基于一次风通孔改造的生物质炉排炉高效低氮燃烧系统

技术领域

本发明属于生物质燃烧技术领域，具体涉及基于一次风通孔改造的生物质炉排炉高效低氮燃烧系统。

背景技术

作为唯一可直接转换为燃料的可再生能源，直燃技术是生物质燃料现阶段大规模应用的主要方式，而炉排炉燃烧因其具有良好的燃料灵活性，所以成为生物质直燃最主要的锅炉燃烧形式。

不过，由于生物质燃料种类受季节和地域的影响波动较大，加上锅炉运行系统复杂，造成现有的布风布料参数下燃烧难以达到预期效果。另外，对于现有的燃烧系统而言，其操作通常是通过操作人员的手工操作来完成，而操作人员在调整配风参数时，存在一定程度的盲目性和滞后性，常出现锅炉燃烧效率低和出口污染物排放严重超标现象，影响整个燃烧系统的高效运行，限制了生物质燃料的应用与推广。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求中的一种或者多种，本发明提供了基于一次风通孔改造的生物质炉排炉高效低氮燃烧系统，能够有效改善生物质燃料在炉排炉中的燃烧质量，提升生物质燃料燃烧的效率，降低生物质燃料燃烧过程中产生的NOx污染物。

为实现上述目的，本发明提供一种基于一次风通孔改造的生物质炉排炉高效低氮燃烧系统，包括用于生物质燃料燃烧的第一炉仓，该第一炉仓的底部设置有振动炉排，并在第一炉仓的仓体上对应该振动炉排设置有进料组件、一次风供风组件和二次风供风组件；

所述进料组件设置在所述二次风供风组件与所述振动炉排之间，用于向振动炉排上供给生物质燃料；所述一次风供风组件设置在第一炉仓的底部，用于通过所述振动炉排向承载于该振动炉排上的生物质燃料的底部供风；所述二次风供风组件设置在所述振动炉排的上方，用于向所述生物质燃料的顶部供风；

所述振动炉排包括在宽度方向上依次设置的多个炉排单元，所述多个炉排单元包括分设于宽度方向两侧的两个侧向炉排单元和设置于两侧向炉排单元之间的中部炉排单元；

各所述炉排单元自靠近进料组件一端向另一端依次分为第一燃烧区段、第二燃烧区段和第三燃烧区段，各燃烧区段内分别开设有多个一次风通孔；且

在同一个燃烧区段中，所述中部炉排单元的一次风通孔的尺寸大于侧向炉排单元的一次风通孔尺寸；以及

在同一个炉排单元中，位于第二燃烧区段、第一燃烧区段、第三燃烧区段中的一次风通孔尺寸依次减少。

作为本发明的进一步改进，所述进料组件中包括多个进料口，所述进料口与所述炉排单元一一对应设置；且

对应所述侧向炉排单元的进料口尺寸小于对应于所述中部炉排单元的进料口尺寸；和/或，对应所述侧向炉排单元的进料口中的送料速率小于对应于所述中部炉排单元的进料口中的送料速率。

作为本发明的进一步改进，所述中部炉排单元为并排设置的两个。

作为本发明的进一步改进，各侧向炉排单元中位于同一燃烧区段中的一次风通孔的尺寸相等；

各中部炉排单元位于同一燃烧区段内的一次风通孔尺寸相等。

作为本发明的进一步改进，对于同一个炉排单元而言，位于第二燃烧区段中的一次风通孔的尺寸等于第一燃烧区段中的一次风通孔尺寸的1.3～1.8倍；位于第一燃烧区段中的一次风通孔的尺寸等于第三燃烧区段中一次风通孔尺寸的1.2～1.8倍。

作为本发明的进一步改进，对于同一个燃烧区段而言，位于中部炉排单元的一次风通孔的尺寸优选为位于侧向炉排单元的一次风通孔的1.2～1.5倍。

作为本发明的进一步改进，所述第一炉仓的中部设置有炉拱，其包括以端部连接并分别呈喇叭状的第一炉拱和第二炉拱；

第一炉拱的开口朝下，并以炉壁朝向振动炉排，且所述二次风供风组件设置在第一炉拱上；所述第二炉拱的开口朝上。

作为本发明的进一步改进，所述第一炉拱内壁面与第一炉拱底部的水平截面的夹角为30°～60°；

和/或，

第二炉拱的内壁面与两炉拱连接处横截面所成的夹角为100°～120°。

作为本发明的进一步改进，各所述炉排单元与水平面之间的夹角为4°～10°，并在振动炉排背离所述进料组件一端的第一炉仓底部设置有灰渣出口。

作为本发明的进一步改进，还包括第二炉仓；

所述第二炉仓中沿烟气传输路径依次设置有多个换热器；且所述第一炉仓的顶部设置有至少一个换热器。

上述改进技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有的有益效果包括：

(1)本发明的基于一次风通孔改造的生物质炉排炉高效低氮燃烧系统，其包括振动炉排，通过在宽度方向上将炉排单元分为侧向炉排单元和中部炉排单元，并在长度方向上将炉排单元的燃烧区段分隔为三个燃烧区段，进而对宽度方向上和长度方向上的一次风通孔的尺寸进行优选设计，充分结合生物质燃料在炉排炉中的燃烧特性，有效保证振动炉排各部位生物质燃料的充分燃烧，避免局部富氧区域的出现，提升生物质燃料的燃尽率，充分利用生物质燃料的热量。

(2)本发明的基于一次风通孔改造的生物质炉排炉高效低氮燃烧系统，其通过在第一炉仓的中部设置炉拱，利用第一炉拱和第二炉拱的组合设置，形成中部收束的结构，一方面可以提升生物质燃料进料后的热辐射，提升生物质燃料在第一燃烧区段内的烘干效率；而第二炉拱的形成，也有利于避免第一炉仓顶部的燃气涡流的形成，提升烟气输送的效率和可靠性，进而充分利用生物质燃料的热量。

(3)本发明的基于一次风通孔改造的生物质炉排炉高效低氮燃烧系统，其通过对不同炉排单元、不同燃烧区段内一次风通孔尺寸的优选，配合进料组件中多个进料口的依次设置，以及不同进料口中进料量的控制，实现不同区域的非均匀送料，进一步结合振动炉排各炉排单元燃烧时的实际情况，提升生物质燃料的燃烧效果。

(4)本发明的基于一次风通孔改造的生物质炉排炉高效低氮燃烧系统，其通过对第二炉仓、第三炉仓中烟气输送通道的设置，配合各炉仓中换热器的对应设置，可以充分利用燃烧烟气中的热量，避免热量的流失，提升热量的利用效果。

(5)本发明基于一次风通孔改造的生物质炉排炉高效低氮燃烧系统，其结构简单，控制便捷，通过对振动炉排长度方向、宽度方向上一次风通孔尺寸的优选设计，配合进料组件中不同区域进料口尺寸和/或进料速率的优选，可以实现生物质燃料在炉排炉中的高效低氮燃烧，提升燃烧的效率，降低氮氧化物的产生，充分利用生物质燃料的热量，减少化石能源的应用，节能环保，具有较好的实用价值和应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例中基于一次风通孔改造的生物质炉排炉高效低氮燃烧系统的整体结构示意图；

图2是本发明实施例中基于一次风通孔改造的生物质炉排炉高效低氮燃烧系统的振动炉排结构示意图；

在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：

1、一次风供风组件；2、振动炉排；3、进料组件；4、二次风供风组件；5、燃尽风供风组件；6、第一换热器；7、第二换热器；8、第四换热器；9、第三换热器；10、省煤器；11、烟冷器；12、烟气出口；13、灰渣出口；14、一次风通孔；15、第一炉排单元；16、第二炉排单元；17、第三炉排单元；18、第四炉排单元；19、第一燃烧区段；20、第二燃烧区段；21、第三燃烧区段。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

实施例：

请参阅图1～图2，本发明优选实施例中的基于一次风通孔改造的生物质炉排炉高效低氮燃烧系统包括毗邻设置的第一炉仓和第二炉仓，并对应第二炉仓设置有第三炉仓，且在第三炉仓的底部连通设置有烟气出口12。

具体地，优选实施例中的第一炉仓用于生物质燃料的进料和燃烧，其仓体的底部设置有振动炉排2，并对应振动炉排2设置有一次风供风组件1、进料组件3和二次风供风组件4。其中，一次风供风组件1设置在振动炉排2的底部，用于向振动炉排2上的生物质物料供给一次燃烧风；进料组件3设置在振动炉排2上方的仓壁上，用于向振动炉排2运送生物质燃料，使得生物质燃料以一定的厚度铺设在振动炉排2上，进而完成燃烧供热的过程；二次风供风组件4设置在进料组件3的上方，用于向振动炉排2承载的物料顶部输送二次燃烧风。

同时，优选实施例中的第一炉仓进一步具体为水冷振动式炉仓，该第一炉仓内的底部设置有振动炉排2，该振动炉排2的一端通过振动机构连接在第一炉仓的仓壁上，并可通过振动机构的带动各炉排单元进行振动，以此完成生物质物料在振动炉排2上的连续进料。

更详细地，优选实施例中的第一炉仓外周缠绕包覆设置有水冷管，其中通入设置有换热基质，在优选实施例中，上述换热基质为水。通过在第一炉仓中燃烧生物质燃料，可以产生热量，而产生的热量由换热基质吸收，导致冷态的换热基质蒸发为气态，由气态基质完成相应的作用过程并在放热后冷凝循环回水冷管中。

进一步地，优选实施例中的振动炉排2设置在第一炉仓内的底部，其包括在第一方向(即振动炉排2的宽度方向)上依次设置的多个炉排单元，优选实施例中为四个。同时，各炉排单元分别沿第二方向(即振动炉排2的长度方向)延伸，该第二方向与水平方向互呈一定的夹角，即振动炉排2以一定倾角倾斜设置，两者之间的夹角优选为4°～10°，并自该炉排单元靠近进料组件3的一端向背离进料组件3的一端延伸，即如图1所示的倾斜设置。

相应地，对应振动炉排2背离进料组件3的一端设置有灰渣出口13，用于生物质燃料完成燃烧后形成的灰渣可从振动炉排2上振落到灰渣出口13，进而完成灰渣的下料。

不难看出，在实际设置时，振动炉排2设置在一次风供风组件1与二次风供风组件4之间，分别用于振动炉排2上层积物料的承载，而一次风供风组件1和二次风供风组件4分别向层积物料(生物质燃料)的上下两侧提供燃烧所需的氧气。

进一步具体地，第一炉仓的中部设置有炉拱，其包括以端部相连的第一炉拱和第二炉拱，两炉拱分别呈喇叭形结构，并以内径最小的开口处彼此连通，使得第一炉仓的中部形成“收束状”的形式。

更详细地，第一炉拱的内壁面朝向振动炉排2，即喇叭口的朝向为朝下设置；相应地，第二炉拱的内壁面朝向第一炉仓的顶部，即喇叭口朝上设置。优选地，第一炉拱的内壁面与水平面(第一炉拱底部的水平截面)的夹角优选为30°～60°，进一步优选为45°；第二炉拱的内壁面与两炉拱连接处横截面所成的夹角为100°～120°。

如图1中所示，优选实施例中的进料组件3设置在第一炉拱的下方，其包括设置在第一炉仓炉壁上的多个进料口，优选实施例中进料口的数量与炉排单元的设置数量相同。例如，在优选实施例中，炉排单元的设置数量为4个，相应地，进料口的设置数量也为4个，两者的数量一一对应设置。

同时，进料组件3设置在第一炉拱的下方，使得经由各进料口进入第一炉仓内的物料可由第一炉拱的内壁面以热辐射的方式进行干燥，使得生物质燃料中的水气快速蒸发，为后续燃烧效率的提升提供助力。此外，通过第二炉拱的设置，使得通过两炉拱的热气可经过“先压缩、后扩散”的“喷射作用”，以此避免烟气在第一炉仓顶部形成涡流，从而避免烟气在第一炉仓顶部的盘踞，进而快速经由第一炉仓与第二炉仓交界处的烟气通道进入第二炉仓中。

此外，为了实现第二炉拱上方烟气中燃料(一部分是可燃气体如CO，H

相应地，在第一炉仓内的顶部设置有第一换热器6，其中循环通入有换热基质，优选实施例中进一步优选为水。同时，第二炉仓内在烟气的流通路径上依次设置有第二换热器7、第三换热器9、第四换热器8，各换热器中分别通入有换热基质，其进一步优选为水。

为了便于第二炉仓内各换热其的依次设置，优选实施例中的第二炉仓中设置有自顶部向下延伸的隔板，该隔板的顶部连接第二炉仓的顶部，底部与第二炉仓的底部间隔一定距离，如此，可在第二炉仓中形成“U字型”的流通路径，并方便烟气中灰渣的沉降排出。

更详细地，第二换热器7沿竖向延伸设置，其设置在第二炉仓烟气通路的前端，即第二炉仓与第一炉仓连通的一侧，通过第二换热器7的竖向设置，可以有效提升其与烟气的接触时间和接触面积，提升换热效果。相应地，第三换热器9优选为竖向间隔设置的多个，并与第四换热器8在竖向上间隔设置；同时，第三换热器9与第二换热器7分设于隔板的两侧，如此设置，可以使得进入第二炉仓的烟气可与各换热器依次接触并完成热交换过程。

进一步地，在第二炉仓的底部设置有灰渣出口13，使得第二炉仓内的灰渣可在自重作用下沉积到第二炉仓的底部，并由灰渣出口13排出。

如图1中所示，在第二炉仓的一侧还设置有第三炉仓，其一端与第二炉仓设置有第四换热器8的一侧连通，另一端与烟气出口12连通，通过在第三炉仓中间隔设置的省煤器10和烟冷器11，可以充分吸收烟气中的热量，提升生物质燃烧热量的利用效率。

为了更好地提升生物质燃料的燃尽率，并进一步抑制炉内NOx的生成，优选实施例中进一步对进料组件3的布料形式以及振动炉排2的结构进行了设计。

具体地，优选实施例中的振动炉排2包括沿宽度方向依次设置的多个炉排单元，其中，位于最两侧的侧向炉排单元分别与水冷壁侧墙连接，其燃烧释放的热量会被水冷壁带走，故而该区域的燃烧条件较为恶劣。相比之下，位于两侧向炉排单元之间的若干中部炉排单元所处的燃烧条件就相对较好。如此，在实际设置时，优选将位于宽度方向两侧的进料口记为侧向进料口，两侧向进料口之间的若干进料口为中部进料口，而中部进料口的进料截面积尺寸大于两侧向进料口进料截面积。

通过进料口的上述设置，可以使得振动炉排2宽度方向两端燃烧条件恶劣的区域可以少布料，而振动炉排2宽度方向中部燃烧条件较好的区域可以多布料。在总的进料量不变的情况下，通过非均匀布料的方式，可以有效改善振动炉排2上生物质燃料的燃烧效率，提升各区域的燃尽率。

可以理解，前述方案中通过改变进料口的截面尺寸的方式实现物料进料量的控制，而在实际设置时，各进料口的截面尺寸也可以保持相同，通过控制各进料口的进料速率来实现不同区域进料量的控制，在此不做赘述。

进一步地，除了在宽度方向上的燃烧条件不同外，在实际工作时，振动炉排2的长度方向上也存在明显的区域差异。如图2中所示，自靠近进料口的一侧，振动炉排2沿长度方向的进料区段可以分为第一燃烧区段19、第二燃烧区段20、第三燃烧区段21，三个区段主要对应于生物质燃料的干燥段、热解和焦炭氧化段、灰分燃尽段，三个阶段对于氧气的需求也有所不同，因此，优选实施例中对各炉排单元对应于各区段处的一次风通孔14尺寸进行了进一步设计。

具体地，第二燃烧区段20的一次风通孔尺寸最大，第三燃烧区段21的一次风通孔尺寸最小，第一燃烧区段19中的一次风通孔尺寸介于两者之间。

以图2所示的优选实施例为例进行介绍，其中，振动炉排2包括4个炉排单元，即第一炉排单元15、第二炉排单元16、第三炉排单元17和第四炉排单元18。其中，以第一炉排单元15为例，其对应于三个区段的一次风通孔内径分别为Φ

在具体设计时，不同侧向炉排单元位于同一区段内的一次风通孔尺寸优选相同，即第一炉排单元15位于第一燃烧区段19中的一次风通孔与第四炉排单元18位于该区段内的一次风通孔尺寸相同，其他区域同理，在此不做赘述。

另外，根据前述分析可知，在同一燃烧区段，中部炉排单元的燃烧条件优于侧向炉排单元的燃烧条件。因此，在优选实施例中，位于同一燃烧区段内的中部炉排单元的一次风通孔的尺寸大于侧向炉排单元的一次风通孔的尺寸，即图2中，Φ

通过对各炉排单元各部位一次风通孔的优选设计，可以实现氧气的按需分配，配合进料组件3上进料量的控制，可以实现燃料的按需分配，进而充分保证各炉排单元处燃料的充分燃尽，避免了局部富氧区，从而有效抑制炉内NOx的生成。

进一步优选地，对于同一个炉排单元而言，位于第二燃烧区段20中的一次风通孔的尺寸等于第一燃烧区段19中的一次风通孔尺寸的1.3～1.8倍，进一步优选为1.5倍；位于第一燃烧区段19中的一次风通孔的尺寸等于第三燃烧区段21中一次风通孔尺寸的1.2～1.8倍。

相应地，对于同一个燃烧区段而言，位于中部炉排单元的一次风通孔的尺寸优选为位于侧向炉排单元的一次风通孔的1.2～1.5倍。

如下，通过一个具体实施例对优选实施例中的方案进行补充介绍。

在该实施例中，水冷振动式炉排炉的额定蒸发量为130t/h，额定蒸汽压力和温度分别为9.2MPa和540℃。采用膜式水冷壁，炉底布置水冷振动炉排(4片，倾角为5°)，中间两部分同时振动，而两侧部分振动方向与中间部分呈180°以保持平衡。采用前墙螺旋式给料方式，通过四个独立的进料口，分别将物料送入四条水冷振动炉排，在炉排上形成堆积床层，经历一系列物理化学变化，主要为干燥段、热解和焦炭氧化段、灰分燃尽段，最后灰渣通过排渣口排出。一次风布置在炉排下部，预热至190℃后由三个风室送入炉膛，为生物质燃烧提供氧量。

通过四个独立的进料口，分别给四个水冷振动炉排单元供给不同质量比的物料。通过调整侧向炉排单元和中部炉排单元从各自进料口的进料量，保证锅炉总的进料量(24.96t/h)一致。四个炉排单元对应的给料量分别为3.75t/h，8.73t/h，8.73t/h和3.75t/h，这样在不增加任何改造成本的条件下，实现了物料沿炉膛宽度方向的合理分布，显著提高锅炉的燃烧效率。

同时，对应于侧向炉排单元和中部炉排单元而言，如图2中所示，其一次风孔径对应关系为Φ

本发明中基于一次风通孔改造的生物质炉排炉高效低氮燃烧系统，其结构简单，控制便捷，通过对振动炉排长度方向、宽度方向上一次风通孔尺寸的优选设计，配合进料组件中不同区域进料口尺寸和/或进料速率的优选，可以实现生物质燃料在炉排炉中的高效低氮燃烧，提升燃烧的效率，降低氮氧化物的产生，充分利用生物质燃料的热量，减少化石能源的应用，节能环保，具有较好的实用价值和应用前景。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。