第一章 概述
第一节 谷物干燥供热技术
燃烧炉是谷物干燥机的心脏，它能够持续提供热能，保证粮食质热传递平衡，达到快速干燥的目的。国外基本采用柴油或天然气作燃料供热，我国根据国情要求改用无烟煤或褐煤作燃料提供热量。在谷物干燥系统（设备）中，主要有间接供热和直接供热两种形式，前者用于间接干燥，后者用于直接干燥。间接供热设备是利用换热器把烟气的热量转换给对应预加热空气，再向干燥机主机提供清洁的热空气，其热效率较低，一般为60%～70%；直接供热设备，即直接把供热烟道气（简称炉气）用于干燥供热，由于把烟气的热量直接用于干燥中，其热效率较高（80%～90%），但如果燃烧不完全将对谷物有一定的污染。为了深入地研究供热设备的结构参数及合理利用热源，有必要了解谷物干燥供热设备类型、炉型结构及热平衡等问题。
一、固体燃烧炉参数
我国谷物干燥机的燃烧炉主要是应用固体燃料燃烧产生的热提供谷物干燥所需的有效热量。不同谷物干燥机所需热量大小直接关系到燃烧炉尺寸，因此将固体燃料燃烧炉设计尺寸的计算方法进行详细介绍。
固体燃料燃烧炉的主要尺寸包括炉膛容积、炉栅（炉排）面积、炉条缝隙及炉栅活截面等，现分别讨论如下。
1.炉膛容积的计算
针对不同类型的固态燃料，经过大量试验，得出了燃煤炉的炉膛热强度（即单位炉膛容积的供热量）和炉排热强度（单位炉排面积的供热量），如表1-1所示。根据供热量要求，并参考这些数据可决定炉灶尺寸。
表1-1 炉排和炉膛的热强度
若干燥机要求炉灶的供热量为Hh（kJ/h），则：
（1-1）
式中 Gm——小时燃料量，kg/h；
——燃料的高位发热量，kJ/kg；
qV——炉膛热强度，即单位体积的炉膛能提供的热量，kJ/（m3·h）；
VL——炉膛容积，m3；
η——炉灶的综合热效率，η=80%～85%。
因此
（1-2）
2.炉栅面积的计算
用上述类似的方法，可导出炉栅应有的面积FL（m2）为：
（1-3）
式中 qF——炉栅热强度，kJ/（m2·h）；
FL——炉栅面积，m2。
3.炉栅缝隙的选择及活截面的计算
为了使炉膛内能进入应有的空气量和不使燃料从炉栅缝隙中漏下而造成损失，炉栅间的缝隙要选择适中；考虑燃料的粒度情况，一般炉栅缝隙为3～15mm。木材和劣质褐煤的炉栅活截面积系数AF为0.28～0.3，而一般烟煤的AF为0.2～0.3。确定炉栅缝隙时，还要注意到通过缝隙的风速为0.3～1.3m/s。
4.炉膛高度的确定
上述炉膛容积和炉栅面积确定后，则炉膛的高度HL（m）按下式确定，即：
（1-4）
在最后决定HL时，要注意使炉膛高度HL稍高一些，以保证燃料能在炉膛内燃烧充分。
二、粮食干燥专用供热设备
在对流式谷物干燥中所用的供热设备，是向干燥机输送炉气或热空气的炉灶，其种类很多，按燃料不同分为固体燃料炉灶、液体燃料炉灶和气体燃料炉灶；按供热方式分为直接供给炉气的炉灶和间接供给热风的炉灶（设有换热器）；按燃烧原理不同又可分为层燃式炉灶和悬燃式炉灶等。现对我国在谷物干燥中常用的几种燃炉结构及其供热过程进行阐述。
1.水平炉排式手烧炉
水平炉排式手烧炉的供热量不大、结构紧凑、操作方便，有两种形式，目前在谷物干燥中尚有应用。一种是以无烟煤为燃料直接向干燥机供给炉气，其结构如图1-1所示，由炉箅、红砖炉壁、耐火砖内壁、火花扑灭装置、风机、二次风进出口、冷风门、烟囱、炉气出口门及炉门、清灰门等组成。另一种是通过列管换热器间接换热后，间接供给干燥机热量的热风炉，其结构如图1-2所示。
图1-1 燃烧直接供给炉气的手烧炉灶结构示意图
1—炉箅；2—二次风进口；3—出灰门；4—炉门；5—红砖炉壁；6—耐火砖内壁；7—二次风出口；8—空气隔层；9—火花扑灭装置；10—烟囱；11—炉气出口门；12—冷风门；13—风机；14—风机出口；15—清灰门
图1-2 燃烧间接供热的手烧炉灶结构示意图
Ⅰ—炉膛；Ⅱ—燃烬室；Ⅲ—沉降室；Ⅳ—换热室；Ⅴ—混合室
水平炉排式手烧炉炉膛的下部设有水平炉排，炉排平面稍许向后下方倾斜，种类有杆条式和孔板式两种。杆条式炉排，炉条间的缝隙较大（为3～15mm），活截面（通风面积）较大，其活截面系数为0.2～0.4，适于木柴或煤炭等大粒状的燃料燃烧。孔板式炉排为铸铁或钢板制成带有长形的整体式炉栅，其活截面系数较小，为0.08～0.15，适于颗粒较小的燃料燃烧。杆条式炉排通过活截面（通风面积）的风速为0.3～1.3m/s；孔板式炉排通过活截面的风速为5m/s左右。该炉作业时炉膛燃煤层厚度为20cm左右。
在炉膛的上方设有二次进风口，使炉膛内燃烧着的燃料除得到下方供风外，还得到上方的补充风，使烟气中未燃尽的炭粒得到充分燃烧。在炉膛的后面设有沉降室和混合室，利用气流转向时的惯性冲力和重力，使较大颗粒的灰尘沉降下来；为使其有较好的沉降作用，沉降室的风速应在0.5m/s以下。
沉降室后面连通着混合室，室内有冷风调节门，以便按干燥介质温度要求适当调配冷风量。在混合室下部还设有火花扑灭器，利用斜倾带孔的反射板使大颗粒的炭粒和火花经碰击后存留在混合室内。调节好的热烟混合气从混合室侧口进入干燥机。为使炉灶生火时，炉内没有充分燃烧的烟气（生烟）不进入干燥室，特在混合室的上方设有烟囱，正常工作时将烟囱里的闸阀关闭。
2.倾斜炉排式手烧炉
倾斜炉排式手烧炉适用于稻壳等散状燃料。炉体内为倾斜炉排，炉排的倾角略大于燃料自然堆角，一般为45°左右。该炉排由若干个水平直炉条组成，各炉条的宽度有一定重叠，以防燃料从缝隙流出。该炉在作业时，燃料在燃烧中自动下落，连续地完成预热、燃烧和燃烬三个阶段。燃料层厚度为10～15cm，其结构如图1-3所示。
图1-3 倾斜炉排式手烧炉灶结构
1—存灰坑；2—倾斜炉箅；3—稻壳斗；4—空气夹层；5—烟囱；6—热风管；7—空气夹层内热空气出气孔；8—出灰门；9，11—挡火墙；10—沉降室；12—空气夹层内空气的进气孔
由于该炉连续地自动补充燃料（而不是间断性加料），其燃烧和供热的稳定性均比较好。该炉适于松散性较好的燃料燃烧，如谷壳、玉米芯和其他松散性农产品废料等。
3.列管式换热热风炉
列管式热风炉是利用热烟气横越多层配置的冷风管，对管内流动的冷风进行加热的。为了充分利用炉体的散热作用，一般将列管式换热器直接与炉体连在一起，或制成整体式。但也有人从检修方便出发，将换热器制成独立式。两者的结构分别如图1-4和图1-5所示。
图1-4 炉体与换热器为整体式
1—换热管；2—风道；3—换热板；4—进气筒；5—风机；6—煤灶
图1-5 换热器为独立式
1—方圆接头；2—烟道室；3—换热器；4—热风炉器；5—燃烧室；6—助燃进风口；7—支架；8—沉降室
列管式热风炉大都是错流换热，目前虽有多种机型但都存在着一些问题，主要是风管的外壁经过长期使用后积存有烟垢，而清理烟垢又比较困难。该炉的换热效率约为60%～70%，随着使用时间的延续、风管壁烟垢的增加，热效率逐渐下降，一般为50%左右。该炉可提供的热风温度为200℃以内，如温度过高则热风管有烧毁或变形的危险。
4.无管式热风炉
无管式热风炉为全金属炉型，其是利用几层环形风道与烟道之间的间壁进行换热的，具体结构如图1-6所示。该炉为圆柱形，由内部的炉膛及其外围三层环形通道（两层冷风道、一层烟气道）、炉栅、炉门、热风出口及烟气引风机等组成。
图1-6 无管式热风炉结构示意图
1—出灰口；2—进煤口；3—炉体；4—螺旋导风板；5—炉盖；6—热风出口（接通风机进口）；7—排烟口（接排烟风机）；8—外界空气进口；9—助燃风机；10—散热片
无管式热风炉的换热过程是炉膛内的烟气由炉膛上方的引烟管（多个弯形管）引入环形烟道（即从里层算，第Ⅱ层环形通道），由该烟道向下运动经其下部的引烟机引出机外；冷空气由第Ⅲ层环形通道（最外层）的上面入口吸入，然后由该风道向下方流动，流至下方后经冷风弯管（多个）引入到第Ⅰ层（最里层）风道，此后沿该层风道向上流动，并由上方热风出口6引出。该炉利用炉膛与三个环形通气道（Ⅰ、Ⅲ层为冷风道，Ⅱ层为烟气道）的烟和冷风间壁进行换热，一般可使热风温度达200℃左右；而烟气与空气换热后温度达15～250℃左右，由烟气引风机引出。该机为逆顺换热，热风温度较高，散热损失较小，热效率为60%～70%。
无管式热风炉现在已发展为管、板相结合的换热器结构，生产的机器型号较多，有小型10×104kcal/h（对应额定供热量为420MJ/h）到大型120×104kcal/h（对应额定供热量为5040MJ/h）的系列产品；由于成本低、结构简单，大都采用手烧式。哈尔滨市松花江热风炉厂生产的LRFL手烧式系列热风炉主要技术性能如表1-2所示。
表1-2 LRFL手烧式系列热风炉主要技术性能
注：送风量指风温增升0～50℃的数据；耗电量指上述条件下的数据；耗煤量指煤热值5000kcal/kg的数据，条件变化时另行计算；额定供热量一栏带括号的数据单位为kcal/h（1kcal=4.1868kJ，下同）。
5.机烧式及热管式热风炉
机烧式热风炉，其供热量较大，为60×104kcal/h（对应额定供应量为2520MJ/h）以上；采用机械上煤（链板或链斗式）、机械添煤（链条炉排或往复炉排）和机械除渣（搅龙式或链板式），大大改善了司炉工的操作条件和环卫环境，并能提高其供热的稳定性。其热效率一般为60%～70%。
该炉的典型结构为卧式，如图1-7所示，主要由炉膛、沉降室、换热器（多为列管式）、链条炉排及除渣机等组成。一般是将炉体与换热器分开，便于维修和管理；也有的热风炉为提高炉膛内部热辐射的热利用率，将换热器直接装在炉体之上，成为一个整体，但维修比较困难。
图1-7 链条卧式热风炉结构简图
1—链条炉排；2—前拱；3—炉膛；4—后拱；5—沉降室；6—碳钢管；7—列管式换热器；8—除渣机
黑龙江省某热风炉厂生产的WRFL系列机烧热风炉产品的规格及性能见表1-3。
表1-3 WRFL系列机烧热风炉的规格及性能
热管式热风炉的热效率较高，比普通热风炉高5%～10%以上，金属消耗量较少，但其制造成本较一般热风炉高1.5～2倍。热管式换热器为当今的高新技术，著者研究团队研制出一种组合热管式热风炉，其炉体为卧式结构燃煤炉，采用两组换热器串联工作，第一组换热器为热管式，第二组换热器为列管式，其结构如图1-8所示。高温烟气经过第一组热管式换热器烟道端，一次加热热管壳程内冷空气，加热后的空气又进入列管式换热器多级壳程再次加热，变成热风进入干燥机中。
图1-8 热管式热风炉结构简图
1—往复炉排；2—前拱；3—炉壁；4—后拱；5—沉降室；6—热管；7—热管式换热器；8—碳钢管；9—列管式换热器
6.燃油炉
目前应用较广泛的燃油炉是喷射式燃油炉，其所用燃料主要是柴油，为直接供热式。由于液体燃料的燃烧比较充分，烟气中所含有害物质甚微，基本上不存在对谷物的污染。因此这种炉型在国外应用较多，如意大利Agrex S.P.A生产的PRT250/ME干燥机上应用燃油炉。但国内生产的干燥机由于柴油油价较高，目前应用较少，仅黑龙江省北大荒集团农场有应用。
燃油炉由燃油器（或称喷油器）和燃烧室两大部分组成，其配置关系如图1-9所示。工作时首先由自动点火器（或人工点火）将燃油器喷出的雾状油气点燃，然后进入燃烧室，在该室内与引入的大量空气充分混合并燃烧。燃烧后的产物——烟气（炉气）由引风机引出并送向干燥机。为了提高该炉的热效率，在燃烧室的外层空气道内设有辐射板，可将燃烧室外散的热量经辐射板再返燃油器。其结构如图1-10所示。此类燃油炉，我国已有定型产品，如上海产的HYL-5型及HYL-20～50型等。用燃油炉供热干燥谷物，其成本较高，为燃煤炉供热成本的两倍以上。
图1-9 直接供热式燃油炉结构示意图
1—油箱；2—燃烧室；3—辐射板；4—燃油器；5—风机；6—电源线
图1-10 HYL-5型燃油器
1—电动机；2—油泵；3—输油软管；4—油泵出口管；5—助燃风机；6—调压阀组合；7—电磁阀；8—喷油嘴座组合；9—点火变压器；10—喷油嘴；11—扩散口；12—稳压器；13—点火棒；14—高压线；15—光敏管组合