储煤气化热风炉结构设计范文

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摘要：

针对热风炉使用过程中加煤工作繁重及煤不能充分燃烧造成一定的空气污染问题开展的一种储煤气化热风炉结构设计。由于炉体内煤的气化二次燃烧设计砂封及前后炉体分离结构；根据加煤量及耐温燃烧试验设计储煤仓及中腔斗。对试制的储煤气化热风炉进行测温试验，测量热风出口及烟气温度。结果表明热风出口温度满足种植要求，储煤气化热风炉推广前景好。

关键词：

热风炉；结构设计；储煤；气化；二次燃烧

新疆光照时间长，适合发展设施农业，但是冬季设施农业生产蓄热条件不够成了问题，新疆低于0℃的日数全疆各地均超过124天［1］，有些地区低于－30℃的极寒天气会持续达到30天以上，在极端条件下热风炉的使用是非常必要的。2012年中国新疆煤产量1．4亿吨，丰富的煤产量成为热风炉燃料的首选，但是由于煤的形状、大小规则不一，并且没有规律性，热风炉的加煤成为热风炉使用中主要问题。热风炉按照耗能种类区分主要分为燃煤热风炉、燃气热风炉、生物质燃料热风炉和燃油热风炉等［2］。热风炉主要由以下三个系统组成：燃料燃烧系统、热交换系统、排烟除尘系统。若需要对炉膛压力及燃烧状态进行监测，有的热风炉还配备自动监测和控制系统［3］。其中换热系统是其最重要的部分，换热器装置又是换热系统的核心部件，它的主要功能是将热量从一种介质传给另一种介质，从而达到换热的效果［4］。对于温室大棚供暖的热风炉，主要采用的是间壁式换热器［5］。我国的能源情况比较严峻，如何使热风炉更节能，提高热风炉的热效率是热风炉的设计中至关重要的问题［6］。普通的燃煤热风炉使用过程中出现以下问题：（1）使用过程中，夜间需要多次加煤，工作量大。（2）煤燃烧时间短，不能充分燃烧。（3）热风炉会出现倒烟现象，有害气体如CO等会进入空气中，对人员及作物造成伤害。本文设计一种炉体可以储煤并且实现煤二次充分燃烧的气化燃煤热风炉结构，并通过试验提出储煤气化热风炉在推广和应用中的改进建议。

1热风炉结构设计

1．1热风炉总体结构热风炉加温方式是直接加热空气。热风炉与锅炉相比较，热风炉在加热过程中减少了热媒介质的热容损失，热风炉燃烧所产生的干热空气可以全部用于温室的增温和降湿。使用过程中可降湿，热风炉输出干热空气，能够在30min内使室内湿度降低60％～70％，从而抑制各种病虫害的发生。

1．2工作原理煤炭在热风炉的燃烧室中充分燃烧，燃烧后的高温烟气进入换热器与换热器外的冷空气进行热量传递，换热后的烟气再通过出烟口排入外界大气，而在换热器外部加热后的高温洁净空气经由热风输送软管输送到温室的各个角落，用于提升温室室温［7］。储煤气化热风炉主要分为前后两个炉体，前炉体为燃烧室，后炉体为热交换室，燃烧室上部为储煤仓，煤炭通过中腔斗滑动落入炉排上进行燃烧，未完全燃烧产生的可燃气体和储煤仓内产生的高温燃气进入热交换室进行二次充分燃烧，燃烧产生的热量加列管内的气体，加热后的气体通过热风出口排出，给温室供暖.

2关键部件设计

2．1砂封结构设计为了实现煤的气化燃烧，禁止热空气及有害气体从进煤口处溢出，在炉体上设计了环形砂封槽和砂封顶盖，砂封槽中装入干砂，砂封顶盖插入干砂中，起到密封的作用。

2．2储煤仓结构设计热风炉主要是在温室夜间使用，在新疆夜间加温时间为9～10h左右，一般是从晚上10：00～早上8：00进行加温作业，每小时燃煤8～10kg，储煤仓的大小正好能满足夜间燃烧为宜，如果煤量过多，会造成热风炉的体积过大，耗材过多；如果煤量过少不能满足夜间燃烧作业，会增加工作人员的劳动强度，因此储煤仓的设计大小需要通过加煤量来测定，通过试验设计储煤仓可以储煤80kg，加上燃烧室内的正在燃烧的煤，夜间共加煤量为90kg左右。储煤仓的底部为中腔斗，中腔斗直接与燃烧室连接，需要很高的耐热量，我们采用2．5～4mm厚钢板及灰铸铁件进行实验，钢板在高温空气中容易被氧化，这不仅会引起污染，而且钢板因腐蚀而迅速减薄以至失效［8］，经过10天的燃烧实验（表1），最终我们采用灰铸铁件制作中腔斗。加煤时，一部分煤炭落入燃烧室内燃烧，其余煤炭停留在储煤室内待燃烧，燃烧室内的煤量过少时，储煤仓内的煤炭会通过中腔斗落入燃烧室中，中腔斗上方的煤炭处于高温气化流动状态，直到储煤仓内的煤全部加完。

2．3换热器结构设计换热器是热风炉的核心部件，换热器的性能好坏直接影响热风炉的使用性和可靠性，需对其工作性能进行相关必要的研究。为了最大限度地利用热能和回收余热，对换热器进行强化传热一直是国内外学者研究的热点［9］。热风炉的换热器采用&50×3．0钢管（图2），列管的下端与进风风机出风口相连，列管上端与热风出口密封连接，这样通过风机的冷空气在热风炉内被加热后直接通过热风出口送到温室中，和烟气通道分离，避免了有害气体进入温室中对作物和人员造成的伤害。列管的下部圆弧弧度为120°，有利于空气流动，降低了风阻。这样的12根列管在热风炉内组成了列管束（图3）。列管在热风炉内尽量的多，增加热交换的换热面积，我们设计了两个同心圆直径分别为278mm、400mm，在&278mm的同心圆上平均分布了6根列管，在&400的同心圆上也平均分布了6根列管，换热面积达到0．2m2。

2．4风机的选型热风炉内煤炭燃烧产生的热量要快速的通过管道释放出来，需要使用风机将热风炉产生的热量及时高效的排出。新疆本地煤的成色有比较大的区别，我们选择了5种不同销售商销售的煤炭在新疆维吾尔自治区煤炭产品质量检测中心委托检验（表2），我们选择发热量较为高的实验2用煤，每千克煤的平均发热量为26．74kJ，热风炉每小时燃煤量约为10kg，这些热量（理想条件下）需要通过风机传导出去，根据JB／T6673—93标准《热风炉实验方法》可以计算出风机风量选择2600m3／h以上规格。

2．5煤气化二次燃烧燃烧室内的煤由于空气供给不足等原因没有充分燃烧产生的CO和储煤仓内储存的煤由于温度的升高产生气化现象，产生了大量的高温可燃气体，这些气体无法通过砂封上行，只能下行通过烟气通道进入交换室，交换室内有充分的氧气和很高的温度，高温可燃气体在交换室充分的燃烧并与换热器里的列管内空气进行热交换，风机及时将列管里的热空气排出，给温室供热。普通的热风炉由于没有经过二次燃烧会产生CO，如果产生的CO不能及时排除会造成CO浓度增高对作物及工作人员造成损害。这种可以气化二次燃烧的热风炉不仅可以避免CO等有害气体的危险还大大的提高了热风炉的热效率。

3燃烧试验

2015年3月试制的第一台热风炉开始点火试验，测试时间为2015年3月18日～3月24日，主要测试热风炉热风出口温度及烟气温度。热风出口温度为热风炉的有效热效率，但是也不能过高，以免对人及作物造成损伤，一般要求80℃～100℃为宜，烟气温度是热风炉的排烟热损失，国内的热风炉排烟温度多在170℃～250℃，排烟热损失为11％～17％［10］。图4为3月20日测温曲线图。表3为3月18日～3月24日测量温度的平均值。通过试验得出热风出口温度在70～110℃之间，温度较为稳定，烟气温度250～320℃之间，温度较高，热量散失较大，在试验过程中没有架横向烟道，直接将烟竖直排除，在温室使用中都会架设横向烟道，尽可能降低烟道热量损失。

4结论

储煤气化二次燃烧热风炉的热风出口温度较为稳定有利于温室种植小环境的形成，有利于作物的生长。但是烟道排烟温度较高，热损失较大，建议在烟筒上加装散热装置，将烟气产生的热量尽量散失到温室内，用于温室提温。储煤气化二次燃烧热风炉应用范围现只针对温室种植，在日后产品改进升级时，能进一步将产品应用于养殖及小型加工工厂的供热，拓宽应用范围，有利于设备进一步推广。储煤气化热风炉实现了一次加煤，储煤，气化二次燃烧等功能，节省人力，减轻劳动强度，推广前景较好。

作者：刘娜 张丽 齐新洲 李胜 王彦 郭磊 王国强 单位：新疆农业科学院农业机械化研究所