半自動給料生物質回風爐設計＊

李姜昊，劉學磊，劉 柱，楊瑞哲，陳星宇，龔德鴻

（貴州大學電氣工程學院，貴州 貴陽 550025）

半自動給料生物質回風爐設計＊

李姜昊，劉學磊，劉 柱，楊瑞哲，陳星宇，龔德鴻

（貴州大學電氣工程學院，貴州 貴陽 550025）

基于目前民用生物質爐灶燃燒效率低、污染嚴重、加料不便等諸多問題，設計了具有分層燃燒、分級送風、煙氣再循環和半自動給料等特點的生物質回風爐。生物質回風爐在提高燃燒效率的同時，有效減少了污染物的排放，使民用生物質爐灶做到了半自動化定量給料，實現了不間斷、穩定燃燒。這個設計在推行民用生物質爐灶，提高我國生物質清潔能源的利用率、開發率，代替散煤燃燒等治理環境污染，推動能源發展方面起到了一定的促進作用。

生物質回風爐；半自動給料；分層燃燒；分級配風

隨著世界能源消費量的增加，世界能源需求壓力十分大，能源短缺問題日益嚴重，并成為制約人類社會發展的主要問題之一，它嚴重影響著社會的發展[1]。生物質能源占據世界一次能源消耗量的25%，是在化石能源煤、石油、天然氣之后排名第四的能源[2]。生物質能源在儲量、運輸、清潔方面相對于化石能源有著巨大的優勢，并且是可再生能源中唯一可以運輸與儲存的能源[3]。對此，各國都高度重視生物質能源，紛紛出臺了許多與生物質能源相關的政策[4]。

農村的“退耕還林”已成為我國新農村建設的主要內容之一，政府每年投入大量資金用于購買回風爐發放給農戶，以實現農村山林水土保持和環境保護。目前，對于市面上的回風爐，在其實際應用過程中，在節能方面都取得了一些實際的效果，但是，在燃燒污染物控制方面未進行專項設計，且部分回風爐以燒煤為主，存在著燃燒低效性、高污染、加煤不便等諸多缺點。同時，傳統回風爐采用上方加燃料的方式，使用時很容易造成煙灰的二次揚塵，對使用環境和人體健康造成新的危害。在國家大力發展清潔能源的今天，以燃煤為主的小型爐要逐步退出歷史舞臺，燃用秸稈、柴火等生物質燃料的新型生物質爐灶必將是一種發展趨勢。

1 總體結構設計

此次設計的設備為半自動給料生物質回風爐，它選用圓形爐膛，使燃料燃燒產生的火焰在爐膛水平面均勻燃燒。針對生物質燃料層過厚、燃燒效率不高的問題，半自動生物質回風爐采取了分層燃燒的方式；針對通風條件不好、污染物處理問題，半自動生物質回風爐選用分級送風的方式；針對換熱面積小、高溫煙氣得不到充分利用的問題，半自動生物質回風爐采用煙氣再循環裝置，實現煙氣余熱利用；針對人工加料方式的不便及其所造成的污染，半自動生物質回風爐使用半自動給料裝置，實現給料的機械化和定量化。半自動生物質回風爐結構如圖1所示。

圖1 半自動給料生物質回風爐結構示意圖

2 關鍵設計

2.1 爐芯

由于民用生物質回風爐不具備強制送風能力，爐膛燃燒氧量的提供多以自然送風為主，所以，在設計爐芯時，必須考慮爐芯內的通風效果。本設計仿照雙曲型冷卻水塔，設計為外部呈圓柱形、內部為梯形、上小下大的圓臺空間結構。水平層面的圓形空間使燃料可以均勻分布，這樣有利于燃料穩定燃燒，形成穩定的燃燒中心和著火層。豎直方向的上小下大設計使爐芯內部在燃燒時具有自然拔風效果，促進空氣流通，為生物質成型燃料的燃燒提供充足的氧量。在中部開二次風孔，為二次送風系統作準備。爐心具體結構如圖2所示，爐芯總高45 cm，外徑20 cm，上部內徑12 cm，下部內徑16 cm，通風環位于爐芯中部，內徑14 cm，共12個開孔，每3個一組，沿圓環平均分布。

圖2 爐芯和二次送風開孔截面圖

2.2 雙層爐排與燃燒網

本設計借鑒生物質工業鍋爐中分層燃燒的概念，采用雙層爐排的設計，將爐芯內大量的生物質成型燃料分離為上下兩層，上層的網孔大，下層的網孔小。在給料時，較大的燃料卡在上層燃燒網中，較小的燃料落入下層燃燒網中，并且在上層燃燒網中心處開孔。這種設計的優勢是：①在點燃燃料時，可使引燃物穿過上層燃燒網點燃下層燃燒網的燃料；②確保爐芯內的通風條件；③使下層燃燒網中心部分落入較多的燃料，促使燃燒中心的形成，確保燃燒的穩定性。

上下層的燃燒網由4根細柱連接，緊貼爐芯內壁，上層燃燒網比較小，下層燃燒網比較大，形狀符合爐芯內部情況，具體結構如圖3所示。

圖3 上下層燃燒網及其連接情況

在爐灶實際運行的過程中，這種分層燃燒的設計非常適合生物質燃料，促使燃料完全燃燒，有效提高熱效率，提升爐膛溫度，有助于減少CO、NOX、SOX等污染物的排放[5]。

2.3 分級送風與煙氣再循環

在爐膛的基礎上增加二次送風和煙氣再循環系統，爐芯外側分為8個區域，4個為二次風管道，4個為煙氣再循環管道，相互交錯豎直排列，由煙氣加熱二次風。本設計借鑒成熟的分級配風設計，在回風爐灶上加裝二次送風系統。二次風作為助燃風，相對于一次風提供少量空氣，使揮發、分析出的大量CO等可燃氣體在爐芯中上部與氧氣充分接觸，燃燒放熱，減少氣體不完全燃燒損失。同時，空氣分級燃燒可以減少NOX的排放量。

在第一階段，爐灶內只通入80%左右的理論空氣量，使過量空氣系數α＜1.在富燃料燃燒區，有效抑制了燃燒區內的燃燒速度，控制了其溫度，從而減少了揮發分燃燒生成的熱力型NOX。此外，燃燒所生成的CO、NO的還原反應以及燃料中的N分解為中間產物相互作用，或者與NO的還原反應，都抑制了燃料型NOX的生成。

排煙熱損失是生物質民用爐灶、工業鍋爐、電站鍋爐等主要熱損失之一，在民用爐灶中，由于結構簡單，受熱面比較小，煙氣攜帶大量熱量從煙囪中排出，造成巨大的能源浪費。同時，由于生物質成型燃料的特性，揮發分占比多，造成大量可燃氣體的產生，而焦炭中也有少部分固定碳被氣流所吹動，懸浮在爐芯內，進而與可燃氣體一同帶出煙囪外，這就造成了大量的氣體不完全燃燒損失與固體不完全燃燒損失。

為此，設計出煙氣再循環系統。對于爐芯外側的8個豎直擋板區域，其中4個為煙氣再循環煙道，與另外4個二次送風管道交錯布置，在煙囪出口不完全開放，產生的壓力使少部分煙氣不直接排出煙囪外，轉而進入了再循環煙道中。其工作流程如圖4所示。

圖4 煙氣再循環系統工作流程

2.4 半自動給料裝置

該設計為帶有儲料箱的半自動給料裝置，通過定量的機械化給料，優化了頻繁加料帶來的不便，使生物質爐灶更易推廣。半自動給料裝置由2部分組成，上半部分為儲料箱，儲料箱底部向中間傾斜，有利于燃料自動落入下半部分送料裝置的給料車中。此時，送料管道為封閉狀態，煙氣不會泄漏。給料時，推動手柄，給料車進入給料管道，切斷刀切斷儲料箱的燃料，同時，擋板阻斷燃料繼續下泄。由于底部擋板沒有阻力會自動打開，定量燃料自動進入爐膛燃燒。給料

圖5 半自動給料裝置

完成后，拉回手柄，底部擋板自動閉合，擋板撤出，燃料自動填滿給料車，半自動給料裝置恢復未給料狀態。受電弓不再繼續上升。高度位置傳感器也安裝于機箱內，不隨掛鉤上下移動，有利于保護傳感器，保證其能夠長期可靠使用。同時，設置“硬件校準”進行補償，標定補償測力系統長期使用后的微量漂移，保證系統的測力精度。

5 結束語

本文簡要闡述了架修后受電弓的測試要求，從理論實現的角度設計了一套滿足受電弓測試要求的試驗平臺。試驗平臺能夠有效完成測試升降弓時間、升降弓靜態壓力的檢測、保壓試驗和最低位置保持力等測試項目。該試驗臺的設計精度、性能滿足受電弓的使用要求，極大地縮短了測試工序的時間，提高了測試效率，適用于受電弓架修后的性能測試。

［1］張有松.韶山4型電力機車［M］.北京：中國鐵道出版社，1998.

［2］喬寶蓮.電力機車電器［M］.北京：中國鐵道出版社，2008.

［3］陶時澍.電氣測量［M］.哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2004.

［4］劉傳璽.自動檢測技術［M］.天津：天津大學出版社，2008.

［5］鐵道科學研究院機車車輛研究所，株洲南車時代電氣股份有限公司，中國南車集團株洲九方電器設備有限公司，等.GB/T 21561機車車輛受電弓特性和試驗［S］.北京：中國標準出版社，2008.

［6］莫堅.電力機車受電弓試驗裝置的設計［J］.廣西輕工業，2011（4）：113-115.

［7］孫志才.鐵道車輛檢修技術［M］.北京：中國鐵道出版社，2013.其結構如圖5所示。

〔編輯：白潔〕

3 結束語

目前，我國的生物質能源利用處于起步晚、發展慢的狀態，民用生物質爐灶的發展和規范更是處于空白期，市面上很多的專利和研究也大多是私人研發的，且大部分為燃煤民用爐灶。在現有的政策中，散煤燃燒要被逐步取代，作為替代品的生物質爐灶必然快速登上歷史舞臺，生物質能的利用也會被國家相關部門和民眾所重視。本文所述設計是對現有民用生物質爐灶的改造，它的優點是：采用分層燃燒技術，有效提高了生物質成型燃料的燃燒效率，解決了不完全燃燒問題；采用分級送風技術，降低了NOX的排放水平，促進了燃料清潔燃燒；采用煙氣再循環技術，實現了高溫煙氣的余熱利用，提升了爐膛溫度；設計了半自動給料裝置，實現了給料的機械化和定量化。

參考文獻：

［1］陳曦，韓志群，孔繁華，等.生物質能源的開發與利用［J］.化學進展，2007，19（7）：1091-1097.

［2］中華人民共和國國家發展計劃委員會基礎產業發展司.中國能源與可再生能源1999白皮書［R］.北京：中國計劃出版社，2000.

［3］袁振宏，吳創之，馬隆龍，等.生物質能利用原理與技術［M］.北京：化學工業出版社，2005.

［4］陳敬全.歐盟生物能源發展現狀和相關政策研究［J］.全球科技經濟瞭望，2012，27（3）：2l-35.

［5］周菊華，孫海峰.火電廠燃煤機組脫硫脫硝技術［M］.北京：中國電力出版社.2010：162-163.

TK64

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.13.129

2095-6835（2017）13-0129-04

李姜昊（1994—），男，山東德州人，本科生，能源與動力工程專業。龔德鴻，男，碩士生導師，副教授，主要研究方向為生物質燃料、燃燒污染物控制。

〔編輯：白潔〕

貴州大學大學生創新創業訓練計劃項目：半自動給料生物質回風爐設計（201610657020）