新型粮食烘干生物质燃料热风炉结构设计与分析

郝兆朋， 邱禹鑫， 于保军， 张宝林

(1.长春工业大学 机电工程学院， 吉林 长春 130012;2.吉林省允祥环保设备有限公司， 吉林 长春 130022)

0 引 言

近年来，随着大气污染防治工作的深入推进，以煤为燃料热源，由热风炉、锅炉等供热的粮食烘干机逐步被禁用淘汰[1]。生物质燃料是一种以植物和农林废弃物为原料的既环保又可循环利用的清洁能源，具有环保节能、低碳减排等特点[2]。合理转化利用这些生物质能源，既能充分利用农业废弃物，减少环境污染，又能有效缓解能源紧张的问题[3]。孔凡祝[4]等设计了一种节能环保型生物质热风炉，主要包括给料系统、燃烧系统、换热系统、除尘系统、箱体及控制部分。该节能型生物质热风炉能连续提供恒温、恒压和无尘的热空气，废热烟气排放无污染，可用于干燥和采暖；高海华[5]等设计了一种使用生物质颗粒作为燃料，能实现自动进料、自动排渣且合理配风，使燃料完全燃烧利于环保的生物质热风炉,可显著降低工人劳动强度，提高工作效率；王斌[6]等研制了一种生物质热风炉，采用螺旋翅片管换热器对流换热与炉膛辐射换热技术，对生物质热风炉的炉膛、炉排及热效率等分别进行参数设计计算，并以生物质颗粒为原料，在样机上进行了各项实验。实验结果表明，该生物质热风炉能够充分燃烧生物质颗粒，具有环保、节能、节省成本的优势。采用燃烧模拟软件FLIC和Fluent相结合的方式，针对生物质成型燃料链条炉炉篦上的燃烧和炉膛内的气体燃烧进行模拟，研究方法和结果对该类锅炉的结构设计以及运行参数选择提供指导[7]。矫振伟等研制出用于粮食及其它农副产品干燥的新型热风炉，采用了高强化传热管技术,此热风炉效率高、换热面紧凑、耗钢少、体积小、寿命长[8]。

目前生物质热风炉存在的技术难题：

1)燃烧秸秆成型燃料易结焦，导致燃烧效率低，不能连续稳定运行；

2)烟-风换热器钢材易变形、烧穿；

3)热风炉本体结构散热损失大；

4)除尘运行成本及清灰劳动力成本较高，换热器易积灰，导致传热效率低；

5)烟-风换热器投资成本高，排烟温度较高，热效率较低。

1 结构设计与工作原理

1.1 热风炉总体结构设计

生物质颗粒由上料机和料斗分层供应到链条炉排，在引风机引导下经科学布置的一、二次风机作用下稳定燃烧，供给换热器热量，辅助烟气循环调节燃烧换热温度，电控系统通过变频控制电机转速调节各部运行指标。灰渣经除渣机排出，烟气进入换热器换热，经过换热后的热风送入烘干塔烘粮，换热后的烟气经环保系统处理后外排。生物质热风炉结构换热流程如图1所示。

图1 生物质热风炉结构及除尘换热流程

1.2 技术优势与分析

1)采用往复炉排和半气化燃烧技术解决秸秆燃料结焦难题。生物质热风炉采用小倾角往复炉排,燃料层比较平整，解决了往复炉排燃料层上表面波浪起伏较大，容易出现“火口”的问题。两侧送风，独立可调风量的多风室，可少量给予一次风，满足燃料裂解气化不同区段对空气量的不同要求。

炉排片采用耐热材质，片头部位的几何形状摒弃棱角分明结构，选用圆滑过渡阶梯形状。炉排片两侧立面的多根立筋之间形成几个“凹形”通风槽，炉排片头也得到充分冷却，避免了炉排片头部经常烧损问题。

炉排上的燃料层吸收来自炉膛高温烟气(火焰)和炉墙炉拱的辐射热，具有“上部着火”的特性。同时，在活动炉排往复运动作用下，炉排上的燃料产生明显的翻滚和混合，未燃烧的部分燃料能够与已经着火的燃料进行掺混，从而快速得到预热。炉排的往复运动具有强烈的“拨火”作用，破焦能力强，即使一次风量调节不当，产生结焦现象也不影响稳定燃烧。

前后拱结构优化设计，二次风布置在前后拱形成的“喉口”处，一方面加强扰动，另一方面补充大量空气，能够保证生物质裂解产生的大量挥发分及时获得氧气混入，形成气化燃烧，避免因缺氧造成的热解“冒黑烟”现象。在后拱的上部设置有干扰拱，炙热状态干扰拱的诸多孔道对流经的烟气具有强化燃烧作用，燃烧充分，燃烧效率高。另外，干扰拱的布置有利于烟气飞灰的惯性沉降。

2)降低烟-风换热器入口烟气温度，防止换热器钢材产生屈服变形、烧弯及高温腐蚀。在沉降室(混合室)设置调温风口，调温风从炉体侧面切向进入燃烧室外层夹套(冷风通道)，通过燃烧室前端及四周布置的冷风通道和燃烧室出口的高温烟气进行混合后，再与循环烟气进行混合(可根据实际运行温度进行开关和调节循环烟气量)，使进入混合室的烟气温度降到700 ℃以下，有效防止了换热器钢材产生屈服变形使钢管或钢板烧弯以及高温腐蚀和氧化造成的受热面烧穿现象。

3)热风炉本体结构散热损失小。根据炉膛温度选择耐火衬里的材料为低钙铝酸盐耐火混凝土，根据传热计算确定耐火衬里厚度。燃烧室外层夹套(冷风通道)能使调温风流动均匀并被预热，同时起到气体层保温作用，达到降低炉体外表面温度的效果。在环境温度下，保证热风炉外表面与环境温差不大于50 ℃，有效降低了散热损失。

4)采用耐高温陶瓷膜管除尘器，使洁净的高温烟气进入烟-风换热器进行热交换，有效解决了换热器积灰问题。目前，生物质锅炉多采用多管除尘和布袋除尘联合使用进行除尘，布袋采用纺织的滤布或非纺织的毡制成，一般耐热200 ℃左右，极易被高温烟气烧毁，且滤袋容易因结露而板结(尤其布袋除尘器置于室外时)，因此造成布袋除尘维护费用高(除尘成本高)。

受滤袋的耐热温度限制，多管除尘和布袋除尘必须置于烟-风换热器之后，这样就导致了换热器列管积灰现象，不仅影响了传热效率，还增加了清灰劳动力成本。

利用自主知识产权的陶瓷膜管除尘器能耐热800 ℃，使用寿命长达10年之久，且可置于烟-风换热器之前，使得进入烟-风换热器的高温烟气是洁净的，解决了换热器积灰问题，也降低了除尘成本。此除尘方式在国内锅炉市场属于首创。陶瓷膜管除尘器如图2所示。

图2 陶瓷膜管除尘器现场实物

5)采用脉动热管换热器，减少投资成本，降低排烟温度，提高热风炉热效率。普通钢管烟-风换热器在小传热温差条件下，需增加大量的换热面积才能达到理想的换热效果，这样不仅增加了设备投资成本，还因体积过大增加了占地面积。

脉动热管作为传热元件，它是将一定直径的金属管弯曲成有若干直管和若干弯头组成的形状，在一定真空下封装部分工质。由于管径足够小，管内工质在毛细力等因素的作用下形成交替分布的液柱和汽塞，如图3所示。

(a) 非回路型脉动热管 (b) 回路型脉动热管

当脉动热管一端(加热端)受热时，管内液体受热蒸发膨胀，向另一端(冷凝端)运动，并被冷凝，放出汽化潜热，重新变为液态，致使在冷热端之间产生很大的压差。由于汽-液柱塞交错分布，导致管内产生强烈的往复振荡运动，其工质与管壁间的换热过程也因受到剧烈脉动流的作用而大大强化,如图4所示。

(a) 加热段壁温 (b) 冷凝段壁温

脉动热管具有结构简单、不需要毛细芯，有利于降低成本，加热位置和加热方式不受限制(常用的重力热管必须底部加热),可以随意弯曲，适用范围广等突出优点。

脉动热管烟-风换热器就是基于脉动热管的工作原理，利用脉动热管作为传热主体元件，根据烟气及空气的实际负荷需求，调整脉动热管面积及冷热段之间的匹配，加工脉动热管烟-风换热器，以实现烟气与空气间高效传热。脉动热管换热器主体示意结构如图5所示。

图5 脉动热管换热器主体示意结构

2 结 语

研制的新型生物质热风炉易点火、升温快，燃烧温度控制效果好，粉尘少、无结焦。热风炉出力可达到燃煤状态时的水平。燃烧烟气经炉体,一、二、三次不同结构换热器冷却后,经除尘器处理达标后排放。空气经一、二、三次换热器加热后到达烘干温度要求，干燥热风经混风室分配给风机。混合后风温70～170 ℃可调，温差控制正负5 ℃。全机具有安全节能、操作简便的特点，适用于玉米、水稻、谷物类粮食烘干。