生物质颗粒燃烧机的设计与实践

生物质颗粒燃烧机的设计与实践 摘要针对生物质颗粒燃烧机在除渣、燃料燃尽率、燃烧效率、熄火及火力控制等方面的问题，设计出高效生物质颗粒燃烧机及其控制装置，采用螺旋绞龙进料、推杆除渣、多级配风和自动控制原理，实现自动配风、自动进料、自动除渣，燃烧效率达到95％以上，燃尽率达到96％以上，适用于广大农村烟叶、茶籽、大枣、辣椒、花椒等农产品的烘干。 引言 随着环保形势的日益严峻，生物质燃料应用及其设备的研究成为解决环境污染和能源问题的重要途径。我国生物质原料资源量大、分布广、种类多，是重要的可再生资源。在广大农村，各种秸秆已经成为农民朋友的心头之患，就地焚烧污染环境已严格禁止。将农林的废弃物加工成颗粒燃料，不仅解决了废物污染问题，还为颗粒燃烧机提供了燃料，形成了循环经济。生物质颗粒燃料是成型的固体燃料，具有高效、洁净、容易点火、CO2近零排放等优点，是代替煤的最佳选择之一，已经在锅炉、热风炉等领域得到较好的应用。 经过多年的研究、试验、实践，在生物质的工业和化学分析、生物质颗粒燃烧机对生物质燃料的适应性、生物质燃料的燃烧特性、生物质颗粒燃烧机的进料方式以及生物质颗粒燃烧机和生物质颗粒燃烧机控制器专利技术等方面已经取得了丰硕成果，为生物质颗粒燃料机的应用及设计更好的生物质颗粒燃烧机奠定了基础，使生物质颗粒燃烧机的研究设计进入了相对成熟阶段。生物质颗粒燃烧机已经在烟叶烘烤、茶叶烘干以及锅炉改造等方面得到较好的应用。随着技术的提高进步，对生物质颗粒燃烧机的要求也越来越高，如何使燃烧机在燃烧过程中不结渣或少结渣、怎样除渣，如何最大限度地提高燃料的燃烧效率和燃尽率，如何提高自动控制的性能及可靠性等是生物质颗粒燃烧机研发设计的主要要解决的问题。本设计研发的是一般烘干农产品使用的额定热功率15万大卡生物质颗粒燃烧机，对颗粒燃料适应性强，采用三级自动配风、自动送料，对不同火势要求实施科学配风、送料，自动除渣，装置结构简单，操作方便。 1总体设计 烘干用15万大卡生物质颗粒燃烧机采取整体可移动的结构形式，高度通过支脚的丝杆调节，以适应不同的应用场合。火嘴总成采用椭圆筒型结构，使用时插入用火处，对于原有的烘干烤房火嘴插入原燃煤热风炉的加煤口，使用封火盖密封，火嘴喷出的火苗直接进入热风炉。分风室是基础部件，前面通过法兰与火嘴总成连接并用耐火垫密封，点火器套管、推渣杆套管、观火管等穿过分风室；下料管倾斜穿过分风室，其上部法兰与送料装置连接；在其后面安装助燃风机、除渣装置、点火器等；其下部通过螺栓与支架连接。料仓由支架支撑，通过其下部的出料口法兰与送料装置连接。除渣装置安装在支架上，带动推渣杆往复运动实现除渣。控制器安装在侧壁上，与点火器、送料电机、助燃风机、电动风门及温度传感器等电连接。总体结构如图1所示。 开始使用时，按控制器操作面板上的运行键，送料电机得电先预进料，然后点火器得电开始自动点火，助燃风机延时提供小风，点火成功后点火器自动失电。燃烧机按照烘干需要的温湿度由控制器控制自动送料、自动配风、自动定时除渣。停止使用时，长按停止键3s，停止送料，助燃风机延时停止，以避免回火冒烟。 运行中，生物质颗粒从下料管落料进入火嘴燃烧室，其灰分首先起燃，燃料被预热有利于起火燃烧。助燃风进入分风室后被分成二部分，一部分通过下料管、点火器套管、推渣杆套管上的小孔进入火嘴燃烧室，形成一次助燃风；另一部分通过分风室前下部风口进入火嘴夹层，燃烧室下部椭圆面上开设多个Φ5圆孔，风通过这些孔进入燃烧室，形成主燃的二次助燃风；燃烧室的前端上部椭圆面上，开设有多个Φ5助燃风孔，由分风室风口来的风部分由这些孔进入燃烧室前端形成三次助燃风。一次助燃风首先起到防回火作用，再者与二次助燃风作用使燃烧室内形成涡流，延长燃料在燃烧室内的时间，提高燃烧效率和燃尽率。三次助燃风风路最长，经过预热后激发燃烧室前端的可燃气体形成二次燃烧，温度可达900℃～1100℃，在此高温下，焦油被裂解燃烧。 可以根据不同的颗粒燃料，在控制器上设定定时除渣时间间隔，对于使用易结渣的颗粒燃料如秸秆类颗粒除渣时间间隔就设置小些，若使用木质颗粒除渣时间间隔就设置大些。生物质颗粒原料中Si、碱金属和碱土金属含量越高，结渣趋势越严重，颗粒燃烧机要适应各种颗粒燃料，就必须把结渣推出燃烧室。本设计的颗粒燃烧机除渣装置把结渣由推渣杆推至燃烧室前端30～50mm处，形成阻料堰阻止未燃尽的颗粒被吹出燃烧室，在这个区域利用二次燃烧将焦油裂解燃烧，留下的残渣被逐渐推出燃烧室。推渣杆是三根平行的圆杆，所以只推渣不推料，前进过程推渣，返回后退人其套管内，从而大大减小了推渣杆的受热变形延长了使用寿命。 2送料和配风设计 以额定热功率15万大卡为基本的设计依据，生物质颗粒燃料低位发热量的平均值按15485kJ/kg计算，15万大卡生物质颗粒燃烧机单位时间内的进料能力应满足 2.1配风设计 2.1.1实际需要空气量计算 1kg颗粒燃料燃烧需要的理论氧气量按式计算 按典型生物质颗粒燃料元素分析中各组成部分含量的平均值计算，1kg燃料燃烧所需的理论氧气量为0.93m3/kg，1kg燃料燃烧所需的理论空气量为4.43m3/kg。 烘干用生物质颗粒燃烧机为常压使用，进料量48kg/h，热功率15万大卡，所需理论空气量为212.64m3/h；考虑到使用各种原料的生物质颗粒燃料，且实际风量可以由控制器进行调节，过量空气系数取1.5，计算得出实际需要空气量为318.96m3/h。 2.1.2一次助燃风、二次助燃风、三次助燃风的配风比 一次助燃风的作用是防回火和与二次助燃风形成涡流，占比过小会影响防回火效果，多大则容易将燃料吹出火嘴，结合旋风炉设计规范和实践总结，一次助燃风量占总风量的10％～15％较为合适；二次风是主要助燃风，占总风量的80％；三次助燃风是二次燃烧助燃风，占总风量的5％～10％。 2.2送料设计 本设计的生物质颗粒燃烧机送料能力的必须大于公式1计算量48kg/h。送料装置主要由螺旋绞龙、绞龙筒和送料电机构成。绞龙筒采用Φ89mm、壁厚5mm的无缝钢管，其内壁的有效直径为Φ79mm；选用螺旋绞龙的有效外径Φ73mm，导程65mm，绞龙轴Φ26mm，螺旋绞龙与绞龙筒的单边间隙是3mm，绞龙轴采用两端支撑，这样可有效避免由于绞龙轴的悬臂变形带来的啃料现象；送料电机选用功率为60W、转速10r/min的减速电机，通过键连接带动绞龙旋转。 螺旋绞龙外径与绞龙筒间必须有足够的间隙，当该间隙大于等于颗粒燃料直径时，会造成颗粒间相互挤压使颗粒碎掉，间隙过小不足以弥补各项误差，对于Φ6～8mm的颗粒燃料，取单边间隙3mm是合适的。螺旋绞龙的导程直接影响送料能力，导程越大需要的送料电机功率越大、送料能力越强，但细化控制相对困难，本设计采用65mm导程，使用电机功率小且能以秒为单位控制送料与停料循环。 水平螺旋绞龙送料能力按公式4计算 3关键部件设计 3.1分风室与火嘴燃烧室 根据配风设计和整体要求设计分风室。结构如图2所示。根据配风比要求，在下料管下