李世軍

(開封大學，河南開封，475000)

　　摘要：針對生物質顆粒燃燒機在除渣、燃料燃盡率、燃燒效率、熄火及火力控制等方面的問題，設計出高效生物質顆粒燃燒機及其控制裝置，采用螺旋絞龍進料、推桿除渣、多級配風和自動控制原理，實現自動配風、自動進料、自動除渣，燃燒效率達到95％以上，燃盡率達到96％以上，適用于廣大農村煙葉、茶籽、大棗、辣椒、花椒等農產品的烘干。

　　0引言

　　隨著環保形勢的日益嚴峻，生物質燃料應用及其設備的研究成為解決環境污染和能源問題的重要途徑。我國生物質原料資源量大、分布廣、種類多，是重要的可再生資源。在廣大農村，各種秸稈已經成為農民朋友的心頭之患，就地焚燒污染環境已嚴格禁止。將農林的廢棄物加工成顆粒燃料，不僅解決了廢物污染問題，還為顆粒燃燒機提供了燃料，形成了循環經濟。生物質顆粒燃料是成型的固體燃料，具有高效、潔凈、容易點火、CO₂近零排放等優點，是代替煤的最佳選擇之一，已經在鍋爐、熱風爐等領域得到較好的應用。

　　經過多年的研究、試驗、實踐，在生物質的工業和化學分析、生物質顆粒燃燒機對生物質燃料的適應性、生物質燃料的燃燒特性、生物質顆粒燃燒機的進料方式以及生物質顆粒燃燒機和生物質顆粒燃燒機控制器專利技術等方面已經取得了豐碩成果，為生物質顆粒燃料機的應用及設計更好的生物質顆粒燃燒機奠定了基礎，使生物質顆粒燃燒機的研究設計進入了相對成熟階段。生物質顆粒燃燒機已經在煙葉烘烤、茶葉烘干以及鍋爐改造等方面得到較好的應用。隨著技術的提高進步，對生物質顆粒燃燒機的要求也越來越高，如何使燃燒機在燃燒過程中不結渣或少結渣、怎樣除渣，如何最大限度地提高燃料的燃燒效率和燃盡率，如何提高自動控制的性能及可靠性等是生物質顆粒燃燒機研發設計的主要要解決的問題。本設計研發的是一般烘干農產品使用的額定熱功率15萬大卡生物質顆粒燃燒機，對顆粒燃料適應性強，采用三級自動配風、自動送料，對不同火勢要求實施科學配風、送料，自動除渣，裝置結構簡單，操作方便。

　　1總體設計

　　烘干用15萬大卡生物質顆粒燃燒機采取整體可移動的結構形式，高度通過支腳的絲桿調節，以適應不同的應用場合。火嘴總成采用橢圓筒型結構，使用時插入用火處，對于原有的烘干烤房火嘴插入原燃煤熱風爐的加煤口，使用封火蓋密封，火嘴噴出的火苗直接進入熱風爐。分風室是基礎部件，前面通過法蘭與火嘴總成連接并用耐火墊密封，點火器套管、推渣桿套管、觀火管等穿過分風室；下料管傾斜穿過分風室，其上部法蘭與送料裝置連接；在其后面安裝助燃風機、除渣裝置、點火器等；其下部通過螺栓與支架連接。料倉由支架支撐，通過其下部的出料口法蘭與送料裝置連接。除渣裝置安裝在支架上，帶動推渣桿往復運動實現除渣。控制器安裝在側壁上，與點火器、送料電機、助燃風機、電動風門及溫度傳感器等電連接。總體結構如圖1所示。

　　開始使用時，按控制器操作面板上的運行鍵，送料電機得電先預進料，然后點火器得電開始自動點火，助燃風機延時提供小風，點火成功后點火器自動失電。燃燒機按照烘干需要的溫濕度由控制器控制自動送料、自動配風、自動定時除渣。停止使用時，長按停止鍵3s，停止送料，助燃風機延時停止，以避免回火冒煙。

　　運行中，生物質顆粒從下料管落料進入火嘴燃燒室，其灰分首先起燃，燃料被預熱有利于起火燃燒。助燃風進入分風室后被分成二部分，一部分通過下料管、點火器套管、推渣桿套管上的小孔進入火嘴燃燒室，形成一次助燃風；另一部分通過分風室前下部風口進入火嘴夾層，燃燒室下部橢圓面上開設多個Φ5圓孔，風通過這些孔進入燃燒室，形成主燃的二次助燃風；燃燒室的前端上部橢圓面上，開設有多個Φ5助燃風孔，由分風室風口來的風部分由這些孔進入燃燒室前端形成三次助燃風。一次助燃風首先起到防回火作用，再者與二次助燃風作用使燃燒室內形成渦流，延長燃料在燃燒室內的時間，提高燃燒效率和燃盡率。三次助燃風風路最長，經過預熱后激發燃燒室前端的可燃氣體形成二次燃燒，溫度可達900℃～1100℃，在此高溫下，焦油被裂解燃燒。

　　可以根據不同的顆粒燃料，在控制器上設定定時除渣時間間隔，對于使用易結渣的顆粒燃料(如秸稈類顆粒)除渣時間間隔就設置小些，若使用木質顆粒除渣時間間隔就設置大些。生物質顆粒原料中Si、堿金屬和堿土金屬含量越高，結渣趨勢越嚴重，顆粒燃燒機要適應各種顆粒燃料，就必須把結渣推出燃燒室。本設計的顆粒燃燒機除渣裝置把結渣由推渣桿推至燃燒室前端30～50mm處，形成阻料堰阻止未燃盡的顆粒被吹出燃燒室，在這個區域利用二次燃燒將焦油裂解燃燒，留下的殘渣被逐漸推出燃燒室。推渣桿是三根平行的圓桿，所以只推渣不推料，前進過程推渣，返回后退人其套管內，從而大大減小了推渣桿的受熱變形延長了使用壽命。

　　2送料和配風設計

　　以額定熱功率15萬大卡為基本的設計依據，生物質顆粒燃料低位發熱量的平均值按15485kJ/kg計算，15萬大卡生物質顆粒燃燒機單位時間內的進料能力應滿足

　　2.1配風設計

　　2.1.1實際需要空氣量計算

　　1kg顆粒燃料燃燒需要的理論氧氣量按式計算

　　按典型生物質顆粒燃料元素分析中各組成部分含量的平均值計算，1kg燃料燃燒所需的理論氧氣量為0.93m³/kg，1kg燃料燃燒所需的理論空氣量為4.43m³/kg。

　　烘干用生物質顆粒燃燒機為常壓使用，進料量48kg/h，熱功率15萬大卡，所需理論空氣量為212.64m³/h；考慮到使用各種原料的生物質顆粒燃料，且實際風量可以由控制器進行調節，過量空氣系數取1.5，計算得出實際需要空氣量為318.96m³/h。

　　2.1.2一次助燃風、二次助燃風、三次助燃風的配風比

　　一次助燃風的作用是防回火和與二次助燃風形成渦流，占比過小會影響防回火效果，多大則容易將燃料吹出火嘴，結合旋風爐設計規范和實踐總結，一次助燃風量占總風量的10％～15％較為合適；二次風是主要助燃風，占總風量的80％；三次助燃風是二次燃燒助燃風，占總風量的5％～10％。

　　2.2送料設計

　　本設計的生物質顆粒燃燒機送料能力的必須大于公式(1)計算量48kg/h。送料裝置主要由螺旋絞龍、絞龍筒和送料電機構成。絞龍筒采用Φ89mm、壁厚5mm的無縫鋼管，其內壁的有效直徑為Φ79mm；選用螺旋絞龍的有效外徑Φ73mm，導程65mm，絞龍軸Φ26mm，螺旋絞龍與絞龍筒的單邊間隙是3mm，絞龍軸采用兩端支撐，這樣可有效避免由于絞龍軸的懸臂變形帶來的啃料現象；送料電機選用功率為60W、轉速10r/min的減速電機，通過鍵連接帶動絞龍旋轉。

　　螺旋絞龍外徑與絞龍筒間必須有足夠的間隙，當該間隙大于等于顆粒燃料直徑時，會造成顆粒間相互擠壓使顆粒碎掉，間隙過小不足以彌補各項誤差，對于Φ6～8mm的顆粒燃料，取單邊間隙3mm是合適的。螺旋絞龍的導程直接影響送料能力，導程越大需要的送料電機功率越大、送料能力越強，但細化控制相對困難，本設計采用65mm導程，使用電機功率小且能以秒為單位控制送料與停料循環。

　　水平螺旋絞龍送料能力按公式(4)計算

　　3關鍵部件設計

　　3.1分風室與火嘴燃燒室

　　根據配風設計和整體要求設計分風室。結構如圖2所示。根據配風比要求，在下料管下端開設6個Φ5孔，點火器套管前端開設4個Φ5孔，3個推渣桿套管前端各開設4個Φ5孔，共20個Φ5孔為一次助燃風孔，通風面積為432mm²，占總通風面積的12％；在分風室與火嘴連接面下部開設與火嘴內腔形狀對應寬度為11mm²的半橢圓通風口，其通風面積為3280mm，為二次助燃風和三次助燃風通風口，占總通風面積的88％。

　　推渣套管的長度為110mm，推渣桿的最大行程為350mm，規定其對前端面的垂直度公差為0.3，那么在350mm長度上的最大傾斜量為0.95mm；同理，對于三個推桿間的平行度誤差定義在350mm長度上不大于0.95mm，裝配后的極限誤差可達到1.9mm。所以使用內徑為Φ14的鋼管作為推桿套管，使用Φ10mm的圓鋼作為推桿，其單邊間隙是2mm，不會造成卡死現象。

　　火嘴燃燒室(結構如圖1)要能夠在1000℃以上長期使用，所以材料選用RTCrl6耐熱鑄鐵，厚度6mm。橢圓筒形的燃燒室有利于一次風和二次風作用形成渦旋流，延長顆粒燃料在燃燒室內的時間，能提高燃料的燃盡率；這種燃燒室的燃燒面積相對圓形大，且有利于除渣。

　　在火嘴燃燒室下平面均布開設152個Φ5孔為二次助燃風孔，通風面積為2985mm²，占總通風面積的80％；在火嘴燃燒室的前面上部橢圓面開設16個Φ5孔組成三次助燃風孔，通風面積為312mm²，占總通風面積的8％。由于一般的生物質顆粒燃料直徑是Φ6～8mm，故所有助燃風孔的直徑均為Φ5，這樣的孔徑可保證顆粒不漏料，且使用消失模鑄造時可以直接將燃燒室鑄造成型，不需再次加工。

　　3.2除渣裝置

　　除渣裝置主要由推渣桿組件和電動推桿組成(圖1)。推渣桿在其導套中由電動推桿帶動作往復運動，電動推桿與機架鉸鏈連接，與推渣桿組件鉸鏈連接；為保證電動推桿的穩定性，在電動推桿外殼前端設置輔助支撐，安裝時調節該支撐的高度，使電動推桿與推渣桿平行。三根推渣桿的材料為0Cr25Ni20(310S)耐高溫不銹鋼，在350mm長上的平行度公差定為0.95mm。

　　3.3控制器設計簡述

　　生物質顆粒燃燒機的控制器要根據溫度傳感器的溫度信號，綜合控制點火器、助燃風機、送料裝置和除渣裝置，實現自動點火、自動配風、自動送料、自動排濕和自動除渣。控制器的輸人為烘干室干濕溫度傳感器和火嘴溫度傳感器的溫度信號，執行部件包括：點火器、助燃風機、送料電機、除渣裝置和排濕用補風門。

　　本設計的生物質顆粒燃燒機控制器是基于單片機的控制裝置。烘干室干球溫度和濕球溫度相應的滯后和非線型比較嚴重，難易建立數學模型，從而采用模糊控制較合適。模糊控制是一種自動控制，以模糊數學、模糊語言和模糊邏輯為理論基礎。模糊控制系統是一種具有閉環結構的數字控制系統。

　　本設計適用于使用循環風機實現熱風循環的烘干烤房，其循環風機是由人工控制的。當補風門有開時，烤房外部的空氣進入烤房，打破了原有的熱風循環，烤房內的潮濕空氣從排濕門排出，達到排濕目的。

　　農作物的烘干有升溫過程也有穩溫過程，烘干工藝一般是多個升溫、穩溫的組合。升溫時火力要大，穩溫時火力要小；大火需要大風，小火需要小風；大火階段送料要多，小火階段送料要少。為了適應火勢的要求，把助燃風機風量和送料劃分10個檔位，1檔最低，10檔最高。同時可以設置保證小火不熄火的最小送料量和大火不積料的最大送料量。

　　可以自動控制也可以手動控制，燃燒參數及系統參數在停止狀態和運行狀態都能修改。

　　4結束語

　　按照本文提供的設計方法已經成功設計了15萬大卡、10萬大卡的生物質顆粒燃燒機，于2017年7月至11月在四川涼山州、廣元市進行試驗。在煙葉烘烤、茶籽烘烤方面進行長時間的運行試用，取得良好效果。應用于烤煙的生物質熱源烤房，顆粒燃料的燃燒效率在95％以上，燃盡率在96％以上；干球溫度實際控制精度在目標干球溫度±0.8℃以內，濕球溫度實際控制精度在目標濕球溫度±0.5℃以內；且與其他生物質顆粒燃燒機對比，配風、供料更加科學合理，平均每烤能節省生物質顆粒燃料80～100kg。