李亞猛^1，2，周雪花^1，2，胡建軍^1，2，朱勝楠^1，2，荊艷艷^1，2，張全國^1，2

（1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，鄭州450002；2.生物質(zhì)能源河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，鄭州450002）

　　摘要：針對當(dāng)前生物質(zhì)燃燒爐灶熱效率低、火力強(qiáng)度達(dá)不到要求、供風(fēng)不充足燃燒不完全、功能單一等問題，依據(jù)集中供餐炊事對清潔生物質(zhì)顆粒燃料爐灶的需求，研制了一種以層燃為燃燒方式，集炒菜、蒸飯、燒水、供熱等功能于一體的生物質(zhì)顆粒直燃爐灶。運(yùn)行性能試驗(yàn)結(jié)果表明：該爐灶的炊事熱效率為42.9％，綜合熱效率達(dá)70.7％，炊事強(qiáng)度為14.1kW，煙氣排放指標(biāo)低于國家標(biāo)準(zhǔn)，生物質(zhì)顆粒燃燒較為充分，可為以生物質(zhì)顆粒為燃料的集中供餐炊事爐灶的設(shè)計與應(yīng)用提供科學(xué)參考。

　　引言

　　能源是經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會進(jìn)步的基礎(chǔ)，但由于常規(guī)化能源的理論存儲量有限并日漸枯竭，對可再生資源的開發(fā)利用已迫在眉睫。生物質(zhì)能源作為一種可再生且環(huán)境友好的能源，受到廣泛關(guān)注。我國具有豐富的農(nóng)作物秸稈資源，2015年農(nóng)作物秸稈理論資源量10.4億t，可收集資源量9.0億t，利用量為7.2億t，其中秸稈燃料化利用量1.0億t（折合0.5億t標(biāo)準(zhǔn)煤），占可收集資源量的11.4％^[1]。秸稈類生物質(zhì)具有揮發(fā)性高、碳活性高、灰分低、S含量低，在整個碳循環(huán)過程中CO₂零排放等優(yōu)點(diǎn)，是一種優(yōu)質(zhì)清潔燃料。因此，將秸稈類生物質(zhì)通過直接燃燒方式利用，是其最簡便高效的燃料化利用方式之一^[2－4]。

　　由于秸稈的疏松性和分散性對其收儲運(yùn)和燃燒帶來一些問題^[5]，采用物理、化學(xué)的方法將秸稈粘化，在高溫高壓下或加粘結(jié)劑條件下，壓縮成粒狀或塊狀等具有一定密實(shí)度的顆粒狀燃料^[6－8]，便于運(yùn)輸和儲存，燃燒效率高^[9－10]。為了使民用爐灶能夠使用顆粒型燃料，政府推動了改灶節(jié)柴等工作，但通過對改造出的節(jié)柴灶和爐具燃燒過程進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其熱效率為20％左右，且由于供風(fēng)的不均性造成燃料的不完全燃燒以及煙氣排放不達(dá)標(biāo)，同時存在著功能的單一性，達(dá)不到多種炊事和供熱水以及供暖同時進(jìn)行^[11－12]。市場上出現(xiàn)的爐灶主要是一些家庭小型用爐，不能滿足一些集體供餐單位對炊事強(qiáng)度以及對爐灶的功能的要求。因此，本文擬設(shè)計一種既能滿足集體供餐需要、保證多項(xiàng)炊事同時進(jìn)行，還能夠兼顧供暖供熱水的生物質(zhì)顆粒爐灶，并對其運(yùn)行性能進(jìn)行評估。

　　1設(shè)計依據(jù)

　　1.1生物質(zhì)顆粒燃料燃燒特性

　　生物質(zhì)爐灶的設(shè)計需要結(jié)合生物質(zhì)燃燒特性。生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)理的實(shí)質(zhì)屬于靜態(tài)滲透壓擴(kuò)散燃燒^[13－14]，其燃燒過程可分為干燥脫水、揮發(fā)分析出燃燒、焦炭燃燒和燃盡4個階段^[15－17]：

　　①生物質(zhì)顆粒在燃燒爐膛內(nèi)，隨著溫度的升高，水分逐漸被蒸發(fā)。

　　②燃燒室溫度上升到250℃左右時，揮發(fā)分析出，揮發(fā)物與氧氣結(jié)合，燃燒進(jìn)入過渡區(qū)與擴(kuò)散區(qū)。

　　③滲透擴(kuò)散燃燒，焦炭的燃燒占主要地位，在顆粒表面進(jìn)行一氧化碳的燃燒，燃燒持續(xù)穩(wěn)定，爐溫較高。

　　④燃盡的灰殼不斷加厚，可燃物基本燃盡，形成整體的灰殼，灰殼表面看不到火焰，燃料變成暗紅色，燃燒過程結(jié)束^[18－19]。試驗(yàn)所用的玉米秸稈顆粒燃料粒徑5～15mm，長度20～30mm，密度800kg/m³，工業(yè)分析和元素分析結(jié)果如表1所示。

　　1.2生物質(zhì)顆粒燃料爐灶設(shè)計原則

　　由于大多數(shù)集中供餐在炊事時均需要一次生火能把炒菜、煮飯以及用熱水問題解決，依據(jù)生物質(zhì)顆粒燃料的燃燒基本特性，爐灶的設(shè)計需滿足以下原則：①點(diǎn)火容易，上火快，燃燒穩(wěn)定、完全，火力足，空氣能均勻流暢地進(jìn)入爐內(nèi)，不冒黑煙，能源利用效率高。②功能齊全，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，成本低廉，安全可靠，實(shí)用耐用。③熱效率高，熱性能穩(wěn)定。

　　2生物質(zhì)顆粒直燃爐灶設(shè)計

　　2.1整體結(jié)構(gòu)

　　結(jié)合生物質(zhì)顆粒燃料的燃燒特性以及炊事的需要，設(shè)計的生物質(zhì)顆粒直燃爐灶結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由蒸發(fā)器、燃燒爐膛、一次和二次進(jìn)風(fēng)風(fēng)機(jī)、三次補(bǔ)風(fēng)機(jī)、觀火孔、二次裝料碳化倉等組成。

　　該爐灶采用間歇進(jìn)料，燃料從聚火口以及輔料倉的進(jìn)料口進(jìn)料，輔料倉的設(shè)計是確保滿足炊事對燃料的需求，當(dāng)料倉的燃料不能滿足炊事需要時，可以通過輔料倉上的進(jìn)料口進(jìn)料，燃料會逐漸滑入爐膛燃燒。同時爐膛燃燒時可以對輔料倉的燃料進(jìn)行干燥及氣化，提高能量利用效率；采用上點(diǎn)火方式，顆粒從上往下燃燒；灰室在爐膛的下部，爐蓖安裝在抽屜式灰倉的上面；在爐膛的正前方設(shè)有一號風(fēng)機(jī)（12W），可以通過調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)上的控制旋鈕，來實(shí)現(xiàn)一次風(fēng)和二次風(fēng)的大小以及配比；在出火口上方設(shè)置了觀火孔，觀察燃燒過程中供風(fēng)是否充足，并配有二號風(fēng)機(jī)（12W）來實(shí)現(xiàn)三次供風(fēng)；在爐膛的上方設(shè)置了與鍋底部緊密接觸的支架式環(huán)形蒸發(fā)器，利用火焰以及煙氣對蒸發(fā)器加熱，水從下面的進(jìn)水口進(jìn)入蒸發(fā)器，蒸發(fā)器與爐灶外面的水位計相通，以確保進(jìn)水量適中，燃燒過程中產(chǎn)生的高溫蒸汽，從蒸發(fā)器上出口冒出，高溫蒸汽用來蒸飯、煮粥以及供熱水，實(shí)現(xiàn)了炒菜與蒸飯等同時進(jìn)行，縮短了炊事時間，在蒸汽出口處設(shè)有蒸汽壓力閥，當(dāng)壓力超過安全值，泄壓裝置自動泄壓。該設(shè)備所有零部件采用模具來完成沖壓、拉伸、材料自動剪切，自動卷圓焊接，爐具裝配采用模塊式和流水線裝配工藝，保證了產(chǎn)品質(zhì)量和外觀的統(tǒng)一性。

　　2.2爐膛設(shè)計

　　生物質(zhì)顆粒燃料的燃燒特性要求確保供風(fēng)的均勻性，故將爐膛的上下部分設(shè)計成錐形。爐膛的大小由爐膛的容積熱負(fù)荷決定，爐膛的容積熱負(fù)荷過大，則燃料在爐內(nèi)停留的時間短，燃燒不充分；反之，爐膛容積熱負(fù)荷過小，爐膛容積過大，燃燒分散，火力不集中。因爐具是為了滿足集中供餐需要，所以燃料的消耗量取9kg/h，爐灶的熱效率取0.65，爐灶的容積熱負(fù)荷一般在250～400W/m³，本設(shè)計容積熱負(fù)荷取380kW/m^3[20]。

　　爐膛容積為

　　2.3進(jìn)風(fēng)套設(shè)計

　　針對大多數(shù)生物質(zhì)顆粒爐供風(fēng)不足與不均勻性的問題，設(shè)計了高度為19cm，上圓半徑為25cm的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格錐面進(jìn)風(fēng)套，如圖2所示。

　　在同一水平面上，相隔相同的距離設(shè)有大小一致的進(jìn)風(fēng)孔，一次進(jìn)風(fēng)和二次進(jìn)風(fēng)處都設(shè)置錐形進(jìn)風(fēng)套，這樣風(fēng)以旋轉(zhuǎn)的方式通過進(jìn)風(fēng)孔進(jìn)入爐體內(nèi)，達(dá)到了每個進(jìn)風(fēng)孔通風(fēng)量的均勻，從而保證了燃料燃燒的均勻。一次風(fēng)與二次風(fēng)的供給是通過12W的風(fēng)機(jī)來控制，它們之間的配比通過風(fēng)機(jī)上的調(diào)節(jié)旋鈕來控制。

　　2.4吊火高度和聚火口設(shè)計

　　吊火高度指鍋底與爐排之間的垂直距離。以燃燒火苗的高溫區(qū)正達(dá)鍋的底部為正合適，根據(jù)生物質(zhì)顆粒燃料的燃燒特性，一般小型生物質(zhì)爐的吊火高度在28～30cm^[21]，同時鍋的尺寸會對吊火高度產(chǎn)生影響，本設(shè)計爐膛高度取40cm。由于選用燃料層燃的燃燒方式，會產(chǎn)生可燃性揮發(fā)性氣體，本爐灶專門設(shè)計了喇叭形的聚火口（Φ14cm），有利于聚集火焰，拔高了火苗的高度。

　　2.5煙囪截面積計算

　　3生物質(zhì)顆粒直燃爐灶性能試驗(yàn)

　　3.1試驗(yàn)依據(jù)

　　依據(jù)文獻(xiàn)[22]對爐具的炊事熱效率進(jìn)行測試。爐具的煙氣排放檢測采用文獻(xiàn)[23]的方法計算。整體試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用在線儀表計量與現(xiàn)場計量。

　　3.2試驗(yàn)系統(tǒng)

　　采用的試驗(yàn)裝置主要有爐灶主體（包括爐膛、蒸發(fā)器、煙道、風(fēng)道等）、溫度測試系統(tǒng)（包括溫度計和熱電偶）、煙氣分析儀等測試系統(tǒng)。圖3為測試樣機(jī)。

　　3.3試驗(yàn)測試儀器

　　水桶2個，每個容量為0.01m³；臺秤1臺，測量范圍0～10kg；XK3190A12E型電子落地臺秤，精度10ｇ；時鐘1個，日差小于1min；風(fēng)速儀，測量范圍0～10m/s，精度為0.5m/s；鎳鉻鎳硅K型熱電偶，測溫范圍－200～1200℃，KMQuintoｘ9106型煙氣分析儀。

　　3.4試驗(yàn)條件和方法

　　試驗(yàn)在室內(nèi)進(jìn)行，環(huán)境溫度為25℃左右；相對濕度小于85％；室內(nèi)風(fēng)速小于1.0m/s；測試工質(zhì)為常溫水；試驗(yàn)爐具遠(yuǎn)離其他熱源；燃料為玉米秸稈成型燃料；引燃物為干燥的棉花秸稈。每次試驗(yàn)進(jìn)行3次，求其平均值。

　　3.5結(jié)果與分析

　　生物質(zhì)顆粒爐灶的性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

　　爐灶的熱性能和煙氣排放的試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，該生物質(zhì)顆粒直燃爐灶的炊事熱效率達(dá)到42.9％，高于一般家用顆粒炊事爐的效率^[24－25]，環(huán)形蒸發(fā)器的設(shè)計有效地利用外圍火焰和煙氣所攜帶的熱量，提高了爐灶的綜合熱效率，達(dá)到70.7％，炊事火力強(qiáng)度14.1kW，符合國家標(biāo)準(zhǔn)生物質(zhì)炊事爐灶的熱效率（≥35％）、炊事火力強(qiáng)度（≥10kW）^[26]的要求。排煙中SO₂的平均質(zhì)量濃度為13.45mg/m³，CO的平均體積分?jǐn)?shù)為0.087％，NO平均質(zhì)量濃度為103.27mg/m³，NO₂平均質(zhì)量濃度為4.11mg/m³，格林曼黑度小于1。設(shè)計的直燃式顆粒爐灶的排放煙氣指標(biāo)均符合國家相關(guān)規(guī)定^[23，26]，具有較好的社會環(huán)境效益。

　　4結(jié)論

　　（1）生物質(zhì)顆粒直燃爐灶的炊事熱效率為42.9％，綜合熱效率為70.7％，炊事火力強(qiáng)度為14.1kW，符合生物質(zhì)炊事大灶的要求，能夠滿足集中供餐用能的需要。

　　（2）生物質(zhì)顆粒直燃爐灶的排煙中NO的平均質(zhì)量濃度為103.27mg/m³，NO₂的平均質(zhì)量濃度為4.11mg/m³，CO的平均體積分?jǐn)?shù)為0.087％，SO₂的平均質(zhì)量濃度為13.45mg/m³，煙氣格林曼黑度小于1，均符合爐灶的相關(guān)規(guī)定，能夠?qū)崿F(xiàn)清潔燃燒。

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