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郭瑞琴1，劉圣勇2，劉莉3，楊群發2，李遂亮2
(1.河南省農業干部學校，河南鄭州450008；2.河南農業大學機電工程學院，河南鄭州450002；3.河南紡織高等?？茖W校，河南鄭州450007)
摘要：根據生物質燃氣的特性，對生物質燃氣爐具的噴嘴、引射器部件進行了設計，研制出了生物質燃氣爐具。經試驗與檢測證實，該爐具有運行穩定，使用安全，熱負荷大，效率高，成本低等優點，在村鎮有較高的推廣應用價值。
生物質熱解氣化作為一種主要的生物質能轉換技術，近年來得到較大的發展，各種生物質氣化裝置和生物質燃氣發電機組相繼研制成功，把生物質的高品位利用推到了一個較新的高度。同時生物質固定床熱解氣化已發展到村級規模集中供氣和氣化烘干等領域，而且以追求中熱值為目標的流化床和循環流化床氣化裝置的研究已取得初步成果[1]。雖然氣化技術有了迅速的發展，但氣化后得到的生物質燃氣僅僅局限于鍋爐供氣、生產供熱、發電、茶葉、木材烘干等，而廣大農村來說生物質燃氣主要用于炊事，目前還沒有一種合理的爐具與之相配套。由于生物質燃氣可燃成分少，熱值低，消耗量大等特點，為保證這種燃氣安全穩定著火并充分燃燒，必須配套專門爐具才能使用。為此，作者首次研制出了民用生物質燃氣爐具。該爐具非常適合于生物質燃氣，具有燃燒穩定、使用安全可靠、熱負荷大、熱效率高、成本低等特點，在我國有較好的推廣應用前景。
1設計要求及技術參數
1.1設計要求
為設計出比較理想的生物質燃氣爐具，對爐具應提出下列要求：
(1)爐具的熱負荷應滿足炊事的要求。爐具在燃燒過程中，熱負荷過大，則熱效率低，衛生條件變壞；熱負荷過小，勢必使炊事時間延長。我國民用燃氣炊具的熱負荷應在3000W左右為宜[2]。
(2)燃燒穩定性好。這是指燃氣壓力和熱值在一定范圍內變化時，生物質燃氣爐不應發生脫火、回火及出現黃色火陷。
(3)熱效率高。爐具在額定熱負荷下的熱效率不應低于55%。
(4)衛生條件符合國家規定。生物質燃氣燃燒時，排出的煙氣中COA=1的含量不應超過0.1%。
(5)爐具的設計壓力不高。一般在設計中應按貯氣柜燃氣的最低壓力考慮，否則由于燃氣壓力不足或波動，灶具難以保證設計的熱負荷。
(6)結構簡單，加工方便，成本低廉，使用安全可靠等。
(1)生物質燃氣成分(%)：CO 20.9，H2 16.1，CH4 2.5，N2 49.7，CO2 9.2，O2 1.6[3]。生物質燃氣熱值(Qs)為5284.2kJ·Nm-3，重度(r)12.25N·Nm-3，理論空氣量(V0)為5.51Nm3·Nm-3。
(2)爐具熱負荷(I)為3000W，燃氣爐前壓力(P)833Pa，該爐具采用大氣式燃燒方式，一次空氣系數(A)0.9[4]。
2生物質燃氣爐具的設計
該爐具主要是由噴嘴、引射器、空氣調節板、爐頭、固定座、爐頭連接螺栓等組成，其結構如圖1所示。
噴嘴是爐具的關鍵部分，必須具備以下功能：①保證噴射一定量的燃氣；②使燃氣產生噴射作用，引射一定的空氣。為滿足第一功能的要求，必須選擇適當大小的噴嘴，噴嘴的計算是基于氣體動量和氣體流動的基本方程，其直徑(dr)可由(1)式算出，長度(lr)可由(2)式算出，取綜合系數為10。
把所選參數代入相應公式，設計出噴嘴的結構及尺寸(圖2，表1)。
為滿足噴嘴的第二項功能要求，盡可能地將噴嘴安裝在混合管的中心線上。否則，噴射偏離中心線，燃氣射流撞擊混合管壁，造成動量的損失，減少一次空氣的引射量。
對于噴嘴的形狀，必須考慮流量系數，引射效果及加工制造的難易等因素。加工要達到一定工藝要求，形狀要規則，否則將影響功能的實現。
2.2引射器
影響大氣式燃燒器性能的很多因素中，引射一次空氣及一次空氣與燃氣的混合是最主要的。這兩項性能全部在引射器內完成，引射器的一般形狀為文丘里管(VenturiTube)，但也有整個引射器采用同一內徑的。采用文丘里管式引射器，燃氣與空氣混合較好，燃氣在流動的過程中，渦流少，引射一次空氣的能力強，因此廣泛應用于民用燃具方面。影響引射器性能的主要因素有喉管的大小、混合管的長度、一次空氣吸入口的形狀等。
具有一定壓力的生物質燃氣從噴嘴噴出后在引射器內與空氣充分混合，形成一定壓力和速度的燃氣，才能保證燃氣在爐具中的燃燒。引射器主要有擴散管、喉管和收縮管組成。引射器的設計是以動量定理、連續性方程及能量守恒定律為基礎，同時考慮了燃氣和空氣在混合管內所產生的撞擊及摩擦損失，而撞擊損失又屬于完全非彈性體的阻力性質。根據(3)式[5]，可計算出喉管的直徑(D2)，依據一定的關系，可得出引射器的其它尺寸。引射器的各部分結構及尺寸見圖3，表1。
引射器的收縮管處吸入一次空氣的部分，就稱之為引射器的進口或引射器的錐形口，這是因為從噴嘴噴出的燃氣具有一定的能量，為使引射一次空氣時少產生能量的損失，將混合器送入喉管，喉管進口即收縮管必須作成錐形而得名。為進一步減少能量的損失，喉管入口可做成圓弧形，曲率半徑為喉管直徑的2.0~2.5倍，如圖3所示。同時，噴嘴端部與喉管的距離，對引射一次空氣影響很大。盡管噴嘴設計形狀良好，如果與喉管的相對位置安裝不當，也不能取得良好的引射效果。反之，通過調節其相互間距離，就能增減引射的一次空氣量。當D2>d時，噴嘴與喉管的距離L4必須在一定范圍內，如圖4所示。
2.3頭部
爐具頭部的作用是使燃氣和空氣混合物均勻地分布在各個火孔上，以利于完全燃燒。因此設計時要充分考慮火孔的形式、大小，孔數以及排列等因素。這些因素并不單由燃燒器本身所決定，而是根據不同的用途，受加熱物的大小、形狀及燃燒空間的大小等因素的影響。
(1)頭部出火孔總面積(F0)采用(4)式[6]計算。
3試驗結果與分析
作者研制的生物質燃氣爐具，在試驗室條件下進行試驗。在其它條件不變的情況下，分別改變噴嘴的安裝位置、引射器的入口形狀、燃氣的流量對爐具主要性能的影響進行了試驗，試驗結果如表2~表4所示。
3.1噴嘴與喉管的距離對爐具性能的影響
從表2可知，當噴嘴與喉管的距離L4<34mm時，爐具的各項性能指標變差。這是由于噴嘴與喉管距離太近時，噴嘴位置占據了引射一次空氣的通道，減少了引射一次空氣的通風面積，使一次空氣量減少，使點燃工況與燃燒工況變差，因而使爐具的各項技術指標都變低。當噴嘴與喉管距離L4>50mm時，爐具的各項性能指標也變差，這是由于噴嘴與喉管的距離L4太大，當噴嘴噴射燃氣時有一定的擴散角，擴散燃氣與混合管管壁相碰撞，使燃氣產生渦流，從而使燃氣的動能降低，燃氣引射空氣的能力下降，一次空氣量產生不足，從而使爐具的各項技術指標變差。當34mm[L4[50mm時，噴嘴的安裝位置合適，噴嘴引射一次空氣的能力較強，同時一次空氣與燃氣能充分的混合，為燃氣的點火與燃燒提供了有利的條件，爐具的各項技術指標較好。
3.2喉管入口形狀對爐具性能的影響
從表3可知，當引射器入口為圓管時，爐具的各項性能指標較差，這主要是由于在燃氣引射能力一定的條件下，進風面積減小，使燃氣所需要的一次空氣量不夠，同時燃氣與一次空氣的混合也不好所造成的。
當引射器入口為圓弧錐形管時，爐具的各項性能指標達到最好，這主要是由于圓弧錐形入口面能保持一定的流線型，使引射一次空氣與圓弧側壁的摩擦力減小，減少了圓弧側壁對一次空氣的流動阻力。單位時間內，燃氣引入的一次空氣量增多，因此爐具的各項性能指標達到是佳。當引射器入口為直線錐形管時，爐具的各項性能指標與圓弧錐形管相差不多，僅次于圓錐形管的狀態，但考慮到直線錐形管加工的方便性，本爐具的引射器采用直線錐形管入口。
3.3燃氣流量對爐具性能的影響
從表4可知，當燃氣的流量低于設計要求(607cm3·s-1)時，除點火性能較差，做飯時間增長外，其它性能指標較好。當燃氣流量主同于設計要求時，燃燒工況變差，爐具的各項性能變差。若考慮到點火性能和做飯時間上，當選用設計流量或稍低于設計流量時(407cm3·s-1[607cm3·s-1)爐具的綜合性較好。
3.4爐具的主要技術指標
作者研制的民用爐具檢測，其主要性能指標檢測結果如表5所示。從表5可知，爐具的各項技術指標均達到CJ4-835家用煤氣灶6標準要求。
4效益分析
4.1經濟效益
(1)燃氣效益。1戶3~5口之家，1個月使用天然氣15~20m3，天燃氣價格116元·m-3，月消耗天然氣燃料費為24~32元。若用生物質燃氣，1個月需100~134m3，生物質燃氣價格0.15元·m-3，月消耗生物質燃氣費為15~20元，1戶1個月可節省燃料費9~12元，1戶1a可節省燃料費為108~144元。與液化氣相比，節省的就更多。
(2)爐具效益。每臺爐具總成本(帶有電子打火)為85元，市場售價可達150元，則每臺爐具純利潤65元，年產1萬臺爐具的廠家可獲純利潤為65萬元。
4.2社會效益
民用生物質燃氣爐具的研制為生物質能集中供氣的廣大居民提供了配套的專門爐具，提高了他們生活舒適的文明程度，節約了炊事時間與勞動量，使環境和庭院衛生有了明顯改善；同時該爐具的研制擴寬了生物質燃氣使用的范圍，從而推動了生物質能集中供氣的推廣與應用，更有效地提高秸稈的利用率，減少了秸稈直接燃用和燃燒給環境造成的污染，適合現代化社會的需要。
5結語
1)本爐具在給定設計參數下點火率、熱負荷、熱效率、燃燒工況、氣密性、環保指標均能達到設計的要求。說明了設計方法的科學性與正確性。
2)該爐具與其它爐具相比具有運行穩定、操作方便、使用安全、熱負荷大、熱效率高、成本低等優點，適合農民使用，同時提高了農民的衛生、文明條件，在我國村鎮有較好的推廣應用前景。
3)該爐具的研制為生物質集中供氣提供了配套的新型爐具，推動了生物質集中供氣的可持續發展與應用，為生物質秸稈的合理利用與有效利用尋找了一條新途徑，具有顯著的經濟效益與社會效益。
參考文獻：
[1]萬仁新.生物質能工程[M].北京：中國農業出版社，1995。
[2]劉圣勇，楊群發.GTL高碳液體燃料爐具的研制[J].新能源，1996，(10)：20-23.
[3]楊世關.生物質氣化烤煙系統研究[D].鄭州：河南農業大學，1998.
[4]張全國，劉圣勇.燃燒理論及應用[M].鄭州：河南科技出版社，1994.
[5]曹承昭.沼氣技術[M].北京：中國農業出版社，1983.
[6]日本煤氣協會.煤氣應用手冊[M].李強森，蔡玉琢，譯.北京：中國建筑工業出版社，1989. |
