生物质颗粒直燃炉灶设计与试验

李亚猛^1，2，周雪花^1，2，胡建军^1，2，朱胜楠^1，2，荆艳艳^1，2，张全国^1，2

（1.河南农业大学机电工程学院，郑州450002；2.生物质能源河南省协同创新中心，郑州450002）

　　摘要：针对当前生物质燃烧炉灶热效率低、火力强度达不到要求、供风不充足燃烧不完全、功能单一等问题，依据集中供餐炊事对清洁生物质颗粒燃料炉灶的需求，研制了一种以层燃为燃烧方式，集炒菜、蒸饭、烧水、供热等功能于一体的生物质颗粒直燃炉灶。运行性能试验结果表明：该炉灶的炊事热效率为42.9％，综合热效率达70.7％，炊事强度为14.1kW，烟气排放指标低于国家标准，生物质颗粒燃烧较为充分，可为以生物质颗粒为燃料的集中供餐炊事炉灶的设计与应用提供科学参考。

　　引言

　　能源是经济发展和社会进步的基础，但由于常规化能源的理论存储量有限并日渐枯竭，对可再生资源的开发利用已迫在眉睫。生物质能源作为一种可再生且环境友好的能源，受到广泛关注。我国具有丰富的农作物秸秆资源，2015年农作物秸秆理论资源量10.4亿t，可收集资源量9.0亿t，利用量为7.2亿t，其中秸秆燃料化利用量1.0亿t（折合0.5亿t标准煤），占可收集资源量的11.4％^[1]。秸秆类生物质具有挥发性高、碳活性高、灰分低、S含量低，在整个碳循环过程中CO₂零排放等优点，是一种优质清洁燃料。因此，将秸秆类生物质通过直接燃烧方式利用，是其最简便高效的燃料化利用方式之一^[2－4]。

　　由于秸秆的疏松性和分散性对其收储运和燃烧带来一些问题^[5]，采用物理、化学的方法将秸秆粘化，在高温高压下或加粘结剂条件下，压缩成粒状或块状等具有一定密实度的颗粒状燃料^[6－8]，便于运输和储存，燃烧效率高^[9－10]。为了使民用炉灶能够使用颗粒型燃料，政府推动了改灶节柴等工作，但通过对改造出的节柴灶和炉具燃烧过程进行分析，发现其热效率为20％左右，且由于供风的不均性造成燃料的不完全燃烧以及烟气排放不达标，同时存在着功能的单一性，达不到多种炊事和供热水以及供暖同时进行^[11－12]。市场上出现的炉灶主要是一些家庭小型用炉，不能满足一些集体供餐单位对炊事强度以及对炉灶的功能的要求。因此，本文拟设计一种既能满足集体供餐需要、保证多项炊事同时进行，还能够兼顾供暖供热水的生物质颗粒炉灶，并对其运行性能进行评估。

　　1设计依据

　　1.1生物质颗粒燃料燃烧特性

　　生物质炉灶的设计需要结合生物质燃烧特性。生物质颗粒燃烧机理的实质属于静态渗透压扩散燃烧^[13－14]，其燃烧过程可分为干燥脱水、挥发分析出燃烧、焦炭燃烧和燃尽4个阶段^[15－17]：

　　①生物质颗粒在燃烧炉膛内，随着温度的升高，水分逐渐被蒸发。

　　②燃烧室温度上升到250℃左右时，挥发分析出，挥发物与氧气结合，燃烧进入过渡区与扩散区。

　　③渗透扩散燃烧，焦炭的燃烧占主要地位，在颗粒表面进行一氧化碳的燃烧，燃烧持续稳定，炉温较高。

　　④燃尽的灰壳不断加厚，可燃物基本燃尽，形成整体的灰壳，灰壳表面看不到火焰，燃料变成暗红色，燃烧过程结束^[18－19]。试验所用的玉米秸秆颗粒燃料粒径5～15mm，长度20～30mm，密度800kg/m³，工业分析和元素分析结果如表1所示。

　　1.2生物质颗粒燃料炉灶设计原则

　　由于大多数集中供餐在炊事时均需要一次生火能把炒菜、煮饭以及用热水问题解决，依据生物质颗粒燃料的燃烧基本特性，炉灶的设计需满足以下原则：①点火容易，上火快，燃烧稳定、完全，火力足，空气能均匀流畅地进入炉内，不冒黑烟，能源利用效率高。②功能齐全，结构简单，使用方便，成本低廉，安全可靠，实用耐用。③热效率高，热性能稳定。

　　2生物质颗粒直燃炉灶设计

　　2.1整体结构

　　结合生物质颗粒燃料的燃烧特性以及炊事的需要，设计的生物质颗粒直燃炉灶结构如图1所示，主要由蒸发器、燃烧炉膛、一次和二次进风风机、三次补风机、观火孔、二次装料碳化仓等组成。

　　该炉灶采用间歇进料，燃料从聚火口以及辅料仓的进料口进料，辅料仓的设计是确保满足炊事对燃料的需求，当料仓的燃料不能满足炊事需要时，可以通过辅料仓上的进料口进料，燃料会逐渐滑入炉膛燃烧。同时炉膛燃烧时可以对辅料仓的燃料进行干燥及气化，提高能量利用效率；采用上点火方式，颗粒从上往下燃烧；灰室在炉膛的下部，炉蓖安装在抽屉式灰仓的上面；在炉膛的正前方设有一号风机（12W），可以通过调节风机上的控制旋钮，来实现一次风和二次风的大小以及配比；在出火口上方设置了观火孔，观察燃烧过程中供风是否充足，并配有二号风机（12W）来实现三次供风；在炉膛的上方设置了与锅底部紧密接触的支架式环形蒸发器，利用火焰以及烟气对蒸发器加热，水从下面的进水口进入蒸发器，蒸发器与炉灶外面的水位计相通，以确保进水量适中，燃烧过程中产生的高温蒸汽，从蒸发器上出口冒出，高温蒸汽用来蒸饭、煮粥以及供热水，实现了炒菜与蒸饭等同时进行，缩短了炊事时间，在蒸汽出口处设有蒸汽压力阀，当压力超过安全值，泄压装置自动泄压。该设备所有零部件采用模具来完成冲压、拉伸、材料自动剪切，自动卷圆焊接，炉具装配采用模块式和流水线装配工艺，保证了产品质量和外观的统一性。

　　2.2炉膛设计

　　生物质颗粒燃料的燃烧特性要求确保供风的均匀性，故将炉膛的上下部分设计成锥形。炉膛的大小由炉膛的容积热负荷决定，炉膛的容积热负荷过大，则燃料在炉内停留的时间短，燃烧不充分；反之，炉膛容积热负荷过小，炉膛容积过大，燃烧分散，火力不集中。因炉具是为了满足集中供餐需要，所以燃料的消耗量取9kg/h，炉灶的热效率取0.65，炉灶的容积热负荷一般在250～400W/m³，本设计容积热负荷取380kW/m^3[20]。

　　炉膛容积为

　　2.3进风套设计

　　针对大多数生物质颗粒炉供风不足与不均匀性的问题，设计了高度为19cm，上圆半径为25cm的非结构网格锥面进风套，如图2所示。

　　在同一水平面上，相隔相同的距离设有大小一致的进风孔，一次进风和二次进风处都设置锥形进风套，这样风以旋转的方式通过进风孔进入炉体内，达到了每个进风孔通风量的均匀，从而保证了燃料燃烧的均匀。一次风与二次风的供给是通过12W的风机来控制，它们之间的配比通过风机上的调节旋钮来控制。

　　2.4吊火高度和聚火口设计

　　吊火高度指锅底与炉排之间的垂直距离。以燃烧火苗的高温区正达锅的底部为正合适，根据生物质颗粒燃料的燃烧特性，一般小型生物质炉的吊火高度在28～30cm^[21]，同时锅的尺寸会对吊火高度产生影响，本设计炉膛高度取40cm。由于选用燃料层燃的燃烧方式，会产生可燃性挥发性气体，本炉灶专门设计了喇叭形的聚火口（Φ14cm），有利于聚集火焰，拔高了火苗的高度。

　　2.5烟囱截面积计算

　　3生物质颗粒直燃炉灶性能试验

　　3.1试验依据

　　依据文献[22]对炉具的炊事热效率进行测试。炉具的烟气排放检测采用文献[23]的方法计算。整体试验数据采用在线仪表计量与现场计量。

　　3.2试验系统

　　采用的试验装置主要有炉灶主体（包括炉膛、蒸发器、烟道、风道等）、温度测试系统（包括温度计和热电偶）、烟气分析仪等测试系统。图3为测试样机。

　　3.3试验测试仪器

　　水桶2个，每个容量为0.01m³；台秤1台，测量范围0～10kg；XK3190A12E型电子落地台秤，精度10ｇ；时钟1个，日差小于1min；风速仪，测量范围0～10m/s，精度为0.5m/s；镍铬镍硅K型热电偶，测温范围－200～1200℃，KMQuintoｘ9106型烟气分析仪。

　　3.4试验条件和方法

　　试验在室内进行，环境温度为25℃左右；相对湿度小于85％；室内风速小于1.0m/s；测试工质为常温水；试验炉具远离其他热源；燃料为玉米秸秆成型燃料；引燃物为干燥的棉花秸秆。每次试验进行3次，求其平均值。

　　3.5结果与分析

　　生物质颗粒炉灶的性能试验数据如表2所示。

　　炉灶的热性能和烟气排放的试验结果如表3所示，该生物质颗粒直燃炉灶的炊事热效率达到42.9％，高于一般家用颗粒炊事炉的效率^[24－25]，环形蒸发器的设计有效地利用外围火焰和烟气所携带的热量，提高了炉灶的综合热效率，达到70.7％，炊事火力强度14.1kW，符合国家标准生物质炊事炉灶的热效率（≥35％）、炊事火力强度（≥10kW）^[26]的要求。排烟中SO₂的平均质量浓度为13.45mg/m³，CO的平均体积分数为0.087％，NO平均质量浓度为103.27mg/m³，NO₂平均质量浓度为4.11mg/m³，格林曼黑度小于1。设计的直燃式颗粒炉灶的排放烟气指标均符合国家相关规定^[23，26]，具有较好的社会环境效益。

　　4结论

　　（1）生物质颗粒直燃炉灶的炊事热效率为42.9％，综合热效率为70.7％，炊事火力强度为14.1kW，符合生物质炊事大灶的要求，能够满足集中供餐用能的需要。

　　（2）生物质颗粒直燃炉灶的排烟中NO的平均质量浓度为103.27mg/m³，NO₂的平均质量浓度为4.11mg/m³，CO的平均体积分数为0.087％，SO₂的平均质量浓度为13.45mg/m³，烟气格林曼黑度小于1，均符合炉灶的相关规定，能够实现清洁燃烧。

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