高效生物质直燃炉的设计.doc

高效生物质直燃炉的设计摘要：在分析了生物质燃烧过程的基础上，设计了一种新型户用高效生物质直燃炉。该炉点火方便、操作简单、节能安全。一次风、二次风配风系统分开，对燃料无苛刻要求，配有星型给料机可根据燃料用量随时添加。该炉有利于优化能源结构，改善农村生态环境，市场前景广阔。生物质能是太阳能以化学能的形式储存在生物中的一种可再生能源，具有氧氢元素含量高、挥发性高、炭活性高、N和S含量低、灰分低，点火性能较好等特点，特别适合燃烧转化利用。我国生物质资源极为丰富，每年有约6亿吨废弃物可用作生物质能源的开发和利用。由于我国农村分布范围广泛，经济发展差异性大，以废弃农作物为主的生物质能源是农村生活中的主要能源。目前，我国农村使用的生物质炊事炉主要有土炉灶和全气化炉具。土炉灶建造技术粗糙，生物质在炉膛内直接燃烧，炊事过程中损失大量的热能，同时还严重污染空气、不易封火。全气化炉具是将生物质完全气化后作为能源，燃烧其产生的可燃气体。该炉虽解决了土炉灶的部分缺点，但燃烧过程中产生大量污染环境的焦油，而且对原材料的密度要求较高，燃烧过程不稳定。本文介绍一种以秸秆、木柴、柴草、稻壳、树枝、压块燃料等农林剩余物为原料的高效生物质直燃炉设计，该直燃炉避免了现有生物质炊事炉的缺点，点火方便、操作简单、节能安全，一次风和二次风配风系统分开，对燃料无苛刻要求，配有星型给料机可根据燃料用量随时添加，具有大范围推广的优势及前景。1生物质燃烧过程生物质能是太阳能以化学能的形式储存在生物中的一种可再生能源，其氧元素和氢元素含量高，固定碳含量在1015之间，含水量较高，点火性能较好，能量密度小。生物质能的燃烧过程是复杂的化学反应过程，包含预热(水分蒸发)；高温加热发生热解(产生挥发分和焦炭)；挥发分燃烧、焦炭(固定碳)燃烧、燃尽等过程。各阶段燃烧特点如下：(1)预热阶段。由于生物质含水量较高，在热辐射的作用下其温度逐渐升高，随着温度的升高所含水分被蒸发出来。此过程产生了大量的烟气，导致热损失较高。(2)分解阶段。生物质内部的半纤维素、纤维素和木质素在此阶段随着温度的继续升高开始分解挥发。(3)挥发分燃烧阶段。挥发出来的有机物，随着温度升高与氧气发生剧烈化学反应(燃烧)，释放出大量热能。(4)焦炭(固定碳)燃烧阶段。当达到一定温度，生物质内的固定碳与氧气发生反应，进一步加速燃烧而释放出热能。(5)焦炭(固定碳)燃尽阶段。随着焦炭的燃烧，产生的灰分逐渐把剩余焦炭包裹起来，阻碍含氧空气向其内部扩散，从而妨碍焦炭继续燃烧，降低了焦炭的燃烧速度。2高效高效生物质直燃炉结构设计及工作原理2.1结构分析高效生物质直燃炉(见图1)主要由料斗1、星型给料机2、进水管3、炉膛4、保温层5、外壳6、出灰和一次风口7、炉篾8、热水出口9、水箱10、二次风进口11、二次风道12、烟囱13、燃烧器14等部件构成。高效生物质直燃炉的炉膛是为生物质原料提供燃烧、热解的地方，炉膛的大小、形状和保温等决定了生物质原料的燃烧能否充分进行、热传递的效率和燃烧效率的高低。本炉将一次风、二次风配风系统分开，一次风主要利用烟囱抽力由进料口提供，这样一次风能均匀地进人生物质燃料层，与炉膛内炭化物进行接触，供给焦炭(固定碳)燃烧阶段和焦炭(固定碳)燃尽阶段充足的氧气，使该处焦炭(固定碳)耦合燃烧进一步加速燃烧释放热能。完成生物质燃料的直接燃烧。设置的二次风道，可利用炉膛的余热将二次风加热，加热后的二次风与可燃气在燃烧器处充分混合后燃烧，加快了化学反应，同时使未反应的气体参与燃烧，提高炉膛子的燃烧效率。为保证炉膛燃烧温度高、热流密度大、燃烧均匀，高效生物质直燃炉过量空气系数设为1.4，防止由于生物质挥发分含量高，燃烧时先析出的大量挥发份在炉膛上部燃烧，产生较多的CO2影响炉膛的热效率。通过调整星型给料器电机的转速，可随时按需自动给炉膛添加燃料用量。在二次风道与出料管口处设一连通管，通人适量的二次风以加速生物质的流动，防止在喂人过程中发生堵塞现象。2.2主要部件设计(1)炉膛。高效生物质直燃炉设计利用了生物质气化技术和反烧技术原理，炉膛为上下部分为圆锥、中间夹一圆柱形的结构，炉膛体积的大小足以满足普通家庭每天35kg的用料，原料进入炉膛的通道位于炉膛的上部圆锥处。炉膛的底部为出灰室、一次通风口，上部为燃烧器和二次风口。(2)进风系统。炉膛的底部为出灰室、一次风风口，炉篾设置在炉膛下部通风口上方，一次进风系统中设置有调节风量的风门，可根据焦炭(固定碳)燃烧阶段和焦炭(固定碳)燃尽阶段的燃烧状态，调节风门开度大小来调节风量大小。在烟囱的抽力作用下，未燃烧的气体会随烟气快速排出炉膛，将浪费掉大量的能量，对炉膛的热效率造成影响。本炉在炉膛的外壁上部设置了二次风道，利用炉膛的余热将二次进风加热。而二次风的扰动加快了化学反应，同时使未反应的气体参与燃烧，提高炉膛子的燃烧效率。(3)进料口。高效生物质直燃炉的另一重要部分为炉膛的进料口，本炉膛进料口的位置采用的方式为顶部加料，料口设置在二次通风口的上方圆锥上，为满足生物质堆积角料斗设计为倒锥形。通过调整星型给料器电机的转速，可随时按需自动给炉膛添加燃料用量。为防止在喂人过程中发生堵塞现象，在二次风道与出料管口处设一连通管，通人适量的二次风以加速生物质的流动。(4)烟囱。通常而言，抽力的大小与烟囱的高度呈现出较为明显的正比关系，抽力会直接受到烟囱放置位置和烟囱高度的影响，为保证炉膛内空气流动，应使生物质内烟气流动所产生的阻力略大于抽力。根据相关的设计手册和国内外文献，烟囱高2m，直径为50mm的圆筒形。(5)保温。为了降低热损失并且能够提高炉膛热效率及其温度，高效生物质直燃炉的外层装有40mm保温材料。3实际应用效果高效生物质直燃炉的实际应用效果与土炉灶和全气化炉具对比如下：(1)燃烧效率。本文研究的高效生物质直燃炉由于结构的优化和二次风的通人，和仅简单通人一次风的土炉灶相比，由简单的热力学计算可得其燃烧效率提高40以上；和全气化炉具比较，其燃烧效率略有降低，由相关研究可得降低率在10左右，但其燃烧稳定性比全气化炉具要好很多。(2)热能利用率。与土炉灶比较本文所研究直燃炉提高的热能利用率可达50以上，与全气化炉具相比其热能利用率也可提高15以上。(3)对原材料的要求。与土炉灶和全气化炉具对比，高效生物质直燃炉不仅可应用的燃烧原材料范围更为广泛，而且不需要对原材料进行特殊的加工，故而其性价比更好。(4)环境保护。本文研究的直燃炉由于燃烧效率和热能利用率的提高、原材料要求的降低和燃烧过程的稳定性，其产生的对空气的粉尘和焦油等环境污染物大为下降。4结束语高效生物质直燃炉具有以下优点：(1)生物质燃料在炉膛底部进行直接燃烧，燃烧时无炯尘和焦油，燃料能够完全燃烧，燃烧残余物少。(2)设计的一次风、二次风配风系统分开。一次风主要利烟囱抽力由进料口提供，完成生物质燃料的直接燃烧。供给加热后的二次风，促进燃烧器处可燃气与空气充分混合燃烧。(3)点火方便、操作简单、使用安全、对燃料无苛刻要求，炉体采用保温隔热设计，无安全隐患，且可以封火。(4)亦可一次性添加或根据用量添加，并且燃料不需特殊处理。(5)占地小，可随意摆放，使用方便，随点随用，火力大小可调；适用于炒菜、做饭、洗浴、取暖。(6)利用普通材料制作，设计简单，成本较低，市场前景广阔。7