分布在所述喉口段的圆筒形的圆周上。换言之，所述氧化剂喷口上层中的各只氧化剂喷口与所述氧化剂喷口下层中的各只氧化剂喷口均匀地错开布置。
优选地，在上述喉口结构中，所述夹角α＝30～75°。
优选地，在上述喉口结构中，所述喉口段的炉壁与所述上渐缩段的炉壁的夹角β＝60～90°，所述喉口段的炉壁与所述下渐扩段的炉壁的夹角γ＝45～75°。此外，所述上渐缩段、所述下渐扩段还可采取不对称设计，以有效避免物料搭桥现象。
优选地，在上述喉口结构中，所述喉口段的直径d为所述生物质气化炉的炉体的直径d的1/4～1/2。
进一步优选地，在上述喉口结构中，所述氧化剂喷口上层与所述上渐缩段的垂直距离a为所述喉口段的直径d的0.1～1倍，所述氧化剂喷口下层与所述氧化剂喷口上层之间的垂直距离b为所述喉口段的直径d的0.3～1.5倍，所述喉口段的垂直高度c为所述喉口段的直径d的1～3倍。
本发明的第二方面还提供了一种生物质气化炉，其包含本发明第一方面所述的喉口结构。值得补充说明的是，所述生物质气化炉的其它构造可以是本领域技术人员所熟知的常规构造，例如，所述生物质气化炉的炉体上部可与热解段相连通，其炉体外层可设有保温层，且炉体内设置有钢制炉篦等。
综上所述，相对于现有技术，本发明所提供的技术方案主要具有以下技术优势：
本发明所提供的喉口结构的构造简单，有利于大规模工业化生产和推广，其中，含有不同的氧化剂喷口布置形式的双层氧化剂喷口的设置，使得喉口内腔均能保持高温，尤其是使得喉口段的横截面的高温区域分布均匀，从而避免含焦油的热解气从低温区域流过，并最终实现焦油在生物质气化炉内的高效脱除；因此，本发明所述的喉口结构以及所述的生物质气化炉具有优异的科研价值与市场价值。
附图说明
图1为本发明的一个实施例中生物质气化炉的结构示意图；
其中：1-喉口结构，2-上渐缩段，3-下渐扩段，4-喉口段，5-氧化剂喷口上层，6-氧化剂喷口下层，7-氧化剂喷口，8-热解段，9-钢制炉篦。
图2为本发明的一个实施例中喉口结构的结构示意图；
其中：2-上渐缩段，3-下渐扩段，4-喉口段，5-氧化剂喷口上层，6-氧化剂喷口下层。
图3为本发明的一个实施例中氧化剂喷口上层的横截面图；
其中：7-氧化剂喷口，10-上层氧化剂进气管，11-上层环形气管，12-节流装置。
图4为本发明的一个实施例中氧化剂喷口下层的横截面图；
其中：7-氧化剂喷口，13-下层氧化剂进气管，14-下层环形气管，12-节流装置。
图5为本发明的一个实施例中的氧化剂喷口上层、氧化剂喷口下层中各个氧化剂喷口的垂直投影的示意图。
图6为本发明的一个实施例中的喉口结构的结构示意图，其中示出了a、b、c、d的具体尺寸数值。
图7为本发明的一个实施例中的喉口内腔纵剖面的温度云图。
图8为本发明的一个实施例中的氧化剂喷口上层横截面的温度云图。
图9为本发明的一个实施例中的氧化剂喷口下层横截面的温度云图。
图10为本发明的一个实施例中的喉口结构的下渐扩段的底端横截面的温度云图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步阐述，但本发明并不限于以下实施方式。
如图1所示，一种生物质气化炉，其包含一种喉口结构1，并且，该生物质气化炉的炉体上部与热解段8相连通，其炉体外层设有保温层，且炉体内设置有钢制炉篦9；其中，所述喉口结构1包括喇叭形的上渐缩段2、喇叭形的下渐扩段3、喉口段4；所述喉口段4为圆筒形，所述喉口段4包含氧化剂喷口上层5和氧化剂喷口下层6；并且，氧化剂喷口上层5、氧化剂喷口下层6包括相同数量的氧化剂喷口7，且各自包括沿圆筒形的圆周均匀分布的4只氧化剂喷口；
并且，如图3、4所示，所述喉口段4的炉壁外连接有一根上层氧化剂进气管10和一根下层氧化剂进气管13，所述喉口段4的炉壁内设置有一根上层环形气管11和一根下层环形气管14，并且，所述上层氧化剂进气管10与所述上层环形气管11相连通，所述下层氧化剂进气管13与所述下层环形气管14相连通；所述氧化剂喷口上层5中的每只氧化剂喷口7连通着所述上层环形气管11与喉口内腔，所述氧化剂喷口下层6中的每只氧化剂喷口7连通着所述下层环形气管14与喉口内腔；
其中，如图3所示，设置在所述氧化剂喷口上层5中的每只氧化剂喷口7的中心线均穿过所述喉口段4的炉壁围成的圆形的圆心；如图4所示，设置在所述氧化剂喷口下层6中的每只氧化剂喷口7的中心线均与所述喉口段4的炉壁围成的圆形相割且与该圆形的切线成夹角α，且α≠90°；
并且，每只氧化剂喷口7的垂直投影均不重叠。
在一个优选实施例中，在所述喉口结构1中，设置在所述氧化剂喷口上层5中的每只氧化剂喷口7的中心线均与所述喉口段4的炉壁围成的圆形相割且与该圆形的切线成夹角α，且α≠90°；而设置在所述氧化剂喷口下层6中的每只氧化剂喷口7的中心线均穿过所述喉口段4的炉壁围成的圆形的圆心。
在一个优选实施例中，每只所述氧化剂喷口7内均安装有一个节流装置12，例如，如图3、4所示。
在一个优选实施例中，如图5所示，每只所述氧化剂喷口7的垂直投影均匀分布在所述喉口段4的圆筒形的圆周上。
在一个优选实施例中，所述夹角α＝30～75°。
在一个优选实施例中，参见图2，所述喉口段4的炉壁与所述上渐缩段2的炉壁的夹角β＝60～90°，所述喉口段4的炉壁与所述下渐扩段3的炉壁的夹角γ＝45～75°。
在一个优选实施例中，参见图2，所述喉口段4的直径d为所述生物质气化炉的炉体的直径d的1/4～1/2。
在一个进一步优选的实施例中，参见图2，所述氧化剂喷口上层5与所述上渐缩段2的垂直距离a为所述喉口段4的直径d的0.1～1倍，所述氧化剂喷口下层6与所述氧化剂喷口上层5之间的垂直距离b为所述喉口段4的直径d的0.3～1.5倍，所述喉口段4的垂直高度c为所述喉口段4的直径d的1～3倍。
值得强调的是，以每只氧化剂喷口7的中心线均穿过所述喉口段4的炉壁围成的圆形的圆心的形式布置的氧化剂喷口层，能够很大程度地提高该层对应的喉口内腔的横截面中央区域的温度，有利于热解气中所含的焦油等物质彻底氧化、裂解，生成小分子气体，能够有效脱除喉口内腔的中央区域的焦油；与此同时，以每只氧化剂喷口7的中心线均与所述喉口段4的炉壁围成的圆形相割且与该圆形的切线成夹角α(α≠90°)的形式布置的氧化剂喷口层，能够很大程度地提高该层对应的喉口内腔的横截面圆周区域的温度，有利于热解气中所含的焦油等物质彻底氧化、裂解，生成小分子气体，能够有效脱除喉口内腔的圆周区域的焦油；而且，以上两种布置形式相结合，使得氧化剂喷口上层5对应的喉口内腔的横截面中的较低温区域刚好与氧化剂喷口下层6对应的喉口内腔的横截面中的较高温区域相重叠，因此，热解气在较低温区域、较高温区域之间充分对流，整体上，使得热解气在温度足够高的区域内彻底氧化、裂解，实现焦油的高效脱除。
实施例1
如图1～6所示，一种生物质气化炉，其包含一种喉口结构1，并且，该生物质气化炉的炉体上部与热解段8相连通，其炉体外层设有保温层，且炉体内设置有钢制炉篦9；其中，所述喉口结构1包括喇叭形的上渐缩段2、喇叭形的下渐扩段3、喉口段4；所述喉口段4为圆筒形，所述喉口段4包含氧化剂喷口上层5和氧化剂喷口下层6；并且，氧化剂喷口上层5、氧化剂喷口下层6包括相同数量的氧化剂喷口7，且各自包括沿圆筒形的圆周均匀分布的4只氧化剂喷口；所述喉口段4的炉壁外连接有一根上层氧化剂进气管10和一根下层氧化剂进气管13，所述喉口段4的炉壁内设置有一根上层环形气管11和一根下层环形气管14，并且，所述上层氧化剂进气管10与所述上层环形气管11相连通，所述下层氧化剂进气管13与所述下层环形气管14相连通；所述氧化剂喷口上层5中的每只氧化剂喷口7连通着所述上层环形气管11与喉口内腔，所述氧化剂喷口下层6中的每只氧化剂喷口7连通着所述下层环形气管14与喉口内腔；
设置在所述氧化剂喷口上层5中的每只氧化剂喷口7的中心线均穿过所述喉口段4的炉壁围成的圆形的圆心；设置在所述氧化剂喷口下层6中的每只氧化剂喷口7的中心线均与所述喉口段4的炉壁围成的圆形相割且与该圆形的切线成夹角α＝45°；并且，每只所述氧化剂喷口7内均安装有一个节流装置12，每只氧化剂喷口7的垂直投影均匀分布在所述喉口段4的圆筒形的圆周上。
其中，所述喉口段4的炉壁与所述上渐缩段2的炉壁的夹角β＝60°，所述喉口段4的炉壁与所述下渐扩段3的炉壁的夹角γ＝75°。并且，所述喉口段4的直径d＝150mm，所述生物质气化炉的炉体的直径d＝300mm(气体进出口直径也为300mm)，所述喉口段4的垂直高度c＝200mm，所述氧化剂喷口上层5与所述上渐缩段2的垂直距离a＝25mm，所述氧化剂喷口下层6与所述氧化剂喷口上层5之间的垂直距离b＝60mm。
此外，发明人还采用ansysfluent16.1对运行状态下(即生物质气化过程)的上述喉口结构1进行数值模拟，其中，热解段所得热解气中焦油以苯酚表示，测得其质量流量为15.444kg/h，co，co2，ch4和h2的质量流量分别为1.02885kg/h，4.78095kg/h，0.21405kg/h和0.01245kg/h，水蒸气质量流量为12.48kg/h，当量比为0.34，空气的质量流量为34.957008kg/h，热解气和空气进口温度均为500℃。
发明人通过ansysfluent16.1模拟计算得到该喉口结构1的气体出口(即下渐扩段3的底端)的焦油质量含量为2％左右，远低于目前相关文献报道的相同位置的焦油质量含量(3-6％)的水平。因此，计算结果表明上述喉口结构1的构造具有优异的焦油脱除效率。
具体地，当热解气进口(即上渐缩段2)处的热解气中焦油质量分数为0.4547时，经过该喉口结构1后，出口(即下渐扩段3的底端)的气体中的焦油的质量分数仅为0.01290，换言之，焦油脱除率高达97.8％。整个喉口结构1的喉口内腔纵剖面的温度云图如图7所示(图7～10的原图为彩色，附图显示为灰度图)；图8为氧化剂喷口上层5的横截面的温度云图，显示出氧化剂喷口上层5对应的喉口内腔的横截面中央区域的最高温度达到2260k，平均温度为1131k；图9为氧化剂喷口下层6的横截面的温度云图，显示出氧化剂喷口下层6对应的喉口内腔的横截面圆周区域的最高温度达到2100k，平均温度为1384k；图10为喉口结构1的下渐扩段3的底端横截面的温度云图，显示出该底端对应的喉口内腔的横截面的平均温度为1497k。
以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。