生物质成型燃料热风炉燃烧室的设计与研究

刘立果，张学军，刘　云，鄢金山，靳　伟，孙　杰，辛倩倩

(1.新疆农业大学 机械交通学院，乌鲁木齐　830052；2.新疆农业工程装备创新设计实验室重点实验室，乌鲁木齐　830052；3.克拉玛依五五机械制造有限责任公司，新疆 克拉玛依　834032)



生物质成型燃料热风炉燃烧室的设计与研究

刘立果1，张学军2，刘云3，鄢金山2，靳伟1，孙杰1，辛倩倩1

(1.新疆农业大学 机械交通学院，乌鲁木齐830052；2.新疆农业工程装备创新设计实验室重点实验室，乌鲁木齐830052；3.克拉玛依五五机械制造有限责任公司，新疆 克拉玛依834032)

摘要：针对国内外现有的生物质成型燃料燃烧设备，存在燃烧效率低、炉膛温度过高、积灰和结渣严重、不适合块状和棒状成型燃料的燃烧等问题，通过对国内外生物质成型燃料热风炉燃烧室的研究和借鉴，设计了新型生物质成型燃料热风炉的燃烧室。该新型生物质热风炉的燃烧室只是热风炉的燃烧部分，需要和独立的换热器配合使用。在我国可用于生产颗粒状成型燃料的木屑很少，但拥有大量的可生产块状和棒状成型燃料的作物秸秆。该新型生物质成型燃料热风炉的燃烧室主要是为了适应块状和棒状成型燃料的燃烧而设计，也可用于部分颗粒状成型燃料的燃烧，主要由进料机构、燃烧室部分和炉灰清除机构组成，实现了块状和棒状成型燃料的自动进料及炉灰的自动清除。该生物质成型燃料热风炉的燃烧室可有效减少固体燃料和挥发分气体的不充分燃烧，可将炉膛的温度控制在一定的范围内，减少了积灰和结渣的产生，并能有效地去除积灰和结渣。

关键词：热风炉；燃烧室；生物质成型燃料；积灰；结渣

0引言

生物质是仅次于煤炭、石油、天然气的第四大能源，在世界能源消耗中，生物质能占总耗能的14%，但在发展中国家占40%以上。生物质成型燃料燃烧时CO2的净排放量基本为0,NOx排放量仅为燃煤的1/5,SO2的排放量仅为燃煤的1/10。因此，生物质成型燃料是一种低碳、环保而又可再生的能源。木屑一般做成颗粒状成型燃料，秸秆一般适合做成块状或棒状成型燃料。由于欧美国家具有较高的森林覆盖率,颗粒状生物质成型燃料在欧美得到了广泛的使用，与之相对应的颗粒状成型燃料热风炉得到了深入的研究和广泛的推广[1-3]。

我国可用于生产颗粒状成型燃料的林产加工剩余物的量很少，生物质成型燃料主要依靠年产量在7亿t左右的农作物秸秆[4-5]。秸秆中含有较多的易对粉碎设备造成磨损的元素，且秸秆中还容易夹杂泥沙，很容易使粉碎机械的工作部分磨损。因此，作物秸秆更适合加工成块状或棒状生物质成型燃料，这就决定了我国的生物质成型燃料以块状或棒状为主[6]。

近年来，我国引进了一批生物质成型燃料燃烧设备。但是，国外的燃烧设备绝大多数都是为颗粒状成型燃料而设计的，不能满足我国块状和棒状生物质成型燃料的燃烧。以木屑为主要原料的颗粒状成型燃料与以秸秆为主要原料的块状或棒状成型燃料相比具有比面积大、流动性好及燃烧状况较好的特点[7-9]。以秸秆为原料的块状和棒状生物质成型燃料与以木屑为原料的颗粒状成型燃料的燃烧状况存在一定的差异[10]。积灰和结渣是生物质成型燃料燃烧设备存在的突出问题[11-12]。因此，必须对块状和棒状秸秆成型燃料的燃烧机理进行深入的研究，研制出适合块状和棒状秸秆成型燃料的燃烧设备[13-15]。为此，设计了该新型生物质成型燃料热风炉的燃烧室。

1总体结构

我国拥有大量的适合生产块状和棒状生物质成型燃料的农作物秸秆。国内外对于生物质成型燃料的研究大都集中在以木屑为原料的颗粒状成型燃料上。目前，研制出很多适合颗粒状成型燃料燃烧的设备，但对于适合以秸秆为原料的块状和棒状生物质成型燃料燃烧的设备的研究很少。为了满足国内对于块状和棒状生物质成型燃料燃烧的需要，研制出了该新型生物质成型燃料热风炉的燃烧室。该新型生物质成型燃料热风炉包括进料机构、燃烧室部分和炉灰清除机构，如图1所示。该生物质成型燃料热风炉的燃烧室可实现块状和棒状生物质成型燃料的自动上料及炉灰的自动清除，可有效减少固体燃料和挥发分气体的不充分燃烧，可将炉膛的温度控制在一定的范围内，减少了积灰和结渣的产生，并能有效地去除积灰和结渣。

Ⅰ.进料机构　Ⅱ.燃烧室部分　Ⅲ.炉灰清除机构

2进料机构的设计

目前现有的螺旋进料机构结构简单、可靠性高，但只适用于流动性较好的颗粒状生物质成型燃料，而对于块状和棒状生物质成型燃料很难实现自动进料。该进料机构是采用螺旋传动原理进行工作的。盛料箱和两个推料侧挡板构成了盛料容器。盛料箱可根据需要划分成4个或更多均匀的小容器,人工将块状和棒状生物质成型燃料放入盛料箱内。推料电动机通过推料减速器使推料丝杠旋转，推料螺母支架在推料丝杠的作用下前后移动。推料螺母支架和盛料箱利用螺栓连接在一起，从而使盛料箱沿滚动导轨前后移动。通过行程开关控制推料电动机，使盛料箱每次都移动1个盛料小容器的距离。

给料电动机通过给料减速器使给料丝杠旋转，给料螺母支架在给料丝杠的作用下前后移动。给料螺母支架和给料滑块利用螺栓连接在一起，给料滑块、给料推杆和给料挡板焊接在一起，从而使给料滑块沿给料滑道前后滑动。给料滑块带动给料挡板前后移动，两个给料摆板和给料挡板铰接在一起，两个摆板均可左右摆动，两个拉力弹簧均穿过开有槽的给料挡板，一端安装在两给料摆板上，另一端安装在给料推杆上，如图2所示。在拉力弹簧的作用下，两给料摆板的一端均与盛料箱的盛料小容器的侧壁紧贴。当给料电动机正转时，小容器内的成型燃料被两个摆板逐渐推入热风炉燃烧室内，两摆板在拉力弹簧的作用下由热风炉进料口进入燃烧室的过程中逐渐张开。在两个摆板的作用下成型燃料逐渐分布在整个炉排上，炉排上正在燃烧的成型燃料逐渐被推到后面，已经燃尽的成型燃料则逐渐被推到炉排的末端，最终由炉排的末端掉入炉灰室。生物质成型燃料在炉排上移动的过程中就可以有效地减少炉排上积灰和结渣现象的产生。

1.给料减速器　2.给料滑道　3.给料滑块　4.给料推杆

3燃烧室部分的设计

3.1　炉膛的设计

炉膛部分主要包括炉灰室、一燃烧室、二燃烧室、三燃烧室、炉灰室、一室换热管、二室换热管和炉排等部分组成。普通的生物质成型燃料热风炉的炉膛部分和燃煤炉一样只包括一个燃烧室和炉灰室。该生物质成型燃料热风炉燃烧室利用换热管将燃烧室分成一燃烧室、二燃烧室和三燃烧室3个部分。炉排以下为炉灰室，炉排以上一室换热管以下为一燃烧室，一室换热管和二室换热管之间为二燃烧室，二室换热管以上为三燃烧室，如图3和图4所示。一燃烧室内炉排上的生物质成型燃料燃烧时，其挥发性气体首先在一燃烧室燃烧，没有燃尽的挥发性气体随气流进入二燃烧室和三燃烧室进行充分燃烧，这样可以大大提高燃烧效率。炉灰室和二燃烧室均设有鼓风机，可以根据成型燃料燃烧的需要合理供应空气，以便固体燃料和挥发性气体充分燃烧。一室换热管和二室换热管交错排列，这样既可以避免挥发性气体快速的排出，也可以更好地进行热交换。一室换热管和二室换热管的另一个作用是可以根据需要将炉膛内一部分热量带走，避免炉膛内的温度过高而容易产生积灰和结渣的现象。

12.二燃烧室鼓风机　13.磨块Ⅱ前拉绳　14.二出风箱

3.2　积灰和结渣的去除原理

生物质成型燃料热风炉容易出现积灰和结渣问题。炉膛内的温度过高是产生积灰和结渣问题的关键因素。该生物质成型燃料热风炉就是利用一室换热管和二室换热管来降低燃烧室内的温度。一室换热管和二室换热管的一端安装在进风箱内，均设有交错的进气孔并安装有链轮；另一端安装在出风箱内，均设有交错的出气孔。工作时，两个进风箱的鼓风机均向进风箱内供应冷空气。冷空气通过换热管，经过热交换后进入出风箱，然后被供应到其它地方进行利用。因此，可以通过调节进风箱鼓风机的出风量来调节炉膛内的温度。进风箱电动机与进风箱减速器连在一起通过链传动使一室和二室换热管旋转，可使换热管更好地吸收成型燃料燃烧时的辐射热，也可以使换热管受热均匀，延长换热管的使用寿命。为了防止一室和二室换热管出现积灰和结渣的现象，在一室和二室换热管上均设有除灰磨块。在一室和二室换热管旋转的同时，人工定期通过拉动除灰磨块的前、后拉绳，使磨块缓慢地在换热管上移动，利用磨块和换热管之间的摩擦清除掉换热管上的积灰和结渣，可大大地提高换热效率和换热管的使用寿命。为了防止磨块和换热管之间一直不停地摩擦，在燃烧室内设有磨块Ⅰ支架和磨块Ⅱ支架。每次清除完一室和二室换热管上的积灰和结渣后将除灰磨块Ⅰ和Ⅱ分别拉到磨块Ⅰ支架和磨块Ⅱ支架上，如图3和图4所示。

炉排是燃烧室内最容易出现积灰和结渣的部位之一，一旦出现积灰和结渣就很容易将炉排上的缝隙堵住，会使成型燃料燃烧时得不到充足的空气而产生不完全燃烧的现象。该新型生物质成型燃料热风炉的炉排是由多个独立的圆钢炉条构成的，炉排的一端固定在进料口处的燃烧室壁的通孔中并安装有旋转用螺栓，另一端固定在炉排支架上，炉排支架固定在两个集灰板上。因此，可以通过定期顺时针旋转炉排上的旋转用螺栓，使每个炉条都可以独立的旋转，如图3和图5所示。这样可以使炉条和成型燃料之间产生旋转摩擦，有效去除炉排上的积灰和结渣，使成型燃料燃烧时得到充足的空气。此外，在每一次自动上料过程中，给料摆板推动成型燃料在炉排上逐渐向后滑动，成型燃料在炉排上滑动的过程中也可以清除掉部分积灰和结渣。

12.二燃烧室鼓风机　13.磨块Ⅱ前拉绳　15.轴承座固定板Ⅰ

3.3　燃烧室密封的设计

为了防止两个进风箱和两个出风箱与燃烧室之间的空气泄露，设计了密封元件进行密封。将密封元件1安装在燃烧室壁上，其带凸缘的一端与燃烧室内壁紧贴，另一端插入燃烧室壁中；密封元件2的一端焊接在换热管上，另一端插入密封元件1的环形圆筒中。其中，密封元件1中填充高温润滑脂，既不影响换热管的转动又可以有效密封。磨块拉绳均从穿绳管中通过，穿绳管的一端穿过燃烧室壁在燃烧室内，另一端穿过进风箱或出风箱到达外部。这样可以避免因为拉绳的存在而使进风箱和出风箱内的空气与燃烧室内的高温烟气相互泄露，如图4和图5所示。

4炉灰清除机构的设计

炉灰清除机构是利用螺纹传动原理进行工作的。排灰电动机通过排灰减速器带动排灰丝杠旋转，排灰螺母支架在排灰丝杠的作用下实现前后移动；排灰螺母支架和排灰滑块利用螺栓连接在一起，排灰滑块、排灰推杆和排灰刮板焊接为一体，从而实现排灰滑块在排灰滑道中滑动，使排灰刮板在炉灰室中前后移动达到清除炉灰的目的,如图6所示。

13.磨块Ⅱ前拉绳　15.轴承座固定板Ⅰ　56.炉排　57.旋转用螺栓

28.排灰电动机　29排灰减速器　30.排灰滑道　31.排灰滑块

5结论

1) 该生物质成型燃料热风炉的燃烧室只是热风炉的燃烧部分，需要和独立的换热设备配合使用，从而有效地减少换热设备中积灰和结渣的产生。

2) 该生物质成型燃料热风炉的燃烧室主要是为了满足块状和棒状秸秆类生物质成型燃料的燃烧而设计，其结构简单、可靠性高。

3) 该生物质成型燃料热风炉的燃烧室可实现块状和棒状生物质成型燃料的自动上料和炉灰的自动清除。它可以使块状和棒状生物质成型燃料充分的燃烧，可将炉膛内的温度控制在一定的范围内以减少积灰和结渣的形成，并能有效去除炉排和换热管上的积灰和结渣。

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Design and Research of the Combustion Chamber of Hot Blast Stove of Biomass Briquette

Liu Liguo1, Zhang Xuejun2, Liu Yun3, Yan Jinshan2, Jin Wei1, Sun Jie1, Xin Qianqian1

Abstract：In view of the biomass combustion equipment at home and abroad which exists the problems of the low combustion efficiency, the furnace temperature, dust and slagging serious, not suitable for block and the rod shape fuel combustion, through the study of biomass briquette stove chamber at home and abroad and reference, a new type of biomass briquette combustion chamber is designed. The new biomass combustion chamber is just a part of the combustion process of the hot blast stove, and it needs to be used with an independent heat exchanger. In our country, the wood chips which can be used to produce granular briquette flues are very few, but there exists a large amount of crop straw which can used for producing massive and rod-shaped biomass briquette.The new type of biomass shaped fuel furnace combustion chamber is mainly designed to fit for the massive and rod-shaped biomass briquette, and it can also be used for part of the granular molding fuel combustion. It is mainly composed of giving material mechanism, the part of the combustion chamber and ashes clearing mechanism. It achieves the automatic feeding and automatic removal of furnace ash of the massive and rod-shaped biomass briquette.The hot blast stove of biomass combustion chamber can effectively reduce the incomplete combustion of the solid fuel and volatile gases, can control the temperature of furnace in a certain range, reduce the production of ash deposition and slagging, and can effectively remove ash deposition and slagging.

Key words：hot blast stove; combustion chamber; biomass briquette; ash deposition; slagging

中图分类号：S216

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)10-0245-05

作者简介：刘立果(1988-),男，山东济宁人，硕士研究生，(E-mail) liuliguo0415@126.com。通讯作者：张学军(1966-)，男，乌鲁木齐人，教授，硕士生导师，博士，(E-mail)zhxjau@sina.com。

基金项目：科技支疆项目(2012AB003)

收稿日期：2015-09-23