周 闖，羅向東，王 欣

(黑龍江省能源環(huán)境研究院，哈爾濱 150027)

隨著生物質(zhì)燃料化技術(shù)的迅速發(fā)展，配套的專用生物質(zhì)爐具呈現(xiàn)出多樣化的發(fā)展，但在燃燒熱效率及污染物排放上仍存在較大差異[1-3]。市場上主流的戶用生物質(zhì)爐具以同時具備炊事和采暖功能為主，可以實現(xiàn)進料速度和給風、引風量等的自動或手動調(diào)節(jié)，在使用效果上，熱效率和污染物排放基本能夠滿足要求[4-8]。研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的生物質(zhì)爐具在使用功能設(shè)計和燃燒形式設(shè)計、燃燒品質(zhì)管控等方面仍有很大的提升空間[9-10]，尤其是采暖熱效率的提升。本研究在不改變現(xiàn)有戶用生物質(zhì)爐具使用功能的前提下提高了采暖效率的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

1 現(xiàn)有爐具的爐膛結(jié)構(gòu)

現(xiàn)有具備自動螺旋進料功能的戶用生物質(zhì)炊事采暖爐爐膛基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。燃料在固定的爐膛里燃燒，為了兼顧炊事和采暖兩種功能，在爐膛和換熱器間設(shè)置前擋板，使爐排上燃料燃燒的火焰朝灶口加熱，提高炊事熱效率。

圖1 現(xiàn)有生物質(zhì)炊事采暖爐爐膛基本結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of basic structure of existing biomass cooking furnace

在不需要炊事僅進行采暖的情況下，通常會用蓋板將炊事灶口蓋住。但在實際采暖過程中，燃燒產(chǎn)生的大量熱量仍然會通過蓋板向爐外散失，致使采暖熱量不集中、效率低。

2 移動式爐膛結(jié)構(gòu)設(shè)計方案一

現(xiàn)代家庭中基本都配備了液化氣及電磁爐等炊事灶具，對生物質(zhì)爐具的需求多是集中于燃料用量多、運行時間長的采暖功能。本爐具設(shè)計方案適用于夏季炊事，以燃氣、電等其他能源為主，冬季采暖和炊事以生物質(zhì)為主的能源應用場景。

2.1 基本組成

爐具采用可移動式的爐膛設(shè)計，實現(xiàn)炊事兼采暖和單獨采暖兩種使用功能，基本組成如圖2所示。

圖2 移動式爐膛結(jié)構(gòu)示意圖(采暖位)Fig.2 Schematic diagram of mobile furnace(heating position)

爐具主要由外殼、進料口、炊事灶口、爐膛、儲灰倉、進料機構(gòu)、除灰機構(gòu)、調(diào)位機構(gòu)、換熱器、煙囪組成。

爐膛是由前、后擋板及爐排組成的敞口圓柱形空間，燃料在其包圍區(qū)域的爐排上燃燒產(chǎn)熱。在炊事時，前擋板能夠阻擋風路，使燃燒的火焰向上為炊事灶口的炊具加熱，防止燃燒火焰在引風機的抽力作用下，直接進入至換熱器，致使炊事熱量不夠。在采暖位時，后擋板阻隔火焰及煙氣進入灶口處向爐外散熱。

進料機構(gòu)是由進料電機驅(qū)動進料絞龍旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)螺旋進料。燃料的燃燒過程是位于爐排前端的燃料首先燃燒，隨著絞龍的轉(zhuǎn)動，不斷有新的燃料被推到爐排上，間續(xù)的點燃燃燒。

除灰機構(gòu)是通過爐排電機驅(qū)動爐排前后往復運動實現(xiàn)除灰。如圖4所示，爐排由圖4(a)位置向前運動至4(b)位置過程中，螺旋進料器也一直在旋轉(zhuǎn)進料，將燃料推送至爐排上。爐排由4(b)位置向后運動至4(c)位置過程中，螺旋進料器停止旋轉(zhuǎn)進料，爐排前端燃盡的燃料，被推下爐排掉入儲灰倉。同時，爐排在由4(b)位置向后運動至4(c)位置過程中，底板會對爐排上表面起到清刮作用，防止燃料在爐排上結(jié)交固化。依次循環(huán)，爐排又從4(a)位置向前運動到4(b)位置，同時螺旋進料器旋轉(zhuǎn)進料。

圖3 移動式爐膛結(jié)構(gòu)示意圖(炊事位)Fig.3 Schematic diagram of mobile furnace(cooking position)

圖4 爐排除灰示意圖Fig.4 Diagram of furnace ash removal

調(diào)位機構(gòu)可以使圖2中虛線框內(nèi)包含的進料機構(gòu)、除灰機構(gòu)、儲灰倉、爐膛部分，調(diào)位至炊事位或采暖位。圖2所示位置為采暖位，圖3所示位置為炊事位。

儲灰倉能夠接收燃燒產(chǎn)生的灰燼，跟隨調(diào)位機構(gòu)的調(diào)位變化而前后移動。

2.2 工作方式

爐具配有自動配風機構(gòu)、控制機構(gòu)等。用戶可根據(jù)實際需求，在控制面板上選擇相應的使用功能，控制調(diào)位機構(gòu)將爐膛移動至相應的燃燒位置。

如圖2所示，燃燒位置為采暖位時，爐具的功能性為采暖。燃料在爐排上燃燒，在前、后擋板作用下，燃燒的火焰向上，直接為換熱器內(nèi)的水加熱。煙氣的走向如圖中虛線剪頭所示，在引風機作用下，高溫煙氣進入換熱器再次向換熱器傳熱，最后低溫煙氣從煙囪排出。在此過程中，阻隔了爐膛燃燒時灶口處的熱損失，燃燒的全部產(chǎn)熱僅用來采暖，提高了采暖熱效率。

如圖3所示，燃燒位置為炊事位時，主功能是炊事，輔功能為采暖。燃料在爐排上燃燒，在前擋板作用下，燃燒火焰向上，直接為炊事灶口的炊具加熱，提高炊事的熱效率。煙氣的走向如圖中虛線剪頭所示，在引風機作用下，高溫煙氣通過前擋板上部進入換熱器換熱，最后低溫煙氣從煙囪排出，實現(xiàn)采暖功能。

3 移動式爐膛結(jié)構(gòu)設(shè)計方案二

本爐具設(shè)計方案可以實現(xiàn)炊事和采暖功能的獨立使用，能夠有效避免夏季使用生物質(zhì)爐具炊事而連帶引起的暖氣燥熱問題，適宜于四季都以生物質(zhì)為主的能源應用場景。

3.1 基本組成

本設(shè)計方案與方案一的結(jié)構(gòu)區(qū)別，一方面是后擋板變低，增加了固定的擋煙垂壁；另一方面是改變了炊事的排煙通道，使炊事時產(chǎn)生的高溫煙氣不進入換熱器，而是從其上端及側(cè)面向外流通，實現(xiàn)單獨炊事和單獨采暖兩種使用功能，基本組成如圖5所示。

圖5 移動式爐膛結(jié)構(gòu)炊事采暖爐基本結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagram of the basic structure of the mobile furnace

3.2 工作方式

如圖5所示，燃燒位置為采暖位時，爐具的功能性為采暖。燃料在爐排上燃燒，在前、后擋板及擋煙垂壁的作用下，燃燒的火焰向上，直接為換熱器內(nèi)的水加熱。煙氣的走向如圖中虛線箭頭所示，在引風機作用下，高溫煙氣進入換熱器再次向其傳熱，最后低溫煙氣從煙囪排出。在此過程中，后擋板和擋煙垂壁阻隔了爐膛內(nèi)的熱量向灶口處散失，燃燒的全部產(chǎn)熱僅用來采暖，實現(xiàn)了單獨采暖功能。

如圖6所示，燃燒位置為炊事位時，爐具的功能性為炊事。燃料在爐排上燃燒，在前、后擋板及擋煙垂壁的作用下，燃燒火焰向上，直接為炊事灶口的炊具加熱，提高炊事的熱效率。煙氣的走向如圖中虛線箭頭所示，在引風機作用下，高溫煙氣經(jīng)由換熱器上端、側(cè)端后進入煙囪排出，最后低溫煙氣從煙囪排出，不進入換熱器進行換熱，實現(xiàn)了單獨炊事功能。

圖6 爐膛位于炊事位的工作示意圖Fig.6 Working diagram of furnace at cooking position

4 結(jié)論

提出了兩種移動式爐膛結(jié)構(gòu)的生物質(zhì)爐具設(shè)計方案?？筛鶕?jù)用戶需求和用能習慣進行使用，有效提高了爐具的采暖熱效率，增強了爐具的季節(jié)適用性，具有一定的應用推廣價值。