生物质热风炉技术研究

邢占强，田 野

(黑龙江省农业机械工程科学研究院，哈尔滨 150081)

0 引言

生物质能是一种可以循环利用的能源形式，光合作用时，有机体将太阳能以化学能的形式贮存，以提供各种燃料。生物质燃料属于碳平衡燃料，CO2的净排放量基本为0；同时由于硫和氮的含量较低，燃烧生成的 SO2和 NOx含量少，对环境污染较小，如图1所示。生物质热风炉即通过燃烧生物质产生热量，并和空气进行热交换，提供热风，可应用于采暖、炼钢、生产水泥、农畜牧业种植、食品烘干等领域。刘宇航[1]等以秸秆捆为主要燃烧原料，采用 PLC 控制热风炉鼓风机，并使用秸秆捆的直燃技术，减少秸秆压块、粉碎等中间环节，解决粮食烘干成本过高、烘干过程中能耗过大、对环境污染较为严重的问题，提高粮食烘干设备使用经济性。王斌等[2]采用螺旋翅片管换热器对流换热与炉膛辐射换热技术，使热风炉中生物质颗粒的燃烧更加充分，换热量达588 888 kJ·h-1，换热效率达72%，更加节能环保，节省成本。经过长期实践，生物质为燃料在热风炉的应用中逐渐得到人们的重视，生物质燃料的应用也逐渐成为大势所趋。

图1 生物质燃烧过程示意

1 结构与原理

生物质热风炉包括四个主要组成部分，即给料系统、燃烧系统、热交换系统、除尘系统。如图2所示，工作过程为成型的生物质颗粒通过给料器送入炉膛内燃烧，在引风机作用下，燃烧产生的高温烟气进入热交换系统，在翅片管内流动；同时，冷风也通过通风机进入热交换系统，在翅片管外部流动。此过程中，高温烟气与冷风进行充分热交换后进入除尘系统净化，由烟囱排出；冷风经热交换后从炉膛另一侧送出所需求的恒温、恒压、无尘的干净热风。

1.鼓风机；2.燃烧室；3.炉壁空气夹层；4.热交换管；5.冷风进口；6.引风机；7.热风出口；8.排烟风机；9.排烟出口；10.壳体

2 设计时注意事项

由于生物质燃料所含的挥发份远高于煤炭，应选择分级配风的方式供风，即相比燃煤热风炉，设计中加入二次风入口。选择斜向下风向的二次风高速冲入炉膛，迫使烟气在炉膛中扰动，可使挥发份充分燃烧，阻碍未燃挥发份流出炉膛，提高充分燃烧率。增加二次风口的数量形成烟气涡流比单个二次风口形成的更大，这大大提高炉膛内烟气扰动程度，使燃料燃烧更加充分。

生物质燃料在燃烧时极易结渣，因此炉排通风间隙的总面积与整个炉排面积之比(通风截面比)应选取较大值。炉排面积由炉排面积热负荷决定，炉排面积热负荷越小，炉排面积越大。因此，应选择较小的炉膛容积热负荷，以提高炉排面积比[3]。

换热器是生物质热风炉最主要的受热面，主要包括顺列与错列两种排列方式。顺列式换热管的管束排列整齐。气体流动状态规则，阻力小，但换热效果相比于错列管束较差。而错列管束的换热管外空气扰动较强，换热效率提高，换热器结构更加紧凑。同时，还应考虑对于空气侧的调节，通过降低空气流速可降低入口烟气温度、减小烟气与换热管的换热系数，但也会引起烟气在换热管中飞灰沉积，导致堵塞换热管，因此要合理选择烟气速度。

3 优势

生物质颗粒燃料不含硫、磷等成分，相比于传统燃料，不会对设备造成腐蚀，可延长设备的使用寿命。同时，生物质燃料在燃烧时也不产生SO2和P2O5，不会产生酸雨，污染环境[4]。燃料为可再生资源，其应用有效地降低了不可再生资源的使用量，也减少了破碎及筛分等设备的使用，减少工人劳动强度，降低生产成本。燃料燃烧后的灰渣是优质有机钾肥，可还田作为肥料，极大地降低了灰渣处理成本。

4 问题

目前，市场上热风炉的热管包括S型布置、平行布置两种，热管分布密集、空间较小，无法给冷风提供足够的热交换时间。秸秆类生物质在燃烧时，生长过程中吸收的金属元素熔化，形成玻璃状坚硬炉渣，出现结渣现象，易导致燃烧效率低、热交换不充分、不能连续稳定运行[5]。燃烧时，烟气中的硅酸盐在热风炉内壁面凝结，不断积聚后，产生严重的积灰或结渣，导致传热效率低、除尘运行成本及清灰劳动力成本较高等问题影响了热风炉的进一步推广和应用。

5 应用

5.1 粮食烘干

粮食烘干是高消耗量作业，以生物质燃料作为粮食烘干的主要热源，可大大降低粮食烘干成本，起到保护环境的作用。郝兆朋等[6]采用往复炉排和半气化燃烧技术，使用耐高温陶瓷膜管除尘器和脉动热管换热器设计了一款新型粮食烘干生物质燃料热风炉，其可达燃煤水平，易点火、升温快，燃烧温度控制效果好，粉尘少、无结焦，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。

5.2 养殖行业

当今养殖行业随着规模化和专业化的不断提升和发展，对养殖中各个环节的把控也更为精准和科学，其中增温等环节常见生物质热风炉的身影。

5.3 供暖

应用生物质热风炉进行供暖，指通过鼓风机将生物质颗粒燃烧的热量带到取暖环境中，具有启动速度快、热惰性低的特点，适用于小门市、农业大棚等间歇采暖的场所。陈维铅等[7]为解决甘肃河西戈壁冬季温室种植基质温度较低所产生的冻害问题，以生物质颗粒为燃料，同轴心双套筒炉膛，分布式双循环散热系统，设计了专门应用于戈壁日光温室增温防冻的热风炉，可保证热风输出在35 ℃以上，可循环加热室内空气，根据农作物生长温度需要调节室内温度，有效预防冻害问题。

5.4 杀青与烘干

张成茂等[8]在原有热风炉的基础上，对燃烧室结构进行改进设置一次低氧燃烧、二次配风和二次燃烧的整体结构，使生物质颗粒在燃烧室内部能够充分燃烧产热，以提高杀青过程中充足的热风输出。杨远平等[9]研制一种小型生物质燃烧机并将其应用在烤烟生产中，其烘烤出烟叶的香气、色泽、油分均优于传统煤烤烟，整个过程更加绿色环保，也可减少采用成型煤作燃料，装煤和清理燃烧后煤渣的时间与人工成本。此外，菊花[10]、核桃、茶叶、百合[11]、红枣、新疆水果等的烘干也逐渐采用生物质热风炉。

6 结语

2018年6月，国务院印发《打赢蓝天保卫战三年行动计划》中提出：要因地制宜发展生物质能，在具备资源条件的地方，鼓励发展县域生物质热电联产、生物质成型燃料锅炉及生物天然气。颗粒机在废弃物的循环利用上占有一席之地，生物质颗粒若能大量替代燃煤，对于改善环境具有重要意义。

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