郝兆朋， 邱禹鑫， 于保軍， 張寶林

(1.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春 130012;2.吉林省允祥環(huán)保設(shè)備有限公司， 吉林 長(zhǎng)春 130022)

0 引 言

近年來(lái)，隨著大氣污染防治工作的深入推進(jìn)，以煤為燃料熱源，由熱風(fēng)爐、鍋爐等供熱的糧食烘干機(jī)逐步被禁用淘汰[1]。生物質(zhì)燃料是一種以植物和農(nóng)林廢棄物為原料的既環(huán)保又可循環(huán)利用的清潔能源，具有環(huán)保節(jié)能、低碳減排等特點(diǎn)[2]。合理轉(zhuǎn)化利用這些生物質(zhì)能源，既能充分利用農(nóng)業(yè)廢棄物，減少環(huán)境污染，又能有效緩解能源緊張的問(wèn)題[3]?？追沧4]等設(shè)計(jì)了一種節(jié)能環(huán)保型生物質(zhì)熱風(fēng)爐，主要包括給料系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、箱體及控制部分。該節(jié)能型生物質(zhì)熱風(fēng)爐能連續(xù)提供恒溫、恒壓和無(wú)塵的熱空氣，廢熱煙氣排放無(wú)污染，可用于干燥和采暖；高海華[5]等設(shè)計(jì)了一種使用生物質(zhì)顆粒作為燃料，能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)進(jìn)料、自動(dòng)排渣且合理配風(fēng)，使燃料完全燃燒利于環(huán)保的生物質(zhì)熱風(fēng)爐,可顯著降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率；王斌[6]等研制了一種生物質(zhì)熱風(fēng)爐，采用螺旋翅片管換熱器對(duì)流換熱與爐膛輻射換熱技術(shù)，對(duì)生物質(zhì)熱風(fēng)爐的爐膛、爐排及熱效率等分別進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算，并以生物質(zhì)顆粒為原料，在樣機(jī)上進(jìn)行了各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該生物質(zhì)熱風(fēng)爐能夠充分燃燒生物質(zhì)顆粒，具有環(huán)保、節(jié)能、節(jié)省成本的優(yōu)勢(shì)。采用燃燒模擬軟件FLIC和Fluent相結(jié)合的方式，針對(duì)生物質(zhì)成型燃料鏈條爐爐篦上的燃燒和爐膛內(nèi)的氣體燃燒進(jìn)行模擬，研究方法和結(jié)果對(duì)該類(lèi)鍋爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及運(yùn)行參數(shù)選擇提供指導(dǎo)[7]。矯振偉等研制出用于糧食及其它農(nóng)副產(chǎn)品干燥的新型熱風(fēng)爐，采用了高強(qiáng)化傳熱管技術(shù),此熱風(fēng)爐效率高、換熱面緊湊、耗鋼少、體積小、壽命長(zhǎng)[8]。

目前生物質(zhì)熱風(fēng)爐存在的技術(shù)難題：

1)燃燒秸稈成型燃料易結(jié)焦，導(dǎo)致燃燒效率低，不能連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行；

2)煙-風(fēng)換熱器鋼材易變形、燒穿；

3)熱風(fēng)爐本體結(jié)構(gòu)散熱損失大；

4)除塵運(yùn)行成本及清灰勞動(dòng)力成本較高，換熱器易積灰，導(dǎo)致傳熱效率低；

5)煙-風(fēng)換熱器投資成本高，排煙溫度較高，熱效率較低。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理

1.1 熱風(fēng)爐總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

生物質(zhì)顆粒由上料機(jī)和料斗分層供應(yīng)到鏈條爐排，在引風(fēng)機(jī)引導(dǎo)下經(jīng)科學(xué)布置的一、二次風(fēng)機(jī)作用下穩(wěn)定燃燒，供給換熱器熱量，輔助煙氣循環(huán)調(diào)節(jié)燃燒換熱溫度，電控系統(tǒng)通過(guò)變頻控制電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)各部運(yùn)行指標(biāo)?；以?jīng)除渣機(jī)排出，煙氣進(jìn)入換熱器換熱，經(jīng)過(guò)換熱后的熱風(fēng)送入烘干塔烘糧，換熱后的煙氣經(jīng)環(huán)保系統(tǒng)處理后外排。生物質(zhì)熱風(fēng)爐結(jié)構(gòu)換熱流程如圖1所示。

圖1 生物質(zhì)熱風(fēng)爐結(jié)構(gòu)及除塵換熱流程

1.2 技術(shù)優(yōu)勢(shì)與分析

1)采用往復(fù)爐排和半氣化燃燒技術(shù)解決秸稈燃料結(jié)焦難題。生物質(zhì)熱風(fēng)爐采用小傾角往復(fù)爐排,燃料層比較平整，解決了往復(fù)爐排燃料層上表面波浪起伏較大，容易出現(xiàn)“火口”的問(wèn)題。兩側(cè)送風(fēng)，獨(dú)立可調(diào)風(fēng)量的多風(fēng)室，可少量給予一次風(fēng)，滿足燃料裂解氣化不同區(qū)段對(duì)空氣量的不同要求。

爐排片采用耐熱材質(zhì)，片頭部位的幾何形狀摒棄棱角分明結(jié)構(gòu)，選用圓滑過(guò)渡階梯形狀。爐排片兩側(cè)立面的多根立筋之間形成幾個(gè)“凹形”通風(fēng)槽，爐排片頭也得到充分冷卻，避免了爐排片頭部經(jīng)常燒損問(wèn)題。

爐排上的燃料層吸收來(lái)自爐膛高溫?zé)煔?火焰)和爐墻爐拱的輻射熱，具有“上部著火”的特性。同時(shí)，在活動(dòng)爐排往復(fù)運(yùn)動(dòng)作用下，爐排上的燃料產(chǎn)生明顯的翻滾和混合，未燃燒的部分燃料能夠與已經(jīng)著火的燃料進(jìn)行摻混，從而快速得到預(yù)熱。爐排的往復(fù)運(yùn)動(dòng)具有強(qiáng)烈的“撥火”作用，破焦能力強(qiáng)，即使一次風(fēng)量調(diào)節(jié)不當(dāng)，產(chǎn)生結(jié)焦現(xiàn)象也不影響穩(wěn)定燃燒。

前后拱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，二次風(fēng)布置在前后拱形成的“喉口”處，一方面加強(qiáng)擾動(dòng)，另一方面補(bǔ)充大量空氣，能夠保證生物質(zhì)裂解產(chǎn)生的大量揮發(fā)分及時(shí)獲得氧氣混入，形成氣化燃燒，避免因缺氧造成的熱解“冒黑煙”現(xiàn)象。在后拱的上部設(shè)置有干擾拱，炙熱狀態(tài)干擾拱的諸多孔道對(duì)流經(jīng)的煙氣具有強(qiáng)化燃燒作用，燃燒充分，燃燒效率高。另外，干擾拱的布置有利于煙氣飛灰的慣性沉降。

2)降低煙-風(fēng)換熱器入口煙氣溫度，防止換熱器鋼材產(chǎn)生屈服變形、燒彎及高溫腐蝕。在沉降室(混合室)設(shè)置調(diào)溫風(fēng)口，調(diào)溫風(fēng)從爐體側(cè)面切向進(jìn)入燃燒室外層夾套(冷風(fēng)通道)，通過(guò)燃燒室前端及四周布置的冷風(fēng)通道和燃燒室出口的高溫?zé)煔膺M(jìn)行混合后，再與循環(huán)煙氣進(jìn)行混合(可根據(jù)實(shí)際運(yùn)行溫度進(jìn)行開(kāi)關(guān)和調(diào)節(jié)循環(huán)煙氣量)，使進(jìn)入混合室的煙氣溫度降到700 ℃以下，有效防止了換熱器鋼材產(chǎn)生屈服變形使鋼管或鋼板燒彎以及高溫腐蝕和氧化造成的受熱面燒穿現(xiàn)象。

3)熱風(fēng)爐本體結(jié)構(gòu)散熱損失小。根據(jù)爐膛溫度選擇耐火襯里的材料為低鈣鋁酸鹽耐火混凝土，根據(jù)傳熱計(jì)算確定耐火襯里厚度。燃燒室外層夾套(冷風(fēng)通道)能使調(diào)溫風(fēng)流動(dòng)均勻并被預(yù)熱，同時(shí)起到氣體層保溫作用，達(dá)到降低爐體外表面溫度的效果。在環(huán)境溫度下，保證熱風(fēng)爐外表面與環(huán)境溫差不大于50 ℃，有效降低了散熱損失。

4)采用耐高溫陶瓷膜管除塵器，使?jié)崈舻母邷責(zé)煔膺M(jìn)入煙-風(fēng)換熱器進(jìn)行熱交換，有效解決了換熱器積灰問(wèn)題。目前，生物質(zhì)鍋爐多采用多管除塵和布袋除塵聯(lián)合使用進(jìn)行除塵，布袋采用紡織的濾布或非紡織的氈制成，一般耐熱200 ℃左右，極易被高溫?zé)煔鉄龤В覟V袋容易因結(jié)露而板結(jié)(尤其布袋除塵器置于室外時(shí))，因此造成布袋除塵維護(hù)費(fèi)用高(除塵成本高)。

受濾袋的耐熱溫度限制，多管除塵和布袋除塵必須置于煙-風(fēng)換熱器之后，這樣就導(dǎo)致了換熱器列管積灰現(xiàn)象，不僅影響了傳熱效率，還增加了清灰勞動(dòng)力成本。

利用自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的陶瓷膜管除塵器能耐熱800 ℃，使用壽命長(zhǎng)達(dá)10年之久，且可置于煙-風(fēng)換熱器之前，使得進(jìn)入煙-風(fēng)換熱器的高溫?zé)煔馐菨崈舻?，解決了換熱器積灰問(wèn)題，也降低了除塵成本。此除塵方式在國(guó)內(nèi)鍋爐市場(chǎng)屬于首創(chuàng)。陶瓷膜管除塵器如圖2所示。

圖2 陶瓷膜管除塵器現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物

5)采用脈動(dòng)熱管換熱器，減少投資成本，降低排煙溫度，提高熱風(fēng)爐熱效率。普通鋼管煙-風(fēng)換熱器在小傳熱溫差條件下，需增加大量的換熱面積才能達(dá)到理想的換熱效果，這樣不僅增加了設(shè)備投資成本，還因體積過(guò)大增加了占地面積。

脈動(dòng)熱管作為傳熱元件，它是將一定直徑的金屬管彎曲成有若干直管和若干彎頭組成的形狀，在一定真空下封裝部分工質(zhì)。由于管徑足夠小，管內(nèi)工質(zhì)在毛細(xì)力等因素的作用下形成交替分布的液柱和汽塞，如圖3所示。

(a) 非回路型脈動(dòng)熱管 (b) 回路型脈動(dòng)熱管

當(dāng)脈動(dòng)熱管一端(加熱端)受熱時(shí)，管內(nèi)液體受熱蒸發(fā)膨脹，向另一端(冷凝端)運(yùn)動(dòng)，并被冷凝，放出汽化潛熱，重新變?yōu)橐簯B(tài)，致使在冷熱端之間產(chǎn)生很大的壓差。由于汽-液柱塞交錯(cuò)分布，導(dǎo)致管內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈的往復(fù)振蕩運(yùn)動(dòng)，其工質(zhì)與管壁間的換熱過(guò)程也因受到劇烈脈動(dòng)流的作用而大大強(qiáng)化,如圖4所示。

(a) 加熱段壁溫 (b) 冷凝段壁溫

脈動(dòng)熱管具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、不需要毛細(xì)芯，有利于降低成本，加熱位置和加熱方式不受限制(常用的重力熱管必須底部加熱),可以隨意彎曲，適用范圍廣等突出優(yōu)點(diǎn)。

脈動(dòng)熱管煙-風(fēng)換熱器就是基于脈動(dòng)熱管的工作原理，利用脈動(dòng)熱管作為傳熱主體元件，根據(jù)煙氣及空氣的實(shí)際負(fù)荷需求，調(diào)整脈動(dòng)熱管面積及冷熱段之間的匹配，加工脈動(dòng)熱管煙-風(fēng)換熱器，以實(shí)現(xiàn)煙氣與空氣間高效傳熱。脈動(dòng)熱管換熱器主體示意結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 脈動(dòng)熱管換熱器主體示意結(jié)構(gòu)

2 結(jié) 語(yǔ)

研制的新型生物質(zhì)熱風(fēng)爐易點(diǎn)火、升溫快，燃燒溫度控制效果好，粉塵少、無(wú)結(jié)焦。熱風(fēng)爐出力可達(dá)到燃煤狀態(tài)時(shí)的水平。燃燒煙氣經(jīng)爐體,一、二、三次不同結(jié)構(gòu)換熱器冷卻后,經(jīng)除塵器處理達(dá)標(biāo)后排放?？諝饨?jīng)一、二、三次換熱器加熱后到達(dá)烘干溫度要求，干燥熱風(fēng)經(jīng)混風(fēng)室分配給風(fēng)機(jī)?；旌虾箫L(fēng)溫70～170 ℃可調(diào)，溫差控制正負(fù)5 ℃。全機(jī)具有安全節(jié)能、操作簡(jiǎn)便的特點(diǎn)，適用于玉米、水稻、谷物類(lèi)糧食烘干。