上燃均衡供氧式生物质成型燃料炊事炉的设计与性能测试

荆艳艳，李亚猛，周雪花，张志萍，朱胜楠，张全国

（河南农业大学农业部可再生能源新材料与装备重点实验室，郑州450002）

　　摘要：为提高农村用能效率，依据生物质燃烧特性和热工计算标准，设计上燃均衡供氧式生物质成型燃料炊事炉。确定炊事炉的主要设计参数，构建相互独立的螺旋式分级配风系统及灰仓与风管相结合的自然进风系统，并对炊事炉的性能进行测试。结果显示炊事炉热效率为40.25%，炊事火力强度为3.32kW，烟尘、CO、SO₂、NO_x等烟气污染物排放均符合国家相关标准，可保证成型颗粒燃料的充分燃烧，提高燃烧性能。

　　0引言

　　生物质能是动植物和微生物将太阳能转换为化学能存储在生物质中的能量形式[1]，是一种可再生能源。生物质能的开发和利用是提高农村用能效率的有效途径之一[2，3]。秸秆类生物质具有挥发分高、灰分低、碳活性高等优点，在生物质的燃料化利用方面得到了广泛关注。2015年我国农作物秸秆类生物质燃料化利用量为1.0亿t[4]，且在逐年增加。同时随着固化成型技术的发展，秸秆类生物质经粉碎、干燥，在高温高压或加粘结剂的条件下挤压而成的颗粒状燃料，不仅天然环保、便于运输和储存[5~7]，而且克服了秸秆类生物质疏松性和分散性给燃烧过程带来的问题[8~11]，因此成型燃料技术逐渐成为秸秆类生物质燃料化利用的主要方式。但因其挥发分高、灰分低，与煤的燃烧特性迥异[8]，故需设计专门的燃烧炉具才能使燃料高效、清洁地燃烧。

　　目前使用的节柴灶存在火力强度小、污染物排放量高和热效率低等问题[12，13]。因此探索新型燃烧模式，设计出点火容易、操作简便、火力强度大且易于控制的生物质成型燃料炊事炉是一个关键。本文针对成型燃料的特点，设计出一种上燃式均衡供氧生物质成型燃料炊事炉，该炉具采用上下独立的旋转式进风，进风量均匀无死角，保证燃料的充分燃烧，且可提高燃烧性能。

　　1设计依据

　　依据生物质颗粒成型燃料静态渗透式扩散燃烧的基本特性[14]，结合地区用能习惯和经济条件，炉具设计遵守以下原则：1）使用方便、易点火、上火快；2）安全卫生、热性能稳定；3）适应农民生活习惯和燃料要求；4）造价低、实用耐用。

　　对生物质成型燃料炉具的设计还需考虑：1）充分利用生物质产生的挥发性物质和燃烧过程中碳化物质的热辐射能量；2）空气能均匀流畅地进入炉内，实现连续稳定燃烧；3）燃烧完全，能源利用效率高。

　　2结构与设计

　　2.1炊事炉的整体结构

　　生物质颗粒燃料炊事炉主要由燃烧单元、供风单元、隔热单元、支撑单元等组成，结构如图1所示。生物质成型燃料炊事炉的进料口设置在炉灶外侧，和出火口为同一位置，出火口处装有聚火环，炉膛内的成型颗粒燃料采用上点火的引燃方式从上往下燃烧，使生物质气化和燃烧一体化。该炊事炉设计2套二级进风系统，其中螺旋式分级配风系统的送风管与风机相连通，通过风机配风组件实现二次供风，且风机配风阀手柄旋钮可调节一次风和二次风的大小以及配比，同时一次风和二次风进风处设计有带进风孔的锥形进风套，采用的风机功率为8W，送风管直径为30mm。自然进风系统由出灰组件的灰窗盖、灰窗进风阀手柄和灰窗调风板组成，自然风由出灰口经炉篦进入炉膛实现一次供风，二次供风则由与自然进风管相连通的灰仓和二次进风系统实现。

　　2.2供风系统的设计

　　2.2.1相互独立的螺旋式分级配风系统

　　一次风和二次风进风设计成上下独立的炉体结构。一次风从炉膛下部鼓入，有利于提前预热及燃料与空气的充分混合；二次风从炉膛上部鼓入，可改善挥发性可燃气体与空气混合的均匀度，提高燃烧温度。为保证进风量的均匀性，一次风和二次风进风系统处设有圆锥形或弧面型的进风套，进风套上有流线型的进风孔，其结构如图2所示。该结构可促使从进风孔流出的风形成螺旋式流动，达到进风均匀、无死角，降低整体过量空气系数，减少不完全燃烧污染物的排放的作用。

　　2.2.2灰仓和风管结合的自然进风系统

　　自然进风系统如图3所示，由出灰组件控制进风量，自然风通过进风口（即出灰口）进入灰仓后，经炉篦为炉膛燃烧提供一次风。灰仓上方设置与其相连的45°斜角的自然进风管，风管上端与二次进风套相连通，自然进风系统的二次风则经自然进风管由二次进风孔提供，以保证断电时炊事炉正常工作。

　　2.3炊事炉的设计计算

　　2.3.1生物质燃料消耗量

　　中国农村基本为3~5口之家，日常生活平均每天所需热量Q1为12000kJ[15]，做饭时间约1h，设计生物质成型燃料炊事炉的热效率为45%，玉米秸秆成型燃料热值约为14600kJ/kg，则生物质燃料消耗量为：

　　2.3.2炉膛参数的确定

　　炉膛（燃烧室）指从炉篦到炉口下部之间的部分，恰当选择炉膛参数是燃料完全燃烧的根本保证。

　　2.3.3烟囱参数的确定

　　烟囱的主要作用是在炉膛内产生负压，将空气从进风口抽入炉膛，使燃料和空气充分接触，尽量实现完全燃烧，同时将炉膛内的烟尘抽出。

　　3性能试验

　　3.1性能测试主要依据

　　户用生物质炊事炉具性能试验方法（NB/T2370—2013）[19]和户用生物质炊事炉具通用技术条件（NB/T2369—2013）[20]。

　　3.2试验系统

　　试验装置主要有炉具主体（炉膛、烟道等）、温度测试系统、烟气分析系统等。图4为测试样机。

　　3.3测试仪器和设备

　　水桶2个，容量0.01m³；台秤1台，测量范围0~10kg，精确0.005kg；磅秤1台，测量范围0~50kg，

　　精确0.02kg；时钟1个，日差小于1min；温度计2支，测量范围0~100℃，分度值0.2℃；干湿球温度计1支；风速计1个，测量范围0~10m/s，精度0.5m/s；镍铬-镍硅K型热电偶，测温范围-200~1200℃；KMQuintO_x9106型烟气分析仪；贝克曼表面温度计，测量范围0~300℃，分度值2℃；直径30cm蒸发铝锅1个。

　　3.4试验条件

　　试验在室内进行，生物质成型燃料炊事炉远离热源，环境温度为16.5℃，相对湿度小于85%，风速小于1.0m/s；燃料为玉米秸秆压缩成型颗粒燃料，粒径5~15mm，长度20~30mm，其工业性分析和元素分析如表1所示。引燃物为干燥的棉花秸秆，每次实验做2次平行实验。

　　3.5结果与分析

　　生物质颗粒炊事炉具的炊事火力强度和炊事热效率试验数据如表2所示。根据表2所示数据可得出上火时间、旺火时间和可用火时间占整个燃烧试验时间的2.57%、68.23%和85.71%，各时间段的占有百分量优于以前文献报道[21]。从占有时间百分量可看出整个炉具上火较快、燃烧较稳定。

　　上燃均衡供氧式生物质成型燃料炊事炉的热性能见表3。炊事炉热效率为40.25%，炊事火力强度为3.32kW，符合国家户用炉具标准（热效率η≥35%、炊事火力强度P≥2kW[20]）。炊事炉燃烧正常后，经测定出烟口排烟平均温度为186℃，烟气黑度小于1级，烟尘平均排放浓度18.5mg/m³，CO平均排放浓度0.18%，SO₂平均排放浓度14.5mg/m³，NO_x平均排放浓度105.5mg/m³，各指标均符合炊事炉大气污染物排放标准要求[20]，具有良好的环境效益。