基于自然素材利用生物質燃燒煙氣凈化裝置的研究開發

林楠 劉安琪 趙旖晗 王婉婷

摘 要：燃池采暖在農村供暖中占據重要地位，其采用生物質能燃料污染較小，結構簡單，供暖效果好，因此在農村及中小學廣泛應用[1]。但在實際運行中仍存在余熱回收不完全，產生有害氣體及可懸浮顆粒物的情況，因此針對此狀況及農村陰燃供暖的實際問題，對煙道進行改造設計，同時融入換熱設計進行余熱回收，降低出煙口溫度，有效利用熱量實現節能。

關鍵詞：陰燃供暖 余熱回收 可懸浮顆粒物沉降 有害氣體吸收

1. 產品整體設計思路

本項目主要從兩個方面對農村傳統陰燃供暖煙氣排放方式進行改造：

● 提高燃池熱利用率

設計思路為：通過理論公式分析找出影響燃池余熱利用具體因素，提高傳熱系數，有效提高熱利用率。

● 吸收有害排放氣體及可吸附顆粒物沉降

設計思路為：通過文獻整理比對選擇有效吸收生物質陰燃有害氣體的材料及理論模型的分析進行煙道沉降設計。

在提高燃池熱利用率方面以“低技術，高效率，易改造，易推廣”為設計理念，適合在農村等領域進行大范圍推廣的設計。在設計吸附有害氣體及可懸浮顆粒物的方面以“高效，耐高溫，自然再生，低價格”為選擇比對前提進行材料選比。整體思路從針對性解決這兩方面問題入手，做到高利用率，低改造，易推廣，有效解決實際問題。

2.理論分析

2.1理論模型

本裝置選取清華大學吳俊等人通風直管道顆粒沉降模型進行計算，在已知煙道入口溫度、速度的條件下，通過設計煙道長度及翅片位置來實現三個目的：首先，利用沿程阻力沉降顆粒物；其次，利用慣性阻力沉降顆粒物；同時，調節煙道長度可控制出口溫度使出口處吸附材料處于適宜溫度。

2.2余熱利用分析

根據實驗可知，當生物質燃料質量一定時，產生熱量Q一定，Q=Q1+Q2。（Q1：向內墻傳遞熱量，Q2：由煙道排出的熱量）Q=h·A·△t。因此，提高Q1，即提高換熱面積A，增大對流換熱系數h。由傳熱學公式知，要提高h和A即增強氣體擾動和煙道表面粗糙度以及增大煙道長度。但是，管道設計時不宜過長，防止煙氣因阻力過大無法流出甚至回灌。

3.設計方案

根據以上材料選擇，沉降模型分析及公式計算，考慮到結構改造，經濟性等多方面最終確定裝置設計如下。

3.1有害氣體的吸收及可懸浮顆粒物的吸附

經過對陰燃產生有害氣體及價格等多方面的比對，最終選定活性炭作為吸收涂料。將活性炭涂料涂在彎管壁上，吸收有害氣體，在煙道出口處設計可拆卸裝置（如圖1）涂適量活性炭，其上放入布袋式除塵器并填充活性炭，吸附PM2.5等可懸浮顆粒物。同時設計用彈簧片設計壓力保護裝置，防止一旦造成堵塞帶來的隱患。

3.2換熱部分

考慮到效率及改造問題，采用加入肋片的方式增加換熱量，改造方式較簡單，同時在換熱管道尾部設置沉降槽，防止灰塵常年沉降造成堵塞。換熱管道采用U型盤管，增大換熱面積同時增大沿程阻力，利于可懸浮大顆粒物沉降。如圖2所示。

根據以上細部設計最終確定裝置整體設計圖如圖4所示。

4.性能結果分析

1.吸附率：根據計算及實驗結果，1t生物質燃料生成有害氣體，0.15m3活性炭及可吸附達到排放標準，有害氣體凈化量約為45～60ml/g，效果較好。

2.余熱利用率：根據文獻及以往實驗室測試數據，燃池中排除煙氣入口溫度一般為500℃，出口溫度約為80℃。根據理論模型估算及實驗驗證，預計經過本裝置達到的出口溫度會降低為30～50℃，有效利用余熱為37～50%，效果較佳。但本裝置采用模型為直管道，與實際設計仍有偏差，因此具體數據仍需實驗分析。

5.應用展望

本裝置針對當前實際情況進行針對性的改造，方案改造較為容易，操作較為簡單，且考慮到農村改造問題，經濟易于推廣，因此一旦推廣，將會使農村燃池供暖問題有新的改觀，也將在有害氣體，及可懸浮顆粒物排放方面做出很大貢獻，可行性極強，同時裝置設計方法不僅適用于燃池改造，也可應用于工業燃燒設計推廣，應用前景十分廣闊。

參考文獻：

[1]何芳，徐攀.陰燃研究概況及問題分析. 中國農業機械學會.2008年學術年會論文集.

[2]田賀忠，趙丹.中國生物質燃燒大氣污染物清單. 環境科學學報. 2011，31（2）.

[3]張金良 中國農村室內空氣污染及其對健康的危害 環境與職業醫學 2007， 24（4）.

[4]王瑋，湯大鋼. 中國PM2.5污染狀況和污染特征的研究. 環境科學研究，2000，13（1）.

[5]郭一鑫. 垃圾焚燒發電廠煙氣處理系統設計研究. 能源研究與利用， 2005，6： 17-20.

[6]吳俊，趙彬. 清華大學. 通風管道內顆粒的沉降規律研究及應用. 暖通空調， 2008，38（4）.