基于自然素材利用生物质燃烧烟气净化装置的研究开发

林楠 刘安琪 赵旖晗 王婉婷

摘 要：燃池采暖在农村供暖中占据重要地位，其采用生物质能燃料污染较小，结构简单，供暖效果好，因此在农村及中小学广泛应用[1]。但在实际运行中仍存在余热回收不完全，产生有害气体及可悬浮颗粒物的情况，因此针对此状况及农村阴燃供暖的实际问题，对烟道进行改造设计，同时融入换热设计进行余热回收，降低出烟口温度，有效利用热量实现节能。

关键词：阴燃供暖 余热回收 可悬浮颗粒物沉降 有害气体吸收

1. 产品整体设计思路

本项目主要从两个方面对农村传统阴燃供暖烟气排放方式进行改造：

● 提高燃池热利用率

设计思路为：通过理论公式分析找出影响燃池余热利用具体因素，提高传热系数，有效提高热利用率。

● 吸收有害排放气体及可吸附颗粒物沉降

设计思路为：通过文献整理比对选择有效吸收生物质阴燃有害气体的材料及理论模型的分析进行烟道沉降设计。

在提高燃池热利用率方面以“低技术，高效率，易改造，易推广”为设计理念，适合在农村等领域进行大范围推广的设计。在设计吸附有害气体及可悬浮颗粒物的方面以“高效，耐高温，自然再生，低价格”为选择比对前提进行材料选比。整体思路从针对性解决这两方面问题入手，做到高利用率，低改造，易推广，有效解决实际问题。

2.理论分析

2.1理论模型

本装置选取清华大学吴俊等人通风直管道颗粒沉降模型进行计算，在已知烟道入口温度、速度的条件下，通过设计烟道长度及翅片位置来实现三个目的：首先，利用沿程阻力沉降颗粒物；其次，利用惯性阻力沉降颗粒物；同时，调节烟道长度可控制出口温度使出口处吸附材料处于适宜温度。

2.2余热利用分析

根据实验可知，当生物质燃料质量一定时，产生热量Q一定，Q=Q1+Q2。（Q1：向内墙传递热量，Q2：由烟道排出的热量）Q=h·A·△t。因此，提高Q1，即提高换热面积A，增大对流换热系数h。由传热学公式知，要提高h和A即增强气体扰动和烟道表面粗糙度以及增大烟道长度。但是，管道设计时不宜过长，防止烟气因阻力过大无法流出甚至回灌。

3.设计方案

根据以上材料选择，沉降模型分析及公式计算，考虑到结构改造，经济性等多方面最终确定装置设计如下。

3.1有害气体的吸收及可悬浮颗粒物的吸附

经过对阴燃产生有害气体及价格等多方面的比对，最终选定活性炭作为吸收涂料。将活性炭涂料涂在弯管壁上，吸收有害气体，在烟道出口处设计可拆卸装置（如图1）涂适量活性炭，其上放入布袋式除尘器并填充活性炭，吸附PM2.5等可悬浮颗粒物。同时设计用弹簧片设计压力保护装置，防止一旦造成堵塞带来的隐患。

3.2换热部分

考虑到效率及改造问题，采用加入肋片的方式增加换热量，改造方式较简单，同时在换热管道尾部设置沉降槽，防止灰尘常年沉降造成堵塞。换热管道采用U型盘管，增大换热面积同时增大沿程阻力，利于可悬浮大颗粒物沉降。如图2所示。

根据以上细部设计最终确定装置整体设计图如图4所示。

4.性能结果分析

1.吸附率：根据计算及实验结果，1t生物质燃料生成有害气体，0.15m3活性炭及可吸附达到排放标准，有害气体净化量约为45～60ml/g，效果较好。

2.余热利用率：根据文献及以往实验室测试数据，燃池中排除烟气入口温度一般为500℃，出口温度约为80℃。根据理论模型估算及实验验证，预计经过本装置达到的出口温度会降低为30～50℃，有效利用余热为37～50%，效果较佳。但本装置采用模型为直管道，与实际设计仍有偏差，因此具体数据仍需实验分析。

5.应用展望

本装置针对当前实际情况进行针对性的改造，方案改造较为容易，操作较为简单，且考虑到农村改造问题，经济易于推广，因此一旦推广，将会使农村燃池供暖问题有新的改观，也将在有害气体，及可悬浮颗粒物排放方面做出很大贡献，可行性极强，同时装置设计方法不仅适用于燃池改造，也可应用于工业燃烧设计推广，应用前景十分广阔。

参考文献：

[1]何芳，徐攀.阴燃研究概况及问题分析. 中国农业机械学会.2008年学术年会论文集.

[2]田贺忠，赵丹.中国生物质燃烧大气污染物清单. 环境科学学报. 2011，31（2）.

[3]张金良 中国农村室内空气污染及其对健康的危害 环境与职业医学 2007， 24（4）.

[4]王玮，汤大钢. 中国PM2.5污染状况和污染特征的研究. 环境科学研究，2000，13（1）.

[5]郭一鑫. 垃圾焚烧发电厂烟气处理系统设计研究. 能源研究与利用， 2005，6： 17-20.

[6]吴俊，赵彬. 清华大学. 通风管道内颗粒的沉降规律研究及应用. 暖通空调， 2008，38（4）.