谭徽树 杨述谟 吴正忠
(湖南省蚕桑科学研究所)
初步探明:(1)当炉口有小火苗时,输入适量水(H20)至蜂窝煤炉内的环状箱腔里,在炉胆余热作用下,能转化为有较高压力的蒸汽流,通过喷汽盘上的小孔,分别注入蜂窝煤上的12个圆孔,可与煤燃烧时产生的一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO2)发生热解反应,生成甲烷CH4)等可燃性气体助燃。与普通蜂窝煤炉相较,节煤30%以上;且燃烧完全,空气无污染,一氧化碳(CO)平均值在220PPM以下。(2)助燃用盛水壶置于炉口以上位置,形成水位差,替代了单向阀,可自调进水量,使操作简易化。(3)选择锥形送水阀,用直径10毫米塑料管连接盛水壶,安全可靠;摸索出造汽箱容量为1升,进水孔和喷汽孔直径为0.7毫米,造汽和喷汽匹配合理,保证了炉口喷射
300毫米高火焰的连续性,与普通蜂窝煤炉相较,省时30%以上。
前 言
蚕室内升温补湿,是春蚕丰产的重要条件之一,其中合理的升温设备又是保证适温适湿的关键。目前,农户养蚕大都使用“壁灶”和“地火龙”等形式升温、对煤和柴的消耗量甚大,且费时费力,增加了养蚕成本。使用普通蜂窝煤炉,虽较省力,但上火速度慢,不能及时调整温湿度;煤燃烧时产生的有害气体多,不易排除干净,经常发生蚕儿中毒;且其燃烧原理不尽合理,综合热效率低,应有热能不能产生应有的热效应。因此,尽快研制出高效节能省时养蚕升温蜂窝煤炉,对改变目前农村落后的养蚕升温设施,有重要意义。我们自1990年始,经过3代样机炉的研制和改进,现已推出ZR—10(12)型煤水共烧式高温蜂窝煤炉(以下简称助燃炉),并可兼作生活用炉,第3代样机炉经湖南省常德市标准局测试,助燃炉与普通蜂窝煤炉相较,节煤30%以上,综合热效率达70%以上,一氧化碳(CO)平均含值220PPM以下。
现将研究结果报告如下。
一、工作原理与结构特点
助燃炉工作原理见图是1。

使用时,由底煤引燃至炉口煤孔中出现小火苗时,拧开送水阀4,盛水壶2内的水(H2O)1,在与炉口位置差作用下,从送水管3,经送水阀4,导人造汽箱10底部,此时,套在炉胆外圆中部的造汽箱,已受炉胆预热,成为高达900℃以上的空腔体,水(H2O)输入腔内底部后,瞬即生成蒸汽,蒸汽在封闭环状空腔内,仍受高温作用,由下而上积聚,逐渐形成压力较高的蒸汽流,直至充满腔腹,达到约4公斤/厘米2压力时,一面向送水阔4逆输,逆输结果是停止水(H2O)输入,另一方面,克服导汽管10的阻力,输入喷汽盘11,由喷汽盘上的(直径为0.7毫米)12个小孔,向相对应的12个圆形煤孔垂直向上喷射。喷射时,造汽箱腔内压力降低,送水阀启动进水(H2O),水(H2O)入腔内,在炉胆传递的热能作用了,又产生新的蒸汽流,循环往复不止,达到助燃目的。
蒸汽流喷火煤孔后,与燃烧中的蜂窝煤产生的一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO2)气体,发生了下列热解化合反应。其反应方程式如下:
C+H2O=CO+H2O-131KJ……(1)
C+O2=CO2+393.7KJ……(2)
CO+3H2=CH4+H2O+250.2KJ……(3)
(1)式为吸热反应,但(2)式为放热反应,且热量较大,尤为(3)式反应产物CH4为甲烷,是一种高能燃料,着火能量低,燃烧速度快,发热值高,极易形成火焰。蒸汽流与煤中的碳(C)发生热解及化合生成可然性气体H2、O2、CO以后,不仅产生了新的能源CH4及其它碳氢化合物CmHm,且由于氧(O2)的助燃,使燃烧更加完全。其次,由于蒸汽流的喷出,带动煤孔中的气流向上高速运动,在蜂窝煤内部的各个截面上造成负压,使碳原子被吸附而加速析出,从而冲破炉渣灰的机械阻力,减少灰渣中的残余碳量;再则气流的不断抽进作用,可带走部分发生,增加蜂窝煤的孔隙度,使碳原子的运动更加畅通,降低了机械不完全燃烧的热损失及灰渣物理损失,提高了煤炉的总热效率。
助燃炉由普通蜂窝煤炉和助燃炉两部分组成。增装助燃器后,保持了普通蜂窝煤炉封火性能好,使用方便等优点,去掉了上火速度慢,综合热效率低等缺点。助燃器结构特点为:盛助燃水(H2O)塑料壶或器具,为附件,置于炉口以上位置;塑料管连接盛水壶和送水阀,造汽箱为焊合式圆环状腔体,承受5公斤/厘米2压力时,不漏汽和水;用直径10毫米钢管焊合连接造汽箱和喷汽盘;喷汽盘呈形状,贴煤面钻有12个小孔,安装在离炉桥底部5毫米位置,其余结构与普通蜂窝煤炉相同。
二、用水助燃关键技术的研究
煤能以气态和液态及固态三种形态燃烧。就蜂窝煤炉而言,使煤呈液态措施有困难,一般以固态燃烧。模拟燃烧试验结果表明:煤在圆柱体腹腔内呈气态燃烧,具有上火速度快,火苗高,空气污染少,可随意调节火力大小等特点。然而使水(H2O)与煤中碳(C)和氢(H)参与热解反应,失成甲烷(CH4)体,目前尚无成熟方案参考。助燃炉采用强制性注入气流状态的水(H2O)至煤孔中,小锥状汽流束,在炉中部燃烧区,分解成氢原子(H)和氧原子(O),瞬即与煤燃烧时产生的一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO2)参与化合反应,生成甲烷(CH4)体,达到助燃目的。关键的技术是利用炉胆余热产生蒸汽流的造汽箱和喷汽盘的设计及进水孔与喷汽孔直径的确定。
(一)造汽箱的设计与安装位正的确定
造汽箱容量与蒸汽压力和造汽时间等因素相关。为探索其规律,曾列10组合,分别作燃烧试验。其结果见表1。

从表1可见,造汽箱容量愈大,蒸汽压力愈低,造汽时间愈长,上火速度愈慢,蒸发水量愈小,燃烧时间相对稍长。造汽箱容量愈小,情况相反,但太小,燃烧时间偏短。助燃护选择第5组合,容量设计为1升。经3000小时破坏性激烧试验,造汽性能稳定。
造汽箱安装位置与造汽时间和综合热效率相关。为确定其合适安装位置,曾将造汽带放在炉胆上、中、下部分别测定,其结果见表2.

由表2可知,造汽箱安装在炉胆中部,造汽时间较短,综合热效率较高。故助燃护造汽箱安装在炉胆中部。经3000小时破坏性燃烧试验,造汽性能同样稳定。
(二)喷汽盘性状由设计与喷汽孔径的确定
喷汽盘性状可设计成@形或马鞍形两种。从中、小型企业工艺出发,助燃炉喷汽盘设计成马鞍形,成形工艺较简单。
试验中发现,喷汽孔直径与进水孔的匹配与造汽箱压力和火苗高度及燃烧时间等多种因素十分相关。较难择其最佳组合。为探索其基本规律,曾列9组匹配比值,进行燃烧试验。结果见表3。从表3结果看,进水孔直径小,喷汽孔直径大,造汽压力偏小,火苗高度偏低,但燃烧时间偏长;进水孔直径大,喷汽孔直径小,情况相反;进水孔直径与喷汽孔直径比值为1,介于其中。从打孔工艺及燃烧时间等综合因素考虑。助燃炉进水孔和喷汽孔直径均选择0.7毫米,经3000小时破坏性燃烧试验结果表明较合理。

三、性能试验
第3代样炉由湖南省常德市标准局主持,按湘Q/MT1324-86标准,作了热性能测试。数据见表4,测试结果综合情况见表5。


测试结果表明:助燃炉上火速度比湘Q/MT1376-86标准值高42.86%,平均火力强度比标准值大12.09%,蒸发热效率50.23%。具有显著的节能效果。
四、主要技术规格与参数
外形尺寸(直径×高)(毫米)∮300×400
重量(公斤) 10
综合热效率(%) 70
上火速度(C’/分)3.55
蒸发水量(克/分): 31.3
节煤率(%)30以上(与普通蜂窝煤炉相较)
省时率(%)30以上(与普通蜂窝煤炉相较)
封火性能 500克煤能封火16小时左右
炉膛温度(CO) 1300以上
火焰高度(毫米) 300左右
五、讨论与小结
(一)助燃炉由普通蜂窝煤炉和助燃器两部分组成。助燃器由造汽箱和喷汽盘及送水阔、盛水箱、小口径塑料管组成。制造成本5-6元/套,具有制造工艺简单,操作方便,使用寿命长等特点。
(二)利用炉胆外圆中部余热把造汽箱加热成900℃以上空腔体,当水(H2O)从盛水壶由塑料管,通过锥形送水阀,导入造汽箱腔腹内,瞬即转化为4公斤/厘米2压力蒸汽流。一面向送水阀逆输,自调进水量,一面铺入喷汽盘。预备裂解反应,从而使造汽性能稳定,进水孔直径0.7毫米与喷汽孔直径对0.7毫米匹配,保证了喷汽的连续性。
(三)小锥状的蒸汽流束(H2O)由喷汽盘小孔强制注入煤孔中,裂解效应较显著,同时与煤燃烧时产生的一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO2)发生下列反应:
C+H2O=CO+H2O-131KJ……(1)
C+O2=CO2+393.7KJ……(2)
CO+3H2=CH4+H2O+250.2KJ……(3)
(3)式中反应物甲烷(CH4),是一种高能燃料。具有点火能量低,燃烧速度快,发热值高,极易形成火焰的特点;其次,由于氧(O)的助燃,使煤燃烧更加安全,热效率达到了70%以上;再则,蒸汽流的喷出,加快了碳原子的析出,速度,减少了不完全燃烧的灰渣物理损失。
(四)助燃炉经湖南省常德市标准局测试,比普通蜂窝煤炉省时30%以上,节煤30%以上,一氧化碳(CO)含量平均值在220PPM以下,减少了空气污染。
(五)试验结果表明:助燃炉用作蚕室内升温补湿热源,能调节自如,蚕作十分安全,(热湿交换装置于Ⅱ报中阐述)兼作生活用炉,市场很广阔。助燃炉的研究成功,为室内升温补湿,开发出了一项高效节能省时热源设备,亦为我国开展民用节煤炉的研究,开辟了一个新途径。
(六)水(H2O)在燃烧中的煤孔中,实际裂解出了多少氢(H)和氧(O),且与煤燃烧时产生的一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO2)体,化合生成了多少甲烷(CH4)体助燃,还有待进一步研究。
* 承本所段幼聪副研究员审阅全文,承湖南省常德市标准局测试性能指标,在此一并致谢
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