荊艷艷，李亞猛，周雪花，張志萍，朱勝楠，張全國

（河南農業大學農業部可再生能源新材料與裝備重點實驗室，鄭州450002）

　　摘要：為提高農村用能效率，依據生物質燃燒特性和熱工計算標準，設計上燃均衡供氧式生物質成型燃料炊事爐。確定炊事爐的主要設計參數，構建相互獨立的螺旋式分級配風系統及灰倉與風管相結合的自然進風系統，并對炊事爐的性能進行測試。結果顯示炊事爐熱效率為40.25%，炊事火力強度為3.32kW，煙塵、CO、SO₂、NO_x等煙氣污染物排放均符合國家相關標準，可保證成型顆粒燃料的充分燃燒，提高燃燒性能。

　　0引言

　　生物質能是動植物和微生物將太陽能轉換為化學能存儲在生物質中的能量形式[1]，是一種可再生能源。生物質能的開發和利用是提高農村用能效率的有效途徑之一[2，3]。秸稈類生物質具有揮發分高、灰分低、碳活性高等優點，在生物質的燃料化利用方面得到了廣泛關注。2015年我國農作物秸稈類生物質燃料化利用量為1.0億t[4]，且在逐年增加。同時隨著固化成型技術的發展，秸稈類生物質經粉碎、干燥，在高溫高壓或加粘結劑的條件下擠壓而成的顆粒狀燃料，不僅天然環保、便于運輸和儲存[5~7]，而且克服了秸稈類生物質疏松性和分散性給燃燒過程帶來的問題[8~11]，因此成型燃料技術逐漸成為秸稈類生物質燃料化利用的主要方式。但因其揮發分高、灰分低，與煤的燃燒特性迥異[8]，故需設計專門的燃燒爐具才能使燃料高效、清潔地燃燒。

　　目前使用的節柴灶存在火力強度小、污染物排放量高和熱效率低等問題[12，13]。因此探索新型燃燒模式，設計出點火容易、操作簡便、火力強度大且易于控制的生物質成型燃料炊事爐是一個關鍵。本文針對成型燃料的特點，設計出一種上燃式均衡供氧生物質成型燃料炊事爐，該爐具采用上下獨立的旋轉式進風，進風量均勻無死角，保證燃料的充分燃燒，且可提高燃燒性能。

　　1設計依據

　　依據生物質顆粒成型燃料靜態滲透式擴散燃燒的基本特性[14]，結合地區用能習慣和經濟條件，爐具設計遵守以下原則：1）使用方便、易點火、上火快；2）安全衛生、熱性能穩定；3）適應農民生活習慣和燃料要求；4）造價低、實用耐用。

　　對生物質成型燃料爐具的設計還需考慮：1）充分利用生物質產生的揮發性物質和燃燒過程中碳化物質的熱輻射能量；2）空氣能均勻流暢地進入爐內，實現連續穩定燃燒；3）燃燒完全，能源利用效率高。

　　2結構與設計

　　2.1炊事爐的整體結構

　　生物質顆粒燃料炊事爐主要由燃燒單元、供風單元、隔熱單元、支撐單元等組成，結構如圖1所示。生物質成型燃料炊事爐的進料口設置在爐灶外側，和出火口為同一位置，出火口處裝有聚火環，爐膛內的成型顆粒燃料采用上點火的引燃方式從上往下燃燒，使生物質氣化和燃燒一體化。該炊事爐設計2套二級進風系統，其中螺旋式分級配風系統的送風管與風機相連通，通過風機配風組件實現二次供風，且風機配風閥手柄旋鈕可調節一次風和二次風的大小以及配比，同時一次風和二次風進風處設計有帶進風孔的錐形進風套，采用的風機功率為8W，送風管直徑為30mm。自然進風系統由出灰組件的灰窗蓋、灰窗進風閥手柄和灰窗調風板組成，自然風由出灰口經爐篦進入爐膛實現一次供風，二次供風則由與自然進風管相連通的灰倉和二次進風系統實現。

　　2.2供風系統的設計

　　2.2.1相互獨立的螺旋式分級配風系統

　　一次風和二次風進風設計成上下獨立的爐體結構。一次風從爐膛下部鼓入，有利于提前預熱及燃料與空氣的充分混合；二次風從爐膛上部鼓入，可改善揮發性可燃氣體與空氣混合的均勻度，提高燃燒溫度。為保證進風量的均勻性，一次風和二次風進風系統處設有圓錐形或弧面型的進風套，進風套上有流線型的進風孔，其結構如圖2所示。該結構可促使從進風孔流出的風形成螺旋式流動，達到進風均勻、無死角，降低整體過量空氣系數，減少不完全燃燒污染物的排放的作用。

　　2.2.2灰倉和風管結合的自然進風系統

　　自然進風系統如圖3所示，由出灰組件控制進風量，自然風通過進風口（即出灰口）進入灰倉后，經爐篦為爐膛燃燒提供一次風。灰倉上方設置與其相連的45°斜角的自然進風管，風管上端與二次進風套相連通，自然進風系統的二次風則經自然進風管由二次進風孔提供，以保證斷電時炊事爐正常工作。

　　2.3炊事爐的設計計算

　　2.3.1生物質燃料消耗量

　　中國農村基本為3~5口之家，日常生活平均每天所需熱量Q1為12000kJ[15]，做飯時間約1h，設計生物質成型燃料炊事爐的熱效率為45%，玉米秸稈成型燃料熱值約為14600kJ/kg，則生物質燃料消耗量為：

　　2.3.2爐膛參數的確定

　　爐膛（燃燒室）指從爐篦到爐口下部之間的部分，恰當選擇爐膛參數是燃料完全燃燒的根本保證。

　　2.3.3煙囪參數的確定

　　煙囪的主要作用是在爐膛內產生負壓，將空氣從進風口抽入爐膛，使燃料和空氣充分接觸，盡量實現完全燃燒，同時將爐膛內的煙塵抽出。

　　3性能試驗

　　3.1性能測試主要依據

　　戶用生物質炊事爐具性能試驗方法（NB/T2370—2013）[19]和戶用生物質炊事爐具通用技術條件（NB/T2369—2013）[20]。

　　3.2試驗系統

　　試驗裝置主要有爐具主體（爐膛、煙道等）、溫度測試系統、煙氣分析系統等。圖4為測試樣機。

　　3.3測試儀器和設備

　　水桶2個，容量0.01m³；臺秤1臺，測量范圍0~10kg，精確0.005kg；磅秤1臺，測量范圍0~50kg，

　　精確0.02kg；時鐘1個，日差小于1min；溫度計2支，測量范圍0~100℃，分度值0.2℃；干濕球溫度計1支；風速計1個，測量范圍0~10m/s，精度0.5m/s；鎳鉻-鎳硅K型熱電偶，測溫范圍-200~1200℃；KMQuintO_x9106型煙氣分析儀；貝克曼表面溫度計，測量范圍0~300℃，分度值2℃；直徑30cm蒸發鋁鍋1個。

　　3.4試驗條件

　　試驗在室內進行，生物質成型燃料炊事爐遠離熱源，環境溫度為16.5℃，相對濕度小于85%，風速小于1.0m/s；燃料為玉米秸稈壓縮成型顆粒燃料，粒徑5~15mm，長度20~30mm，其工業性分析和元素分析如表1所示。引燃物為干燥的棉花秸稈，每次實驗做2次平行實驗。

　　3.5結果與分析

　　生物質顆粒炊事爐具的炊事火力強度和炊事熱效率試驗數據如表2所示。根據表2所示數據可得出上火時間、旺火時間和可用火時間占整個燃燒試驗時間的2.57%、68.23%和85.71%，各時間段的占有百分量優于以前文獻報道[21]。從占有時間百分量可看出整個爐具上火較快、燃燒較穩定。

　　上燃均衡供氧式生物質成型燃料炊事爐的熱性能見表3。炊事爐熱效率為40.25%，炊事火力強度為3.32kW，符合國家戶用爐具標準（熱效率η≥35%、炊事火力強度P≥2kW[20]）。炊事爐燃燒正常后，經測定出煙口排煙平均溫度為186℃，煙氣黑度小于1級，煙塵平均排放濃度18.5mg/m³，CO平均排放濃度0.18%，SO₂平均排放濃度14.5mg/m³，NO_x平均排放濃度105.5mg/m³，各指標均符合炊事爐大氣污染物排放標準要求[20]，具有良好的環境效益。

　　4結論

　　1）上燃均衡供氧式生物質成型燃料炊事爐設計了2套二級供風系統，構建一次風和二次風相互獨立的螺旋式分級配風系統，實現漩渦式進風，進風均勻、無死角。自然進風系統采用灰倉和風管相結合的分級進風形式，有利于供風系統的正常運行。

　　2）通過分析計算，確定了炊事爐燃料消耗量、爐膛容積、爐排和爐篦面積、爐排熱負荷、煙囪高度和面積等成型燃料炊事爐的主要設計參數。

　　3）設計的上燃均衡供氧式生物質成型燃料炊事爐的炊事熱效率、炊事火力強度及煙塵、CO、SO₂、NO_x等煙氣污染物排放均符合國家戶用生物質炊事爐的相關標準。