一种基于散煤燃烧的家用新型节能环保采暖炉

丁艳+徐鹏飞+刘芳宾+王心悦+蒯子函

摘 要：针对散煤燃烧效率低、烟尘排放量大的问题，设计了一种适用村镇家庭的新型燃煤采暖炉，介绍了该炉设计特点及实验效果。首次将燃煤粒度控制装置和除尘装置引入家用燃煤采暖炉，同时集中三回程反烧结构的燃烧优势和超导热管的换热优势，大大提高了锅炉燃烧和换热效率，节能效果显著，操作使用方便且除尘效率高，符合国家“节能减排”政策，具有良好的应用推广价值。

关键词：散煤燃烧；采暖炉；节能环保；设计

中图分类号：TQ534 文献标识码：A

家用采暖炉，多以煤为主要燃料，多用于无集中供暖或者不具备燃气采暖条件的农村或城乡结合部，且燃烧的多是原煤。据2016年3月环保部分析，在北方，燃烧1吨高挥发分的原煤，就会排放2.5t以上的CO2和150kg以上的其他污染物。市场上的家用燃煤采暖炉多采用直烧式，燃烧不彻底，导致大量的能源浪费；这类锅炉配备的除尘器落后，或根本没有配备，脱硫装置几乎没有，大气污染物排放普遍超标。虽然有的用户设计安装了一种钢管余热回收器，但余热回收率不高。目前我国仍有两亿分散采暖人口，解决现有家用燃煤采暖炉燃煤利用率低、热能利用率低、污染大的问题已成为节能减排的一项重要工作，具有十分重要的社会价值。

本文设计了一新型燃煤采暖炉，已与企业实现了对接，并已申请了发明专利，正在受理中。下面对该锅炉的设计特点及实验情况进行介绍。

1.新型锅炉结构及设计特点

结构如图1所示，该锅炉在进煤口前端设置了燃煤粒度控制装置，在加煤的同时对燃煤进行破碎，控制燃煤粒度的大小和均匀性，该装置在炊事状态时可翻转至下侧，操作方便；炉膛内部燃烧室设计为圆形，燃烧室后端设计为三回程结构；尾部烟箱采用超导热管作为烟气余热回收装置；在采暖炉烟筒部分设计除尘装置。

1.1 燃煤粒度控制装置

燃煤粒度的大小和均匀性对燃烧过程和效率有着非常重要的影响：尺寸差异大，燃烧层间热量传递困难且通风阻力大；粒度较小时，炉排通风欠佳，漏煤量增多；粒度过大，燃尽时间长，燃烧不充分。相关研究表明，颗粒尺寸超过50mm，燃烧损失极大，本设计中确定50mm为燃煤粒度上限。

燃煤粒度控制装置结构简单，操作方便：向煤斗中加入适量煤块后，摇动摇柄使破碎板翻转，符合尺寸范围的煤块直接翻至进料管道，较大煤块通过破碎板与煤斗的挤压以及破碎齿的咬合与破碎后进入进料管道。

1.2 三回程反燒燃烧室结构

传统的直烧式家用采暖炉燃烧空间有限，燃料在炉内停留时间短，燃烧不充分，燃烧效率低且污染物排放高。明火反烧技术遵循燃料燃烧的固有规律，为燃料创造了一个最佳的燃烧过程，并为燃料燃烧提供了足够的空气、空间、温度和时间，使燃料得以充分燃烧，从而大大降低煤耗，且能一定程度上起到消烟除尘的目的。多回程燃烧增长了烟气在炉内的逗留时间，使燃烧更加充分。考虑到家用等诸多因素，新型采暖炉采用三回程反烧结构，炉膛采用圆角设计。圆角炉膛避免了燃烧死角，三回程结构强化了燃烧过程，增加了燃尽时间，降低了不完全燃烧损失。

1.3 尾部烟气余热回收装置—超导热管

传统采暖炉尾部烟箱一般通过设置水套结构来增加余热的利用，但是余热利用并不充分，锅炉排烟热损失较大。

超导热管具有导热速度快，强度大，安装方便，不受安装位置限制，可消除传统换热方式的导热死区的特点，尤其是导热效率高，且成本较低。考虑到诸多因素，该设计中选用萘为工作液，碳钢作为管壳材质，价格低廉且寿命较长。

1.4 除尘装置

考虑静电除尘与布袋除尘的特点，最终确定基于布袋除尘原理。除尘装置由除尘布袋和手动机械式振动装置组成，除尘布袋固定于手动机械振动装置的振动环上，两部分与烟筒形成一个整体结构。烟气经过该结构后，尘粒在通过除尘布袋时因惯性力作用与除尘布袋碰撞而被拦截，实现除尘效果，降低烟尘排放量；并且当布袋积尘较多时，可以通过手动机械式振动装置进行手动清灰，保证布袋的除尘效率。该装置操作简单，使用方便，成本低。

2.节能与环保性能分析

通过对该采暖炉的燃烧机理和换热分析及理论计算，该采暖炉燃烧效率可提高10%以上，余热回收率高达25%以上；除尘效率高达90%以上。根据2016年最新统计：京津冀地区每年燃煤散烧量超过3600万t，以最低估算，仅京津冀地区一年散煤消耗量减少360万t。本项目中按原煤烟尘排放10kg/t计，津冀地区因采暖炉节能降低燃煤消耗量致使排尘量减少3.6万t，同时由于增设除尘装置（效率按90%计），排尘量又减少29.16万t；总计一年排尘量减少32.76万t。若推广至整个北方乃至全国，经济效益和环保效益将十分可观。

3.实验验证与结论

按照实物的0.8倍加工了模型，并进行了模型试验。根据实验数据分别采用两种方案对破碎前后煤块的燃烧效率进行了计算。方案一：未处理煤与处理后煤加热水箱中水到60℃的平均燃料消耗量；方案二：等量未处理煤与处理后煤燃尽后称量灰渣重量，以判断燃煤的燃尽率。最终两种方案均验证破碎后燃煤燃烧效率有较大提升，燃烧效率可提升5%左右。根据烟气成分浓度测量仪测量的数据进行计算，计算结果表明，加装除尘装置后除尘效率高达84%。因本试验台受空间限制，与实际工作环境有差异，在实际使用中烟尘排放浓度会更低。

此外，该采暖炉还具有结构简单、成本低、易于加工和批量生产、使用与维护方便、费用低等优点，并且采暖的同时可作为家用灶炉，十分适用于北方集中供暖未覆盖区域的村镇家庭，且易于推广普及。

参考文献

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[7]王冬军，路春美，李慧敏.脉冲式除尘技术进展及寿命影响因素分析[D].山东大学，2009.

备注：该项目已荣获第九届全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛二等奖。