摘要：針對當前生物質燃燒爐灶熱效率低、火力強度達不到要求、供風不充足燃燒不完全、功能單一等問題，依據集中供餐炊事對清潔生物質顆粒燃(ran)(ran)(ran)料爐(lu)(lu)灶(zao)的需求，研制了(le)一種以(yi)(yi)層燃(ran)(ran)(ran)為(wei)(wei)(wei)(wei)燃(ran)(ran)(ran)燒(shao)方式，集炒菜(cai)、蒸飯、燒(shao)水、供(gong)熱等功(gong)能(neng)于一體的生(sheng)物質顆(ke)粒(li)直燃(ran)(ran)(ran)爐(lu)(lu)灶(zao)。運行(xing)性能(neng)試(shi)驗結(jie)果表(biao)明：該爐(lu)(lu)灶(zao)的炊(chui)(chui)事熱效(xiao)率為(wei)(wei)(wei)(wei)42.9％，綜合(he)熱效(xiao)率達70.7％，炊(chui)(chui)事強(qiang)度為(wei)(wei)(wei)(wei)14.1kW，煙氣(qi)排放指標低(di)于國(guo)家標準(zhun)，生(sheng)物質顆(ke)粒(li)燃(ran)(ran)(ran)燒(shao)較為(wei)(wei)(wei)(wei)充分(fen)，可為(wei)(wei)(wei)(wei)以(yi)(yi)生(sheng)物質顆(ke)粒(li)為(wei)(wei)(wei)(wei)燃(ran)(ran)(ran)料的集中供(gong)餐(can)炊(chui)(chui)事爐(lu)(lu)灶(zao)的設計與應用提供(gong)科學參考。

　　引言

　　能(neng)(neng)(neng)源(yuan)(yuan)是(shi)經濟(ji)發展和社會進(jin)步(bu)的基礎，但(dan)由于常規(gui)化能(neng)(neng)(neng)源(yuan)(yuan)的理(li)論(lun)存(cun)儲量有(you)限并日漸枯竭(jie)，對(dui)可(ke)再生(sheng)資(zi)源(yuan)(yuan)的開發利(li)用已迫在(zai)眉睫。生(sheng)物質(zhi)能(neng)(neng)(neng)源(yuan)(yuan)作為一種(zhong)可(ke)再生(sheng)且環(huan)境(jing)友好的能(neng)(neng)(neng)源(yuan)(yuan)，受到(dao)廣泛關注(zhu)。我國(guo)具(ju)有(you)豐富的農(nong)(nong)作物秸(jie)稈(gan)資(zi)源(yuan)(yuan)，2015年農(nong)(nong)作物秸(jie)稈(gan)理(li)論(lun)資(zi)源(yuan)(yuan)量10.4億t，可(ke)收集(ji)資(zi)源(yuan)(yuan)量9.0億t，利(li)用量為7.2億t，其(qi)中秸(jie)稈(gan)燃料(liao)化利(li)用量1.0億t（折合0.5億t標(biao)準煤(mei)），占可(ke)收集(ji)資(zi)源(yuan)(yuan)量的11.4％[1]。秸(jie)稈(gan)類(lei)生(sheng)物質(zhi)具(ju)有(you)揮發性高、碳活性高、灰(hui)分低、S含量低，在(zai)整個碳循環(huan)過程中CO2零排放等(deng)優點，是(shi)一種(zhong)優質(zhi)清潔燃料(liao)。因此，將秸(jie)稈(gan)類(lei)生(sheng)物質(zhi)通(tong)過直接(jie)燃燒方式利(li)用，是(shi)其(qi)最簡便高效的燃料(liao)化利(li)用方式之(zhi)一[2－4]。

　　由于秸稈(gan)的(de)(de)(de)(de)疏(shu)松性(xing)和(he)分散性(xing)對其(qi)(qi)收儲運(yun)和(he)燃(ran)(ran)燒帶來一些(xie)(xie)問題[5]，采用(yong)物(wu)理(li)、化(hua)學的(de)(de)(de)(de)方法將(jiang)秸稈(gan)粘化(hua)，在高溫高壓(ya)下或加粘結劑條件(jian)下，壓(ya)縮成粒(li)狀(zhuang)(zhuang)或塊狀(zhuang)(zhuang)等(deng)具有一定(ding)密實(shi)度(du)的(de)(de)(de)(de)顆(ke)(ke)粒(li)狀(zhuang)(zhuang)燃(ran)(ran)料[6－8]，便于運(yun)輸和(he)儲存，燃(ran)(ran)燒效(xiao)率(lv)高[9－10]。為了(le)使民(min)用(yong)爐(lu)灶(zao)(zao)能(neng)(neng)夠使用(yong)顆(ke)(ke)粒(li)型燃(ran)(ran)料，政府推動了(le)改灶(zao)(zao)節柴等(deng)工作，但通(tong)過對改造出的(de)(de)(de)(de)節柴灶(zao)(zao)和(he)爐(lu)具燃(ran)(ran)燒過程進行(xing)分析，發現其(qi)(qi)熱(re)效(xiao)率(lv)為20％左右，且由于供(gong)(gong)(gong)(gong)風的(de)(de)(de)(de)不(bu)(bu)均性(xing)造成燃(ran)(ran)料的(de)(de)(de)(de)不(bu)(bu)完全(quan)燃(ran)(ran)燒以及煙氣排放不(bu)(bu)達標，同(tong)時存在著功能(neng)(neng)的(de)(de)(de)(de)單(dan)一性(xing)，達不(bu)(bu)到多(duo)種(zhong)炊事(shi)(shi)和(he)供(gong)(gong)(gong)(gong)熱(re)水以及供(gong)(gong)(gong)(gong)暖(nuan)同(tong)時進行(xing)[11－12]。市場上(shang)出現的(de)(de)(de)(de)爐(lu)灶(zao)(zao)主要是(shi)一些(xie)(xie)家(jia)庭小型用(yong)爐(lu)，不(bu)(bu)能(neng)(neng)滿足(zu)一些(xie)(xie)集(ji)體供(gong)(gong)(gong)(gong)餐(can)單(dan)位對炊事(shi)(shi)強度(du)以及對爐(lu)灶(zao)(zao)的(de)(de)(de)(de)功能(neng)(neng)的(de)(de)(de)(de)要求。因(yin)此，本文擬設計一種(zhong)既能(neng)(neng)滿足(zu)集(ji)體供(gong)(gong)(gong)(gong)餐(can)需要、保證多(duo)項(xiang)炊事(shi)(shi)同(tong)時進行(xing)，還能(neng)(neng)夠兼顧供(gong)(gong)(gong)(gong)暖(nuan)供(gong)(gong)(gong)(gong)熱(re)水的(de)(de)(de)(de)生物(wu)質(zhi)顆(ke)(ke)粒(li)爐(lu)灶(zao)(zao)，并對其(qi)(qi)運(yun)行(xing)性(xing)能(neng)(neng)進行(xing)評估。

　　1設計依據

　　1.1大連生物質顆粒燃料燃燒特性

　　生物質(zhi)爐灶的(de)設計需要結合生物質(zhi)燃(ran)(ran)燒(shao)(shao)特性。生物質(zhi)顆粒(li)燃(ran)(ran)燒(shao)(shao)機(ji)理的(de)實(shi)質(zhi)屬(shu)于靜態(tai)滲透壓(ya)擴散燃(ran)(ran)燒(shao)(shao)[13－14]，其燃(ran)(ran)燒(shao)(shao)過程可分為干燥脫水、揮(hui)發分析出燃(ran)(ran)燒(shao)(shao)、焦炭燃(ran)(ran)燒(shao)(shao)和燃(ran)(ran)盡4個階(jie)段[15－17]：

　　①生(sheng)物質顆粒在燃(ran)燒爐膛內，隨著(zhu)溫度(du)的升高，水分逐漸(jian)被蒸發。

　　②燃燒(shao)室溫度(du)上升到250℃左(zuo)右時，揮(hui)發分析(xi)出，揮(hui)發物與氧氣結合，燃燒(shao)進入過渡區與擴散區。

　　③滲透(tou)擴散燃燒(shao)，焦炭的(de)燃燒(shao)占(zhan)主要地位，在顆粒表面(mian)進行(xing)一氧化(hua)碳的(de)燃燒(shao)，燃燒(shao)持續穩定，爐(lu)溫較高。

　　④燃盡(jin)的灰殼不斷加厚，可燃物基本燃盡(jin)，形成整體的灰殼，灰殼表(biao)面(mian)看不到火焰，燃料變成暗紅色，燃燒過程結(jie)束[18－19]。試驗所用的玉(yu)米秸稈(gan)顆(ke)粒燃料粒徑5～15mm，長度(du)20～30mm，密度(du)800kg/m3，工(gong)業分析(xi)和元(yuan)素分析(xi)結(jie)果(guo)如表(biao)1所示。 

       1.2生物質顆粒燃料爐灶設計原則

　　由于大多數集中供餐(can)在(zai)炊事時均需要一次生(sheng)火能(neng)把炒菜、煮飯以及用熱(re)水(shui)問(wen)題解(jie)決，依據生(sheng)物質顆粒(li)燃(ran)(ran)料的燃(ran)(ran)燒基本特(te)性(xing)，爐(lu)(lu)灶的設計(ji)需滿足(zu)以下原則：①點火容易，上火快，燃(ran)(ran)燒穩定、完全，火力(li)足(zu)，空(kong)氣能(neng)均勻流暢地進入爐(lu)(lu)內，不冒(mao)黑煙，能(neng)源(yuan)利用效(xiao)率高。②功能(neng)齊全，結構簡單，使用方(fang)便(bian)，成(cheng)本低廉，安(an)全可靠，實(shi)用耐用。③熱(re)效(xiao)率高，熱(re)性(xing)能(neng)穩定。

　　2生物(wu)質(zhi)顆粒直燃爐灶設計

　　2.1整體結構

　　結合生(sheng)物質(zhi)顆粒(li)燃(ran)料的燃(ran)燒特性以及(ji)炊事(shi)的需要，設計的生(sheng)物質(zhi)顆粒(li)直燃(ran)爐(lu)灶結構(gou)如圖1所示，主要由蒸發(fa)器、燃(ran)燒爐(lu)膛(tang)、一次(ci)和二次(ci)進風風機、三次(ci)補風機、觀火孔、二次(ci)裝料碳化倉(cang)等(deng)組成。 ;

該爐(lu)(lu)(lu)灶采(cai)用(yong)間(jian)歇進(jin)(jin)(jin)(jin)料(liao)(liao)，燃(ran)(ran)(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)從(cong)聚火(huo)口(kou)以(yi)(yi)(yi)(yi)及(ji)(ji)輔料(liao)(liao)倉(cang)(cang)的(de)(de)(de)進(jin)(jin)(jin)(jin)料(liao)(liao)口(kou)進(jin)(jin)(jin)(jin)料(liao)(liao)，輔料(liao)(liao)倉(cang)(cang)的(de)(de)(de)設(she)(she)計是確(que)保滿足(zu)(zu)(zu)炊事(shi)對燃(ran)(ran)(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)需(xu)求(qiu)，當(dang)料(liao)(liao)倉(cang)(cang)的(de)(de)(de)燃(ran)(ran)(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)不能(neng)滿足(zu)(zu)(zu)炊事(shi)需(xu)要(yao)時(shi)，可以(yi)(yi)(yi)(yi)通過輔料(liao)(liao)倉(cang)(cang)上的(de)(de)(de)進(jin)(jin)(jin)(jin)料(liao)(liao)口(kou)進(jin)(jin)(jin)(jin)料(liao)(liao)，燃(ran)(ran)(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)會逐漸滑入(ru)爐(lu)(lu)(lu)膛(tang)燃(ran)(ran)(ran)(ran)(ran)燒。同時(shi)爐(lu)(lu)(lu)膛(tang)燃(ran)(ran)(ran)(ran)(ran)燒時(shi)可以(yi)(yi)(yi)(yi)對輔料(liao)(liao)倉(cang)(cang)的(de)(de)(de)燃(ran)(ran)(ran)(ran)(ran)料(liao)(liao)進(jin)(jin)(jin)(jin)行干燥及(ji)(ji)氣化，提高(gao)能(neng)量利用(yong)效(xiao)率；采(cai)用(yong)上點火(huo)方式，顆(ke)粒從(cong)上往下(xia)(xia)燃(ran)(ran)(ran)(ran)(ran)燒；灰室在(zai)爐(lu)(lu)(lu)膛(tang)的(de)(de)(de)下(xia)(xia)部，爐(lu)(lu)(lu)蓖安(an)裝(zhuang)(zhuang)(zhuang)(zhuang)在(zai)抽屜式灰倉(cang)(cang)的(de)(de)(de)上面(mian)；在(zai)爐(lu)(lu)(lu)膛(tang)的(de)(de)(de)正前(qian)方設(she)(she)有(you)一號風(feng)機(ji)（12W），可以(yi)(yi)(yi)(yi)通過調(diao)節風(feng)機(ji)上的(de)(de)(de)控制旋(xuan)鈕，來(lai)實現一次(ci)風(feng)和(he)二次(ci)風(feng)的(de)(de)(de)大小(xiao)以(yi)(yi)(yi)(yi)及(ji)(ji)配(pei)比；在(zai)出(chu)火(huo)口(kou)上方設(she)(she)置了(le)觀(guan)(guan)火(huo)孔，觀(guan)(guan)察燃(ran)(ran)(ran)(ran)(ran)燒過程中供風(feng)是否充(chong)足(zu)(zu)(zu)，并配(pei)有(you)二號風(feng)機(ji)（12W）來(lai)實現三次(ci)供風(feng)；在(zai)爐(lu)(lu)(lu)膛(tang)的(de)(de)(de)上方設(she)(she)置了(le)與(yu)鍋底部緊密接觸的(de)(de)(de)支架(jia)式環(huan)形蒸(zheng)(zheng)(zheng)(zheng)發(fa)器，利用(yong)火(huo)焰以(yi)(yi)(yi)(yi)及(ji)(ji)煙氣對蒸(zheng)(zheng)(zheng)(zheng)發(fa)器加熱，水(shui)(shui)從(cong)下(xia)(xia)面(mian)的(de)(de)(de)進(jin)(jin)(jin)(jin)水(shui)(shui)口(kou)進(jin)(jin)(jin)(jin)入(ru)蒸(zheng)(zheng)(zheng)(zheng)發(fa)器，蒸(zheng)(zheng)(zheng)(zheng)發(fa)器與(yu)爐(lu)(lu)(lu)灶外面(mian)的(de)(de)(de)水(shui)(shui)位(wei)計相通，以(yi)(yi)(yi)(yi)確(que)保進(jin)(jin)(jin)(jin)水(shui)(shui)量適中，燃(ran)(ran)(ran)(ran)(ran)燒過程中產(chan)生的(de)(de)(de)高(gao)溫(wen)蒸(zheng)(zheng)(zheng)(zheng)汽，從(cong)蒸(zheng)(zheng)(zheng)(zheng)發(fa)器上出(chu)口(kou)冒出(chu)，高(gao)溫(wen)蒸(zheng)(zheng)(zheng)(zheng)汽用(yong)來(lai)蒸(zheng)(zheng)(zheng)(zheng)飯、煮粥以(yi)(yi)(yi)(yi)及(ji)(ji)供熱水(shui)(shui)，實現了(le)炒菜與(yu)蒸(zheng)(zheng)(zheng)(zheng)飯等同時(shi)進(jin)(jin)(jin)(jin)行，縮短了(le)炊事(shi)時(shi)間(jian)，在(zai)蒸(zheng)(zheng)(zheng)(zheng)汽出(chu)口(kou)處設(she)(she)有(you)蒸(zheng)(zheng)(zheng)(zheng)汽壓(ya)力閥，當(dang)壓(ya)力超過安(an)全值，泄壓(ya)裝(zhuang)(zhuang)(zhuang)(zhuang)置自(zi)(zi)動泄壓(ya)。該設(she)(she)備所有(you)零部件(jian)采(cai)用(yong)模具來(lai)完成沖壓(ya)、拉伸、材料(liao)(liao)自(zi)(zi)動剪切(qie)，自(zi)(zi)動卷(juan)圓焊接，爐(lu)(lu)(lu)具裝(zhuang)(zhuang)(zhuang)(zhuang)配(pei)采(cai)用(yong)模塊式和(he)流(liu)水(shui)(shui)線裝(zhuang)(zhuang)(zhuang)(zhuang)配(pei)工藝，保證(zheng)了(le)產(chan)品(pin)質量和(he)外觀(guan)(guan)的(de)(de)(de)統一性。

　　2.2爐膛設計

　　生(sheng)物質顆粒(li)燃(ran)料的(de)(de)燃(ran)燒特性要求確保供風(feng)的(de)(de)均勻性，故將(jiang)爐(lu)膛(tang)(tang)的(de)(de)上(shang)下部(bu)分設計成(cheng)錐形。爐(lu)膛(tang)(tang)的(de)(de)大(da)小由(you)爐(lu)膛(tang)(tang)的(de)(de)容(rong)(rong)(rong)積(ji)熱負(fu)荷決定，爐(lu)膛(tang)(tang)的(de)(de)容(rong)(rong)(rong)積(ji)熱負(fu)荷過大(da)，則燃(ran)料在(zai)爐(lu)內停留的(de)(de)時間短，燃(ran)燒不充分；反之(zhi)，爐(lu)膛(tang)(tang)容(rong)(rong)(rong)積(ji)熱負(fu)荷過小，爐(lu)膛(tang)(tang)容(rong)(rong)(rong)積(ji)過大(da)，燃(ran)燒分散，火(huo)力(li)不集中。因(yin)爐(lu)具是為了滿足集中供餐需要，所以燃(ran)料的(de)(de)消耗量取9kg/h，爐(lu)灶的(de)(de)熱效率取0.65，爐(lu)灶的(de)(de)容(rong)(rong)(rong)積(ji)熱負(fu)荷一(yi)般在(zai)250～400W/m3，本設計容(rong)(rong)(rong)積(ji)熱負(fu)荷取380kW/m3[20]。

      2.3進風套設計

　　針對大多數(shu)生物質顆(ke)粒爐供風不足與不均勻性的(de)問題，設計了高度為(wei)19cm，上圓半徑為(wei)25cm的(de)非(fei)結構網格(ge)錐(zhui)面進風套，。

在同一(yi)水平面上(shang)，相(xiang)隔相(xiang)同的(de)(de)距離(li)設(she)有(you)大小(xiao)一(yi)致(zhi)的(de)(de)進(jin)風(feng)孔，一(yi)次進(jin)風(feng)和二次進(jin)風(feng)處都(dou)設(she)置錐形進(jin)風(feng)套，這樣風(feng)以旋轉的(de)(de)方式通(tong)(tong)過進(jin)風(feng)孔進(jin)入(ru)爐體(ti)內(nei)，達到了(le)(le)每個進(jin)風(feng)孔通(tong)(tong)風(feng)量的(de)(de)均(jun)(jun)勻，從而保(bao)證了(le)(le)燃(ran)料燃(ran)燒的(de)(de)均(jun)(jun)勻。一(yi)次風(feng)與二次風(feng)的(de)(de)供給是通(tong)(tong)過12W的(de)(de)風(feng)機來控制(zhi)，它們之間的(de)(de)配(pei)比通(tong)(tong)過風(feng)機上(shang)的(de)(de)調節旋鈕(niu)來控制(zhi)。

　　2.4吊(diao)火高(gao)度和聚火口設計

　　吊火(huo)高(gao)(gao)(gao)度指(zhi)鍋底與爐(lu)排之間的(de)垂(chui)直距離(li)。以燃(ran)燒火(huo)苗的(de)高(gao)(gao)(gao)溫區(qu)正達鍋的(de)底部為正合適，根據生(sheng)(sheng)物質顆(ke)粒燃(ran)料的(de)燃(ran)燒特性，一般小型生(sheng)(sheng)物質爐(lu)的(de)吊火(huo)高(gao)(gao)(gao)度在28～30cm[21]，同(tong)時鍋的(de)尺寸會對吊火(huo)高(gao)(gao)(gao)度產生(sheng)(sheng)影響，本設計爐(lu)膛高(gao)(gao)(gao)度取40cm。由于選用(yong)燃(ran)料層燃(ran)的(de)燃(ran)燒方式，會產生(sheng)(sheng)可燃(ran)性揮發性氣體，本爐(lu)灶專門設計了喇叭形的(de)聚(ju)火(huo)口（Φ14cm），有(you)利(li)于聚(ju)集火(huo)焰，拔高(gao)(gao)(gao)了火(huo)苗的(de)高(gao)(gao)(gao)度。