CN113266830A - 一种基于综合热管理的森林可燃物自供能燃烧小车 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于综合热管理的森林可燃物自供能燃烧小车，属于森林防火设备领域。该小车包括进料单元、燃烧单元和动力单元，其中：进料单元收集地面落叶并将其送入燃烧单元；燃烧单元包括气化焚烧炉和铺灰组件，该气化焚烧炉的侧壁开设有二次风入口、第一进风口、第二进风口和进料口，同时其内部设置有第一带孔金属板和第二带孔金属板，进而将落叶气化为阻燃灰；铺灰组件设置在气化焚烧炉的下方，用于冷却阻燃灰并将其铺盖在地面上；动力单元的热利用组件与烟气出口连接，以利用烟气的热量为驱动组件提供电能；其驱动组件则将电能转化为动能。本发明能通过降低灰分的含碳量以获得阻燃灰，将其铺在地面能够降低森林火灾发生的可能性。

Description

一种基于综合热管理的森林可燃物自供能燃烧小车
技术领域
本发明属于森林防火设备领域，更具体地，涉及一种基于综合热管理的森林可燃物自供能燃烧小车。
背景技术
森林火灾具有突发性强、破坏力大、处置及救助较为困难的问题，易导致大量经济、森林资源损失，严重危害民众生命财产安全。为减少火灾造成的森林资源损失，森林火灾防控特别是可燃物管控工作将是我国未来工作中的重中之重。我国现有可燃物管理方法主要包括机械清除法，计划火烧法等。其中，机械清除法会造成生态破坏且处置难度及成本高；计划烧除法专业要求高，需要严格的技术规范及相关的安全措施才能保证烧除过程中的安全性，各地对计划烧除也有严格的规范这也限制了计划烧除法在全国的推行。因此需要一种安全高效的可燃物处置方法或技术以满足对森林可燃物的处置需求。
在森林防火技术领域，CN103885471A公开了一种基于森林火险的森林可燃物湿度自动调节系统及方法，该系统通过自动喷洒装置、自动气象站、火险计算和判别装置实现自动根据火险等级、可燃物干燥程度及火灾发生的危险性自动喷洒不同强度的水雾以对可燃物的湿度进行调控，降低森林火灾发生的风险。但是该系统依托于自动气象站的建立与气候预测的准确性，并且自动喷洒装置所需水源需进行人工补给。因此，无法有效解决森林可燃物燃烧的风险。CN211787404U公开了一种可自动清理落叶的森林用火灾预警装置，该装置通过抽风机及清扫板等装置，能够对森林中的落叶进行便捷的吸收处理和摆动回收处理，可高效清理回收落叶，但该装置无法对回收落叶进行直接处理，需将落叶运出森林后再进行处置，因此不适用在森林中连续处置作业。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于综合热管理的森林可燃物自供能燃烧小车，旨在解决现有的落叶清理装置安全性较差、无法连续作业的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于综合热管理的森林可燃物自供能燃烧小车，该森林可燃物自供能燃烧小车包括进料单元、燃烧单元和动力单元，其中：
所述进料单元的一端设置在地面上，其另一端与所述燃烧单元连接，从而收集地面落叶并将其送入所述燃烧单元；
所述燃烧单元包括气化焚烧炉和铺灰组件，所述气化焚烧炉的顶端设置有烟气出口，该气化焚烧炉的侧壁开设有二次风入口、第一进风口、第二进风口和进料口，同时该气化焚烧炉的内部由上至下依次倾斜设置有第一带孔金属板和第二带孔金属板；所述二次风入口设置在所述第一带孔金属板的上方，所述第一进风口设置在该第一带孔金属板的下方，所述第二进风口设置在所述第二带孔金属板的下方；所述进料口设置在所述二次风入口和第一带孔金属板之间；工作时落叶通过所述进料口进入炉膛并被点燃，在所述第一带孔金属板上进行初步气化，然后落在所述第二带孔金属板上进一步气化为阻燃灰，最后落入所述铺灰组件；气化过程中通过控制第一进风口和第二进风口作为一次风的进风量，保证所述第一带孔金属板和第二带孔金属板的区域处于缺氧环境，有效降低阻燃灰的含碳量；同时通过所述二次风入口提供的二次风保证挥发分充分燃烧；所述铺灰组件设置在所述气化焚烧炉的下方，用于冷却阻燃灰并将其铺盖在地面上；
所述动力单元包括热利用组件和驱动组件，所述热利用组件与所述烟气出口连接，以利用烟气的热量为所述驱动组件提供电能；所述驱动组件将电能转化为动能，以驱动所述森林可燃物自供能燃烧小车。
作为进一步优选的，所述第一进风口与第二进风口的进风量之比为0.6～1.0；所述一次风与进料量的比值为0.3～0.7。
作为进一步优选的，所述进料单元包括传送带、扫叶滚筒、落叶暂存仓、碎吸机和进料口，其中，所述传送带的一端与所述扫叶滚筒连接，其另一端的下方设置有落叶暂存仓，以收集地面落叶并通过所述传送带运输到所述落叶暂存仓中；所述碎吸机设置在所述落叶暂存仓的上方，并与所述进料口连接，同时该进料口的内部设有转轮，工作时所述碎吸机将所述落叶暂存仓中的落叶吸入并粉碎，然后送入所述进料口，并通过调节所述转轮的转速控制进料速率。
作为进一步优选的，所述铺灰组件包括灰斗和风机，所述灰斗与所述气化焚烧炉的底部连接，同时所述风机设置在所述灰斗的下方，工作时所述阻燃灰由所述风机降温后，经过灰斗底部开口铺盖在地面上。
作为进一步优选的，所述热利用组件包括温差发电片、烟道、引水管、水箱、离心水泵和膨胀罐，其中，所述温差发电片设置在烟道与引水管之间，以利用烟气和冷却水的温差进行发电；所述烟道与所述烟气出口连接，从而为所述温差发电片提供热能；所述引水管连接水箱、离心水泵和膨胀罐构成冷却水循环，从而为所述温差发电片提供冷能。
作为进一步优选的，所述热利用组件还包括设置在所述烟道外部的第一换热器和第二换热器，所述第一换热器设置在所述落叶暂存仓的下方，以利用烟气的热量烘干落叶；所述第二换热器与所述气化焚烧炉的引风机连接，以利用烟气的热量烘干空气。
作为进一步优选的，所述森林可燃物自供能燃烧小车集成装置还包括尾气处理单元，所述尾气处理单元包括设置在所述烟道内部的三元催化器和除尘器，分别用于去除烟气中的有害气体和灰尘。
作为进一步优选的，所述森林可燃物自供能燃烧小车还包括控制单元，所述控制单元用于远程遥控所述森林可燃物自供能燃烧小车，并实时传输小车的位置和状态。
提供总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
1.本发明提供了一种基于综合热管理的森林可燃物自供能燃烧小车装置，该装置考虑到森林可燃物燃烧风险较高的问题，对气化焚烧炉的结构进行了相应改进，使得落叶从进料口进入炉膛后，在第一带孔金属板处完成大部分的气化过程，剩余灰分与未气化落叶在第二带孔金属板处气化完全，从而有效降低灰分的含碳量以获得阻燃灰，经测试铺上该阻燃灰后点燃时间能够延长60s～90s，因而将其铺在地面上能够有效降低森林火灾发生的可能性；同时通过对烟气的热能进行综合利用，不仅能够降低出口烟气及灰分的温度，排除高温烟气与灰分所带来的安全隐患，同时避免造成能源浪费，以此实现小车自供能；
2.尤其是，本发明根据森林可燃物收集的特殊应用环境，对进风量以及进风量与进料量的比值进行优化，能够有效降低阻燃灰的含碳量，提高其阻燃性能，上述参数相互作用获得的阻燃灰能够将着火时间延迟一倍以上，并使得热释放速率下降30％左右，进而有效降低森林火灾发生的可能性；
3.此外，本发明对热利用组件的具体结构进行优化，能够实现燃烧热能综合梯级利用，实现对森林无人环境中落叶等可燃物的安全、高校、清洁的就地燃烧，并实现小车的自供能。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于综合热管理的森林可燃物自供能燃烧小车的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的气化焚烧炉的结构示意图；
图3是本发明实施例中制得阻燃灰的热释放速率图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-扫叶滚筒，2-传送带，3-落叶暂存仓，4-碎吸机，5-转轮，6-进料口，7-气化焚烧炉，8-除尘器，9-热障涂层，10-温差发电管，11-引水管，12-烟道，13-温差发电片，14-离心水泵，15-水箱，16-驱动组件，17-灰分暂存仓，18-三元催化器，19-第一换热器，20-第二换热器，21-引风机，22-控制单元，23-二次风入口，24-烟气出口，25-第二带孔金属板，26-第二进风口，27-风机，28-灰斗，29-第一进风口，30-第一带孔金属孔板，31-点燃器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种基于综合热管理的森林可燃物自供能燃烧小车，该森林可燃物自供能燃烧小车包括进料单元、燃烧单元和动力单元，其中：
进料单元的一端设置在地面上，其另一端与燃烧单元连接，从而收集地面落叶并将其送入燃烧单元；该进料单元包括传送带2、扫叶滚筒1、落叶暂存仓3、碎吸机4和进料口6，其中，传送带2的一端与扫叶滚筒1连接，其另一端的下方设置有落叶暂存仓3，以收集地面落叶并通过传送带2运输到落叶暂存仓3中；碎吸机4设置在落叶暂存仓3的上方，并与进料口6连接，同时该进料口6的内部设有转轮5，工作时碎吸机4将落叶暂存仓3中的落叶吸入并粉碎，然后送入进料口6，并通过调节转轮5的转速控制进料速率；
燃烧单元包括气化焚烧炉7和铺灰组件，气化焚烧炉7的璧面涂有热障涂层9，气化焚烧炉7的顶端设置有烟气出口24，该气化焚烧炉7的侧壁开设有二次风入口23、第一进风口29、第二进风口26和进料口6，同时该气化焚烧炉7的内部由上至下依次倾斜设置有第一带孔金属板30和第二带孔金属板25；二次风入口23设置在第一带孔金属板30的上方，第一进风口29设置在该第一带孔金属板30的下方，第二进风口26设置在第二带孔金属板25的下方；进料口6设置在二次风入口23和第一带孔金属板30之间；工作时落叶通过进料口6进入炉膛并被点燃器31点燃，在第一带孔金属板30上进行初步气化，然后在重力和风的作用下，初步气化产物落在第二带孔金属板25上进一步气化为阻燃灰，从而保证落叶气化完全，降低灰分含碳量，最后落入铺灰组件；气化过程中通过控制第一进风口29和第二进风口26作为一次风的进风量，保证第一带孔金属板30和第二带孔金属板25的区域处于缺氧环境，有效降低阻燃灰的含碳量；同时通过二次风入口23提供的二次风保证挥发分充分燃烧，避免产生能量浪费；铺灰组件设置在气化焚烧炉7的下方，包括灰斗28和风机27，灰斗28与气化焚烧炉7的底部连接，同时风机27设置在灰斗28的下方，工作时阻燃灰由风机27降温后，经过灰斗28底部开口铺盖在地面上；
动力单元包括热利用组件和驱动组件16，热利用组件与烟气出口24连接，以利用烟气的热量为驱动组件提供电能，其包括由温差发电片13、烟道12、引水管11组成的温差发电管，还包括水箱15、离心水泵14和膨胀罐17，其中，温差发电片13设置在烟道12与引水管11之间，以利用烟气和冷却水的温差进行发电；烟道12与烟气出口24连接，从而为温差发电片13提供热能；引水管11连接水箱15、离心水泵14和膨胀罐17构成冷却水循环，为温差发电片13提供冷能；驱动组件16将电能转化为动能，以驱动森林可燃物自供能燃烧小车。
进一步，根据落叶的特性以及森林防火的特殊应用环境，将第一进风口29与第二进风口26的进风量之比优选为0.6～1.0，从而保证落叶气化反应顺利进行的同时，避免气化反应发生不完全，造成灰分含碳量过高，降低其阻燃效果，进而提高森林火灾发生的风险；同时一次风与进料量的比值优选为0.3～0.7，从而保证气化反应的顺利进行。图3是基于锥形量热仪获得的灰分阻燃性能的测试结果，该灰分为采用本发明提供的基于综合热管理的森林可燃物自供能燃烧小车对不同种类落叶进行收集获得的阻燃灰，其中第一进风口与第二进风口的进风量之比为0.8，一次风与进料量的比值为0.6。由图3可知，木板铺上阻燃灰之后，热释放速率明显下降，糖槭灰分最高下降了30％左右，其他灰分的热释放速率下降的比例相近，均为25％左右。铺上灰分后木板燃烧放缓，相同时间释放的热量有所减少，这表明灰分的加入阻止了木板热量的生成和释放，即使燃烧后灰分的存在也能在一定程度上抑制火焰的扩散。
进一步，热利用组件还包括设置在烟道12外部的第一换热器19和第二换热器20，第一换热器19设置在落叶暂存仓3的下方，以利用烟气的热量烘干落叶；第二换热器20与气化焚烧炉7的引风机21连接，以利用烟气的热量烘干空气。
进一步，森林可燃物自供能燃烧小车集成装置还包括尾气处理单元，尾气处理单元包括设置在烟道12内部的三元催化器18和除尘器8，分别用于去除烟气中的有害气体和灰尘。
进一步，森林可燃物自供能燃烧小车还包括控制单元22，控制单元22用于远程遥控森林可燃物自供能燃烧小车，并实时传输小车的位置和状态。
下面对本发明提供的基于综合热管理的森林可燃物自供能燃烧小车装置的工作过程进行介绍。
首先通过扫叶滚筒1与传送带2将地面落叶扫至落叶暂存仓3中，由第一换热器19干燥落叶后再经碎吸机4吸入气化焚烧炉7中，落叶由点燃器31引燃，产物灰分落至灰分冷却与排出系统降温排放，燃烧高温烟气首先经过温差发电管10，利用温差发电片13产生电能将储存在蓄电池中，接着烟气通过三元催化器18与除尘器8实现净化除尘，最后烟气通入第一换热器19与落叶暂存仓3内落叶换热，烘干落叶，接着通入第二换热器20与空气换热，提高进气温度，而后经引风机21排入大气。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于综合热管理的森林可燃物自供能燃烧小车，其特征在于，该森林可燃物自供能燃烧小车包括进料单元、燃烧单元和动力单元，其中：
所述进料单元的一端设置在地面上，其另一端与所述燃烧单元连接，从而收集地面落叶并将其送入所述燃烧单元；
所述燃烧单元包括气化焚烧炉(7)和铺灰组件，所述气化焚烧炉(7)的顶端设置有烟气出口(24)，该气化焚烧炉(7)的侧壁开设有二次风入口(23)、第一进风口(29)、第二进风口(26)和进料口(6)，同时该气化焚烧炉(7)的内部由上至下依次倾斜设置有第一带孔金属板(30)和第二带孔金属板(25)；所述二次风入口(23)设置在所述第一带孔金属板(30)的上方，所述第一进风口(29)设置在该第一带孔金属板(30)的下方，所述第二进风口(26)设置在所述第二带孔金属板(25)的下方；所述进料口(6)设置在所述二次风入口(23)和第一带孔金属板(30)之间；工作时落叶通过所述进料口(6)进入炉膛并被点燃，在所述第一带孔金属板(30)上进行初步气化，然后落在所述第二带孔金属板(25)上进一步气化为阻燃灰，最后落入所述铺灰组件；气化过程中通过控制第一进风口(29)和第二进风口(26)作为一次风的进风量，保证所述第一带孔金属板(30)和第二带孔金属板(25)的区域处于缺氧环境，从而有效降低阻燃灰的含碳量；同时通过所述二次风入口(23)提供的二次风保证挥发分充分燃烧；所述铺灰组件设置在所述气化焚烧炉(7)的下方，用于冷却阻燃灰并将其铺盖在地面上；
所述动力单元包括热利用组件和驱动组件(16)，所述热利用组件与所述烟气出口(24)连接，以利用烟气的热量为所述驱动组件提供电能；所述驱动组件(16)将电能转化为动能，以驱动所述森林可燃物自供能燃烧小车。
2.如权利要求1所述的基于综合热管理的森林可燃物自供能燃烧小车，其特征在于，所述第一进风口(29)与第二进风口(26)的进风量之比为0.6～1.0；所述一次风与进料量的比值为0.3～0.7。
3.如权利要求1所述的基于综合热管理的森林可燃物自供能燃烧小车，其特征在于，所述进料单元包括传送带(2)、扫叶滚筒(1)、落叶暂存仓(3)、碎吸机(4)和进料口(6)，其中，所述传送带(2)的一端与所述扫叶滚筒(1)连接，其另一端的下方设置有落叶暂存仓(3)，以收集地面落叶并通过所述传送带(2)运输到所述落叶暂存仓(3)中；所述碎吸机(4)设置在所述落叶暂存仓(3)的上方，并与所述进料口(6)连接，同时该进料口(6)的内部设有转轮(5)，工作时所述碎吸机(4)将所述落叶暂存仓(3)中的落叶吸入并粉碎，然后送入所述进料口(6)，并通过调节所述转轮(5)的转速控制进料速率。
4.如权利要求1所述的基于综合热管理的森林可燃物自供能燃烧小车，其特征在于，所述铺灰组件包括灰斗(28)和风机(27)，所述灰斗(28)与所述气化焚烧炉(7)的底部连接，同时所述风机(27)设置在所述灰斗(28)的下方，工作时所述阻燃灰由所述风机(27)降温后，经过灰斗(28)底部开口铺盖在地面上。
5.如权利要求1所述的基于综合热管理的森林可燃物自供能燃烧小车，其特征在于，所述热利用组件包括温差发电片(13)、烟道(12)、引水管(11)、水箱(15)、离心水泵(14)和膨胀罐(17)，其中，所述温差发电片(13)设置在烟道(12)与引水管(11)之间，以利用烟气和冷却水的温差进行发电；所述烟道(12)与所述烟气出口(24)连接，从而为所述温差发电片(13)提供热能；所述引水管(11)连接水箱(15)、离心水泵(14)和膨胀罐(17)构成冷却水循环，从而为所述温差发电片(13)提供冷能。
6.如权利要求5所述的基于综合热管理的森林可燃物自供能燃烧小车，其特征在于，所述热利用组件还包括设置在所述烟道(12)外部的第一换热器(19)和第二换热器(20)，所述第一换热器(19)设置在所述落叶暂存仓(3)的下方，以利用烟气的热量烘干落叶；所述第二换热器(20)与所述气化焚烧炉(7)的引风机(21)连接，以利用烟气的热量烘干空气。
7.如权利要求5所述的基于综合热管理的森林可燃物自供能燃烧小车，其特征在于，所述森林可燃物自供能燃烧小车集成装置还包括尾气处理单元，所述尾气处理单元包括设置在所述烟道(12)内部的三元催化器(18)和除尘器(8)，分别用于去除烟气中的有害气体和灰尘。
8.如权利要求1～7任一项所述的基于综合热管理的森林可燃物自供能燃烧小车，其特征在于，所述森林可燃物自供能燃烧小车还包括控制单元(22)，所述控制单元(22)用于远程遥控所述森林可燃物自供能燃烧小车，并实时传输小车的位置和状态。
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