一種基于散煤燃燒的家用新型節(jié)能環(huán)保采暖爐

丁艷+徐鵬飛+劉芳賓+王心悅+蒯子函

摘 要：針對散煤燃燒效率低、煙塵排放量大的問題，設(shè)計了一種適用村鎮(zhèn)家庭的新型燃煤采暖爐，介紹了該爐設(shè)計特點及實驗效果。首次將燃煤粒度控制裝置和除塵裝置引入家用燃煤采暖爐，同時集中三回程反燒結(jié)構(gòu)的燃燒優(yōu)勢和超導(dǎo)熱管的換熱優(yōu)勢，大大提高了鍋爐燃燒和換熱效率，節(jié)能效果顯著，操作使用方便且除塵效率高，符合國家“節(jié)能減排”政策，具有良好的應(yīng)用推廣價值。

關(guān)鍵詞：散煤燃燒；采暖爐；節(jié)能環(huán)保；設(shè)計

中圖分類號：TQ534 文獻標(biāo)識碼：A

家用采暖爐，多以煤為主要燃料，多用于無集中供暖或者不具備燃?xì)獠膳瘲l件的農(nóng)村或城鄉(xiāng)結(jié)合部，且燃燒的多是原煤。據(jù)2016年3月環(huán)保部分析，在北方，燃燒1噸高揮發(fā)分的原煤，就會排放2.5t以上的CO2和150kg以上的其他污染物。市場上的家用燃煤采暖爐多采用直燒式，燃燒不徹底，導(dǎo)致大量的能源浪費；這類鍋爐配備的除塵器落后，或根本沒有配備，脫硫裝置幾乎沒有，大氣污染物排放普遍超標(biāo)。雖然有的用戶設(shè)計安裝了一種鋼管余熱回收器，但余熱回收率不高。目前我國仍有兩億分散采暖人口，解決現(xiàn)有家用燃煤采暖爐燃煤利用率低、熱能利用率低、污染大的問題已成為節(jié)能減排的一項重要工作，具有十分重要的社會價值。

本文設(shè)計了一新型燃煤采暖爐，已與企業(yè)實現(xiàn)了對接，并已申請了發(fā)明專利，正在受理中。下面對該鍋爐的設(shè)計特點及實驗情況進行介紹。

1.新型鍋爐結(jié)構(gòu)及設(shè)計特點

結(jié)構(gòu)如圖1所示，該鍋爐在進煤口前端設(shè)置了燃煤粒度控制裝置，在加煤的同時對燃煤進行破碎，控制燃煤粒度的大小和均勻性，該裝置在炊事狀態(tài)時可翻轉(zhuǎn)至下側(cè)，操作方便；爐膛內(nèi)部燃燒室設(shè)計為圓形，燃燒室后端設(shè)計為三回程結(jié)構(gòu)；尾部煙箱采用超導(dǎo)熱管作為煙氣余熱回收裝置；在采暖爐煙筒部分設(shè)計除塵裝置。

1.1 燃煤粒度控制裝置

燃煤粒度的大小和均勻性對燃燒過程和效率有著非常重要的影響：尺寸差異大，燃燒層間熱量傳遞困難且通風(fēng)阻力大；粒度較小時，爐排通風(fēng)欠佳，漏煤量增多；粒度過大，燃盡時間長，燃燒不充分。相關(guān)研究表明，顆粒尺寸超過50mm，燃燒損失極大，本設(shè)計中確定50mm為燃煤粒度上限。

燃煤粒度控制裝置結(jié)構(gòu)簡單，操作方便：向煤斗中加入適量煤塊后，搖動搖柄使破碎板翻轉(zhuǎn)，符合尺寸范圍的煤塊直接翻至進料管道，較大煤塊通過破碎板與煤斗的擠壓以及破碎齒的咬合與破碎后進入進料管道。

1.2 三回程反燒燃燒室結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的直燒式家用采暖爐燃燒空間有限，燃料在爐內(nèi)停留時間短，燃燒不充分，燃燒效率低且污染物排放高。明火反燒技術(shù)遵循燃料燃燒的固有規(guī)律，為燃料創(chuàng)造了一個最佳的燃燒過程，并為燃料燃燒提供了足夠的空氣、空間、溫度和時間，使燃料得以充分燃燒，從而大大降低煤耗，且能一定程度上起到消煙除塵的目的。多回程燃燒增長了煙氣在爐內(nèi)的逗留時間，使燃燒更加充分?？紤]到家用等諸多因素，新型采暖爐采用三回程反燒結(jié)構(gòu)，爐膛采用圓角設(shè)計。圓角爐膛避免了燃燒死角，三回程結(jié)構(gòu)強化了燃燒過程，增加了燃盡時間，降低了不完全燃燒損失。

1.3 尾部煙氣余熱回收裝置—超導(dǎo)熱管

傳統(tǒng)采暖爐尾部煙箱一般通過設(shè)置水套結(jié)構(gòu)來增加余熱的利用，但是余熱利用并不充分，鍋爐排煙熱損失較大。

超導(dǎo)熱管具有導(dǎo)熱速度快，強度大，安裝方便，不受安裝位置限制，可消除傳統(tǒng)換熱方式的導(dǎo)熱死區(qū)的特點，尤其是導(dǎo)熱效率高，且成本較低?？紤]到諸多因素，該設(shè)計中選用萘為工作液，碳鋼作為管殼材質(zhì)，價格低廉且壽命較長。

1.4 除塵裝置

考慮靜電除塵與布袋除塵的特點，最終確定基于布袋除塵原理。除塵裝置由除塵布袋和手動機械式振動裝置組成，除塵布袋固定于手動機械振動裝置的振動環(huán)上，兩部分與煙筒形成一個整體結(jié)構(gòu)。煙氣經(jīng)過該結(jié)構(gòu)后，塵粒在通過除塵布袋時因慣性力作用與除塵布袋碰撞而被攔截，實現(xiàn)除塵效果，降低煙塵排放量；并且當(dāng)布袋積塵較多時，可以通過手動機械式振動裝置進行手動清灰，保證布袋的除塵效率。該裝置操作簡單，使用方便，成本低。

2.節(jié)能與環(huán)保性能分析

通過對該采暖爐的燃燒機理和換熱分析及理論計算，該采暖爐燃燒效率可提高10%以上，余熱回收率高達25%以上；除塵效率高達90%以上。根據(jù)2016年最新統(tǒng)計：京津冀地區(qū)每年燃煤散燒量超過3600萬t，以最低估算，僅京津冀地區(qū)一年散煤消耗量減少360萬t。本項目中按原煤煙塵排放10kg/t計，津冀地區(qū)因采暖爐節(jié)能降低燃煤消耗量致使排塵量減少3.6萬t，同時由于增設(shè)除塵裝置（效率按90%計），排塵量又減少29.16萬t；總計一年排塵量減少32.76萬t。若推廣至整個北方乃至全國，經(jīng)濟效益和環(huán)保效益將十分可觀。

3.實驗驗證與結(jié)論

按照實物的0.8倍加工了模型，并進行了模型試驗。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)分別采用兩種方案對破碎前后煤塊的燃燒效率進行了計算。方案一：未處理煤與處理后煤加熱水箱中水到60℃的平均燃料消耗量；方案二：等量未處理煤與處理后煤燃盡后稱量灰渣重量，以判斷燃煤的燃盡率。最終兩種方案均驗證破碎后燃煤燃燒效率有較大提升，燃燒效率可提升5%左右。根據(jù)煙氣成分濃度測量儀測量的數(shù)據(jù)進行計算，計算結(jié)果表明，加裝除塵裝置后除塵效率高達84%。因本試驗臺受空間限制，與實際工作環(huán)境有差異，在實際使用中煙塵排放濃度會更低。

此外，該采暖爐還具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、易于加工和批量生產(chǎn)、使用與維護方便、費用低等優(yōu)點，并且采暖的同時可作為家用灶爐，十分適用于北方集中供暖未覆蓋區(qū)域的村鎮(zhèn)家庭，且易于推廣普及。

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備注：該項目已榮獲第九屆全國大學(xué)生節(jié)能減排社會實踐與科技競賽二等獎。