生物质颗粒燃料炊事炉的性能

范欣欣¹，吕子安²，李定凯²，于晓丽

(1.清华大学核能与新能源技术研究院，北京100084；2.清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室，北京100084)

　　摘要：生物质颗粒燃料作为一种清洁燃料，需要设计能使其高效、清洁燃烧的特殊炉具。该文介绍了3种生物质颗粒燃料炊事炉原始样炉的热效率、燃烧特性、烟气中污染物浓度等测量结果。试验过程中以玉米秸秆颗粒为生物质颗粒燃料，并参照国家标准GB 4363—1984《民用柴炉、柴灶热性能测试方法》，采用烧水试验方法。试验结果显示：这3种炊事炉都可以清洁地燃烧用农业、林业固体剩余物制成的颗粒燃料；其中带有微型风机供风的炊事炉根据试验结果改进后的产品炉的热性能和大气污染物排放水平均满足北京市地方标准DB11/T 540-2008《户用生物质炉具通用技术条件》规定的指标和限值。

　　0引言

　　目前，生物质燃料的开发利用已成为世界各国的研究热点。美、日、欧等发达国家和地区已采取措施，加大利用这些资源，获得了良好的社会效益和经济效益。而中国开发先进且实用的技术来利用农林固体生物质燃料资源还刚刚起步，技术、政策和市场机制还不完善。

　　用农林固体剩余物制成的生物质颗粒燃料是一种清洁燃料，其挥发分质量分数约占70％，灰熔点较低，燃烧特性与煤迥异，需要用专门设计的燃烧炉具才能使颗粒燃料高效、清洁地燃烧。清华大学与有关公司合作开发出了3种燃烧颗粒燃料炊事炉的原始样炉。国内外描述生物质颗粒燃料炊事炉性能的资料难以得到，可借鉴参考的炉具性能的试验数据更少。对于曾大力推广的节能柴灶，其热效率为20％左右，但节能柴灶所用燃料为原始秸秆等薪柴，要求柴草要干，粗细适中。原始柴灶的热效率更低，仅9％左右。本文中3种炉具点火容易、操作简便、火力强度大且易控制，比燃煤炉具干净，比燃烧低热值生物质燃气的炉具安全。这就可以为农村地区提供一种环保、经济、安全的炊事用能方式。为了全面评价这3种不同型号的生物质颗粒燃料炊事炉的性能，笔者对其做了性能测试和分析，并根据试验结果对炉具进行改进和完善，以满足市场的需要。

　　1仪器、材料和方法

　　1.1仪器设备参数

　　本试验所用主要仪器的详细参数见表1，所测3种生物质颗粒燃料炊事炉设计参数及相关特点见表2及图1。

　　1.2测试方法

　　参照国家标准GB 4363—1984《民用柴炉、柴灶热性能测试方法》，采用烧水试验方法，并重复试验至两次结果相差小于或等于标准值(3％)，取其平均。通过燃烧给定数量的燃料，对定量水(约6.0kg)加热，使之升温、蒸发，获得炉灶的热性能参数。其他所需相关试验参照的标准见表3。试验所用燃料为秸秆颗粒燃料。对3台炊事炉的热效率、升温速度、蒸发速度、回升速度等热性能参数，燃烧性能以及污染物排放情况进行测试，以掌握炉具的性能和提出进一步优化改进的措施。

　　2结果与分析

　　2.1一号炉试验与分析

　　一号炉试验过程中燃烧状况良好，无冒烟现象。由于风机的作用，不仅增大了送风量，同时也增大了风速，即增大了送风穿透力，使空气与挥发分充分混合，燃烧较完全。

　　由表5可以看到，两次试验的热效率与平均值相差约1.2％，说明两次试验的平行度较好，且符合国家标准的允许误差(热效率绝对误差的绝对值应小于或等于3％)。取两次试验的算术平均值得到该炊事炉的热效率为23.20％，说明该炉设计较合理、热效率较高。

　　该炉的蒸发速度平均为0.037kg/min左右，炉灶的燃烧性能较稳定，操作容易，适合农户的使用条件。试验中，白起燃时刻起，仅30min，试验锅水就达到沸点，说明该炊事炉的启动性能好。由图2可以直观地看到该炉两次试验的结果。

　　在试验进行到9min和16min左右时，分别测量了烟气排放。结果显示，9min左右时燃烧状况尚未完全稳定，烟气中的CO(约1200×10^-6)、NO(约320×10^-6)浓度均较16min左右时(CO浓度约490×10^-6、NO_x浓度约287×10^-6)的高。这与冷炉点火有关。点火后炉膛需要一段升温时间，才能使燃烧状况趋于稳定，故初时CO浓度会高些。在1×10^-6的仪器检测精度下，没有监测到SO排放。这是由于在颗粒燃料的燃烧过程中，气相和灰中的碱性元素(K、Na、Ca)起吸收SO₂的作用。

　　由于样炉的送风量较大，及风量调控设计的缺陷，试验中排烟过量空气系数达到3左右，造成热效率偏低。试验结果表明，一号炉的设计思路是正确的，结构比较合理，不仅燃烧充分，而且能够达到低排放的标准，热效率也达到了可接受的水平。

　　2.2二号炉试验与分析

　　二号炉试验结果如表6所示，其热效率仅13.5％左右；升温(上火)速度121=1.25℃／min，比一号炉低一倍左右；炊事火力强度(锅水蒸发阶段，单位时间锅水蒸发的热量，表明炊事炉的炊事供热能力)为0.68kW，刚刚接近煤炉标准值0.7kW。同时，该炉升温过程较长，升温速度及蒸发速度均较小，回升速度较高，原因是炉膛内蓄热胆的蓄热能力较大。对于农村炊事来说，升温速度和蒸发速度是最重要的，是衡量炊事炉热性能的重要指标，该炉具在这方面有待改进。

　　该炉热效率低的原因有以下3点。第一，自然通风的风量不足；一、二次风共用1个进风口，分配比例不好。这使燃烧强度不高，且燃烧不充分，火焰温度偏低，导致传热强度也较低；第二，炉膛内设置了1个为二次风起导流作用的蓄热体，在冷炉启动时，其蓄热作用减慢了炉子的升温速度；第三，由于升温速度慢，整个试验过程时间长，造成散热损失大。

　　两次试验的热效率绝对误差在允许误差范围内，符合试验标准的要求。图3是二号炉的热性能试验曲线，直观显示两次试验结果吻合较好。但升温时间持续1个多小时，蒸发阶段近半小时，这对于炊事炉来讲，是需要加以改进的。

　　该炉点火升温慢，而且在点火过程中存在冒黑烟现象。此炉为自然通风炉，在点火启动阶段烟囱自生通风力弱，供风不足，造成燃料燃烧不完全。同时，炉内火焰中心位置偏低，只到炉子的1／2处，锅底吸收的热流密度小。

　　2.3三号炉试验与分析

　　由表7和图4可以看到，两次试验的平行度很好，完全符合国家标准允许的误差范围，该炉的试验炊事热效率为9.58％。与二号炉相比，其升温、蒸发阶段的特性相似，同样存在升温过程较长的问题，炉子的启动性能较差。

　　与一、二号炉一次装料的方式不同，三号炉采用靠重力连续给料的方式，而且可以调节进入燃烧层的给料量。只要料斗不空，炉子就能持续燃烧，并且可以调节火头大小。三号炉的炉膛较大，点火容易；炉膛用异形耐火砖砌成，重量大，使点火升温过程慢。为了和一、二号炉比较，三号炉的试验过程也是从冷炉点火开始计量，且给料量有限，这是该炉的试验热效率最低的根本原因。三号炉的进风控制也存在缺陷，烟气中氧含量过高，排烟损失偏大，也使热效率降低。

　　但是如果经过一定时间的燃烧，当炉膛温度足够高时，燃烧状况会大大改善，其依靠重力连续给料的方式将发挥作用，且炊事火力强度远大于一、二号炉，热效率会明显提高，烟囱不再冒黑烟。因此三号炉适合小餐馆使用。

　　为了更直观地比较和分析，将3台颗粒燃料炊事炉的试验结果均值统一表示在图5中。

　　由图5可知，一号炉点火后30min，试验锅水开始沸腾，持续沸腾时间23min；二号炉、三号炉的锅水温度曲线相似，点火后64min锅水开始沸腾，二号炉持续沸腾时间为25min，三号炉较短，为22min。3台炉子中，二号炉颗粒燃尽后的余热使冷水的温升最大，说明该炉炉膛的蓄热量最大。从户用炊事炉的实用性角度看，显然一号炉优于二号炉。所以一号炉用微型风机供风的设计方案是成功的，同时其结构设计也更加合理。为了达到产品级水平，值得对一号炉做进一步的优化设计，以提高其热效率。二号炉的大蓄热量特点，使其适合于长时间连续燃烧使用。

　　在上述试验结果的基础上，设计人员对一号炊事炉作了优化定型设计，优化目标主要是易于调控过量空气系数，大幅减少排烟损失。2007年8月，北京市某有检测资质的单位对优化后的产品炉进行了性能检验，结果全部指标都满足2008年5月l曰在北京郊区开始实施的最新标准值(北京市地方标准DB11/T 540—2008《户用生物质炉具通用技术条件》)，具体数据见表8。

　　3结论

　　本文试验得到如下结论：带微型风机供风的炊事炉，其性能在优化设计后达到了合格产品的水平。炉内带一蓄热胆的炊事炉，由于其蓄热胆的作用，具有大蓄热量的特点，使其适合于长时间连续燃烧使用。炉外围带小料斗、可间隔添料的炊事炉，由于其依靠重力连续给料，且自然通风，适合于农村地区的餐馆使用。