摘要：基于目前現有生物質燃燒爐的燃燒效率低，且燃燒過程中焦油生成過多等問題。以高效率燃燒方式的薄層燃燒為該小型生物質直燃爐的主要燃燒方式，大大提高燃燒效率的同時，有效較低焦油與煙塵的產生，并且采用螺桿輸送裝置對爐膛進行持續供料，實現穩定的不間斷燃燒，為成功解決農村生物質燃料浪費及環境污染起到積極作用，為新形勢下的能源可持續發展提供思路。
關鍵詞：薄層燃燒；生物質；焦油；直燃爐
礦物質能源在很長一段歷史時期里，對于社會進步與經濟發展起到了極大的推動作用，并且在相當長的時間內，人類的發展對于礦物能源產生了較大的依賴。然而，隨著礦物能源的日趨枯竭，人們不得不把注意力逐漸轉向更加環保的可再生資源，其中生物質能源作為一種清潔綠色的可再生能源，不但能在一定程度上替代礦物能源，同時比礦物能源更環保。
生物質能源的應用由來已久，然而大規模、高效率的應用卻一直沒找到較好的方式。傳統的生物質燃燒過程中，往往由于物料自身含水量較高，燃燒時物料堆積，從而產生厚層燃燒，導致燃燒溫度不高，燃燒不充分而產生大量煙塵，同時燃燒時的能量轉換效率較低，且造成燃燒后釋放的大量廢氣，造成嚴重的環境污染。
因此，如何充分利用生物質燃料，設計出成本低廉、適應推廣性強、燃燒效率較高的小型生物質直燃爐，對于解決農村生物質資源的利用與新能源開發具有重要的實際意義與應用前景。
1、現有生物質爐的基本情況
現有的民用生物質燃燒爐灶，主要生物質氣化爐和生物質氣化直燃爐。對于生物質氣化爐，已有較成熟的設備。該設備原理為，先將氣化爐底部燃料點燃，爐膛內根據燃燒溫度可將其分為氧化區、還原區、干燥區、裂解區四個工作區域，如圖所示。氧化區通過空氣供養充足，燃料燃燒較充分，溫度一般可達到1000℃，還原區的工作介質主要為燃料的不完全燃燒，溫度通常在700~ 900℃之間，裂解區的溫度大致在400～600℃左右，此溫度可使生物質燃料逐漸到達裂解溫度，從而產生裂解反應，生成成分為CH4等可燃氣體。經過實驗與實際使用發現，次設備的可燃氣體氣化效率較低，焦油產生量較大，且燃燒穩定性較差，另外在燃燒過程中，爐膛內極易發生搭橋現象而造成二次污染。同時針對燃燒過程中產生的焦油，目前關于焦油裂解技術僅在某些大型設備上得到應用。
現有生物質氣化直燃爐的工作原理為，氣化室內填加生物質燃料后引燃，封閉風門后使生物質燃料在缺氧無明火條件下產生氣化，可燃氣體在煙囪的負壓下，通過導火筒的通氣孔進入燃燒室點燃后產生火苗，通過從爐底進入的氧氣助燃進行充分地無煙燃燒，將爐內的物料先轉化為可燃性氣體，可燃性氣體在中間筒集合后統一燃燒，如圖2所示。該爐灶成功解決了生物質燃氣爐產生焦油的缺點，但也存在如下缺點：①燃燒前期沒有明火，會產生大量的煙；②燃燒中期火焰過旺且火力不集中，火力大小不方便；③燃燒后期，灰渣較多；④由于生物質揮發成分含量較高，燃點溫度較低，一般在250～350℃時就有大量可燃氣體析出，并開始劇烈燃燒，此時若氧氣供應量欠缺時，將會增大不完全燃燒損失；⑤厚層燃燒，不能進行很好的通風，供氧不足導致燃燒不充分，而且產生的余碳較多。
總的來說，現有直燃燒爐存在火焰無法控制，厚層燃燒，引風效果差，燃燒不充分，對生物質利用率不高等缺點。
2、薄層燃燒的生物質直燃爐
根據上述兩種生物質爐灶裝置所存在的相關問題，對現有結構進行改進設計，設計出新型生物質直燃爐。此爐灶的結構。該小型生物質直燃爐分為送料裝置、送風裝置、燃燒裝置、排放裝置和水箱五大部分。送料裝置包括進料蓋、送料箱、驅動裝置、螺旋軸和螺旋片；送風裝置包括風機和風筒；燃燒裝置包括燃燒杯和點火器；排放裝置包括排煙筒、灰屑閘和灰屑桶。
具體結構特征如下所述：
送料箱內裝有燃料輸送裝置，裝置置于送料箱內腔底部，輸送裝置的輸出軸與螺旋軸通過聯軸器連接，螺旋軸上裝有推送螺旋片，通過螺旋片旋轉輸送燃料，該結構設計使燃料的供給較為均勻；輸送裝置下裝有風機，新鮮空氣由燃燒杯內的進風孔均勻送至燃燒室，經點火器點燃燃燒杯內的物料，使其實現薄壁燃燒。爐體的正面設有灰屑閘和灰屑桶，位于燃燒杯的下方，可將燃燒后的爐灰從灰屑桶清出。燃燒室周圍環布水箱，水箱充水后既能隔熱又能充分利用爐內熱量，水箱內的水可供生活使用，提高了能量的利用效率。
螺旋進料裝置的結構特點：
(1)通過可控制轉速的電機來控制進料的多少，從而來控制火焰的大小；
(2)螺旋進料實現了連續進料，保證了燃燒的穩定性；
(3)物料與燃燒室有一定的距離，避免了回火現象，保證了設備的安全。
燃燒杯的結構特點：
(1)采用可拆卸結構，便于清潔與更換；
(2)燃燒杯側面一圈都開有進風孔，風機通過進風孔供風，可以有效增加通風量；
(3)底部設有均勻的排灰孔，可以保證及時排灰，達到薄層燃燒；
(4)燃燒杯大小適宜，燃燒時容納的生物質燃料層較薄，使空氣與物料層充分接觸。
3、薄層燃燒生物質直燃爐燃燒指標測定
通過對比直燃爐與普通爐灶燃燒不同燃料時的用能情況，重點考慮升溫時間、熱能轉化效率等參數的區別來評定直燃爐的各項燃燒性能指標。
由于木屑顆粒太細，床層易突然倒塌，無法正常使用，故為得出相應數據。
注：計算基準水溫均從20℃升溫至100℃。
直燃爐與普通爐灶相比，無論使用顆粒或成型燃料還是木片作為燃燒原料．其熱效率都有顯著提高，且直燃爐的升溫時間明顯縮短，相同燃料的穩定燃燒時間也有明顯增加。綜合考慮直燃爐的各項燃燒性能指標均明顯高于普通爐灶。
4、結語
目前，我國關于燃燒爐的研究與專利很多，但其中大部分都是燃煤的，大范圍民用不是很現實，另外爐具的投資成本也較本產品的高。本設計的小型生物質直燃爐直接以生物質為燃料，來源極其廣泛，并且都是可再生的：①林區采伐剩余物，主要是采伐過程中的枝材；②林木產品加工剩余物，家具廠、木材加工廠以及人造板廠生產過程中的廢棄物；③農業剩余物，主要是農作物的秸桿等。現在化石燃料資源不斷減少，能源危機和人們環保意識的加強，生物質能源會越來越被重視。
生物質燃料的原料優勢，加之政府在稅收（增加燃煤的稅收）方面的調控，不久的將來可再生的自然資源的利用也必將普及千家萬戶，本設計的用戶型生物質直燃爐正是順應了這種趨勢，對比了現在市面上的兩種生物質燃燒爐，加以改進：
(1)采用直接燃燒技術，將焦油在高溫下裂化分解，解決了生物質燃氣爐焦油多的問題；
(2)采用渦輪進料設備，通過渦輪轉速控制進料量，從而達到控制火焰大小的目的；
(3)通過對進料量的有效控制，可以使爐內的燃燒達到薄層燃燒的需求，使得物料燃燒充分，產生的灰量少；
(4)設計專門接灰的裝置，使得飛灰不會隨煙氣排出，減少了對環境的污染。
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