石毅新，蔣 蘋，彭才望

（湖南農(nóng)業(yè)大學，湖南 長沙410128）

礦物質(zhì)能源在很長一段歷史時期里，對于社會進步與經(jīng)濟發(fā)展起到了極大的推動作用，并且在相當長的時間內(nèi)，人類的發(fā)展對于礦物能源產(chǎn)生了較大的依賴。然而，隨著礦物能源的日趨枯竭，人們不得不把注意力逐漸轉(zhuǎn)向更加環(huán)保的可再生資源，其中生物質(zhì)能源作為一種清潔綠色的可再生能源，不但能在一定程度上替代礦物能源，同時比礦物能源更環(huán)保。

生物質(zhì)能源的應用由來已久，然而大規(guī)模、高效率的應用卻一直沒找到較好的方式。傳統(tǒng)的生物質(zhì)燃燒過程中，往往由于物料自身含水量較高，燃燒時物料堆積，從而產(chǎn)生厚層燃燒，導致燃燒溫度不高，燃燒不充分而產(chǎn)生大量煙塵，同時燃燒時的能量轉(zhuǎn)換效率較低，且造成燃燒后釋放的大量廢氣，造成嚴重的環(huán)境污染。

因此，如何充分利用生物質(zhì)燃料，設計出成本低廉、適應推廣性強、燃燒效率較高的小型生物質(zhì)直燃爐，對于解決農(nóng)村生物質(zhì)資源的利用與新能源開發(fā)具有重要的實際意義與應用前景。燃燒溫度可將其分為氧化區(qū)、還原區(qū)、干燥區(qū)、裂解區(qū)四個工作區(qū)域，如圖所示。氧化區(qū)通過空氣供養(yǎng)充足，燃料燃燒較充分，溫度一般可達到1000℃，還原區(qū)的工作介質(zhì)主要為燃料的不完全燃燒，溫度通常在700～900℃之間，裂解區(qū)的溫度大致在400～600℃左右，此溫度可使生物質(zhì)燃料逐漸到達裂解溫度，從而產(chǎn)生裂解反應，生成成分為CH4等可燃氣體。經(jīng)過實驗與實際使用發(fā)現(xiàn)，次設備的可燃氣體氣化效率較低，焦油產(chǎn)生量較大，且燃燒穩(wěn)定性較差，另外在燃燒過程中，爐膛內(nèi)極易發(fā)生搭橋現(xiàn)象而造成二次污染。同時針對燃燒過程中產(chǎn)生的焦油，目前關(guān)于焦油裂解技術(shù)僅在某些大型設備上得到應用。

圖1 生物質(zhì)氣化爐結(jié)構(gòu)示意圖

1 現(xiàn)有生物質(zhì)爐的基本情況

現(xiàn)有的民用生物質(zhì)燃燒爐灶，主要生物質(zhì)氣化爐和生物質(zhì)氣化直燃爐。對于生物質(zhì)氣化爐，已有較成熟的設備。該設備原理為，先將氣化爐底部燃料點燃，爐膛內(nèi)根據(jù)

現(xiàn)有生物質(zhì)氣化直燃爐的工作原理為，氣化室內(nèi)填加生物質(zhì)燃料后引燃，封閉風門后使生物質(zhì)燃料在缺氧無明火條件下產(chǎn)生氣化，可燃氣體在煙囪的負壓下，通過導火筒的通氣孔進入燃燒室點燃后產(chǎn)生火苗，通過從爐底進入的氧氣助燃進行充分地無煙燃燒，將爐內(nèi)的物料先轉(zhuǎn)化為可燃性氣體，可燃性氣體在中間筒集合后統(tǒng)一燃燒，如圖2所示。該爐灶成功解決了生物質(zhì)燃氣爐產(chǎn)生焦油的缺點，但也存在如下缺點：①燃燒前期沒有明火，會產(chǎn)生大量的煙；②燃燒中期火焰過旺且火力不集中，火力大小不方便；③燃燒后期，灰渣較多；④由于生物質(zhì)揮發(fā)成分含量較高，燃點溫度較低，一般在250～350℃時就有大量可燃氣體析出，并開始劇烈燃燒，此時若氧氣供應量欠缺時，將會增大不完全燃燒損失；⑤厚層燃燒，不能進行很好的通風，供氧不足導致燃燒不充分，而且產(chǎn)生的余碳較多。

總的來說，現(xiàn)有直燃燒爐存在火焰無法控制，厚層燃燒，引風效果差，燃燒不充分，對生物質(zhì)利用率不高等缺點。

圖2 生物質(zhì)氣化直燃爐結(jié)構(gòu)示意圖

2 薄層燃燒的生物質(zhì)直燃爐

根據(jù)上述兩種生物質(zhì)爐灶裝置所存在的相關(guān)問題，對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進行改進設計，設計出新型生物質(zhì)直燃爐。此爐灶的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 小型生物質(zhì)直燃爐的結(jié)構(gòu)示意圖

該小型生物質(zhì)直燃爐分為送料裝置、送風裝置、燃燒裝置、排放裝置和水箱五大部分。送料裝置包括進料蓋、送料箱、驅(qū)動裝置、螺旋軸和螺旋片；送風裝置包括風機和風筒；燃燒裝置包括燃燒杯和點火器；排放裝置包括排煙筒、灰屑閘和灰屑桶。

具體結(jié)構(gòu)特征如下所述：

送料箱內(nèi)裝有燃料輸送裝置，裝置置于送料箱內(nèi)腔底部，輸送裝置的輸出軸與螺旋軸通過聯(lián)軸器連接，螺旋軸上裝有推送螺旋片，通過螺旋片旋轉(zhuǎn)輸送燃料（如圖4所示），該結(jié)構(gòu)設計使燃料的供給較為均勻；輸送裝置下裝有風機，新鮮空氣由燃燒杯內(nèi)的進風孔均勻送至燃燒室，經(jīng)點火器點燃燃燒杯（如圖5所示）內(nèi)的物料，使其實現(xiàn)薄壁燃燒。爐體的正面設有灰屑閘和灰屑桶，位于燃燒杯的下方，可將燃燒后的爐灰從灰屑桶清出。燃燒室周圍環(huán)布水箱，水箱充水后既能隔熱又能充分利用爐內(nèi)熱量，水箱內(nèi)的水可供生活使用，提高了能量的利用效率。

圖4 燃燒進料裝置結(jié)構(gòu)圖

螺旋進料裝置的結(jié)構(gòu)特點：

（1）通過可控制轉(zhuǎn)速的電機來控制進料的多少，從而來控制火焰的大?。ㄈ鐖D4所示）；

（2）螺旋進料實現(xiàn)了連續(xù)進料，保證了燃燒的穩(wěn)定性；

（3）物料與燃燒室有一定的距離，避免了回火現(xiàn)象，保證了設備的安全。

圖5 生物質(zhì)直燃爐燃燒杯結(jié)構(gòu)圖

燃燒杯的結(jié)構(gòu)特點：

（1）采用可拆卸結(jié)構(gòu)，便于清潔與更換（如圖5所示）；

（2）燃燒杯側(cè)面一圈都開有進風孔，風機通過進風孔供風，可以有效增加通風量；

（3）底部設有均勻的排灰孔，可以保證及時排灰，達到薄層燃燒；

（4）燃燒杯大小適宜，燃燒時容納的生物質(zhì)燃料層較薄，使空氣與物料層充分接觸。

3 薄層燃燒生物質(zhì)直燃爐燃燒指標測定

通過對比直燃爐與普通爐灶燃燒不同燃料時的用能情況，重點考慮升溫時間、熱能轉(zhuǎn)化效率等參數(shù)的區(qū)別來評定直燃爐的各項燃燒性能指標。

表1 直燃爐用能情況測定

由于木屑顆粒太細，床層易突然倒塌，無法正常使用，故為得出相應數(shù)據(jù)。

注：計算基準水溫均從20℃升溫至100℃。表1為各測定平均值。

表2 普通爐灶用能情況測定

如表1、表2所示，直燃爐與普通爐灶相比，無論使用顆?；虺尚腿剂线€是木片作為燃燒原料．其熱效率都有顯著提高，且直燃爐的升溫時間明顯縮短，相同燃料的穩(wěn)定燃燒時間也有明顯增加。綜合考慮直燃爐的各項燃燒性能指標均明顯高于普通爐灶。

4 結(jié)語

目前，我國關(guān)于燃燒爐的研究與專利很多，但其中大部分都是燃煤的，大范圍民用不是很現(xiàn)實，另外爐具的投資成本也較本產(chǎn)品的高。本設計的小型生物質(zhì)直燃爐直接以生物質(zhì)為燃料，來源極其廣泛，并且都是可再生的：①林區(qū)采伐剩余物，主要是采伐過程中的枝材；②林木產(chǎn)品加工剩余物，家具廠、木材加工廠以及人造板廠生產(chǎn)過程中的廢棄物；③農(nóng)業(yè)剩余物，主要是農(nóng)作物的秸桿等?，F(xiàn)在化石燃料資源不斷減少，能源危機和人們環(huán)保意識的加強，生物質(zhì)能源會越來越被重視。

生物質(zhì)燃料的原料優(yōu)勢，加之政府在稅收（增加燃煤的稅收）方面的調(diào)控，不久的將來可再生的自然資源的利用也必將普及千家萬戶，本設計的用戶型生物質(zhì)直燃爐正是順應了這種趨勢，對比了現(xiàn)在市面上的兩種生物質(zhì)燃燒爐，加以改進：

（1）采用直接燃燒技術(shù)，將焦油在高溫下裂化分解，解決了生物質(zhì)燃氣爐焦油多的問題；

（2）采用渦輪進料設備，通過渦輪轉(zhuǎn)速控制進料量，從而達到控制火焰大小的目的；

（3）通過對進料量的有效控制，可以使爐內(nèi)的燃燒達到薄層燃燒的需求，使得物料燃燒充分，產(chǎn)生的灰量少；

（4）設計專門接灰的裝置，使得飛灰不會隨煙氣排出，減少了對環(huán)境的污染。

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