生物質(zhì)顆粒燃料炊事爐具設(shè)計與試驗

關(guān)鍵詞：生物質(zhì)顆粒燃料；炊事爐具；熱效率；可再生能源

中圖分類號：S216 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1795（2023）05-0069-06

DOI： 10.19998/j.cnki.2095-1795.2023.05.012

0引言

生物質(zhì)是一種清潔可再生能源，具有總量大、來源廣和污染小等優(yōu)點[1]。生物質(zhì)具有揮發(fā)分高、灰分低、硫含量低和氧含量高等特點。燃料的揮發(fā)分含量越高，點火越容易，燃燒性能越好，而生物質(zhì)顆粒燃料的揮發(fā)分含量高達(dá)60%～70%，遠(yuǎn)高于煤，故其點火性能和燃燒性能均優(yōu)于煤，碳含量為35%～42%，遠(yuǎn)低于煤，使其燃燒過程與煤燃燒過程有較大差別。然而，生物質(zhì)鍋爐是將生物質(zhì)作為燃料進(jìn)行燃燒，使用方式與燃煤灶相近，卻比燃煤灶具干凈、比燃?xì)庠罹甙踩?，這便導(dǎo)致生物質(zhì)顆粒燃料燃燒爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計也和煤燃燒爐有較大區(qū)別。

目前，工業(yè)用生物質(zhì)顆粒燃料燃燒爐在國外發(fā)展較為成熟。在歐洲部分發(fā)達(dá)國家，生物質(zhì)取暖裝置的商業(yè)化已較為普遍，技術(shù)已較為成熟，自動化程度高、操作簡單且使用安全。如德國斯圖加特大學(xué)針對木屑顆粒燃料燃燒爐的性能主要研究了火焰長度、燃燒效率和NOx排放，研究結(jié)論是燃料燃燒充分，污染物排放低。2019年瑞典約10萬個生物質(zhì)供熱站，向各種類型的用戶供應(yīng)熱水和蒸汽，家庭取暖多采用高度自動控制的成型燃料專用壁爐。

在國內(nèi)，隨著生物質(zhì)顆粒燃料開發(fā)和應(yīng)用研究的進(jìn)一步深入，生物質(zhì)顆粒燃料燃燒爐在工業(yè)和采暖上的應(yīng)用越來越廣泛。如2020年，由江蘇大學(xué)和無錫駿惠熱能科技有限公司共同研發(fā)的一款燃用木業(yè)廢棄物的流化床工業(yè)鍋爐，實現(xiàn)了不同粒徑生物質(zhì)顆粒的分區(qū)穩(wěn)定充分燃燒和有效的燃燒熱利用。2020年，河北朗克茲新能源科技有限公司研發(fā)了一款自動供料生物質(zhì)顆粒采暖爐，實現(xiàn)了爐具的自動化，在使用過程中更突出方便。

隨著我國資源與環(huán)境問題日益嚴(yán)峻，生物質(zhì)作為可再生的清潔能源得到推廣。雖然，國內(nèi)外針對生物質(zhì)顆粒燃料燃燒爐的研究取得一定的進(jìn)展，但是在農(nóng)村地區(qū)戶用生物質(zhì)顆粒燃料炊事爐具的研發(fā)還比較滯后。我國農(nóng)村地區(qū)長期以來能源消費以煤炭、薪柴為主，優(yōu)質(zhì)能源石油、天然氣供應(yīng)不足，再加上農(nóng)村現(xiàn)用炊事爐具熱效率低、排放不符合要求等原因，導(dǎo)致農(nóng)村能源短缺、能源浪費大、空氣污染嚴(yán)重及森林砍伐嚴(yán)重等問題。同時，我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)使得農(nóng)村地區(qū)有豐富的秸稈資源，秸稈是生物質(zhì)的重要組成部分，秸稈數(shù)量大、種類多且分布廣，是農(nóng)村方便的替代能源。

將農(nóng)業(yè)秸稈廢物利用，在農(nóng)村地區(qū)發(fā)展生物質(zhì)顆粒燃料，可以在一定程度上解決農(nóng)村生活用能問題。因此設(shè)計并開發(fā)出適合農(nóng)村地區(qū)的民用生物質(zhì)顆粒燃料炊事爐具，對改善農(nóng)村能源消費結(jié)構(gòu)、保護(hù)農(nóng)村生態(tài)環(huán)境具有重要的意義。

1設(shè)計依據(jù)

1.1生物質(zhì)成型燃料燃燒過程

生物質(zhì)燃燒過程從點火后開始，主要分為4個階段：預(yù)熱干燥階段、熱解燃燒階段、固定碳燃燒階段和燃盡階段。加入燃料后，隨著溫度的升高，當(dāng)溫度達(dá)到100℃時，生物質(zhì)開始進(jìn)入干燥階段，生物質(zhì)中水分吸熱而開始蒸發(fā)，降低燃燒室溫度，減緩燃燒進(jìn)程。當(dāng)溫度達(dá)到250℃左右時，干燥的生物質(zhì)繼續(xù)加熱，揮發(fā)分開始析出，形成焦炭。揮發(fā)分與氧氣混合，在一定的溫度（250～350℃）下著火燃燒。揮發(fā)分燃盡后，生物質(zhì)中剩余的焦炭與氧氣接觸，發(fā)生氧化反應(yīng)，焦炭開始燃燒，并產(chǎn)生灰分。

1.2設(shè)計要求

（1）功能齊全，結(jié)構(gòu)合理，使用方便。

（2）配風(fēng)系統(tǒng)采用二次進(jìn)風(fēng)設(shè)計，充分利用燃料燃燒過程中產(chǎn)生的揮發(fā)分，實現(xiàn)氣化燃燒。

（3）灶具的熱負(fù)荷應(yīng)滿足農(nóng)民一家5口日常生活用能；熱性能穩(wěn)定，炊暖熱效率≥25%。

（4）爐膛溫度為400℃以上，滿足炊事需求。

（5）燃燒充分，煙氣中O₂濃度≥9%，CO濃度≤2000 mg/m³，達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)。

2生物質(zhì)顆粒燃料爐具設(shè)計

2.1整體結(jié)構(gòu)

生物質(zhì)顆粒燃料爐具結(jié)構(gòu)主要包括爐膛、調(diào)節(jié)風(fēng)門、二次風(fēng)口、二次風(fēng)道與燃燒室、爐排、煙氣出口擋板和進(jìn)料口、煙囪煙氣出口擋板、換熱水管、煙囪水套、煙道及爐蓋等，如圖1所示。

工作時，通過加料口將燃料加入至爐排上后即可點燃燃料，燃料點燃后首先對一次風(fēng)道上的擋風(fēng)板進(jìn)行調(diào)節(jié)，令燃料處于缺氧燃燒狀態(tài)，其后對二次風(fēng)道和排煙道的風(fēng)量進(jìn)行調(diào)節(jié)，確保燃料燃燒產(chǎn)生的揮發(fā)分在爐口位置進(jìn)行二次燃燒。燃料經(jīng)過一段時間的燃燒后會結(jié)束產(chǎn)氣，剩余部分將持續(xù)燃燒至燃盡，這期間也要調(diào)節(jié)煙囪風(fēng)道的風(fēng)量，防止出現(xiàn)“煙筒倒煙”現(xiàn)象。爐具上的水套能夠吸收爐體側(cè)面與煙道位置的余熱，從而促進(jìn)爐具熱效率的提升。

2.2爐具熱效率估算

進(jìn)行爐具設(shè)計時，首先要對其熱效率進(jìn)行估算，并將估算值作為設(shè)計參考指標(biāo)和性能對比依據(jù)。目前參考傳統(tǒng)爐具計算新爐具的熱損失是確定其熱效率估算值的一種常見方式。爐具的熱損失主要包括6個部分：①排煙熱損失q₁，%，即為爐具煙氣中攜帶的熱量；②炊具散熱損失q₂，%；③不完全燃燒損失q₃，%，即為化學(xué)、機(jī)械不完全燃燒熱損失和爐具散熱損失；④蓄熱損失q₄，%，即為爐具從燃料開始燃燒到穩(wěn)定狀態(tài)過程中所吸收的熱量；⑤其他未考慮散熱損失q₅，%；⑥灰渣散熱損失q₆，%。參考文獻(xiàn)[18]的計算方法，爐具估算熱效率為

R——下爐膛半徑，m

r——上爐膛爐口半徑，m代入可得V=0.011m³，符合爐具爐膛的定位區(qū)間。

2.3.2吊火高度

爐排與鍋底處的垂直間距即為吊火高度。已知火焰的最高溫度為中焰，當(dāng)中焰接觸鍋底時爐具具有較高的上火速度和熱能利用效率。由圖2可知，此爐具的爐排與鍋底的垂直間距為30 cm，因此，此爐具的吊火高度控制在30 cm左右時可保證中焰層能夠接觸鍋底，所以吊火高度設(shè)計為30 cm。

2.4水套部分設(shè)計

為了充分吸收煙氣的熱量，出煙口上方出口部分有與上箱體中的水套相連接的煙囪水套，從而減少煙氣排放造成的熱損失。本爐具為民用爐具，根據(jù)北京市地方標(biāo)準(zhǔn)DB11/T 540—2008《戶用生物質(zhì)爐具通用技術(shù)條件》，爐具防爆閥的壓力范圍為0.15～0.20 MPa，溫度范圍為-20～395℃。

2.5二次風(fēng)及配風(fēng)通道設(shè)計

為保證燃燒效果，該爐具設(shè)計有二次配風(fēng)。二次風(fēng)的配置可令燃料燃燒停留時間得到一定延長，從而促進(jìn)其燃燒效率的提升。為防止二次風(fēng)進(jìn)入后導(dǎo)致爐膛溫度降低而影響燃料燃燒效率，應(yīng)對二次風(fēng)進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱時其溫度越高越好。

二次風(fēng)的入爐位置會對燃料燃燒效果產(chǎn)生影響，入爐位置過高容易導(dǎo)致空氣與可燃?xì)鉄o法均勻混合而造成燃料損失，入爐位置過低則容易干擾燃料的正常燃燒。

二次配風(fēng)系統(tǒng)如圖3所示。

3生物質(zhì)顆粒燃料爐具性能試驗

3.1生物質(zhì)顆粒燃料爐具熱效率測試

3.1.1試驗標(biāo)準(zhǔn)

熱性能檢測依據(jù)NY/T 8—2006《民用柴爐、柴灶熱性能試驗方法》。

3.1.2試驗設(shè)備、方法、時間和地點

（1）試驗設(shè)備。

秒表、磅秤、1000 mL量筒、DM6801A型電子溫度測試儀、1m測水溫線、蒸發(fā)鋁鍋及CRZ型鼓風(fēng)機(jī)。

（2）試驗方法。

試驗環(huán)境溫度為10～35℃。風(fēng)速應(yīng)lt;1.0 m/s。試驗所在地海拔為1937 m。試驗時爐具周圍不得有其他熱源。點火時的時間設(shè)為T₁、水溫設(shè)為t₁，測量鍋內(nèi)水的溫度；其溫度升至55℃的時間記為T₂，溫度升至80℃的時間記為T₃；水沸騰的時間設(shè)為T₄、溫度設(shè)為t₄；水溫降低至沸點以下2℃時的時間記為T₅，水溫降低至80℃時的時間記為T₆；試驗結(jié)束時間記為T₇水套中水的溫度設(shè)為t₇。試驗次數(shù)為4次。

（3）試驗時間和地點。

試驗時間為2021年11月，地點為云南省昆明市云南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院生物質(zhì)能開發(fā)和利用實驗室。

3.1.3試驗結(jié)果

4次試驗所用的燃料為1.2 kg（引火柴60g），試驗顆粒燃料中不包括引火柴質(zhì)量，將相關(guān)數(shù)值帶入式（5），各項性能指標(biāo)及結(jié)果如表1所示。

3.2生物質(zhì)顆粒燃料爐具煙氣排放測試

3.2.1試驗標(biāo)準(zhǔn)

煙氣排放測試依據(jù)《空氣和廢氣監(jiān)測分析方法》進(jìn)行。

3.2.2試驗設(shè)備及方法

（1）試驗設(shè)備。

Bl型煙氣采樣泵，X-4（電商版）型煙氣分析儀，NR81531B型熱電偶接觸式測溫儀，LHD-310-0.5米型探針，DM6801A型電子溫度測試儀，CRZ型鼓風(fēng)機(jī)。

（2）試驗方法。

連接好設(shè)備后，將風(fēng)門調(diào)整到全開狀態(tài)；在一次性加入燃料時，將1200 g生物質(zhì)顆粒燃料一次性加入到爐膛中進(jìn)行燃燒，每3 min測一次數(shù)據(jù)，直至燃料燃盡；在逐漸加入燃料時，先一次性加入600 g燃料進(jìn)行燃燒，待燃燒至最旺時刻，即爐膛溫度達(dá)到500℃時開始加入燃料，每次加入100 g，每3 min測一次試驗數(shù)據(jù)，直至燃料燃盡。每個試驗做兩次，最終結(jié)果取平均值。

3.2.3試驗結(jié)果

（1）爐膛溫度試驗結(jié)果。

在全開風(fēng)門條件下，測試一次性加入燃料和逐漸加入燃料時爐膛溫度變化情況，測試結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，一次性加入燃料時，爐膛內(nèi)升溫速率為24.4℃/min，最高溫度為674℃；逐漸加入燃料時，爐膛內(nèi)升溫速率為25.7℃/min，最高溫度為709℃。在前15 min也就是在上火階段時，爐膛溫度不受加料方式的影響。15 min后，經(jīng)過二者比較可以看出，逐漸加入燃料時，高溫段持續(xù)時間更長。

（2）煙囪溫度試驗結(jié)果。

在全開風(fēng)門的條件下，測試一次性加入燃料和逐漸加入燃料時煙囪溫度變化情況，測試結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，一次性加入燃料時，煙囪最高溫度為273℃；逐漸加入燃料時，煙囪最高溫度為286℃。逐漸加入燃料時煙囪達(dá)到最高溫度的時間比一次性加入燃料時間要久，由此可知，逐漸加入燃料時高溫段持續(xù)的時間更長，源源不斷的高溫?zé)煔鈴臒焽枧懦?，使得煙囪加熱的時間更久。

（3）氧氣濃度試驗結(jié)果。

在全開風(fēng)門的條件下，測試一次性加入燃料和逐漸加入燃料時氧氣濃度變化情況，測試結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，一次性加入燃料時，氧氣濃度范圍為9.8%～17.2%；逐漸加入燃料時氧氣濃度范圍為10.8%～17.4%。在24 min時，一次性加入燃料和逐漸加入燃料對氧氣的濃度有不同的影響，主要因為爐膛的容積有限，可容納的氧氣也有限，一次性加入燃料時，隨著燃料的堆積，需要的氧氣也就越多，而且部分燃料燃燒不夠充分，產(chǎn)生了大量的一氧化碳，使得氧氣濃度降低；而逐漸加入燃料時，爐膛內(nèi)一直保持著較大的空間，氧氣濃度就比較充足，燃料燃燒也比較充分，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)。

（4） 一氧化碳濃度試驗結(jié)果。

在全開風(fēng)門的條件下，測試一次性加入燃料和逐漸加入燃料時一氧化碳濃度變化情況，測試結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，一次性加入燃料時，一氧化碳濃度范圍為65～886 mg/m³；逐漸加入燃料時，一氧化碳濃度的范圍為23～690 mg/m³。從整體來看，逐漸加入燃料時，燃料燃燒較為充分，產(chǎn)生的一氧化碳較少，低于國家標(biāo)準(zhǔn)。

4結(jié)束語

民用生物質(zhì)顆粒燃料炊事爐的爐膛容積為0.011 m³、吊火高度為30 cm、防爆閥壓力范圍為0.15～0.2 MPa、溫度范圍為-20℃～395℃。爐具的熱效率為30.7%，其熱性能良好。爐膛最高溫度和煙囪最高溫度分別是709和286℃，滿足炊事爐性能要求。煙氣中O₂和CO的濃度范圍分別是9.8%～17.4%和23～886 mg/m³，生物質(zhì)顆粒燃料燃燒比較完全，并且排放符合國家標(biāo)準(zhǔn)。

從民用生物質(zhì)顆粒燃料炊事爐具的整體設(shè)計和性能測試結(jié)果來看，爐具的設(shè)計滿足農(nóng)村地區(qū)的炊事需求，可以有效地解決農(nóng)村地區(qū)的能源問題，對改善農(nóng)村能源消費結(jié)構(gòu)具有重要意義，為農(nóng)村民用生物質(zhì)顆粒燃料炊事爐的設(shè)計提供理論依據(jù)。