李亞猛 1, 2, 周雪花 1, 2, 胡建軍 1, 2, 朱勝楠1, 2, 荊豔豔 1, 2, 張全國1, 2
(1.河南農業大學機電工程學院, 鄭州450002; 2.生物質能源河南省協同創新中心, 鄭州450002)
摘要: 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, 依據集中供餐炊事對清潔生物質顆粒燃料爐灶的需求, 研製了一種以層燃為燃燒方式, 集炒菜, 蒸飯, 燒水, 供熱等功能於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14.1kW, 煙氣排放指標低於國家標準, 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.
引言
能源是經濟發展和社會進步的基礎, 但由於常規化能源的理論存儲量有限並日漸枯竭, 對可再生資源的開發利用已迫在眉睫. 生物質能源作為一種可再生且環境友好的能源, 受到廣泛關注. 我國具有豐富的農作物秸稈資源, 2015年農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 (摺合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性高, 碳活性高, 灰分低, S含量低, 在整個碳迴圈過程中CO 2零排放等優點, 是一種優質清潔燃料. 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].
由於秸稈的疏鬆性和分散性對其收儲運和燃燒帶來一些問題 [5], 採用物理, 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], 便於運輸和儲存, 燃燒效率高 [9- 10]. 為了使民用爐灶能夠使用顆粒型燃料, 政府推動了改灶節柴等工作, 但通過對改造出的節柴灶和爐具燃燒過程進行分析, 發現其熱效率為20% 左右, 且由於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, 並對其運行性能進行評估.
1設計依據
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於靜態滲透壓擴散燃燒 [13- 14], 其燃燒過程可分為乾燥脫水, 揮發分析出燃燒, 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, 隨著溫度的升高, 水分逐漸被蒸發.
②燃燒室溫度上升到250℃左右時, 揮發分析出, 揮發物與氧氣結合, 燃燒進入過渡區與擴散區.
③滲透擴散燃燒, 焦炭的燃燒佔主要地位, 在顆粒表面進行一氧化碳的燃燒, 燃燒持續穩定, 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~ 15mm, 長度20~ 30mm, 密度800kg/m 3, 工業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
由於大多數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, 燃燒穩定, 完全, 火力足, 空氣能均勻流暢地進入爐內, 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, 熱性能穩定.
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.
該爐灶採用間歇進料, 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乾燥及氣化, 提高能量利用效率; 採用上點火方式, 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 (12W) , 可以通過調節風機上的控制旋鈕, 來實現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, 並配有二號風機 (12W) 來實現三次供風; 在爐膛的上方設置了與鍋底部緊密接觸的支架式環形蒸發器, 利用火焰以及煙氣對蒸發器加熱, 水從下面的進水口進入蒸發器, 蒸發器與爐灶外面的水位計相通, 以確保進水量適中, 燃燒過程中產生的高溫蒸汽, 從蒸發器上出口冒出, 高溫蒸汽用來蒸飯, 煮粥以及供熱水, 實現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. 該設備所有零部件採用模具來完成衝壓, 拉伸, 材料自動剪切, 自動卷圓焊接, 爐具裝配採用模組式和流水線裝配工藝, 保證了產品質量和外觀的統一性.
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9kg/h, 爐灶的熱效率取0.65, 爐灶的容積熱負荷一般在250~ 400W/m 3, 本設計容積熱負荷取380kW/m3[20].
爐膛容積為
2.3進風套設計
針對大多數生物質顆粒爐供風不足與不均勻性的問題, 設計了高度為19cm, 上圓半徑為25cm的非結構網格錐面進風套, 如圖2所示.
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, 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12W的風機來控制, 它們之間的配比通過風機上的調節旋鈕來控制.
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正達鍋的底部為正合適, 根據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~ 30cm [21], 同時鍋的尺寸會對吊火高度產生影響, 本設計爐膛高度取40cm. 由於選用燃料層燃的燃燒方式, 會產生可燃性揮發性氣體, 本爐灶專門設計了喇叭形的聚火口 (Φ14cm) , 有利於聚集火焰, 拔高了火苗的高度.
2.5煙囪截面積計算
3生物質顆粒直燃爐灶性能試驗
3.1試驗依據
依據文獻[22]對爐具的炊事熱效率進行測試. 爐具的煙氣排放檢測採用文獻[23]的方法計算. 整體試驗數據採用線上儀錶計量與現場計量.
3.2試驗系統
採用的試驗裝置主要有爐灶主體 (包括爐膛, 蒸發器, 煙道, 風道等) , 溫度測試系統 (包括溫度計和熱電偶) , 煙氣分析儀等測試系統. 圖3為測試樣機.
3.3試驗測試儀器
水桶2個, 每個容量為0.01m 3; 台秤1台, 測量範圍0~ 10kg; XK3190A12E型電子落地台秤, 精度10g ; 時鐘1個, 日差小於1min; 風速儀, 測量範圍0~ 10m/s, 精度為0.5m/s; 鎳鉻鎳矽K型熱電偶, 測溫範圍- 200~ 1200℃, KMQuintox 9106型煙氣分析儀.
3.4試驗條件和方法
試驗在室內進行, 環境溫度為25℃左右; 相對濕度小於85% ; 室內風速小於1.0m/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; 引燃物為乾燥的棉花秸稈. 每次試驗進行3次, 求其平均值.
3.5結果與分析
生物質顆粒爐灶的性能試驗數據如表2所示.
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% , 高於一般家用顆粒炊事爐的效率 [24- 25], 環形蒸發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14.1kW, 符合國家標準生物質炊事爐灶的熱效率 (≥35% ) , 炊事火力強度 (≥10kW) [26]的要求. 排煙中SO 2的平均質量濃度為13.45mg/m 3, CO的平均體積分數為0.087% , NO平均質量濃度為103.27mg/m 3, NO 2平均質量濃度為4.11mg/m 3, 格林曼黑度小於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定 [23, 26], 具有較好的社會環境效益.
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14.1kW, 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103.27mg/m 3, NO 2的平均質量濃度為4.11mg/m 3, CO的平均體積分數為0.087% , SO 2的平均質量濃度為13.45mg/m 3, 煙氣格林曼黑度小於1, 均符合爐灶的相關規定, 能夠實現清潔燃燒.
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