李世軍

(開封大學，河南開封，475000)

　　摘要：為廣大農村農作物秸稈再利用，解決各類秸稈原料運輸成本高、造粒困難及顆粒燃料供應不足等問題，應用生物質直接燃燒技術，研究出生物質粉體燃燒爐及其控制器，采用多級配風、螺旋懸浮燃燒和二次燃燒，使生物質燃料的燃燒效率達到90％以上；在熱風爐煙囪處增加粉塵攔截網，達到潔凈排放。應用自動控制技術，實現自動點火、自動進料、自動配風，是烘干熱風爐熱源的最佳選擇。

　　0引言

　　在廣大農村，各類農作物秸稈遍地皆是，已經成為農民朋友的心頭之患。將農林的廢棄物加工成顆粒燃料，能夠解決農村的廢物污染問題，還能為顆粒燃燒機提供燃料，但要將農林的廢棄物加工成顆粒燃料，不僅要粉碎、烘干還要有添加劑才能造粒，必須工廠化運作。

　　農林廢棄物的運輸成本高，造粒工廠的儲存場地必須很大，所以顆粒燃料的價格一直居高不下，且隨著勞動力成本的提高，生物質顆粒燃料價格必然再次飆升，同時造粒還可能帶來再次污染。將小顆粒農林廢棄物如稻殼、油菜殼、玉米芯、鋸末、刨花、松子殼等直接使用，其它的生物質原料經粉碎后直接使用，可以極大地降低生物質燃料的使用成本。

　　目前，生物質燃料直接燃燒方式主要包括爐排層燃、顆粒燃燒和懸浮燃燒。爐排層燃只適用于大顆粒或塊狀生物質燃料，且還存在諸多問題。流化床燃燒和顆粒燃燒器都使用顆粒燃燒，具有燃燒效率高，污染低等優點，但造粒成本高，對生物質原料的燃燒性能也有更高的要求。懸浮燃燒是將粉體燃料噴入爐膛直接進行燃燒，包括燃料的揮發分和固定碳都可以充分燃燒，能解決燃燒生物質燃料冒黑煙問題。近些年來，我國在生物質懸浮燃燒的利用方面取得了很多成果，郭獻軍等利用生物質粉體燃料燃燒爐實驗研究，說明在一定的條件下，粉體燃料能穩定燃燒，且溫度可達1150～1249℃。肖波等進行了生物質粉體燃燒技術的研究，提出了懸浮燃燒一次風和二次風的風量關系。劉洪福等設計了一種適應與鍋爐的懸浮燃燒器，燃燒效率達到98.26％，排放符合工業鍋爐污染物排放標準的要求。賈煜等研發了多級配風稻殼旋浮燃燒熱風爐，用于大型熱風爐，解決了稻殼揮發分迅速析出、固定碳難于燃盡的不足。劉巍設計了具有沉降室的生物質熱風爐，設計參數與測試數據比較接近，可以應用于工業設計。

　　本文研發的生物質粉體燃燒爐是基于懸浮燃燒的燃燒爐，應用生物質化學轉換技術，采用三級配風，實現螺旋懸浮燃燒、二次燃燒，達到生物質粉體燃料燃燒徹底，實現潔凈排放；利用自動控制技術，實現自動點火、自動送料、自動配風。這種形式的燃燒爐在烘干領域具有很好的推廣價值。

　　1設計依據

　　1.1生物質粉體燃燒特性

　　根據相關資料統計分析，常見生物質燃料的工業分析成分、元素組成和低位熱值見表1。

　　從表1可以看出，生物質燃料中含碳量平均不足50％，揮發分平均接近70％，含氫量稍多，所以生物質燃料易點火、易冒黑煙，不耐燒；含氧量多，熱值低，說明在設計燃燒器時可相對減少供應空氣量；含硫量低，只有稻殼和棉秸相對偏高，說明燃燒時不必設置氣體脫硫裝置，有利于環境保護。

　　生物質燃料密度小，結構比較松散，迎風面積大，容易被吹起產生懸浮燃燒，但如果懸浮燃燒不徹底，揮發分析出燃盡后受到灰燼包裹和空氣滲透困難的影響，焦炭顆粒燃燒速度緩慢，燃盡困難，所以保持良好的懸浮燃燒是解決燃盡率的重要措施。

　　1.2設計參數

　　1.2.1燃料需求量

　　生物質粉體燃燒器的燃料需求量與設計額定熱功率成正比，與生物質燃料的熱值和燃燒效率成反比。生物質粉體燃燒器單位時間內的進料能力應滿足

　　對于100000kcal的生物質粉體燃燒器，粉體燃料的低位熱值按玉米秸的低位熱值15550kJ/kg，燃燒效率取0.9，則100O00kcal生物質粉體燃燒器的燃料需求量為30kg/h。

　　1.2.2實際需要空氣量

　　1kg生物質燃料燃燒需要的理論氧氣量按下式計算

　　空氣中氧氣的含量占21％，所以1kg燃料燃燒所需的理論空氣量

　　為了保證燃料的充分燃燒，通常取1.2～1.5的過量空氣系數。由于生物質粉體燃料十分蓬松，燃燒速度非?？?；要保證螺旋懸浮燃燒，就要增大空氣流量，使得粉體燃料與空氣充分接觸，但空氣流量過大時，容易降低燃燒器內的溫度而不利于激發二次燃燒。因此設計時過量空氣系數設定為1.3，并結合其控制器的設計，實際需求空氣量通過控制器進行調節，以適應各種生物質粉體燃料。

　　100000kcal的生物質粉體燃燒器，實際需要空氣量為147.45m³/h。

　　2結構設計

　　生物質粉體燃燒器主要由支架、燃燒系統、配風系統、送料裝置、控制裝置組成，總體結構如圖1所示。

　　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。噴火嘴采用圓筒型結構，使用時噴火嘴插入用火處，使用封火蓋密封。

　　2.1進料結構設計

　　進料系統由料倉、防棚料機構和送料裝置組成，送料裝置包括進料螺旋、送料電機等。生物質粉體燃料由料倉經進料螺旋送入下料管，經下料管與空氣混合噴入爐膛主燃燒室。這種送料方式能夠根據不同火勢需求，控制送料電機間歇運轉，實現送料量的控制。

　　水平螺旋絞龍送料能力按公式(4)計算

　　針對100000kcal的生物質粉體燃燒器，螺旋絞龍的有效外徑取10cm，絞龍軸直徑取4cm，送料電機轉速取20r/min，絞龍導程取10cm，計算結果為Q=39.58kg/h。實際送料能力是送料需求量(30kg/h)的1.32倍，便于控制裝置對進料量的調節控制。

　　防棚料裝置對于粉體燃燒器是很重要的，本設計的防棚料裝置是由送料絞龍帶動撥料翅間歇轉動實現撥料。具體結構如圖2所示。

　　在防棚料機構中，固定轉軸傾斜地焊接在料倉底上，由于受力偏置，所以焊接3個加強筋。上撥料翅和下撥料翅焊接在套管上，套管套在固定轉軸上可以轉動，其上端用2個螺母鎖緊，保證撥料翅轉動靈活。下撥料翅在送料螺旋的帶動下作間歇運動，實現防棚料目標。實踐證明該裝置結構簡單，防棚料效果良好。

　　2.2配風結構設計

　　該生物質粉體燃燒器的供風系統有2個助燃風機，實現三級配風。一次助燃風由一次助燃風機提供，通過向落料管吹風進入主燃燒室，從點火器套管靠近爐膛端開設的進風孔進入主燃燒室，通過燃燒室后端面開設的進風孔進入主燃燒室，一次風的風量保持在總風量的10％～15％。二次助燃風機提供的風經二次風主風管進入，從4個二次風出風口切向進人主燃燒室，在燃燒室形成旋轉風，并在一次風的推動下風螺旋向噴火嘴移動，帶動粉體燃料螺旋懸浮燃燒。二次助燃風機提供的風經三次風風管分出一部分成為三次風，三次風切向進人噴火嘴的夾層，通過噴火嘴內壁上的小孔均勻進入噴火嘴副燃燒室，為粉體燃料的二次燃燒提供助燃風，三次風的風量占總風量的5％～10％。

　　生物質粉體燃料粒徑小，要在爐膛內完全燃燒，需要燃料和風量匹配。風量過大，燃料未充分燃燒就會被吹出噴火嘴，增加了燃燒熱損失，并且降低了煙氣溫度，二次燃燒難以激發；風量過小懸浮燃燒減弱，灰渣會在燃燒室內堆積，形成結渣，嚴重時會影響燃燒器的正常使用。不同的生物質粉體燃料密度和組成成分有較大差異，為了適應各種粉體燃料的應用，風機的選型留有較大儲備。理論計算的送風量是基礎，實際上對不同粉體燃料所需風量靠控制器調節風機的風量實現。本設計選用的燃燒風機是交流調速風機，且對兩個助燃風機分別控制，以適應于不同的粉體燃料。

　　2.3燃燒系統設計

　　生物質粉體燃燒器燃燒系統由主燃燒室、副燃燒室和后蓋組成，主燃燒室是圓筒形結構，內襯耐火材料，副燃燒室是有夾層的圓筒結構，后蓋為帶法蘭半圓形結構，三者通過法蘭加耐火巖棉密封連接，見圖3。

　　一次風將粉體燃料吹入主燃燒室，由點火器點火，除點火時冒煙外正常燃燒不冒煙。二次風以較高的速度沿主燃燒室內壁切向噴入，旋風保證粉體燃料與空氣良好混合，延長了燃燒的粉體燃料在主燃燒室的時間，保證燃料的一次燃燒相對徹底。在主燃燒室的前端設置喇叭口，前端形成環形燃燒室。在主燃燒室內，由于一次風和二次風的綜合作用，氣流一面旋轉一面向前端行進，在進入前環室之后又退回來，退回來的環形旋轉氣流遇到近中心的向前運動的氣流時，煙氣和灰燼流出主燃燒室，進入副燃燒室，而未燃盡的粉體顆粒燃料又回向環室進一步燃燒。副燃燒室具有很高的溫度，在三次風作用下產生二次燃燒，使粉體燃料燃燒完全徹底，灰燼從噴火嘴逸出。

　　主燃燒室的結構形式借鑒了旋風爐結構，主燃燒室容積按公式(5)計算。

　　3控制方法

　　3.1控制依據和執行部件

　　本設計的生物質粉體燃燒器主要應用于烘干場合，取代燒煤烘干并實現自動控制。用于烘干場合時，控制信號來自烘干室的溫度信號，升溫時要加大火力，穩溫時要保持火力?？刂茍绦胁考ㄋ土想姍C、一次助燃風機和二次助燃風機。進料絞龍運動特性是進料、停料循環，助燃風機是交流調速風機，根據燃料燃燒特性由控制器調整供風量。

　　3.2控制方法

　　3.2.1自動控制原理

　　進料量取決于火勢需求，供風量的大小取決于進料量，在合理配風前提下，進料量和供風量要匹配。所以，把進料量和供風量均劃分12個檔位，1檔最低(進料量和進風量最小)，12檔最高(進料量和供風量最大)。對于不同的生物質粉體燃料，達到同樣發熱功率其供料量和供風量是不同的，所以要根據實際使用燃料調節供料量、一次風機風量和二次風機風量。

　　本設計的生物質粉體燃燒器的控制器是基于單片機的控制裝置。烘干室溫度相應的滯后和非線型比較嚴重，難以建立數學模型，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。

　　3.2.2參數設置與手動控制

　　在控制器上設置有參數設置和手動操作功能。需要設置的參數包括每個進料檔位的進料時間、停料時間，一次助燃風機電壓和二次助燃風機電壓，點火的預進料時間和點火器得電點火時間，以及溫度回差值(預測的溫度過沖量)?？刂破魃项A設有相應的參數值，使用中能根據不同的應用場合和燃料調整這些參數值。在運行狀態和待機狀態均可設置，設置后控制器自動按新設置參數運行。

　　在控制器上設置有手動控制和自動控制切換按鍵、一次助燃風機風量加減檔鍵、二次助燃風機風量加減檔鍵和進料量加減檔鍵。手動控制模式下，可以隨時改變供風量和進料量的大小。

　　4應用情況

　　該生物質粉體燃燒器研究成功后，于2017年7～9月在四川省廣元市劍閣鎮青樹煙葉烘烤工廠進行了較長時間的運行試用，將燃燒器的噴火嘴插入原烤房加熱器的加煤門，用燃燒生物質碎料取代燒煤，取得良好效果，收到國家煙葉總公司領導的高度評價。最初試用時，由于燃盡的灰燼特別輕，從烤房加熱器的煙囪出口飛出有粉灰，為此在原加熱器的煙囪上增加了金屬紗窗攔截網，飛灰得到了抑制。在現場使用的燃料有鋸末、刨花、玉米芯和煙桿粉體，總體燃燒效率在90％以上，未發生結渣現象。與使用生物質顆粒燃料和燒煤相比，所用粉體燃料的成本(按市場價計算)是生物質顆粒燃料的三分之一，是燃煤成本的二分之一。