生物質(zhì)熱風爐技術(shù)研究

邢占強，田 野

(黑龍江省農(nóng)業(yè)機械工程科學研究院，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，有機體將太陽能以化學能的形式貯存，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；同時由于硫和氮的含量較低，燃燒生成的 SO2和 NOx含量少，對環(huán)境污染較小，如圖1所示。生物質(zhì)熱風爐即通過燃燒生物質(zhì)產(chǎn)生熱量，并和空氣進行熱交換，提供熱風，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 控制熱風爐鼓風機，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、對環(huán)境污染較為嚴重的問題，提高糧食烘干設(shè)備使用經(jīng)濟性。王斌等[2]采用螺旋翅片管換熱器對流換熱與爐膛輻射換熱技術(shù)，使熱風爐中生物質(zhì)顆粒的燃燒更加充分，換熱量達588 888 kJ·h-1，換熱效率達72%，更加節(jié)能環(huán)保，節(jié)省成本。經(jīng)過長期實踐，生物質(zhì)為燃料在熱風爐的應(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)熱風爐包括四個主要組成部分，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，在引風機作用下，燃燒產(chǎn)生的高溫煙氣進入熱交換系統(tǒng)，在翅片管內(nèi)流動；同時，冷風也通過通風機進入熱交換系統(tǒng)，在翅片管外部流動。此過程中，高溫煙氣與冷風進行充分熱交換后進入除塵系統(tǒng)凈化，由煙囪排出；冷風經(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。

1.鼓風機；2.燃燒室；3.爐壁空氣夾層；4.熱交換管；5.冷風進口；6.引風機；7.熱風出口；8.排煙風機；9.排煙出口；10.殼體

2 設(shè)計時注意事項

由于生物質(zhì)燃料所含的揮發(fā)份遠高于煤炭，應(yīng)選擇分級配風的方式供風，即相比燃煤熱風爐，設(shè)計中加入二次風入口。選擇斜向下風向的二次風高速沖入爐膛，迫使煙氣在爐膛中擾動，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。增加二次風口的數(shù)量形成煙氣渦流比單個二次風口形成的更大，這大大提高爐膛內(nèi)煙氣擾動程度，使燃料燃燒更加充分。

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

換熱器是生物質(zhì)熱風爐最主要的受熱面，主要包括順列與錯列兩種排列方式。順列式換熱管的管束排列整齊。氣體流動狀態(tài)規(guī)則，阻力小，但換熱效果相比于錯列管束較差。而錯列管束的換熱管外空氣擾動較強，換熱效率提高，換熱器結(jié)構(gòu)更加緊湊。同時，還應(yīng)考慮對于空氣側(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)，但也會引起煙氣在換熱管中飛灰沉積，導致堵塞換熱管，因此要合理選擇煙氣速度。

3 優(yōu)勢

生物質(zhì)顆粒燃料不含硫、磷等成分，相比于傳統(tǒng)燃料，不會對設(shè)備造成腐蝕，可延長設(shè)備的使用壽命。同時，生物質(zhì)燃料在燃燒時也不產(chǎn)生SO2和P2O5，不會產(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，減少工人勞動強度，降低生產(chǎn)成本。燃料燃燒后的灰渣是優(yōu)質(zhì)有機鉀肥，可還田作為肥料，極大地降低了灰渣處理成本。

4 問題

目前，市場上熱風爐的熱管包括S型布置、平行布置兩種，熱管分布密集、空間較小，無法給冷風提供足夠的熱交換時間。秸稈類生物質(zhì)在燃燒時，生長過程中吸收的金屬元素熔化，形成玻璃狀堅硬爐渣，出現(xiàn)結(jié)渣現(xiàn)象，易導致燃燒效率低、熱交換不充分、不能連續(xù)穩(wěn)定運行[5]。燃燒時，煙氣中的硅酸鹽在熱風爐內(nèi)壁面凝結(jié)，不斷積聚后，產(chǎn)生嚴重的積灰或結(jié)渣，導致傳熱效率低、除塵運行成本及清灰勞動力成本較高等問題影響了熱風爐的進一步推廣和應(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熱管換熱器設(shè)計了一款新型糧食烘干生物質(zhì)燃料熱風爐，其可達燃煤水平，易點火、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、操作簡便的特點，適用于玉米、水稻、谷物類糧食烘干。

5.2 養(yǎng)殖行業(yè)

當今養(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，對養(yǎng)殖中各個環(huán)節(jié)的把控也更為精準和科學，其中增溫等環(huán)節(jié)常見生物質(zhì)熱風爐的身影。

5.3 供暖

應(yīng)用生物質(zhì)熱風爐進行供暖，指通過鼓風機將生物質(zhì)顆粒燃燒的熱量帶到取暖環(huán)境中，具有啟動速度快、熱惰性低的特點，適用于小門市、農(nóng)業(yè)大棚等間歇采暖的場所。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)計了專門應(yīng)用于戈壁日光溫室增溫防凍的熱風爐，可保證熱風輸出在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]在原有熱風爐的基礎(chǔ)上，對燃燒室結(jié)構(gòu)進行改進設(shè)置一次低氧燃燒、二次配風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輸出。楊遠平等[9]研制一種小型生物質(zhì)燃燒機并將其應(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)熱風爐。

6 結(jié)語

2018年6月，國務(wù)院印發(fā)《打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動計劃》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，對于改善環(huán)境具有重要意義。

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