生物質(zhì)戶用炊事爐具技術(shù)研究

周伯瑜

摘要：根據(jù)生物質(zhì)燃燒特點(diǎn)，研究生物質(zhì)高效清潔燃燒技術(shù)，開發(fā)出了與生物質(zhì)成型燃料配套的戶用炊事爐具。爐具采用上吸式氣化技術(shù)(逆流式氣化)，氣化產(chǎn)物直接燃燒。做到了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、成本低廉、熱效率高、炊事火力強(qiáng)，污染排放量能達(dá)到北京市環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。為在廣大農(nóng)村推廣使用創(chuàng)造了條件。

關(guān)鍵詞：戶用炊事爐：氣化燃燒；機(jī)理；環(huán)保；節(jié)能

0前言

生物質(zhì)燃料是公認(rèn)的可再生能源，也是人類利用最早、最多、最直接的一種傳統(tǒng)能源。如何妥善處理農(nóng)村秸稈問題，已成為解決環(huán)境污染，提高農(nóng)民生活質(zhì)量的重要課題。本課題屬北京市農(nóng)業(yè)科技項(xiàng)目，目的是對(duì)生物質(zhì)成型設(shè)備和燃燒技術(shù)進(jìn)行研究，以解決北京市農(nóng)村地區(qū)生物質(zhì)成型燃料及戶用炊事爐具的技術(shù)瓶頸。2009年5月15日，北京市農(nóng)村工作委員會(huì)組織專家對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行了驗(yàn)收。對(duì)生物質(zhì)戶用炊事爐的評(píng)價(jià)是：研發(fā)的生物質(zhì)爐具成本低、效率高、結(jié)構(gòu)合理，可在京效廣大農(nóng)村地區(qū)推廣使用。項(xiàng)目通過大量研究與調(diào)研，結(jié)合實(shí)際工作所提出的農(nóng)村生物質(zhì)炊事用能模式，具有創(chuàng)新和實(shí)用性。

適合農(nóng)村特點(diǎn)的物質(zhì)戶用炊事爐的推廣，會(huì)促進(jìn)農(nóng)村秸稈能源利用的步伐，促進(jìn)農(nóng)村生態(tài)環(huán)境保護(hù)，促進(jìn)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。

1生物質(zhì)炊事爐(鼓風(fēng))燃燒機(jī)理

采用上吸式氣化技術(shù)(逆流式氣化)，空氣經(jīng)一次風(fēng)從灰室的爐柵處吸入，從下向上通過燃燒層，燃料從爐口頂部一次加入爐膛，亦可邊燃燒邊添料。在爐膛內(nèi)沿氣化高度，生物質(zhì)氣化過程主要分為三層：即熱分解層、還原層、氧化層。各層次沿空間分布，沒有明顯層次劃分的瞬時(shí)現(xiàn)象。劃分成層帶是為了更清楚的從理論上說明問題。(見右圖)

熱分解層：生物質(zhì)燃料在氣化爐上部被干燥，干燥好的原料與氣化爐下部來的熱氣體作用進(jìn)入燃料的熱分解過程。生物質(zhì)受熱分解成三部分：即可燃?xì)怏wCO、H₂、CH₄和CO₂等，還包括焦油、水蒸汽和固定碳三部分。生物質(zhì)的熱解是整個(gè)氣化過程中的關(guān)鍵部分。生物質(zhì)燃料中的揮發(fā)份高，在較低的溫度下就可釋放出70％的揮發(fā)份。

溫度是完成熱分解的關(guān)鍵，溫度高所完成熱分解的時(shí)間短，在400～800℃范圍內(nèi)，升高溫度有利氣化過程。

還原層：二氧化碳還原的化學(xué)反應(yīng)

CO₂+C=2CO+161677KJ

這個(gè)反應(yīng)是向右進(jìn)行，是吸熱反應(yīng)。所以溫度愈高，CO₂的還原愈徹底，CO的形成會(huì)愈多。有效的CO₂還原溫度是在800℃以上，溫度增加有利于進(jìn)行還原反應(yīng)。

氧化層：當(dāng)生物質(zhì)的熱分解完成后，生物質(zhì)中的揮發(fā)份生成可燃?xì)怏w，剩下的是生物質(zhì)中的固定碳。固定碳要轉(zhuǎn)化為燃?xì)?，需要?dú)饣瘎?主是是空氣)和高溫，在空氣的配合下，當(dāng)溫度達(dá)到1200℃以上時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的CO₂，同時(shí)放出大量的熱量。

反應(yīng)式為：C+O₂=CO₂－408567KJ

同時(shí)，還有一部分碳，由于供氧不足，會(huì)形成CO并放出熱量：

2C+O₂：2CO—246270KJ

這些熱量是推動(dòng)整個(gè)氣化過程的必需條件。

2生物質(zhì)炊事爐的設(shè)計(jì)思想

當(dāng)我們采用上吸式氣化技術(shù)思想來設(shè)計(jì)爐具時(shí)，首先我們要考慮它的優(yōu)、缺點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便。缺點(diǎn)是上吸式氣化方式比下吸式氣化方式產(chǎn)生的焦油要多，在離開氣化器前沒有發(fā)生分解，在此情況下約20％～40％的能量存在于焦油中，不但能量利用低，還會(huì)造成環(huán)境污染，更有甚者會(huì)堵塞管孔，使燃?xì)獠荒苋紵?。在分體式的生物質(zhì)氣化爐的研究和推廣中，遇見的就是這個(gè)問題。

解決辦法是使生物質(zhì)氣化和燃燒一體化，在爐口上讓氣化產(chǎn)物不做任何處理進(jìn)行直接燃燒。不冷卻、不除焦油、不過濾、不洗滌、不除塵，叫簡(jiǎn)易氣化，也叫半氣化。這種處理方法既經(jīng)濟(jì)又環(huán)保。在生物質(zhì)炊事爐燃?xì)獾某隹冢苯优渖隙物L(fēng)，熱燃?xì)庠跔t口燃燒既節(jié)能又可使焦油燃燒掉。我們的第I型生物質(zhì)炊事爐就是采用的這種方式，但由于沒有采用風(fēng)機(jī)配合，特別是氧化層燃燒，如前所述，它需要1200℃以上高溫和大量的氣化劑(空氣)。沒有鼓風(fēng)就很難使氧化層完全燃燒，氧化層的熱量大部分被損失了。實(shí)際上是因?yàn)楣潭ㄌ嘉茨軞饣紵?，熱效率只能排徊?5％左右。

我們?cè)谏镔|(zhì)炊事爐上加裝微型風(fēng)機(jī)后，實(shí)現(xiàn)了爐溫和進(jìn)風(fēng)量可控，一、二次風(fēng)可自由調(diào)節(jié)。在各個(gè)燃燒時(shí)段進(jìn)行不同的配風(fēng)，實(shí)現(xiàn)了固定碳的氣化，對(duì)燃燒熱效率的提高具有突破意義。

傳統(tǒng)意義上的氣化爐是連續(xù)不斷加料的，各個(gè)燃燒層帶的反應(yīng)是同時(shí)進(jìn)行的，不會(huì)出現(xiàn)很大的變化。生物質(zhì)是一次向爐膛添滿料。微開一次風(fēng)，然后從爐口點(diǎn)火。爐膛燒熱后開啟二次風(fēng)。爐口進(jìn)入正常的氣化燃燒后，氣化進(jìn)入熱分解為主的第一階段：即揮發(fā)份燃燒階段。分解溫度只要求400℃以上。此時(shí)可關(guān)閉或微啟一次風(fēng)。全開二次風(fēng)，生物質(zhì)就能正常的進(jìn)行氣化燃燒。此時(shí)若全開一次風(fēng)，可使氣化過程激烈化，造成熱量過剩而帶來的損失。當(dāng)秸稈顆粒的揮發(fā)份逐漸減少，進(jìn)入氣化的第二階段：即固定碳的氧化層的氣化階段。我們知道氧化層的氣化燃燒需要1200℃以上的高溫和足夠的氣化劑(一次風(fēng))，此時(shí)要因勢(shì)利導(dǎo)，逐步開大一次風(fēng)，關(guān)小二次風(fēng)，使氣化反應(yīng)繼續(xù)順利進(jìn)行。第二階段的氣化很重要，一般以為生物質(zhì)揮發(fā)份氣化后就完成了整個(gè)氣化過程。實(shí)際上后面還有一個(gè)殘留固定碳?xì)饣叻澹莆詹蛔∵@一點(diǎn)，熱效率要損失10％～15％。實(shí)驗(yàn)表明：合理的操作能使熱效率提高10％以上，使燃燒效率大于92％，使過?？諝庀禂?shù)、CO、NOx等的排放量都能達(dá)到理想結(jié)果。

3生物質(zhì)炊事爐(鼓風(fēng))的研制

在講述燃燒機(jī)理時(shí)，我們已經(jīng)討論了生物質(zhì)氣化炊事爐怎樣把生物質(zhì)中的熱量最大限度釋放出來。當(dāng)熱能最大限度的釋放后，我們必須進(jìn)一步研究如何使釋放出來的熱量得到充分利用。

實(shí)際上，生物質(zhì)能在氣化炊事爐中不可能完全燃燒，燃燒后釋放出來的熱量也不可能完全得到利用。也就是說釋放出來的熱量只有一部分被利用，其余部分損失了。問題是在生物質(zhì)氣化炊事爐的研制中，我們要盡可能的減少熱損失，目的還是為了提高熱能的利用率。

在測(cè)算爐具熱效率的反平衡中，其實(shí)我們爐具的熱效率T1=100-(Q₂+Q₃+Q₄+Q₅+Q₆)。Q₂至Q₆就是爐具各項(xiàng)熱損失，如果我們能使各項(xiàng)熱損失降到最小，實(shí)際上就提高了爐具的熱效率(T1)。

現(xiàn)在我們一項(xiàng)項(xiàng)來研究如何降低各項(xiàng)熱損失：

排煙熱損失Q₂：生物質(zhì)在爐具中燃燒時(shí)，煙氣離

開爐口的溫度很高，就是說燃料輸入的熱量的一部分被煙氣帶走。我們?cè)跔t具設(shè)計(jì)中。為了減少排煙損失，采取了兩方面的措施。一是擴(kuò)大熱煙氣與炊具的受熱面，一般的爐具，火焰只經(jīng)過鍋底，煙囪就把熱煙氣帶走了?，F(xiàn)在我們的爐口上設(shè)置了圍火墻(見圖一)，火焰不光要經(jīng)過鍋底，還要繞行經(jīng)過鍋壁，充分換熱后，經(jīng)導(dǎo)熱槽下行，煙氣才能進(jìn)入煙囪。二是要控制過?？諝庀禂?shù)，過量的空氣進(jìn)入爐內(nèi)，不但不能助燃，而且把熱量帶走。我們的爐具測(cè)試結(jié)果表明，過?？諝庀禂?shù)為1.71，排煙溫度88℃，證明很好的降低了排煙損失。

化學(xué)不完全燃燒損失Q₃：在生物質(zhì)的燃燒反應(yīng)中，完全燃燒后主要產(chǎn)生CO₂、水蒸汽及灰渣。但在空氣不足、碳與空氣混合不均、爐膛溫度不夠等情況下，生物質(zhì)不能完全燃燒，煙氣中會(huì)產(chǎn)生CO等可燃?xì)怏w，它們?nèi)钥扇紵⒎懦鰺崃俊Ｈ绻@部分可燃?xì)怏w隨煙氣帶走，就會(huì)造成化學(xué)不完全燃燒損失?；瘜W(xué)不完全燃燒損失等于煙氣中的可燃?xì)怏w與它們體積發(fā)熱量的乘積之和。從檢測(cè)的結(jié)果中可以看到我們爐具煙氣中的CO的含量?jī)H為0.04％，證明氣化燃燒調(diào)整得很好，化學(xué)不完全燃燒損失小。

機(jī)械不完全燃燒損失Q₄：由于生物質(zhì)燃料中含揮發(fā)份高且著火點(diǎn)低，易于燒透，沒有采取特殊的技術(shù)手段。

散熱損失Q₅：爐具表面的散熱損失是指爐體和鍋具向四周環(huán)境中散失的熱量。兩個(gè)相互接觸的物體如有溫度差，必定存在著熱傳導(dǎo)現(xiàn)象，熱量總是自發(fā)的從高溫物體傳遞給低溫物體。特別是在爐膛高溫燃燒區(qū)，由于內(nèi)外溫差大，熱傳導(dǎo)更為厲害。這一區(qū)域保溫不好的爐具，熱損失大，熱效率低。我們根據(jù)爐體爐溫的不同，對(duì)爐具進(jìn)行分段保溫，保溫材料、保溫厚度都有區(qū)別，目的是要盡量減少散熱損失。

爐體吸熱(蓄熱)損失Q₆：由于爐具的燃燒過程是個(gè)非穩(wěn)態(tài)過程，特別是生物質(zhì)炊事爐，做一次飯點(diǎn)一次爐，點(diǎn)爐時(shí)生物質(zhì)燃燒放出的熱量首先要傳給爐體，使?fàn)t體的溫度逐漸升高，最后到穩(wěn)態(tài)。爐具從啟動(dòng)到穩(wěn)態(tài)所吸收的熱量稱之為爐體吸熱損失，又稱爐體蓄熱損失。此項(xiàng)損失一般較大，它的大小取決于爐體的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、重量、大小。特別是爐具的爐膛，一般做得很厚、很重。燃料在爐膛中燃燒，爐膛首先要吸收大量的熱量，爐膛燒紅后，才能上火，除了造成爐具的吸熱損失大外，還影響上火速度。為此，我們?yōu)樯镔|(zhì)炊事爐研制了一種質(zhì)輕、壁薄的爐膛，壁厚僅5mm(一般為30mm)，目的是提高上火速度和減少吸熱損失。且我們將整個(gè)爐具的重量控制在十公斤的范圍內(nèi)，一方面降低了成本，同時(shí)又減少吸熱損失。

總之，我們圍繞減少各項(xiàng)熱損失著手，將損失降到最低，實(shí)質(zhì)是提高熱效率。熱效率我們由最初的30％提高到40％，再提高到50％。目前處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。

4生物質(zhì)炊事爐(鼓風(fēng))的制作與成本

為了降低爐具的生產(chǎn)成本，使農(nóng)民買得起，我們選擇的生產(chǎn)工藝為：爐具設(shè)計(jì)為圓型，借鑒圓桶機(jī)械化生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)，采用薄鋼板脹壓成型，為了增強(qiáng)薄鋼板的強(qiáng)度和防止鋼板氧化，對(duì)爐桶采用搪瓷工藝。

爐膛制作：爐膛要經(jīng)受1200℃以上高溫，必須使用耐火材料制作，目前使用的耐火材料若要制作這種爐膛，厚度至少為30mm，缺點(diǎn)是這么厚的爐膛，爐膛吸收的熱量會(huì)很大。做一餐飯如果使用一公斤生物質(zhì)秸稈，熱量?jī)H14000KJ/kq左右，爐膛吸熱量會(huì)占到10％左右，這種熱損失很可惜。另外，爐膛太厚，擠壓了保溫層，使保溫效果下降。我們研制了獨(dú)特的薄壁爐膛，厚度僅5mm，為原厚度的六分之一，爐膛的吸熱損失跟著下降六分之五。

保溫材料的選擇：散裝的膨脹珍珠巖的耐火度高，保溫性能好。且價(jià)格便宜，是很好的保溫材料。但由于它質(zhì)輕，體積小，有一個(gè)小孔就能不斷的泄漏出來，必須密封好，不使其泄漏。主要是爐膛不能破損，因此我們研制了新型爐膛，可以大膽的用散裝膨脹珍珠巖保溫。提高了保溫效果，降低了保溫成本。

生物質(zhì)炊事爐的成本：為了保證生物質(zhì)炊事爐使用的安全，風(fēng)機(jī)功率為3W，加裝小型變壓器，使電源變?yōu)?2V直流電，成本為23元。爐體總重12kg，其余鋼材、搪瓷、爐膛、保溫材料等70余元，共計(jì)成本約100元/臺(tái)。是目前生物質(zhì)炊事爐400元/臺(tái)的四分之一。要使農(nóng)民不僅感到好用，還要用得起。

5生物質(zhì)炊事爐(鼓風(fēng))操作使用

使用燃料：各種生物質(zhì)成型顆粒燃料。C8、C12的顆粒為最佳。玉米芯、小木塊、樹枝削片等亦能使用。因生物質(zhì)燃料的灰熔點(diǎn)普遍偏低，燃燒后有些燃料(如玉米秸稈)可能產(chǎn)生結(jié)渣現(xiàn)象。但不會(huì)影響燃燒與氣化，待燃燼并且爐膛冷卻后，可用火鉗將渣塊從爐膛內(nèi)夾出。

一次裝生物質(zhì)顆粒燃料1～1.2kg，可供四、五口之家做一頓正餐，燃燒時(shí)間70分鐘左右，功率為2.3KW。配3W微型風(fēng)機(jī)，每天炊事按3小時(shí)計(jì)算，每月耗電0.27kwh。裝好料后用點(diǎn)火器將散料秸稈點(diǎn)著，再將秸稈顆粒點(diǎn)燃，慢慢開啟一次風(fēng)，待爐口燒熱，開啟二次風(fēng)(整個(gè)時(shí)間約二分鐘)，開始進(jìn)入以熱分解為主的氣化階段。因?yàn)橹饕墙斩挼膿]發(fā)份分解，只需要400℃以上溫度，氣化穩(wěn)定后，可關(guān)閉或微開一次風(fēng)，可延長(zhǎng)燃燒時(shí)間，提高熱效率。燃燒40分鐘之后，秸稈的氣化將緩慢進(jìn)入固定碳氧化層氣化為主的階段，需要1200~C的高溫。所以要慢慢的開大一次風(fēng)，關(guān)小二次風(fēng)。如果以熱分解為主的氣化階段將要結(jié)束，再開啟一次風(fēng)，爐膛溫度已經(jīng)不可能升到固定碳?xì)饣蟮臏囟?，使固定碳不能進(jìn)行氣化燃燒，炊事爐的熱效率至少要降低十個(gè)百分點(diǎn)，開啟一次風(fēng)的時(shí)間點(diǎn)很重要。

掌握好一、二次風(fēng)開關(guān)調(diào)節(jié)的規(guī)律，是用好生物質(zhì)炊事爐的基本條件。熟能生巧，燒幾次爐子，經(jīng)驗(yàn)就會(huì)慢慢積累。

爐子點(diǎn)火后，一分鐘后就開始?xì)饣?，二分鐘后就能座鍋?2～14分鐘就能燒開5kg水。如果臨時(shí)來客，感到火力不夠，可通過加料口臨時(shí)加料，一樣可以氣化，也不會(huì)冒煙。要調(diào)整火力的大小，亦可通過一、二次風(fēng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，要大可大，要小可小。使用簡(jiǎn)單，操作方便。

6生物質(zhì)炊事爐技術(shù)指標(biāo)

經(jīng)北京京環(huán)科環(huán)境保護(hù)設(shè)備檢測(cè)中心測(cè)試，該爐具各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到合同要求，詳見下表：

6．1實(shí)際指標(biāo)與合同指標(biāo)比較

6．2與北京地方標(biāo)準(zhǔn)DB11/139-2007鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)比較