新型家用蜂窩煤爐的設計及其機理初探

劉明康

摘 要：本文將對新型家用蜂窩煤爐的運行機理和設計方案進行分析。首先介紹了新型家用蜂窩煤爐的結構特點、燃燒機理以及傳熱機理。在此基礎上，對新型家用蜂窩煤爐進行優(yōu)化設計，主要包括二次進風改造措施、送風和引風比例調節(jié)、爐芯設計方案以及節(jié)能設計方案等，一起提高新型家用蜂窩煤爐的運行效率和節(jié)能性。

關鍵詞：新型家用蜂窩煤爐；運行機理；優(yōu)化設計方案

新型家用煤爐目前在農村家庭供暖中得到了廣泛應用，是農村居民自主供暖的重要方式。新型家用煤爐的外殼有磚砌和鐵皮等形式，以蜂窩煤作為燃料，燃煤熱效率較高，有利于降低環(huán)境污染，提高燃煤經濟性。對新型家用蜂窩煤爐的設計方法和運行機理進行分析，有利于促進新型家用煤爐的推廣，使用新型家用蜂窩煤爐代替?zhèn)鹘y(tǒng)煤爐，達到節(jié)約資源、保護環(huán)境的目的。

一、新型家用蜂窩煤爐的運行機理

（一）新型家用蜂窩煤爐的結構特點

新型煤爐采用回風式設計思想，整個煤爐呈筒狀結構，直徑為310mm，高450mm，外殼使用磚砌或金屬外殼，外接煙囪，可以防止屋內空氣污染。煤爐上部設置有爐臺，可以用于燒水或做飯，兼具取暖功能，可供一般農村單間樓房使用。新型家用蜂窩煤爐主要由上煙囪、提火圈、支架圈、爐口護面板、耐火土表面層、保溫層、耐火土爐芯、爐篦、下爐門等部分組成。新型家用蜂窩煤爐的燃煤熱效率顯著提升，每年可節(jié)省煤料430公斤，而且熱速率高，水燒開的時間僅需7分鐘左右，相比于傳統(tǒng)煤爐具有節(jié)能、環(huán)保、高效等諸多優(yōu)勢[1]。

（二）新型家用蜂窩煤爐的燃燒機理

煤的燃燒過程較為復雜，同時涉及到物理和化學變化。其燃燒過程主要包括煤的預熱和干燥階段、焦炭形成階段、可燃氣體的燃燒反應階段以及灰渣形成階段等。在實際燃燒過程中，各階段交互進行，燃燒效果主要受煤爐結構以及操作方式影響。煤不充分燃燒會產生有毒氣體一氧化碳，同時會消耗大量熱量，造成熱量損失。為達到充分燃燒的目的，必須確保空氣供應及時，并保證爐內保持較高溫度。新型家用蜂窩煤具有自然吸風作用，采用上下可調式爐門控制空氣供應量，可以保證空氣供應充足，同時避免發(fā)生熄爐現象[2]。

（三）新型家用蜂窩煤爐的傳熱機理

為了充分利用煤燃燒產生的熱能，要確保熱能有足夠時間被爐膛吸收，爐口與受熱面的距離應適中，并通過擴大受熱面積提高燃煤的熱效率。新型家用蜂窩煤爐增加了提火圈和支架圈對煤爐傳熱機制進行調節(jié)，可以確保爐內人能有足夠時間被吸收，使爐口保持足夠高的溫度，同時確保排煙溫度較低，熱能被充分利用。

二、新型家用蜂窩煤爐的優(yōu)化設計方案

（一）二次進風改造措施

傳統(tǒng)家用煤爐爐口溫度較低的主要原因是爐口裝置欠佳和沒有二次進行措施。因此，要提高煤爐爐口溫度，一方面要挖掘爐口裝置的潛力，另一方面要對其進行二次進行改造。可采用增加蓄熱板或增加火油爐的二次進風改造措施，提高爐口溫度，進而提高燃煤效率。

（二）爐芯設計方法

爐芯是新型家用蜂窩煤爐的關鍵構建，采用優(yōu)質材料制作爐芯，可以有效提升爐瓦的最高溫度和爐口的最高溫度。本次設計采用粘土制成的生爐瓦，相比于耐火土材料制成的熟爐瓦，爐瓦最高溫度可提升100℃左右，爐口最高溫度可提升150℃左右。

（三）送風和引風比例調節(jié)

在煤爐燃燒運行過程中，要調節(jié)好送風和引風的比例。新型煤爐采用下點火方式，設置有下爐門、爐口溫度測試點以及排煙溫度測試點，方便對爐溫和空氣供應情況進行調節(jié)。在旺火燃燒下，下爐門的面積應與通風界面劑相等，從而獲得較好的熱控制能力。可以將上下爐門的最大開度均設計為27cm.2。

（四）節(jié)能環(huán)保設計方案

從節(jié)能環(huán)保角度出發(fā)，上燃式煤爐比下燃式煤爐更有利于減少對環(huán)境的污染，而且可以提高燃煤熱效率。兩種煤爐的燃燒機理不同，上燃式蜂窩煤的最上層煤灰溫度約為600～800℃，第二層氧化層溫度為600～1100℃，第三層干餾層溫度為300～600℃。可以確保在蜂窩煤燃燒過程中，二氧化碳不會被還原成一氧化碳。此外還能使燃煤過程中產生的SO2等有害氣體以CaSO4和MgSO4的形式留在灰渣中，從而達到降低熱量損耗，保護環(huán)境的目的。隨著上燃式煤爐技術的逐漸成熟，農村家用蜂窩煤爐應采用上燃式煤爐代替?zhèn)鹘y(tǒng)的下燃式煤爐，從而滿足社會的可持續(xù)發(fā)展要求。

三、結語

綜上所述，新型家用蜂窩煤爐采取節(jié)能性設計方案，可以提高煤爐運行的燃燒效率和傳熱效率，從而達到節(jié)約能源、降低能耗的目的。通過合理設計煤爐結構，增加二次進風設施，可以提高確保煤爐空氣的穩(wěn)定供應，使爐內保持足夠的溫度，進而確保煤的充分燃燒，避免產生一氧化碳和二氧化硫等有毒氣體。此外，通過對上下爐門面積進行均等設置，可以達到調節(jié)送風和引風比例的目的。

參考文獻：

[1]徐大為，王昆能，胡浪，孫先波.基于溫差發(fā)電的智能柴煤爐設計[J].湖北民族學院學報（自然科學版），2016，34（02）：207-209+240.

[2]劉治寶.威索燃燒器在熱煤爐系統(tǒng)中的安全使用設計[J].遼寧工程技術大學學報（自然科學版），2011，30（S1）：173-175.