李姜昊，劉學(xué)磊，劉 柱，楊瑞哲，陳星宇，龔德鴻

（貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025）

半自動(dòng)給料生物質(zhì)回風(fēng)爐設(shè)計(jì)＊

李姜昊，劉學(xué)磊，劉 柱，楊瑞哲，陳星宇，龔德鴻

（貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025）

基于目前民用生物質(zhì)爐灶燃燒效率低、污染嚴(yán)重、加料不便等諸多問(wèn)題，設(shè)計(jì)了具有分層燃燒、分級(jí)送風(fēng)、煙氣再循環(huán)和半自動(dòng)給料等特點(diǎn)的生物質(zhì)回風(fēng)爐。生物質(zhì)回風(fēng)爐在提高燃燒效率的同時(shí)，有效減少了污染物的排放，使民用生物質(zhì)爐灶做到了半自動(dòng)化定量給料，實(shí)現(xiàn)了不間斷、穩(wěn)定燃燒。這個(gè)設(shè)計(jì)在推行民用生物質(zhì)爐灶，提高我國(guó)生物質(zhì)清潔能源的利用率、開(kāi)發(fā)率，代替散煤燃燒等治理環(huán)境污染，推動(dòng)能源發(fā)展方面起到了一定的促進(jìn)作用。

生物質(zhì)回風(fēng)爐；半自動(dòng)給料；分層燃燒；分級(jí)配風(fēng)

隨著世界能源消費(fèi)量的增加，世界能源需求壓力十分大，能源短缺問(wèn)題日益嚴(yán)重，并成為制約人類(lèi)社會(huì)發(fā)展的主要問(wèn)題之一，它嚴(yán)重影響著社會(huì)的發(fā)展[1]。生物質(zhì)能源占據(jù)世界一次能源消耗量的25%，是在化石能源煤、石油、天然氣之后排名第四的能源[2]。生物質(zhì)能源在儲(chǔ)量、運(yùn)輸、清潔方面相對(duì)于化石能源有著巨大的優(yōu)勢(shì)，并且是可再生能源中唯一可以運(yùn)輸與儲(chǔ)存的能源[3]。對(duì)此，各國(guó)都高度重視生物質(zhì)能源，紛紛出臺(tái)了許多與生物質(zhì)能源相關(guān)的政策[4]。

農(nóng)村的“退耕還林”已成為我國(guó)新農(nóng)村建設(shè)的主要內(nèi)容之一，政府每年投入大量資金用于購(gòu)買(mǎi)回風(fēng)爐發(fā)放給農(nóng)戶(hù)，以實(shí)現(xiàn)農(nóng)村山林水土保持和環(huán)境保護(hù)。目前，對(duì)于市面上的回風(fēng)爐，在其實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，在節(jié)能方面都取得了一些實(shí)際的效果，但是，在燃燒污染物控制方面未進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)設(shè)計(jì)，且部分回風(fēng)爐以燒煤為主，存在著燃燒低效性、高污染、加煤不便等諸多缺點(diǎn)。同時(shí)，傳統(tǒng)回風(fēng)爐采用上方加燃料的方式，使用時(shí)很容易造成煙灰的二次揚(yáng)塵，對(duì)使用環(huán)境和人體健康造成新的危害。在國(guó)家大力發(fā)展清潔能源的今天，以燃煤為主的小型爐要逐步退出歷史舞臺(tái)，燃用秸稈、柴火等生物質(zhì)燃料的新型生物質(zhì)爐灶必將是一種發(fā)展趨勢(shì)。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

此次設(shè)計(jì)的設(shè)備為半自動(dòng)給料生物質(zhì)回風(fēng)爐，它選用圓形爐膛，使燃料燃燒產(chǎn)生的火焰在爐膛水平面均勻燃燒。針對(duì)生物質(zhì)燃料層過(guò)厚、燃燒效率不高的問(wèn)題，半自動(dòng)生物質(zhì)回風(fēng)爐采取了分層燃燒的方式；針對(duì)通風(fēng)條件不好、污染物處理問(wèn)題，半自動(dòng)生物質(zhì)回風(fēng)爐選用分級(jí)送風(fēng)的方式；針對(duì)換熱面積小、高溫?zé)煔獾貌坏匠浞掷玫膯?wèn)題，半自動(dòng)生物質(zhì)回風(fēng)爐采用煙氣再循環(huán)裝置，實(shí)現(xiàn)煙氣余熱利用；針對(duì)人工加料方式的不便及其所造成的污染，半自動(dòng)生物質(zhì)回風(fēng)爐使用半自動(dòng)給料裝置，實(shí)現(xiàn)給料的機(jī)械化和定量化。半自動(dòng)生物質(zhì)回風(fēng)爐結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 半自動(dòng)給料生物質(zhì)回風(fēng)爐結(jié)構(gòu)示意圖

2 關(guān)鍵設(shè)計(jì)

2.1 爐芯

由于民用生物質(zhì)回風(fēng)爐不具備強(qiáng)制送風(fēng)能力，爐膛燃燒氧量的提供多以自然送風(fēng)為主，所以，在設(shè)計(jì)爐芯時(shí)，必須考慮爐芯內(nèi)的通風(fēng)效果。本設(shè)計(jì)仿照雙曲型冷卻水塔，設(shè)計(jì)為外部呈圓柱形、內(nèi)部為梯形、上小下大的圓臺(tái)空間結(jié)構(gòu)。水平層面的圓形空間使燃料可以均勻分布，這樣有利于燃料穩(wěn)定燃燒，形成穩(wěn)定的燃燒中心和著火層。豎直方向的上小下大設(shè)計(jì)使?fàn)t芯內(nèi)部在燃燒時(shí)具有自然拔風(fēng)效果，促進(jìn)空氣流通，為生物質(zhì)成型燃料的燃燒提供充足的氧量。在中部開(kāi)二次風(fēng)孔，為二次送風(fēng)系統(tǒng)作準(zhǔn)備。爐心具體結(jié)構(gòu)如圖2所示，爐芯總高45 cm，外徑20 cm，上部?jī)?nèi)徑12 cm，下部?jī)?nèi)徑16 cm，通風(fēng)環(huán)位于爐芯中部，內(nèi)徑14 cm，共12個(gè)開(kāi)孔，每3個(gè)一組，沿圓環(huán)平均分布。

圖2 爐芯和二次送風(fēng)開(kāi)孔截面圖

2.2 雙層爐排與燃燒網(wǎng)

本設(shè)計(jì)借鑒生物質(zhì)工業(yè)鍋爐中分層燃燒的概念，采用雙層爐排的設(shè)計(jì)，將爐芯內(nèi)大量的生物質(zhì)成型燃料分離為上下兩層，上層的網(wǎng)孔大，下層的網(wǎng)孔小。在給料時(shí)，較大的燃料卡在上層燃燒網(wǎng)中，較小的燃料落入下層燃燒網(wǎng)中，并且在上層燃燒網(wǎng)中心處開(kāi)孔。這種設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)是：①在點(diǎn)燃燃料時(shí)，可使引燃物穿過(guò)上層燃燒網(wǎng)點(diǎn)燃下層燃燒網(wǎng)的燃料；②確保爐芯內(nèi)的通風(fēng)條件；③使下層燃燒網(wǎng)中心部分落入較多的燃料，促使燃燒中心的形成，確保燃燒的穩(wěn)定性。

上下層的燃燒網(wǎng)由4根細(xì)柱連接，緊貼爐芯內(nèi)壁，上層燃燒網(wǎng)比較小，下層燃燒網(wǎng)比較大，形狀符合爐芯內(nèi)部情況，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 上下層燃燒網(wǎng)及其連接情況

在爐灶實(shí)際運(yùn)行的過(guò)程中，這種分層燃燒的設(shè)計(jì)非常適合生物質(zhì)燃料，促使燃料完全燃燒，有效提高熱效率，提升爐膛溫度，有助于減少CO、NOX、SOX等污染物的排放[5]。

2.3 分級(jí)送風(fēng)與煙氣再循環(huán)

在爐膛的基礎(chǔ)上增加二次送風(fēng)和煙氣再循環(huán)系統(tǒng)，爐芯外側(cè)分為8個(gè)區(qū)域，4個(gè)為二次風(fēng)管道，4個(gè)為煙氣再循環(huán)管道，相互交錯(cuò)豎直排列，由煙氣加熱二次風(fēng)。本設(shè)計(jì)借鑒成熟的分級(jí)配風(fēng)設(shè)計(jì)，在回風(fēng)爐灶上加裝二次送風(fēng)系統(tǒng)。二次風(fēng)作為助燃風(fēng)，相對(duì)于一次風(fēng)提供少量空氣，使揮發(fā)、分析出的大量CO等可燃?xì)怏w在爐芯中上部與氧氣充分接觸，燃燒放熱，減少氣體不完全燃燒損失。同時(shí)，空氣分級(jí)燃燒可以減少NOX的排放量。

在第一階段，爐灶內(nèi)只通入80%左右的理論空氣量，使過(guò)量空氣系數(shù)α＜1.在富燃料燃燒區(qū)，有效抑制了燃燒區(qū)內(nèi)的燃燒速度，控制了其溫度，從而減少了揮發(fā)分燃燒生成的熱力型NOX。此外，燃燒所生成的CO、NO的還原反應(yīng)以及燃料中的N分解為中間產(chǎn)物相互作用，或者與NO的還原反應(yīng)，都抑制了燃料型NOX的生成。

排煙熱損失是生物質(zhì)民用爐灶、工業(yè)鍋爐、電站鍋爐等主要熱損失之一，在民用爐灶中，由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，受熱面比較小，煙氣攜帶大量熱量從煙囪中排出，造成巨大的能源浪費(fèi)。同時(shí)，由于生物質(zhì)成型燃料的特性，揮發(fā)分占比多，造成大量可燃?xì)怏w的產(chǎn)生，而焦炭中也有少部分固定碳被氣流所吹動(dòng)，懸浮在爐芯內(nèi)，進(jìn)而與可燃?xì)怏w一同帶出煙囪外，這就造成了大量的氣體不完全燃燒損失與固體不完全燃燒損失。

為此，設(shè)計(jì)出煙氣再循環(huán)系統(tǒng)。對(duì)于爐芯外側(cè)的8個(gè)豎直擋板區(qū)域，其中4個(gè)為煙氣再循環(huán)煙道，與另外4個(gè)二次送風(fēng)管道交錯(cuò)布置，在煙囪出口不完全開(kāi)放，產(chǎn)生的壓力使少部分煙氣不直接排出煙囪外，轉(zhuǎn)而進(jìn)入了再循環(huán)煙道中。其工作流程如圖4所示。

圖4 煙氣再循環(huán)系統(tǒng)工作流程

2.4 半自動(dòng)給料裝置

該設(shè)計(jì)為帶有儲(chǔ)料箱的半自動(dòng)給料裝置，通過(guò)定量的機(jī)械化給料，優(yōu)化了頻繁加料帶來(lái)的不便，使生物質(zhì)爐灶更易推廣。半自動(dòng)給料裝置由2部分組成，上半部分為儲(chǔ)料箱，儲(chǔ)料箱底部向中間傾斜，有利于燃料自動(dòng)落入下半部分送料裝置的給料車(chē)中。此時(shí)，送料管道為封閉狀態(tài)，煙氣不會(huì)泄漏。給料時(shí)，推動(dòng)手柄，給料車(chē)進(jìn)入給料管道，切斷刀切斷儲(chǔ)料箱的燃料，同時(shí)，擋板阻斷燃料繼續(xù)下泄。由于底部擋板沒(méi)有阻力會(huì)自動(dòng)打開(kāi)，定量燃料自動(dòng)進(jìn)入爐膛燃燒。給料

圖5 半自動(dòng)給料裝置

完成后，拉回手柄，底部擋板自動(dòng)閉合，擋板撤出，燃料自動(dòng)填滿(mǎn)給料車(chē)，半自動(dòng)給料裝置恢復(fù)未給料狀態(tài)。受電弓不再繼續(xù)上升。高度位置傳感器也安裝于機(jī)箱內(nèi)，不隨掛鉤上下移動(dòng)，有利于保護(hù)傳感器，保證其能夠長(zhǎng)期可靠使用。同時(shí)，設(shè)置“硬件校準(zhǔn)”進(jìn)行補(bǔ)償，標(biāo)定補(bǔ)償測(cè)力系統(tǒng)長(zhǎng)期使用后的微量漂移，保證系統(tǒng)的測(cè)力精度。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文簡(jiǎn)要闡述了架修后受電弓的測(cè)試要求，從理論實(shí)現(xiàn)的角度設(shè)計(jì)了一套滿(mǎn)足受電弓測(cè)試要求的試驗(yàn)平臺(tái)。試驗(yàn)平臺(tái)能夠有效完成測(cè)試升降弓時(shí)間、升降弓靜態(tài)壓力的檢測(cè)、保壓試驗(yàn)和最低位置保持力等測(cè)試項(xiàng)目。該試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)精度、性能滿(mǎn)足受電弓的使用要求，極大地縮短了測(cè)試工序的時(shí)間，提高了測(cè)試效率，適用于受電弓架修后的性能測(cè)試。

［1］張有松.韶山4型電力機(jī)車(chē)［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，1998.

［2］喬寶蓮.電力機(jī)車(chē)電器［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2008.

［3］陶時(shí)澍.電氣測(cè)量［M］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2004.

［4］劉傳璽.自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)［M］.天津：天津大學(xué)出版社，2008.

［5］鐵道科學(xué)研究院機(jī)車(chē)車(chē)輛研究所，株洲南車(chē)時(shí)代電氣股份有限公司，中國(guó)南車(chē)集團(tuán)株洲九方電器設(shè)備有限公司，等.GB/T 21561機(jī)車(chē)車(chē)輛受電弓特性和試驗(yàn)［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

［6］莫堅(jiān).電力機(jī)車(chē)受電弓試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)［J］.廣西輕工業(yè)，2011（4）：113-115.

［7］孫志才.鐵道車(chē)輛檢修技術(shù)［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2013.其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

〔編輯：白潔〕

3 結(jié)束語(yǔ)

目前，我國(guó)的生物質(zhì)能源利用處于起步晚、發(fā)展慢的狀態(tài)，民用生物質(zhì)爐灶的發(fā)展和規(guī)范更是處于空白期，市面上很多的專(zhuān)利和研究也大多是私人研發(fā)的，且大部分為燃煤民用爐灶。在現(xiàn)有的政策中，散煤燃燒要被逐步取代，作為替代品的生物質(zhì)爐灶必然快速登上歷史舞臺(tái)，生物質(zhì)能的利用也會(huì)被國(guó)家相關(guān)部門(mén)和民眾所重視。本文所述設(shè)計(jì)是對(duì)現(xiàn)有民用生物質(zhì)爐灶的改造，它的優(yōu)點(diǎn)是：采用分層燃燒技術(shù)，有效提高了生物質(zhì)成型燃料的燃燒效率，解決了不完全燃燒問(wèn)題；采用分級(jí)送風(fēng)技術(shù)，降低了NOX的排放水平，促進(jìn)了燃料清潔燃燒；采用煙氣再循環(huán)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高溫?zé)煔獾挠酂崂茫嵘藸t膛溫度；設(shè)計(jì)了半自動(dòng)給料裝置，實(shí)現(xiàn)了給料的機(jī)械化和定量化。

參考文獻(xiàn)：

［1］陳曦，韓志群，孔繁華，等.生物質(zhì)能源的開(kāi)發(fā)與利用［J］.化學(xué)進(jìn)展，2007，19（7）：1091-1097.

［2］中華人民共和國(guó)國(guó)家發(fā)展計(jì)劃委員會(huì)基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)發(fā)展司.中國(guó)能源與可再生能源1999白皮書(shū)［R］.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2000.

［3］袁振宏，吳創(chuàng)之，馬隆龍，等.生物質(zhì)能利用原理與技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

［4］陳敬全.歐盟生物能源發(fā)展現(xiàn)狀和相關(guān)政策研究［J］.全球科技經(jīng)濟(jì)瞭望，2012，27（3）：2l-35.

［5］周菊華，孫海峰.火電廠(chǎng)燃煤機(jī)組脫硫脫硝技術(shù)［M］.北京：中國(guó)電力出版社.2010：162-163.

TK64

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.13.129

2095-6835（2017）13-0129-04

李姜昊（1994—），男，山東德州人，本科生，能源與動(dòng)力工程專(zhuān)業(yè)。龔德鴻，男，碩士生導(dǎo)師，副教授，主要研究方向?yàn)樯镔|(zhì)燃料、燃燒污染物控制。

〔編輯：白潔〕

貴州大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目：半自動(dòng)給料生物質(zhì)回風(fēng)爐設(shè)計(jì)（201610657020）