生物質顆粒直燃爐灶設計與試驗

李亞猛 周雪花 胡建軍 朱勝楠 荊艷艷 張全國

(1.河南農(nóng)業(yè)大學機電工程學院，鄭州 450002； 2.生物質能源河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，鄭州 450002)

生物質顆粒直燃爐灶設計與試驗

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)大學機電工程學院，鄭州 450002； 2.生物質能源河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，鄭州 450002)

針對當前生物質燃燒爐灶熱效率低、火力強度達不到要求、供風不充足燃燒不完全、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顆粒直燃爐灶。運行性能試驗結果表明：該爐灶的炊事熱效率為42.9%，綜合熱效率達70.7%，炊事強度為14.1 kW，煙氣排放指標低于國家標準，生物質顆粒燃燒較為充分，可為以生物質顆粒為燃料的集中供餐炊事爐灶的設計與應用提供科學參考。

生物質顆粒； 直燃爐灶； 設計； 試驗

引言

能源是經(jīng)濟發(fā)展和社會進步的基礎，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。生物質能源作為一種可再生且環(huán)境友好的能源，受到廣泛關注。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標準煤)，占可收集資源量的11.4%[1]。秸稈類生物質具有揮發(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，是一種優(yōu)質清潔燃料。因此，將秸稈類生物質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和燃燒帶來一些問題[5]，采用物理、化學的方法將秸稈粘化，在高溫高壓下或加粘結劑條件下，壓縮成粒狀或塊狀等具有一定密實度的顆粒狀燃料[6-8]，便于運輸和儲存，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行分析，發(fā)現(xiàn)其熱效率為20%左右，且由于供風的不均性造成燃料的不完全燃燒以及煙氣排放不達標，同時存在著功能的單一性，達不到多種炊事和供熱水以及供暖同時進行[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度以及對爐灶的功能的要求。因此，本文擬設計一種既能滿足集體供餐需要、保證多項炊事同時進行，還能夠兼顧供暖供熱水的生物質顆粒爐灶，并對其運行性能進行評估。

1 設計依據(jù)

1.1 生物質顆粒燃料燃燒特性

生物質爐灶的設計需要結合生物質燃燒特性。生物質顆粒燃燒機理的實質屬于靜態(tài)滲透壓擴散燃燒[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)物與氧氣結合，燃燒進入過渡區(qū)與擴散區(qū)。③滲透擴散燃燒，焦炭的燃燒占主要地位，在顆粒表面進行一氧化碳的燃燒，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，燃燒過程結束[18-19]。試驗所用的玉米秸稈顆粒燃料粒徑5～15 mm，長度20～30 mm，密度800 kg/m3，工業(yè)分析和元素分析結果如表1所示。

1.2 生物質顆粒燃料爐灶設計原則

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)生物質顆粒燃料的燃燒基本特性，爐灶的設計需滿足以下原則：①點火容易，上火快，燃燒穩(wěn)定、完全，火力足，空氣能均勻流暢地進入爐內(nèi)，不冒黑煙，能源利用效率高。②功能齊全，結構簡單，使用方便，成本低廉，安全可靠，實用耐用。③熱效率高，熱性能穩(wěn)定。

表1 生物質顆粒燃料工業(yè)分析與元素分析Tab.1 Industrial and elemental analyses of biomass pellets

2 生物質顆粒直燃爐灶設計

2.1 整體結構

結合生物質顆粒燃料的燃燒特性以及炊事的需要，設計的生物質顆粒直燃爐灶結構如圖1所示，主要由蒸發(fā)器、燃燒爐膛、一次和二次進風風機、三次補風機、觀火孔、二次裝料碳化倉等組成。

圖1 生物質顆粒直燃爐灶結構簡圖Fig.1 Structural diagram of biomass multifunction stove1.鍋 2.蒸發(fā)器 3.聚火口 4.二號風機 5.觀火孔 6.一次進風套 7.一號風機 8.爐膛 9.輔料倉 10.一次進風套容置腔 11.抽屜式灰倉 12.內(nèi)爐膛 13.爐蓖 14.二次進風套 15.隔熱層 16.二次進風套容置腔 17.進料口 18.進水口 19.蒸汽出口 20.煙氣出口 21.轉動式水龍頭

該爐灶采用間歇進料，燃料從聚火口以及輔料倉的進料口進料，輔料倉的設計是確保滿足炊事對燃料的需求，當料倉的燃料不能滿足炊事需要時，可以通過輔料倉上的進料口進料，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行干燥及氣化，提高能量利用效率；采用上點火方式，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；在爐膛的正前方設有一號風機(12 W)，可以通過調節(jié)風機上的控制旋鈕，來實現(xiàn)一次風和二次風的大小以及配比；在出火口上方設置了觀火孔，觀察燃燒過程中供風是否充足，并配有二號風機(12 W)來實現(xiàn)三次供風；在爐膛的上方設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，水從下面的進水口進入蒸發(fā)器，蒸發(fā)器與爐灶外面的水位計相通，以確保進水量適中，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，實現(xiàn)了炒菜與蒸飯等同時進行，縮短了炊事時間，在蒸汽出口處設有蒸汽壓力閥，當壓力超過安全值，泄壓裝置自動泄壓。該設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)品質量和外觀的統(tǒng)一性。

2.2 爐膛設計

生物質顆粒燃料的燃燒特性要求確保供風的均勻性，故將爐膛的上下部分設計成錐形。爐膛的大小由爐膛的容積熱負荷決定，爐膛的容積熱負荷過大，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9 kg/h，爐灶的熱效率取0.65，爐灶的容積熱負荷一般在250～400 W/m3，本設計容積熱負荷取380 kW/m3[20]。

爐膛容積為

(1)

式中VL——爐膛容積，m3

m——爐具每小時燃料消耗量，取9 kg/h

ηL——爐具熱效率，取0.65

qmax——燃燒室最大容積熱負荷，取380 kW/m3

由式(1)計算出爐膛容積VL為0.07 m3，符合生物質爐灶的爐膛容積范圍[20]。

由于上進風套體積小，可以把整個爐膛看成由下圓臺風套和上部圓柱形的爐膛組成，根據(jù)

(2)

式中r——一次進風套下半徑，取8 cm

R——一次進風套上半徑，取25 cm

H——爐膛高度，取40 cm

h——一次進風套高度，cm

計算出一次進風套高度為19 cm。

2.3 進風套設計

針對大多數(shù)生物質顆粒爐供風不足與不均勻性的問題，設計了高度為19 cm, 上圓半徑為25 cm的非結構網(wǎng)格錐面進風套，如圖2所示。

圖2 進風套結構圖Fig.2 Structural diagram of air inlet sleeve1.進風孔 2.爐蓖

在同一水平面上，相隔相同的距離設有大小一致的進風孔，一次進風和二次進風處都設置錐形進風套，這樣風以旋轉的方式通過進風孔進入爐體內(nèi)，達到了每個進風孔通風量的均勻，從而保證了燃料燃燒的均勻。一次風與二次風的供給是通過12 W的風機來控制，它們之間的配比通過風機上的調節(jié)旋鈕來控制。

2.4 吊火高度和聚火口設計

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)正達鍋的底部為正合適，根據(jù)生物質顆粒燃料的燃燒特性，一般小型生物質爐的吊火高度在28～30 cm[21]，同時鍋的尺寸會對吊火高度產(chǎn)生影響，本設計爐膛高度取40 cm。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，本爐灶專門設計了喇叭形的聚火口(Φ14 cm)，有利于聚集火焰，拔高了火苗的高度。

2.5 煙囪截面積計算

煙囪截面積為

(3)

式中F——煙囪截面積，m2

Ty——煙氣溫度，取200℃

Vy——每小時單位燃料煙氣量，取15 m3/kg

Wy——煙氣流速，取2 m/s

由式(3)計算可得F=0.032 m2，采用半徑為10 cm的白鐵皮煙囪。

2.6 煙囪高度的計算

煙囪高度為

(4)

式中h1——爐具吸風壓(9～24 Pa)，取24 Pa

P——平均大氣壓，當?shù)貙嶋H大氣壓力，取1.01×105Pa

t1——年平均溫度，取20℃

t2——煙囪煙氣平均溫度，取200℃[24]

由式(4)可計算出煙囪高度H1為4.5 m。

3 生物質顆粒直燃爐灶性能試驗

3.1 試驗依據(jù)

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

3.2 試驗系統(tǒng)

采用的試驗裝置主要有爐灶主體(包括爐膛、蒸發(fā)器、煙道、風道等)、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。

圖3 測試樣機Fig.3 Test prototype

3.3 試驗測試儀器

水桶2個，每個容量為0.01 m3；臺秤1臺，測量范圍0～10 kg；XK3190-A12E 型電子落地臺秤，精度10 g；時鐘1個，日差小于1 min；風速儀，測量范圍0～10 m/s，精度為0.5 m/s；鎳鉻-鎳硅 K 型熱電偶，測溫范圍-200～1 200℃，KM Quintox 9106 型煙氣分析儀。

3.4 試驗條件和方法

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

炊事火力強度為

(5)

式中Pc——炊事火力強度，kW

G1——鍋內(nèi)初始水質量，kg

G2——試驗結束時剩余水質量，kg

t3、t4——鍋水初始溫度和沸騰溫度，℃

γ——平均蒸發(fā)溫度下鍋水汽化潛熱，kJ/kg

C——水的比熱容，取4.18 kJ/(kg·K)

T1——試驗時間，s

炊事熱效率為

(6)

式中ηc——炊事效率，%

B——生物質燃料質量，kg

Qnet.ar——生物質燃料收到基低位發(fā)熱量,kJ/kg

B1——自然風干引火柴質量，kg

Qnet.ar1——自然風干引火柴收到基低位發(fā)熱量,kJ/kg

綜合熱效率指爐灶輸出的所有有效熱與投入爐灶內(nèi)生物質顆粒燃燒發(fā)熱量的百分比。綜合熱效率為

(7)

其中

Qy=4.18G3(t6-t5)+(G3-G4)γ

(8)

式中η——綜合熱效率，%

Qy——蒸發(fā)器熱利用量，kJ

G3——蒸發(fā)器水箱初始水質量，kg

G4——試驗結束蒸發(fā)器水箱內(nèi)水剩余質量，kg

t5、t6——蒸發(fā)器水箱內(nèi)水初始溫度和試驗結束后溫度，℃

3.5 結果與分析

生物質顆粒爐灶的性能試驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 爐灶性能試驗數(shù)據(jù)Tab.2 Data of stove performance test

爐灶的熱性能和煙氣排放的試驗結果如表3所示，該生物質顆粒直燃爐灶的炊事熱效率達到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，達到70.7%，炊事火力強度14.1 kW,符合國家標準生物質炊事爐灶的熱效率(≥35%)、炊事火力強度(≥10 kW)[26]的要求。排煙中SO2的平均質量濃度為13.45 mg/m3，CO的平均體積分數(shù)為0.087%，NO平均質量濃度為103.27 mg/m3，NO2平均質量濃度為4.11 mg/m3，格林曼黑度小于1。設計的直燃式顆粒爐灶的排放煙氣指標均符合國家相關規(guī)定[23,26],具有較好的社會環(huán)境效益。

表3 爐灶熱性能和煙氣排放試驗結果Tab.3 Results of stove performance and flue gas emissions test

4 結論

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

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

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DesignandTestofDirect-firedStoveUsingBiomassPelletFuel

LI Yameng1,2ZHOU Xuehua1,2HU Jianjun1,2ZHU Shengnan1,2JING Yanyan1,2ZHANG Quanguo1,2

(1.CollegeofMechanicalandElectricalEngineering，HenanAgriculturalUniversity,Zhengzhou450002,China2.CollaborativeInnovationCenterofBiomassEnergyofHenanProvince,Zhengzhou450002,China)

Several issues existing in the biomass stoves, such as low thermal efficiency, substandard fire intensity, insufficient air supply, uncomplete combustion, substandard emission and unitary function.According to the requirement about the environmental cooking stoves with biomass pellet fuel for centralized food catering, a novel direct-fired cooking stove with biomass pellet fuel was designed to solve the mentioned shortcomings.An annular evaporator was installed above the furnace, the water inside the evaporator was heated by the peripheral flame and flue gas, and high temperature steam produced from evaporator was assigned to different routes to achieve the direct-fired cooking stove combined functions of stir-fry, steamed rice, boil water and thermaling.Meanwhile, in order to ensure the uniformity of air intake，a grid shaped air inlet sleeve was designed, the wind was blown into the furnace in a rotating form.Moreover, all the integrated functions can run simultaneously.According to the national standard NB/T 34015—2013, the direct-fired stove was tested.The performance test results of the redesigned cooking stove showed that the thermal efficiency for cooking reached 42.9%, and the integrated thermal efficiency was 70.7% combined with the thermal used for heating water.The fire intensity for cooking was 14.1 kW, and emission indexes of flue gas was lower than the national standard.The novel design of the cooking stoves with biomass pellet fuel realized the complete combustion of biomass particles, which can provide reference for the design and application of direct-fired pellet stove.

biomass pellet; direct-fired stove; design; test

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.10.035

S216.2

A

1000-1298(2017)10-0280-06

2017-06-14

2017-08-16

國家自然科學基金項目(51676065)、國家自然科學基金聯(lián)合基金項目(U1504509)和教育部博士點基金新能源優(yōu)先領域項目(20134105130001)

李亞猛(1988—)，男，博士生，主要從事可再生能源工程研究，E-mail: 874750357@qq.com

張全國(1958—)，男，教授，博士生導師，主要從事可再生能源工程研究，E-mail: zquanguo@163.com