半自動給料生物質(zhì)回風爐設(shè)計＊

李姜昊，劉學磊，劉 柱，楊瑞哲，陳星宇，龔德鴻

（貴州大學電氣工程學院，貴州 貴陽 550025）

半自動給料生物質(zhì)回風爐設(shè)計＊

李姜昊，劉學磊，劉 柱，楊瑞哲，陳星宇，龔德鴻

（貴州大學電氣工程學院，貴州 貴陽 550025）

基于目前民用生物質(zhì)爐灶燃燒效率低、污染嚴重、加料不便等諸多問題，設(shè)計了具有分層燃燒、分級送風、煙氣再循環(huán)和半自動給料等特點的生物質(zhì)回風爐。生物質(zhì)回風爐在提高燃燒效率的同時，有效減少了污染物的排放，使民用生物質(zhì)爐灶做到了半自動化定量給料，實現(xiàn)了不間斷、穩(wěn)定燃燒。這個設(shè)計在推行民用生物質(zhì)爐灶，提高我國生物質(zhì)清潔能源的利用率、開發(fā)率，代替散煤燃燒等治理環(huán)境污染，推動能源發(fā)展方面起到了一定的促進作用。

生物質(zhì)回風爐；半自動給料；分層燃燒；分級配風

隨著世界能源消費量的增加，世界能源需求壓力十分大，能源短缺問題日益嚴重，并成為制約人類社會發(fā)展的主要問題之一，它嚴重影響著社會的發(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)能源在儲量、運輸、清潔方面相對于化石能源有著巨大的優(yōu)勢，并且是可再生能源中唯一可以運輸與儲存的能源[3]。對此，各國都高度重視生物質(zhì)能源，紛紛出臺了許多與生物質(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買回風爐發(fā)放給農(nóng)戶，以實現(xiàn)農(nóng)村山林水土保持和環(huán)境保護。目前，對于市面上的回風爐，在其實際應(yīng)用過程中，在節(jié)能方面都取得了一些實際的效果，但是，在燃燒污染物控制方面未進行專項設(shè)計，且部分回風爐以燒煤為主，存在著燃燒低效性、高污染、加煤不便等諸多缺點。同時，傳統(tǒng)回風爐采用上方加燃料的方式，使用時很容易造成煙灰的二次揚塵，對使用環(huán)境和人體健康造成新的危害。在國家大力發(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，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。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

此次設(shè)計的設(shè)備為半自動給料生物質(zhì)回風爐，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。針對生物質(zhì)燃料層過厚、燃燒效率不高的問題，半自動生物質(zhì)回風爐采取了分層燃燒的方式；針對通風條件不好、污染物處理問題，半自動生物質(zhì)回風爐選用分級送風的方式；針對換熱面積小、高溫煙氣得不到充分利用的問題，半自動生物質(zhì)回風爐采用煙氣再循環(huán)裝置，實現(xiàn)煙氣余熱利用；針對人工加料方式的不便及其所造成的污染，半自動生物質(zhì)回風爐使用半自動給料裝置，實現(xiàn)給料的機械化和定量化。半自動生物質(zhì)回風爐結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 半自動給料生物質(zhì)回風爐結(jié)構(gòu)示意圖

2 關(guān)鍵設(shè)計

2.1 爐芯

由于民用生物質(zhì)回風爐不具備強制送風能力，爐膛燃燒氧量的提供多以自然送風為主，所以，在設(shè)計爐芯時，必須考慮爐芯內(nèi)的通風效果。本設(shè)計仿照雙曲型冷卻水塔，設(shè)計為外部呈圓柱形、內(nèi)部為梯形、上小下大的圓臺空間結(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)計使爐芯內(nèi)部在燃燒時具有自然拔風效果，促進空氣流通，為生物質(zhì)成型燃料的燃燒提供充足的氧量。在中部開二次風孔，為二次送風系統(tǒng)作準備。爐心具體結(jié)構(gòu)如圖2所示，爐芯總高45 cm，外徑20 cm，上部內(nèi)徑12 cm，下部內(nèi)徑16 cm，通風環(huán)位于爐芯中部，內(nèi)徑14 cm，共12個開孔，每3個一組，沿圓環(huán)平均分布。

圖2 爐芯和二次送風開孔截面圖

2.2 雙層爐排與燃燒網(wǎng)

本設(shè)計借鑒生物質(zhì)工業(yè)鍋爐中分層燃燒的概念，采用雙層爐排的設(shè)計，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，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)中心處開孔。這種設(shè)計的優(yōu)勢是：①在點燃燃料時，可使引燃物穿過上層燃燒網(wǎng)點燃下層燃燒網(wǎng)的燃料；②確保爐芯內(nèi)的通風條件；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

在爐灶實際運行的過程中，這種分層燃燒的設(shè)計非常適合生物質(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 分級送風與煙氣再循環(huán)

在爐膛的基礎(chǔ)上增加二次送風和煙氣再循環(huán)系統(tǒng)，爐芯外側(cè)分為8個區(qū)域，4個為二次風管道，4個為煙氣再循環(huán)管道，相互交錯豎直排列，由煙氣加熱二次風。本設(shè)計借鑒成熟的分級配風設(shè)計，在回風爐灶上加裝二次送風系統(tǒng)。二次風作為助燃風，相對于一次風提供少量空氣，使揮發(fā)、分析出的大量CO等可燃氣體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，空氣分級燃燒可以減少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。同時，由于生物質(zhì)成型燃料的特性，揮發(fā)分占比多，造成大量可燃氣體的產(chǎn)生，而焦炭中也有少部分固定碳被氣流所吹動，懸浮在爐芯內(nèi)，進而與可燃氣體一同帶出煙囪外，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)計出煙氣再循環(huán)系統(tǒng)。對于爐芯外側(cè)的8個豎直擋板區(qū)域，其中4個為煙氣再循環(huán)煙道，與另外4個二次送風管道交錯布置，在煙囪出口不完全開放，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 半自動給料裝置

該設(shè)計為帶有儲料箱的半自動給料裝置，通過定量的機械化給料，優(yōu)化了頻繁加料帶來的不便，使生物質(zhì)爐灶更易推廣。半自動給料裝置由2部分組成，上半部分為儲料箱，儲料箱底部向中間傾斜，有利于燃料自動落入下半部分送料裝置的給料車中。此時，送料管道為封閉狀態(tài)，煙氣不會泄漏。給料時，推動手柄，給料車進入給料管道，切斷刀切斷儲料箱的燃料，同時，擋板阻斷燃料繼續(xù)下泄。由于底部擋板沒有阻力會自動打開，定量燃料自動進入爐膛燃燒。給料

圖5 半自動給料裝置

完成后，拉回手柄，底部擋板自動閉合，擋板撤出，燃料自動填滿給料車，半自動給料裝置恢復未給料狀態(tài)。受電弓不再繼續(xù)上升。高度位置傳感器也安裝于機箱內(nèi)，不隨掛鉤上下移動，有利于保護傳感器，保證其能夠長期可靠使用。同時，設(shè)置“硬件校準”進行補償，標定補償測力系統(tǒng)長期使用后的微量漂移，保證系統(tǒng)的測力精度。

5 結(jié)束語

本文簡要闡述了架修后受電弓的測試要求，從理論實現(xiàn)的角度設(shè)計了一套滿足受電弓測試要求的試驗平臺。試驗平臺能夠有效完成測試升降弓時間、升降弓靜態(tài)壓力的檢測、保壓試驗和最低位置保持力等測試項目。該試驗臺的設(shè)計精度、性能滿足受電弓的使用要求，極大地縮短了測試工序的時間，提高了測試效率，適用于受電弓架修后的性能測試。

［1］張有松.韶山4型電力機車［M］.北京：中國鐵道出版社，1998.

［2］喬寶蓮.電力機車電器［M］.北京：中國鐵道出版社，2008.

［3］陶時澍.電氣測量［M］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2004.

［4］劉傳璽.自動檢測技術(shù)［M］.天津：天津大學出版社，2008.

［5］鐵道科學研究院機車車輛研究所，株洲南車時代電氣股份有限公司，中國南車集團株洲九方電器設(shè)備有限公司，等.GB/T 21561機車車輛受電弓特性和試驗［S］.北京：中國標準出版社，2008.

［6］莫堅.電力機車受電弓試驗裝置的設(shè)計［J］.廣西輕工業(yè)，2011（4）：113-115.

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

〔編輯：白潔〕

3 結(jié)束語

目前，我國的生物質(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，生物質(zhì)能的利用也會被國家相關(guān)部門和民眾所重視。本文所述設(shè)計是對現(xiàn)有民用生物質(zhì)爐灶的改造，它的優(yōu)點是：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題；采用分級送風技術(shù)，降低了NOX的排放水平，促進了燃料清潔燃燒；采用煙氣再循環(huán)技術(shù)，實現(xiàn)了高溫煙氣的余熱利用，提升了爐膛溫度；設(shè)計了半自動給料裝置，實現(xiàn)了給料的機械化和定量化。

參考文獻：

［1］陳曦，韓志群，孔繁華，等.生物質(zhì)能源的開發(fā)與利用［J］.化學進展，2007，19（7）：1091-1097.

［2］中華人民共和國國家發(fā)展計劃委員會基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)發(fā)展司.中國能源與可再生能源1999白皮書［R］.北京：中國計劃出版社，2000.

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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，能源與動力工程專業(yè)。龔德鴻，男，碩士生導師，副教授，主要研究方向為生物質(zhì)燃料、燃燒污染物控制。

〔編輯：白潔〕

貴州大學大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目：半自動給料生物質(zhì)回風爐設(shè)計（201610657020）