大型生物質(zhì)顆粒熱風(fēng)爐研制與推廣應(yīng)用

中圖分類號TK6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼A 文章編號 1007-7731（2025）17-0001-05

DOI號 10.16377/j.cnki.issn1007-7731.2025.17.001

Development and application of large-scale biomass pellet hot blast stove

CAO Chengmao1 YANG Kai2 SUN Yan1 （1Anhui Agricultural University，Hefei 230o36， China; 2Anhui Jinshang Machinery Manufacturing Co.，Ltd.， Jinzhai 237321， China）

AbstractTo addressthe issue of low combustion rate and low thermal eficiency existing in smalland mediumsized biomasspelet hotblast stove，large-scale biomasspellet hotblast stovewithhighcombustionrate，thermal effciency and emission compliance have been developed.This paper analyzes their structure and summarizes the product maturationand shaping processas well as the promotionand application situation，aiming to promote their wide application.Itisa thermal energy equipmentthatuses biomass pelets as fuel.Its structure mainly includes the feeding system，combustion system，heat exchange system，control system and smoke exhaustsystem，etc.By adopting technologiessuch asvariable feding，counter-current boiling combustion，andchain plateperistalticclosedash cleaning，problems like incompletecombustion of biomass pellets and excessive particulate matter emissons have been solved，effectivelyenhancing thecombustionrate.Thethermal energy exchange system designedbasedonthe tangential swirlair distribution structure offluiddynamics （CFD）flowfield simulation hassolved the problemsof high gas flow resistanceandlowthermaleficiency.Itfeatures lowresistanceinthecirculatingflueofthehotblaststove，large heat exchange areaand high thermal eficiency.Byadopting a PLC corecontroller，high-precision sensors for temperature， pressure，oxygen content，etc.，and eficient intellgentalgorithms，precisecontroloffeeding speed，combustionandair flow hasbeen achieved.The large-scale biomass pellet hot blast stove developed has advantages such as high combustion rate and thermal eficiency，low resistance ofthecirculating flue，and large heat exchange area.After being tested bythe Anhui ProvincialAgricultural Machinery TestandAppraisal Station，the indicatorsof sulfur dioxide， nitrogenoxides，andparticulate matter mettherelevantstandard requirements.This product has beenapplied inover 20 provinces and cities，achieving good economic and social benefits，and providing a reference for the research and development and industrialization of large-scale biomass pellet hot blast stove equipment.

Keywordsbiomass pellets;hot blast stove; grain dryer; energyutilization

安徽作為糧食生產(chǎn)大省之一，秸稈資源豐富，枯樹枝條、竹木料加工廢棄物等生物質(zhì)原料充足，為生物質(zhì)顆粒產(chǎn)業(yè)發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，使其形成了較為發(fā)達(dá)的產(chǎn)業(yè)規(guī)模。生物質(zhì)顆粒燃料是一種可再生能源，其燃燒過程中釋放的 CO₂ 量與生物質(zhì)生長過程中吸收的 CO₂ 量相當(dāng)，可接近實(shí)現(xiàn) CO₂ 零排放[1-3]。因此，研制并推廣應(yīng)用生物質(zhì)顆粒燃燒熱風(fēng)爐，對于緩解環(huán)境污染和能源問題具有重要意義。

段冀偉4通過數(shù)值模擬的方式研究生物質(zhì)燃燒爐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，針對燃燒爐煙道提出了結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施，有效提高了生物質(zhì)燃燒爐高溫?zé)煔鉄崃勘Ａ袈省⒕C合熱效率，為生物質(zhì)燃燒爐設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。趙鵬勃等結(jié)合流化床燃燒工程實(shí)際經(jīng)歷，研究分析了生物質(zhì)燃料流化床燃燒時的燃燒特性，NO污染物排放控制、氯腐蝕以及堿金屬引起的積灰結(jié)渣腐蝕問題。丁先等研究指出了富氧燃燒技術(shù)易造成高溫結(jié)渣等問題，通過煙氣再循環(huán)動態(tài)調(diào)整再循環(huán)比例可有效控制爐內(nèi)的溫度水平，緩解污染物排放問題。單福朋分析了幾種典型的生物質(zhì)顆粒熱風(fēng)爐的工藝流程及其特點(diǎn)，為生物質(zhì)顆粒熱風(fēng)爐的設(shè)計(jì)提供了思路。

目前，市場上的中小型生物質(zhì)顆粒熱風(fēng)爐存在燃燒率、熱效率、自動化程度低等短板。針對上述問題，本文在此基礎(chǔ)上研發(fā)了大型生物質(zhì)顆粒熱風(fēng)爐，分析了其結(jié)構(gòu)，并總結(jié)了產(chǎn)品熟化定型過程與推廣應(yīng)用情況，為大型生物質(zhì)顆粒熱風(fēng)爐研發(fā)制造推廣應(yīng)用提供參考。

1大型生物質(zhì)顆粒熱風(fēng)爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

大型生物質(zhì)顆粒熱風(fēng)爐是一種以生物質(zhì)顆粒為燃料的熱能設(shè)備，其結(jié)構(gòu)主要包括供料系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、熱交換系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和排煙系統(tǒng)等，供熱在300萬kcal/h以上，具體結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。產(chǎn)品采用逆流 + 沸騰式燃燒方式，逆流是火焰燃燒方向與進(jìn)料方向相反，將燃燒較為充分的廢氣引入燃燒器中與燃料一起燃燒，燃燒廢氣中含有的一些揮發(fā)物和氣態(tài)碳煙可使燃燒更加充分，有效提高了生物質(zhì)熱風(fēng)爐的燃燒率和環(huán)保性。沸騰式燃燒方式具備燃燒高效、燃料適應(yīng)性強(qiáng)、溫度分布均勻、污染物排放量低及操作維護(hù)簡便等優(yōu)點(diǎn)。采用逆流 + 沸騰式燃燒方式，可有效解決中小型生物質(zhì)顆粒熱風(fēng)爐存在的燃燒率低、熱效率不高等問題，通過高效的熱交換將燃燒產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)化為熱空氣，用于糧食等農(nóng)產(chǎn)品烘干或供熱等。

圖1大型生物質(zhì)顆粒熱風(fēng)爐結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 供料系統(tǒng)

供料系統(tǒng)主要由輸送絞龍、儲料倉、變頻器、三相電動機(jī)等組成。在電機(jī)的驅(qū)動作用下，輸送絞龍以一定的速度將生物質(zhì)顆粒從儲存?zhèn)}沿著燃燒室的圓形爐頂切向射入，燃燒室底部火焰燃燒方向與料方向相反，使熱煙氣流經(jīng)過燃料表面，既有利于促進(jìn)燃料干燥，又助力其快速著火并實(shí)現(xiàn)充分燃燒。PLC控制系統(tǒng)根據(jù)安裝在熱風(fēng)爐出口的溫度傳感器實(shí)時檢測信號，通過改變變頻器的輸出頻率控制供料電機(jī)的速度，實(shí)現(xiàn)變量供料有利于燃料均勻燃燒。熱風(fēng)爐內(nèi)設(shè)置燃料儲料倉，安裝占地面積小，無需額外設(shè)置顆粒燃料儲料倉。

1.2燃燒系統(tǒng)

燃燒系統(tǒng)主要包括燃燒室、點(diǎn)火裝置和燃燒器。燃燒室采用高強(qiáng)莫來石注料耐高溫材料澆鑄，燃燒室與熱交換管連接處采用鋁耐火泥和耐火耐磨修補(bǔ)料填充澆注，以承受高溫并確保燃燒效率。點(diǎn)火裝置是電火花點(diǎn)火或預(yù)熱空氣點(diǎn)火，確保在各種條件下均能點(diǎn)燃生物質(zhì)顆粒8。在燃燒爐底部，采用鏈排式排灰設(shè)計(jì)，通過鏈板慢速循環(huán)運(yùn)動，攪動燃燒料與空氣良好混合，既延長了未燃盡碳粒在爐膛內(nèi)的滯留時間，實(shí)現(xiàn)充分燃燒，又能確保各類顆粒燃料的灰燼順暢排出。這些灰燼匯集于爐底集灰盒后，通過灰燼絞龍完成密閉回收，避免了粉塵外泄。

1.3熱交換系統(tǒng)

如圖2所示，熱交換系統(tǒng)是熱風(fēng)爐的重要組件，其主要由上下煙道、前導(dǎo)風(fēng)箱、后導(dǎo)風(fēng)箱、短活動管、長活動管等組成。基于流體動力學(xué)（CFD）流場仿真的切線旋流式配風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的熱能交換系統(tǒng)，解決了氣體流動阻力大、熱效率低等問題，熱風(fēng)爐循環(huán)煙道阻力小、熱交換面積大、熱效率高，不會發(fā)生回火和脫火現(xiàn)象，運(yùn)行安全穩(wěn)定。換熱器采用兩組分體式設(shè)計(jì)，其進(jìn)火口連接處設(shè)置有可更換的套管，如果損壞可快速更換。熱交換系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，延長了煙道循環(huán)路徑與冷氣流的熱能交換時間，使熱風(fēng)爐在運(yùn)行過程中能提供更穩(wěn)定的熱輸出，且熱效率顯著提升。

圖2熱交換系統(tǒng)示意圖

1.4控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是生物質(zhì)熱風(fēng)爐智能化的重要體現(xiàn)，包括傳感器、PLC控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)（變頻器、電磁閥等）。傳感器用于監(jiān)測燃燒過程中的溫度、壓力和氧氣含量等參數(shù)；PLC控制器可根據(jù)檢測的實(shí)時數(shù)據(jù)，通過變頻器、電磁閥等調(diào)節(jié)供料速度、供熱風(fēng)量、排煙速度等，從而實(shí)現(xiàn)燃燒過程的優(yōu)化。智能控制系統(tǒng)集成溫度、壓力、氧氣含量等傳感器，開發(fā)智能控制算法，實(shí)現(xiàn)燃燒過程的實(shí)時監(jiān)控和自動調(diào)節(jié)。控制系統(tǒng)通過顯示器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和操作，提高操作的便利性和安全性。控制系統(tǒng)配備直觀易用的人機(jī)交互界面（HMI），并集成完善的故障診斷與安全保護(hù)功能，確保操作管理便捷高效、運(yùn)行安全可靠。具體設(shè)計(jì)包括：開發(fā)圖形化操作界面，實(shí)時顯示溫度變化曲線與系統(tǒng)警報信息，讓用戶直觀掌握設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)；采用觸摸屏操作模式，簡化用戶輸入流程及參數(shù)設(shè)置步驟，降低操作門檻；構(gòu)建多重安全保護(hù)機(jī)制，涵蓋過熱保護(hù)、熄火保護(hù)、防爆保護(hù)等，全方位防范意外事故的發(fā)生，保障人員與設(shè)備安全。

1.5排煙系統(tǒng)

排煙系統(tǒng)主要由煙道、排煙風(fēng)機(jī)、排煙沙克龍、煙囪等組成。根據(jù)系統(tǒng)檢測的溫度和流量，變頻控制的排煙風(fēng)機(jī)產(chǎn)生負(fù)壓，負(fù)壓作用下的煙氣經(jīng)沙克龍除塵器凈化后，由煙肉排入大氣。在密閉的通道內(nèi)，排煙風(fēng)機(jī)采用負(fù)壓方式將灰燼吸出除塵，避免了燃燒顆粒物排入大氣[10-12]。特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有助于生物質(zhì)顆粒充分燃燒；同時，系統(tǒng)采用智能化控制并實(shí)時監(jiān)測設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，結(jié)合高效的排煙處理系統(tǒng)，最終使燃燒排放量符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

2產(chǎn)品熟化定型與推廣

生物質(zhì)顆粒熱風(fēng)爐與水稻烘干機(jī)集中供熱系統(tǒng)示意如圖3所示。圖中共2臺熱風(fēng)爐、24臺水稻烘干機(jī)，水稻干燥能力為 720t/h 。每臺KS5L-360BA型生物質(zhì)顆粒燃燒智能控制熱風(fēng)爐可輸出最大熱能360萬kcal/h，能為12臺30t水稻烘干機(jī)提供熱能

圖3熱風(fēng)爐與水稻烘干機(jī)集中供熱系統(tǒng)示意圖

2.1 模塊化設(shè)計(jì)

大型生物質(zhì)顆粒熱風(fēng)爐采用模塊化設(shè)計(jì)，其供料系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、熱交換系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和排煙系統(tǒng)等能夠并行生產(chǎn)，便于運(yùn)輸、安裝調(diào)試以及維護(hù)，從而有效縮短了機(jī)具研發(fā)、調(diào)試與應(yīng)用周期。由圖4可知，將熱交換器、下底座與燃燒室、鏈排式排灰系統(tǒng)、下料閥門、顆粒提升機(jī)、上煙道、排煙風(fēng)機(jī)與煙肉、排煙沙克龍、熱交互器等設(shè)計(jì)為獨(dú)立模塊，便于快速組裝與維護(hù)。

圖4產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)示意圖

2.2 穩(wěn)定性測試與評估

邀請潛在用戶試用，并詳細(xì)記錄使用體驗(yàn)和反饋，包括操作便捷性、維護(hù)難易程度、故障率等方面，以便對產(chǎn)品進(jìn)行針對性的改進(jìn)。在連續(xù)運(yùn)行數(shù)百小時后，觀察設(shè)備的燃燒率、燃燒效率、熱風(fēng)溫度、進(jìn)料系統(tǒng)、熱交換系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等關(guān)鍵部件的表現(xiàn)。通過用戶試用、試驗(yàn)測試，對熱風(fēng)爐的熱效率、排放指標(biāo)（如二氧化硫、氮氧化物、顆粒物等）進(jìn)行精準(zhǔn)測量，確保其符合國家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)和能效要求[13-14]。

2.3主要技術(shù)參數(shù)

在熱風(fēng)爐符合國家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)和能效要求的基礎(chǔ)上，通過安徽省農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)鑒定站對KS5L-360BA型大型生物質(zhì)顆粒熱風(fēng)爐進(jìn)行鑒定檢測，其KS5L-360BA型的主要技術(shù)參數(shù)具體如下：外觀尺寸 7 200mm×4 630mm×12 300mm ，熱效率 80%～ 90% ，顆粒物 ?20mg/m³ ， NO_x?150mg/m³ ，含水率 ? 30% ，可與12臺 30t 水稻烘干機(jī)配套使用。

該產(chǎn)品可直接實(shí)現(xiàn)一爐拖10臺以上30t糧食烘干機(jī)的自動運(yùn)行烘干；而LaubeB-360生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)則需經(jīng)過專門改造，才能滿足一爐拖帶多臺的需求。用戶使用反饋結(jié)果表示，與市場上小顆粒熱風(fēng)爐相比，該熱風(fēng)爐能節(jié)約 30% 的燃料，安全節(jié)能，實(shí)現(xiàn)全自動智能控制，多重運(yùn)轉(zhuǎn)監(jiān)測，有效避免了烘干機(jī)燃燒的事故。

2.4推廣應(yīng)用

遵循“研產(chǎn)推用一體化\"理念，通過組建山區(qū)機(jī)械化校縣服務(wù)聯(lián)盟，構(gòu)建快速響應(yīng)的售后服務(wù)體系，有效破解了新產(chǎn)品、新技術(shù)推廣中存在的農(nóng)戶接受慢、操作不熟練等難題。通過政策引導(dǎo)、服務(wù)指導(dǎo)、市場推廣等方式，推動大型生物質(zhì)顆粒熱風(fēng)爐在糧食烘干及農(nóng)產(chǎn)品干燥領(lǐng)域的應(yīng)用。加強(qiáng)與企業(yè)、農(nóng)戶等合作，開展熱風(fēng)爐示范工程，展示其優(yōu)勢和應(yīng)用效果，跟蹤產(chǎn)品應(yīng)用與反饋改進(jìn)意見，提高市場認(rèn)可度。建立健全售后服務(wù)體系，為用戶提供技術(shù)支持和維修服務(wù)。通過定期回訪、技術(shù)培訓(xùn)等方式，幫助用戶解決使用過程中出現(xiàn)的問題，提高用戶滿意度。目前，產(chǎn)品已在20多個省市得到應(yīng)用，并出口泰國、菲律賓等東南亞國家，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

3結(jié)論與討論

生物質(zhì)顆粒燃料燃燒熱風(fēng)爐是一種以生物質(zhì)顆粒（如木屑、秸稈、稻殼等壓縮燃料）為能源的熱風(fēng)發(fā)生裝置，通過燃燒產(chǎn)生高溫潔凈熱空氣，為糧食烘干機(jī)或農(nóng)產(chǎn)品干燥設(shè)備提供穩(wěn)定熱源。其核心優(yōu)勢在于環(huán)保性、可再生性以及經(jīng)濟(jì)性。研制的大型生物質(zhì)顆粒熱風(fēng)爐主要技術(shù)特點(diǎn)如下。

（1）采用變量供料、逆流 + 沸騰燃燒方式燃燒、鏈板蠕動密閉清灰等技術(shù)，解決了生物質(zhì)顆粒燃燒不充分、顆粒物排放超標(biāo)等問題，實(shí)現(xiàn)了高燃燒率、無結(jié)焦、顆粒物排放在國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍內(nèi)[15]。

（2）基于CFD流場仿真的切線旋流式配風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的熱能交換系統(tǒng)，解決了氣體流動阻力大、熱效率低等問題，熱風(fēng)爐循環(huán)煙道阻力小、熱交換面積大、熱效率高，不會發(fā)生回火和脫火現(xiàn)象，運(yùn)行安全穩(wěn)定。燃燒室采用高強(qiáng)莫來石注料耐高溫材料澆鑄，燃燒室與熱交換管連接處采用鋁耐火泥和耐火耐磨修補(bǔ)料填充澆注，耐高溫且燃燒效率較高。

（3）針對傳統(tǒng)生物質(zhì)熱風(fēng)爐在運(yùn)行中存在的溫度波動大、控制精度低、能源利用效率不高等問題，大型生物質(zhì)顆粒熱風(fēng)爐采用以PLC為核心的控制器，配備高精度溫度、壓力、氧氣含量等傳感器，配置可靠的電動閥門、變頻器等執(zhí)行器，并結(jié)合智能控制算法，實(shí)現(xiàn)對供料速度、燃料燃燒和空氣流量的精確控制。控制系統(tǒng)配備直觀易用的HMI和故障診斷與安全保護(hù)裝置，確保操作便捷、運(yùn)行安全。

參考文獻(xiàn)

[1]郭慧娜，吳玉新，王學(xué)斌，等.燃煤機(jī)組耦合農(nóng)林生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀及展望[J]潔凈煤技術(shù)，2022，28（3）：12-22.

[2]毛健雄，郭慧娜，吳玉新.中國煤電低碳轉(zhuǎn)型之路：國外生物質(zhì)發(fā)電政策技術(shù)綜述及啟示[J].潔凈煤技術(shù)，2022，28（3）：1-11.

[3]高昕玥，袁世震，翁君杰，等.生物質(zhì)鍋爐NOx控制技術(shù)研究進(jìn)展[J].生物質(zhì)化學(xué)工程，2022，56（6）：51-60.

[4]段冀偉.基于Fluent生物質(zhì)燃燒爐結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究[D].包頭：內(nèi)蒙古科技大學(xué)，2023.

[5]趙鵬勃，劉嘉淼，王長安，等.生物質(zhì)燃料流化床燃燒技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及展望[J].熱力發(fā)電，2025，54（7）：14-22

[6]丁先，李汪繁，馬達(dá)夫，等.生物質(zhì)鍋爐富氧燃燒技術(shù)研究進(jìn)展[J].動力工程學(xué)報，2024，44（2）：157-167，316.

[7]單福朋.糧食干燥領(lǐng)域生物質(zhì)顆粒熱風(fēng)爐技術(shù)研究[J]工業(yè)加熱，2022，51（7）：20-23.

[8]秦軍衛(wèi)，洪露，陳飛飛，等.熱風(fēng)爐使用對糧食烘干機(jī)的影響[J].農(nóng)機(jī)質(zhì)量與監(jiān)督，2024（7）：13-14，29

[9]趙嵩穎，徐建光，樊洪仁，等.生物質(zhì)顆粒燃燒特性的數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究[J].熱科學(xué)與技術(shù)，2023，22（6）：563-569.

[10]朱廣飛，余繼瑯，陸陽，等.生物質(zhì)顆粒熱風(fēng)爐設(shè)計(jì)及在糧食烘干領(lǐng)域的應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)工程，2022，12（5）：45-48.

[11]李震，段冀偉，龐贊佶.生物質(zhì)燃燒爐煙道結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[J].內(nèi)蒙古科技大學(xué)學(xué)報，2025，44（1）：35-40.

[12]王文博，王彥，劉娜.生物質(zhì)熱風(fēng)爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用效果試驗(yàn)研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2023，45（9）：233-239.

[13]徐沛華，楊艷蓉，劉夢迪，等.生物質(zhì)燃燒排放顆粒物中水溶性有機(jī)物的光學(xué)特性[J].環(huán)境化學(xué)，2022，41（6）：2133-2142.

[14]余武高，程文峰，孫濤，等. 300MW 循環(huán)流化床鍋爐燃煤耦合生物質(zhì)燃燒及污染物排放特性試驗(yàn)研究[J].熱力發(fā)電，2024，53（7）：112-118.

[15]白宏磊，傅玉棟，曹福毅.生物質(zhì)燃燒對鍋爐結(jié)渣影響的實(shí)驗(yàn)研究[J].沈陽工程學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2024，20（3）：15-20.

（責(zé)任編輯：吳思文）