生物質(zhì)顆粒燃料取暖爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

嚴(yán)永林，黃 俊，何一波

（中南林業(yè)科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長沙 410004）

0 引言

我國生物質(zhì)資源豐富，包括農(nóng)作物秸稈、林業(yè)廢棄物和禽畜糞便等生物質(zhì)，折合標(biāo)煤約達(dá)22億t[1]。生物質(zhì)能的開發(fā)利用可改善能源的結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)、消費(fèi)方式，減緩能源供應(yīng)緊張和對(duì)環(huán)境污染的壓力，促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展[2]～[5]。生物質(zhì)取暖爐的應(yīng)用可部分替代以電、煤及天然氣為燃料的取暖設(shè)備，減少化石燃料的利用。

在歐洲部分發(fā)達(dá)國家，生物質(zhì)取暖裝置的商業(yè)化已較為普遍，技術(shù)已較為成熟，自動(dòng)化程度高，操作簡(jiǎn)單，使用安全。我國的生物質(zhì)取暖裝置的研究技術(shù)起步較晚，取暖爐具的燃燒室結(jié)構(gòu)及其合理的配風(fēng)機(jī)構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù)尚須進(jìn)一步地加以研究，以推動(dòng)生物質(zhì)能的開發(fā)利用[6]～[8]。

本文針對(duì)生物質(zhì)燃料取暖爐的進(jìn)料裝置、爐膛結(jié)構(gòu)及配風(fēng)裝置等進(jìn)行了分析，并通過實(shí)驗(yàn)研究設(shè)計(jì)出較為合理的生物質(zhì)燃料取暖爐。

1 生物質(zhì)燃料取暖爐整體結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

生物質(zhì)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(jīng)濟(jì)實(shí)用，燃燒煙氣和吹向室內(nèi)的熱空氣的通道各自獨(dú)立，互不干擾。燃燒煙氣通過抽風(fēng)機(jī)經(jīng)煙囪排出室外；鼓風(fēng)機(jī)將室內(nèi)冷空氣吹向爐內(nèi)換熱管，升溫后進(jìn)入室內(nèi)，提高房間溫度。顆粒燃料取暖爐主要由進(jìn)料裝置、爐膛燃燒室、配風(fēng)裝置、換熱裝置及其它輔助裝置組成，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 生物質(zhì)顆粒燃料取暖爐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Biomass pellet fuel heating stove structure

進(jìn)料機(jī)構(gòu):滾筒進(jìn)料裝置將料倉落料口落下的燃料均勻地送到傾斜進(jìn)料管道，然后送入爐膛底部燃燒盒，通過控制滾筒轉(zhuǎn)速調(diào)整進(jìn)料量。

煙氣通道:抽風(fēng)機(jī)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(fù)壓工作。爐外空氣經(jīng)進(jìn)風(fēng)管到達(dá)爐膛燃燒盒下部，在負(fù)壓作用下，經(jīng)燃燒盒底部的爐排作為一次進(jìn)風(fēng)進(jìn)入燃燒盒，與盒內(nèi)木質(zhì)顆?；旌现肌煔饨?jīng)過換熱器換熱后，由煙道出煙口排出。

空氣通道:鼓風(fēng)機(jī)將爐外冷空氣經(jīng)換熱管吹向室內(nèi)。

取暖爐的合理結(jié)構(gòu)，對(duì)于提高燃料燃燒效率和換熱效率、延長可燃?xì)怏w在爐膛內(nèi)滯留時(shí)間、防止結(jié)渣等是至關(guān)重要的[9]，[10]。為延長熱氣流在換熱器中的滯留時(shí)間，加設(shè)導(dǎo)風(fēng)板與隔板，使熱流兩次經(jīng)過換熱管，提高取暖爐的換熱效果。

2 生物質(zhì)燃料取暖爐主要結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.1 爐膛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

爐膛由燃燒盒與外殼組成，其結(jié)構(gòu)與大小對(duì)燃料的燃燒效率影響較大。取暖爐的功率決定了燃料進(jìn)給量。設(shè)計(jì)爐膛時(shí)須求出每小時(shí)顆粒燃料的進(jìn)給量，計(jì)算公式如下。

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

生物質(zhì)顆粒燃料低位發(fā)熱量約為15 000 kJ/kg，取暖爐功率為5 kW，設(shè)計(jì)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(qiáng)度由爐排面積熱強(qiáng)度qr和爐膛容積熱強(qiáng)度qv表示:

式中:qr為爐排面積熱強(qiáng)度，kW/m2；qv為爐膛容積熱強(qiáng)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(zhì)燃料的揮發(fā)分含量為煤的2倍，燃燒時(shí)分解速度快，因此生物質(zhì)取暖爐熱強(qiáng)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(jié)構(gòu)；爐膛外殼由石棉夾板及耐高溫玻璃組成；燃燒盒遠(yuǎn)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2 Schematic diagram of stove structure

生物質(zhì)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(fēng)。燃燒盒為漏斗形（圖3）。

圖3 燃燒盒簡(jiǎn)圖Fig.3 Schematic diagram of combustion box

如圖3所示，一次進(jìn)風(fēng)口位于爐排上，有利于顆粒成型燃料的燃燒，使揮發(fā)分快速從固體燃料中分解出來。二次進(jìn)風(fēng)口位于燃燒盒側(cè)下方，當(dāng)燃燒盒底部有固體燃料堆積時(shí)，可輔助其燃燒，同時(shí)加大爐膛內(nèi)氣流擾動(dòng)，使氣體燃燒區(qū)域產(chǎn)生較大的旋流。三次進(jìn)風(fēng)口主要作用是加大氣流擾動(dòng)，使可燃?xì)怏w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(jìn)風(fēng)通道為主要進(jìn)風(fēng)通道，二、三次進(jìn)風(fēng)起輔助作用。選取3種進(jìn)風(fēng)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(fēng)量與進(jìn)料量相同時(shí)，爐膛內(nèi)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(zhì)燃料進(jìn)給量及給料出口位置決定。爐排過長，燃料無法到達(dá)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(fēng)設(shè)計(jì)

生物質(zhì)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(shí)際抽風(fēng)量，m3/kg；λ為抽風(fēng)系數(shù)。

抽風(fēng)系數(shù)的選取須要考慮進(jìn)入取暖爐的過量空氣系數(shù)與溫度對(duì)氣體膨脹影響，因此選取抽風(fēng)系數(shù)為1.5。取暖爐總抽風(fēng)量等于單位時(shí)間燃料消耗量與燃料實(shí)際所需抽風(fēng)量的乘積，由此得到抽風(fēng)量約為8.5 m3/h。

2.3 顆粒進(jìn)料機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

為了使木質(zhì)顆粒燃料均勻地落入爐膛底部的燃燒盒，顆粒進(jìn)料機(jī)構(gòu)采用了滾筒式進(jìn)料方式。進(jìn)料裝置具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 滾筒式進(jìn)料裝置簡(jiǎn)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(jìn)料滾筒的進(jìn)料端，為防止堵料，加設(shè)隨滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)的彈簧。顆粒燃料進(jìn)入滾筒后隨滾筒的旋轉(zhuǎn)而前行，送料量隨著滾筒轉(zhuǎn)速而變化，顆粒燃料到達(dá)滾筒出料端后進(jìn)入送料傾斜滑道，再沿滑道落入燃燒盒。進(jìn)料通道出口與爐排垂直距離為15 cm。進(jìn)料通道與水平面傾斜角為40。，保證燃料能準(zhǔn)確到達(dá)爐膛底部，且不干擾取暖爐的正常工作。

2.4 換熱區(qū)域結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

換熱區(qū)域結(jié)構(gòu)直接影響到取暖爐的工作效率，換熱區(qū)域的換熱形式主要為對(duì)流換熱，可以用牛頓冷卻公式計(jì)算:

式中:A為壁面面積，m2；Q為單位時(shí)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(duì)流換熱系數(shù)，kW/（m2·℃）。

換熱量與接觸面積、溫差、換熱系數(shù)和流體在換熱器內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)間有關(guān)。換熱區(qū)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(huì)縮短熱煙氣的換熱運(yùn)動(dòng)時(shí)間，增大熱損失；若銅管外徑過小，會(huì)導(dǎo)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(nèi)徑15 mm銅管組合排列。在換熱區(qū)加上隔板，把換熱區(qū)分成兩個(gè)部分，延長了熱氣與銅管接觸換熱時(shí)間（圖5）。

圖5 換熱區(qū)域結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.5 Schematic diagram of heat exchanger structure

煙氣經(jīng)由熱流入口進(jìn)入換熱區(qū)域，中間隔板的設(shè)置延長了煙氣在換熱區(qū)域的停留時(shí)間。煙氣經(jīng)過換熱后從出口流出，在抽風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)下從煙囪排出室外。鼓風(fēng)機(jī)把室內(nèi)冷空氣送入換熱銅管內(nèi)，經(jīng)換熱后變成熱空氣為室內(nèi)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(shè)置了一個(gè)U形刮灰板，拉動(dòng)拉桿即可清理銅管外壁的灰塵。

3 試驗(yàn)與測(cè)試

3.1 試驗(yàn)材料及設(shè)備儀器

試驗(yàn)燃料為直徑8 mm的棉稈成型顆粒。試驗(yàn)儀器如下:電子秤，稱量投入爐內(nèi)的燃料質(zhì)量和燃燒后排出的灰渣質(zhì)量；布置在出煙口、煙囪出口和爐膛內(nèi)的熱電偶，分別測(cè)量煙氣出口溫度、煙筒出口溫度和爐膛溫度；設(shè)置在煙氣出口10 cm內(nèi)的煙氣分析儀，分析煙氣組分；全自動(dòng)量熱儀，測(cè)定灰渣低位發(fā)熱量。

3.2 進(jìn)風(fēng)口面積比及傾斜角α的確定

3.2.1 試驗(yàn)方法

取一次、二次和三次進(jìn)風(fēng)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(jié)構(gòu)，組裝樣機(jī)。搭建試驗(yàn)平臺(tái)，測(cè)量取暖爐穩(wěn)定工作時(shí)爐膛內(nèi)平均溫度，探究爐膛內(nèi)溫度與進(jìn)風(fēng)口面積比及傾斜角α的關(guān)系，得出最優(yōu)工況。

3.2.2 結(jié)果與分析

通過比較爐膛溫度來確定燃燒盒結(jié)構(gòu)，不同進(jìn)風(fēng)口面積之比和傾斜角α下，爐膛內(nèi)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(dāng)進(jìn)風(fēng)口面積比為0.7∶0.2∶0.1，傾斜角為80。時(shí)，爐膛內(nèi)平均溫度最高，即燃料燃燒狀態(tài)最佳。

3.3 性能測(cè)試

在最佳工況下，測(cè)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(cè)量參數(shù)與結(jié)果如表1所示。

表1 測(cè)量參數(shù)與結(jié)果Table 1 Measurement parameters and results

續(xù)表1

由以上試驗(yàn)可得，取暖爐燃料燃燒效率可達(dá)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(dāng)煙筒長度為8 m時(shí)，煙氣溫度可降至80℃左右，此時(shí)排煙熱損失小于5%，燃料利用率可以達(dá)到90%以上，符合生物質(zhì)取暖爐燃料高效利用要求。

4 總結(jié)

本文介紹了生物質(zhì)顆粒取暖爐結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)。取暖爐內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力來源于抽風(fēng)系統(tǒng)，取暖爐工作時(shí)處于微負(fù)壓狀態(tài)，對(duì)密封性要求較高。

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

試驗(yàn)表明，取暖爐燃燒效率達(dá)到95%以上，燃燒過程中無燃料堆積，無結(jié)渣，火焰呈現(xiàn)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(dá)到90%以上。生物質(zhì)取暖爐具有廉價(jià)、環(huán)保等特點(diǎn)。