一種生物質燃料多功能一體爐具的設計

任洪忱

(黑龍江省農業機械工程科學研究院，哈爾濱 150081)

0 引言

在我國，農作物秸稈處理已經成為一個廣受關注的問題。將農作物秸稈制成生物質燃料，通過生物質燃料專用爐具，實現高效、低污染燃燒，將燃燒獲得的熱能加以綜合利用，用于村鎮生產、生活供能，能促進村鎮煤改生物質工程建設，改善村鎮生產生活環境，促進綠色宜居村鎮建設，是一種經濟、實用、環保的秸稈處理方式。

近些年，市場上陸續出現生物質炊事爐、生物質烤火爐等單一功能爐具及生物質炊事采暖爐、生物質炊事烤火爐等多功能爐具，但目前此類爐具多存在熱效率不高(炊事熱效率約30%左右，多功能綜合熱效率約70%)、煙氣氮氧化物含量高(NOX折算排放濃度>130 mg·m-3)、使用不方便(人工點火、填料等)、功能單一等問題。針對上述問題，有必要研制高效生物質燃料多功能爐具，提高生物質燃料綜合利用效率、降低污染物排放、提升爐具綜合性能。

1 總體設計方案

本生物質燃料多功能一體爐主要用于村鎮居民炊事、冬季采暖、燒炕等，設備主要設計參數：額定供熱量 25～45 kW；炊事水暖熱效率≥68%；綜合熱效率(炊事、水暖、燒炕)≥80%；NOX折算排放濃度≤130 mg·m-3。

鑒于生物質燃料易燃、熱值較低(秸稈壓塊熱值在14 650 kJ·kg-1左右)等物性，作為采暖使用，為提高爐具使用便捷性，配置自動供料系統是十分必要的。本生物質燃料多功能一體爐結構形式上由自動供料系統和主爐體兩部分構成，配置上除上述兩部分外，還配有控制系統，具體配置如圖1、圖2所示。自動供料系統負責為主爐體工作提供燃料，通過燃料在主爐體內的燃燒，實現炊事、供暖等多種功能，控制系統控制供料啟停、供料速度調節、自動點火、配風調節等。

1.自動供料系統；2.控制系統；3.主爐體；4.殘料盒；5.爐門；6.接灰斗；7.清渣口；8.防燙封皮

2 總體結構設計

按上述總體設計方案，進行爐具結構設計。

1.單向軸承；2.驅動裝置；3.機架；4.牽引鏈；5.二次配風風機；6.一次配風風機；7.滑輪組件；8.滑軌；9.托料板；10.撥料裝置；11.送料管；12.自動點火裝置；13.爐箅；14.燃燒室；15.風腔；16.清渣裝置；17.水箱；18.導煙板；19.煙道；20.出火口；21.二次配風裝置；22.送料管下吹風機構；23.料倉安全開關；24.撥料板；25.料箱蓋；26.固定料箱

2.1 供料系統結構設計

2.1.1 供料裝置結構設計

參考圖2所示，自動供料機構采用固定料箱、牽引式沿滑軌可移動托料板，原料放置于料箱內的托料板上方，通過托料板的向上移動推動原料向上移動。

傳統生物質顆粒爐螺旋供料一般要求生物質顆粒大小在8 mm以下，長度在3 cm以下，且生物質顆粒原料內不得混有大塊徑硬質雜質，否則可能對供料系統造成破壞。上述推料供料方式較傳統生物質顆粒爐螺旋供料方式優點為對生物質原料的廣泛適應性。

2.1.2 撥料裝置結構設計

利用上述供料裝置可將生物質原料向料箱頂部推進，要完成向爐體供料還需將推升的物料撥入送料管，進而送入爐膛燃燒室。

撥料裝置采用仿手工撥料方式，若干撥料板固定在輸送鏈上，呈環形分布，輸送鏈運行帶動各個撥料板完成撥料動作，輸送鏈具有一定撓性，因此撥料板撥料時不易發生卡料。

2.1.3 驅動裝置設計及計算

供料與撥料采用一套動力，控制系統控制驅動電機轉動，帶動牽引鏈向上拉動托料板，同時，驅動電機驅動撥料裝置將突出料箱口的生物質燃料逐漸推入送料管入口處。驅動裝置如圖3所示。

1.驅動電機；2.牽引鏈主動鏈輪；3.牽引鏈；4.撥料鏈輪；5.托料板；6.二級減速器

鑒于爐具工作需要，設計采用低速供料和相對高速撥料速度，采用1∶60減速電機驅動，減速電機轉速1∶1驅動撥料鏈輪(齒數Z1=15)，在牽引鏈驅動端加裝二級減速器，速比1∶36，減速電機轉速1∶1驅動二級減速器輸入端，二級減速器輸出端驅動牽引鏈主動鏈輪(齒數Z2=31)，撥料與供料線速度比為

根據設計額定供熱量 25～45 kW及炊事、供暖等多種功能需要，初步設計計算多檔供料控制參數，參見表1。

表1 擬設供料參數計算表

2.2 主爐體及功能設計

2.2.1 爐體及配風設計

參考圖2、圖4所示，爐體由燃燒室、自動點火裝置、爐箅、插板、出火口、灶口、配風裝置、水箱、煙囪口、爐門、接灰斗等構成，為實現低污染排放，采用兩次配風助燃，一次風由一次配風風機吹入風腔，透過爐箅孔隙從燃料底部吹入，補氧助燃。在燃燒室上部與出火口之間，安裝二次配風裝置，二次風由二次配風風機吹入，對燃料二次補氧助燃。

1.接灰斗；2.爐門；3.插板；4.燃燒室；5.水箱；6.出火口；7.灶口

2.2.2 炊事功能設計

在一、二次風的助燃下，燃料在燃燒室燃燒，產生的火及煙氣由出火口穿出，在位于出火口上方的灶口處放置炊具，即可實現炊事功能。

2.2.3 水暖及燒炕功能設計

水暖設計中，水箱為包圍在燃燒裝置及煙道外側的腔體結構，腔體內部貫通，換熱面多，燃燒熱量損失小，使用時貯水，通過吸收燃燒熱量及煙氣余熱加熱箱體內的水。水箱的進水口、出水口及泄壓口接入供暖系統，實現水暖功能。

煙氣與余熱由煙囪口(通炕接口)排入煙囪或炕體(實現燒炕功能)，最終排出室外。水暖及燒炕功能設計參考圖5、圖6。

1.進水口；2.煙囪口；3.防燙封皮；4.出水口；5.泄壓口；6.供暖系統

1.灶口；2.防燙蓋板；3.煙囪口(通炕接口)；4.炕體

2.3 控制系統設計方案

采用通過控制供料間隔時間與單次供料時長控制間歇供料量。固定料箱內缺料時，控制系統會提示，此時需停止供料系統工作，控制托料板向下移動至料箱底部；出于安全考慮，撥料驅動軸端驅動輪裝有單向軸承，保證托料板下移時，撥料裝置處于停止狀態。打開料箱蓋，撥料裝置整體可以繞撥料驅動軸轉動，為填料留出空間，且在固定料箱上裝有料倉安全開關，以確保填料時的人員安全。填料時，撥料裝置處于非工作位置，料倉安全開關處于斷路狀態，供料驅動裝置無法啟動，只有撥料裝置處于工作位置，料倉安全開關處于接通狀態時，方能啟動供料驅動裝置。

控制系統對爐體及燃燒的控制。自動點火的控制采用延時繼電器，點火完成后，點火裝置自動關閉；通過調節一二次風的風機轉速，控制供風量，調節燃燒空氣過剩系數，通過傳感裝置反饋，兼顧高效燃燒與低氮排放，燃燒溫度控制在800～900 ℃。

3 設備工作過程概述

工作前，在燃燒室內的爐箅上靠近自動點火裝置點火口處填入適量生物質燃料，插板處于關閉狀態，啟動控制系統點火按鈕，啟動一次配風風機、二次配風風機，延時一段時間后，觀察點火情況。點火成功后，啟動供料系統，生物質燃料沿管壁由燃燒室側壁入料口進入燃燒室，逐漸燃燒，根據需求調整供料及配風等參數。火及煙氣由出火口穿出，出火口上方灶口可放置炊事鍋具，實現炊事功能。余熱及煙氣沿導煙板與水箱頂部內壁之間通道至爐體下方，經煙囪口聯通的折形通道構成的煙道向煙囪口(通炕接口)移動，通過吸收燃燒熱量及煙氣余熱加熱箱體內的水，水箱的進水口、出水口及泄壓口接入供暖系統，實現水暖功能。剩余煙氣與余熱由煙囪口(通炕接口)排入煙囪或炕體(實現燒炕功能)，并最終排出室外。殘料盒用于回收從料箱內殘留的部分小殘渣顆粒、碎屑等。燃料燃燒后的爐灰由爐箅空隙排入接灰斗。煙道內爐體上層部分水箱側壁、導煙板上附著的灰渣可由灶口清理；導煙板側面直至煙囪口處的煙道截面呈矩形，四壁的灰渣由清渣裝置刮除，刮掉的灰渣落入煙道最底部，打開清渣口清除。生物質燃料多功能一體爐外觀如圖7所示。

圖7 生物質燃料多功能一體爐外觀

4 結語

按上述設計方案設計的生物質燃料多功能一體爐，具備炊事、水暖、燒炕等基本功能，還可根據用戶需要擴展開發烤火、生活熱水供應等功能，下一步要對爐具試制與試驗，測試考核設計指標，并通過試驗修正供料、點火、配風等參數。