生物质颗粒燃料炊事炉具设计与试验.pdf

引用本文格式张霞，宋添添，孙高凯，等生物质颗粒燃料炊事炉具设计与试验 J农业工程，2023，13（5）：69-74 DOI：10.19998/ki.2095-1795.2023.05.012 ZHANG Xia，SONG Tiantian，SUN Gaokai，et alDesign and experiment of biomass pellet fuel cooking stoveJAgricultural Engineering，2023，13（5）：69-74生物质颗粒燃料炊事炉具设计与试验张霞，宋添添，孙高凯，苏盼杰，黄峻伟（云南农业大学机电工程学院，云南 昆明 650201）摘要：生物质颗粒燃料是利用机械力将松散的生物质压缩或挤压成为密度较大、热效率较高、便于运输储藏的固体颗粒燃料，是煤的清洁替代能源，已广泛应用于工业和热力发电领域。针对生物质颗粒燃料的燃烧特性，设计了一种适用于农村地区的民用生物质颗粒燃料炊事炉具，并对其性能进行测试。测试结果显示，其热效率 30.7%，升温速度24.425.7 C/min，炉膛内最高温度 709 C，烟囱出口烟气最高温度 286 C，烟气成分中 O2、CO 的浓度范围分别为 9.8%17.4%、23886 mg/m3，满足民用炊事炉具性能要求，可为农村民用生物质颗粒燃料炊事炉具的设计提供理论依据。关键词：生物质颗粒燃料；炊事炉具；热效率；可再生能源中图分类号：S216文献标识码：A文章编号：2095-1795（2023）05-0069-06DOI：10.19998/ki.2095-1795.2023.05.012Design and Experiment of Biomass Pellet Fuel Cooking StoveZHANG Xia，SONG Tiantian，SUN Gaokai，SU Panjie，HUANG Junwei（School of Mechanical and Electrical Engineering，Yunnan Agricultural University，Kunming Yunnan 650201，China）Abstract：Biomass pellet fuel is a solid pellet fuel that presses or squeeze biomass into large volume density，high thermal efficiencyand easy transportation storage using mechanical forceIt is a clean alternative energy of coal，and has been widely used in industrial andthermal power generationAccording to combustion characteristics of biomass pellet fuel，a cooking stove for rural areas was designed，and its performance was testedTest results showed that，thermal efficiency was 30.7%，heating rate was 24.425.7 C/min，thehighest temperature in the furnace was 709 C，the highest temperature of chimney outlet flue gas was 286 C，and concentration rangeof O2 and CO in flue gas composition was from 9.8%to 17.4%and from 23 to 886 mg/m3，meeting performance requirements of civilcooking stovesIt could provide a theoretical basis for design of rural civil biomass pellet fuel cooking stoveKeywords：biomass pellet fuel，cooking stove，thermal efficiency，renewable energy 0引言生物质是一种清洁可再生能源，具有总量大、来源广和污染小等优点1。生物质具有挥发分高、灰分低、硫含量低和氧含量高等特点。燃料的挥发分含量越高，点火越容易，燃烧性能越好，而生物质颗粒燃料的挥发分含量高达 60%70%，远高于煤，故其点火性能和燃烧性能均优于煤，碳含量为 35%42%，远低于煤，使其燃烧过程与煤燃烧过程有较大差别2。然而，生物质锅炉是将生物质作为燃料进行燃烧，使用方式与燃煤灶相近，却比燃煤灶具干净、比燃气灶具安全，这便导致生物质颗粒燃料燃烧炉的结构设计也和煤燃烧炉有较大区别3-4。目前，工业用生物质颗粒燃料燃烧炉在国外发展较为成熟。在欧洲部分发达国家，生物质取暖装置的商业化已较为普遍，技术已较为成熟，自动化程度高、操作简单且使用安全5。如德国斯图加特大学针对木屑颗粒燃料燃烧炉的性能主要研究了火焰长度、燃烧效率和 NOX排放，研究结论是燃料燃烧充分，污染物排放低6。2019 年瑞典约 10 万个生物质供热站，向各种类型的用户供应热水和蒸汽，家庭取暖多采用高度自动控制的成型燃料专用壁炉7。收稿日期：2022-11-01修回日期：2023-01-03作者简介：张霞，硕士，教授，主要从事农业装备节能减碳研究E-mail：黄峻伟，通信作者，副教授，硕士生导师，主要从事农业装备节能减碳研究E-mail：第 13 卷 第 5 期农业工程Vol.13No.52023 年 5 月AGRICULTURAL ENGINEERINGMay 2023在国内，随着生物质颗粒燃料开发和应用研究的进一步深入，生物质颗粒燃料燃烧炉在工业和采暖上的应用越来越广泛。如 2020 年，由江苏大学和无锡骏惠热能科技有限公司共同研发的一款燃用木业废弃物的流化床工业锅炉，实现了不同粒径生物质颗粒的分区稳定充分燃烧和有效的燃烧热利用8。2020 年，河北朗克兹新能源科技有限公司研发了一款自动供料生物质颗粒采暖炉，实现了炉具的自动化，在使用过程中更突出方便9。随着我国资源与环境问题日益严峻，生物质作为可再生的清洁能源得到推广10。虽然，国内外针对生物质颗粒燃料燃烧炉的研究取得一定的进展，但是在农村地区户用生物质颗粒燃料炊事炉具的研发还比较滞后。我国农村地区长期以来能源消费以煤炭、薪柴为主，优质能源石油、天然气供应不足，再加上农村现用炊事炉具热效率低、排放不符合要求等原因，导致农村能源短缺、能源浪费大、空气污染严重及森林砍伐严重等问题11-12。同时，我国是农业大国，农业生产使得农村地区有丰富的秸秆资源，秸秆是生物质的重要组成部分，秸秆数量大、种类多且分布广，是农村方便的替代能源13。将农业秸秆废物利用，在农村地区发展生物质颗粒燃料，可以在一定程度上解决农村生活用能问题。因此设计并开发出适合农村地区的民用生物质颗粒燃料炊事炉具，对改善农村能源消费结构、保护农村生态环境具有重要的意义。1设计依据 1.1生物质成型燃料燃烧过程生物质燃烧过程从点火后开始，主要分为 4 个阶段：预热干燥阶段、热解燃烧阶段、固定碳燃烧阶段和燃尽阶段14。加入燃料后，随着温度的升高，当温度达到 100 C 时，生物质开始进入干燥阶段，生物质中水分吸热而开始蒸发，降低燃烧室温度，减缓燃烧进程。当温度达到 250 C 左右时，干燥的生物质继续加热，挥发分开始析出，形成焦炭。挥发分与氧气混合，在一定的温度（250350 C）下着火燃烧。挥发分燃尽后，生物质中剩余的焦炭与氧气接触，发生氧化反应，焦炭开始燃烧，并产生灰分。1.2设计要求（1）功能齐全，结构合理，使用方便。（2）配风系统采用二次进风设计，充分利用燃料燃烧过程中产生的挥发分，实现气化燃烧。（3）灶具的热负荷应满足农民一家 5 口日常生活用能；热性能稳定，炊暖热效率25%。（4）炉膛温度为 400 C 以上，满足炊事需求15。（5）燃烧充分，烟气中 O2浓度 9%，CO 浓度2 000 mg/m3，达到国家标准16-17。2生物质颗粒燃料炉具设计 2.1整体结构生物质颗粒燃料炉具结构主要包括炉膛、调节风门、二次风口、二次风道与燃烧室、炉排、烟气出口挡板和进料口、烟囱烟气出口挡板、换热水管、烟囱水套、烟道及炉盖等，如图 1 所示。1.烟囱2.烟囱水套3.烟囱挡烟板4.上箱体水套连接5.上箱体清灰口6.炉膛挡烟板7.防爆阀口8.炉灶口9.进水管口10.炉排支撑口11.烟道鼓风机口12.二次风道进风口13.灰斗14.一次风道调节风门15.炉排16.炉膛17.观察口锁紧装置18.炉膛观察口19.二次燃烧室20.二次风口21.炉口和炉盖图 1生物质颗粒燃料炉具结构Fig.1 Structure of biomass pellet fuel stove 工作时，通过加料口将燃料加入至炉排上后即可点燃燃料，燃料点燃后首先对一次风道上的挡风板进行调节，令燃料处于缺氧燃烧状态，其后对二次风道和排烟道的风量进行调节，确保燃料燃烧产生的挥发分在炉口位置进行二次燃烧。燃料经过一段时间的燃烧后会结束产气，剩余部分将持续燃烧至燃尽，这期间也要调节烟囱风道的风量，防止出现“烟筒倒烟”现象。炉具上的水套能够吸收炉体侧面与烟道位置的余热，从而促进炉具热效率的提升。2.2炉具热效率估算进行炉具设计时，首先要对其热效率进行估算，并将估算值作为设计参考指标和性能对比依据。目前参考传统炉具计算新炉具的热损失是确定其热效率估 70 农业工程生物环境与能源 算值的一种常见方式。炉具的热损失主要包括 6 个部分：排烟热损失 q1，%，即为炉具烟气中携带的热量；炊具散热损失 q2，%；不完全燃烧损失 q3，%，即为化学、机械不完全燃烧热损失和炉具散热损失；蓄热损失 q4，%，即为炉具从燃料开始燃烧到稳定状态过程中所吸收的热量；其他未考虑散热损失 q5，%；灰渣散热损失 q6，%。参考文献 18 的计算方法，炉具估算热效率为L=1q1q2q3q4q5q6（1）计算可得：q1=15.42%，q2=0.9%，q3=19%，q4=6%，q5=15.5%，q6=0.06%，将各数据代入式（1）估算出炉具热效率约为 43%。2.3炉膛设计 2.3.1炉膛容积本炉具是针对农村地区而设计的，以普通农村地区 5 口之家的生活条件为基础，通过式（2）确定燃料消耗量。BL=Q1Qnet.arLmn（2）式中BL单位时间内所需燃料，kg/hQ1每日炊事所需热量，kJ/kgQnet.ar燃料发热量，kJ/kgm每次做饭所需时间，hn每天做饭次数数据显示，国内农村家庭每日做饭耗时约为 2 h，对于正常的 5 口之家而言，欲保证正常生活，人均热量需求约为 11 880 kJ/d19。按照 43%的炉具估算热效率，可知BL=11880515390.250.4323 1.5（kg/h）通过式（2）即可计算得出炉膛容积大小VL=BLQnet.arL3600q（3）式中VL炉膛的具体容积，m3q炉具容积热负荷炉膛容积热负荷一般为 250400 kW/(hm3)。分别取炉膛容积热负荷的两个极值，代入式（3）可得炉膛容积分别为 0.011 和 0.006 9 m3。则 5 口之家所用炉具炉膛容积定位区间已知。参考图 2，炉具部分参数设计如下：下炉膛高度H1=0.2 m，上炉口高度 H2=0.07 m，上炉膛口半径r=0.06 m，下炉膛半径 R=0.1 m，则炉膛体积为V=R2H1+H2（r2+rR+R2）（4）式中V炉膛体积，m3H1下炉膛高度，mH2上炉膛高度，mR下炉膛半径，mr上炉膛炉口半径，m代入可得 V=0.011 m3，符合炉具炉膛的定位区间。图 2炉膛示意Fig.2 Schematic diagram of furnace 2.3.2吊火高度炉排与锅底处的垂直间距即为吊火高度。已知火焰的最高温度为中焰，当中焰接触锅底时炉具具有较高的上火速度和热能利用效率。由图 2 可知，此炉具的炉排与锅底的垂直间距为 30 cm，因此，此炉具的吊火高度控制在 30 cm 左右时可保证中焰层能够接触锅底，所以吊火高度设计为 30 cm。2.4水套部分设计为了充分吸收烟气的热量，出烟口上方出口部分有与上箱体中的水套相连接的烟囱水套，从而减少烟气排放造成的热损失。本炉具为民用炉具，根据北京市地方标准 DB11/T 5402008户用生物质炉具通用技术条件，炉具防爆阀的压力范围为 0.150.20 MPa，温度范围为20395 C20。2.5二次风及配风通道设计为保证燃烧效果，该炉具设计有二次配风。二次风的配置可令燃料燃烧停留时间得到一定延长，从而促进其燃烧效率的提升。为防止二次风进入后导致炉膛温度降低而影响燃料燃烧效率，应对二次风进行预热，预热时其温度越高越好。二次风的入炉位置会对燃料燃烧效果产生影响，入炉位置过高容易导致空气与可燃气无法均匀混合而造成燃料损失，入炉位置过低则容易干扰燃料的正常燃烧。二次配风系统如图 3 所示。3生物质颗粒燃料炉具性能试验 3.1生物质颗粒燃料炉具热效率测试 3.1.1试验标准热性能检测依据 NY/T 82006民用柴炉、柴灶 张霞等：生物质颗粒燃料炊事炉具设计与试验 71 热性能试验方法21。3.1.2试验设备、方法、时间和地点（1）试验设备。秒表、磅秤、1 000 mL 量筒、DM6801A 型电子温度测试仪、1 m 测水温线、蒸发铝锅及 CRZ 型鼓风机。（2）试验方法。试验环境温度为 1035 C。风速应1.0 m/s。试验所在地海拔为 1 937 m。试验时炉具周围不得有其他热源。点火时的时间设为 T1、水温设为 t1，测量锅内水的温度；其温度升至 55 C 的时间记为 T2，温度升至80 C 的时间记为 T3；水沸腾的时间设为 T4、温度设为t4；水温降低至沸点以下 2 C 时的时间记为 T5，水温降低至 80 C 时的时间记为 T6；试验结束时间记为 T7，水套中水的温度设为 t7。试验次数为 4 次。（3）试验时间和地点。试验时间为 2021 年 11 月，地点为云南省昆明市云南农业大学机电工程学院生物质能开发和利用实验室。3.1.3试验结果借助式（5）可对炉具热效率进行计算。1=ZZF(h4h3)+h2SYZ+STh1DQZ100%（5）式中1一次使用正平衡热效率，%ZZF蒸发量，gSYZ锅中余水质量，gST水套中水质量，gD试验过程中消耗的燃料总量，gQZ试验用燃料的综合发热量，J/gh4平均蒸发温度下的蒸汽焓，可取沸点温度所对应的蒸汽焓，J/gh3T1温度所对应的水的焓，J/gh2T3与 T1温度的焓值之差，J/gh1T7与 T1温度的焓值之差，J/g4 次试验所用的燃料为 1.2 kg（引火柴 60 g），试验颗粒燃料中不包括引火柴质量，将相关数值带入式（5），各项性能指标及结果如表 1 所示。3.2生物质颗粒燃料炉具烟气排放测试 3.2.1试验标准烟气排放测试依据空气和废气监测分析方法进行22。3.2.2试验设备及方法（1）试验设备。B1 型烟气采样泵，X-4（电商版）型烟气分析仪，NR81531B 型热电偶接触式测温仪，LHD-310-0.5 米型探针，DM6801A 型电子温度测试仪，CRZ 型鼓风机。（2）试验方法。连接好设备后，将风门调整到全开状态；在一次性加入燃料时，将 1 200 g 生物质颗粒燃料一次性加入到炉膛中进行燃烧，每 3 min 测一次数据，直至燃料燃尽；在逐渐加入燃料时，先一次性加入 600 g 燃料进行燃烧，待燃烧至最旺时刻，即炉膛温度达到 500 C 时开始加入燃料，每次加入 100 g，每 3 min 测一次试验数据，直至燃料燃尽。每个试验做两次，最终结果取平均值23。3.2.3试验结果（1）炉膛温度试验结果。在全开风门条件下，测试一次性加入燃料和逐渐加入燃料时炉膛温度变化情况，测试结果如图 4 所示。由图 4 可知，一次性加入燃料时，炉膛内升温速率为 24.4 C/min，最高温度为 674 C；逐渐加入燃料时，炉膛内升温速率为 25.7 C/min，最高温度为 709 C。在前 15 min 也就是在上火阶段时，炉膛温度不受加料方式的影响。15 min 后，经过二者比较可以看出，逐渐加入燃料时，高温段持续时间更长。（2）烟囱温度试验结果。在全开风门的条件下，测试一次性加入燃料和逐渐加入燃料时烟囱温度变化情况，测试结果如图 5所示。1.二次风口2.二次风道3.风机4.风量调节阀图 3二次配风系统示意Fig.3 Schematic diagram of secondary air distribution system 表 1性能指标及测试结果Tab.1 Performance indicators and test results主要指标公式表示或数据来源数值点燃难易时间 TD/minT2T17、8、11、8旺火时间 TW/minT5T425、20、15、33可用火时间 TKH/minT6T360、65、56、60总燃烧时间 TZR/minT6T173、76、71、72总蒸发量 ZZF/g2 000SYZ1 439.4、1 489.2、1 497.5、1 530.7锅内剩余水量 SYZ/g称质量560.6、510.8、502.5、469.3水套中水的初始温度 TT1/温度计测量15水套中水的最终温度 TT2/温度计测量951一次使用热效率/%式（5）30.1、30.7、30.8、31.2 72 农业工程生物环境与能源 由图 5 可知，一次性加入燃料时，烟囱最高温度为 273 C；逐渐加入燃料时，烟囱最高温度为 286 C。逐渐加入燃料时烟囱达到最高温度的时间比一次性加入燃料时间要久，由此可知，逐渐加入燃料时高温段持续的时间更长，源源不断的高温烟气从烟囱排出，使得烟囱加热的时间更久。（3）氧气浓度试验结果。在全开风门的条件下，测试一次性加入燃料和逐渐加入燃料时氧气浓度变化情况，测试结果如图 6 所示。由图 6 可知，一次性加入燃料时，氧气浓度范围为 9.8%17.2%；逐渐加入燃料时氧气浓度范围为10.8%17.4%。在 24 min 时，一次性加入燃料和逐渐加入燃料对氧气的浓度有不同的影响，主要因为炉膛的容积有限，可容纳的氧气也有限，一次性加入燃料时，随着燃料的堆积，需要的氧气也就越多，而且部分燃料燃烧不够充分，产生了大量的一氧化碳，使得氧气浓度降低；而逐渐加入燃料时，炉膛内一直保持着较大的空间，氧气浓度就比较充足，燃料燃烧也比较充分，满足国家标准16。（4）一氧化碳浓度试验结果。在全开风门的条件下，测试一次性加入燃料和逐渐加入燃料时一氧化碳浓度变化情况，测试结果如图 7所示。图 7一氧化碳浓度试验结果Fig.7 Carbon monoxide concentration test results 由图 7 可知，一次性加入燃料时，一氧化碳浓度范围为 65886 mg/m3；逐渐加入燃料时，一氧化碳浓度的范围为 23690 mg/m3。从整体来看，逐渐加入燃料时，燃料燃烧较为充分，产生的一氧化碳较少，低于国家标准17。4结束语民用生物质颗粒燃料炊事炉的炉膛容积为 0.011 m3、吊火高度为 30 cm、防爆阀压力范围为 0.150.2 MPa、温度范围为20 C395 C。炉具的热效率为 30.7%，其热性能良好。炉膛最高温度和烟囱最高温度分别是709 和 286 C，满足炊事炉性能要求。烟气中 O2和 CO的浓度范围分别是 9.8%17.4%和 23886 mg/m3，生物质颗粒燃料燃烧比较完全，并且排放符合国家标准。图 4炉膛温度测试结果Fig.4 Furnace temperature test results 图 5烟囱温度试验结果Fig.5 Chimney temperature test results 图 6氧气浓度试验结果Fig.6 Oxygen concentration test results 张霞等：生物质颗粒燃料炊事炉具设计与试验 73 从民用生物质颗粒燃料炊事炉具的整体设计和性能测试结果来看，炉具的设计满足农村地区的炊事需求，可以有效地解决农村地区的能源问题，对改善农村能源消费结构具有重要意义，为农村民用生物质颗粒燃料炊事炉的设计提供理论依据。参考文献 余有芳，尚鹏鹏，盛奎川生物质燃烧烟气排放特性与污染物控制J农业工程，2017，7（2）：50-54YU Youfang，SHANG Pengpeng，SHENG KuichuanEmission char-acteristics and pollutant control of biomass combustionJAgriculturalEngineering，2017，7（2）：50-541 庞利沙，田宜水，侯书林，等生物质颗粒成型设备发展现状与展望J农机化研究，2012，34（9）：237-241PANG Lisha，TIAN Yishui，HOU Shulin，et alDevelopment statusand prospects of biomass pellet forming deviceJJournal of Agricul-tural Mechanization Research，2012，34（9）：237-2412 姜戌雅，张昌超，李余康，等户用智能多功能生物质采暖炉的设计与燃烧实验J可再生能源，2019，37（2）：173-178JIANG Xuya，ZHANG Changchao，LI Yukang，et al Design andexperiment of intelligent multi-functional biomass heating furnaceJRenewable Energy Resources，2019，37（2）：173-1783 李海军家用生物质颗粒燃料炉的效益分析J节能技术，2007（6）：566-568LI Haijun Benefit evaluationof domestic biomass pellet fuel stoveJEnergy Conservation Technology，2007（6）：566-5684 严永林，黄俊，何一波生物质颗粒燃料取暖炉的结构设计J可再生能源，2021，39（7）：867-871YAN Yonglin，HUANG Jun，HE YiboStructural design of biomasspellet heating stoveJRenewable Energy，2021，39（7）：867-8715 李晓典型生物质颗粒燃料气化燃烧的试验研究D济南：山东建筑大学，2012LI XiaoExperimental study of combustion with gasification of typicalbiomass pelletsDJinan：Shandong Jianzhu University，20126 朱万斌瑞典因何成为生物质成型燃料产业先锋N中国能源报，2017-04-247 江苏大学，无锡骏惠热能科技有限公司一种燃用木业废弃物的流化床工业锅炉：CN202022121555.5P2021-03-128 河北朗克兹新能源科技有限公司一种自动供料生物质颗粒采暖炉：CN202020589465.6P2020-11-069 邵东伟，冯海城，栾积毅，等10 t/h 生物质饱和蒸汽锅炉能效10研究J节能技术，2022，40（3）：253-257，266SHAO Dongwei，FENG Haicheng，LUAN Jiyi，et al Energy effi-ciency study on a10 t/h biomass saturated steam boilerJEnergy Con-servation Technology，2022，40（3）：253-257，266 洪振国中国农村家庭能源消费与清洁可再生能源节能潜力评估D兰州：兰州大学，2020HONG ZhenguoAssessment of energy consumption and energy savingpotential of clean renewable energy in rural ChinaDLanzhou：Lan-zhou University，202011 毕于运秸秆资源评价与利用研究D北京：中国农业科学院，2010Bi YuyunStudy on straw resources evaluation and utilization in ChinaDBeijing：Chinese Academy of Agricultural Sciences，201012 张霞，蔡宗寿，阮建雯云南省生物质颗粒燃料发展前景分析J农机化研究，2013，35（1）：224-227ZHANG Xia，CAI Zongshou，RUAN JianwenAnalysis on develop-ment prospect of biomass pellets in Yunnan ProvinceJJournal of Ag-ricultural Mechanization Research，2013，35（1）：224-22713 刘婷洁，胡乃涛，李俊韬，等生物质颗粒燃料燃烧污染物排放特性J可再生能源，2016，34（12）：1 877-1 885LIU Tingjie，HU Naitao，LI Juntao，et alPollutants emission char-acteristics from burning of biomass pellet fuelJ Renewable EnergyResources，2016，34（12）：1 877-1 88514 聚光型太阳灶通用技术条：NB/T 340032011S15 锅炉大气污染物排放标准：GB 132712014S16 户用生物质炊事炉具通用技术条件：NY/T 23692013S17 远方清洁高效家用生物质颗粒燃料炉具的设计与研究D郑州：河南农业大学，2019YUAN FangDesign and study of clean and efficient home-furnace ofbiomass pellet fuelD Zhengzhou：Henan Agricultural University，201918 郝芳洲，贾振航，王明洲实用节能炉灶M北京：化学工业出版社，200419 户用生物质炉具通用技术条件北京市地方标准：DB11/T 5402008S20 民用柴炉、柴灶热性能试验方法：NY/T 82006S21 国家环境保护总局，空气和废气检查分析方法编委会空气和废气 监 测 分 析 方 法M 4 版 北 京：中 国 环 境 科 学 出 版 社，200322 施永红，云峰，杨盼盼，等两种生物质燃烧性能及燃烧动力学特性的研究J节能技术，2017（5）：407-410SHI Yonghong，YUN Feng，YANG Panpan，et alResearch on com-bustion performance and kinetic characteristics of two types of biomassJEnergy Conservation Technology，2017（5）：407-41023 74 农业工程生物环境与能源