采用移動式爐膛結構戶用生物質爐具的設計

周 闖，羅向東，王 欣

(黑龍江省能源環境研究院，哈爾濱 150027)

隨著生物質燃料化技術的迅速發展，配套的專用生物質爐具呈現出多樣化的發展，但在燃燒熱效率及污染物排放上仍存在較大差異[1-3]。市場上主流的戶用生物質爐具以同時具備炊事和采暖功能為主，可以實現進料速度和給風、引風量等的自動或手動調節，在使用效果上，熱效率和污染物排放基本能夠滿足要求[4-8]。研究發現，現有的生物質爐具在使用功能設計和燃燒形式設計、燃燒品質管控等方面仍有很大的提升空間[9-10]，尤其是采暖熱效率的提升。本研究在不改變現有戶用生物質爐具使用功能的前提下提高了采暖效率的結構設計。

1 現有爐具的爐膛結構

現有具備自動螺旋進料功能的戶用生物質炊事采暖爐爐膛基本結構如圖1所示。燃料在固定的爐膛里燃燒，為了兼顧炊事和采暖兩種功能，在爐膛和換熱器間設置前擋板，使爐排上燃料燃燒的火焰朝灶口加熱，提高炊事熱效率。

圖1 現有生物質炊事采暖爐爐膛基本結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of basic structure of existing biomass cooking furnace

在不需要炊事僅進行采暖的情況下，通常會用蓋板將炊事灶口蓋住。但在實際采暖過程中，燃燒產生的大量熱量仍然會通過蓋板向爐外散失，致使采暖熱量不集中、效率低。

2 移動式爐膛結構設計方案一

現代家庭中基本都配備了液化氣及電磁爐等炊事灶具，對生物質爐具的需求多是集中于燃料用量多、運行時間長的采暖功能。本爐具設計方案適用于夏季炊事，以燃氣、電等其他能源為主，冬季采暖和炊事以生物質為主的能源應用場景。

2.1 基本組成

爐具采用可移動式的爐膛設計，實現炊事兼采暖和單獨采暖兩種使用功能，基本組成如圖2所示。

圖2 移動式爐膛結構示意圖(采暖位)Fig.2 Schematic diagram of mobile furnace(heating position)

爐具主要由外殼、進料口、炊事灶口、爐膛、儲灰倉、進料機構、除灰機構、調位機構、換熱器、煙囪組成。

爐膛是由前、后擋板及爐排組成的敞口圓柱形空間，燃料在其包圍區域的爐排上燃燒產熱。在炊事時，前擋板能夠阻擋風路，使燃燒的火焰向上為炊事灶口的炊具加熱，防止燃燒火焰在引風機的抽力作用下，直接進入至換熱器，致使炊事熱量不夠。在采暖位時，后擋板阻隔火焰及煙氣進入灶口處向爐外散熱。

進料機構是由進料電機驅動進料絞龍旋轉，實現螺旋進料。燃料的燃燒過程是位于爐排前端的燃料首先燃燒，隨著絞龍的轉動，不斷有新的燃料被推到爐排上，間續的點燃燃燒。

除灰機構是通過爐排電機驅動爐排前后往復運動實現除灰。如圖4所示，爐排由圖4(a)位置向前運動至4(b)位置過程中，螺旋進料器也一直在旋轉進料，將燃料推送至爐排上。爐排由4(b)位置向后運動至4(c)位置過程中，螺旋進料器停止旋轉進料，爐排前端燃盡的燃料，被推下爐排掉入儲灰倉。同時，爐排在由4(b)位置向后運動至4(c)位置過程中，底板會對爐排上表面起到清刮作用，防止燃料在爐排上結交固化。依次循環，爐排又從4(a)位置向前運動到4(b)位置，同時螺旋進料器旋轉進料。

圖3 移動式爐膛結構示意圖(炊事位)Fig.3 Schematic diagram of mobile furnace(cooking position)

圖4 爐排除灰示意圖Fig.4 Diagram of furnace ash removal

調位機構可以使圖2中虛線框內包含的進料機構、除灰機構、儲灰倉、爐膛部分，調位至炊事位或采暖位。圖2所示位置為采暖位，圖3所示位置為炊事位。

儲灰倉能夠接收燃燒產生的灰燼，跟隨調位機構的調位變化而前后移動。

2.2 工作方式

爐具配有自動配風機構、控制機構等。用戶可根據實際需求，在控制面板上選擇相應的使用功能，控制調位機構將爐膛移動至相應的燃燒位置。

如圖2所示，燃燒位置為采暖位時，爐具的功能性為采暖。燃料在爐排上燃燒，在前、后擋板作用下，燃燒的火焰向上，直接為換熱器內的水加熱。煙氣的走向如圖中虛線剪頭所示，在引風機作用下，高溫煙氣進入換熱器再次向換熱器傳熱，最后低溫煙氣從煙囪排出。在此過程中，阻隔了爐膛燃燒時灶口處的熱損失，燃燒的全部產熱僅用來采暖，提高了采暖熱效率。

如圖3所示，燃燒位置為炊事位時，主功能是炊事，輔功能為采暖。燃料在爐排上燃燒，在前擋板作用下，燃燒火焰向上，直接為炊事灶口的炊具加熱，提高炊事的熱效率。煙氣的走向如圖中虛線剪頭所示，在引風機作用下，高溫煙氣通過前擋板上部進入換熱器換熱，最后低溫煙氣從煙囪排出，實現采暖功能。

3 移動式爐膛結構設計方案二

本爐具設計方案可以實現炊事和采暖功能的獨立使用，能夠有效避免夏季使用生物質爐具炊事而連帶引起的暖氣燥熱問題，適宜于四季都以生物質為主的能源應用場景。

3.1 基本組成

本設計方案與方案一的結構區別，一方面是后擋板變低，增加了固定的擋煙垂壁；另一方面是改變了炊事的排煙通道，使炊事時產生的高溫煙氣不進入換熱器，而是從其上端及側面向外流通，實現單獨炊事和單獨采暖兩種使用功能，基本組成如圖5所示。

圖5 移動式爐膛結構炊事采暖爐基本結構示意圖Fig.5 Schematic diagram of the basic structure of the mobile furnace

3.2 工作方式

如圖5所示，燃燒位置為采暖位時，爐具的功能性為采暖。燃料在爐排上燃燒，在前、后擋板及擋煙垂壁的作用下，燃燒的火焰向上，直接為換熱器內的水加熱。煙氣的走向如圖中虛線箭頭所示，在引風機作用下，高溫煙氣進入換熱器再次向其傳熱，最后低溫煙氣從煙囪排出。在此過程中，后擋板和擋煙垂壁阻隔了爐膛內的熱量向灶口處散失，燃燒的全部產熱僅用來采暖，實現了單獨采暖功能。

如圖6所示，燃燒位置為炊事位時，爐具的功能性為炊事。燃料在爐排上燃燒，在前、后擋板及擋煙垂壁的作用下，燃燒火焰向上，直接為炊事灶口的炊具加熱，提高炊事的熱效率。煙氣的走向如圖中虛線箭頭所示，在引風機作用下，高溫煙氣經由換熱器上端、側端后進入煙囪排出，最后低溫煙氣從煙囪排出，不進入換熱器進行換熱，實現了單獨炊事功能。

圖6 爐膛位于炊事位的工作示意圖Fig.6 Working diagram of furnace at cooking position

4 結論

提出了兩種移動式爐膛結構的生物質爐具設計方案。可根據用戶需求和用能習慣進行使用，有效提高了爐具的采暖熱效率，增強了爐具的季節適用性，具有一定的應用推廣價值。