醇综合供暖设备初步设计探讨

摘要：针对目前西北部农村取暖会对环境造成破坏、可能对群众健康安全造成危害、经济成本偏高且可靠性不高等问题，通过对国内外醇基燃烧设备技术特性的分析，提出了一套风-光-醇综合供暖设备的设计方案，能实现清洁能源的完全利用。该套风-光-醇综合供暖设备主要由太阳能集热器、散热器、内水箱、外水箱、水流通道、锅炉、醇基自气化燃烧器、太阳能发电装置和固体储热块等构成。经初步进行热力计算，该系统可满足西部地区冬季取暖和日常热水需求。

关键词：清洁供暖；醇基自气化燃烧器；太阳能；风能

目前，西北农村采暖未实现煤替代，很多家庭仍利用传统煤炉取暖。该方式存在以下需解决的问题：a)环境问题。传统煤炉燃烧生成NOx，SO2等大气污染物和灰渣等固废，对环境造成破坏。b)安全问题。室内煤炉易因燃烧不充分生成CO有毒气体，如果通风不良，将对群众健康安全造成较大危害。c)成本与可靠性。煤价大幅上升，且传统煤炉燃烧效率偏低，导致经济成本偏高；供热方式单一，如遇故障，供热将被迫停止[1-2]，可靠性不高。然而，西北农村地区光照、风力资源丰富，除大规模风场、光热电站、光伏电站外，缺乏合适设备进行资源利用，导致“弃风”和“弃光”问题严重。另外，西北地区属于重要化工基地，所生产的醇基清洁燃料为工业附加产品，尽管价格低，但仍面临处置困难的问题[3-4]。总体来看，相较于天然气、液化气等燃料，醇基燃料具有燃烧无烟无异味、液体存放不易挥发、不爆炸、安全系数高等优点。基于此背景，本文设计了一套风-光-醇综合供暖设备，以期实现清洁能源的完全利用，充分利用太阳能和风能进行发电，用电能对储液罐中的醇基燃料进行气化，进而使其高效燃烧，减少飞灰和气体污染物生成，环保优势明显，且运行成本较“煤改气”或“煤改电”更具竞争力。

1现有燃烧器分析

现有醇基燃烧设备多采用机械雾化的形式对燃料进行组织燃烧（液化燃烧），因燃料以小液滴形式燃烧，存在燃料未完全燃尽和效率偏低的现象[5]；同时，需要安装送风机，导致系统初投资和运行成本增加[6-7]。

2设计内容

2.1设计思路与工作原理

风-光-醇综合供暖设备示意图如图1所示，其核心设备为醇基自气化燃烧采暖炉。风-光-醇综合供暖设备主要由供暖单元和生用水单元构成，由太阳能集热器、散热器、内水箱以及连接管道组成供暖单元，由外水箱、水流通道（见图2）、生活用水设备以及连接的管道组成生活用水单元[8]。另外，该设备还包括锅炉、燃烧器、太阳能发电装置和固体储热块（见图3）等装置。锅炉包括水箱、炉膛及烟囱。炉膛外壁设有水箱，水箱之间设有固体储热块，固体储热块将水箱分为内水箱和外水箱，固体储热块内穿有风电电热丝和光电电热丝。风力发电装置与风电电热丝相连接；太阳能发电装置分别与蓄电池和光电电热丝连接，以储热为主，储电为辅，只储存少量的电能供热阻丝、水泵、电偶温度传感器等使用，将大量风能和太阳能能源转变成容易储存的热能储存起来，对内水箱和外水箱进行加热。太阳能集热器进水口与市政给水连接，出水口与内水箱的进水口连通，内水箱的出水口与散热器的进水口连通，水流通道的进水口接市政给水，水流通道的出水口与外水箱的进水口连通[9]。外水箱的出水口与生活用水设备进水端连通，通过在炉膛外壁设置内水箱，为供暖提供热水，以及为外水箱提供生活用热水。烟囱壁面设有水流通道，通道内的水与烟囱内的烟气进行热量交换。炉膛内有汽化装置，装置的入口与储存液态醇基燃料的储液罐相通，汽化装置的出口与燃烧装置相通。水流通道的进水口设有1号水泵，内水箱的进水口设有2号水泵，1号水泵和2号水泵都与蓄电池相连。内外水箱外壁都设有水位计，内外水箱以及炉膛、供暖散热器都设有热电偶温度传感器[10]。内水箱温度为76～95℃，外水箱温度为34～50℃。汽化室入口处设有分流挡板，分流挡板与环形管路连接。水箱材料从内到外依次为玻璃钢、聚氨酯泡沫、铸铁。水流通道螺旋盘绕烟囱并倾斜向下与外水箱连接，与水平面的倾斜角度为30°～45°，可使管内水流流动缓慢，增加了与烟囱壁的换热时间，提高了换热效率，同时保证了对生活用水的加热，降低了生活成本。此外，用太阳能集热器和小型风力发电装置进行发电，将产生的电能存放在蓄电池中，蓄电池用以加热储热块中的电阻绕丝，从而进一步使醇基燃料气化并加热水箱中的水。该综合采暖系统的核心是醇基自气化燃烧采暖炉，其设计与优化利用的是醇基沸点较低（60℃左右）的特点，摒弃通用的液化燃烧方式，在燃烧器喷口周围设计汽化室结构，并基于自加热形式对液态醇基进行气化燃烧；同时，根据传热学原理对采暖炉炉胆、对流换热管（火管）进行肋片强化换热设计，获得高效醇基采暖炉[11]。

2.2醇基自气化采暖炉结构尺寸优化设计

此部分以供暖负荷为15kW的醇基采暖锅炉为例进行设计。其中，醇基选用乙醇加部分添加剂，热值为21000kJkg。经热力计算和结构设计，获得采暖炉/效率为96.2%，排烟温度为61℃。采暖炉结构简图如图4所示。由图4可发现，本醇基燃料采暖炉采用立式纵横水火管锅炉，即炉胆内布置纵烟管46根和横水管50根，均为Φ32mm×3mm的管子，烟管长0.78m，横向均匀分布，水管长0.98m，纵燃烧器布置在炉膛底部。醇基燃料进入燃烧器后稳定燃烧，产生高温烟气，进入纵向分布的烟管，再从烟管出去到达炉膛上部水管位置，烟气经过水管后从上部排烟口排出。a)炉腔参数。燃烧室壁面积0.4248m2，燃烧器口面积0.0962m2，炉膛周界面积0.5210m2，炉膛容积0.0404m3，对流受热面积0.8577m2，辐射受热面积0.4248m2，有效辐射层厚度0.3421m，烟气流通截面积0.09621m2，燃烧室直径0.35m，有效辐射受热面0.2761m2，燃烧室吸热量10577.6245kJkg。/b)烟管参数。烟管内径0.026m，烟管数量46个，烟管长度0.78m，烟管受热面积2.9335m2，烟气流通面积0.02442m2，传热系数4.28W/(m2·℃)，传热量3740.4kJkg。/c)水管参数。水管内直径0.026m，水管数量50个，水管长度0.98m，水管受热面积4.002m2，烟气流通面积0.02655m2，放热系数2.506W/(m2·℃)，传热系数2.255W/(m2·℃)，传热量为516.414kJkg。/

2.3醇基自气化燃烧技术设计

本文采用新型醇基自气化燃烧器，该燃烧器的燃料进入燃烧器内部环形套体结构，使燃料受热面积增加，气化更充分，自点火装置点燃燃料，从燃烧器底部的5个均布管喷出火焰，火焰烤灼燃烧室外部，使内部的醇基燃料在自身产生的高温作用下完全气化[12]。燃烧器均布室结构示意图如图5所示。该燃烧器具有以下优点：a)采用环形套体结构，能够利用燃烧产生的少量热量，即可将液体醇基燃料转化为气体，用于燃料的燃烧；b)通过气体均布管和燃烧嘴，将汽化室形成的可燃气体均匀分布于燃烧器的出口，保证良好的混合燃烧；c)为气-气均相反应，燃烧反应强烈，因燃烧中心的负压作用，能够较好地卷吸周围空气支持完全燃烧，不需配备送风机等配套设施，燃烧系统复杂程度降低，便于检修；d)可以随热需求量而改变燃烧器的尺寸大小。

3结语

针对目前西北部农村取暖经济成本偏高且可靠性不高等问题，提出了一套风-光-醇综合供暖设备设计方案，并对核心设备———醇基自气化燃烧采暖炉进行了初步设计，同时对拟采用的醇基自气化燃烧器进行了介绍。经初步进行热力计算，该系统可满足西部地区农户冬季取暖和日常生活需求，达到清洁、节能的目的。

作者：杨新 聂益龙 施海波 赵洋辰 李志伟 唐自晏 王乐乐 李云峰 单位：河北工程大学水利水电学院 南京江昊环保科技有限公司