高效生物質(zhì)直燃爐的設(shè)計(jì)

張麗娜，文美純，李真西，劉吉普

（湖南應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，湖南常德415000）

高效生物質(zhì)直燃爐的設(shè)計(jì)

張麗娜，文美純，李真西，劉吉普

（湖南應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，湖南常德415000）

在分析了生物質(zhì)燃燒過(guò)程的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種新型戶用高效生物質(zhì)直燃爐。該爐點(diǎn)火方便、操作簡(jiǎn)單、節(jié)能安全，一次風(fēng)、二次風(fēng)配風(fēng)系統(tǒng)分開(kāi)，對(duì)燃料無(wú)苛刻要求，配有星型給料機(jī)可根據(jù)燃料用量隨時(shí)添加。該爐有利于優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，改善農(nóng)村生態(tài)環(huán)境，市場(chǎng)前景廣闊。

生物質(zhì)；直燃爐；配風(fēng)系統(tǒng)；星型給料機(jī)；燃燒器

生物質(zhì)能是太陽(yáng)能以化學(xué)能的形式儲(chǔ)存在生物中的一種可再生能源，具有氧氫元素含量高、揮發(fā)性高、炭活性高、N和S含量低、灰分低，點(diǎn)火性能較好等特點(diǎn)[1]，特別適合燃燒轉(zhuǎn)化利用。我國(guó)生物質(zhì)資源極為豐富，每年有約6億噸廢棄物可用作生物質(zhì)能源的開(kāi)發(fā)和利用。由于我國(guó)農(nóng)村分布范圍廣泛，經(jīng)濟(jì)發(fā)展差異性大，以廢棄農(nóng)作物為主的生物質(zhì)能源是農(nóng)村生活中的主要能源。

目前，我國(guó)農(nóng)村使用的生物質(zhì)炊事?tīng)t主要有土爐灶和全氣化爐具。土爐灶建造技術(shù)粗糙，生物質(zhì)在爐膛內(nèi)直接燃燒，炊事過(guò)程中損失大量的熱能，同時(shí)還嚴(yán)重污染空氣、不易封火[2]。全氣化爐具是將生物質(zhì)完全氣化后作為能源，燃燒其產(chǎn)生的可燃?xì)怏w。該爐雖解決了土爐灶的部分缺點(diǎn)，但燃燒過(guò)程中產(chǎn)生大量污染環(huán)境的焦油，而且對(duì)原材料的密度要求較高，燃燒過(guò)程不穩(wěn)定[3]。

本文介紹一種以秸稈、木柴、柴草、稻殼、樹(shù)枝、壓塊燃料等農(nóng)林剩余物為原料的高效生物質(zhì)直燃爐設(shè)計(jì)，該直燃爐避免了現(xiàn)有生物質(zhì)炊事?tīng)t的缺點(diǎn)，點(diǎn)火方便、操作簡(jiǎn)單、節(jié)能安全，一次風(fēng)和二次風(fēng)配風(fēng)系統(tǒng)分開(kāi)，對(duì)燃料無(wú)苛刻要求，配有星型給料機(jī)可根據(jù)燃料用量隨時(shí)添加，具有大范圍推廣的優(yōu)勢(shì)及前景。

1 生物質(zhì)燃燒過(guò)程

生物質(zhì)能是太陽(yáng)能以化學(xué)能的形式儲(chǔ)存在生物中的一種可再生能源，其氧元素和氫元素含量高，固定碳含量在10%～15%之間，含水量較高，點(diǎn)火性能較好，能量密度小[4]。生物質(zhì)能的燃燒過(guò)程是復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，包含預(yù)熱（水分蒸發(fā)）；高溫加熱發(fā)生熱解（產(chǎn)生揮發(fā)分和焦炭）；揮發(fā)分燃燒、焦炭（固定碳）燃燒、燃盡等過(guò)程[5]。各階段燃燒特點(diǎn)如下：

（1）預(yù)熱階段。由于生物質(zhì)含水量較高，在熱輻射的作用下其溫度逐漸升高，隨著溫度的升高所含水分被蒸發(fā)出來(lái)。此過(guò)程產(chǎn)生了大量的煙氣，導(dǎo)致熱損失較高。

（2）分解階段。生物質(zhì)內(nèi)部的半纖維素、纖維素和木質(zhì)素在此階段隨著溫度的繼續(xù)升高開(kāi)始分解揮發(fā)。

（4）焦炭（固定碳）燃燒階段。當(dāng)達(dá)到一定溫度，生物質(zhì)內(nèi)的固定碳與氧氣發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)一步加速燃燒而釋放出熱能。

（5）焦炭（固定碳）燃盡階段。隨著焦炭的燃燒，產(chǎn)生的灰分逐漸把剩余焦炭包裹起來(lái)，阻礙含氧空氣向其內(nèi)部擴(kuò)散，從而妨礙焦炭繼續(xù)燃燒，降低了焦炭的燃燒速度。

2 高效高效生物質(zhì)直燃爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

2.1 結(jié)構(gòu)分析

高效生物質(zhì)直燃爐（見(jiàn)圖1）主要由料斗1、星型給料機(jī)2、進(jìn)水管3、爐膛4、保溫層5、外殼6、出灰和一次風(fēng)口7、爐篾8、熱水出口9、水箱10、二次風(fēng)進(jìn)口11、二次風(fēng)道12、煙囪13、燃燒器14等部件構(gòu)成。

高效生物質(zhì)直燃爐的爐膛是為生物質(zhì)原料提供燃燒、熱解的地方，爐膛的大小、形狀和保溫等決定了生物質(zhì)原料的燃燒能否充分進(jìn)行、熱傳遞的效率和燃燒效率的高低。本爐將一次風(fēng)、二次風(fēng)配風(fēng)系統(tǒng)分開(kāi)，一次風(fēng)主要利用煙囪抽力由進(jìn)料口提供，這樣一次風(fēng)能均勻地進(jìn)入生物質(zhì)燃料層，與爐膛內(nèi)炭化物進(jìn)行接觸，供給焦炭（固定碳）燃燒階段和焦炭（固定碳）燃盡階段充足的氧氣，使該處焦炭（固定碳）耦合燃燒進(jìn)一步加速燃燒釋放熱能。完成生物質(zhì)燃料的直接燃燒。設(shè)置的二次風(fēng)道，可利用爐膛的余熱將二次風(fēng)加熱，加熱后的二次風(fēng)與可燃?xì)庠谌紵魈幊浞只旌虾笕紵涌炝嘶瘜W(xué)反應(yīng)，同時(shí)使未反應(yīng)的氣體參與燃燒，提高爐膛子的燃燒效率。為保證爐膛燃燒溫度高、熱流密度大、燃燒均勻，高效生物質(zhì)直燃爐過(guò)量空氣系數(shù)設(shè)為1.4，防止由于生物質(zhì)揮發(fā)分含量高，燃燒時(shí)先析出的大量揮發(fā)份在爐膛上部燃燒，產(chǎn)生較多的C02影響爐膛的熱效率。通過(guò)調(diào)整星型給料器電機(jī)的轉(zhuǎn)速，可隨時(shí)按需自動(dòng)給爐膛添加燃料用量。在二次風(fēng)道與出料管口處設(shè)一連通管，通入適量的二次風(fēng)以加速生物質(zhì)的流動(dòng)，防止在喂入過(guò)程中發(fā)生堵塞現(xiàn)象。

2.2 主要部件設(shè)計(jì)

（1）爐膛。高效生物質(zhì)直燃爐設(shè)計(jì)利用了生物質(zhì)氣化技術(shù)和反燒技術(shù)原理，爐膛為上下部分為圓錐、中間夾一圓柱形的結(jié)構(gòu)，爐膛體積的大小足以滿足普通家庭每天3～5 kg的用料，原料進(jìn)入爐膛的通道位于爐膛的上部圓錐處。爐膛的底部為出灰室、一次通風(fēng)口，上部為燃燒器和二次風(fēng)口。

基于冷凍水的數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)在以下條件下可以達(dá)到能效峰值：（1）采用變速設(shè)備；（2）根據(jù)制冷系統(tǒng)所服務(wù)的數(shù)據(jù)中心的熱負(fù)荷對(duì)所有子系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化控制。當(dāng)變速冷凍主機(jī)、泵、冷卻塔風(fēng)機(jī)的運(yùn)行與采用EC風(fēng)機(jī)（電子控制自動(dòng)啟/停切換風(fēng)機(jī)）技術(shù)的冷凍水制冷CRAC機(jī)組的運(yùn)行相互協(xié)同時(shí)，冷卻系統(tǒng)的效率將大大提高。目前的數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)是基于以下子系統(tǒng)運(yùn)行的，每個(gè)子系統(tǒng)具有自己獨(dú)立的PID（比例微積分）反饋回路。

（2）進(jìn)風(fēng)系統(tǒng)。爐膛的底部為出灰室、一次風(fēng)風(fēng)口，爐篾設(shè)置在爐膛下部通風(fēng)口上方，一次進(jìn)風(fēng)系統(tǒng)中設(shè)置有調(diào)節(jié)風(fēng)量的風(fēng)門(mén)，可根據(jù)焦炭（固定碳）燃燒階段和焦炭（固定碳）燃盡階段的燃燒狀態(tài)，調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)開(kāi)度大小來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)量大小。

在煙囪的抽力作用下，未燃燒的氣體會(huì)隨煙氣快速排出爐膛，將浪費(fèi)掉大量的能量，對(duì)爐膛的熱效率造成影響。本爐在爐膛的外壁上部設(shè)置了二次風(fēng)道，利用爐膛的余熱將二次進(jìn)風(fēng)加熱。而二次風(fēng)的擾動(dòng)加快了化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)使未反應(yīng)的氣體參與燃燒，提高爐膛子的燃燒效率。

（3）進(jìn)料口。高效生物質(zhì)直燃爐的另一重要部分為爐膛的進(jìn)料口，本爐膛進(jìn)料口的位置采用的方式為頂部加料，料口設(shè)置在二次通風(fēng)口的上方圓錐上，為滿足生物質(zhì)堆積角料斗設(shè)計(jì)為倒錐形。通過(guò)調(diào)整星型給料器電機(jī)的轉(zhuǎn)速，可隨時(shí)按需自動(dòng)給爐膛添加燃料用量。為防止在喂入過(guò)程中發(fā)生堵塞現(xiàn)象，在二次風(fēng)道與出料管口處設(shè)一連通管，通入適量的二次風(fēng)以加速生物質(zhì)的流動(dòng)。

（4）煙囪。通常而言，抽力的大小與煙囪的高度呈現(xiàn)出較為明顯的正比關(guān)系，抽力會(huì)直接受到煙囪放置位置和煙囪高度的影響，為保證爐膛內(nèi)空氣流動(dòng)，應(yīng)使生物質(zhì)內(nèi)煙氣流動(dòng)所產(chǎn)生的阻力略大于抽力。根據(jù)相關(guān)的設(shè)計(jì)手冊(cè)和國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)，煙囪高2 m，直徑為50 mm的圓筒形。

（5）保溫。為了降低熱損失并且能夠提高爐膛熱效率及其溫度，高效生物質(zhì)直燃爐的外層裝有40 mm保溫材料。

3 實(shí)際應(yīng)用效果

高效生物質(zhì)直燃爐的實(shí)際應(yīng)用效果與土爐灶和全氣化爐具對(duì)比如下：

（1）燃燒效率。本文研究的高效生物質(zhì)直燃爐由于結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和二次風(fēng)的通入，和僅簡(jiǎn)單通入一次風(fēng)的土爐灶相比，由簡(jiǎn)單的熱力學(xué)計(jì)算可得其燃燒效率提高40%以上；和全氣化爐具比較，其燃燒效率略有降低，由相關(guān)研究可得降低率在10%左右，但其燃燒穩(wěn)定性比全氣化爐具要好很多。

（2）熱能利用率。與土爐灶比較本文所研究直燃爐提高的熱能利用率可達(dá)50%以上，與全氣化爐具相比其熱能利用率也可提高15%以上。

（3）對(duì)原材料的要求。與土爐灶和全氣化爐具對(duì)比，高效生物質(zhì)直燃爐不僅可應(yīng)用的燃燒原材料范圍更為廣泛，而且不需要對(duì)原材料進(jìn)行特殊的加工，故而其性?xún)r(jià)比更好。

（4）環(huán)境保護(hù)。本文研究的直燃爐由于燃燒效率和熱能利用率的提高、原材料要求的降低和燃燒過(guò)程的穩(wěn)定性，其產(chǎn)生的對(duì)空氣的粉塵和焦油等環(huán)境污染物大為下降。

4 結(jié)束語(yǔ)

高效生物質(zhì)直燃爐具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）生物質(zhì)燃料在爐膛底部進(jìn)行直接燃燒，燃燒時(shí)無(wú)煙塵和焦油，燃料能夠完全燃燒，燃燒殘余物少。

（2）設(shè)計(jì)的一次風(fēng)、二次風(fēng)配風(fēng)系統(tǒng)分開(kāi)。一次風(fēng)主要利煙囪抽力由進(jìn)料口提供，完成生物質(zhì)燃料的直接燃燒。供給加熱后的二次風(fēng)，促進(jìn)燃燒器處可燃?xì)馀c空氣充分混合燃燒。

（3）點(diǎn)火方便、操作簡(jiǎn)單、使用安全、對(duì)燃料無(wú)苛刻要求，爐體采用保溫隔熱設(shè)計(jì)，無(wú)安全隱患，且可以封火。

（4）亦可一次性添加或根據(jù)用量添加，并且燃料不需特殊處理。

（5）占地小，可隨意擺放，使用方便，隨點(diǎn)隨用，火力大小可調(diào)；適用于炒菜、做飯、洗浴、取暖。

（6）利用普通材料制作，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，成本較低，市場(chǎng)前景廣闊。

[1]吳創(chuàng)之，馬隆龍．生物質(zhì)能現(xiàn)代化利用技術(shù)[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

[2]江淑琴．生物質(zhì)燃料的燃燒與熱解特性[J]．太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，1995，16（1）：40-48.

[3]羅冰，何芳，張永健，等．小型生物質(zhì)直燃供熱技術(shù)研究進(jìn)展[J]．生物質(zhì)化學(xué)工程，2013（4）：37-40.

[4]王香愛(ài)．生物質(zhì)能的轉(zhuǎn)化和利用研究[J]．化工科技，2009（1）：51-55.

[5]李鵬，吳杰，王維新．戶用型上吸式生物質(zhì)氣化爐的改進(jìn)設(shè)計(jì)[J]．農(nóng)機(jī)化研究，2008（5）：76-78.

Design of High Efficiency Biomass Direct Fired Furnace

ZHANG Li-na，WEN Mei-chun，LI Zhen-xi，LIU Ji-pu
（Hunan Institute of Applied Technology，Changde Hunan 415000，China）

Based on the analysis of biomass combustion process，a new type of high efficiency biomass direct fired furnace was designed.The ignition operation is convenient and simple，energy saving and safety of the furnace，a wind，the two air distribution system separately，no strict requirements for fuel，with a star shaped feeder can be added at any time according to the amount of fuel.The furnace is conducive to optimizing the energy structure，improving the rural ecological environment，broad market prospects.

biomass；direct-fired furnace；air distribution system；star feeder；burner

TK229.91

A < class="emphasis_bold">文章編號(hào)：1

1672-545X（2017）05-0072-02

2017-02-28

本項(xiàng)目獲湖南省教育廳（14C0767）和湖南應(yīng)用技術(shù)學(xué)院（XYBK2014002）資助

張麗娜（1987-），女，河南鶴壁人，碩士，主要從事節(jié)能與環(huán)保技術(shù)研究。