CN103471095A

CN103471095A - 生物质粉料燃烧器

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Publication number: CN103471095A
Application number: CN2013104055102A
Authority: CN
Inventors: 艾元方; 孙彦文; 周睿
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2013-09-09
Filing date: 2013-09-09
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2033-09-09
Also published as: CN103471095B

Abstract

生物质粉料燃烧器，包括由外到内顺序套装且共中心轴线的空气腔(1)、调节筒(2)和点火筒(3)，调节筒(2)可上下移动，下移到最底位置时切断空气供应，空气腔(1)的底侧壁面(11)为倒圆锥台侧壁面，底侧壁面(11)延长相交于空气腔(1)中心轴线上同一点，调节筒(2)底侧壁面(21)和底侧壁面(11)平行，调节筒(2)内壁面直径为点火筒(3)的钝体(31)底圆面直径的1.5倍，钝体(31)底圆面边缘线在调节筒(2)底侧壁面(21)向下延伸的倒圆锥曲面上。生物质、可燃性污泥和低热值煤等粉状燃料燃烧可使用。发明成本低，结构简单，调控方便，炉况和炉内衬稳定，故障率低；生产潜力和燃烧能力大；燃烬率＞99％，尾气一氧化碳含量＜0.1％。

Description

生物质粉料燃烧器

技术领域发明涉及一种具有强化气粒两相混合特征的生物质粉料燃烧器，适合于生物质、可燃污泥和低热值煤等粉状燃料燃烧领域使用。

背景技术生物质资源具有可再生性、广泛分布性、低污染性(二氧化碳零排放)和资源总量巨大等特点。地球上每年由植物光合作用固定的生物质碳达1.8×10¹¹t，含能量达3×10²¹J，相当于全世界每年总耗能量的10倍。我国“十二五”发展规划中指出，到2020年，我国包括生物质能在内的可再生能源占总能源结构中的比例要提高到16％。因此，高效节能环保的生物质燃烧器技术市场需求量巨大。

生物质利用可分为三种基本类型：热化学、生物化学、直接燃烧，前两者均使生物质转化为二次燃料后使用，本身在转化过程中热能利用率下降，且二次燃料使用时热能有效利用率低，且部分不完全燃烧会产生污染性气体，因此生物质燃烧是生物质能利用的最有效途径。生物质燃烧要求燃料处置量大、燃烧速度快，而这两者要求燃烧器控制下的助燃空气和生物质粉料按化学当量比均匀混合，做到提前混合。

闪速炼铜行业积累了大投料量气粒混合反应器经验和技术。如附图2所示，中央扩散式精矿喷嘴结构复杂，包括由外到内套装在一起且共中心轴线的空气腔1、冷却水套5、分布器6和调风锥7，冷却水套5底端面伸至反应塔内，分布器6下部为分散锥61，分散锥61底侧壁设置均匀分布的众多分散风风孔611，调风锥7可上下移动以调节工艺风速度。为了强化气粒混合效果，设置呈圆环状的精矿粉、垂直向下呈圆环状的工艺风、塔中心呈圆柱状的中央氧和众多沿半径方向由内向外水平高速运动的分散风。众多小股径向分散风将精矿粉送到工艺风中，气粒两相在塔内混合并均匀分布。由于分散风风孔611的局部阻力损失大，分散风静压大。这种喷嘴加大投料量时，工艺风动量加大，颗粒进入工艺风射流难度加大，一方面气粒混合均匀性变差，另一方面气粒混合位置下移，颗粒沿反应塔高度向下流动到塔底时反应仍未完成，导致下“生料”或喷嘴正下方存在“生料堆”。投料量加大时，良好气粒混合效果要求分散风流量加大，但冶炼现场通常只能供应小流量大静压分散风，大投料量时要求的大流量大静压分散风因经济性和压缩机能力限制而无法实现。这种喷嘴在投料量小的时候气粒混合良好，但这种喷嘴在大投料量时，由于分散风动量小且快速衰减，精矿粉难以混入工艺风中，易出现“塔中心料柱+外围工艺风、气粒混合位置下移”等气粒混合不均匀问题。附图2中央扩散式精矿喷嘴不适合大燃料处置量生物质燃料燃烧使用。

如附图3所示，专利2011110269298.2(公开号：102358850A)公开了一种低热值固体燃料弥散气化器，包括壳体8和呈圆锥状的钝体9，不使用辅助气流。钝体9底圆面积较大，且钝体9全部位于炉内，钝体9侧表面对气化剂气流和颗粒均存在明显反弹作用，气粒两相在钝体9侧表面上方空间混合，再在钝体9大直径底面作用下较均匀地分布于炉内，钝体9底面下方为高温回流区。气化器控制下的颗粒均匀弥散分布于炉内空间，只发生一次气粒混合，气粒混合调节性差、钝体9底面因粘结粉尘而易烧损、气化剂射流利用效率不高。

市场上缺少结构简单，调控便易，气粒混合均匀，大燃料处置量的新型生物质粉料燃烧器。

发明内容为了克服众多小流量大静压分散风输送粉料完成气粒混合型喷嘴存在的大投料量时气粒混合效果变差及气粒混合位置下移、分散风成本高等问题，发明提供一种具有气粒混合均匀、气粒混合位置提前、大燃料处置量、调节性良好等技术优势的生物质粉料燃烧器。

生物质粉料燃烧器，主要包括由外到内顺序套装且共中心轴线的空气腔1、调节筒2和点火筒3，调节筒2和空气腔1之间的空间为空气通道，调节筒2和点火筒3之间的空间为燃料通道，调节筒2可上下移动，调节筒2下移到最底位置时完全切断空气供应，点火筒3底部为呈圆锥台状的钝体31，空气腔1的底侧壁面11为倒置式圆锥台侧壁面，空气腔1的底侧壁面11延长相交于空气腔1中心轴线上同一点，调节筒2的底侧壁面21和空气腔1的底侧壁面11平行，调节筒2内壁面直径为钝体31底圆面直径的1.5倍，调节筒2的底侧壁面21向下延伸的倒圆锥侧面包含点火筒3的钝体31底圆面边缘线。

粉状生物质燃料，粉状可燃性污泥，和粉状低热值煤燃烧装置均可使用发明。

燃烧器制造和运行成本低，结构简单，调控方便；炉况稳定，燃烧器正下方无“生料堆”出现，炉况良好，炉内衬安全可靠，故障率低；燃烧器生产潜力大，生产效率高，燃烧能力大；燃烧器运行节能环保，燃烬率＞99％，尾气一氧化碳含量＜0.1％。，经济性好。

附图说明

图1为生物质粉料燃烧器结构垂直剖视图，图2为中央扩散式精矿喷嘴结构垂直剖视图，图3为低热值固体燃料弥散气化器结构垂直剖视图。

具体实施方式

下面结合附图对发明作进一步的说明。

如附图1所示，生物质粉料燃烧器，包括空气腔1、调节筒2和点火筒3。空气腔1、调节筒2和点火筒3由外到内顺序套装在一起，并且三者中心轴线重合。空气腔1的底侧壁面11为倒置式圆锥台侧壁面，空气腔1的底侧壁面11延长相交于空气腔1中心轴线上同一点。点火筒3位于调节筒2内，调节筒2位于空气腔1内，调节筒2管壁有一定厚度，调节筒2的底侧壁面21和空气腔1的底侧壁面11平行，调节筒2和空气腔1之间的空间为空气通道。空气流线呈“V”字状相交于炉内空气腔1中心轴线。调节筒2包括底部中空倒置式圆锥台和立式圆柱筒，圆柱筒内径和中空圆锥台顶面内径相等，圆柱筒外径和中空圆锥台顶面外径相等，圆柱筒底圆面和中空圆锥台顶面焊接连接成一体，圆柱筒和中空圆锥台中心轴线重合。调节筒2的底侧壁面21为倒置式圆锥台侧壁面，且与空气腔1的底侧壁面11平行。调节筒2可上下移动，以调节空气速度，调节筒2下移到最底位置时完全切断空气供应。点火筒3位于调节筒2内。点火筒3底部为呈圆锥台状的钝体31，点火器沿点火筒3中心轴线穿过点火筒3伸出钝体31底圆面以外。调节筒2和点火筒3之间的空间为燃料通道。调节筒2内壁面直径为点火筒3的钝体31底圆面直径的1.5倍。点火筒3随调节筒2上下移动，且调节筒2的底侧壁面21向下延伸的倒圆锥侧面始终包含点火筒3的钝体31底圆面边缘线。点火筒3的钝体31侧壁面轮廓线为斜向下直线或斜向下分段多项式函数曲线。

空气为助燃氧化剂，可以为常温或预热高温普通空气、富氧空气甚至纯氧空气。燃料可以是生物质粉料，可燃性污泥粉料或低热值煤粉等。

燃烧器为悬挂式燃烧器，垂直安装于炉膛顶面4，燃烧器中心轴线和炉膛中心轴线重合。调节筒2内壁面直径为点火筒3的钝体31底圆面直径的1.5倍，点火筒3可以在调节筒2内无阻力地垂直上下移动。停炉维修时，可以先从点火筒3里往上抽出点火器，然后往上移出点火筒3，最后往上移出调节筒2。

发明工作过程描述如下：

正常工作时，燃料粉料从燃料通道垂直自由落下。在燃料通道水平截面上粉状燃料沿圆周方向均匀分布，无局部、径向和周向不均匀分布现象发生。空气从空气流通道以不超过100m/s的速度呈“V”字状向下喷入。

调节筒2内壁面附近区域的燃料粉料离开调节器2后直接垂直下落至斜向中心喷入的空气气流上，点火筒3外壁面附近区域的燃料粉料垂直下落至点火筒3的钝体31侧壁面上，在钝体31作用下沿周向均匀分布至斜向中心喷入的空气气流中。接着气粒混合气流聚集于钝体31正下方空气腔1中心轴线某一点，经点火后沿塔中心区域向下流动，到流过钝体31正下方垂直行程时所有燃烧反应全部完成。

在钝体31侧壁面上方区域里燃料粉料和空气气流发生第一次气粒混合，形成气粒混合物，接着混入空气的燃料粉料随空气流动聚集于钝体31正下方空气腔1中心轴线某一点，发生第二次气粒混合。钝体31侧壁面上方区域里第一次气粒混合为预混，钝体31底圆面正下方倒三角形区域里为第二次气粒混合。气粒混合作用和燃料处置量正相关，即燃料处置量越大，空气流量越大，第二次气粒紊流对撞混合作用越强。钝体31底圆正下方“V”字形空气聚焦和点火设计，将气粒混合位置和反应起始位置稳定地固定在钝体31正下方附近区域，既保证了燃烧反应的稳定性，又保证了燃烧反应完全所需的高温燃烧产物沿炉膛高度方向垂直行程条件。气粒两相集中于塔中心区域流动设计，可以保证燃料粉料、氧分子和燃烧放热高度集中，实现了快速燃烧反应所需的动力学条件，最终提高氧气利用效率、降低灰渣含碳量和烟气一氧化碳含量。在第二次气粒混合中，气粒两相之间剧烈碰撞和紊流作用使得气粒两相集中于塔中心区域向下流动，减少了高温灰渣和炉内壁面接触机率，避免了灰渣对炉内壁面的高温冲刷，延长了炉内衬寿命。

整个炉膛只安装一个喷嘴，炉膛内腔直径小但高度高，炉膛空间利用率高。

发明结构特征、技术特征及带来的技术效果详细描述如下：

发明具有“空气通道中心线延长相交于空气腔1中心轴线”的结构特征：附图1空气腔1的底侧壁面11与调节筒2的底侧壁面21之间的空间为空气通道，空气通道中心线延长相交于空气腔1中心轴线。这一结构特征带来的2个技术特征是：一是气粒混合物聚集于空气腔1中心轴线，借助对撞和紊流分散作用形成第二次气粒混合，有效地强化气粒混合过程。钝体31正下方倒三角形区域为高浓度燃料粉料和氧分子均匀混合区域。附图2冷却水套5和分散锥61切断工艺风聚集过程，特别是冷却水套5强化了工艺风的垂直向下流动作用力以致于形成环状工艺风射流。附图3钝体9切断气粒混合物的第二次聚集。二是使得气粒混合物高度集中于点火筒3的钝体31正下方区域流动，确保了快速燃烧反应所需的动力学条件(燃料粉料、氧分子和燃烧放热高度集中)。附图2在分散风动量大时精矿粉均匀分布于反应塔内，附图3燃料粉料均匀分布于炉内。这一结构特征和二个技术特征导致的二个技术效果是：一是简化了燃烧器结构，提高了燃烧器加工运行经济性。低温气粒混合物包围钝体31，将钝体31和炉内高温燃烧气流隔开，有效冷却保护钝体31。省去了附图2冷却水套5，简化了燃烧器结构。避免了附图3钝体9正下方区域存在的高温回流区，高温灰渣粘附于钝体9底圆面而烧损钝体和缩短使用寿命问题，可省去附图3钝体9底圆面下方的冷却水盘结构设计。省去了附图2大静压分散风供应，节约了分散风生产成本。二是确保了燃烧器节能环保性能。附图1氧分子、燃料粉料和反应放热高度集中，加快了燃烧反应速度，强化了燃烧过程。相对于附图1而言，附图2和附图3因氧分子、精矿粉或燃料粉料和燃烧放热均匀分布而使得燃烧反应强化程度降低，进而影响到燃烧过程的经济性和排放指标。

发明具有“调节筒2内壁面直径是点火筒3的钝体31底圆面直径的1.5倍，调节筒2的底侧壁面21向下延伸的倒圆锥侧面包含点火筒3的钝体31底圆面边缘线”的结构特征：附图1调节筒2内壁面直径是钝体31底圆面直径的1.5倍，钝体31随调节筒2上下移动，但调节筒2的底侧壁面21向下延伸的倒圆锥侧面始终包含钝体31底圆面边缘线。这一结构带来的技术特征是从燃料通道下来的燃料粉料和空气通道喷入的空气呈“V”字形第一次混合，第一次混合为预混，混合后的气粒混合物经靠近钝体31底圆边缘的空气通道进入钝体31正下方倒三角区域，进行“V”字形第二次混合。这一结构带来的技术效果：钝体31可以无阻力地移出调节筒2。钝体小燃料通道内腔大，即使实际运用中出现了钝体31高温变形也不致于因钝体31卡死而导致无法组织日常维修。附图3钝体9大燃料通道内腔小，日常维修工作困难。

发明具有“气粒预混合+气粒混合物紊流聚集碰撞混合分散”技术特征。上述两个结构特征导致了发明的另一个技术特征，即气粒预混合+气粒混合物紊流聚集碰撞混合分散。发明在钝体31侧壁面上方区域设计了第一次气粒混合，在钝体31正下方倒三角区域设计了第二次气粒混合，强化了气粒混合过程。这一技术特征形成了4个技术效果：一是依靠气流紊流形成的随机混合作用满足了发明大燃料处置量工业使用的需要，这种混合方式，燃料处置量大，空气流量大，紊流对撞混合作用强。二是气粒混合位置和燃烧反应起始位置始终稳定地固定在钝体31正下方附近区域，固定了炉内燃烧产物沿炉膛高度方向垂直行程条件，避免了附图2喷嘴在大投料量条件下气粒混合变差和反应起始位置下移问题。附图2喷嘴不适合于大燃烧能力生物质粉料燃烧使用。附图2喷嘴加大投料量时，垂直向下环状工艺风射流动量加大，由于分散风射流动量小且快速衰减，精矿粉进入工艺风射流难度加大，难以解决“塔中心料柱+外围工艺风风幕”等气粒混合不均匀问题，加上气粒混合位置下移，致使颗粒沿反应塔高度向下流动到塔底时反应仍未完成，易出现“生料堆”等炉况不稳定问题。更为重要的是大投料量时要求的大流量大静压分散风射流因经济性和压缩机能力限制而在冶炼现场无法实现。三是实现了“燃料、氧分子、高温”三集中，加快了燃烧过程速度，提高了发明工业应用节能环保效益。四是去掉附图2和附图3对反应塔内腔或炉膛内腔大直径要求，降低了灰渣对炉内壁面的高温冲刷机率。附图2只有分散风和工艺风垂直相交时的一次混合作用，附图3只有钝体9侧壁面上方一次气粒混合作用。

粉状生物质燃料、粉状可燃性污泥和粉状低热值煤燃烧装置均可使用本发明。

工业试验表明：发明制造和运行成本低，结构简单，调控方便；炉况稳定，燃烧器正下方无“生料堆”出现，炉况良好，炉内衬安全可靠，故障率低；燃烧器生产潜力大，生产效率高，燃烧能力大；燃烬率＞99％，尾气一氧化碳含量＜0.1％。

Claims

1.生物质粉料燃烧器，主要包括由外到内顺序套装且共中心轴线的空气腔(1)、调节筒(2)和点火筒(3)，调节筒(2)和空气腔(1)之间的空间为空气通道，调节筒(2)和点火筒(3)之间的空间为燃料通道，调节筒(2)可上下移动，调节筒(2)下移到最底位置时完全切断空气供应，点火筒(3)底部为呈圆锥台状的钝体(31)，其主要特征在于：空气腔(1)的底侧壁面(11)为倒置式圆锥台侧壁面，空气腔(1)的底侧壁面(11)延长相交于空气腔(1)中心轴线上同一点，调节筒(2)的底侧壁面(21)和空气腔(1)的底侧壁面(11)平行，调节筒(2)内壁面直径为钝体(31)底圆面直径的1.5倍，调节筒(2)的底侧壁面(21)向下延伸的倒圆锥侧面包含点火筒(3)的钝体(31)底圆面边缘线。