PDF《生物质颗粒燃料炊事炉的性能》

第26 卷第2期农业工程学报Vol.

26 No.2

280 2010 年2月Transactions of the CSAE Feb.

2010 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 (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 GB4363-1984《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. 关键词:生物质,燃料,燃烧,炊事炉,热效率,污染物排放 doi:10.3969/j.issn.1002-6819.2010.02.048 中图分类号:TK6,S210.43 文献标识码:A 文章编号:1002-6819(2010)-02-0280-05 范欣欣,吕子安,李定凯,等. 生物质颗粒燃料炊事炉的性能[J]. 农业工程学报,2010,26(2):280-284. Fan Xinxin, LüZi'

an, Li Dingkai, et al. Performance of cooking stoves with biomass pellet fuel[J]. Transactions of the CSAE, 2010, 26(2): 280-284. (in Chinese with English abstract)

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[1] . 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[2] . 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[3] , 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[4-5] 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[6] .原始柴 灶的热效率更低,仅9%左右[7] .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[8] . 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 收稿日期:2009-04-14 修订日期:2009-05-14 作者简介:范欣欣(1984-) ,女,北京人,主要从事燃烧学的研究.北京 清华大学核能与新能源技术研究院,100084.Email: [email protected] 物质颗粒燃料炊事炉设计参数及相关特点见表

2 及图 1. 表1试验仪器用途和主要参数列表 Table

1 Application of the testing instrument and list of the main parameters 仪器名称 用途 主要参数 电子台秤 测量给料量 测量范围 0~10 kg,感量

5 g 水银温度计 测量锅水温度 精确到 0.1℃ 量程:0~50℃与50~100℃ 热电偶 测量排烟温度 量程 0~1200℃,精度 1℃ 烟气成分 分析仪 烟气排放测试 O2 CO NOx 烟气温度 环境温度 % *10-6 *10-6 ℃ ℃ 0~25 0~20

000 0~5

000 0~1

150 0~100 表23种炊事炉的设计特点 Table

2 Design feature of the three types of cooking stoves 炉具 用途 给料方式 设计装料 量/kg 供风机 功率/W 特点一号 炊事炉 户用 炊事 一次性 加料 1.5

6 1 次装料,够4口之家 做1顿正餐,配微型风 机, 点火方便, 上火快, 火头可控,烟气清洁, 重量轻 二号 炊事炉 户用 炊事 一次性 加料 1.5 无1次装料,够4口之家 做1顿正餐, 自然通风, 需配烟囱,炉内带一蓄 热胆 三号 炊事炉 餐馆 炊事 设置料斗, 重力续料 1.5 无 炉外围带水套、小料 斗,可间隔添料,连续 使用,需配烟囱,炉膛 较前两种炊事炉均大 第2期范欣欣等:生物质颗粒燃料炊事炉的性能

281 a. 一号炊事炉 b. 二号炊事炉 c. 三号炊事炉 图1炊事炉外貌 Fig.1 Appearance of cooking stoves 1.2 测试方法 参照国家标准 GB4363-1984《民用柴炉、柴灶热性 能测试方法》[9] ,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6.0 kg) 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[10-13] .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. 表3试验采用的相关标准 Table

3 Interrelated standard in the experiment 试验内容 测试方法 炊事炉热性能测试试验 GB4363-1984 《民用柴炉、 柴灶热性能测试方法》 生物质颗粒燃料和灰渣 的工业分析 GB/T212-2001《煤的工业分析方法》 生物质颗粒燃料的元素 分析 《锅炉原理及计算》冯俊凯、沈幼庭主编 生物质颗粒燃料的发热 量测定 GB5186-1985《生物质燃料发热量测试方法》 烟尘浓度测试 GB9079-1988《工业炉窖烟尘测试方法》 SO2 排放测试 GB13271-2001《锅炉大气污染物排放标准》 NOx 排放测试 GB13223-1996《火电厂大气污染物排放标准》 CO 排放测试 GB3095-1996《环境空气质量标准》 1.3 数据处理方法 1)升温速度 v1(℃/min)

2 1

1 2

1 t t v T T ? ? ? (1) 式中:t

1、t2― ― 锅水的初始温度和沸点温度,℃;

T

1、 T2 ― ― 灶内燃料的起燃时刻和锅水温度达到沸点的时 刻,min. 2)蒸发速度 v2(kg/min)

2 3

2 3

2 S S G G v T T ? ? ? (2) 式中:Gs

2、Gs3 ――温度达到和偏离沸点时锅水的质量, kg, Gs2 可取初加锅水的质量 Gs1, Gs1 为锅水最初的质量;

T3 ――锅水温度偏离沸点的时刻,min. 3)回升速度 v3(℃/min) '

'

4 3

3 4

3 t t v T T ? ? ? (3) 式中: '

3 t 、 '

4 t ――回升用水的初始温度和终止温度,℃;

4 T ――试验终止的时刻,且43TT?=20 min. 4)热效率 ? ?

1 2

1 2

3 ( ) ( ) %

100 S P S S Y C DW G C t t G G G Q ? ? ? ? ? ? ? (4) 式中:Cp――水的定压比热可取 Cp=4.1868 kJ/(kg・℃);

? ――水沸点时的汽化潜热,kJ/kg,见表 4;

GC ――燃 料的质量,kg;

Y DW Q ――燃料的低位发热量,kJ/kg. 表4水沸点时的汽化潜热 Table

4 Latent heat of vaporization at the water boiling ........