小型生物质直燃炉结构设计

石毅新，蒋 蘋，彭才望

（湖南农业大学，湖南 长沙410128）

矿物质能源在很长一段历史时期里，对于社会进步与经济发展起到了极大的推动作用，并且在相当长的时间内，人类的发展对于矿物能源产生了较大的依赖。然而，随着矿物能源的日趋枯竭，人们不得不把注意力逐渐转向更加环保的可再生资源，其中生物质能源作为一种清洁绿色的可再生能源，不但能在一定程度上替代矿物能源，同时比矿物能源更环保。

生物质能源的应用由来已久，然而大规模、高效率的应用却一直没找到较好的方式。传统的生物质燃烧过程中，往往由于物料自身含水量较高，燃烧时物料堆积，从而产生厚层燃烧，导致燃烧温度不高，燃烧不充分而产生大量烟尘，同时燃烧时的能量转换效率较低，且造成燃烧后释放的大量废气，造成严重的环境污染。

因此，如何充分利用生物质燃料，设计出成本低廉、适应推广性强、燃烧效率较高的小型生物质直燃炉，对于解决农村生物质资源的利用与新能源开发具有重要的实际意义与应用前景。燃烧温度可将其分为氧化区、还原区、干燥区、裂解区四个工作区域，如图所示。氧化区通过空气供养充足，燃料燃烧较充分，温度一般可达到1000℃，还原区的工作介质主要为燃料的不完全燃烧，温度通常在700～900℃之间，裂解区的温度大致在400～600℃左右，此温度可使生物质燃料逐渐到达裂解温度，从而产生裂解反应，生成成分为CH4等可燃气体。经过实验与实际使用发现，次设备的可燃气体气化效率较低，焦油产生量较大，且燃烧稳定性较差，另外在燃烧过程中，炉膛内极易发生搭桥现象而造成二次污染。同时针对燃烧过程中产生的焦油，目前关于焦油裂解技术仅在某些大型设备上得到应用。

图1 生物质气化炉结构示意图

1 现有生物质炉的基本情况

现有的民用生物质燃烧炉灶，主要生物质气化炉和生物质气化直燃炉。对于生物质气化炉，已有较成熟的设备。该设备原理为，先将气化炉底部燃料点燃，炉膛内根据

现有生物质气化直燃炉的工作原理为，气化室内填加生物质燃料后引燃，封闭风门后使生物质燃料在缺氧无明火条件下产生气化，可燃气体在烟囱的负压下，通过导火筒的通气孔进入燃烧室点燃后产生火苗，通过从炉底进入的氧气助燃进行充分地无烟燃烧，将炉内的物料先转化为可燃性气体，可燃性气体在中间筒集合后统一燃烧，如图2所示。该炉灶成功解决了生物质燃气炉产生焦油的缺点，但也存在如下缺点：①燃烧前期没有明火，会产生大量的烟；②燃烧中期火焰过旺且火力不集中，火力大小不方便；③燃烧后期，灰渣较多；④由于生物质挥发成分含量较高，燃点温度较低，一般在250～350℃时就有大量可燃气体析出，并开始剧烈燃烧，此时若氧气供应量欠缺时，将会增大不完全燃烧损失；⑤厚层燃烧，不能进行很好的通风，供氧不足导致燃烧不充分，而且产生的余碳较多。

总的来说，现有直燃烧炉存在火焰无法控制，厚层燃烧，引风效果差，燃烧不充分，对生物质利用率不高等缺点。

图2 生物质气化直燃炉结构示意图

2 薄层燃烧的生物质直燃炉

根据上述两种生物质炉灶装置所存在的相关问题，对现有结构进行改进设计，设计出新型生物质直燃炉。此炉灶的结构如图3所示。

图3 小型生物质直燃炉的结构示意图

该小型生物质直燃炉分为送料装置、送风装置、燃烧装置、排放装置和水箱五大部分。送料装置包括进料盖、送料箱、驱动装置、螺旋轴和螺旋片；送风装置包括风机和风筒；燃烧装置包括燃烧杯和点火器；排放装置包括排烟筒、灰屑闸和灰屑桶。

具体结构特征如下所述：

送料箱内装有燃料输送装置，装置置于送料箱内腔底部，输送装置的输出轴与螺旋轴通过联轴器连接，螺旋轴上装有推送螺旋片，通过螺旋片旋转输送燃料（如图4所示），该结构设计使燃料的供给较为均匀；输送装置下装有风机，新鲜空气由燃烧杯内的进风孔均匀送至燃烧室，经点火器点燃燃烧杯（如图5所示）内的物料，使其实现薄壁燃烧。炉体的正面设有灰屑闸和灰屑桶，位于燃烧杯的下方，可将燃烧后的炉灰从灰屑桶清出。燃烧室周围环布水箱，水箱充水后既能隔热又能充分利用炉内热量，水箱内的水可供生活使用，提高了能量的利用效率。

图4 燃烧进料装置结构图

螺旋进料装置的结构特点：

（1）通过可控制转速的电机来控制进料的多少，从而来控制火焰的大小（如图4所示）；

（2）螺旋进料实现了连续进料，保证了燃烧的稳定性；

（3）物料与燃烧室有一定的距离，避免了回火现象，保证了设备的安全。

图5 生物质直燃炉燃烧杯结构图

燃烧杯的结构特点：

（1）采用可拆卸结构，便于清洁与更换（如图5所示）；

（2）燃烧杯侧面一圈都开有进风孔，风机通过进风孔供风，可以有效增加通风量；

（3）底部设有均匀的排灰孔，可以保证及时排灰，达到薄层燃烧；

（4）燃烧杯大小适宜，燃烧时容纳的生物质燃料层较薄，使空气与物料层充分接触。

3 薄层燃烧生物质直燃炉燃烧指标测定

通过对比直燃炉与普通炉灶燃烧不同燃料时的用能情况，重点考虑升温时间、热能转化效率等参数的区别来评定直燃炉的各项燃烧性能指标。

表1 直燃炉用能情况测定

由于木屑颗粒太细，床层易突然倒塌，无法正常使用，故为得出相应数据。

注：计算基准水温均从20℃升温至100℃。表1为各测定平均值。

表2 普通炉灶用能情况测定

如表1、表2所示，直燃炉与普通炉灶相比，无论使用颗粒或成型燃料还是木片作为燃烧原料．其热效率都有显著提高，且直燃炉的升温时间明显缩短，相同燃料的稳定燃烧时间也有明显增加。综合考虑直燃炉的各项燃烧性能指标均明显高于普通炉灶。

4 结语

目前，我国关于燃烧炉的研究与专利很多，但其中大部分都是燃煤的，大范围民用不是很现实，另外炉具的投资成本也较本产品的高。本设计的小型生物质直燃炉直接以生物质为燃料，来源极其广泛，并且都是可再生的：①林区采伐剩余物，主要是采伐过程中的枝材；②林木产品加工剩余物，家具厂、木材加工厂以及人造板厂生产过程中的废弃物；③农业剩余物，主要是农作物的秸杆等。现在化石燃料资源不断减少，能源危机和人们环保意识的加强，生物质能源会越来越被重视。

生物质燃料的原料优势，加之政府在税收（增加燃煤的税收）方面的调控，不久的将来可再生的自然资源的利用也必将普及千家万户，本设计的用户型生物质直燃炉正是顺应了这种趋势，对比了现在市面上的两种生物质燃烧炉，加以改进：

（1）采用直接燃烧技术，将焦油在高温下裂化分解，解决了生物质燃气炉焦油多的问题；

（2）采用涡轮进料设备，通过涡轮转速控制进料量，从而达到控制火焰大小的目的；

（3）通过对进料量的有效控制，可以使炉内的燃烧达到薄层燃烧的需求，使得物料燃烧充分，产生的灰量少；

（4）设计专门接灰的装置，使得飞灰不会随烟气排出，减少了对环境的污染。

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