摘要：針對(duì)當(dāng)前生物質(zhì)燃燒爐灶熱效率低、火力強(qiáng)度達(dá)不到要求、供風(fēng)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(duì)清潔生物質(zhì)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(zhì)顆粒直燃爐灶。運(yùn)行性能試驗(yàn)結(jié)果表明：該爐灶的炊事熱效率為42.9％，綜合熱效率達(dá)70.7％，炊事強(qiáng)度為14.1kW，煙氣排放指標(biāo)低于國家標(biāo)準(zhǔn)，生物質(zhì)顆粒燃燒較為充分，可為以生物質(zhì)顆粒為燃料的集中供餐炊事爐灶的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供科學(xué)參考。

　　引言

　　能源是經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步的基礎(chǔ)，但由于常規(guī)化能源的理論存儲(chǔ)量有限并日漸枯竭，對(duì)可再生資源的開發(fā)利用已迫在眉睫。生物質(zhì)能源作為一種可再生且環(huán)境友好的能源，受到廣泛關(guān)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(biāo)準(zhǔn)煤），占可收集資源量的11.4％[1]。秸稈類生物質(zhì)具有揮發(fā)性高、碳活性高、灰分低、S含量低，在整個(gè)碳循環(huán)過程中CO2零排放等優(yōu)點(diǎn)，是一種優(yōu)質(zhì)清潔燃料。因此，將秸稈類生物質(zhì)通過直接燃燒方式利用，是其最簡(jiǎn)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(duì)其收儲(chǔ)運(yùn)和燃燒帶來一些問題[5]，采用物理、化學(xué)的方法將秸稈粘化，在高溫高壓下或加粘結(jié)劑條件下，壓縮成粒狀或塊狀等具有一定密實(shí)度的顆粒狀燃料[6－8]，便于運(yùn)輸和儲(chǔ)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(dòng)了改灶節(jié)柴等工作，但通過對(duì)改造出的節(jié)柴灶和爐具燃燒過程進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其熱效率為20％左右，且由于供風(fēng)的不均性造成燃料的不完全燃燒以及煙氣排放不達(dá)標(biāo)，同時(shí)存在著功能的單一性，達(dá)不到多種炊事和供熱水以及供暖同時(shí)進(jìn)行[11－12]。市場(chǎng)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(duì)炊事強(qiáng)度以及對(duì)爐灶的功能的要求。因此，本文擬設(shè)計(jì)一種既能滿足集體供餐需要、保證多項(xiàng)炊事同時(shí)進(jìn)行，還能夠兼顧供暖供熱水的生物質(zhì)顆粒爐灶，并對(duì)其運(yùn)行性能進(jìn)行評(píng)估。

　　1設(shè)計(jì)依據(jù)

　　1.1大連生物質(zhì)顆粒燃料燃燒特性

　　生物質(zhì)爐灶的設(shè)計(jì)需要結(jié)合生物質(zhì)燃燒特性。生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)理的實(shí)質(zhì)屬于靜態(tài)滲透壓擴(kuò)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(gè)階段[15－17]：

　?、偕镔|(zhì)顆粒在燃燒爐膛內(nèi)，隨著溫度的升高，水分逐漸被蒸發(fā)。

　?、谌紵覝囟壬仙?50℃左右時(shí)，揮發(fā)分析出，揮發(fā)物與氧氣結(jié)合，燃燒進(jìn)入過渡區(qū)與擴(kuò)散區(qū)。

　?、蹪B透擴(kuò)散燃燒，焦炭的燃燒占主要地位，在顆粒表面進(jìn)行一氧化碳的燃燒，燃燒持續(xù)穩(wěn)定，爐溫較高。

　?、苋急M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(jié)束[18－19]。試驗(yàn)所用的玉米秸稈顆粒燃料粒徑5～15mm，長(zhǎng)度20～30mm，密度800kg/m3，工業(yè)分析和元素分析結(jié)果如表1所示。 

       1.2生物質(zhì)顆粒燃料爐灶設(shè)計(jì)原則

　　由于大多數(shù)集中供餐在炊事時(shí)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(zhì)顆粒燃料的燃燒基本特性，爐灶的設(shè)計(jì)需滿足以下原則：①點(diǎn)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(jìn)入爐內(nèi)，不冒黑煙，能源利用效率高。②功能齊全，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，成本低廉，安全可靠，實(shí)用耐用。③熱效率高，熱性能穩(wěn)定。

　　2生物質(zhì)顆粒直燃爐灶設(shè)計(jì)

　　2.1整體結(jié)構(gòu)

　　結(jié)合生物質(zhì)顆粒燃料的燃燒特性以及炊事的需要，設(shè)計(jì)的生物質(zhì)顆粒直燃爐灶結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由蒸發(fā)器、燃燒爐膛、一次和二次進(jìn)風(fēng)風(fēng)機(jī)、三次補(bǔ)風(fēng)機(jī)、觀火孔、二次裝料碳化倉等組成。 

該爐灶采用間歇進(jìn)料，燃料從聚火口以及輔料倉的進(jìn)料口進(jìn)料，輔料倉的設(shè)計(jì)是確保滿足炊事對(duì)燃料的需求，當(dāng)料倉的燃料不能滿足炊事需要時(shí)，可以通過輔料倉上的進(jìn)料口進(jìn)料，燃料會(huì)逐漸滑入爐膛燃燒。同時(shí)爐膛燃燒時(shí)可以對(duì)輔料倉的燃料進(jìn)行干燥及氣化，提高能量利用效率；采用上點(diǎn)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(shè)有一號(hào)風(fēng)機(jī)（12W），可以通過調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)上的控制旋鈕，來實(shí)現(xiàn)一次風(fēng)和二次風(fēng)的大小以及配比；在出火口上方設(shè)置了觀火孔，觀察燃燒過程中供風(fēng)是否充足，并配有二號(hào)風(fēng)機(jī)（12W）來實(shí)現(xiàn)三次供風(fēng)；在爐膛的上方設(shè)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(duì)蒸發(fā)器加熱，水從下面的進(jìn)水口進(jìn)入蒸發(fā)器，蒸發(fā)器與爐灶外面的水位計(jì)相通，以確保進(jìn)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(shí)現(xiàn)了炒菜與蒸飯等同時(shí)進(jìn)行，縮短了炊事時(shí)間，在蒸汽出口處設(shè)有蒸汽壓力閥，當(dāng)壓力超過安全值，泄壓裝置自動(dòng)泄壓。該設(shè)備所有零部件采用模具來完成沖壓、拉伸、材料自動(dòng)剪切，自動(dòng)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(zhì)量和外觀的統(tǒng)一性。

　　2.2爐膛設(shè)計(jì)

　　生物質(zhì)顆粒燃料的燃燒特性要求確保供風(fēng)的均勻性，故將爐膛的上下部分設(shè)計(jì)成錐形。爐膛的大小由爐膛的容積熱負(fù)荷決定，爐膛的容積熱負(fù)荷過大，則燃料在爐內(nèi)停留的時(shí)間短，燃燒不充分；反之，爐膛容積熱負(fù)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(fù)荷一般在250～400W/m3，本設(shè)計(jì)容積熱負(fù)荷取380kW/m3[20]。

      2.3進(jìn)風(fēng)套設(shè)計(jì)

　　針對(duì)大多數(shù)生物質(zhì)顆粒爐供風(fēng)不足與不均勻性的問題，設(shè)計(jì)了高度為19cm，上圓半徑為25cm的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格錐面進(jìn)風(fēng)套，。

在同一水平面上，相隔相同的距離設(shè)有大小一致的進(jìn)風(fēng)孔，一次進(jìn)風(fēng)和二次進(jìn)風(fēng)處都設(shè)置錐形進(jìn)風(fēng)套，這樣風(fēng)以旋轉(zhuǎn)的方式通過進(jìn)風(fēng)孔進(jìn)入爐體內(nèi)，達(dá)到了每個(gè)進(jìn)風(fēng)孔通風(fēng)量的均勻，從而保證了燃料燃燒的均勻。一次風(fēng)與二次風(fēng)的供給是通過12W的風(fēng)機(jī)來控制，它們之間的配比通過風(fēng)機(jī)上的調(diào)節(jié)旋鈕來控制。

　　2.4吊火高度和聚火口設(shè)計(jì)

　　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(dá)鍋的底部為正合適，根據(jù)生物質(zhì)顆粒燃料的燃燒特性，一般小型生物質(zhì)爐的吊火高度在28～30cm[21]，同時(shí)鍋的尺寸會(huì)對(duì)吊火高度產(chǎn)生影響，本設(shè)計(jì)爐膛高度取40cm。由于選用燃料層燃的燃燒方式，會(huì)產(chǎn)生可燃性揮發(fā)性氣體，本爐灶專門設(shè)計(jì)了喇叭形的聚火口（Φ14cm），有利于聚集火焰，拔高了火苗的高度。