生物质颗粒燃料燃烧炉的设计

摘要：生物质颗粒燃料燃烧炉，燃料为玉米秆、木屑、棉杆、稻壳、花生壳等的生物质颗粒燃料，主要用途是为乡镇居民家庭采暖。该燃烧炉主要由进料系统、点火系统、燃烧系统、送风系统、换热系统、清灰装置、控制系统七大部分组成，部件结构齐全及工作状况稳定。

Abstract： The fuel of bio-particles fueled combustion furnace includes corn stalks， wood chips， cotton stalk， rice husk， peanut shell， etc. The main use of the furnace is township household heating. The furnace is mainly composed of feeding system， ignition system， combustion system， air supply system， heat exchange system， ash removal device and control system. The part structure is complete and the working condition is stable.

关键词：生物质；燃烧炉；气化燃烧；换热器；颗粒燃料

Key words： biomass；combustion furnace；gasification combustion；heat exchanger；particle fuel

中图分类号：TK175 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）29-0139-02

0 引言

生物质能源属于清洁可再生能源，因为在其能源化利用过程中释放的碳与其生长过程中固定的碳相等，即可以实现二氧化碳的零排放，受到了世界各国的普遍关注。在生物质炉具的研究方面，国外研究的起步较早，技术较为成熟，但是国外的炉具主要燃烧木屑生物质颗粒，对秸秆类生物质颗粒燃烧不使用。更加高效的生物质炉具的开发，对生物质能的高效利用和环境问题的解决具有重要的意义。

1 燃烧炉的工作原理

本燃烧炉燃烧过程采用两段燃烧的方法。两段燃烧包含一个热解过程、一个气相燃烧过程和一个固相燃烧过程。其中，热解过程发生在炉排上方；气相燃烧过程发生在气相火焰处；热解层热解出的生物质挥发分在风机的作用下，与二次风混合，并发生气相燃烧过程。固相燃烧过程发生在灰炭层处。气相燃烧火焰的热量与固定炭燃烧热量汇合，形成高温烟气排至换热器中。

2 燃烧炉的结构设计

2.1 燃烧炉的设计参数

本颗粒燃料燃烧炉，考虑到用途是为一般的个体家庭采暖热源，并结合采暖系统的实际工况，及其燃料的燃烧状况，确定燃烧炉的参数如表1。

燃料的选择方面，不仅可以选用热值高的木屑颗粒，也可以选用热值低的棉杆颗粒等。在本文中，选用热值低的棉杆做为最不利燃烧工况，棉杆的热值为12.12MJ/kg。

换热器中的热水得到的热量为12kW，则进入换热器的热量为：15.6kW；在燃烧炉的炉膛处，向外损失5%的热量，则炉膛散热前的热量为16.42kW。经计算，需要的燃料放热量为17.5kW，每小时需要消耗的燃料量为5.2kg。在炉子的进料系统、燃烧器、炉膛的设计时，均按照该燃烧质量设计。

2.2 燃烧炉的结构设计

燃烧炉设计时，综合考虑了生物质颗粒两段燃烧的特点，及燃烧层的易结渣特性，并考虑到燃烧炉工作时的调节和控制系统的实施，然后进行了本燃烧炉的设计。燃烧炉由进料系统、点火系统、燃烧系统、送风系统、换热系统、清灰装置、控制系统七大部分组成。

①进料系统的设计：进料仓的储料量为50kg，在燃烧炉完全满负荷运转时，可满足10小时的用料量。料仓中的燃料，在进料动力装置的作用下，经进料管进入点火装置，进入气化燃烧的燃烧器。

②点火装置：点火装置位于气化燃烧器的上方，进料管的出口处有一个封闭的空间，封闭空间内设置一个点火棒。在风机的作用下，产生热风，用热风点火的原理实现点火。

③燃烧系统和送风系统：燃烧系统包括气化燃烧器、炉排、炉膛。送风系统包括一次风系统和二次风系统。下面进行燃烧系统与送风的设计与计算。

1）棉杆完全燃烧生成烟气量的计算。计算结果见表2。

2）燃烧系统与送风系统的设计参数。燃烧系统与送风系统的设计与计算参数见表3。

其中的炉排的孔的尺寸、灰炭搅拌装置的动作方式、一次风二次风的开度、风机的频率等，需通过试验确定。

④换热系统：本燃烧炉的换热系统由换热器、清灰杆、风机。其中换热装置，采用的是壳管式换热器，水走壳程，烟气走管程。考虑到生物质颗粒燃料燃烧时，烟气中会含有烟尘及焦油成分，因此经过长时间的运行后，会在壳管式换热器的管程内壁积累，严重影响换热效率。因此，在换热器的烟管内，设计清灰杆，可以清除灰层。

经计算，换热器所需的换热面积为0.142m2，因此设计换热器的尺寸为，300mm×140mm的矩形外壳，内有10根内径为40mm的烟管。风机的选型为，根据以上计算，选择风机流量为60m3/h，风压为150Pa。

⑤清灰装置：清灰装置位于炉膛的下部，气化燃烧后，剩余的固定炭成分在此部件中完成燃烧，并将燃烧剩余的灰分沉积在清灰抽屉中。

⑥控制系统：该燃烧炉可以实现完整的控制，包括对进料系统的变频控制、启停控制，对点火棒的启停、加热时间的控制，对搅拌装置的启停控制，对一次风、二次风的开度控制，对风机的变频控制等。

经过以上设计过程，可得到本燃烧炉的总体结构，见图1。

3 燃烧炉的试验

对燃烧炉进行燃烧试验，试验条件：炉排上燃料层的总厚度为不变，保持正常进料，搅拌连续转动。试验方法：通过调节进风口的开度大小，控制进入燃烧室的空气量，燃烧稳定后，取连续4min的工作工况数据，比较不同阀门开度κ的情况下，炉膛温度的变化及燃烧炉工况的稳定性。经过试验，得到在不同的阀门开度的情况下，炉膛温度的变化，见图2。

经过以上实验总结得出，本生物质颗粒燃料燃烧炉的炉膛温度，与燃烧时供给的空气量有一定的关系，且空气供给的量太多或太少，都会导致炉膛温度降低。当空气供给的量适度，即阀门开度为0.6时，炉膛温度最高，为900℃左右。而且，在此工作条件下，燃烧炉工作状况稳定，整个燃烧过程无结渣现象。在常规的燃烧炉燃烧时，当燃料为生物质秸秆材料时，会出现结渣现象。生物质的结渣，会堵塞炉排，阻碍燃烧的持续进行。本燃烧炉在进行燃烧试验时，整个燃烧过程无结渣现象，并且燃烧稳定持续进行。

4 小结

经过本文的研究及计算，设计了该燃烧炉，主要由进料系统、点火系统、燃烧系统、送风系统、换热系统、清灰装置、控制系统七大部分组成。通过对该燃烧炉进行燃烧试验得到，燃烧炉在工作时，炉膛温度可达到900摄氏度，且燃烧过程无结渣，克服了常规的燃烧炉燃烧结渣问题。该燃烧炉属于实验产品，需要对其进行投入大量的实验研究，并对不合理的部件进行设计及改造。因此，该燃烧炉对于燃烧设备的初期研究，对生物质燃烧设备的研究具有一定的指导意义。

参考文献：

[1]王贤华，王德元，陈汉平，等.生物质能资源收集系统研究[J].太阳能学报，2011，32（11）：1666-1671.

[2]袁振宏，吴创，马隆龙.生物质能利用原理与技术[M].北京： 化学工业出版社，2005.

[3]杜云川，罗永浩，等.秸秆类生物质两段式气化实验研究[D]. 上海：上海交通大学，2009.

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