一種固體燃料分級燃燒裝置及其分級燃燒方法與流程
2023-07-02 11:27:41 2
本發明涉及一種裝置及其燃燒方法，特別是涉及一種固體燃料分級燃燒裝置及其分級燃燒方法。
背景技術：
固體燃料燃燒排放是大氣汙染物的重要來源之一，直接影響到區域大氣環境以及居民的人體健康，目前典型案例就是南亞棕色雲以及我國嚴重灰霾汙染。據世界衛生組織最新統計，當前全球仍有約30億人口無法獲得清潔能源，仍然使用煤、秸稈、薪柴等固體燃料用於烹飪和取暖，絕大多數都在中低收入國家，從而造成全球4.30萬人過早死亡。
固體燃料的燃燒，明顯不同於清潔能源使用。其燃燒不僅包含固態組分的燃燒，還存在燃料中揮發組分的燃燒。廣泛的三石式燃燒以及底部供風上部直燃式正燒均不能夠保證固態組分以及氣態組分的完全燃燒，突出表現在新燃料添加後快速冷卻導致燃燒中斷，從而大量有毒有害大氣汙染物被持續排放，表現為濃煙直冒的現象。
最近研究的解耦燃燒裝置以及共燃燃燒裝置，對常規燃燒裝置和技術進行了一定的改良，較好的解決了固體燃料燃燒效率低和過程不穩定的問題，在一定程度上提高了固體燃料中固態組分的燃燒效率，但是當對於揮發分的燃燒問題，僅適用於揮發分較低的固體燃料，對於揮發分相對較高的燃料則仍然存在燃燒不充分的問題。固體燃料的固態組分和揮發（可氣態）組分的比例存在著極大的差異性，其中揮發分佔到4%~90%範圍之間。揮發分的不完全燃燒，直接就會產生大量煤焦油、多環芳烴以及碳黑等有害物質，對大氣環境和人體健康造成嚴重影響。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種固體燃料分級燃燒裝置及其分級燃燒方法，本發明根據固體燃料燃燒包括固態組分和氣態組分兩類燃燒特點，結合固態燃燒以及氣體燃燒特性，設計了固體燃料分級處理燃燒方法，在燃燒裝置內實現功能區清晰分化以及科學燃燒原理，分級實現了固體燃料中固態組分和氣態組分的完全燃燒，真正意義上的實現了節能減排的效果。
本發明的目的是通過以下技術方案實現的：
一種固體燃料分級燃燒裝置，所述裝置包括包括燃料倉及固態燃燒部分、氣態燃燒部分、分級供風部分和多組爐排部分；燃料倉及固態燃燒部分自上而下包括進料口、新添燃料層、乾燥熱解層和固態燃燒層；氣態燃燒部分位於所述燃料倉及固態燃燒部分一側，其自下而上包括吸氣收縮段、混合裂解段和擴壓段；分級供風部分包括底部的一級供風以及與氣態燃燒部分相連的二級供風和三級供風；多組爐排包括位於固態燃燒層底部和一級供風頂部的斜體爐排和水平爐排以及位於氣體燃燒部分的底部與水平爐排相同高度的固定爐排。
所述的一種固體燃料分級燃燒裝置，所述燃料倉及固態燃燒部分中固態燃燒層側方與吸氣收縮段直接連接，其厚度與吸氣收縮段高度相當；乾燥熱解層緊接固態燃燒層上部，其厚度與固態燃燒層厚度相當；新添燃料層位於乾燥熱解層上部，其厚度無要求，只需到達進料口；進料口位於新添燃料層上部，位置不僅限於正上，也可側方或斜口，只需滿足加料至燃料倉。
所述的一種固體燃料分級燃燒裝置，所述氣體燃燒部分為文丘裡燃燒器，混合裂解段為圓筒混合管，其直徑與長度相當，長度不小於10cm；吸氣收縮段位於混合裂解段下面，且緊鄰固態燃燒層側方，其寬度必須大於混合管直徑，高度不低於混合管長度的0.6倍，也不會高於混合管長度的1.5倍，其收縮口位於混合管下端，周圍安裝有二級供風出風口；擴壓段位於混合裂解段上面，其寬度必須大於混合管直徑，高度不低於混合管長度，其擴壓口位於混合管上端，周圍安裝三級供風出風口，其上部與換熱設備連接。
所述的一種固體燃料分級燃燒裝置，所述分級供風部分中的各級供風部分彼此獨立，且均可單獨調節，且每級供風均被預熱後使用，從而實現不同固體燃料的清潔高效燃燒。其中一級供風，安裝在所述燃料倉及固態燃燒部分同側下面，包括進風口和進風通道（即第一清渣室）；二級供風安裝在固態燃燒層下部周圍，進風口位於爐體正面，通道繞過爐體正面及兩側後直接到達氣態燃燒部分，與混合管外圍的下進風通道相連；三級供風安裝在固態燃燒層中部周圍，緊鄰二次供風通道上側，進風口位於爐體正面，通道繞過爐體正面及兩側後直接到達氣態燃燒部分，與混合管外圍的上進風通道相連。
所述的一種固體燃料分級燃燒裝置，所述多組爐排部分，斜體爐排為雙層活動爐排，雙層之間距離不小於3cm，爐排面與爐體正面形成角度位於0~90度之間，爐排上層下端與水平爐排處於相同高度，且僅存在較小縫隙（一般不大於2cm）；水平爐排為雙層活動爐排，雙層之間距離不小於3cm，爐排一段與斜體爐排一端緊鄰，另一端與第一清渣室和第二清渣室之間隔斷牆緊鄰，兩端縫隙不大於2cm；固定爐排為單層固定爐排，安裝在第二清渣室上方，吸氣收縮段的下面，其跨度直接與爐體後壁和清渣室隔壁連接。
所述的一種固體燃料分級燃燒裝置，所述分級供風部分的各級供風部分均預熱後使用，其中一級供風進入第一清渣室會被初步加熱，隨後到達雙爐排中間層，進一步高溫加熱，最後到達固態燃燒層；二級供風進入二級供風通道後，其通道僅僅圍繞高溫的固態燃燒層，從而被輻射增溫，隨後到達文丘裡燃器的混合裂解段，進一步會被加熱，從而達到直接助燃的溫度；三級供風進入三級供風通道後，其通道僅僅圍繞高溫的固態燃燒層，從而被輻射增溫，隨後到達文丘裡燃器的混合裂解段，進一步會被加熱，從而達到直接助燃的高溫。
一種固體燃料分級燃燒方法，所述方法包括以下步驟：
1）新添燃料到達乾燥熱解層，固體燃料進行乾燥和去揮發分過程，實現固定碳與揮發分的分離，熱解出的揮發分物質多分子量較大的煤焦油和烴類等乾燥熱解層高溫下氣態物質，分離出的固定碳為固體燃料中在乾燥熱解層高溫下不易揮發的固態組分，也就是實現了固體燃料中兩大可燃組分的分離；
2）步驟1）分離出的固態可燃組分進入固態燃燒層後，在預熱後一次供風作用下進行富氧條件下的充分燃燒直至燃盡；
3）步驟1）分離出得氣態物質在負壓作用下經過高溫固態燃燒層，進行煤焦油等大分子物質初步裂解，其中小分子的烴類和氫氣等物質與一次風的過剩空氣混合燃燒，維持氣態燃料組分高溫以及火焰傳輸；
4）步驟3）產生的小分子物質以及未完全裂解的大分子物質在煙囪負壓作用下進入文丘裡燃燒器收縮段，與預熱後二次風進一步混合，隨後進入混合裂解段進行渦旋運動混合燃燒，實現煤焦油等大分子的充分裂解，小分子物質的進行燃燒維持了高溫火焰的延續；
5）步驟4）裂解後的可燃物質以及燃燒產物到達擴壓段，由於燃燒對氧氣的大量消耗，以及產生的大量二氧化碳將可燃氣體衝散成為多個碎小氣團，為保證這些小氣團中可燃氣體的充分燃燒，第三次預熱後的空氣必須給予補充，最終實現氣態組分的完全燃燒。
本發明的優點與效果是：
本發明在固體燃料燃燒過程中無法較好地同步解決燃料中固態組分和氣態組分的高效清潔燃燒問題，根據固體燃料燃燒特點，結合固態燃燒以及氣體燃燒特性，提供一種可以分級實現了固體燃料中固態組分和氣態組分的完全燃燒的固體燃料分級燃燒裝置與方法。
本發明的固體燃料分級燃燒裝置清晰的劃分了固體燃料燃燒的功能區，明顯的設置了固體燃料倉、乾燥熱解層、固態燃燒層及氣態文丘裡燃燒器等，保障燃料的持續供給，燃料乾燥熱解的平穩進行，固態組分的完全燃燒，以及氣態揮發組分的多級裂解和完全燃燒，從而實現了固體燃料平穩高效清潔燃燒。
本發明的固體燃料分級燃燒裝置和方法可以實現各類固體燃料的高效清潔燃燒，實現真正意義上的節能減排和使用安全，也可為全球目前仍然使用煤、秸稈、薪柴等固體燃料烹飪和取暖的30億人口提供高效清潔和使用安全的燃燒裝置和燃燒方法，改善區域大氣和人居環境，提升人體健康水平以及延長壽命。
附圖說明
圖1 為本發明的固體燃料分級燃燒裝置的結構示意圖；
圖2.為本發明的固體燃料分級燃燒裝置的前視結構圖；
圖3.為本發明的固體燃料分級燃燒裝置的文丘裡燃燒器結構示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖所示實施例對本發明進行詳細說明。
附圖標記為：1、燃料倉及固態燃燒部分，2、氣態燃燒部分，3、分級供風部分，4、多組爐排部分，5、清渣室，6、換熱設備，1.1、進料口，1.2、新添燃料層，1.3、乾燥熱解層，1.4、固態燃燒層，2.1、吸氣收縮段，2.2、混合裂解段，2.3、擴壓段，3.1、一級供風，3.2、二級供風，3.3、三級供風，4.1、斜體爐排，4.2、水平爐排，4.3、固定爐排，5.1、第一清渣室，5.2、第二清渣室。
需要說明的是：本發明的描述中，術語「中心」、「上」、「下」、「左」、「右」、「豎直」、「水平」、「內」、「外」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。此外，術語「第一」、「第二」、「第三」僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。除非另有明確的規定和限定，術語「安裝」、「相連」、「連接」應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對於本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。
圖1和圖2為本發明的固體燃料分級燃燒裝置的結構示意圖和正視結構圖，燃燒裝置主要包括燃料倉及固態燃燒部分1、氣態燃燒部分2、分級供風部分3和多組爐排部分4。其中燃料倉及固態燃燒部分1自上而下依次為進料口1.1、新添燃料層1.2、乾燥熱解層1.3和固態燃燒層1.4；所述氣態燃燒部分2位於所述燃料倉及固態燃燒部分1一側，其自下而上包括吸氣收縮段2.1、混合裂解段2.2和擴壓段2.3；所述多組爐排4包括位於固態燃燒層底部和一級供風頂部的斜體爐排4.1和水平爐排4.2以及位於氣體燃燒部分的底部與水平爐排4.2相同高度的固定爐排4.3；所述分級供風部分3包括底部的一級供風3.1以及與氣態燃燒部分2相連的二級供風3.2和三級供風3.3；
燃料倉及固態燃燒部分1中固態燃燒層1.4側方與吸氣收縮段2.1直接連接，其厚度與吸氣收縮段2.1高度相當；乾燥熱解層1.3緊接固態燃燒層1.4上部，其厚度與固態燃燒層1.4厚度相當；新添燃料層1.2位於乾燥熱解層1.3上部，其厚度無要求，只需到達進料口1.1；進料口位於新添燃料層上部，位置不僅限於正上，也可側方或斜口，只需滿足加料至燃料倉。
圖3.為本發明的固體燃料分級燃燒裝置的氣體燃燒部分2的文丘裡燃燒器結構示意圖，吸氣收縮段2.1與燃料倉及固態燃燒部分1中固態燃燒層1.4側方直接連接，混合裂解段2.2和擴壓段依次向上排開。其中混合裂解段2.2為圓筒混合管，其直徑與長度相當，長度不小於10cm；吸氣收縮段2.1位於混合裂解段2.2下面，且緊鄰固態燃燒層1.4側方，其寬度必須大於混合管2.2直徑，高度不低於混合管2.2長度的0.6倍，也不會高於混合管2.2長度的1.5倍，其收縮口位於混合管下端，周圍安裝有二級供風3.2出風口；擴壓段2.3位於混合裂解段2.2上面，其寬度必須大於混合管直徑，高度不低於混合管長度，其擴壓口位於混合管上端，周圍安裝三級供風3.3出風口。
根據圖1、圖2和圖3，所述分級供風部分3中的各級供風部分彼此獨立，且均可單獨調節，且每級供風均被預熱後使用，從而實現不同固體燃料的清潔高效燃燒。其中一級供風3.1，安裝在所述燃料倉及固態燃燒部分1同側下面，包括進風口和進風通道（即第一清渣室5.1）；二級供風3.2安裝在固態燃燒層1.4下部周圍，進風口位於爐體正面，通道繞過爐體正面及兩側後直接到達氣態燃燒部分2，與混合管2.2外圍的下進風通道相連；三級供風3.3安裝在固態燃燒層1.4中部周圍，緊鄰二次供風3.2通道上側，進風口位於爐體正面，通道繞過爐體正面及兩側後直接到達氣態燃燒部分，與混合管2.2外圍的上進風通道相連。
本發明的固體燃料分級燃燒裝置，多組爐排部分4，斜體爐排4.1為雙層活動爐排，雙層之間距離不小於3cm，爐排面與爐體正面形成角度位於0~90度之間，爐排4.1上層下端與水平爐排4.2處於相同高度，且僅存在較小縫隙（一般不大於2cm）；水平爐排4.2為雙層活動爐排，雙層之間距離不小於3cm，爐排一段與斜體爐排一端緊鄰，另一端與第一清渣室5.1和第二清渣室5.2之間隔斷牆緊鄰，兩端縫隙不大於2cm；固定爐排4.3為單層固定爐排，安裝在第二清渣室5.2上方，吸氣收縮段2.1的下面，其跨度直接與爐體後壁和清渣室隔壁連接。
本發明的固體燃料分級燃燒裝置，分級供風部分3的各級供風部分均預熱後使用，其中一級供風3.1進入第一清渣室5.1會被初步加熱，隨後到達雙爐排中間層，進一步高溫加熱，最後到達固態燃燒層1.4；二級供風3.2進入二級供風通道後，其通道僅僅圍繞高溫的固態燃燒層，從而被輻射增溫，隨後到達文丘裡燃器的混合裂解段，進一步會被加熱，從而達到直接助燃的溫度；三級供風3.3進入三級供風通道後，其通道僅僅圍繞高溫的固態燃燒層，從而被輻射增溫，隨後到達文丘裡燃器的混合裂解段，進一步會被加熱，從而達到直接助燃的高溫。
本發明基於固體燃料分級燃燒裝置的燃燒方法，包括以下步驟：
1）新添燃料到達乾燥熱解層，固體燃料進行乾燥和去揮發分過程，實現固定碳與揮發分的分離，熱解出的揮發分物質多分子量較大的煤焦油和烴類等乾燥熱解層高溫下氣態物質，分離出的固定碳為固體燃料中在乾燥熱解層高溫下不易揮發的固態組分，也就是實現了固體燃料中兩大可燃組分的分離；
2）步驟1）分離出的固態可燃組分進入固態燃燒層後，在一次供風從底部供風口進入，隨後在穿雙層爐排間後被快速預熱，到達固態燃燒層，使得固態組分實現富氧條件下的充分燃燒直至燃盡；從而最大限度降低了固態組分燃燒過程中CO的產生；
3）步驟1）分離出得氣態物質在負壓作用下經過高溫固態燃燒層，進行煤焦油等大分子物質初步裂解，其中小分子的烴類和氫氣等物質與一次風的過剩空氣混合燃燒，維持氣態燃料組分高溫以及火焰傳輸；
4）步驟3）產生的小分子物質以及未完全裂解的大分子物質在煙囪負壓作用下進入文丘裡燃燒器收縮段，與預熱後二次風進一步混合，隨後進入混合裂解段進行渦旋運動混合燃燒，實現煤焦油等大分子的充分裂解，小分子物質的進行燃燒維持了高溫火焰的延續；
5）步驟4）裂解後的可燃物質以及燃燒產物到達擴壓段，由於燃燒對氧氣的大量消耗，以及產生的大量二氧化碳會將可燃氣體衝散成為多個小氣團，為保證這些可燃氣體的充分燃燒，第三次預熱後的空氣必須適當的給予補充，最終實現氣態組分的完全燃燒；從而真正實現了固體燃料中揮發分組分的高效清潔燃燒，實現汙染物的極大減排。
最後應說明的是：以上各實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；儘管參照前述各實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特徵進行等同替換；而這些修改或者替換，並不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的範圍。