生物能源高效燃烧方法
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1.技术领域
本发明涉及包括多种生物质在内的低热值燃料可单烧或混烧的燃烧系统领域。
2.背景技术
人类居住的地球日渐暖化。这一点毋庸置疑，也已获得了各国政府的共识。暖化的原因 主要是人类在近一个世纪以来大量燃烧化石燃料，排放大量的温室气体。全球变暖已引起严 重后果：正在破坏自然生态系统的平衡、造成自然灾害，更在威胁人类的食物供应和居住环 境。由于经济的持续发展，中国对能源的需求不断增加，减排的压力愈来愈大。这些问题需 要多种途径去解决。大力开发新能源，如风能、太阳能和地热能，是一种途径，但在可预见 的将来我们对化石燃料的巨大需求仍无法避免，而以石油、煤炭为主的一次能源却又日益枯 竭。寻找化石燃料的可替代品已成当务之急。在这种情况下，大力开发可再生燃料的清洁燃 烧技术非常必要。
可再生燃料作为产生热能的来源已经研究很多年了。生物质，生物油和生物气这样的可 再生燃料是化石燃料好的替代品。然而，因生物质产出的季节性而导致的供应不足以及其发 热值普遍较低等问题限制了它们在工业燃烧应用中的有效性和重要性。基于此，该发明旨在 研发“复合燃料燃烧系统”，即包括多种生物质在内的低热值燃料可单烧或混烧的燃烧系统。 该系统将可以克服要维持清洁高效运行所面临的难题，即单一生物质燃料的供应由于季节变 更或其它原因而中断所引发的影响工业生产正常运行的问题。
该发明将利用最近十余年国际燃烧领域发展的一种最新的燃烧方式，即高温空气燃烧模 式。这种模式又被称为温和与强低氧稀释。在高温空气燃烧设备中，燃烧可以发生在 1100-1700K这样相对较低的温度范围，并具有热流分布均匀和温度波动小的特点。在最佳的 状态下，火焰消失且无声无息。理想的高温空气燃烧过程最初是反应物和废气的混合，接着 空气在加热并稀释的条件下与燃料进行反应，在最终的反应燃烧区，温度较低且均匀，化学 反应较慢。结果是，相比传统燃烧，这种燃烧的效率可提高(甚至超过)30％，NOx和CO等 污染物的排放降低70％。该技术由于集节能与环保于一身，被国际燃烧界誉为21世纪最有发 展前途的燃烧技术之一。目前在日本、德国和美国高温空气燃烧已较成功地应用于冶金、机 械、化工、陶瓷等工业部门的一些燃气炉窑上。但过去的研究表明，要实现高温空气燃烧， 混合物的温度须大于800℃且含氧浓度低于15％。这些要求又大大地局限了它的工业应用。
值得注意的是，高温空气燃烧还可以应用于目前受推崇的CO2的捕捉和地下(超过1公 里)封存技术，即所谓的在废油废气井中或海洋底部实施的“地质封存”。封存的成本依赖 于烟气的体积，则可通过提高热效率(高温空气燃烧)或增加氧气来减少这部分成本。另外， 高温空气燃烧可以应用于低比热燃料，比如来源于生物质生成或煤矿排出的能源。已经出版 的关于高温空气燃烧概念的应用与不足的综述中，介绍了其从基础理论到应用领域中的问题， 还总结了高温空气燃烧在建模方面的最新进展。人们发现，在炉膛环境中高温空气燃烧能够 增加30％的辐射热。并且由于炉内温度分布更均匀，实际上也显著提高了产品的质量。此外 还大大减少了NO、CO等污染物的排放。人们总结道，尽管最近十年来人们对这个燃烧概念 的研究保持浓厚的兴趣，但对高温空气燃烧的稳定性、火焰传播及预测方面的知识的相当缺 乏。
尽管上述技术中使用的高温空气燃烧概念已经为人所知有段时间，但在热和烟气的循环 条件下有关火焰结构的状况还有待进一步研究。目前在日本和欧洲，高温空气燃烧技术已经 成功应用于一些工业中，并且已经开发出对其他工业的潜在应用前途。若结合基础理论和创 新方法来实现这项燃烧技术，高温空气燃烧可以为更多系统所选择。特别地，高温空气燃烧 方式可以用于钢铁工业中的退火、淬火和回火等环节，也能在很多其他化工行业中得到广泛 使用。本发明旨在将高温空气燃烧概念进一步发展成为能在同一装置上有效燃烧气、液、固 多种生物质燃料的燃烧模式。
3.发明内容
以化石燃料为主的一次能源正日益枯竭。生物质燃料是化石燃料的理想替代品，但因季 节性导致的供应问题限制了它们的有效利用。该项目旨在研发能匹配多种生物质燃料的高效 清洁燃烧系统，以消除单一品种燃料供应引起的工业应用问题。实验证明高温空气燃烧模式 能使气、固状燃料高效清洁燃烧，本申请提供一种生物能源高效燃烧方法实现上述目的。
为达到上述目的所采用的技术方案是：在同一炉膛中使用气、固状燃料都能实现高温空 气燃烧的燃烧模式。发明者都对解决这一关键技术有丰富的经验和足够知识积累。我们的解 决方案是(1)采用对冲双燃烧器布置和(2)利用可控混合的、自激发抖动射流(self-excited oscillating-jet)喷嘴。首先试验传统的气状(天然气)和固体燃料(煤粉)，然后使用生物 气和生物质。最近我们已经在阿德莱德大学的高温空气燃烧炉膛中使用木屑燃料并已获得成 功。
本网络改进技术的有益效果是，它的完成将对高温空气燃烧在实际工业中的广泛应用提 供理论基础，因此具有重要的指导意义；并可能在节能减排方面所面临的重大关键科学技术 问题、瓶颈技术问题的解决具有很大的实质性作用。
4.具体实施方式
第一阶段：该发明一开始将建一有机玻璃模型炉。然后利用实验室现有的先进的激光手 段测量炉内冷态非燃烧流场特性，包括测量速度、浓度等分布。这将帮助我们更好地了解燃 料喷嘴布置、流量和种类对炉膛内燃烧稳定性以及整个炉子运行的影响。如何使炉子适用于 难以测量的固体燃料，这方面的数据将非常有价值。
第二阶段：上述工作完成后，参照已有的系统和冷态实验结果加以设计，建造用于该项 目研究的高温空气燃烧燃烧系统。建造完成后投入试运并解决可能出现的未预期的问题。确 定可燃用多种可再生燃料的高温空气燃烧系统的设计参数。燃烧器的布置采用对冲形式和同 侧不同角度等；还将采取传统直流和抖动可控射流喷嘴。
第三阶段：这一阶段将对实验炉使用气体燃料进行试验。开始会使用压缩天然气(CNG) 和液化石油气(LPG)。接下来会使用添加CO2和N2等惰性气体的生物气。使用生物气面临的主 要问题是其组分会随时间变化，因而将对不同组分进行试验。实验还将对炉内温度分布、废 气组分及运行演变过程进行测试。
第四阶段：这一阶段将对固体生物质燃料进行实验。为了确立对冲布置的燃烧器对复合 燃料的适应性，这一步将至关重要。实验将使用三种主要燃料，它们分别是锯削末、橄榄果 渣和小桉木。这些燃料代表不同密度和组分特性的燃料。很重要的一点是，通过该研究我们 能够了解这些燃料在使用前的准备工作和费用。从而估算它们在整个运行费用中所占的份额。 燃料准备工作中重要的变量有颗粒大小、水分含量和传送方式。
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