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CN103975197B - 用于燃烧颗粒状固体燃料的燃烧设备和方法 - Google Patents

用于燃烧颗粒状固体燃料的燃烧设备和方法 Download PDF

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CN103975197B CN201280054360.9A CN201280054360A CN103975197B CN 103975197 B CN103975197 B CN 103975197B CN 201280054360 A CN201280054360 A CN 201280054360A CN 103975197 B CN103975197 B CN 103975197B
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Abstract

本发明涉及一种用于燃烧颗粒状固体燃料的燃烧设备(100)和方法，例如木屑颗粒。根据本发明的燃烧设备(100)包括具有外壁(104)和内壁(106)的室(102)，内壁(106)将室(102)分成燃烧空气空间(108)和燃烧室(110)。此外，燃烧设备(100)包括用于提供主燃烧空气和次燃烧空气的至少一个鼓风装置(112)并包括用于使燃烧室(110)旋转的旋转装置(113)。燃烧室(110)的内表面包括用于当燃烧室(110)旋转时提升燃烧室(110)中的燃烧燃料的多个台阶(138)。此外，主燃烧空气被提供至燃烧室(110)中，用于助于燃烧燃料的燃烧并且用于使燃烧燃料在台阶(138)上移动。此外，次燃烧空气被提供至燃烧室(110)中，用于从燃烧室(110)中移除完全燃烧的燃料和/或燃烧气体。

Description

用于燃烧颗粒状固体燃料的燃烧设备和方法
技术领域
大体上，本发明涉及燃烧设备。更具体地，本发明涉及燃烧设备和用于燃烧颗粒状固体燃料(例如，木屑颗粒)的方法。
背景技术
目前，诸如颗粒炉(pellet stove)的颗粒状固体燃料燃烧设备(下文中称为燃烧设备)正在取代传统的油加热系统，特别是在两个或者一个家庭的房子中。这种现象由多个原因造成；仅仅举几个例子，油价正在每年增长，从而导致对于居民来说承担更多的费用，很多人考虑到了使用化石燃料的环境问题，并且在多个国家，使用可再生能源会通过国家资金给予补贴。用于固体颗粒状燃料的燃烧设备的使用也可以是环境的和经济的选择；例如，固体燃料通常是无毒的并且容易处理，并且还是可再生燃料，与油相比固体燃料是更便宜的。此外，作为固体颗粒状燃料的实例的木屑颗粒是极其密实的并且可产生有低的含湿量，这可允许木屑颗粒以非常高的燃烧效率来燃烧。
尽管，在燃烧设备与传统的油加热系统之间存在许多相似性，但是燃烧设备仍存在一些缺点：常常发生的是，因为燃烧过程没有完全地燃烧燃料，所以燃烧设备消耗比它们应该消耗的更多的燃料。由于这个的原因，在未燃烧的或者部分燃烧的燃料颗粒熔化到燃烧室的壁上的情况下，部分燃烧的燃料可填充燃烧室并且还可能对燃烧室造成损坏。因此，必须频繁地清空和清洁燃烧设备，这对于执行而言会是费力且困难的过程。此外，必须以某种方式将燃烧过的燃料的灰烬从燃烧室中移除。在没有仔细地移除的情况下，灰烬残渣最后填满该室并且可堵塞空气通道，这会降低燃烧效率并且增加燃料消耗。此外，灰烬和不完全燃烧的燃料可导致掺杂的燃烧过程，这增加了空气中不期望的微细颗粒的数量。
现有技术已知防止燃料的熔化的多个炉篦(grate)解决方案。在文献RU2371634C中公开了一个实例，在该实例中炉篦具有交错的外形，这还被设置成进行往复运动。不利地，这种解决方案没有解决部分燃烧的燃料的问题，并且因此并未减少燃料消耗。
在文献EP0126619 B1中公开了其他现有技术的解决方案，在该解决方案中燃烧设备包括用于使可燃烧固体上升并且泻落(cascade)的装置，以实现高燃烧效率。但是，该解决方案没有解决聚集到燃烧室中并且可阻碍燃烧过程的空气供给的灰烬的问题。
不利地，上述解决方案也没有解决积累灰烬的问题。
发明内容
本发明的目的是避免或者至少减小上文所述的现有技术解决方案的缺点。
本发明的目的通过一种解决方案来实现，在该解决方案中用于颗粒状固体燃料的燃烧设备布置成升起燃烧室中的燃料颗粒并以适当的角度提供燃烧空气流，以便将燃料颗粒完全燃烧成灰烬并且从燃烧室中移除完全燃烧的燃料(完全燃烧的燃料是足够轻量的)和/或燃烧气体。
根据本发明的用于燃烧颗粒状固体燃料的燃烧设备的特征在于下文中所述的特征。
根据一优选的实施例，根据本发明的用于燃烧颗粒状固体燃料的燃烧设备包括具有外壁和内壁的室，该内壁将该室分成燃烧空气空间和燃烧室。此外，燃烧设备包括用于提供主燃烧空气和次燃烧空气的至少一个鼓风装置并包括用于使燃烧室旋转的旋转装置。燃烧室的内表面包括用于当燃烧室旋转时提升燃烧室中的燃烧燃料的多个台阶。此外，主燃烧空气被提供至燃烧室中，以用于有助于燃烧燃料的燃烧并且用于使燃烧燃料在台阶上移动。此外，次燃烧空气被提供至燃烧室中，以用于从燃烧室中移除完全燃烧的燃料和/或燃烧气体。
在一个实施例中，燃烧室具有圆筒的形状。燃烧室的圆筒形形状是优选的，这是因为室的旋转在本发明中是必需的。
在一个实施例中，燃烧设备包括一个鼓风装置，该鼓风装置布置成将主燃烧空气和次燃烧空气两者提供至燃烧室中，以及提供对燃烧设备的室的冷却。在另一实施例中，燃烧设备还包括具有后燃烧燃烧空气的后燃烧部件。该后燃烧部件优选地包括例如套管，该套管用于减小作为用于完全燃烧的燃料和/或燃烧气体从燃烧室中离开的通道而被设置在后燃烧部件中的输出开口的半径。后燃烧部件的颈部是有利的，因为它物理地阻止未完全燃烧的燃料从燃烧室中排出。
仍然在另一实施例中，燃烧空气空间是连续的。连续的空气空间是有利的，这是因为连续的空气空间可实现使用一个鼓风装置以用于提供所有所需要的燃烧空气类型；主燃烧空气、次燃烧空气以及附加的后燃烧燃烧空气。
仍然在一个实施例中，燃烧室内的台阶被耦接在一起，并且在另一实施例中，至少一个孔设置成穿过至少一个台阶，以用于将主燃烧空气导向至燃烧室中。
在一个实施例中，燃烧室的内表面(特别是燃烧室内的台阶)用某一适合的抗高温的涂覆材料涂覆，诸如陶瓷涂覆层，以用于改善燃烧过程。涂覆层的使用是有利的，这是因为涂覆层可进一步防止燃烧燃料颗粒粘进燃烧室的表面中。
在一个实施例中，燃烧室包括用于在大致平行于燃烧室的旋转轴线的方向上将次燃烧空气提供至燃烧室中的至少一个孔。
在一个实施例中，燃烧室的旋转运动是脉动(pulsating)的，并且在另一实施例中，所述燃烧室的脉动的旋转运动是能根据燃料类型和/或尺寸调节的。
仍然在一个实施例中，燃烧设备还包括进料设备，诸如螺旋结构，用于将燃烧燃料供给至所述燃烧室，并且在另一实施例中，燃烧设备还包括点火装置，诸如电的和/或线绕的电阻器，用于加热燃烧空气以便点燃待供给至燃烧室中的燃烧燃料。
一种用于使用根据本发明的燃烧设备燃烧颗粒状固体燃料的方法的特征在于下文中所述的特征。
在一个实施例中，一种用于使用本发明的燃烧设备燃烧颗粒状固体燃料的方法包括下列阶段：
-将颗粒状固体的、被点燃的燃料供给至所述燃烧室的起始处；
-将所述燃烧室设置成进行旋转运动，以用于通过形成所述燃烧室的内表面的所述台阶来提升燃料；
-在大致平行于和/或沿着所述燃烧室的周缘的方向上将主燃烧空气提供至所述燃烧室中，以用于在所述燃烧室中燃烧和移动所述燃烧燃料；
-在大致平行于所述燃烧室的旋转轴线的方向上将次燃烧空气提供至所述燃烧室中，以用于从所述燃烧室中移除完全燃烧的燃料和/或燃烧气体。
在下文中描述了本发明的一些优选的实施例。
当与现有的已知的解决方案比较时，可通过本发明来实现显著的优点。首先，根据本发明的燃烧设备可适于各种颗粒状固体燃料，诸如木屑颗粒、生物质颗粒、泥炭颗粒、草颗粒、同质木片以及煤。此外，在两个或者一个家庭的房子中所使用的常规油加热系统可由根据本发明的燃烧设备所取代。
本发明的燃烧方法可在燃烧室内部提供以涡流的形式并在高温下混合的既高效又完全的燃烧空气，这可保证燃料的气相不能逸出或者不能保持由于缺乏燃烧空气而导致的不完全燃烧。作为燃烧方法的效果，燃烧气体的温度在燃烧室内可高达850℃-1100℃。与燃烧室的被涂覆的表面结合的燃烧室内部的涡流可通过减缓和增强台阶上的燃烧燃料颗粒的碰撞而进一步改善燃烧过程。
此外，燃烧过程可通过使用本发明的额外的后燃烧部件而更多地改善，该后燃烧部件可物理地防止未完全燃烧的燃料颗粒在燃料颗粒由于燃烧过程而足够轻量之前从燃烧室中离开。此外，后燃烧部件可通过在适合的方向上提供后燃烧燃烧空气流而进一步地改善燃烧过程，这可提高燃烧气体的温度，例如100℃-150℃，并且可引起燃料颗粒的更完全的燃烧。
此外，由于有效的燃烧，可减少由不完全燃烧过程在空气中产生的不期望的微细颗粒。该有效的燃烧过程还可减小燃料的消耗，这可带来在费用和在环境资源两者上的节约。
由于固体燃料的完全燃烧和布置的从燃烧室移除灰烬的灰烬移除系统，燃烧室的清空和清洁可较不频繁地进行，这可减小为了清空和清洁而暂停加热系统的必要性，并且可使燃烧设备能长期的、连续的运行。清洁时间范围甚至可为例如八个月或者更长，通常该清洁时间范围可为足够长的时间以贯穿整个供暖期而使用根据本发明的燃烧设备。
旋转运动和有效的空气供给可一起防止固体燃料颗粒熔化并附接至燃烧室，即使具有大的燃料颗粒。此外，被涂覆的表面(具有它的不粘表面)可通过减小燃烧颗粒与台阶之间的摩擦而进一步改善台阶上的燃烧燃料颗粒的运动和碰撞，这进一步防止燃料颗粒熔化和/或粘附至燃烧室的表面上。此外，被涂覆的表面(具有它的不粘表面)可通过提供清洁表面的便利性来缓解清空和清洁过程。
可通过自动供给系统使使用本发明的燃烧过程是连续的，这可减少所需要的由用户对燃烧系统进行的控制。供给系统可布置成使得在燃烧室中始终保持小火焰，这可减少由燃烧设备的起动过程在空气中产生的不期望的微细颗粒。
此外，脉动的旋转运动可保证较老化的、正在燃烧的燃料颗粒通过台阶被提升到更高的水平，直到它们落在较新的燃料上，这可切碎(mince)燃烧燃料颗粒并且改善有效的燃料燃烧。
此外，根据本发明的燃烧设备可不需要单独的冷却装置，这是因为由鼓风装置提供的燃烧空气还可布置成还用作用于燃烧设备的整个室并且特别是用于燃烧室的空气冷却剂。而且，较小的部件(诸如室内部的轴承)也可由燃烧空气来冷却。
最后，燃烧设备可更简单并且更便宜地制造，这是因为仅需要一个空气供给装置以产生主燃烧空气和次燃烧空气两者以及后燃烧燃烧空气。此外，通过同一个空气供给装置来实现燃烧室的冷却。
术语“颗粒状固体燃料”在本文中指用于产生能量的可燃烧材料，诸如但不限于木屑颗粒、生物质颗粒、泥炭颗粒、草颗粒、同质木片以及煤。
此外，术语“燃烧燃料颗粒”在本文中指特定的燃烧块，该燃烧块的尺寸可依据燃烧燃料类型和燃烧过程而改变。
方向术语(诸如在本文献中使用的“在…前面”和“…的起始处”)指燃烧燃料的行进方向。
附图说明
接下来，参照附图来更详细地描述本发明，在附图中
图1描绘了根据本发明的实施例的燃烧设备的截面图；
图2描绘了根据本发明的实施例的燃烧设备的室的主视图；
图3描绘了根据本发明的实施例的燃烧室的台阶的侧视图；
图4描绘了根据图3的台阶的主视图；
图5描绘了根据图2的燃烧室的局部视图；
图6是通过使用根据本发明的燃烧设备的燃烧过程的流程图。
具体实施方式
接下来，参照图1至图5来讨论根据本发明的燃烧设备的部件和功能。用于燃烧颗粒状固体燃料的燃烧设备100包括：室102，该室具有外壁104和内壁106，该内壁106将室102的内部空间分成燃烧空气空间108和燃烧室110；至少一个鼓风装置112，该鼓风装置用于提供主燃烧空气和次燃烧空气；以及旋转装置113，该旋转装置用于旋转燃烧室110。
在一个实施例中，根据本发明的燃烧设备还包括：后燃烧部件114，该后燃烧部件连接至室102，用于保证燃烧燃料和/或燃烧气体的完全燃烧，并用于防止不完全燃烧的材料从燃烧室110中排出；进料设备116，该进料设备用于将燃烧燃料供给至所述燃烧室中；以及点火装置118，该点火装置用于通过加热燃烧空气来点燃燃烧燃料。
此外，根据本发明的燃烧设备例如还可包括火焰控制系统120和/或熄火装置122，以及设置在适当位置的适当的轴承124a、124b、124c。
现在讨论进料设备的操作。本领域技术人员将理解的是，图1中所描绘的进料设备仅是用于将燃料供给至根据本发明的燃烧设备中的补充布置，并且燃烧设备可包括以某种其他的方式操作的另一进料设备或者以某种其他的方式布置燃料供给。
图1中的示例性进料设备116包括例如进料管126、保护阀130、输送装置128、火焰控制系统120以及熄火装置122。
进料设备116的进料管126通常从该进料管的上端部与燃料储存部(未示出)连接，并且从该进料管的下端部与输送装置128结合。图1中的进料管126装配在大致竖直的位置中，并且该进料管包括用于防止火接近燃料储存部的保护阀130。保护阀130优选地连接到进料管126，使得在保护阀130与输送装置128之间保持适合的空间132，从而允许适当数量的燃料被输送至燃烧室110，并且防止燃料妨碍保护阀130的操作，即保证阀130的无阻碍的打开和关闭。
优选地，保护阀130具有活叶(flap)的形式并且可由例如钢、铝或者某一其他适合的、耐久的以及防火的材料制成。通过将保护阀130从保护阀的上侧用接合铰链134连接至进料管126而将保护阀130以歪斜的位置安装在管126内部，这使保护阀130用作重力操作的活叶，以允许适当数量的燃料接近空间132。保护阀130的歪斜的位置保证燃烧的燃料堆积到阀130的下侧，这可在掉落到阀130上时增加适当数量的燃料以推开保护阀130。保护阀130还可包括调节装置，该调节装置用于调节接合铰链134的刚度，即，调节用以打开重力操作的保护阀130所需要的燃料的重量。
输送装置128包括用于每次将适当数量的燃烧燃料输送到燃烧室110中的装置，例如螺旋结构。优选地，燃烧室110位于输送装置128的在大致水平轴线上的端部处。通常，点火装置118(诸如但不限于，电的和/或线绕的电阻器)优选地恰好设置在燃烧室110之前，以用于点燃燃烧燃料。
此外，在图1中，额外的火焰控制系统120设置到输送设备128的在螺旋结构内部的另一端。在螺旋结构内部的位置是有利的，这是因为在该点中火焰控制系统120具有到燃烧室110的无阻碍的视野，与燃烧室110相比温度是低的，并且保护火焰控制系统120不受外部事物(诸如燃烧燃料和设备100的另外的部件)的影响。轴承124c可用于将火焰控制系统120固定地附接至输送装置128。此外，熄火装置122可连接到进料设备，优选地与保护阀130接近地连接。熄火装置122可包括用于例如在起火的情况下将消防用水释放进进料设备116中的装置。
螺旋结构的内部还可设置各种测量装置，诸如用于检测输送装置128中和/或燃烧室110中的温度的一个/多个温度传感器。此外或者代替温度传感器，火焰控制系统120可包括一些其他的装置，诸如用于当点燃燃料时观察输送装置中不期望的火的光学和/或红外传感器(多个光学和/或红外传感器)。用于检测燃烧室内部的温度的测量装置通常大致检测燃烧室的起始处的温度。关于燃烧室的测量(诸如温度检测)优选地从螺旋结构的内部执行，这提供了对测量设备的良好保护以及对燃烧室的无阻碍的可见性以及实时的测量。
根据本发明的燃烧设备可基于从螺旋结构内部执行的测量而可靠地受控。例如，燃料的供应可根据燃烧室的温度来调节，例如这是因为太多的燃料降低了温度，这可通过温度传感器容易地检测到，并且进料设备可由于过多的燃料而变得堵塞。此外，通过检测燃烧室的温度可将燃烧室可靠且安全地停止。当执行停止过程时，首先停止燃料供应，但是输送装置继续运行使得所有燃料从输送装置排出。而且，鼓风装置继续将空气吹到燃烧室中，以用于将各种燃烧空气供给进燃烧室中并且用于冷却燃烧室。在整个过程期间，燃烧室的温度被实时地检测，并且当温度降低到足够低时，例如降低到50℃时，可关闭燃烧室的功能。
在图1中，鼓风装置112围绕输送装置128设置在点火装置118之前，并且通过用于点燃燃料的点火装置来加热鼓风装置的空气。优选地选择鼓风装置112的位置，使得由鼓风装置112产生的空气流可用作主燃烧空气、次燃烧空气，以用于冷却该室和室中的部件并用于点火，并且在包括后燃烧部件114的实施例中，由鼓风装置产生的空气流可用作后燃烧燃烧空气。鼓风装置112的空气流可依据燃烧室的尺寸和/或燃烧设备的输出能力而变化。为了产生例如100kWh，鼓风装置的空气流优选地可为例如大约20l/s-35l/s，更优选地例如大约25l/s-30l7s，并且最优选地例如大约26l/s-27l/s。燃烧设备的结构和燃烧设备的空气空间以及损耗可影响空气的量。
通常，设备包括一个或者多个氧气传感器和/或λ(lambda)传感器，该传感器可布置成观测燃烧气体中的一氧化碳的量。燃烧气体中的一氧化碳的量通常给出关于所需空气的可靠的信息，并且可根据该信息来调节空气流。有利地，调节空气流使得将高压提供进空气空间中。
燃烧设备的室102通过内壁106分成燃烧空气空间108和燃烧室110。燃烧室110大致为圆筒形式，与燃烧设备100的室102一样。对本领域技术人员而言将是明显的是，只要圆筒状燃烧室110适合该室并且室102中的空气空间保持连续，那么燃烧设备100的外部形式的室102的形状可改变。
室102包括在室102的起始处的开口，该开口用于将燃烧燃料供应入燃烧室110中，并且该开口可与进料设备116连接，并且该室还包括在室102的端部处的另一个开口，该另一个开口用于从燃烧室110中移除完全燃烧的燃料和灰烬。
燃烧设备100的室102优选地由一些耐久的材料制造，并且特别地，燃烧室100由特别耐火和耐高温的材料制造，诸如钢。
室102的尺寸可依据所需要的燃烧设备的输出能力(该输出能力可为例如在10kW-20MW之间)而改变。对于旨在用于一个或者两个家庭的房子的燃烧设备，输出能力可为例如大约15kW-60kW，优选地例如大约25kW-40kW。通常，室在轴向方向上的相应的长度优选地可为例如大约200mm-290mm，更优选地例如大约220mm-270mm，并且最优选地例如大约250mm-260mm。分别地，室方向上的直径优选地可为例如大约160mm-300mm，更优选地例如大约168mm-270mm，并且最优选地例如大约170mm-240mm。
另外，可通过燃烧室110的容积来描述室102的尺寸。燃烧室100的容积优选地可为例如大约5,0dm3-14dm3，更优选地例如大约5,5dm3-12dm3，并且最优选地例如大约6,5dm3-10dm3。还可将容积选择成与燃烧设备的输出能力对应。对于每kW，容积增大一平方根。此外，室的容积取决于所使用的燃烧燃料的类型。例如，木片含有比草颗粒少的能量，大约少四分之一，但是含有20％-30％的水，即具有比例如草颗粒多的水分，木片需要具有更大容积的燃烧室以产生相同的输出能力。例如，用于木屑颗粒的燃烧室的容积可比用于泥炭/草颗粒的燃烧室的容积大例如50％。
室102的内壁106优选地由多个台阶138形成，该台阶因此形成燃烧室110的内表面。依据实施例，一个孔/多个孔140设置成穿过至少一个台阶。在优选的实施例中，多个孔设置成穿过每个台阶。将在下文中更详细地讨论台阶的结构和功能。
在一个实施例中，燃烧设备100的室102布置成通过旋转装置113旋转，诸如伺服马达或者某一其他适合的马达系统。在另一实施例中，仅将燃烧室110布置成旋转。总之，燃烧室110的旋转在本发明中是必需的。依据实施例，旋转过程可为连续的、脉动的或者某一其他的适合的运动；在任何情况下，旋转参数(诸如旋转速度和/或脉动时间，即驱动/静止比)优选地是可调节的。在优选的实施例中，旋转过程是脉动的。考虑到在燃烧设备中所使用的燃料的不同类型，控制旋转过程是有利的，这是因为不同的燃料类型可需要不同的燃烧时间。
所使用的脉动时间比优选地可为例如大约1s-4s的驱动和大约100s-700s的静止，更优选地例如大约1,5s-3s的驱动和大约150s-600s的静止，并且最优选地例如大约2s-2,5s的驱动和大约200s-400s的静止，其中例如，驱动速度可为大约1度/秒。驱动方向优选地是朝向台阶的较短的部分。应该理解的是驱动/静止比还依据所使用的燃料类型，并且给出下列值作为对于示例性的燃料类型的示例性的值。因此，当使用具有高灰烬熔点的木材基燃料时，旋转装置的驱动/静止比可为例如大约2s/600s。另一方面，当使用例如具有低灰烬熔点的生物质颗粒或者泥炭/草颗粒时，驱动/静止比应该是更小的，例如大约2s的驱动和大约150s-200s的静止。因此，所使用的驱动/静止比主要由所使用的燃料的灰烬熔点来确定。
旋转装置113优选地功能性地连接到控制装置(未示出)，该控制装置具有用于控制旋转的用户界面和/或软件。在一个实施例中，用户可调节旋转参数，并且在另一实施例中，软件根据由用户和/或连接到燃烧设备的额外的探测器(多个探测器)提供的所使用的燃料的信息来调节旋转参数。在那种情况下，可提供用于旋转的软件来使用适合的表和/或来计算适合的参数。对本领域技术人员而言将是明显的是，还可将其他的过程(诸如供给速度、鼓风装置的空气流、点火以及火焰控制和/或熄火设备)布置成通过相同的控制装置和/或通过用户界面来控制和/或监测。
此外，燃烧设备的室102优选地包括适合的轴承124a和124b，诸如但不限于黄铜碳基轴承、青铜轴承和/或包含青铜的轴承带，以用于保持室牢固地定位在室102的轴向方向上。由鼓风装置112产生的燃烧空气特别地为轴承124b提供冷却，并且附接至燃烧室110的起始处的中央板125为轴承124b提供物理屏蔽。通常，还为轴承布置所需要的润滑。
燃烧空气空间108设置在燃烧室110的前面和周围，使得燃烧空气空间108横跨在燃烧室110的前面，并且横跨在燃烧室110的端部处，如可在图1中看到的。在包括后燃烧部件114的实施例中，燃烧空气空间延续到后燃烧部件114。空气空间优选地是连续的，使得由鼓风装置112提供的燃烧空气可用作主燃烧空气和次燃烧空气，与后燃烧器一样。此外，鼓风装置112为燃烧设备的室以及室中的部件提供冷却。在下文中更详细地讨论主燃烧空气和次燃烧空气。
图2描绘了根据本发明的实施例的燃烧设备的室102的主视图。如上所述，燃烧室110的内表面由台阶138形成，该台阶138在优选的实施例中被均匀地设置在燃烧室110中。台阶可基本上设置在燃烧室中的水平位置中，或者在另一实施例中，台阶设置在歪斜的位置中，使得燃烧燃料在燃烧室内部移动到室的端部。台阶的歪斜的位置可通过将室安装在歪斜的位置中而实现。歪斜的位置的角度可为例如大约1-5度。
台阶138可安装在支撑框架202中，或者在一个实施例中，台阶138耦接到一起，使得随后的台阶在前面的台阶结束处开始。在那种情况下，可不需要任何支撑框架，但是台阶138形成整个内壁106。当使用支撑框架202作为内壁106的部分时，台阶138还可通过在台阶之间留有距离而安装在该支撑框架中。
在燃烧室110的内表面处的台阶138的数量可依据燃烧室110的尺寸以及台阶138的尺寸而改变，但是通常在燃烧室110中优选地可存在例如大约10-20个台阶，更优选地例如大约12-18个台阶，并且最优选地例如大约14-16个台阶。
台阶138可由诸如在高温下耐久的钢(例如AISI 304)的任何适合的材料制成。台阶的长度与燃烧室在轴向方向上的长度对应，即台阶延伸燃烧室在轴向方向上的整个长度。台阶的形状可依据实施例而改变，但是优选地，台阶138具有包括较长部分302和较短部分304的L形轮廓的形状，如可在图3中清楚地看到的。部分302和304的长度可依据实施例以及室的尺寸而变化，但是较长部分302优选地可为例如大约30mm-60mm，更优选地例如大约35mm-50mm，并且最优选地例如大约40mm-55mm。分别地，较短部分304优选地可为例如大约10mm-25mm，更优选地例如大约12mm-20mm，并且最优选地例如大约15mm-17mm。
在一个实施例中，用某一适合的、抗高温的材料涂覆燃烧室的台阶和/或内表面。所使用的涂覆材料优选地是陶瓷材料，诸如但不限于氮化钛(TiN)，氮化钛是具有2930℃的高熔点的极其坚硬的材料。本领域技术人员将认识到的是TiN仅是示例性的材料，并且其他适合的涂覆材料也可用在本发明中。涂覆层可为例如大约5μm，但是本领域技术人员将理解的是涂覆层可为更厚或者更薄，只要该涂覆层为燃烧室提供足够的保护并且减缓燃烧燃料颗粒的运动和碰撞。
通过设置在燃烧室110中的适当位置中的、并且另外地设置在后燃烧部件114中的孔来控制燃烧空气在燃烧室中的流动和方向。
在一个实施例中，至少一个孔140设置成穿过至少一个台阶138，以便在大致平行于和/或沿着燃烧室110的周缘的方向上引导主燃烧空气进入燃烧室110中，以有助于燃烧并且使燃烧燃料在台阶138上移动。在优选的实施例中，通过孔行(aperture row)来获得燃烧室中的主空气涡流，其中孔140在每个台阶138中以行的形式均匀地设置，并且此外，在另一实施例中，孔行设置在台阶138的较短部分304中。通常，台阶优选地包括例如大约1-4个孔/10mm，更优选地例如大约2-3个孔/10mm。孔140的直径优选地可为例如大约3mm-5,5mm，更优选地例如大约3,5mm-5mm，并且最优选地例如大约4-4,5mm。
穿过台阶138的孔140设置并指向成使得被引导穿过孔138的主燃烧空气指向燃烧室的周缘，从而使空气扫过相邻的台阶138的较长部分402的表面，如图5中用灰色箭头说明的。主燃烧空气的这种布置在燃烧室110内部引起主空气涡流。
主燃烧空气在燃烧室内部的涡流是必需的，以便保证燃料的总的燃烧并且以便将完全燃烧的燃料提升到次燃烧空气中，该次燃烧空气从燃烧室中移除完全燃烧的燃料(即灰烬)和气体。
至少一个孔204设置成穿过中央板125，以便将次燃烧空气提供至燃烧室110中以用于从燃烧室110中移除完全燃烧的燃料和/或燃烧气体。通常，中央板125优选地包括例如大约4-10个孔，更优选地例如大约5-9个孔，并且最优选地例如大约6-8个孔。孔的直径优选地可为例如3mm-5,5mm，更优选地例如3,5mm-5mm，并且最优选地例如4-4,5mm。
次燃烧空气的气流在朝向燃烧室110的端部(在一些实施例中，后燃烧部件114位于该处)的方向上大致平行于燃烧室110的旋转轴线，并且最终该气流从燃烧室110离开。次燃烧空气与主燃烧空气一起在燃烧室110中的次燃烧空气流附近产生负压区域，该负压区域则使得足够轻量的燃烧颗粒和/或燃烧气体被吸进次燃烧空气中并且从燃烧室110离开。
如上所述，燃烧室110的端部是打开的，以便提供用于完全燃烧的燃料和/或燃烧气体从燃烧室110中离开的通道。在一个实施例中，燃烧室的端部包括用于减小敞口端部的半径的套管(collar)或者凸缘。减小的开口的目的是防止不完全燃烧的燃料从燃烧室110脱落。通过使用后燃烧部件的实施例来实现相同的效果，如下文所述。
在一些实施例中，根据本发明的燃烧设备100还包括后燃烧部件114，该后燃烧部件114连接到燃烧设备100的室102的端部，并且与燃烧室110的端部连接。后燃烧部件114用于保证燃烧燃料和/或燃烧气体的完全燃烧，并且用于防止不完全燃烧的材料从燃烧室110中离开。此外，后燃烧部件114设置成以受控的方式聚集、集中以及阻塞燃烧气体。后燃烧部件114的形式可为例如为完全燃烧的燃料(即，灰烬)和/或燃烧气体提供输出开口115的圆筒状套管。有利地，由后燃烧部件114形成的输出开口115具有比燃烧室110的敞口端部小的半径。后燃烧部件114的输出开口115的半径优选地可为比燃烧室110的敞口端部的半径小例如大约10％-40％，更优选地小例如大约15％-35％，最优选地小例如大约20％-30％。
后燃烧部件114的输出开口115的较小的半径物理地防止不完全燃烧的燃料由于燃烧室100的旋转运动和/或主燃烧空气和/或次燃烧空气的原因而从燃烧室110中离开。然而，完全燃烧的燃料(即，灰烬)和燃烧气体可沿着从中央板125到输出开口115的在大致平行于燃烧室110的旋转轴线的方向上提供到燃烧室110中的次燃烧空气而通过后燃烧部件114的输出开口115从燃烧室110中离开。此外，可在后燃烧部件114之后设置一些灰烬收集容器以用于收集灰烬。
在一个实施例中，后燃烧部件114还包括至少一个孔136，该孔设置成穿过后燃烧部件114以用于在后燃烧部件114的大致径向方向上导向后燃烧燃烧空气进入燃烧室110的端部中以保证燃烧燃料和/或燃烧气体的完全燃烧。在一些其他的实施例中，一个孔/多个孔设置成使得后燃烧燃烧空气指向与次燃烧空气流相比相反的方向。优选地，一个孔/多个孔136设置成穿过后燃烧部件114的套管。
图1中可看到的是，后燃烧部件114包括布置成两行的多个孔136。本领域技术人员将认识到的是，只要孔的直径和它们导向后燃烧燃烧空气流的方向相对于燃烧设备中的其他孔是适合的，那么可存在以一行或者多行形式的用于后燃烧燃烧空气的孔，这是因为在本发明中，使用公共的燃烧空气空间和优选地仅一个鼓风装置。
通常，后燃烧部件114优选地包括例如20-200个孔，更优选地例如50-150个孔，并且最优选地例如100-125个孔。孔的直径优选地可为例如大约0,2mm-1,0mm，更优选地例如大约0,3mm-0,7mm，并且最优选地例如大约0,4mm-0,6mm。
后燃烧部件114优选地布置成是可更换的。这个特征可为有利的，这是因为由后燃烧燃烧空气提供的燃料和燃烧气体的后燃烧可进一步提高燃烧气体的温度，例如100℃-150℃。然而，在一些实施例中，相同的鼓风装置112为后燃烧部件既提供冷却也提供后燃烧燃烧空气。
接下来，讨论使用根据本发明的燃烧设备燃烧颗粒状固体燃料600的方法。
在一个实施例中，在阶段602，将颗粒状固体的、被点燃的燃料供给至燃烧室的起始处。通常，通过使用进料设备116和点火装置118来执行该供给，如上所述，但是本领域技术人员将认识到的是供给和点火可以不同于上文所述的某一其他的方式或者在不同于上文所述的某一其他设备中来执行。
在阶段604，将燃烧室设置成进行旋转运动，并且在阶段606，在大致平行于和/或沿着所述燃烧室的周缘的方向上将主燃烧空气流提供至燃烧室中。此外，在阶段608，在大致平行于所述燃烧室的旋转轴线的方向上将次燃烧空气提供至燃烧室中。
当将燃烧室中的主空气涡流与燃烧室的旋转和/或脉动组合时，则实现了根据本发明的燃烧过程。在燃烧过程期间，通过台阶将燃烧室中的燃烧颗粒升起，并且主燃烧空气有助于燃烧过程，混合燃烧燃料颗粒，并且使燃烧燃料颗粒相互碰撞，这样则将燃料颗粒破碎成较小的部分，并且进一步地，这使得较重的颗粒掉落到下面的台阶上。因此，燃烧过程可将较重的颗粒与较轻的颗粒分离，并且可防止被熔化的颗粒粘到燃烧室的内表面上。此外，主燃烧空气与旋转运动一起减轻较轻的颗粒，如上所述，以在燃烧室中朝向由主燃烧空气与次燃烧空气一起提供的负压区域向上升起，并且进一步地当它们足够轻时，即当燃烧燃料颗粒被完全地燃烧成灰烬时而被吸进次燃烧空气流中。此外，旋转运动将燃烧中的燃料提升到上面的台阶，远离通过重力被供给进燃烧室的底部中的新的燃料，并且当太重而不能被吸进负压区域中的燃料颗粒最终通过旋转运动掉落到燃烧室的底部时，该燃料颗粒将掉落到被供给进燃烧室中的新的燃料上，这样则可改善燃料的完全燃烧。
在补充的实施例中，在阶段610，通过设置成穿过所述后燃烧部件的孔(多个孔)将后燃烧燃烧空气提供至所述燃烧室的端部中。该后燃烧燃烧过程通过在适合的方向上提供空气流来保证燃烧燃料和/或燃烧气体的完全燃烧，该空气流提高了灰烬和燃烧气体在后燃烧部件的位置处的温度。
在阶段608之后，或者在补充的实施例中，在阶段610之后，只要需要，该方法从步骤602进一步继续。
通常，可基于由例如温度自动调节器或者某一其他的设备提供的信息来调节供给过程。优选地，燃烧过程无论如何都是连续的，并且在燃烧设备中保持有小火焰。这是有利的，因为起动过程可能导致空气中的不期望的微细颗粒的峰值。通常可无级地调节供给过程和燃烧过程，即不管燃烧室的容积，可将足够小的数量的燃烧燃料供给至燃烧室中以继续进行燃烧过程。

Claims (22)

1.一种用于燃烧颗粒状固体燃料的燃烧设备，所述燃烧设备包括：
室，具有外壁和内壁，所述内壁将所述室的内部空间分成燃烧空气空间和燃烧室，所述燃烧室具有内表面，
至少一个鼓风装置，用于提供燃烧空气，以及
旋转装置，用于使所述燃烧室旋转，
其中，所述燃烧室的内表面包括多个台阶，所述台阶用于提升所述燃烧室中的燃烧燃料，并且
至少一个第一孔设置成穿过至少一个台阶，以用于在大致平行于和/或沿着所述燃烧室的周缘的方向上将主燃烧空气导向至所述燃烧室中，使得有助于所述燃烧燃料的燃烧并且使得所述燃烧燃料在所述台阶上移动，
并且所述燃烧室包括至少一个第二孔，所述第二孔用于在大致平行于所述燃烧室的旋转轴线的方向上将次燃烧空气提供至所述燃烧室中，所述次燃烧空气用于从所述燃烧室中移除完全燃烧的燃料，其中，由所述旋转装置提供的所述燃烧室的旋转运动和所述主燃烧空气一起将完全燃烧的燃料升起至所述次燃烧空气中，以将完全燃烧的燃料从所述燃烧室中移除，
其特征在于，所述燃烧设备还包括后燃烧部件，所述后燃烧部件包括用于从所述燃烧室中移除完全燃烧的燃料的输出开口，所述后燃烧部件与所述燃烧室连接，以用于防止未完全燃烧的材料从所述燃烧室中离开，并且后燃烧燃烧空气通过至少一个第三孔被提供至所述后燃烧部件中，所述至少一个第三孔设置在所述后燃烧部件中，以用于将所述后燃烧燃烧空气导向至所述燃烧室的端部中，使得保证所述燃烧燃料和燃烧气体的完全燃烧。
2.根据权利要求1所述的燃烧设备，其中，所述燃烧室是具有敞口端部的圆筒的形状，所述敞口端部用于从所述燃烧室中移除完全燃烧的燃料。
3.根据权利要求2所述的燃烧设备，其中，所述后燃烧部件的所述输出开口的半径比所述燃烧室的所述敞口端部的半径小10％-40％。
4.根据权利要求2所述的燃烧设备，其中，所述后燃烧部件的所述输出开口的半径比所述燃烧室的所述敞口端部的半径小15％-35％。
5.根据权利要求2所述的燃烧设备，其中，所述后燃烧部件的所述输出开口的半径比所述燃烧室的所述敞口端部的半径小20％-30％。
6.根据权利要求1所述的燃烧设备，其中，所述燃烧空气空间是连续的。
7.根据权利要求1所述的燃烧设备，其中，一个所述鼓风装置提供所述主燃烧空气和所述次燃烧空气两者。
8.根据权利要求1所述的燃烧设备，其中，所述台阶被耦接在一起。
9.根据权利要求1所述的燃烧设备，其中，所述台阶是L形轮廓的形状。
10.根据权利要求9所述的燃烧设备，其中，设置成穿过至少一个台阶的所述至少一个第一孔设置到L形的所述台阶的短侧部。
11.根据权利要求1所述的燃烧设备，其中，所述燃烧室的旋转运动是脉动的。
12.根据权利要求10所述的燃烧设备，其中，所述燃烧室的旋转运动是脉动的。
13.根据权利要求11或12所述的燃烧设备，其中，所述燃烧室的脉动的所述旋转运动是能根据燃料类型和/或尺寸调节的。
14.根据权利要求1所述的燃烧设备，其中，所述燃烧设备还包括进料设备，所述进料设备包括进料管、保护阀、输送装置、火焰控制系统和/或熄火装置，所述进料设备用于将所述燃烧燃料供给至所述燃烧室中并且用于控制供给和/或点火过程。
15.根据权利要求13所述的燃烧设备，其中，所述燃烧设备还包括进料设备，所述进料设备包括进料管、保护阀、输送装置、火焰控制系统和/或熄火装置，所述进料设备用于将所述燃烧燃料供给至所述燃烧室中并且用于控制供给和/或点火过程。
16.根据权利要求1所述的燃烧设备，其中，所述燃烧设备还包括点火装置，所述点火装置用于通过加热所述燃烧空气来点燃所述燃烧燃料。
17.根据权利要求16所述的燃烧设备，其中，所述点火装置是电的和/或线绕的电阻器。
18.根据权利要求15所述的燃烧设备，其中，所述燃烧设备还包括点火装置，所述点火装置用于通过加热所述燃烧空气来点燃所述燃烧燃料。
19.根据权利要求18所述的燃烧设备，其中，所述点火装置是电的和/或线绕的电阻器。
20.根据权利要求1所述的燃烧设备，其中，所述次燃烧空气用于从所述燃烧室中移除燃烧气体。
21.一种用于使用根据任一前述权利要求所述的燃烧设备燃烧颗粒状固体燃料的方法，所述方法包括至少下列的阶段：
将颗粒状固体的、被点燃的燃料供给至所述燃烧室的起始处；
将所述燃烧室设置成进行旋转运动，以用于通过形成所述燃烧室的所述内表面的所述台阶来提升燃料；
在大致平行于和/或沿着所述燃烧室的周缘的方向上将所述主燃烧空气提供至所述燃烧室中，以用于在所述燃烧室中燃烧和移动所述燃烧燃料；
在大致平行于所述燃烧室的旋转轴线的方向上将所述次燃烧空气提供至所述燃烧室中，以用于从所述燃烧室中移除完全燃烧的燃料和/或燃烧气体。
22.根据权利要求21所述的方法，还包括下列阶段：
通过设置成穿过所述燃烧设备的后燃烧部件的一个或多个第三孔而在所述后燃烧部件的大致径向的方向上将燃烧空气提供至所述燃烧室的端部中，以用于保证所述燃烧燃料和/或所述燃烧气体的完全燃烧。
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