生物質成型燃料熱風爐燃燒室的設計與研究

劉立果，張學軍，劉　云，鄢金山，靳　偉，孫　杰，辛倩倩

(1.新疆農業(yè)大學 機械交通學院，烏魯木齊　830052；2.新疆農業(yè)工程裝備創(chuàng)新設計實驗室重點實驗室，烏魯木齊　830052；3.克拉瑪依五五機械制造有限責任公司，新疆 克拉瑪依　834032)

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生物質成型燃料熱風爐燃燒室的設計與研究

劉立果1，張學軍2，劉云3，鄢金山2，靳偉1，孫杰1，辛倩倩1

(1.新疆農業(yè)大學 機械交通學院，烏魯木齊830052；2.新疆農業(yè)工程裝備創(chuàng)新設計實驗室重點實驗室，烏魯木齊830052；3.克拉瑪依五五機械制造有限責任公司，新疆 克拉瑪依834032)

摘要：針對國內外現(xiàn)有的生物質成型燃料燃燒設備，存在燃燒效率低、爐膛溫度過高、積灰和結渣嚴重、不適合塊狀和棒狀成型燃料的燃燒等問題，通過對國內外生物質成型燃料熱風爐燃燒室的研究和借鑒，設計了新型生物質成型燃料熱風爐的燃燒室。該新型生物質熱風爐的燃燒室只是熱風爐的燃燒部分，需要和獨立的換熱器配合使用。在我國可用于生產顆粒狀成型燃料的木屑很少，但擁有大量的可生產塊狀和棒狀成型燃料的作物秸稈。該新型生物質成型燃料熱風爐的燃燒室主要是為了適應塊狀和棒狀成型燃料的燃燒而設計，也可用于部分顆粒狀成型燃料的燃燒，主要由進料機構、燃燒室部分和爐灰清除機構組成，實現(xiàn)了塊狀和棒狀成型燃料的自動進料及爐灰的自動清除。該生物質成型燃料熱風爐的燃燒室可有效減少固體燃料和揮發(fā)分氣體的不充分燃燒，可將爐膛的溫度控制在一定的范圍內，減少了積灰和結渣的產生，并能有效地去除積灰和結渣。

關鍵詞：熱風爐；燃燒室；生物質成型燃料；積灰；結渣

0引言

生物質是僅次于煤炭、石油、天然氣的第四大能源，在世界能源消耗中，生物質能占總耗能的14%，但在發(fā)展中國家占40%以上。生物質成型燃料燃燒時CO2的凈排放量基本為0,NOx排放量僅為燃煤的1/5,SO2的排放量僅為燃煤的1/10。因此，生物質成型燃料是一種低碳、環(huán)保而又可再生的能源。木屑一般做成顆粒狀成型燃料，秸稈一般適合做成塊狀或棒狀成型燃料。由于歐美國家具有較高的森林覆蓋率,顆粒狀生物質成型燃料在歐美得到了廣泛的使用，與之相對應的顆粒狀成型燃料熱風爐得到了深入的研究和廣泛的推廣[1-3]。

我國可用于生產顆粒狀成型燃料的林產加工剩余物的量很少，生物質成型燃料主要依靠年產量在7億t左右的農作物秸稈[4-5]。秸稈中含有較多的易對粉碎設備造成磨損的元素，且秸稈中還容易夾雜泥沙，很容易使粉碎機械的工作部分磨損。因此，作物秸稈更適合加工成塊狀或棒狀生物質成型燃料，這就決定了我國的生物質成型燃料以塊狀或棒狀為主[6]。

近年來，我國引進了一批生物質成型燃料燃燒設備。但是，國外的燃燒設備絕大多數(shù)都是為顆粒狀成型燃料而設計的，不能滿足我國塊狀和棒狀生物質成型燃料的燃燒。以木屑為主要原料的顆粒狀成型燃料與以秸稈為主要原料的塊狀或棒狀成型燃料相比具有比面積大、流動性好及燃燒狀況較好的特點[7-9]。以秸稈為原料的塊狀和棒狀生物質成型燃料與以木屑為原料的顆粒狀成型燃料的燃燒狀況存在一定的差異[10]。積灰和結渣是生物質成型燃料燃燒設備存在的突出問題[11-12]。因此，必須對塊狀和棒狀秸稈成型燃料的燃燒機理進行深入的研究，研制出適合塊狀和棒狀秸稈成型燃料的燃燒設備[13-15]。為此，設計了該新型生物質成型燃料熱風爐的燃燒室。

1總體結構

我國擁有大量的適合生產塊狀和棒狀生物質成型燃料的農作物秸稈。國內外對于生物質成型燃料的研究大都集中在以木屑為原料的顆粒狀成型燃料上。目前，研制出很多適合顆粒狀成型燃料燃燒的設備，但對于適合以秸稈為原料的塊狀和棒狀生物質成型燃料燃燒的設備的研究很少。為了滿足國內對于塊狀和棒狀生物質成型燃料燃燒的需要，研制出了該新型生物質成型燃料熱風爐的燃燒室。該新型生物質成型燃料熱風爐包括進料機構、燃燒室部分和爐灰清除機構，如圖1所示。該生物質成型燃料熱風爐的燃燒室可實現(xiàn)塊狀和棒狀生物質成型燃料的自動上料及爐灰的自動清除，可有效減少固體燃料和揮發(fā)分氣體的不充分燃燒，可將爐膛的溫度控制在一定的范圍內，減少了積灰和結渣的產生，并能有效地去除積灰和結渣。

Ⅰ.進料機構?、?燃燒室部分?、?爐灰清除機構

2進料機構的設計

目前現(xiàn)有的螺旋進料機構結構簡單、可靠性高，但只適用于流動性較好的顆粒狀生物質成型燃料，而對于塊狀和棒狀生物質成型燃料很難實現(xiàn)自動進料。該進料機構是采用螺旋傳動原理進行工作的。盛料箱和兩個推料側擋板構成了盛料容器。盛料箱可根據(jù)需要劃分成4個或更多均勻的小容器,人工將塊狀和棒狀生物質成型燃料放入盛料箱內。推料電動機通過推料減速器使推料絲杠旋轉，推料螺母支架在推料絲杠的作用下前后移動。推料螺母支架和盛料箱利用螺栓連接在一起，從而使盛料箱沿滾動導軌前后移動。通過行程開關控制推料電動機，使盛料箱每次都移動1個盛料小容器的距離。

給料電動機通過給料減速器使給料絲杠旋轉，給料螺母支架在給料絲杠的作用下前后移動。給料螺母支架和給料滑塊利用螺栓連接在一起，給料滑塊、給料推桿和給料擋板焊接在一起，從而使給料滑塊沿給料滑道前后滑動。給料滑塊帶動給料擋板前后移動，兩個給料擺板和給料擋板鉸接在一起，兩個擺板均可左右擺動，兩個拉力彈簧均穿過開有槽的給料擋板，一端安裝在兩給料擺板上，另一端安裝在給料推桿上，如圖2所示。在拉力彈簧的作用下，兩給料擺板的一端均與盛料箱的盛料小容器的側壁緊貼。當給料電動機正轉時，小容器內的成型燃料被兩個擺板逐漸推入熱風爐燃燒室內，兩擺板在拉力彈簧的作用下由熱風爐進料口進入燃燒室的過程中逐漸張開。在兩個擺板的作用下成型燃料逐漸分布在整個爐排上，爐排上正在燃燒的成型燃料逐漸被推到后面，已經燃盡的成型燃料則逐漸被推到爐排的末端，最終由爐排的末端掉入爐灰室。生物質成型燃料在爐排上移動的過程中就可以有效地減少爐排上積灰和結渣現(xiàn)象的產生。

1.給料減速器　2.給料滑道　3.給料滑塊　4.給料推桿

3燃燒室部分的設計

3.1　爐膛的設計

爐膛部分主要包括爐灰室、一燃燒室、二燃燒室、三燃燒室、爐灰室、一室換熱管、二室換熱管和爐排等部分組成。普通的生物質成型燃料熱風爐的爐膛部分和燃煤爐一樣只包括一個燃燒室和爐灰室。該生物質成型燃料熱風爐燃燒室利用換熱管將燃燒室分成一燃燒室、二燃燒室和三燃燒室3個部分。爐排以下為爐灰室，爐排以上一室換熱管以下為一燃燒室，一室換熱管和二室換熱管之間為二燃燒室，二室換熱管以上為三燃燒室，如圖3和圖4所示。一燃燒室內爐排上的生物質成型燃料燃燒時，其揮發(fā)性氣體首先在一燃燒室燃燒，沒有燃盡的揮發(fā)性氣體隨氣流進入二燃燒室和三燃燒室進行充分燃燒，這樣可以大大提高燃燒效率。爐灰室和二燃燒室均設有鼓風機，可以根據(jù)成型燃料燃燒的需要合理供應空氣，以便固體燃料和揮發(fā)性氣體充分燃燒。一室換熱管和二室換熱管交錯排列，這樣既可以避免揮發(fā)性氣體快速的排出，也可以更好地進行熱交換。一室換熱管和二室換熱管的另一個作用是可以根據(jù)需要將爐膛內一部分熱量帶走，避免爐膛內的溫度過高而容易產生積灰和結渣的現(xiàn)象。

12.二燃燒室鼓風機　13.磨塊Ⅱ前拉繩　14.二出風箱

3.2　積灰和結渣的去除原理

生物質成型燃料熱風爐容易出現(xiàn)積灰和結渣問題。爐膛內的溫度過高是產生積灰和結渣問題的關鍵因素。該生物質成型燃料熱風爐就是利用一室換熱管和二室換熱管來降低燃燒室內的溫度。一室換熱管和二室換熱管的一端安裝在進風箱內，均設有交錯的進氣孔并安裝有鏈輪；另一端安裝在出風箱內，均設有交錯的出氣孔。工作時，兩個進風箱的鼓風機均向進風箱內供應冷空氣。冷空氣通過換熱管，經過熱交換后進入出風箱，然后被供應到其它地方進行利用。因此，可以通過調節(jié)進風箱鼓風機的出風量來調節(jié)爐膛內的溫度。進風箱電動機與進風箱減速器連在一起通過鏈傳動使一室和二室換熱管旋轉，可使換熱管更好地吸收成型燃料燃燒時的輻射熱，也可以使換熱管受熱均勻，延長換熱管的使用壽命。為了防止一室和二室換熱管出現(xiàn)積灰和結渣的現(xiàn)象，在一室和二室換熱管上均設有除灰磨塊。在一室和二室換熱管旋轉的同時，人工定期通過拉動除灰磨塊的前、后拉繩，使磨塊緩慢地在換熱管上移動，利用磨塊和換熱管之間的摩擦清除掉換熱管上的積灰和結渣，可大大地提高換熱效率和換熱管的使用壽命。為了防止磨塊和換熱管之間一直不停地摩擦，在燃燒室內設有磨塊Ⅰ支架和磨塊Ⅱ支架。每次清除完一室和二室換熱管上的積灰和結渣后將除灰磨塊Ⅰ和Ⅱ分別拉到磨塊Ⅰ支架和磨塊Ⅱ支架上，如圖3和圖4所示。

爐排是燃燒室內最容易出現(xiàn)積灰和結渣的部位之一，一旦出現(xiàn)積灰和結渣就很容易將爐排上的縫隙堵住，會使成型燃料燃燒時得不到充足的空氣而產生不完全燃燒的現(xiàn)象。該新型生物質成型燃料熱風爐的爐排是由多個獨立的圓鋼爐條構成的，爐排的一端固定在進料口處的燃燒室壁的通孔中并安裝有旋轉用螺栓，另一端固定在爐排支架上，爐排支架固定在兩個集灰板上。因此，可以通過定期順時針旋轉爐排上的旋轉用螺栓，使每個爐條都可以獨立的旋轉，如圖3和圖5所示。這樣可以使爐條和成型燃料之間產生旋轉摩擦，有效去除爐排上的積灰和結渣，使成型燃料燃燒時得到充足的空氣。此外，在每一次自動上料過程中，給料擺板推動成型燃料在爐排上逐漸向后滑動，成型燃料在爐排上滑動的過程中也可以清除掉部分積灰和結渣。

12.二燃燒室鼓風機　13.磨塊Ⅱ前拉繩　15.軸承座固定板Ⅰ

3.3　燃燒室密封的設計

為了防止兩個進風箱和兩個出風箱與燃燒室之間的空氣泄露，設計了密封元件進行密封。將密封元件1安裝在燃燒室壁上，其帶凸緣的一端與燃燒室內壁緊貼，另一端插入燃燒室壁中；密封元件2的一端焊接在換熱管上，另一端插入密封元件1的環(huán)形圓筒中。其中，密封元件1中填充高溫潤滑脂，既不影響換熱管的轉動又可以有效密封。磨塊拉繩均從穿繩管中通過，穿繩管的一端穿過燃燒室壁在燃燒室內，另一端穿過進風箱或出風箱到達外部。這樣可以避免因為拉繩的存在而使進風箱和出風箱內的空氣與燃燒室內的高溫煙氣相互泄露，如圖4和圖5所示。

4爐灰清除機構的設計

爐灰清除機構是利用螺紋傳動原理進行工作的。排灰電動機通過排灰減速器帶動排灰絲杠旋轉，排灰螺母支架在排灰絲杠的作用下實現(xiàn)前后移動；排灰螺母支架和排灰滑塊利用螺栓連接在一起，排灰滑塊、排灰推桿和排灰刮板焊接為一體，從而實現(xiàn)排灰滑塊在排灰滑道中滑動，使排灰刮板在爐灰室中前后移動達到清除爐灰的目的,如圖6所示。

13.磨塊Ⅱ前拉繩　15.軸承座固定板Ⅰ　56.爐排　57.旋轉用螺栓

28.排灰電動機　29排灰減速器　30.排灰滑道　31.排灰滑塊

5結論

1) 該生物質成型燃料熱風爐的燃燒室只是熱風爐的燃燒部分，需要和獨立的換熱設備配合使用，從而有效地減少換熱設備中積灰和結渣的產生。

2) 該生物質成型燃料熱風爐的燃燒室主要是為了滿足塊狀和棒狀秸稈類生物質成型燃料的燃燒而設計，其結構簡單、可靠性高。

3) 該生物質成型燃料熱風爐的燃燒室可實現(xiàn)塊狀和棒狀生物質成型燃料的自動上料和爐灰的自動清除。它可以使塊狀和棒狀生物質成型燃料充分的燃燒，可將爐膛內的溫度控制在一定的范圍內以減少積灰和結渣的形成，并能有效去除爐排和換熱管上的積灰和結渣。

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Design and Research of the Combustion Chamber of Hot Blast Stove of Biomass Briquette

Liu Liguo1, Zhang Xuejun2, Liu Yun3, Yan Jinshan2, Jin Wei1, Sun Jie1, Xin Qianqian1

Abstract：In view of the biomass combustion equipment at home and abroad which exists the problems of the low combustion efficiency, the furnace temperature, dust and slagging serious, not suitable for block and the rod shape fuel combustion, through the study of biomass briquette stove chamber at home and abroad and reference, a new type of biomass briquette combustion chamber is designed. The new biomass combustion chamber is just a part of the combustion process of the hot blast stove, and it needs to be used with an independent heat exchanger. In our country, the wood chips which can be used to produce granular briquette flues are very few, but there exists a large amount of crop straw which can used for producing massive and rod-shaped biomass briquette.The new type of biomass shaped fuel furnace combustion chamber is mainly designed to fit for the massive and rod-shaped biomass briquette, and it can also be used for part of the granular molding fuel combustion. It is mainly composed of giving material mechanism, the part of the combustion chamber and ashes clearing mechanism. It achieves the automatic feeding and automatic removal of furnace ash of the massive and rod-shaped biomass briquette.The hot blast stove of biomass combustion chamber can effectively reduce the incomplete combustion of the solid fuel and volatile gases, can control the temperature of furnace in a certain range, reduce the production of ash deposition and slagging, and can effectively remove ash deposition and slagging.

Key words：hot blast stove; combustion chamber; biomass briquette; ash deposition; slagging

中圖分類號：S216

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)10-0245-05

作者簡介：劉立果(1988-),男，山東濟寧人，碩士研究生，(E-mail) liuliguo0415@126.com。通訊作者：張學軍(1966-)，男，烏魯木齊人，教授，碩士生導師，博士，(E-mail)zhxjau@sina.com。

基金項目：科技支疆項目(2012AB003)

收稿日期：2015-09-23