通过燃料燃烧产生热流体的优化方法和系统
技术领域
本发明涉及一种通过燃料燃烧产生热能的优化方法，该方法包括使旋风分离器内的固体颗粒物和粉尘的减排步骤。根据本发明的一个方面，这种方法被应用于所有燃料。
本发明还涉及一种适于执行上述方法的系统。
背景技术
在本领域中，用于产生热能的方法是已知的，这些方法使用包括固体、液体或气体燃料热发生器的设备来获得加热的热交换流体。
这样的设备可以小规模生产，在这种情况下，它们由设计用于产生热水的家用或民用的常规锅炉组成，或者可以工业规模制造并设计用于产生热水、过热水(温度约为110℃)和饱和或过热蒸汽(用于发电)。
在用于工业用途的热发生器的情况下，用于产生饱和或过热蒸汽的方法通常包括通过输送机将燃料输送到燃烧室的第一步骤。
然后，在进入燃烧室时，燃料分布在点火系统的表面上，在该点火系统的附近具有燃烧器。
一旦点燃燃烧器，燃料便开始在燃烧室内部进行燃烧，从而产生高温废气流，该废气流向燃烧室顶部上升。
过热单元或库(banks)位于燃烧室的顶部，或者位于相邻的燃烧室内，并与之连通。这些过热单元通常为热交换器的形式，在热交换器中通常流动有热交换液体(通常是水)。常规地，所述液体被废气流加热(以及在过热单元也位于燃烧室顶部的情况下，被辐射加热)。通常，过热单元在约650℃的平均工作温度下与气流接触，所述温度还取决于所使用的燃料的类型。
为了使污染排放最小并且在必要时回收未燃烧的燃料颗粒，在与上述过热单元进行热交换之后，可以借助于旋风分离器或多级旋风分离器对废气流进行减排(abatement)步骤。洗涤器、静电除尘器和/或袋式除尘器、反应器或设备所需的其他装置可以安装在所述设备的下游。
在设备的生命周期中，燃烧过程中产生的大量固体颗粒物和灰尘积聚在形成交换和过热单元、并暴露于所产生的废气流中的管道外表面。
固体物质在这些管道上的积累首先且最重要地导致从这些管道的壁(通过与气流的接触而加热)到热交换流体的热传导效率降低，从而降低了锅炉的整体效率。
此外，在极端情况下，可能形成永久性障碍物，其阻止气体流穿过布置有过热单元的区域，从而对整个设备的运行产生负面影响。
为了避免灰尘过多地积聚在过热单元的管道上，在一些设备中安装了吹灰机；借助于这种类型的机械，可以产生压缩空气流。
这些吹灰机被周期性地并且通常是自动地启动，并且加压空气流被引导朝向过热单元的管束，以去除一部分固体物质和沉积在其上的燃烧灰。
在任何情况下，使用吹灰机以及去除积聚在过热单元的管道上的物质的步骤都不能解决上游的问题，在任何情况下都需要经常定期地清洁设备，导致停工期。
为了减少在燃烧过程中产生的固体物质与热交换和过热库之间的接触，可以在它们之间设置沉降室。沉降室可以保留/存储灰尘。
因此，根据现有技术，绝热燃烧室可以是以下两种类型：
单体型，包括焚化室和灰尘存储装置；或
焚化室和单独的灰尘存储室，通过膨胀(expansion)使灰尘沉淀，从而降低温度(可以通过壁回收热量)。
在任何情况下，该解决方案都具有主要缺点，首先并且最重要的是需要在灰尘沉淀和积累在所述灰尘存储室的底部中后，再以机械方式将其去除(同时停止设备)。
此外，考虑到存在于由废气流输送的固体物质中的约30-40％的粉尘的平均直径在2至100μm之间，因此使用沉降室不能适当地清除较细的粉尘颗粒。
因此，在该领域中需要开发一种克服上述解决方案的缺点的方法。
因此，本发明所基于的技术问题是开发一种通过燃料燃烧进行能量回收的方法以及一种能够执行该方法而无需频繁地定期停工以清洁形成系统的不同单元的系统，并清除内部累积的灰尘和固体物质。
发明内容
根据本发明，该技术问题通过用于产生通过燃料燃烧而加热的流体的创新方法来解决，所述方法包括以下步骤：
a)在包括燃烧室的炉中燃烧所述燃料，从而产生包含悬浮固体颗粒物的废气流；
b)将所述废气流转移到位于所述燃烧室外部的至少一个旋风分离器；
c)使所述废气流在所述至少一个旋风分离器内经受所述固体颗粒物的强制减排，从而获得净化的废气流和包含所述固体颗粒物的固体沉淀物；
d)将所述净化的废气流转移到热交换单元，热交换流体在所述热交换单元中流动；
e)在所述净化的废气流和所述热交换流体之间进行间接热交换，从而获得冷却的净化的气体流和加热的热交换流体。
此外，上述废气流可包括燃烧或未燃烧的颗粒。
热交换流体优选由水或导热油组成。
前述燃料可以由任何适合在炉中燃烧的材料组成；仅作为非限制性实例，提及以下材料：非危险性质的城市、工业或特殊废物的干燥成分(塑料、纸张、纺织纤维和/或类似物)；来自农业/食品工业的废料(例如核桃壳、榛子壳、稻壳、果核、橄榄果渣(olive-pomace)、玉米芯、麦秸、谷类废弃部分(cereal kernel rejected parts)、甘蔗茎、果渣和葡萄籽)，来自木材加工业的废物(木屑、破碎的树皮、胶水或油漆处理过的木材复合物、切碎的树枝、刨花和锯末)，植物原料的生物质以及化石燃料。
因此，根据上述方法，可以在气体流与热交换单元(在热交换液体是水的情况下，通常称为过热单元或过热库)接触之前，进行用于由废气流输送的固体颗粒物和灰尘的减排由废气流输送的固体颗粒物和灰尘的步骤，避免了必须通过沉降室执行沉淀步骤，而具有不必进行该步骤的所有优点，这将在下面更详细地说明。
在任何情况下，根据本发明的方法的主要技术成果是在将废气流引入加热的热交换流体的发生器中并与位于其中的热交换单元接触之前显著减少了由废气流输送的悬浮固体颗粒物。
因此，通过在至少一个旋风分离器中执行用于废气流的引入和减排的步骤，不仅能够获得与借助保留了携带有悬浮的固体颗粒物的气体的沉降室的减排步骤相比在数量上要大得多的减排水平，而且设备的运行可以或多或少地连续进行，而无需频繁的周期性停工来排空减排区(abatement zone)。
实际上，如根据本发明的方法所设想的，借助于至少一个旋风分离器，当粉尘积聚在至少一个旋风分离器内部时，可以将其不断地收集和去除，而不必停止用于执行根据本发明的方法的系统。
优选地，前述方法的步骤a-d在绝热条件下进行。
有利地，在绝热条件下进行前述方法的步骤a-d对于获得以下优点是有益的。
首先，废气流在到达所述至少一个旋风分离器之前或在所述至少一个旋风分离器内不发生任何冷凝现象，这样在所述旋风分离器内几乎可以完全收集固体颗粒，并且避免形成不想要的焦油沉淀物。
然后，当由此获得的从所述至少一个旋风分离器排出的净化气体与热交换单元的管接触时，几乎所有由燃料燃烧产生的热量都可以转移到在热交换单元内流动的热交换流体中。
优选地，废气流和净化的废气流具有高于300℃的温度。
更优选地，废气流和净化的废气流的温度高于400℃，甚至更优选高于450℃。
根据一个优选的实施方案，废气流和净化的废气流的温度高于600℃，优选等于或高于650℃。
以同样优选的方式，废气流和净化的废气流具有大致相同的速度。
优选地，在根据本发明的方法中，借助于优选平行布置的至少两个旋风分离器进行步骤b)和c)。
优选地，根据本发明的方法的至少一个旋风分离器可以采取并行运行的两个具有相同体积和每小时处理量(throughput)的旋风分离器的形式。
实际上，通过在至少两个旋风分离器中执行废气流的引入和减排步骤，与通过沉降室进行的减排步骤相比，可以获得在数量上甚至更大的减排水平。
此外，通过并行运行，即使在至少两个旋风分离器之一发生故障或损坏的情况下，至少两个旋风分离器也可以允许设备连续地运行，而无需频繁周期性地停工来排空减排区。
以同样优选的方式，在根据本发明的方法中，借助于多级旋风分离器进行所述步骤b)和c)，即，根据本发明的方法的至少一个旋风分离器可以是多级旋风分离器。
使用多级旋风分离器还可以容易地消除直径最大为5μm的颗粒，甚至可以消除直径最大为2μm的颗粒。
此外，通过在多级旋风分离器(例如，包括9个旋风分离器的多级旋风分离器单元)中进行本发明的方法来增加旋风分离器的数量，不仅在分离效率方面而且在旋风分离器中的耗散功率方面都具有积极的效果，这意味着在设备容量和燃烧的燃料量相同的情况下更低的运行成本。
实际上，根据后一实施方案，当通过多级旋风分离器进行前述步骤b)和c)时，就分离效率而言，可以获得最佳性能(即，即使直径小至2μm的颗粒也可以很容易地收集到)，并且耗散功率尽可能低。
使用多级旋风分离器的选择取决于所产生的废气流输送的固体颗粒物的平均粒径，并因此取决于用作燃料的材料类型以及进行燃烧的条件。
根据本发明的方法可以进一步包括以下步骤：将这种加热的热交换流体、优选是饱和或过热的蒸汽或加热的导热油从热交换单元转移至发电系统或工业或民用领域的公用设施(仅作为非限制性示例，用于使用加热流体的房屋、工业设备的远程加热系统等)。
根据一个优选的实施方案，根据本发明的方法可以包括将冷却的废气流转移至预加热器的步骤，其中预加热器能够接收冷却的废气流并产生加热的空气流。
仍然根据该优选实施方案，所述加热的空气流可以被输送到炉并被进给到炉的燃烧室中作为可燃烧的空气流。
因此，该实施方案不仅提供了克服了本领域中遇到的问题的生产加热的热交换液体、优选饱和或过热的蒸汽或加热的导热油的方法，而且还提供了包括加热空气流的附加步骤和将空气流供应到燃烧室的步骤的方法，增加了根据本发明的方法的整体效率，并使燃料消耗最小化。
上述技术问题还通过原创的用于产生通过燃料燃烧而加热的热交换液体的新型系统来解决，其中该系统包括以下单元：
-炉，其包括燃烧室，所述燃烧室适于燃烧燃料，并产生包含悬浮的固体颗粒物的废气；
-至少一个旋风分离器，其与前述炉流体连通，适于所述悬浮的固体颗粒物的减排，其中，所述至少一个旋风分离器具有上部和底部，所述上部包括用于使来自所述炉的气体流进入的入口以及用于使净化的气体流从所述至少一个旋风分离器离开的出口，所述底部包括用于收集沉淀的固体颗粒物的料斗；
-加热的热交换流体的发生器，其与前述至少一个旋风分离器流体连通以接收所述净化的气体流，并且相对于所述至少一个旋风分离器布置在下游，其中，该加热的热交换流体的发生器为包括：热交换区，在所述热交换区中设有热交换单元，热交换流体在热交换单元的内部流动；以及用于冷却的废气流离开的排出口。
热交换流体优选是水或导热油。因此，在第一种情况下，加热的热交换流体的发生器优选是饱和或过热的蒸汽发生器。
更具体地，包括在根据本发明的系统中的炉包括：燃烧室的入口，通过该入口供应燃料；以及开口，用于将可燃烧的空气引入燃烧室中。
此外，燃烧室可依次包括燃烧区或点火系统以及用于输送废气流的区域，该区域位于燃烧区上方，并形成为将废气流向出口输送，以将废气流转移至位于燃烧室下游的至少一个旋风分离器。
详细地，规定根据本发明的系统中包括的炉和至少一个旋风分离器一起形成单个绝热室。
优选地，根据本发明的系统的至少一个旋风分离器由至少两个旋风分离器组成，所述至少两个旋风分离器更优选地平行布置。
优选地，根据本发明的系统的至少一个旋风分离器可以是多级旋风分离器。
优选地，上述热交换单元是常规的热交换器。
优选地，根据本发明的系统可以进一步包括入口管，该入口管用于将热交换流体转移到热交换单元并与其流体连通。
以类似的方式，这样的系统可以进一步包括出口管，该出口管用于将加热的热交换流体、优选地是过热蒸汽或饱和蒸汽或加热的导热油从热交换单元转移到发电系统(由于完全是常规而未示出)或者工业或民用领域的公共设施。
根据一个优选的实施方案，根据本发明的系统可以包括与上述排出口流体连通的加热的热交换流体的附加发生器，其用于接收冷却的废气流，其中，加热的热交换流的发生器包括热交换区，在热交换区中设有附加热交换单元，热交换流体在附加热交换单元内流动，并包括附加排出口，用于使进一步冷却的废气流离开。
此外，根据本发明的系统可以包括与附加热交换单元流体连通的附加出口管，其用于将加热的热交换流体、优选地加热的导热油或蒸汽从附加的热交换单元转移到发电系统(由于完全是常规而未示出)或工业或民用领域的公用设施。
根据另一个优选实方案，根据本发明的系统可以进一步包括预加热器，其位于加热的热交换流体的发生器或加热的热交换流体的附加发生器的下游，其中，该预加热器与加热的热交换流体的发生器的排出口流体连通或与附加发生器的附加排出口流体连通，并且能够接收冷却的废气流并产生加热的空气流。
更具体地，上述预加热器具有利用冷却的废气流中的余热并将其转移到因此被加热的空气流(优选地，来自大气的空气流)中的功能。
该加热的空气流可以通过与预加热器以及与炉的燃烧室的入口流体连通的集管(header)被送入燃烧室作为可燃烧的空气流。
本发明的其他特征和优点将从下面提供的参照附图通过非限制性示例提供的多个优选的实施方案的实施例的描述中显现。
附图说明
图1以示意图形式示出了根据本发明的用于产生通过燃料燃烧而加热的热交换流体的系统。
图2以示意图形式示出了根据本发明的用于产生通过燃料燃烧而加热的热交换流体的系统的不同实施方案。
具体实施方式
图1示出了整体用1表示的用于通过燃烧燃料来产生加热的热交换流体的系统，该系统包括炉2、位于所述炉下游的旋风分离器10和位于旋风分离器10下游的加热的热交换流体的发生器20。
炉2又包括燃烧室4和燃烧室的入口3，入口3被构造为便于将燃料引入燃烧室中。
此外，燃烧室4又包括燃烧区和用于将空气流引入燃烧室4的开口7。
燃烧室4在其内部可以具有点火系统，优选为炉排式点火器(grate-typeigniter)，该点火系统能够确保燃料的分配并在其上进行燃料的点火；由于该点火系统完全是常规的，因此未示出。
燃烧室还包括用于输送燃料燃烧之后产生的废气流的区域5，该输送区域5位于燃烧区4的上方，并且形成为将所述气流向出口6输送，以将废气流转移到位于燃烧室4下游并与之流体连通的旋风分离器10。
旋风分离器10是用于由气流输送的悬浮固体物质的减排的旋风分离器。旋风分离器10基本上具有倒转的锥形的形状，并且形成为具有上部11，上部11具有预先确定的直径的横截面；上部11包括：用于废气流的入口12；用于输送在离开旋风分离器10时被净化的废气流的内缸(由于完全是常规的而未示出)；以及用于排出净化的废气流并将所述流转移到加热的热交换流体的发生器20的出口18，加热的热交换流体的发生器20位于旋风分离器10的下游并且与其流体连通。
旋风分离器10还包括位于上部11下方的底部13；该底部13的横截面的直径小于上部11的直径。此外，底部13还包括料斗14，料斗14的形状方便来自上部11的沉淀的固体物质的滑动和收集。
如图所示，相对于旋风分离器10布置在下游的加热的热交换流体的发生器20尤其包括：用于将净化的废气流引入到热交换区22中的入口21，热交换区22又包括热交换单元23，热交换流体、优选是水或导热油在热交换单元23中流动；以及用于排出冷却的废气流的排出口24。
优选地，热交换单元23是常规的热交换器。
以同样优选的方式，根据本发明的系统1可以进一步包括入口管29，入口管29用于将热交换流体转移到热交换单元并与其流体连通。
以类似的方式，所述系统1还可以包括与热交换单元23流体连通的出口管28，出口管28用于将加热的热交换流体、优选加热的导热油或蒸汽从热交换单元23转移到发电系统(由于完全常规而未示出该发电系统)或用于工业或民用用途的公共设施。
不同地，图2示出了根据本发明的特定实施方式，在该特定实施方式中，系统1还包括与上述排出口24流体连通的加热的热交换流体的附加发生器40。
该附加发生器40能够接收该冷却的废气流，并且又包括入口31和热交换区41以及用于使进一步冷却的废气流离开的附加排出口39，在热交换区41中布置有附加的热交换单元38，热交换流体在附加的热交换单元38中流动。
相应地，图2所示的所述系统1还可以包括与附加的热交换单元23流体连通的出口管37，出口管37用于将加热的热交换流体、优选加热的导热油或蒸汽从附加的热交换单元23转移到发电系统(由于完全常规而未示出)或工业或民用领域的公用设施。
此外，图2所示的实施方式示出了与附加发生器40的排出口39流体连通的预加热器30，预加热器30能够接收冷却的废气流并产生将要被转移到炉2的燃烧室4中的加热的空气流。
更具体地，预加热器30同与开口7流体连通的集管35连通，以将空气流引入燃烧室4。
此外，预加热器30还具有用于向系统下游释放冷却的废气流的排出口31。
参照非限制性实施方式，根据本发明的系统的运行可以进一步解释如下。
将燃料引入炉2中，然后点燃燃料，产生包含悬浮固体颗粒物的废气流，将废气流转移到可平行布置的一对旋风分离器10中，在旋风分离器10中施加离心力并产生向下的螺旋运动。
因此，携带有悬浮固体物质的气体流经历减排步骤，因此这些悬浮在废气流中并由其运输的固体沉淀。
此后，由此产生并从旋风分离器输出的净化的废气流被转移到位于一对旋风分离器10下游的用于产生加热的热交换流体的单元20(具体地，蒸汽发生器)。
更具体地，用于产生加热的热交换流体的单元20包括一系列管式热交换器23，来自输水管道(aqueduct)的水在管式热交换器23内循环。在净化的废气流与在热交换器的管内循环的水之间进行间接热交换之后，产生蒸汽流和冷却的废气流。
在蒸汽发生单元20内部进行的检查确认，过热单元的管的外表面基本完好无损，并且在其上没有明显的固体物质沉积。
由于如上详细描述的根据本发明的方法和系统，因此可以克服如上所述的现有技术的问题，首先并且在最重要的是防止了在燃烧期间产生并由废气流将其输送到位于用于产生加热的热交换流体的单元中的热交换单元的悬浮固体颗粒物和粉尘的传输。
实际上，根据本发明，由于借助于至少一个布置在炉和用于产生加热的热交换流体的单元之间的旋风分离器进行的减排步骤，因此可以获得该技术优势，在炉内进行燃烧步骤，在该单元中发生该气体流和热交换流体之间的间接热交换。
与传统的减排室(abatement chamber)相比，通过至少一个旋风分离器进行的减排步骤具有许多技术优势，包括：
-维修停工时间更短；实际上，不需要长时间且过于频繁地清空用于存储沉淀的固体物质的区域，因为至少一个旋风分离器可以持续排出所述物质，而不会导致系统整体停工；
-进入至少一个旋风分离器的废气流的速度完全可以与离开同一单元的净化的废气流的速度相当，从而确保了更快的响应时间和更大的处理量；
-与进入至少一个旋风分离器的气体流相比，更有效和改善的减排产生了净化的废气流。
此外，与市场上存在的类似方法和系统相比，根据本发明的方法和系统可以获得明显更高的温度。实际上，由于进入用于产生加热的热交换流体的单元的废气流(其包含完全可忽略的悬浮固体量)可以被转移到位于所述用于产生加热的热交换流体的单元中的热交换单元，因此，在系统的生命周期中，不存在高温灰尘可能大量粘附在热交换单元的管道的风险。
