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摘要：

針對(duì)熱風(fēng)爐使用過程中加煤工作繁重及煤不能充分燃燒造成一定的空氣污染問題開展的一種儲(chǔ)煤氣化熱風(fēng)爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。由于爐體內(nèi)煤的氣化二次燃燒設(shè)計(jì)砂封及前后爐體分離結(jié)構(gòu)；根據(jù)加煤量及耐溫燃燒試驗(yàn)設(shè)計(jì)儲(chǔ)煤倉及中腔斗。對(duì)試制的儲(chǔ)煤氣化熱風(fēng)爐進(jìn)行測溫試驗(yàn)，測量熱風(fēng)出口及煙氣溫度。結(jié)果表明熱風(fēng)出口溫度滿足種植要求，儲(chǔ)煤氣化熱風(fēng)爐推廣前景好。

關(guān)鍵詞：

熱風(fēng)爐；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；儲(chǔ)煤；氣化；二次燃燒

新疆光照時(shí)間長，適合發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)，但是冬季設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)蓄熱條件不夠成了問題，新疆低于0℃的日數(shù)全疆各地均超過124天［1］，有些地區(qū)低于－30℃的極寒天氣會(huì)持續(xù)達(dá)到30天以上，在極端條件下熱風(fēng)爐的使用是非常必要的。2012年中國新疆煤產(chǎn)量1．4億噸，豐富的煤產(chǎn)量成為熱風(fēng)爐燃料的首選，但是由于煤的形狀、大小規(guī)則不一，并且沒有規(guī)律性，熱風(fēng)爐的加煤成為熱風(fēng)爐使用中主要問題。熱風(fēng)爐按照耗能種類區(qū)分主要分為燃煤熱風(fēng)爐、燃?xì)鉄犸L(fēng)爐、生物質(zhì)燃料熱風(fēng)爐和燃油熱風(fēng)爐等［2］。熱風(fēng)爐主要由以下三個(gè)系統(tǒng)組成：燃料燃燒系統(tǒng)、熱交換系統(tǒng)、排煙除塵系統(tǒng)。若需要對(duì)爐膛壓力及燃燒狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，有的熱風(fēng)爐還配備自動(dòng)監(jiān)測和控制系統(tǒng)［3］。其中換熱系統(tǒng)是其最重要的部分，換熱器裝置又是換熱系統(tǒng)的核心部件，它的主要功能是將熱量從一種介質(zhì)傳給另一種介質(zhì)，從而達(dá)到換熱的效果［4］。對(duì)于溫室大棚供暖的熱風(fēng)爐，主要采用的是間壁式換熱器［5］。我國的能源情況比較嚴(yán)峻，如何使熱風(fēng)爐更節(jié)能，提高熱風(fēng)爐的熱效率是熱風(fēng)爐的設(shè)計(jì)中至關(guān)重要的問題［6］。普通的燃煤熱風(fēng)爐使用過程中出現(xiàn)以下問題：（1）使用過程中，夜間需要多次加煤，工作量大。（2）煤燃燒時(shí)間短，不能充分燃燒。（3）熱風(fēng)爐會(huì)出現(xiàn)倒煙現(xiàn)象，有害氣體如CO等會(huì)進(jìn)入空氣中，對(duì)人員及作物造成傷害。本文設(shè)計(jì)一種爐體可以儲(chǔ)煤并且實(shí)現(xiàn)煤二次充分燃燒的氣化燃煤熱風(fēng)爐結(jié)構(gòu)，并通過試驗(yàn)提出儲(chǔ)煤氣化熱風(fēng)爐在推廣和應(yīng)用中的改進(jìn)建議。

1熱風(fēng)爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1．1熱風(fēng)爐總體結(jié)構(gòu)熱風(fēng)爐加溫方式是直接加熱空氣。熱風(fēng)爐與鍋爐相比較，熱風(fēng)爐在加熱過程中減少了熱媒介質(zhì)的熱容損失，熱風(fēng)爐燃燒所產(chǎn)生的干熱空氣可以全部用于溫室的增溫和降濕。使用過程中可降濕，熱風(fēng)爐輸出干熱空氣，能夠在30min內(nèi)使室內(nèi)濕度降低60％～70％，從而抑制各種病蟲害的發(fā)生。

1．2工作原理煤炭在熱風(fēng)爐的燃燒室中充分燃燒，燃燒后的高溫?zé)煔膺M(jìn)入換熱器與換熱器外的冷空氣進(jìn)行熱量傳遞，換熱后的煙氣再通過出煙口排入外界大氣，而在換熱器外部加熱后的高溫潔凈空氣經(jīng)由熱風(fēng)輸送軟管輸送到溫室的各個(gè)角落，用于提升溫室室溫［7］。儲(chǔ)煤氣化熱風(fēng)爐主要分為前后兩個(gè)爐體，前爐體為燃燒室，后爐體為熱交換室，燃燒室上部為儲(chǔ)煤倉，煤炭通過中腔斗滑動(dòng)落入爐排上進(jìn)行燃燒，未完全燃燒產(chǎn)生的可燃?xì)怏w和儲(chǔ)煤倉內(nèi)產(chǎn)生的高溫燃?xì)膺M(jìn)入熱交換室進(jìn)行二次充分燃燒，燃燒產(chǎn)生的熱量加列管內(nèi)的氣體，加熱后的氣體通過熱風(fēng)出口排出，給溫室供暖.

2關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2．1砂封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為了實(shí)現(xiàn)煤的氣化燃燒，禁止熱空氣及有害氣體從進(jìn)煤口處溢出，在爐體上設(shè)計(jì)了環(huán)形砂封槽和砂封頂蓋，砂封槽中裝入干砂，砂封頂蓋插入干砂中，起到密封的作用。

2．2儲(chǔ)煤倉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)熱風(fēng)爐主要是在溫室夜間使用，在新疆夜間加溫時(shí)間為9～10h左右，一般是從晚上10：00～早上8：00進(jìn)行加溫作業(yè)，每小時(shí)燃煤8～10kg，儲(chǔ)煤倉的大小正好能滿足夜間燃燒為宜，如果煤量過多，會(huì)造成熱風(fēng)爐的體積過大，耗材過多；如果煤量過少不能滿足夜間燃燒作業(yè)，會(huì)增加工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，因此儲(chǔ)煤倉的設(shè)計(jì)大小需要通過加煤量來測定，通過試驗(yàn)設(shè)計(jì)儲(chǔ)煤倉可以儲(chǔ)煤80kg，加上燃燒室內(nèi)的正在燃燒的煤，夜間共加煤量為90kg左右。儲(chǔ)煤倉的底部為中腔斗，中腔斗直接與燃燒室連接，需要很高的耐熱量，我們采用2．5～4mm厚鋼板及灰鑄鐵件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，鋼板在高溫空氣中容易被氧化，這不僅會(huì)引起污染，而且鋼板因腐蝕而迅速減薄以至失效［8］，經(jīng)過10天的燃燒實(shí)驗(yàn)（表1），最終我們采用灰鑄鐵件制作中腔斗。加煤時(shí)，一部分煤炭落入燃燒室內(nèi)燃燒，其余煤炭停留在儲(chǔ)煤室內(nèi)待燃燒，燃燒室內(nèi)的煤量過少時(shí)，儲(chǔ)煤倉內(nèi)的煤炭會(huì)通過中腔斗落入燃燒室中，中腔斗上方的煤炭處于高溫氣化流動(dòng)狀態(tài)，直到儲(chǔ)煤倉內(nèi)的煤全部加完。

2．3換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)換熱器是熱風(fēng)爐的核心部件，換熱器的性能好壞直接影響熱風(fēng)爐的使用性和可靠性，需對(duì)其工作性能進(jìn)行相關(guān)必要的研究。為了最大限度地利用熱能和回收余熱，對(duì)換熱器進(jìn)行強(qiáng)化傳熱一直是國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)［9］。熱風(fēng)爐的換熱器采用&50×3．0鋼管（圖2），列管的下端與進(jìn)風(fēng)風(fēng)機(jī)出風(fēng)口相連，列管上端與熱風(fēng)出口密封連接，這樣通過風(fēng)機(jī)的冷空氣在熱風(fēng)爐內(nèi)被加熱后直接通過熱風(fēng)出口送到溫室中，和煙氣通道分離，避免了有害氣體進(jìn)入溫室中對(duì)作物和人員造成的傷害。列管的下部圓弧弧度為120°，有利于空氣流動(dòng)，降低了風(fēng)阻。這樣的12根列管在熱風(fēng)爐內(nèi)組成了列管束（圖3）。列管在熱風(fēng)爐內(nèi)盡量的多，增加熱交換的換熱面積，我們?cè)O(shè)計(jì)了兩個(gè)同心圓直徑分別為278mm、400mm，在&278mm的同心圓上平均分布了6根列管，在&400的同心圓上也平均分布了6根列管，換熱面積達(dá)到0．2m2。

2．4風(fēng)機(jī)的選型熱風(fēng)爐內(nèi)煤炭燃燒產(chǎn)生的熱量要快速的通過管道釋放出來，需要使用風(fēng)機(jī)將熱風(fēng)爐產(chǎn)生的熱量及時(shí)高效的排出。新疆本地煤的成色有比較大的區(qū)別，我們選擇了5種不同銷售商銷售的煤炭在新疆維吾爾自治區(qū)煤炭產(chǎn)品質(zhì)量檢測中心委托檢驗(yàn)（表2），我們選擇發(fā)熱量較為高的實(shí)驗(yàn)2用煤，每千克煤的平均發(fā)熱量為26．74kJ，熱風(fēng)爐每小時(shí)燃煤量約為10kg，這些熱量（理想條件下）需要通過風(fēng)機(jī)傳導(dǎo)出去，根據(jù)JB／T6673—93標(biāo)準(zhǔn)《熱風(fēng)爐實(shí)驗(yàn)方法》可以計(jì)算出風(fēng)機(jī)風(fēng)量選擇2600m3／h以上規(guī)格。

2．5煤氣化二次燃燒燃燒室內(nèi)的煤由于空氣供給不足等原因沒有充分燃燒產(chǎn)生的CO和儲(chǔ)煤倉內(nèi)儲(chǔ)存的煤由于溫度的升高產(chǎn)生氣化現(xiàn)象，產(chǎn)生了大量的高溫可燃?xì)怏w，這些氣體無法通過砂封上行，只能下行通過煙氣通道進(jìn)入交換室，交換室內(nèi)有充分的氧氣和很高的溫度，高溫可燃?xì)怏w在交換室充分的燃燒并與換熱器里的列管內(nèi)空氣進(jìn)行熱交換，風(fēng)機(jī)及時(shí)將列管里的熱空氣排出，給溫室供熱。普通的熱風(fēng)爐由于沒有經(jīng)過二次燃燒會(huì)產(chǎn)生CO，如果產(chǎn)生的CO不能及時(shí)排除會(huì)造成CO濃度增高對(duì)作物及工作人員造成損害。這種可以氣化二次燃燒的熱風(fēng)爐不僅可以避免CO等有害氣體的危險(xiǎn)還大大的提高了熱風(fēng)爐的熱效率。

3燃燒試驗(yàn)

2015年3月試制的第一臺(tái)熱風(fēng)爐開始點(diǎn)火試驗(yàn)，測試時(shí)間為2015年3月18日～3月24日，主要測試熱風(fēng)爐熱風(fēng)出口溫度及煙氣溫度。熱風(fēng)出口溫度為熱風(fēng)爐的有效熱效率，但是也不能過高，以免對(duì)人及作物造成損傷，一般要求80℃～100℃為宜，煙氣溫度是熱風(fēng)爐的排煙熱損失，國內(nèi)的熱風(fēng)爐排煙溫度多在170℃～250℃，排煙熱損失為11％～17％［10］。圖4為3月20日測溫曲線圖。表3為3月18日～3月24日測量溫度的平均值。通過試驗(yàn)得出熱風(fēng)出口溫度在70～110℃之間，溫度較為穩(wěn)定，煙氣溫度250～320℃之間，溫度較高，熱量散失較大，在試驗(yàn)過程中沒有架橫向煙道，直接將煙豎直排除，在溫室使用中都會(huì)架設(shè)橫向煙道，盡可能降低煙道熱量損失。

4結(jié)論

儲(chǔ)煤氣化二次燃燒熱風(fēng)爐的熱風(fēng)出口溫度較為穩(wěn)定有利于溫室種植小環(huán)境的形成，有利于作物的生長。但是煙道排煙溫度較高，熱損失較大，建議在煙筒上加裝散熱裝置，將煙氣產(chǎn)生的熱量盡量散失到溫室內(nèi)，用于溫室提溫。儲(chǔ)煤氣化二次燃燒熱風(fēng)爐應(yīng)用范圍現(xiàn)只針對(duì)溫室種植，在日后產(chǎn)品改進(jìn)升級(jí)時(shí)，能進(jìn)一步將產(chǎn)品應(yīng)用于養(yǎng)殖及小型加工工廠的供熱，拓寬應(yīng)用范圍，有利于設(shè)備進(jìn)一步推廣。儲(chǔ)煤氣化熱風(fēng)爐實(shí)現(xiàn)了一次加煤，儲(chǔ)煤，氣化二次燃燒等功能，節(jié)省人力，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，推廣前景較好。

作者：劉娜 張麗 齊新洲 李勝 王彥 郭磊 王國強(qiáng) 單位：新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所