CN102818257A

CN102818257A - 蓄热式生物质燃料直燃锅炉

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Publication number: CN102818257A
Application number: CN2012103278378A
Authority: CN
Inventors: 朱海生
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-09-07
Filing date: 2012-09-07
Publication date: 2012-12-12

Abstract

本发明公开了一种蓄热式生物质燃料直燃锅炉，由锅炉本体、蓄热式燃烧设备、消烟除尘设备、燃料上料设备、除灰设备、自动控制及安全保护设备等组成。该锅炉采用全新的蓄热式高温空气燃烧技术，通过换向阀的切换，使两个蓄热室在蓄热与放热状态下交替工作，高效地回收烟气的余热，并将助燃空气预热到1,000℃以上，生物质燃料在高温低氧的环境中充分燃烧，独特的燃烧及排烟方式在炉膛的燃烧空间形成高温区，炉膛内的辐射换热强烈，无需省煤器和空气预热器等低效耗能设备，整炉的热效率得以大大提高。本发明的蓄热式直燃锅炉可根据需要设计成其它固体、液体及气体燃料直燃式锅炉，具有同样的高效燃烧换热、显著节能、保护环境等特点。

Description

蓄热式生物质燃料直燃锅炉

技术领域

本发明涉及一种蓄热式生物质燃料直燃锅炉，该设备属于锅炉行业和新能源锅炉技术领域。

背景技术

众所周知，“锅炉”是一种利用燃料燃烧或其他热源加热产生蒸汽或热水的热发生设备或热交换设备，业内习惯将带有燃烧装置的热发生设备称之为锅炉，不带有燃烧装置的热发生设备称之为余热(废热)锅炉。锅炉作为重要的动力设备已广泛应用于电站、石油化工、化工、轻工、环境保护及生活供暖等国民经济的各个领域，发挥着重要的热能转换作用。

锅炉：按燃料种类的不同可以分为固体燃料锅炉(如燃煤锅炉、油页岩及生物质燃料锅炉等)、液体燃料锅炉(如燃油锅炉、醇类锅炉及废液锅炉等)、气体燃料锅炉(如天然气锅炉、煤气锅炉、沼气锅炉及废气锅炉等)和废热(余热)锅炉；按结构不同可以分为：锅壳式锅炉(火管锅炉)、水管锅炉、水火管锅炉(卧式快装锅炉)等。

燃煤锅炉分为电站锅炉(多为大中型煤粉炉)和工业锅炉(多为小型层燃炉)。燃煤锅炉一般由燃烧设备(煤粉燃烧器或层燃炉排)、炉膛及水冷壁、锅炉管束(小型锅炉)、省煤器、空气预热器、脱硫除尘设备以及引风机等构成的复杂系统设备。锅炉管束、省煤器及空气预热器等设备粗大，换热效率低、金属耗量大，设备造价及维修费用均很高。

低压(3.9MPa以下)小容量(40T/H以下)燃煤饱和蒸汽锅炉，蒸发热量约占总吸热量的70-92％，这些热量主要是由炉膛水冷壁和锅炉管束的换热来承担，锅炉的热效率一般在70-80％；中高压(3.9-10MPa)中等容量(40-220T/H)燃煤蒸汽锅炉，蒸发热量占总吸热量的53-64％，这些热量由炉膛水冷壁换热就能够满足，一般不再设置锅炉管束，锅炉的热效率在85-92％；超高压(10MPa以上)大容量(410T/H以上)燃煤过热蒸汽锅炉，蒸发热量只占总吸热量的40％，过热及再热的热量增加，炉膛中就要放入更多的辐射换热面来实现，锅炉的热效率在90％左右。

燃油燃气锅炉多为中小型热水和或饱和蒸汽锅炉。小型燃油燃气锅炉经过优化设计，由燃油燃气燃烧器、炉胆(相当于燃煤锅炉的炉膛及水冷壁)、两到三回程的烟管管束(相当于燃煤锅炉的锅炉管束)及尾部烟道的省煤器等组成的快装锅炉，该设备的结构较燃煤锅炉紧凑，换热效率也有所提高、金属耗量相对少一些，燃油燃气锅炉的热效率在85-90％，高于同档次的燃煤锅炉。

生物质燃料锅炉是在化石能源危机以后逐步发展起来的新能源锅炉。中型生物质燃料电站锅炉，如东方工业锅炉集团有限公司生产的蒸发量在35-130T/H的电站锅炉，其系统结构与燃煤电站锅炉基本相同，由燃烧设备、炉膛、尾部烟道及消烟除尘设备等组成，该系列锅炉通过水冷壁、过热器、再热器及省煤器的换热生产饱和蒸汽或过热蒸汽，降低烟气温度，再通过空气预热器回收烟气余热、热风助燃，进一步降低烟气温度。小型生物质燃料工业锅炉(60T/H以下)是目前使用最为广泛的生物质燃料锅炉，该炉普遍采用燃煤卧式快装炉的结构：由下部的生物质燃料燃烧炉床、中间布置有水冷壁的炉膛、上部设置的烟管管束以及尾部烟道的省煤器等组成，该炉存在的问题主要有：烟管管束及省煤器等对流换热面，设备庞大、换热效率低、金属耗量大、设备的造价及维修费用都很高；同时，水平设置的烟管管束因燃用含水量及飞灰量都很大的生物质燃料而严重积灰、结焦，甚至堵塞烟管，影响锅炉的高效运行，也极易发生锅炉爆管的事故，为安全生产埋下了隐患。

在锅炉的总换热量中炉膛的换热所占比例最大，炉膛换热中辐射换热最为强烈、高效，辐射换热是炉膛的主要换热形式，辐射换热量约占炉膛换热量的95％。而传统锅炉所设置的锅炉管束、省煤器及空气预热器等设备庞大、运行低效的对流换热面，主要是为了降低排烟温度、最大限度地回收烟气余热。若能够在燃料燃烧及炉膛上采用新的技术和先进的设备，提高燃烧效率、降低排烟温度，并对上述的对流换热面进行简化，从而有效地提高锅炉的热效率、降低设备的造价、减少设备的故障和维修费用。

发明的内容

本发明蓄热式生物质燃料直燃锅炉采用高温空气燃烧(HTAC)技术很好地解决上述难题。

HTAC技术在解决燃料(固体、液体、气体)的高温(1,000-1,250℃)高效(99.9％)燃烧的前提下，还具有低温(150℃左右)排烟的功能，采用该技术的锅炉由水冷壁及辐射换热器构成的高温环境下的高效换热系统，其换热强度远远高于传统锅炉对流换热面，整炉的热效率可达90-95％，优于燃油燃气锅炉。该炉具有系统简单、结构紧凑、节能效果显著等特点。

HTAC技术是20世纪90年代初在燃烧领域诞生的一项全新的燃烧技术，该技术利用蓄热体将高温烟气的余热进行极限的回收，再用来预热助燃空气，预热温度高达1,000℃，远高于采用换热器的预热温度，采用预热后的高温空气助燃能够极大地提高燃料的燃烧效率，彻底解决低热值燃料燃烧的点火和脱火问题；采用HTAC技术以后炉内燃烧强度大大加强，同时强化了炉内的辐射换热，提高炉膛的换热效率；HTAC技术的燃烧区无明显的火焰中心，温度场分布均匀，平均燃烧温度较局部高温火焰燃烧的温度要低，避免炉墙及换热面局部烧蚀、延长设备的使用寿命；HTAC技术还能够有效抑制NOx及二恶英的生成量；排放的烟气迅速冷却，也能够效阻止二恶英的再次合成，烟气中NOx及二恶英的排放量大大减少，利于保护环境。

HTAC技术将烟气余热回收技术、高温空气燃烧技术和控制技术有机地组成一个完善的高效节能燃烧加热系统；将HTAC技术与锅炉相结合能起到扬长补短的作用，具有创新的意义。这种全新意义上的锅炉颠覆了传统锅炉的概念，较高的技术水平，使其具有极强的市场竞争力。

本发明蓄热式生物质燃料直燃锅炉很好地解决了HTAC技术与锅炉技术相结合的问题，该锅炉主要由锅炉本体、蓄热式燃烧设备、自动控制及安全保护设备等组成；锅炉本体由炉排及其驱动装置、炉膛、水冷壁及辐射换热器组成，以实现固体燃料、灰渣的输送及炉膛内的高效换热；蓄热式燃烧设备由成对的蓄热室、空气和烟气换向阀及换向驱动装置组成，用于组织高效燃烧、低温排放烟气；自动控制及安全保护设备由工控机、可编程控制器、温度压力调节仪表等组成，用于精确控制燃烧、确保设备安全。

该锅炉的蓄热式燃烧设备由成对的蓄热室、空气和烟气换向阀及换向驱动装置等组成的高效燃烧、节能加热系统。系统中的一个蓄热室加热空气，另一个蓄热室被烟气加热(蓄热)；当常温空气由换向阀进入加热空气的蓄热室后，助燃空气在短时间内被加热到接近炉膛温度(一般比炉膛温度低50-100℃)，高温空气进入炉膛组织高效的HTAC，利于进行高温辐射换热。与此同时，炉膛内燃烧后的高温烟气经另一个蓄热室排出，高温烟气在短时间内将显热传递给其中的蓄热体回收余热，降低温度后的低温烟气经过换向阀排放。随着加热空气的蓄热室温度的降低，被烟气加热的蓄热室温度在逐渐升高，当排放的低温烟气温度升高到150℃左右的设定温度时，换向阀换向、两个蓄热室的工作状态交换(反向工作)：即原来加热空气的蓄热室现在被烟气加热，原来被烟气加热的蓄热室现在加热空气，重复上述的流程……直至换向阀再次换向回到前一个工作状态。

这样换向阀以一定的频率进行切换，使两个蓄热室在蓄热与放热状态下交替工作，实现了高温烟气余热的极限回收(烟气低温排放)和高效的HTAC。

本发明蓄热式生物质燃料直燃锅炉系统的HTAC技术同样适用于燃油燃气锅炉，该技术设备完全适应我国的国情，可用于新建锅炉设备的选型，还可以用于效率较低的旧锅炉设备的技术改造，均能收到节能降耗、保护环境的显著效果。该技术设备能够为我们带来显著的经济效益和社会效益的同时，还有利于提高我国锅炉的技术水平和新能源资源的利用水平。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明的一种实施方式的工艺流程示意图

图2为本发明锅炉本体的一种实施方式示意图

图3为本发明蓄热式燃烧设备的一种实施方式示意图

具体实施方式

参见图1，蓄热式生物质燃料直燃锅炉包括：由锅炉本体1、蓄热式燃烧设备2、消烟除尘设备3、生物质燃料上料设备4、燃油燃气设备5、助燃风供应设备6、除灰设备7、烟气排放设备8、自动控制及安全保护设备9组成。

参见图2，锅炉本体1由炉排101、炉排驱动装置102、炉膛103、水冷壁104及辐射换热器105组成。炉排101采用链条炉排或往复炉排；炉膛103由钢制框架、耐火及保温材料的炉墙、顶棚及炉门组成。水冷壁104采用膜式水冷壁或翅片水冷壁；辐射换热器105采用屏式换热器。

参见图3，蓄热式燃烧设备2，由成对的蓄热室201及202、空气和烟气换向阀203及换向驱动装置204组成；蓄热室由壳体、耐火保温材料及蓄热体构成；蓄热体选用蜂窝陶瓷或耐火小球，也可以两者同时使用，当两者同时使用时蓄热体可分低温蓄热段和高温蓄热段两部分，低温蓄热段采用蜂窝陶瓷、高温蓄热段采用耐火小球。空气及烟气换向设备，由空气及烟气换向阀及驱动机构组成，空气及烟气换向阀选用回转式或直通式管道换向阀，驱动机构采用电动、气动或液压作为驱动力。

消烟除尘设备3，由有害气体吸附设备、除尘器、清灰设备及空气压缩机组成。

生物质燃料上料设备4，由提升上料带及定量给料机组成。

燃油燃气设备5，按燃料种类不同分为：燃油供应设备由燃料储罐、过滤器、燃料泵、溢流阀、电动调节阀、电磁阀、截止阀、喷枪及管路组成；燃气供应设备由燃气储罐或入气主管道、过滤器、调压器、电动调节阀、紧急关断阀、电磁阀、截止阀、喷枪及管路组成。燃料喷枪依据所使用的燃料而定：当使用液体燃料时选用液体雾化喷枪，当使用气体燃料时选用气体喷枪；高温空气燃烧技术采用多枪布置的方式分区供给燃料，以便更好地发挥高温贫氧燃烧的优势，强化燃烧换热的同时还能大幅度降低烟气中NOx生成量，高效节能、利于环保。

助燃风供应设备6，为燃料燃烧提供氧气、为炉膛温度均匀提供搅动空气；由鼓风机、蝶阀、电动调节蝶阀、管道组成。在助燃风供应设备中通过调节助燃风供应量来控制炉膛的燃烧温度以满足换热的要求，助燃风供应量的调节采用在鼓风机上加装变频器或在供风管道上加装电动调节蝶阀来实现。

除灰设备7，由集灰斗及螺旋输送机组成。

烟气排放设备8，将炉膛燃烧后经由蓄热室、空气及烟气换向设备后的烟气引出、排放大气之中；由引风机、蝶阀、管道及烟囱组成。在烟气排放设备中通过调节烟气的排放量来控制炉膛的负压，以满足换热的要求，烟气排放量的调节采用在引风机上加装变频器或在烟道上加装电动调节蝶阀来实现。

自动控制及安全保护设备9，由工控机、可编程控制器、炉温调节仪、烟气氧含量控制仪、炉膛压力调节仪、变频器、燃烧器控制器、热电偶及低压电器组成。自动控制功能对锅炉的换向燃烧进行自动控制，对炉膛温度、炉膛负压、烟气含氧量进行自动调节，以满足锅炉生产的要求；安全保护系统的熄火保护、过载保护及运行参数监控等功能，确保系统设备的运行安全可靠。

上述的实施方式只是为便于对本发明进行详细的说明，并非限制本发明的实施范围。

Claims

1.一种蓄热式生物质燃料直燃锅炉，由锅炉本体(1)、蓄热式燃烧设备(2)、消烟除尘设备(3)、生物质燃料上料设备(4)、燃油燃气设备(5)、助燃风供应设备(6)、除灰设备(7)、烟气排放设备(8)、自动控制及安全保护设备(9)组成；其特征在于：所述的锅炉本体(1)由炉排(101)、炉排驱动装置(102)、炉膛(103)、水冷壁(104)及辐射换热器(105)组成；所述的蓄热式燃烧设备(2)由成对的蓄热室(201)及(202)、空气及烟气换向阀(203)以及换向驱动装置(204)组成；蓄热室(201)及(202)由壳体、耐火材料、保温材料及蓄热体构成；所述的消烟除尘设备(3)由有害气体吸附设备、除尘器、清灰设备及空气压缩机组成；所述的生物质燃料上料设备(4)由提升上料带及定量给料机组成；所述的燃油燃气设备(5)按燃料种类不同分为：燃油供应设备由燃料储罐、过滤器、燃料泵、溢流阀、电动调节阀、电磁阀、截止阀、喷枪及管路组成；燃气供应设备由燃气储罐或入气主管道、过滤器、调压器、电动调节阀、紧急关断阀、电磁阀、截止阀、喷枪及管路组成；所述的助燃风供应设备(6)由鼓风机、蝶阀、电动调节蝶阀、管道组成；所述的除灰设备(7)由集灰斗及螺旋输送机组成；所述的烟气排放设备(8)由引风机、蝶阀、管道及烟囱组成；所述的自动控制及安全保护设备(9)由工控机、可编程控制器、炉温调节仪、烟气氧含量控制仪、炉膛压力调节仪、变频器、燃烧器控制器、热电偶及低压电器组成。

2.根据权利要求1所述的蓄热式生物质燃料直燃锅炉，其特征在于：所述的锅炉本体(1)仅由底部的炉排(101)及上部的炉膛(103)、水冷壁(104)及辐射换热器(105)构成的精巧、高效的设备，无需传统燃煤锅炉常规配备的锅炉管束、省煤器及空气预热器，这些庞大、复杂、低效的设备。

3.根据权利要求1所述的蓄热式生物质燃料直燃锅炉，其特征在于：所述的蓄热式燃烧设备(2)中的蓄热室(201)及(202)内的蓄热体选用蜂窝陶瓷、或耐火小球、或者蜂窝陶瓷及耐火小球两者同时使用，当两种材料同时使用时蓄热体分低温蓄热段和高温蓄热段两部分，低温蓄热段采用蜂窝陶瓷、高温蓄热段采用耐火小球。

4.根据权利要求1所述的蓄热式生物质燃料直燃锅炉，其特征在于：所述的蓄热式燃烧设备(2)中的空气及烟气换向阀(203)选用回转式换向阀、或直通式管道换向阀；换向驱动装置(204)采用电动、气动或液压驱动。

5.根据权利要求1所述的蓄热式生物质燃料直燃锅炉，其特征在于：所述的消烟除尘设备(3)当燃用煤炭时加装脱硫装置，组成烟气脱硫除尘设备。

6.根据权利要求1所述的蓄热式生物质燃料直燃锅炉，其特征在于：所述的燃油燃气设备(5)对于燃用固体燃料的蓄热式直燃锅炉，主要用于启炉点火、加热升温；对于燃油燃气类锅炉，则是主要的燃烧设备；燃油燃气设备(5)中的喷枪采用多枪布置的方式分区供给燃料，能够更好地发挥高温空气燃烧(HTAC)技术的优势，高效燃烧、节能环保。

7.根据权利要求1所述的蓄热式生物质燃料直燃锅炉，其特征在于：所述的锅炉本体(1)中的炉排(101)及炉排驱动装置(102)；所述的生物质燃料上料设备(4)中的提升上料带及定量给料机；所述的除灰设备(7)中的集灰斗及螺旋输送机均为固体燃料蓄热式直燃锅炉专门设置的设备，对于燃油燃气类蓄热式直燃锅炉则无需配备上述设备。

8.根据权利要求1所述的蓄热式生物质燃料直燃锅炉，其特征在于：所述的助燃风供应设备(6)中通过调节助燃风供应量来控制炉膛温度和过氧空气系数，以满足锅炉高效、安全运行的要求，助燃风供应量的调节采用在鼓风机上加装变频器或在助燃风管道上加装电动调节蝶阀来实现。

9.根据权利要求1所述的蓄热式生物质燃料直燃锅炉，其特征在于：所述的烟气排放设备(8)中通过调节烟气的排放量来控制炉膛的负压，以满足锅炉安全运行的要求，烟气排放量的调节采用在引风机上加装变频器或在烟道上加装电动调节蝶阀来实现。