范欣欣¹，呂子安²，李定凱²，于曉麗

(1.清華大學核能與新能源技術研究院，北京100084；2.清華大學熱科學與動力工程教育部重點實驗室，北京100084)

　　摘要：生物質顆粒燃料作為一種清潔燃料，需要設計能使其高效、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果。試驗過程中以玉米秸稈顆粒為生物質顆粒燃料，并參照國家標準GB 4363—1984《民用柴爐、柴灶熱性能測試方法》，采用燒水試驗方法。試驗結果顯示：這3種炊事爐都可以清潔地燃燒用農業(yè)、林業(yè)固體剩余物制成的顆粒燃料；其中帶有微型風機供風的炊事爐根據試驗結果改進后的產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準DB11/T 540-2008《戶用生物質爐具通用技術條件》規(guī)定的指標和限值。

　　0引言

　　目前，生物質燃料的開發(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濟效益。而中國開發(fā)先進且實用的技術來利用農林固體生物質燃料資源還剛剛起步，技術、政策和市場機制還不完善。

　　用農林固體剩余物制成的生物質顆粒燃料是一種清潔燃料，其揮發(fā)分質量分數約占70％，灰熔點較低，燃燒特性與煤迥異，需要用專門設計的燃燒爐具才能使顆粒燃料高效、清潔地燃燒。清華大學與有關公司合作開發(fā)出了3種燃燒顆粒燃料炊事爐的原始樣爐。國內外描述生物質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據更少。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燃氣的爐具安全。這就可以為農村地區(qū)提供一種環(huán)保、經濟、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，并根據試驗結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儀器設備參數

　　本試驗所用主要儀器的詳細參數見表1，所測3種生物質顆粒燃料炊事爐設計參數及相關特點見表2及圖1。

　　1.2測試方法

　　參照國家標準GB 4363—1984《民用柴爐、柴灶熱性能測試方法》，采用燒水試驗方法，并重復試驗至兩次結果相差小于或等于標準值(3％)，取其平均。通過燃燒給定數量的燃料，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。其他所需相關試驗參照的標準見表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，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，無冒煙現象。由于風機的作用，不僅增大了送風量，同時也增大了風速，即增大了送風穿透力，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，且符合國家標準的允許誤差(熱效率絕對誤差的絕對值應小于或等于3％)。取兩次試驗的算術平均值得到該炊事爐的熱效率為23.20％，說明該爐設計較合理、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果。

　　在試驗進行到9min和16min左右時，分別測量了煙氣排放。結果顯示，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。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。

　　由于樣爐的送風量較大，及風量調控設計的缺陷，試驗中排煙過量空氣系數達到3左右，造成熱效率偏低。試驗結果表明，一號爐的設計思路是正確的，結構比較合理，不僅燃燒充分，而且能夠達到低排放的標準，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，剛剛接近煤爐標準值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，原因是爐膛內蓄熱膽的蓄熱能力較大。對于農村炊事來說，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，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，自然通風的風量不足；一、二次風共用1個進風口，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，導致傳熱強度也較低；第二，爐膛內設置了1個為二次風起導流作用的蓄熱體，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，符合試驗標準的要求。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象。此爐為自然通風爐，在點火啟動階段煙囪自生通風力弱，供風不足，造成燃料燃燒不完全。同時，爐內火焰中心位置偏低，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，完全符合國家標準允許的誤差范圍，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。

　　但是如果經過一定時間的燃燒，當爐膛溫度足夠高時，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機供風的設計方案是成功的，同時其結構設計也更加合理。為了達到產品級水平，值得對一號爐做進一步的優(yōu)化設計，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。

　　在上述試驗結果的基礎上，設計人員對一號炊事爐作了優(yōu)化定型設計，優(yōu)化目標主要是易于調控過量空氣系數，大幅減少排煙損失。2007年8月，北京市某有檢測資質的單位對優(yōu)化后的產品爐進行了性能檢驗，結果全部指標都滿足2008年5月l曰在北京郊區(qū)開始實施的最新標準值(北京市地方標準DB11/T 540—2008《戶用生物質爐具通用技術條件》)，具體數據見表8。

　　3結論

　　本文試驗得到如下結論：帶微型風機供風的炊事爐，其性能在優(yōu)化設計后達到了合格產品的水平。爐內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，適合于農村地區(qū)的餐館使用。