范欣欣1,呂子安2,李定凱2,于曉麗
(1.清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院,北京100084;2.清華大學(xué)熱科學(xué)與動力工程教育部重點實驗室,北京100084)
摘要:生物質(zhì)顆粒燃料作為一種清潔燃料,需要設(shè)計能使其高效、清潔燃燒的特殊爐具。該文介紹了3種生物質(zhì)顆粒燃料炊事爐原始樣爐的熱效率、燃燒特性、煙氣中污染物濃度等測量結(jié)果。試驗過程中以玉米秸稈顆粒為生物質(zhì)顆粒燃料,并參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB 4363—1984《民用柴爐、柴灶熱性能測試方法》,采用燒水試驗方法。試驗結(jié)果顯示:這3種炊事爐都可以清潔地燃燒用農(nóng)業(yè)、林業(yè)固體剩余物制成的顆粒燃料;其中帶有微型風(fēng)機供風(fēng)的炊事爐根據(jù)試驗結(jié)果改進后的產(chǎn)品爐的熱性能和大氣污染物排放水平均滿足北京市地方標(biāo)準(zhǔn)DB11/T 540-2008《戶用生物質(zhì)爐具通用技術(shù)條件》規(guī)定的指標(biāo)和限值。
0引言
目前,生物質(zhì)燃料的開發(fā)利用已成為世界各國的研究熱點。美、日、歐等發(fā)達國家和地區(qū)已采取措施,加大利用這些資源,獲得了良好的社會效益和經(jīng)濟效益。而中國開發(fā)先進且實用的技術(shù)來利用農(nóng)林固體生物質(zhì)燃料資源還剛剛起步,技術(shù)、政策和市場機制還不完善。
用農(nóng)林固體剩余物制成的生物質(zhì)顆粒燃料是一種清潔燃料,其揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)約占70%,灰熔點較低,燃燒特性與煤迥異,需要用專門設(shè)計的燃燒爐具才能使顆粒燃料高效、清潔地燃燒。清華大學(xué)與有關(guān)公司合作開發(fā)出了3種燃燒顆粒燃料炊事爐的原始樣爐。國內(nèi)外描述生物質(zhì)顆粒燃料炊事爐性能的資料難以得到,可借鑒參考的爐具性能的試驗數(shù)據(jù)更少。對于曾大力推廣的節(jié)能柴灶,其熱效率為20%左右,但節(jié)能柴灶所用燃料為原始秸稈等薪柴,要求柴草要干,粗細適中。原始柴灶的熱效率更低,僅9%左右。本文中3種爐具點火容易、操作簡便、火力強度大且易控制,比燃煤爐具干凈,比燃燒低熱值生物質(zhì)燃氣的爐具安全。這就可以為農(nóng)村地區(qū)提供一種環(huán)保、經(jīng)濟、安全的炊事用能方式。為了全面評價這3種不同型號的生物質(zhì)顆粒燃料炊事爐的性能,筆者對其做了性能測試和分析,并根據(jù)試驗結(jié)果對爐具進行改進和完善,以滿足市場的需要。
1儀器、材料和方法
1.1儀器設(shè)備參數(shù)
本試驗所用主要儀器的詳細參數(shù)見表1,所測3種生物質(zhì)顆粒燃料炊事爐設(shè)計參數(shù)及相關(guān)特點見表2及圖1。

1.2測試方法
參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB 4363—1984《民用柴爐、柴灶熱性能測試方法》,采用燒水試驗方法,并重復(fù)試驗至兩次結(jié)果相差小于或等于標(biāo)準(zhǔn)值(3%),取其平均。通過燃燒給定數(shù)量的燃料,對定量水(約6.0kg)加熱,使之升溫、蒸發(fā),獲得爐灶的熱性能參數(shù)。其他所需相關(guān)試驗參照的標(biāo)準(zhǔn)見表3。試驗所用燃料為秸稈顆粒燃料。對3臺炊事爐的熱效率、升溫速度、蒸發(fā)速度、回升速度等熱性能參數(shù),燃燒性能以及污染物排放情況進行測試,以掌握爐具的性能和提出進一步優(yōu)化改進的措施。

2結(jié)果與分析
2.1一號爐試驗與分析
一號爐試驗過程中燃燒狀況良好,無冒煙現(xiàn)象。由于風(fēng)機的作用,不僅增大了送風(fēng)量,同時也增大了風(fēng)速,即增大了送風(fēng)穿透力,使空氣與揮發(fā)分充分混合,燃燒較完全。
由表5可以看到,兩次試驗的熱效率與平均值相差約1.2%,說明兩次試驗的平行度較好,且符合國家標(biāo)準(zhǔn)的允許誤差(熱效率絕對誤差的絕對值應(yīng)小于或等于3%)。取兩次試驗的算術(shù)平均值得到該炊事爐的熱效率為23.20%,說明該爐設(shè)計較合理、熱效率較高。
該爐的蒸發(fā)速度平均為0.037kg/min左右,爐灶的燃燒性能較穩(wěn)定,操作容易,適合農(nóng)戶的使用條件。試驗中,白起燃時刻起,僅30min,試驗鍋水就達到沸點,說明該炊事爐的啟動性能好。由圖2可以直觀地看到該爐兩次試驗的結(jié)果。

在試驗進行到9min和16min左右時,分別測量了煙氣排放。結(jié)果顯示,9min左右時燃燒狀況尚未完全穩(wěn)定,煙氣中的CO(約1200×10-6)、NO(約320×10-6)濃度均較16min左右時(CO濃度約490×10-6、NOx濃度約287×10-6)的高。這與冷爐點火有關(guān)。點火后爐膛需要一段升溫時間,才能使燃燒狀況趨于穩(wěn)定,故初時CO濃度會高些。在1×10-6的儀器檢測精度下,沒有監(jiān)測到SO排放。這是由于在顆粒燃料的燃燒過程中,氣相和灰中的堿性元素(K、Na、Ca)起吸收SO2的作用。
由于樣爐的送風(fēng)量較大,及風(fēng)量調(diào)控設(shè)計的缺陷,試驗中排煙過量空氣系數(shù)達到3左右,造成熱效率偏低。試驗結(jié)果表明,一號爐的設(shè)計思路是正確的,結(jié)構(gòu)比較合理,不僅燃燒充分,而且能夠達到低排放的標(biāo)準(zhǔn),熱效率也達到了可接受的水平。
2.2二號爐試驗與分析
二號爐試驗結(jié)果如表6所示,其熱效率僅13.5%左右;升溫(上火)速度121=1.25℃/min,比一號爐低一倍左右;炊事火力強度(鍋水蒸發(fā)階段,單位時間鍋水蒸發(fā)的熱量,表明炊事爐的炊事供熱能力)為0.68kW,剛剛接近煤爐標(biāo)準(zhǔn)值0.7kW。同時,該爐升溫過程較長,升溫速度及蒸發(fā)速度均較小,回升速度較高,原因是爐膛內(nèi)蓄熱膽的蓄熱能力較大。對于農(nóng)村炊事來說,升溫速度和蒸發(fā)速度是最重要的,是衡量炊事爐熱性能的重要指標(biāo),該爐具在這方面有待改進。

該爐熱效率低的原因有以下3點。第一,自然通風(fēng)的風(fēng)量不足;一、二次風(fēng)共用1個進風(fēng)口,分配比例不好。這使燃燒強度不高,且燃燒不充分,火焰溫度偏低,導(dǎo)致傳熱強度也較低;第二,爐膛內(nèi)設(shè)置了1個為二次風(fēng)起導(dǎo)流作用的蓄熱體,在冷爐啟動時,其蓄熱作用減慢了爐子的升溫速度;第三,由于升溫速度慢,整個試驗過程時間長,造成散熱損失大。
兩次試驗的熱效率絕對誤差在允許誤差范圍內(nèi),符合試驗標(biāo)準(zhǔn)的要求。圖3是二號爐的熱性能試驗曲線,直觀顯示兩次試驗結(jié)果吻合較好。但升溫時間持續(xù)1個多小時,蒸發(fā)階段近半小時,這對于炊事爐來講,是需要加以改進的。
該爐點火升溫慢,而且在點火過程中存在冒黑煙現(xiàn)象。此爐為自然通風(fēng)爐,在點火啟動階段煙囪自生通風(fēng)力弱,供風(fēng)不足,造成燃料燃燒不完全。同時,爐內(nèi)火焰中心位置偏低,只到爐子的1/2處,鍋底吸收的熱流密度小。
2.3三號爐試驗與分析
由表7和圖4可以看到,兩次試驗的平行度很好,完全符合國家標(biāo)準(zhǔn)允許的誤差范圍,該爐的試驗炊事熱效率為9.58%。與二號爐相比,其升溫、蒸發(fā)階段的特性相似,同樣存在升溫過程較長的問題,爐子的啟動性能較差。

與一、二號爐一次裝料的方式不同,三號爐采用靠重力連續(xù)給料的方式,而且可以調(diào)節(jié)進入燃燒層的給料量。只要料斗不空,爐子就能持續(xù)燃燒,并且可以調(diào)節(jié)火頭大小。三號爐的爐膛較大,點火容易;爐膛用異形耐火磚砌成,重量大,使點火升溫過程慢。為了和一、二號爐比較,三號爐的試驗過程也是從冷爐點火開始計量,且給料量有限,這是該爐的試驗熱效率最低的根本原因。三號爐的進風(fēng)控制也存在缺陷,煙氣中氧含量過高,排煙損失偏大,也使熱效率降低。
但是如果經(jīng)過一定時間的燃燒,當(dāng)爐膛溫度足夠高時,燃燒狀況會大大改善,其依靠重力連續(xù)給料的方式將發(fā)揮作用,且炊事火力強度遠大于一、二號爐,熱效率會明顯提高,煙囪不再冒黑煙。因此三號爐適合小餐館使用。
為了更直觀地比較和分析,將3臺顆粒燃料炊事爐的試驗結(jié)果均值統(tǒng)一表示在圖5中。
由圖5可知,一號爐點火后30min,試驗鍋水開始沸騰,持續(xù)沸騰時間23min;二號爐、三號爐的鍋水溫度曲線相似,點火后64min鍋水開始沸騰,二號爐持續(xù)沸騰時間為25min,三號爐較短,為22min。3臺爐子中,二號爐顆粒燃盡后的余熱使冷水的溫升最大,說明該爐爐膛的蓄熱量最大。從戶用炊事爐的實用性角度看,顯然一號爐優(yōu)于二號爐。所以一號爐用微型風(fēng)機供風(fēng)的設(shè)計方案是成功的,同時其結(jié)構(gòu)設(shè)計也更加合理。為了達到產(chǎn)品級水平,值得對一號爐做進一步的優(yōu)化設(shè)計,以提高其熱效率。二號爐的大蓄熱量特點,使其適合于長時間連續(xù)燃燒使用。

在上述試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上,設(shè)計人員對一號炊事爐作了優(yōu)化定型設(shè)計,優(yōu)化目標(biāo)主要是易于調(diào)控過量空氣系數(shù),大幅減少排煙損失。2007年8月,北京市某有檢測資質(zhì)的單位對優(yōu)化后的產(chǎn)品爐進行了性能檢驗,結(jié)果全部指標(biāo)都滿足2008年5月l曰在北京郊區(qū)開始實施的最新標(biāo)準(zhǔn)值(北京市地方標(biāo)準(zhǔn)DB11/T 540—2008《戶用生物質(zhì)爐具通用技術(shù)條件》),具體數(shù)據(jù)見表8。

3結(jié)論
本文試驗得到如下結(jié)論:帶微型風(fēng)機供風(fēng)的炊事爐,其性能在優(yōu)化設(shè)計后達到了合格產(chǎn)品的水平。爐內(nèi)帶一蓄熱膽的炊事爐,由于其蓄熱膽的作用,具有大蓄熱量的特點,使其適合于長時間連續(xù)燃燒使用。爐外圍帶小料斗、可間隔添料的炊事爐,由于其依靠重力連續(xù)給料,且自然通風(fēng),適合于農(nóng)村地區(qū)的餐館使用。 |