生物質(zhì)熱風(fēng)爐技術(shù)研究

邢占強(qiáng)，田 野

(黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院，哈爾濱 150081)

0 引言

生物質(zhì)能是一種可以循環(huán)利用的能源形式，光合作用時(shí)，有機(jī)體將太陽能以化學(xué)能的形式貯存，以提供各種燃料。生物質(zhì)燃料屬于碳平衡燃料，CO2的凈排放量基本為0；同時(shí)由于硫和氮的含量較低，燃燒生成的 SO2和 NOx含量少，對(duì)環(huán)境污染較小，如圖1所示。生物質(zhì)熱風(fēng)爐即通過燃燒生物質(zhì)產(chǎn)生熱量，并和空氣進(jìn)行熱交換，提供熱風(fēng)，可應(yīng)用于采暖、煉鋼、生產(chǎn)水泥、農(nóng)畜牧業(yè)種植、食品烘干等領(lǐng)域。劉宇航[1]等以秸稈捆為主要燃燒原料，采用 PLC 控制熱風(fēng)爐鼓風(fēng)機(jī)，并使用秸稈捆的直燃技術(shù)，減少秸稈壓塊、粉碎等中間環(huán)節(jié)，解決糧食烘干成本過高、烘干過程中能耗過大、對(duì)環(huán)境污染較為嚴(yán)重的問題，提高糧食烘干設(shè)備使用經(jīng)濟(jì)性。王斌等[2]采用螺旋翅片管換熱器對(duì)流換熱與爐膛輻射換熱技術(shù)，使熱風(fēng)爐中生物質(zhì)顆粒的燃燒更加充分，換熱量達(dá)588 888 kJ·h-1，換熱效率達(dá)72%，更加節(jié)能環(huán)保，節(jié)省成本。經(jīng)過長(zhǎng)期實(shí)踐，生物質(zhì)為燃料在熱風(fēng)爐的應(yīng)用中逐漸得到人們的重視，生物質(zhì)燃料的應(yīng)用也逐漸成為大勢(shì)所趨。

圖1 生物質(zhì)燃燒過程示意

1 結(jié)構(gòu)與原理

生物質(zhì)熱風(fēng)爐包括四個(gè)主要組成部分，即給料系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、熱交換系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)。如圖2所示，工作過程為成型的生物質(zhì)顆粒通過給料器送入爐膛內(nèi)燃燒，在引風(fēng)機(jī)作用下，燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔膺M(jìn)入熱交換系統(tǒng)，在翅片管內(nèi)流動(dòng)；同時(shí)，冷風(fēng)也通過通風(fēng)機(jī)進(jìn)入熱交換系統(tǒng)，在翅片管外部流動(dòng)。此過程中，高溫?zé)煔馀c冷風(fēng)進(jìn)行充分熱交換后進(jìn)入除塵系統(tǒng)凈化，由煙囪排出；冷風(fēng)經(jīng)熱交換后從爐膛另一側(cè)送出所需求的恒溫、恒壓、無塵的干凈熱風(fēng)。

1.鼓風(fēng)機(jī)；2.燃燒室；3.爐壁空氣夾層；4.熱交換管；5.冷風(fēng)進(jìn)口；6.引風(fēng)機(jī)；7.熱風(fēng)出口；8.排煙風(fēng)機(jī)；9.排煙出口；10.殼體

2 設(shè)計(jì)時(shí)注意事項(xiàng)

由于生物質(zhì)燃料所含的揮發(fā)份遠(yuǎn)高于煤炭，應(yīng)選擇分級(jí)配風(fēng)的方式供風(fēng)，即相比燃煤熱風(fēng)爐，設(shè)計(jì)中加入二次風(fēng)入口。選擇斜向下風(fēng)向的二次風(fēng)高速?zèng)_入爐膛，迫使煙氣在爐膛中擾動(dòng)，可使揮發(fā)份充分燃燒，阻礙未燃揮發(fā)份流出爐膛，提高充分燃燒率。增加二次風(fēng)口的數(shù)量形成煙氣渦流比單個(gè)二次風(fēng)口形成的更大，這大大提高爐膛內(nèi)煙氣擾動(dòng)程度，使燃料燃燒更加充分。

生物質(zhì)燃料在燃燒時(shí)極易結(jié)渣，因此爐排通風(fēng)間隙的總面積與整個(gè)爐排面積之比(通風(fēng)截面比)應(yīng)選取較大值。爐排面積由爐排面積熱負(fù)荷決定，爐排面積熱負(fù)荷越小，爐排面積越大。因此，應(yīng)選擇較小的爐膛容積熱負(fù)荷，以提高爐排面積比[3]。

換熱器是生物質(zhì)熱風(fēng)爐最主要的受熱面，主要包括順列與錯(cuò)列兩種排列方式。順列式換熱管的管束排列整齊。氣體流動(dòng)狀態(tài)規(guī)則，阻力小，但換熱效果相比于錯(cuò)列管束較差。而錯(cuò)列管束的換熱管外空氣擾動(dòng)較強(qiáng)，換熱效率提高，換熱器結(jié)構(gòu)更加緊湊。同時(shí)，還應(yīng)考慮對(duì)于空氣側(cè)的調(diào)節(jié)，通過降低空氣流速可降低入口煙氣溫度、減小煙氣與換熱管的換熱系數(shù)，但也會(huì)引起煙氣在換熱管中飛灰沉積，導(dǎo)致堵塞換熱管，因此要合理選擇煙氣速度。

3 優(yōu)勢(shì)

生物質(zhì)顆粒燃料不含硫、磷等成分，相比于傳統(tǒng)燃料，不會(huì)對(duì)設(shè)備造成腐蝕，可延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。同時(shí)，生物質(zhì)燃料在燃燒時(shí)也不產(chǎn)生SO2和P2O5，不會(huì)產(chǎn)生酸雨，污染環(huán)境[4]。燃料為可再生資源，其應(yīng)用有效地降低了不可再生資源的使用量，也減少了破碎及篩分等設(shè)備的使用，減少工人勞動(dòng)強(qiáng)度，降低生產(chǎn)成本。燃料燃燒后的灰渣是優(yōu)質(zhì)有機(jī)鉀肥，可還田作為肥料，極大地降低了灰渣處理成本。

4 問題

目前，市場(chǎng)上熱風(fēng)爐的熱管包括S型布置、平行布置兩種，熱管分布密集、空間較小，無法給冷風(fēng)提供足夠的熱交換時(shí)間。秸稈類生物質(zhì)在燃燒時(shí)，生長(zhǎng)過程中吸收的金屬元素熔化，形成玻璃狀堅(jiān)硬爐渣，出現(xiàn)結(jié)渣現(xiàn)象，易導(dǎo)致燃燒效率低、熱交換不充分、不能連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行[5]。燃燒時(shí)，煙氣中的硅酸鹽在熱風(fēng)爐內(nèi)壁面凝結(jié)，不斷積聚后，產(chǎn)生嚴(yán)重的積灰或結(jié)渣，導(dǎo)致傳熱效率低、除塵運(yùn)行成本及清灰勞動(dòng)力成本較高等問題影響了熱風(fēng)爐的進(jìn)一步推廣和應(yīng)用。

5 應(yīng)用

5.1 糧食烘干

糧食烘干是高消耗量作業(yè)，以生物質(zhì)燃料作為糧食烘干的主要熱源，可大大降低糧食烘干成本，起到保護(hù)環(huán)境的作用。郝兆朋等[6]采用往復(fù)爐排和半氣化燃燒技術(shù)，使用耐高溫陶瓷膜管除塵器和脈動(dòng)熱管換熱器設(shè)計(jì)了一款新型糧食烘干生物質(zhì)燃料熱風(fēng)爐，其可達(dá)燃煤水平，易點(diǎn)火、升溫快，燃燒溫度控制效果好，粉塵少、無結(jié)焦，具有安全節(jié)能、操作簡(jiǎn)便的特點(diǎn)，適用于玉米、水稻、谷物類糧食烘干。

5.2 養(yǎng)殖行業(yè)

當(dāng)今養(yǎng)殖行業(yè)隨著規(guī)模化和專業(yè)化的不斷提升和發(fā)展，對(duì)養(yǎng)殖中各個(gè)環(huán)節(jié)的把控也更為精準(zhǔn)和科學(xué)，其中增溫等環(huán)節(jié)常見生物質(zhì)熱風(fēng)爐的身影。

5.3 供暖

應(yīng)用生物質(zhì)熱風(fēng)爐進(jìn)行供暖，指通過鼓風(fēng)機(jī)將生物質(zhì)顆粒燃燒的熱量帶到取暖環(huán)境中，具有啟動(dòng)速度快、熱惰性低的特點(diǎn)，適用于小門市、農(nóng)業(yè)大棚等間歇采暖的場(chǎng)所。陳維鉛等[7]為解決甘肅河西戈壁冬季溫室種植基質(zhì)溫度較低所產(chǎn)生的凍害問題，以生物質(zhì)顆粒為燃料，同軸心雙套筒爐膛，分布式雙循環(huán)散熱系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了專門應(yīng)用于戈壁日光溫室增溫防凍的熱風(fēng)爐，可保證熱風(fēng)輸出在35 ℃以上，可循環(huán)加熱室內(nèi)空氣，根據(jù)農(nóng)作物生長(zhǎng)溫度需要調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，有效預(yù)防凍害問題。

5.4 殺青與烘干

張成茂等[8]在原有熱風(fēng)爐的基礎(chǔ)上，對(duì)燃燒室結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)置一次低氧燃燒、二次配風(fēng)和二次燃燒的整體結(jié)構(gòu)，使生物質(zhì)顆粒在燃燒室內(nèi)部能夠充分燃燒產(chǎn)熱，以提高殺青過程中充足的熱風(fēng)輸出。楊遠(yuǎn)平等[9]研制一種小型生物質(zhì)燃燒機(jī)并將其應(yīng)用在烤煙生產(chǎn)中，其烘烤出煙葉的香氣、色澤、油分均優(yōu)于傳統(tǒng)煤烤煙，整個(gè)過程更加綠色環(huán)保，也可減少采用成型煤作燃料，裝煤和清理燃燒后煤渣的時(shí)間與人工成本。此外，菊花[10]、核桃、茶葉、百合[11]、紅棗、新疆水果等的烘干也逐漸采用生物質(zhì)熱風(fēng)爐。

6 結(jié)語

2018年6月，國(guó)務(wù)院印發(fā)《打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)計(jì)劃》中提出：要因地制宜發(fā)展生物質(zhì)能，在具備資源條件的地方，鼓勵(lì)發(fā)展縣域生物質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)、生物質(zhì)成型燃料鍋爐及生物天然氣。顆粒機(jī)在廢棄物的循環(huán)利用上占有一席之地，生物質(zhì)顆粒若能大量替代燃煤，對(duì)于改善環(huán)境具有重要意義。

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