一種生物質(zhì)燃料多功能一體爐具的設(shè)計(jì)

任洪忱

(黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院，哈爾濱 150081)

0 引言

在我國，農(nóng)作物秸稈處理已經(jīng)成為一個廣受關(guān)注的問題。將農(nóng)作物秸稈制成生物質(zhì)燃料，通過生物質(zhì)燃料專用爐具，實(shí)現(xiàn)高效、低污染燃燒，將燃燒獲得的熱能加以綜合利用，用于村鎮(zhèn)生產(chǎn)、生活供能，能促進(jìn)村鎮(zhèn)煤改生物質(zhì)工程建設(shè)，改善村鎮(zhèn)生產(chǎn)生活環(huán)境，促進(jìn)綠色宜居村鎮(zhèn)建設(shè)，是一種經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、環(huán)保的秸稈處理方式。

近些年，市場上陸續(xù)出現(xiàn)生物質(zhì)炊事爐、生物質(zhì)烤火爐等單一功能爐具及生物質(zhì)炊事采暖爐、生物質(zhì)炊事烤火爐等多功能爐具，但目前此類爐具多存在熱效率不高(炊事熱效率約30%左右，多功能綜合熱效率約70%)、煙氣氮氧化物含量高(NOX折算排放濃度>130 mg·m-3)、使用不方便(人工點(diǎn)火、填料等)、功能單一等問題。針對上述問題，有必要研制高效生物質(zhì)燃料多功能爐具，提高生物質(zhì)燃料綜合利用效率、降低污染物排放、提升爐具綜合性能。

1 總體設(shè)計(jì)方案

本生物質(zhì)燃料多功能一體爐主要用于村鎮(zhèn)居民炊事、冬季采暖、燒炕等，設(shè)備主要設(shè)計(jì)參數(shù)：額定供熱量 25～45 kW；炊事水暖熱效率≥68%；綜合熱效率(炊事、水暖、燒炕)≥80%；NOX折算排放濃度≤130 mg·m-3。

鑒于生物質(zhì)燃料易燃、熱值較低(秸稈壓塊熱值在14 650 kJ·kg-1左右)等物性，作為采暖使用，為提高爐具使用便捷性，配置自動供料系統(tǒng)是十分必要的。本生物質(zhì)燃料多功能一體爐結(jié)構(gòu)形式上由自動供料系統(tǒng)和主爐體兩部分構(gòu)成，配置上除上述兩部分外，還配有控制系統(tǒng)，具體配置如圖1、圖2所示。自動供料系統(tǒng)負(fù)責(zé)為主爐體工作提供燃料，通過燃料在主爐體內(nèi)的燃燒，實(shí)現(xiàn)炊事、供暖等多種功能，控制系統(tǒng)控制供料啟停、供料速度調(diào)節(jié)、自動點(diǎn)火、配風(fēng)調(diào)節(jié)等。

1.自動供料系統(tǒng)；2.控制系統(tǒng)；3.主爐體；4.殘料盒；5.爐門；6.接灰斗；7.清渣口；8.防燙封皮

2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

按上述總體設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行爐具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1.單向軸承；2.驅(qū)動裝置；3.機(jī)架；4.牽引鏈；5.二次配風(fēng)風(fēng)機(jī)；6.一次配風(fēng)風(fēng)機(jī)；7.滑輪組件；8.滑軌；9.托料板；10.撥料裝置；11.送料管；12.自動點(diǎn)火裝置；13.爐箅；14.燃燒室；15.風(fēng)腔；16.清渣裝置；17.水箱；18.導(dǎo)煙板；19.煙道；20.出火口；21.二次配風(fēng)裝置；22.送料管下吹風(fēng)機(jī)構(gòu)；23.料倉安全開關(guān)；24.撥料板；25.料箱蓋；26.固定料箱

2.1 供料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1.1 供料裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

參考圖2所示，自動供料機(jī)構(gòu)采用固定料箱、牽引式沿滑軌可移動托料板，原料放置于料箱內(nèi)的托料板上方，通過托料板的向上移動推動原料向上移動。

傳統(tǒng)生物質(zhì)顆粒爐螺旋供料一般要求生物質(zhì)顆粒大小在8 mm以下，長度在3 cm以下，且生物質(zhì)顆粒原料內(nèi)不得混有大塊徑硬質(zhì)雜質(zhì)，否則可能對供料系統(tǒng)造成破壞。上述推料供料方式較傳統(tǒng)生物質(zhì)顆粒爐螺旋供料方式優(yōu)點(diǎn)為對生物質(zhì)原料的廣泛適應(yīng)性。

2.1.2 撥料裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

利用上述供料裝置可將生物質(zhì)原料向料箱頂部推進(jìn)，要完成向爐體供料還需將推升的物料撥入送料管，進(jìn)而送入爐膛燃燒室。

撥料裝置采用仿手工撥料方式，若干撥料板固定在輸送鏈上，呈環(huán)形分布，輸送鏈運(yùn)行帶動各個撥料板完成撥料動作，輸送鏈具有一定撓性，因此撥料板撥料時不易發(fā)生卡料。

2.1.3 驅(qū)動裝置設(shè)計(jì)及計(jì)算

供料與撥料采用一套動力，控制系統(tǒng)控制驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動，帶動牽引鏈向上拉動托料板，同時，驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動撥料裝置將突出料箱口的生物質(zhì)燃料逐漸推入送料管入口處。驅(qū)動裝置如圖3所示。

1.驅(qū)動電機(jī)；2.牽引鏈主動鏈輪；3.牽引鏈；4.撥料鏈輪；5.托料板；6.二級減速器

鑒于爐具工作需要，設(shè)計(jì)采用低速供料和相對高速撥料速度，采用1∶60減速電機(jī)驅(qū)動，減速電機(jī)轉(zhuǎn)速1∶1驅(qū)動撥料鏈輪(齒數(shù)Z1=15)，在牽引鏈驅(qū)動端加裝二級減速器，速比1∶36，減速電機(jī)轉(zhuǎn)速1∶1驅(qū)動二級減速器輸入端，二級減速器輸出端驅(qū)動牽引鏈主動鏈輪(齒數(shù)Z2=31)，撥料與供料線速度比為

根據(jù)設(shè)計(jì)額定供熱量 25～45 kW及炊事、供暖等多種功能需要，初步設(shè)計(jì)計(jì)算多檔供料控制參數(shù)，參見表1。

表1 擬設(shè)供料參數(shù)計(jì)算表

2.2 主爐體及功能設(shè)計(jì)

2.2.1 爐體及配風(fēng)設(shè)計(jì)

參考圖2、圖4所示，爐體由燃燒室、自動點(diǎn)火裝置、爐箅、插板、出火口、灶口、配風(fēng)裝置、水箱、煙囪口、爐門、接灰斗等構(gòu)成，為實(shí)現(xiàn)低污染排放，采用兩次配風(fēng)助燃，一次風(fēng)由一次配風(fēng)風(fēng)機(jī)吹入風(fēng)腔，透過爐箅孔隙從燃料底部吹入，補(bǔ)氧助燃。在燃燒室上部與出火口之間，安裝二次配風(fēng)裝置，二次風(fēng)由二次配風(fēng)風(fēng)機(jī)吹入，對燃料二次補(bǔ)氧助燃。

1.接灰斗；2.爐門；3.插板；4.燃燒室；5.水箱；6.出火口；7.灶口

2.2.2 炊事功能設(shè)計(jì)

在一、二次風(fēng)的助燃下，燃料在燃燒室燃燒，產(chǎn)生的火及煙氣由出火口穿出，在位于出火口上方的灶口處放置炊具，即可實(shí)現(xiàn)炊事功能。

2.2.3 水暖及燒炕功能設(shè)計(jì)

水暖設(shè)計(jì)中，水箱為包圍在燃燒裝置及煙道外側(cè)的腔體結(jié)構(gòu)，腔體內(nèi)部貫通，換熱面多，燃燒熱量損失小，使用時貯水，通過吸收燃燒熱量及煙氣余熱加熱箱體內(nèi)的水。水箱的進(jìn)水口、出水口及泄壓口接入供暖系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水暖功能。

煙氣與余熱由煙囪口(通炕接口)排入煙囪或炕體(實(shí)現(xiàn)燒炕功能)，最終排出室外。水暖及燒炕功能設(shè)計(jì)參考圖5、圖6。

1.進(jìn)水口；2.煙囪口；3.防燙封皮；4.出水口；5.泄壓口；6.供暖系統(tǒng)

1.灶口；2.防燙蓋板；3.煙囪口(通炕接口)；4.炕體

2.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

采用通過控制供料間隔時間與單次供料時長控制間歇供料量。固定料箱內(nèi)缺料時，控制系統(tǒng)會提示，此時需停止供料系統(tǒng)工作，控制托料板向下移動至料箱底部；出于安全考慮，撥料驅(qū)動軸端驅(qū)動輪裝有單向軸承，保證托料板下移時，撥料裝置處于停止?fàn)顟B(tài)。打開料箱蓋，撥料裝置整體可以繞撥料驅(qū)動軸轉(zhuǎn)動，為填料留出空間，且在固定料箱上裝有料倉安全開關(guān)，以確保填料時的人員安全。填料時，撥料裝置處于非工作位置，料倉安全開關(guān)處于斷路狀態(tài)，供料驅(qū)動裝置無法啟動，只有撥料裝置處于工作位置，料倉安全開關(guān)處于接通狀態(tài)時，方能啟動供料驅(qū)動裝置。

控制系統(tǒng)對爐體及燃燒的控制。自動點(diǎn)火的控制采用延時繼電器，點(diǎn)火完成后，點(diǎn)火裝置自動關(guān)閉；通過調(diào)節(jié)一二次風(fēng)的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，控制供風(fēng)量，調(diào)節(jié)燃燒空氣過剩系數(shù)，通過傳感裝置反饋，兼顧高效燃燒與低氮排放，燃燒溫度控制在800～900 ℃。

3 設(shè)備工作過程概述

工作前，在燃燒室內(nèi)的爐箅上靠近自動點(diǎn)火裝置點(diǎn)火口處填入適量生物質(zhì)燃料，插板處于關(guān)閉狀態(tài)，啟動控制系統(tǒng)點(diǎn)火按鈕，啟動一次配風(fēng)風(fēng)機(jī)、二次配風(fēng)風(fēng)機(jī)，延時一段時間后，觀察點(diǎn)火情況。點(diǎn)火成功后，啟動供料系統(tǒng)，生物質(zhì)燃料沿管壁由燃燒室側(cè)壁入料口進(jìn)入燃燒室，逐漸燃燒，根據(jù)需求調(diào)整供料及配風(fēng)等參數(shù)?；鸺盁煔庥沙龌鹂诖┏觯龌鹂谏戏皆羁诳煞胖么妒洛伨?，實(shí)現(xiàn)炊事功能。余熱及煙氣沿導(dǎo)煙板與水箱頂部內(nèi)壁之間通道至爐體下方，經(jīng)煙囪口聯(lián)通的折形通道構(gòu)成的煙道向煙囪口(通炕接口)移動，通過吸收燃燒熱量及煙氣余熱加熱箱體內(nèi)的水，水箱的進(jìn)水口、出水口及泄壓口接入供暖系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水暖功能。剩余煙氣與余熱由煙囪口(通炕接口)排入煙囪或炕體(實(shí)現(xiàn)燒炕功能)，并最終排出室外。殘料盒用于回收從料箱內(nèi)殘留的部分小殘?jiān)w粒、碎屑等。燃料燃燒后的爐灰由爐箅空隙排入接灰斗。煙道內(nèi)爐體上層部分水箱側(cè)壁、導(dǎo)煙板上附著的灰渣可由灶口清理；導(dǎo)煙板側(cè)面直至煙囪口處的煙道截面呈矩形，四壁的灰渣由清渣裝置刮除，刮掉的灰渣落入煙道最底部，打開清渣口清除。生物質(zhì)燃料多功能一體爐外觀如圖7所示。

圖7 生物質(zhì)燃料多功能一體爐外觀

4 結(jié)語

按上述設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)的生物質(zhì)燃料多功能一體爐，具備炊事、水暖、燒炕等基本功能，還可根據(jù)用戶需要擴(kuò)展開發(fā)烤火、生活熱水供應(yīng)等功能，下一步要對爐具試制與試驗(yàn)，測試考核設(shè)計(jì)指標(biāo)，并通過試驗(yàn)修正供料、點(diǎn)火、配風(fēng)等參數(shù)。