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、NO_x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。