|
李燕東，王述洋，汪莉萍，景果仙，李政
（東北林業大學機電工程學院，黑龍江哈爾濱150040）
摘要：介紹生物質成型燃料的燃燒特性，闡述了生物質成型燃料鍋爐各部件設計及參數的確定。
農村能源資源是指可在農村就地開發和利用的能源物質，如薪柴、農作物秸稈、人畜糞便等，農村能源基本上是可再生資源，而且具有較強的地域性、分散性和間歇性。
農村能源利用率低，其生物質能源綜合利用效率僅為16%，薪柴超伐量達54%，秸稈直接燃燒用量占60%。生物質能源的不合理消耗，加劇了農業生態平衡的失調。
生物質成型技術為高效利用農林廢棄物、農作物秸稈等提供了一條很好的途徑。為了更好地利用生物質成型燃料，使農村和鄉鎮用上高品位的能源，筆者設計了一種用于取暖和炊事等用途的生物質成型燃料鍋爐。
1生物質成型燃料燃燒特性
生物質成型燃料燃燒屬于靜態滲透式擴散燃燒。該燃料在鍋爐中的燃燒可分為五個階段，總時間約為50min。
①生物質成型燃料表面可燃揮發物燃燒，進行可燃氣體和氧氣的放熱化學反應，形成火焰；
②除生物質成型燃料表面可燃揮發物燃燒外，成型燃料表層部分的炭處于過渡燃燒區，形成較長火焰；
③生物質成型燃料表面仍有較少的揮發分燃燒，并且逐漸向成型燃料更深層滲透。焦炭燃燒產生的CO2、CO及其它氣體向外擴散，CO不斷與O2結合生成CO2，成型燃料表層生成薄灰殼包圍著火焰；
④生物質成型燃料進一步向更深層燃燒，且主要是進行碳燃燒（即C+O2→CO2），在其表面則進行一氧化碳的燃燒（即CO+O2→CO2），形成了較厚的灰殼，由于生物質的燃盡和熱膨脹，灰層中呈現微孔組織或空隙通道甚至裂縫，還有較少的短火焰包圍著成型塊；
⑤燃燼殼不斷加厚，可燃物基本燃盡，在沒有強烈干擾的情況下，形成整體的灰球，灰球表面幾乎看不出火焰，灰球變暗紅色，至此完成整個燃燒過程。
2生物質成型燃料鍋爐設計
生物質成型燃料鍋爐由灰室、爐排、爐膛、爐門、二次配風環、煙筒水套等組成，其結構如圖1所示。
本次設計的生物質成型燃料鍋爐主要是用于農村取暖，其供暖能力（面積）為100m2。
2.1采暖熱負荷及燃料計算
2.2爐膛參數確定
爐膛指爐箅上部到爐口下部之間的部分，燃料在這里充分燃燒。優化爐膛的幾何形狀可提高熱氣流的對流和輻射作用，使之有利于爐膛溫度的升高，從而增強水套和鍋與煙氣之間的傳熱;同時爐膛容積要適中，既不浪費燃料又不影響通風，避免燃燒不充分。
決定爐膛容積大小的主要指標是爐膛容積熱負荷，即每立方米爐膛容積中每小時燃料燃燒的發熱量大小。爐膛容積熱負荷過大，燃料在爐內停留的時間短，不易完全燃燒；爐膛容積熱負荷過小，爐膛容積過大，則燃燒分散，火力不集中。
爐膛容積計算公式為:
根據所用燃料特點，將爐膛設計為空氣進口大、爐口小的圓臺狀，平直的爐壁有利于減小空氣進入爐膛的阻力，促進空氣與燃料充分混合，增加空氣與燃料接觸的比表面積，促進燃燒；直徑較大的空氣進口使進入的空氣可均勻地分布在燃燒室下方，空氣在煙囪抽力作用下向上方移動，較均勻地供給燃料形成燃燒，而直徑較小的爐口可以起到聚集火焰、增加火力強度的作用。
本次設計的生物質成型燃料鍋爐上方較小的爐口直徑d為15cm。
2.3吊火高度
吊火高度是指鍋爐底與爐排之間的垂直距離。吊火高度的確定與所燒燃料種類和鍋爐的大小有關。根據經驗和本次設計的鍋爐結構確定吊火高度h為31cm，比一般爐具的30cm吊火高度要高。本爐具專門設計了拔火筒（主要在炊事時使用），其有利于火焰聚集，拔高火苗的高度，使鍋具能夠受到高溫火焰的沖刷，有利于提高上火速度和熱能利用率。
2.4爐排總面積與爐箅
2.5煙囪和通炕煙道
煙囪設計在水套的上方；通炕煙道設計在水套后面，方便與農村火炕相連接。在煙筒和通炕煙道內部設計有翻板，可以任意調節其開口的大小，用于控制煙氣的流量，進而控制進入爐具的空氣量和燃燒狀況。這種設計生產的產品不但可以燒炕，而且還能做飯。
2.6水套部分設計
鍋爐燃燒所產生的熱量，絕大多數都被水套吸收，水套吸收的熱量越多，鍋爐的熱效率就越高。水套設計的是否合理對鍋爐的熱效率影響很大，水套的設計要求煙氣能順利通過，并且要盡可能長時間地停留在水套里，以便吸收更多的煙氣熱量；同時要求焊縫嚴密不漏水、不漏氣。
本爐具水套采用2mm厚的Q235鋼板焊接而成，結構簡單。水套的夾層厚度為20mm，中央有一個直徑為244mm的環形水管，根據實驗得知，該環形水管的吸熱效果非常明顯。為了充分吸收煙氣的熱量，在水套后半部分縱向還設置了10根鋼管。
爐體煙筒部分也設有水套，以便進一步吸收煙氣余熱。煙筒水套的截面為圓環形，內徑146mm，夾層厚度為23mm，也采用2mm厚的Q235鋼板焊接而成，用法蘭與水套相連接。這部分可以根據用戶的要求安裝在水套上，不需要時可拆卸下來。
2.7配風系統設計
①進風口：進風口的作用是供給空氣，調節風量，清除灰渣。進風口的截面形狀為110mm×150mm的方形，采用2mm厚的Q235鋼板焊接而成。
②配風管：為了在炊事時提高上火速度，本鍋爐還配置了一個30W的鼓風機。風機安裝在爐體后側，從風機出來的風（空氣）被分成上下兩部分，下面的風被配風管引導從爐箅子下面吹入爐膛，作為一次風供燃料燃燒使用；從上面吹入的風被配風管引導，經二次配風環出來，供沒有完全燃燒的揮發物燃燒，以提高燃料的利用率和減少有害物質的排放。配風管的截面形狀為方形，采用厚度為1mm的Q235鋼板點焊而成。
③二次配風環：二次配風環的作用是把從配風管出來的風（空氣）均勻地分布在爐口，使其能夠與氣體揮發物混合均勻進而充分燃燒。二次配風環四周均勻分布有若干個螺旋配風槽，使火焰呈螺旋狀，有聚集火焰的作用，以提高火焰沖刷鍋底的時間和熱效率。
二次配風環為圓臺狀，其上開有螺旋配風槽的蓋可以取下來。
2.8爐體壁、保溫層和爐體外殼
根據設計結構要求，爐體壁為圓柱形，尺寸為Φ304mm×263mm，采用2mm厚的鋼板焊接而成。
保溫層的材料為耐火水泥，其厚度是由上爐口和爐箅子的尺寸決定的，形狀為喇叭形。上爐口的保溫層厚度為75mm，爐箅上部的保溫層厚度為20mm。
爐體外殼（在圖1中未畫出）的作用是使爐具美觀，本設計的爐體外殼采用噴涂工藝，使其更加漂亮。
爐體壁和爐體外殼之間填充有巖棉，以免發生燙傷事故，同時還可增加爐體外殼的剛度。
3結束語
生物質成型技術為高效利用農林廢棄物、農作物秸稈等提供了一條新途徑，該鍋爐的研制為生物質成型燃料燃燒提供了配套新型爐具，為農村取暖開辟了一條新路。
參考文獻：
[1]郝芳洲，賈振航，王明洲.實用節能爐灶[M].北京:化學工業出版社，2004.
[2]侯中蘭.家用生物質成型燃料爐具設計與研究[D].鄭州：河南農業大學碩士論文，2006.
[3]王秀，李應軍，王紅.燃燒生物質燃料鍋爐的設計[J].節能技術，2001，19（5）.
[4]趙紅艷，陳揚樂.開發我國泥炭燃料補充和發展農村能源[J].中國能源，1993.
[5]劉小二，劉圣勇，等.生物質成型燃料灶具的設計[J].生物質化學工程，2008，42（1）.
[6]趙迎芳.新型生物質成型燃料熱水鍋爐的設計與研究[D].鄭州：河南農業大學碩士論文，2007.
[7]薛凡勤，許瑞英.我國爐具的發展方向[J].農村能源，1999，（6）.
[8]馬孝琴.秸稈著火及燃燒、燃盡特性的試驗研究[J].河南職業技術師范學院學報，2002，16（2）：69-73.
[9]王海濱.國外生物質能轉換技術與應用[J].能源基地建設，2000，12（6）：15-16. |
