周 闖，羅向東，王 欣

(黑龍江省能源環(huán)境研究院，哈爾濱 150027)

隨著生物質(zhì)燃料化技術(shù)的迅速發(fā)展，配套的專用生物質(zhì)爐具呈現(xiàn)出多樣化的發(fā)展，但在燃燒熱效率及污染物排放上仍存在較大差異[1-3]。市場(chǎng)上主流的戶用生物質(zhì)爐具以同時(shí)具備炊事和采暖功能為主，可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)料速度和給風(fēng)、引風(fēng)量等的自動(dòng)或手動(dòng)調(diào)節(jié)，在使用效果上，熱效率和污染物排放基本能夠滿足要求[4-8]。研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的生物質(zhì)爐具在使用功能設(shè)計(jì)和燃燒形式設(shè)計(jì)、燃燒品質(zhì)管控等方面仍有很大的提升空間[9-10]，尤其是采暖熱效率的提升。本研究在不改變現(xiàn)有戶用生物質(zhì)爐具使用功能的前提下提高了采暖效率的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 現(xiàn)有爐具的爐膛結(jié)構(gòu)

現(xiàn)有具備自動(dòng)螺旋進(jìn)料功能的戶用生物質(zhì)炊事采暖爐爐膛基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。燃料在固定的爐膛里燃燒，為了兼顧炊事和采暖兩種功能，在爐膛和換熱器間設(shè)置前擋板，使?fàn)t排上燃料燃燒的火焰朝灶口加熱，提高炊事熱效率。

圖1 現(xiàn)有生物質(zhì)炊事采暖爐爐膛基本結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of basic structure of existing biomass cooking furnace

在不需要炊事僅進(jìn)行采暖的情況下，通常會(huì)用蓋板將炊事灶口蓋住。但在實(shí)際采暖過程中，燃燒產(chǎn)生的大量熱量仍然會(huì)通過蓋板向爐外散失，致使采暖熱量不集中、效率低。

2 移動(dòng)式爐膛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案一

現(xiàn)代家庭中基本都配備了液化氣及電磁爐等炊事灶具，對(duì)生物質(zhì)爐具的需求多是集中于燃料用量多、運(yùn)行時(shí)間長的采暖功能。本爐具設(shè)計(jì)方案適用于夏季炊事，以燃?xì)?、電等其他能源為主，冬季采暖和炊事以生物質(zhì)為主的能源應(yīng)用場(chǎng)景。

2.1 基本組成

爐具采用可移動(dòng)式的爐膛設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)炊事兼采暖和單獨(dú)采暖兩種使用功能，基本組成如圖2所示。

圖2 移動(dòng)式爐膛結(jié)構(gòu)示意圖(采暖位)Fig.2 Schematic diagram of mobile furnace(heating position)

爐具主要由外殼、進(jìn)料口、炊事灶口、爐膛、儲(chǔ)灰倉、進(jìn)料機(jī)構(gòu)、除灰機(jī)構(gòu)、調(diào)位機(jī)構(gòu)、換熱器、煙囪組成。

爐膛是由前、后擋板及爐排組成的敞口圓柱形空間，燃料在其包圍區(qū)域的爐排上燃燒產(chǎn)熱。在炊事時(shí)，前擋板能夠阻擋風(fēng)路，使燃燒的火焰向上為炊事灶口的炊具加熱，防止燃燒火焰在引風(fēng)機(jī)的抽力作用下，直接進(jìn)入至換熱器，致使炊事熱量不夠。在采暖位時(shí)，后擋板阻隔火焰及煙氣進(jìn)入灶口處向爐外散熱。

進(jìn)料機(jī)構(gòu)是由進(jìn)料電機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)料絞龍旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)螺旋進(jìn)料。燃料的燃燒過程是位于爐排前端的燃料首先燃燒，隨著絞龍的轉(zhuǎn)動(dòng)，不斷有新的燃料被推到爐排上，間續(xù)的點(diǎn)燃燃燒。

除灰機(jī)構(gòu)是通過爐排電機(jī)驅(qū)動(dòng)爐排前后往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)除灰。如圖4所示，爐排由圖4(a)位置向前運(yùn)動(dòng)至4(b)位置過程中，螺旋進(jìn)料器也一直在旋轉(zhuǎn)進(jìn)料，將燃料推送至爐排上。爐排由4(b)位置向后運(yùn)動(dòng)至4(c)位置過程中，螺旋進(jìn)料器停止旋轉(zhuǎn)進(jìn)料，爐排前端燃盡的燃料，被推下爐排掉入儲(chǔ)灰倉。同時(shí)，爐排在由4(b)位置向后運(yùn)動(dòng)至4(c)位置過程中，底板會(huì)對(duì)爐排上表面起到清刮作用，防止燃料在爐排上結(jié)交固化。依次循環(huán)，爐排又從4(a)位置向前運(yùn)動(dòng)到4(b)位置，同時(shí)螺旋進(jìn)料器旋轉(zhuǎn)進(jìn)料。

圖3 移動(dòng)式爐膛結(jié)構(gòu)示意圖(炊事位)Fig.3 Schematic diagram of mobile furnace(cooking position)

圖4 爐排除灰示意圖Fig.4 Diagram of furnace ash removal

調(diào)位機(jī)構(gòu)可以使圖2中虛線框內(nèi)包含的進(jìn)料機(jī)構(gòu)、除灰機(jī)構(gòu)、儲(chǔ)灰倉、爐膛部分，調(diào)位至炊事位或采暖位。圖2所示位置為采暖位，圖3所示位置為炊事位。

儲(chǔ)灰倉能夠接收燃燒產(chǎn)生的灰燼，跟隨調(diào)位機(jī)構(gòu)的調(diào)位變化而前后移動(dòng)。

2.2 工作方式

爐具配有自動(dòng)配風(fēng)機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)等。用戶可根據(jù)實(shí)際需求，在控制面板上選擇相應(yīng)的使用功能，控制調(diào)位機(jī)構(gòu)將爐膛移動(dòng)至相應(yīng)的燃燒位置。

如圖2所示，燃燒位置為采暖位時(shí)，爐具的功能性為采暖。燃料在爐排上燃燒，在前、后擋板作用下，燃燒的火焰向上，直接為換熱器內(nèi)的水加熱。煙氣的走向如圖中虛線剪頭所示，在引風(fēng)機(jī)作用下，高溫?zé)煔膺M(jìn)入換熱器再次向換熱器傳熱，最后低溫?zé)煔鈴臒焽枧懦?。在此過程中，阻隔了爐膛燃燒時(shí)灶口處的熱損失，燃燒的全部產(chǎn)熱僅用來采暖，提高了采暖熱效率。

如圖3所示，燃燒位置為炊事位時(shí)，主功能是炊事，輔功能為采暖。燃料在爐排上燃燒，在前擋板作用下，燃燒火焰向上，直接為炊事灶口的炊具加熱，提高炊事的熱效率。煙氣的走向如圖中虛線剪頭所示，在引風(fēng)機(jī)作用下，高溫?zé)煔馔ㄟ^前擋板上部進(jìn)入換熱器換熱，最后低溫?zé)煔鈴臒焽枧懦?，?shí)現(xiàn)采暖功能。

3 移動(dòng)式爐膛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案二

本爐具設(shè)計(jì)方案可以實(shí)現(xiàn)炊事和采暖功能的獨(dú)立使用，能夠有效避免夏季使用生物質(zhì)爐具炊事而連帶引起的暖氣燥熱問題，適宜于四季都以生物質(zhì)為主的能源應(yīng)用場(chǎng)景。

3.1 基本組成

本設(shè)計(jì)方案與方案一的結(jié)構(gòu)區(qū)別，一方面是后擋板變低，增加了固定的擋煙垂壁；另一方面是改變了炊事的排煙通道，使炊事時(shí)產(chǎn)生的高溫?zé)煔獠贿M(jìn)入換熱器，而是從其上端及側(cè)面向外流通，實(shí)現(xiàn)單獨(dú)炊事和單獨(dú)采暖兩種使用功能，基本組成如圖5所示。

圖5 移動(dòng)式爐膛結(jié)構(gòu)炊事采暖爐基本結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagram of the basic structure of the mobile furnace

3.2 工作方式

如圖5所示，燃燒位置為采暖位時(shí)，爐具的功能性為采暖。燃料在爐排上燃燒，在前、后擋板及擋煙垂壁的作用下，燃燒的火焰向上，直接為換熱器內(nèi)的水加熱。煙氣的走向如圖中虛線箭頭所示，在引風(fēng)機(jī)作用下，高溫?zé)煔膺M(jìn)入換熱器再次向其傳熱，最后低溫?zé)煔鈴臒焽枧懦觥Ｔ诖诉^程中，后擋板和擋煙垂壁阻隔了爐膛內(nèi)的熱量向灶口處散失，燃燒的全部產(chǎn)熱僅用來采暖，實(shí)現(xiàn)了單獨(dú)采暖功能。

如圖6所示，燃燒位置為炊事位時(shí)，爐具的功能性為炊事。燃料在爐排上燃燒，在前、后擋板及擋煙垂壁的作用下，燃燒火焰向上，直接為炊事灶口的炊具加熱，提高炊事的熱效率。煙氣的走向如圖中虛線箭頭所示，在引風(fēng)機(jī)作用下，高溫?zé)煔饨?jīng)由換熱器上端、側(cè)端后進(jìn)入煙囪排出，最后低溫?zé)煔鈴臒焽枧懦?，不進(jìn)入換熱器進(jìn)行換熱，實(shí)現(xiàn)了單獨(dú)炊事功能。

圖6 爐膛位于炊事位的工作示意圖Fig.6 Working diagram of furnace at cooking position

4 結(jié)論

提出了兩種移動(dòng)式爐膛結(jié)構(gòu)的生物質(zhì)爐具設(shè)計(jì)方案?？筛鶕?jù)用戶需求和用能習(xí)慣進(jìn)行使用，有效提高了爐具的采暖熱效率，增強(qiáng)了爐具的季節(jié)適用性，具有一定的應(yīng)用推廣價(jià)值。