[发明专利]基于绝热燃烧条件的生物质微米燃料高温清洁燃烧方法

说明书

技术领域

本发明属于可再生清洁能源技术领域，更具体地，涉及一种基于绝热燃烧条件的生物质微米燃料的使用和高温清洁燃烧方法。

背景技术

随着石化能源的日益枯竭和环境问题的日益严重，开发洁净可再生能源、废物和资源化处理已经成为紧迫的研究领域。生物质燃料是指将农林废弃物如秸秆、锯末、甘蔗渣、稻糠等，经过粉碎、混合、挤压、烘干等工艺，制成各种成型燃料后直接执行燃烧的一种新型清洁燃料。开发生物质燃料不仅能合理利用农林废弃物，防止能源浪费，而且能够减少如CO₂、SO₂、NO_x和烟尘等排放，避免雾霾现象的产生，因而在国内外具备广阔的应用前景。

本申请的发明人曾在2010年提交了有关高温生物质微米燃料的专利申请(CN101935568A)，其中披露了采用平均粒径为微米级的植物纤维粉体与添加剂组合形成的生物质燃料，并在多个实施例中测试表明，其平均可达到1300℃左右的燃烧温度(最高为1370℃的燃烧峰值)，燃烧效率为96％以上，且能够比较有效地降低燃烧尾气中的有害成分含量。

然而，经过后续数年的进一步研究表明，上述现有技术仍然具有以下的不足或缺陷：首先，对于目前大多数的工业应用譬如高效率的锅炉蒸汽发电系统而言，燃料的燃烧温度要求能够达到1500℃以上，这主要是由于卡诺循环原理决定的，只有当锅炉燃料达到足够高的燃烧温度后，才能产生高压高温蒸汽，再利用转化后的机械能实现有经济价值的发电。同时，一些高耗能高排放的高温工业窑炉也要求燃烧的燃烧温度达到1500度以上，如耐火材料和水泥、玻璃生产等。而这是现有的生物质微米燃料通过常规燃烧方式所无法达到的燃烧温度；其次，高温属于工业生产过程中最为敏感重要的条件之一，工业领域的数据表明，燃料的燃烧温度每升高50℃，就能覆盖更多的工业生产需求，而且由于辐射换热效率与温度的4次方成正比。比如，燃料的燃烧温度从1400℃升高到1450℃，被辐射加热受热体获得的热能提高12％。同时，燃烧温度提高又导致燃料燃烧速度和燃烧效率的增加，在此情况下，如何能够继续提高生物质微米燃料的燃烧温度和燃烧效率并将其稳定予以保持，相应扩大生物质微米燃料的适用面以满足更多工业应用环境的要求，正成为一个亟需解决的技术问题；最后，根据化学组成分析可知，生物质微米燃料是一种复杂的高分子碳氢化合物固体材料，属于难以快速燃烧的燃料，而且由于组分中碳多氢少，含氢气的小分子先燃烧后，必然分离出难以和氧气接触反应的焦油、残留碳以及呈现固体状态的灰分，与此同时，它们在工业锅炉炉膛的停留时间是有限的，如果不能及时与氧气充分接触燃烧，就会脱离燃烧环境，成为浪费能源和污染环境的焦油和碳粒，进而形成气溶胶和雾霾污染源。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于绝热燃烧条件的生物质微米燃料高温清洁燃烧方法，其中通过结合生物质微米燃料自身的特性以及工业窑炉的构造特点，对其燃烧过程的操作工序、关键工艺参数以及燃烧机理等多个方面进行研究和设计，相应能够获得高达1500℃以上的燃烧温度，满足更多工业高温锅炉的加热要求，同时与现有技术相比产物中基本无焦油、无残留碳和灰分，因而尤其适用于工业生产的清洁和高温加热的应用环境。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种基于绝热燃烧条件的生物质微米燃料高温清洁燃烧方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(a)将主要组分为植物纤维的生物质原料粉碎为平均粒径为400微米以下的固体粉体，将其作为生物质微米燃料并以全密封的形式予以灌装装卸和运输，并采用管路输送至工业窑炉燃用；

(b)在输送进入工业窑炉之前，将上述生物质微米燃料与空气进行预混以形成粉尘云的流态形式，并且在此操作中，过剩空气系数被设定为0.98～1.25；

(c)将通过步骤(b)执行预混后的流态粉尘云沿着切向方向经由燃料喷管喷入设置在工业窑炉中的绝热燃烧室，其中绝热燃烧室是侧壁由保温材料层所构成的相对封闭的储热空间，并且其容积燃烧强度被设定为150kg/m³～400kg/m³，；所述侧壁被窑炉的受热体所包围，并使得流经侧壁的热量不超过燃料燃烧能量的10％；所述燃料喷管的数量为一个或多个，并以1m/秒～10m/秒的流速执行喷射；以此方式，将燃烧速度控制为流态粉尘云在离开喷管喷口0.5倍～2.5倍管径的距离内即完成气化，与预混的空气执行原位燃烧，并获得高达1500℃～1600℃的燃烧温度，此高温火焰从绝热燃烧室喷出对受热体进行加热利用；