PDF《生物质燃料多功能炉设计与性能测试》

第29 卷第15 期农业工程学报Vol.

29 No.15

10 2013 年8月Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Aug.

2013 生物质燃料多功能炉设计与性能测试 谭文英 1,2 ,许勇1,2 ,王述洋

2 ,左光鑫

2 ,董莘2,王字满

2 (1. 东北林业大学材料科学与工程学院,哈尔滨 150040;

2. 东北林业大学生物质能技术工程中心,哈尔滨 150040) 摘要:为了解决当前生物质燃料炉存在的热效率低、排放不达标、有焦油味、炊事取暖不兼顾、炊事高度与烧 炕爬烟高度不兼顾等问题,该文结合北方地区农村居民生活习惯,设计了一种集取暖、炊事、洗浴等功能于一体 的生物质多功能炉,并对其性能进行了测试.结果显示,其额定热功率为 8.0 kW,热效率为 69.7%,炊事热效率 为39.2%,炊事火力强度为

39 926 J/g,综合热效率为 78.55%,烟气排放指标低于国家标准.研究结果可为中国北 方地区的生物质燃料多功能炉的设计和应用提供参考. 关键词:生物质,炉,设计,试验 doi:10.3969/j.issn.1002-6819.2013.15.002 中图分类号:TK6, S216.2 文献标志码:A 文章编号:1002-6819(2013)-15-0010-08 谭文英,许勇,王述洋,等. 生物质燃料多功能炉设计与性能测试[J]. 农业工程学报,2013,29(15):10-17. Tan Wenying, Xu Yong, Wang Shuyang, et al. Design and performance test of multi-function stove for biomass fuel[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(15): 10-17. (in Chinese with English abstract)

0 引言中国农林废弃生物质资源非常丰富,但并没有 得到充分的利用.据统计,1999 年中国农作物秸秆 总量约为 6.4 亿t,2006 年左右达到 7.5 亿t,随着 农作物单产的提高,秸秆产量也在随之增加[1-2] . 目前,中国薪炭林已达

429 万hm2 ,全国有

100 余个 薪炭林试点县,薪柴消耗量约占总能耗的 29%.中 国正在大力发展薪炭林,计划到

2020 年,将增建

50 个薪炭林基地,薪炭林面积也将达到

1 600 多万 hm2[3] .单就农业秸秆来说,扣除部分用于造纸、饲 料和还田等各种利用外,中国每年尚约有 2.7 亿t农业秸秆本可用于能源利用[4] .但由于目前还没有 特别经济、高效的利用技术而被白白废弃,大多数 在秋后和次年春耕前被农民付之一炬,既没有转变 成财富,又污染环境,还影响交通与航空安全.生 物质具有挥发分高、灰分低、氧含量高、炭活性高、 生命周期内 CO2 零排放、S 含量低等特点,特别适 合燃烧转化利用,是一种理想的能源燃料[5] .生物 质燃烧排放的灰渣富含钾、镁、磷、钙等植物营养 收稿日期:2012-12-28 修订日期:2013-07-04 基金项目:国家星火计划项目(072223002) ;

黑龙江省科技计划子课题 秸秆多功能燃烧炉的研究(GA09B501-3-2) 作者简介:谭文英(1960-) ,女,副教授,从事生物质能源转化和利 用方向的研究.哈尔滨 东北林业大学材料科学与工程学院,150040. Email:[email protected] 通信作者:王述洋(1957-) ,男,博士,教授,博士生导师,从事 生物质能源与材料开发利用技术及装备方向的研究. 哈尔滨 东北林业 大学生物质能技术工程中心,150040.Email:[email protected] 元素,可以全部作为肥料还田[6] .鉴于生物质能源 所具有的独特的可再生性和资源的巨量性优势,目 前世界各国无不将其作为国家新能源发展的重要 选择. 中国的秸秆等农作物资源集中分布在东北部 和中部的农区和西南部分省市.黑龙江、吉林、山东、河南、河北和江苏是秸秆等农作物资源分布最 集中的区域,其总量占全国的 36%以上[7] .林木生 物质资源主要分布在中国主要的林区,黑龙江、内 蒙古、吉林

3 省区占全国总量的 27.41%[8] .按照中 国生物质资源的分布情况,在吉林、内蒙古、黑龙 江等北方高寒地区,有着推广应用生物质燃料炉具 的资源基础[9] . 自20 世纪

80 年代开展改灶节柴工作以来,农 村的节能技术有了很大的提高,创造出了形式各样 的节柴灶和炉具.但分析其燃烧过程,其中大部分 炉型仍是传统模式,实质上没有得到改进[10-11] .近 年来国内相继开发了许多生物质气化、半气化炉技 术,在全国范围内,市场上销售的各类生物质燃料 炉具有很多种,但是在北方农村地区普及情况并不 是很好.根据调查,影响生物质燃料炉在北方农村 推广应用的原因很多,如有的生物质燃料炉效率 低、排放不达标、有焦油味;

有的炊事烧炕取暖洗 浴不兼顾;

有的炊事高度与烧炕爬烟高度不兼顾 等.因此,研究设计一种适用于北方高寒地区使用 的生物质燃料炉具具有重要的社会意义和市场价 值. ・农业装备工程与机械化・ 第15 期 谭文英等:生物质燃料多功能炉设计与性能测试

11 1 设计依据 1.1 生物质的燃烧过程 生物质燃料燃烧过程需要经历预热与干燥、挥 发分析出和焦碳燃烧等过程.燃料进入燃烧室后, 随着温度的升高, 到100℃左右时, 首先蒸发出其所 含的水分.然后,由于温度继续升高,约在 250℃左 右时,燃料开始热分解,析出挥发分,形成焦碳. 气态的挥发分和周围高温空气混合后被引燃而燃 烧.通常情况下,在燃烧室中,挥发分包围着焦碳, 氧气不易渗透到焦碳表面,只有当挥发分大部分燃 烧后,氧气才有可能接触到焦碳.此时,焦碳才开 始燃烧,并不断产生灰烬[12-14] .试验用玉米秸秆成 型燃料工业元素分析如表

1 所示. 表1试验用成型燃料工业元素分析 Table

1 Industry analysis and chemical analysis of fuel in experiment 项目 Items 符号 Symbol 数值 Data 含碳量 Carbon content/% Car 42.57 含氢量 Hydrogen content/% Har 3.82 含氧量 Oxygen content/% Oar 37.86 含氮量 Nitrogen content/% Nar 0.37 含硫量 Sulphur content/% Sar 0.12 含水率 Water content/% Mar 8.00 挥发分含量 Volatile content/% Vdel 70.70 灰分含量 Ash content/% Aar 6.90 热值 Calorific value/(kJ・kg-1 ) Qnet.v.ar

14683 1.2 生物质炉具的设计原则 通过对黑龙江省农民生活炉具使用情况和其 对炉具的要求及存在的问题进行走访调研,发现北 方农民普遍习惯睡火炕,希望用一把火解决炊事、 室内采暖、烧炕以及用热水洗浴等问题.根据生物 质燃烧可以分作预热、干燥、挥发分析出和焦碳燃 烧等过程,考虑到农民的生活习惯和经济条件,炉 具设计必须满足以下原则: 1)功能齐全,结构合理,使用方便,保证农 民一看就懂,一用就会. 2)点火容易,上火快,燃烧连续、稳定、完全,火力足,火势均,排烟通畅,不冒黑烟,不能 产生焦油;

需有烟气废热利用装置. 3)灶具的热负荷应满足农民一家人日常生活 用能;

热性能稳定,炊暖热效率≥60%[15] . 4)符合农民生活习惯,满足燃料要求,经济 实用.

2 生物质燃料炉具设计 2.1 整体结构 此炉依据生物质燃料炉具设计原则进行设计, 所用燃料为玉米秸秆成型燃料.根据燃料燃烧特性 选定燃烧方法为层燃, 主要结构包括灰室、 配风管、 炉箅子组件、炉膛、拔火筒、周向水箱、水套、烟囱、进料机构等装置.图1为该生物质燃料炉具的 结构简图. 1.灰室 2.炉箅子组件 3.进料机构 4.炉膛 5.二次配风 6.周向水箱 7.拔火筒 8.配风管 9.风机 10.周向水管 11.水套 1.Ash chamber 2.Components of grate 3.Feeding mechanism 4.Furnace 5.Secondary air distribution 6.Circumferential water box 7.Cupping 8.Air duct 9.Fan 10.Circumferential water pipe 11.Water jacket 图1生物质燃料多功能炉结构简图 Fig.1 Structural diagram of biomass multifunction stove 该炉具使用传统煤炉的炉型以符合农民炊事 取暖习惯.灰室位于炉膛下部,炉箅子组件安装在 灰室上面,风机(CZR-42 型,80 W)安装在炉膛 的右侧,之间通过炉体配风管连接,二次配风位于 炉膛的正上方,炉门位于炉膛正前方,并开有自然 通风道;

进料装置通过进料口与炉膛以一定角度连 接;

拔火器安装在炉膛上方,可拆卸,炉体上部四 周安装有水箱和吸热管;

上出烟口位于炉体右上 方,与水套相连,高度为

89 cm.烟气通过拔火器, 加热周向水箱和水管后,由上出烟口进入水套后排 出;

烟气也可通过加热水箱吸热管后由进炕烟口 (高度为

40 cm)进入火炕.2 个烟气出口均设有开 关,以实现烟气进入炕洞和进入炊事供暖出口之间 的切换.采用整体降低炉膛高度的方式,以保证烟 气在需要的时候能够顺利入炕.炊事时采用装加拔 火筒的方式拔高火苗的高度,以适应做饭的需要. 炉体内设有周向水箱,水箱与内壁之间设有周向传 热管道.在炉体上方出烟口处增设了环形水套,以 利用非进炕烟气的余热.配有自动进料机构,以实 现焖火烧炕时的自动加料. 农业工程学报

2013 年12 2.2 炉膛的设计 炉膛指炉箅上部到炉口下部之间的部分.根据 秸秆成型燃料燃烧特点,将炉膛设计为喇叭状,其 空气进口大而炉口小.........