生物質顆粒燃料取暖爐的結構設計

嚴永林，黃 俊，何一波

（中南林業科技大學 機電工程學院，湖南 長沙 410004）

0 引言

我國生物質資源豐富，包括農作物秸稈、林業廢棄物和禽畜糞便等生物質，折合標煤約達22億t[1]。生物質能的開發利用可改善能源的結構和生產、消費方式，減緩能源供應緊張和對環境污染的壓力，促進社會經濟的快速發展[2]～[5]。生物質取暖爐的應用可部分替代以電、煤及天然氣為燃料的取暖設備，減少化石燃料的利用。

在歐洲部分發達國家，生物質取暖裝置的商業化已較為普遍，技術已較為成熟，自動化程度高，操作簡單，使用安全。我國的生物質取暖裝置的研究技術起步較晚，取暖爐具的燃燒室結構及其合理的配風機構等關鍵技術尚須進一步地加以研究，以推動生物質能的開發利用[6]～[8]。

本文針對生物質燃料取暖爐的進料裝置、爐膛結構及配風裝置等進行了分析，并通過實驗研究設計出較為合理的生物質燃料取暖爐。

1 生物質燃料取暖爐整體結構及特點

生物質燃料取暖爐適用于房間面積不大的家庭冬季取暖，要求其外表美觀、經濟實用，燃燒煙氣和吹向室內的熱空氣的通道各自獨立，互不干擾。燃燒煙氣通過抽風機經煙囪排出室外；鼓風機將室內冷空氣吹向爐內換熱管，升溫后進入室內，提高房間溫度。顆粒燃料取暖爐主要由進料裝置、爐膛燃燒室、配風裝置、換熱裝置及其它輔助裝置組成，其整體結構如圖1所示。

圖1 生物質顆粒燃料取暖爐結構簡圖Fig.1 Biomass pellet fuel heating stove structure

進料機構:滾筒進料裝置將料倉落料口落下的燃料均勻地送到傾斜進料管道，然后送入爐膛底部燃燒盒，通過控制滾筒轉速調整進料量。

煙氣通道:抽風機將煙氣通過排煙管排到室外，使取暖爐密閉的爐膛保持微負壓工作。爐外空氣經進風管到達爐膛燃燒盒下部，在負壓作用下，經燃燒盒底部的爐排作為一次進風進入燃燒盒，與盒內木質顆粒混合助燃。煙氣經過換熱器換熱后，由煙道出煙口排出。

空氣通道:鼓風機將爐外冷空氣經換熱管吹向室內。

取暖爐的合理結構，對于提高燃料燃燒效率和換熱效率、延長可燃氣體在爐膛內滯留時間、防止結渣等是至關重要的[9]，[10]。為延長熱氣流在換熱器中的滯留時間，加設導風板與隔板，使熱流兩次經過換熱管，提高取暖爐的換熱效果。

2 生物質燃料取暖爐主要結構的設計

2.1 爐膛結構設計

爐膛由燃燒盒與外殼組成，其結構與大小對燃料的燃燒效率影響較大。取暖爐的功率決定了燃料進給量。設計爐膛時須求出每小時顆粒燃料的進給量，計算公式如下。

式中:B為秸稈生物質顆粒燃料消耗量，kg/h；Qar，net為秸稈生物質低位熱值，kJ/kg；Q1為有效利用熱量，kJ；η為取暖爐設計燃料利用率。

生物質顆粒燃料低位發熱量約為15 000 kJ/kg，取暖爐功率為5 kW，設計燃料利用率為85%，則取暖爐消耗燃料量為1.41 kg/h。

取暖爐工作強度由爐排面積熱強度qr和爐膛容積熱強度qv表示:

式中:qr為爐排面積熱強度，kW/m2；qv為爐膛容積熱強度，kW/m3；R為爐排的面積，m2；v為爐膛的容積，m3。

低壓小容量層燃爐的qr值為580 kW/m2，qv值為290～600 kW/m3。生物質燃料的揮發分含量為煤的2倍，燃燒時分解速度快，因此生物質取暖爐熱強度qr約為煤的一半，即qr=300～400 kW/m2，qv取250～500 kW/m3[11]。

爐排面積取值為0.014 7～0.020 3 m2；爐膛容積取值為0.011 8～0.023 5 m3。

爐膛由燃燒盒與爐膛外殼組成。燃燒盒為可取出的盒式結構；爐膛外殼由石棉夾板及耐高溫玻璃組成；燃燒盒遠離出料口一端略高，以防止顆粒燃料彈出燃燒盒（圖2，單位為mm，下同）。

圖2 爐膛結構簡圖Fig.2 Schematic diagram of stove structure

生物質燃燒分為固體燃燒與氣體燃燒兩部分，為提高燃料燃燒效率，取暖爐采用3次配風。燃燒盒為漏斗形（圖3）。

圖3 燃燒盒簡圖Fig.3 Schematic diagram of combustion box

如圖3所示，一次進風口位于爐排上，有利于顆粒成型燃料的燃燒，使揮發分快速從固體燃料中分解出來。二次進風口位于燃燒盒側下方，當燃燒盒底部有固體燃料堆積時，可輔助其燃燒，同時加大爐膛內氣流擾動，使氣體燃燒區域產生較大的旋流。三次進風口主要作用是加大氣流擾動，使可燃氣體與空氣充分接觸，提高燃燒效率，減少不完全燃燒熱損失。一次進風通道為主要進風通道，二、三次進風起輔助作用。選取3種進風口面積比分別為0.6∶02∶0.2，0.7∶0.2∶0.1和0.8 ∶0.1 ∶0.1 ，并改變傾斜角α。在風量與進料量相同時，爐膛內溫度越高說明燃料燃燒得越充分，從而得出最佳工況。

爐排位于燃燒盒底部。由爐膛的寬度所決定，爐排的寬度為80 mm，其長度由生物質燃料進給量及給料出口位置決定。爐排過長，燃料無法到達兩端；爐排過短，容易造成燃料推擠。本文選取爐排長度為200 mm。

綜上所述，爐排面積為0.016 m2，爐腔容積為0.0 2 m3。

2.2 爐膛配風設計

生物質顆粒燃料中的燃燒成分主要是碳、氫、硫等，每kg燃料完全燃燒所需的理論空氣量V0為[12]

式中:V0為燃料燃燒所需的理論空氣量，m3/kg；Car，Sar，Har，Oar為燃料中碳、硫、氫及氧元素收到基含量。

以碳、氫含量高的棉稈顆粒燃料作為參照，其碳、氫、硫、氧含量分別為42.94%，5.26%，0.18%，33.7 3%，其燃燒所需理論空氣量為3.9 9 m3/kg。

式中:V1為1 kg燃料的實際抽風量，m3/kg；λ為抽風系數。

抽風系數的選取須要考慮進入取暖爐的過量空氣系數與溫度對氣體膨脹影響，因此選取抽風系數為1.5。取暖爐總抽風量等于單位時間燃料消耗量與燃料實際所需抽風量的乘積，由此得到抽風量約為8.5 m3/h。

2.3 顆粒進料機構的設計

為了使木質顆粒燃料均勻地落入爐膛底部的燃燒盒，顆粒進料機構采用了滾筒式進料方式。進料裝置具體結構如圖4所示。

圖4 滾筒式進料裝置簡圖Fig.4 Schematic diagram of drum feeder

料倉中的顆粒燃料在重力作用下落入進料滾筒的進料端，為防止堵料，加設隨滾筒轉動的彈簧。顆粒燃料進入滾筒后隨滾筒的旋轉而前行，送料量隨著滾筒轉速而變化，顆粒燃料到達滾筒出料端后進入送料傾斜滑道，再沿滑道落入燃燒盒。進料通道出口與爐排垂直距離為15 cm。進料通道與水平面傾斜角為40。，保證燃料能準確到達爐膛底部，且不干擾取暖爐的正常工作。

2.4 換熱區域結構的設計

換熱區域結構直接影響到取暖爐的工作效率，換熱區域的換熱形式主要為對流換熱，可以用牛頓冷卻公式計算:

式中:A為壁面面積，m2；Q為單位時間里面積A的傳遞熱量，kJ；tw為壁面表面溫度，℃；tf為流體溫度，℃；h為對流換熱系數，kW/（m2·℃）。

換熱量與接觸面積、溫差、換熱系數和流體在換熱器內運動時間有關。換熱區域選用了傳熱性良好的銅管。若銅管外徑過大，所占空間過大，會縮短熱煙氣的換熱運動時間，增大熱損失；若銅管外徑過小，會導致熱交換面積小，熱交換效率降低。取暖爐采用28根外徑20 mm，內徑15 mm銅管組合排列。在換熱區加上隔板，把換熱區分成兩個部分，延長了熱氣與銅管接觸換熱時間（圖5）。

圖5 換熱區域結構簡圖Fig.5 Schematic diagram of heat exchanger structure

煙氣經由熱流入口進入換熱區域，中間隔板的設置延長了煙氣在換熱區域的停留時間。煙氣經過換熱后從出口流出，在抽風機驅動下從煙囪排出室外。鼓風機把室內冷空氣送入換熱銅管內，經換熱后變成熱空氣為室內取暖。由于煙氣中的灰塵容易附著在銅管外壁，影響煙氣與銅管的換熱效果，為此設置了一個U形刮灰板，拉動拉桿即可清理銅管外壁的灰塵。

3 試驗與測試

3.1 試驗材料及設備儀器

試驗燃料為直徑8 mm的棉稈成型顆粒。試驗儀器如下:電子秤，稱量投入爐內的燃料質量和燃燒后排出的灰渣質量；布置在出煙口、煙囪出口和爐膛內的熱電偶，分別測量煙氣出口溫度、煙筒出口溫度和爐膛溫度；設置在煙氣出口10 cm內的煙氣分析儀，分析煙氣組分；全自動量熱儀，測定灰渣低位發熱量。

3.2 進風口面積比及傾斜角α的確定

3.2.1 試驗方法

取一次、二次和三次進風口面積之比分別為0.6∶02∶0.2，0.7∶0.2∶0.1和0.8∶0.1∶0.1，傾斜角α分別為65，70，75，80，85，90。。拼接出多種燃燒盒結構，組裝樣機。搭建試驗平臺，測量取暖爐穩定工作時爐膛內平均溫度，探究爐膛內溫度與進風口面積比及傾斜角α的關系，得出最優工況。

3.2.2 結果與分析

通過比較爐膛溫度來確定燃燒盒結構，不同進風口面積之比和傾斜角α下，爐膛內平均溫度如圖6所示。

圖6 不同條件下平均溫度Fig.6 Average temperature under different conditions

當進風口面積比為0.7∶0.2∶0.1，傾斜角為80。時，爐膛內平均溫度最高，即燃料燃燒狀態最佳。

3.3 性能測試

在最佳工況下，測量取暖爐性能。由取暖爐使用方式所決定，其熱損失主要為不完全燃燒損失與排煙熱損失。測量參數與結果如表1所示。

表1 測量參數與結果Table 1 Measurement parameters and results

續表1

由以上試驗可得，取暖爐燃料燃燒效率可達到95%以上，燃料利用率大于85%。通過增加煙筒與加熱空間的接觸長度，可降低排煙熱損失，當煙筒長度為8 m時，煙氣溫度可降至80℃左右，此時排煙熱損失小于5%，燃料利用率可以達到90%以上，符合生物質取暖爐燃料高效利用要求。

4 總結

本文介紹了生物質顆粒取暖爐結構及特點。取暖爐內氣流運動的動力來源于抽風系統，取暖爐工作時處于微負壓狀態，對密封性要求較高。

取暖爐采用3次配風系統，在一、二、三次進風口面積之比為0.7∶02∶0.1，且進料通道傾斜角α為80。時，爐膛溫度最高，燃料燃燒最充分。

試驗表明，取暖爐燃燒效率達到95%以上，燃燒過程中無燃料堆積，無結渣，火焰呈現橙黃色。該取暖爐可為50 m2的房間供熱。

通過延長煙筒在加熱空間的長度，燃料利用率可達到90%以上。生物質取暖爐具有廉價、環保等特點。