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阜宁生物质颗粒燃料直燃炉灶设计与试验

来源:澳门游戏网站 发布时间:2019-06-04 2923 次浏览

  摘要:针对当前生物质(Biomass)燃烧炉灶热效率低、火力强度达不到要求、供风不充足燃烧不完全、功能单一等问题,依据集中供餐炊事对清洁生物质能源颗粒炉灶的 需求,研制了一种以层燃为燃烧方式,集炒菜、蒸饭、烧水、供热等功能于一体的 生物质颗粒燃料直燃炉灶。运行性能试验结果表明:该炉灶的 炊事热效率为42.9%,综合热效率达70.7%,炊事强度为14.1kW,烟气排放指标低于标准,生物质颗粒燃料燃烧较为充分,可为以生物质颗粒燃料为燃料的 集中供餐炊事炉灶的 设计与应用提供科学参考。
  引言
  能源是经济发展和社会(society)进步的 基础,但由于常规化能源的 理论存储量有限并日渐枯竭,对可再生资源的 开发利用已迫在眉睫。生物质(material)能源作为一种可再生且环境友好的 能源,受到广泛关注。我国具有丰富的 农作物秸秆资源,2015年农作物秸秆理论资源量10.4亿t,可收集资源量9.0亿t,利用量为7.2亿t,其中秸秆燃料化利用量1.0亿t(折合0.5亿t标准煤),占可收集资源量的 11.4%[1]。秸秆类生物质具有挥发性高、碳活性高、灰分低、S含量低,在整个碳循环过程中CO2零排放等优点,是一种优质清洁燃料。因此,将秸秆类生物质通过直接燃烧方式利用,是其最简便高效的 燃料化利用方式之一[2-4]。
  由于秸秆的 疏松性和分散性对其收储运和燃烧带来一些问题[5],采用物理、化学的 方法将秸秆粘化,在高温(high temperature)高压下或加粘结剂条件下,压缩成粒状或块状等具有一定密实度的 颗粒状燃料[6-8],便于运输和储存,燃烧效率高[9-10]。生物质颗粒燃料由秸秆、稻草、稻壳、花生壳、玉米芯、油茶壳、棉籽壳等以及“三剩物”经过加工产生的块状环保新能源。生物质颗粒的直径一般为6~10毫米。为了使民用炉灶能够使用颗粒型燃料,政府推动了改灶节柴等工作,但通过对改造出的 节柴灶和炉具燃烧过程进行分析,发现其热效率为20%左右,且由于供风的 不均性造成燃料的 不完全燃烧以及烟气排放不达标,同时存在着功能的 单一性,达不到多种炊事和供热水以及供暖同时进行[11-12]。市场上出现的 炉灶主要是一些家庭小型用炉,不能满足一些集体供餐单位对炊事强度以及对炉灶的 功能的 要求。因此,本文拟设计一种既能满足集体供餐需要、保证多项炊事同时进行,还能够兼顾供暖供热水的 生物质(Biomass)颗粒燃料炉灶,并对其运行性能进行评估。
  1设计依据
  1.1生物质能源颗粒燃烧特性
  生物质炉灶的 设计需要结合生物质燃烧特性。生物质锅炉燃料生物质颗粒燃料纯度高,不含其他不产生热量的杂物,其含炭量75—85%,灰份3—6%,含水量1—3%,不含煤矸石,石头等不发热反而耗热的杂质,将直接为企业降低成本。生物质颗粒燃料燃烧机理的 实质属于静态渗透压扩散燃烧[13-14],其燃烧过程可分为干燥脱水、挥发分析出燃烧、焦炭燃烧和燃尽4个阶段[15-17]:
  ①生物质颗粒燃料在燃烧炉膛内,随着温度的 升高,水分逐渐被蒸发。
  ②燃烧室温度上升到250℃左右时,挥发分析出,挥发物与氧气结合,燃烧进入过渡区与扩散区。
  ③渗透扩散燃烧,焦炭的 燃烧占主要地位,在颗粒表面进行一氧化碳的 燃烧,燃烧持续稳定,炉温较高。
  ④燃尽的 灰壳不断加厚,可燃物基本燃尽,形成整体的 灰壳,灰壳表面看不到火焰,燃料变成暗红色,燃烧过程(process)结束[18-19]。试验所用的 玉米秸秆颗粒燃料粒径5~15mm,长度20~30mm,密度800kg/m3,工业分析和元素分析结果如表1所示。
  1.2生物质能源颗粒炉灶设计原则
  由于大多数集中供餐在炊事时均需要一次生火能把炒菜、煮饭以及用热水问题解决,依据生物质能源颗粒的 燃烧基本特性,炉灶的 设计需满足以下原则:
  ①点火容易,上火快,燃烧稳定、完全,火力足,空气能均匀(jūn yún)流畅地进入炉内,不冒黑烟,能源利用效率高。
  ②功能齐全,结构简单,使用方便,成本低廉,安全可靠,实用耐用。
  ③热效率高,热性能稳定。
  2生物质颗粒燃料(fuel)直燃炉灶设计
  2.1整体结构
  结合生物质(material)能源颗粒的 燃烧特性以及炊事的 需要,设计的 生物质颗粒燃料直燃炉灶结构如1所示,主要由蒸发器、燃烧炉膛、一次和二次进风风机、三次补风机、观火孔、二次装料碳化仓等组成。
  该炉灶采用间歇进料,燃料从聚火口以及辅料仓的 进料口进料,辅料仓的 设计是确保满足炊事对燃料的 需求,当料仓的 燃料不能满足炊事需要时,可以通过辅料仓上的 进料口进料,燃料会逐渐滑入炉膛燃烧。同时炉膛燃烧时可以对辅料仓的 燃料进行干燥及气化,提高能量利用效率;采用上点火方式,颗粒从上往下燃烧;灰室在炉膛的 下部,炉蓖安装在抽屉式灰仓的 上面;在炉膛的 正前方设有一号风机(12W),可以通过调节风机上的 控制旋钮,来实现一次风和二次风的 大小以及配比;在出火口上方设置了观火孔,观察燃烧过程中供风是否充足,并配有二号风机(12W)来实现三次供风;在炉膛的 上方设置了与锅底部紧密接触的 支架式环形蒸发器,利用火焰以及烟气对蒸发器加热,水从下面的 进水口进入蒸发器,蒸发器与炉灶外面的 水位计相通,以确保进水量适中,燃烧过程中产生的 高温蒸汽,从蒸发器上出口冒出,高温蒸汽用来蒸饭、煮粥以及供热水,实现了炒菜与蒸饭等同时进行,缩短了炊事时间,在蒸汽出口处设有蒸汽压力阀,当压力超过安全值,泄压装置自动泄压。该设备(shèbèi)所有零部件采用模具来完成冲压、拉伸、材料自动剪切,自动卷圆焊接,炉具装配(assemble)采用模块式和流水线装配工艺,保证了产品质(Character)量和外观的 统一性。
  2.2炉膛设计
  生物质(Biomass)能源颗粒的 燃烧特性要求确保供风的 均匀性,故将炉膛的 上下部分设计成锥形。炉膛的 大小由炉膛的 容积热负荷决定,炉膛的 容积热负荷过大,则燃料在炉内停留的 时间短,燃烧不充分;反之,炉膛容积热负荷过小,炉膛容积过大,燃烧分散,火力不集中。因炉具是为了满足集中供餐需要,所以燃料的 消耗量取9kg/h,炉灶的 热效率取0.65,炉灶的 容积热负荷一般在250~400W/m3,本设计容积热负荷取380kW/m3[20]。
  炉膛容积为
  2.3进风套设计
  针对大多数生物质颗粒燃料炉供风不足与不均匀性的 问题,设计了高度为19cm,上圆半径为25cm的 非结构网格锥面进风套,如2所示。
  在同一水平面上,相隔相同的 距离设有大小一致的 进风孔,一次进风和二次进风处都设置锥形进风套,这样风以旋转的 方式通过进风孔进入炉体内,达到了每个进风孔通风量的 均匀,从而保证了燃料燃烧的 均匀。一次风与二次风的 供给是通过12W的 风机来控制,它们之间的 配比通过风机上的 调节旋钮来控制。
  2.4吊火高度和聚火口设计
  吊火高度指锅底与炉排之间的 垂直距离。以燃烧火苗的 高温区正达锅的 底部为正合适,根据生物质能源(解释:向自然界提供能量转化的物质)颗粒的 燃烧特性,一般小型生物质炉的 吊火高度在28~30cm[21],同时锅的 尺寸会对吊火高度产生影响,本设计炉膛高度取40cm。由于选用燃料层燃的 燃烧方式,会产生可燃性挥发性气体,本炉灶专门设计了喇叭形的 聚火口(Φ14cm),有利于聚集火焰,拔高了火苗的 高度。
  2.5烟囱截面积计算
  3生物质(Biomass)颗粒燃料直燃炉灶性能试验
  3.1试验依据
  依据文献[22]对炉具的 炊事热效率进行测试。炉具的 烟气排放检测采用文献[23]的 方法计算(calculate )。整体试验数据采用在线仪表计量与现场计量。
  3.2试验系统
  采用的 试验装置主要有炉灶主体(包括炉膛、蒸发器、烟道、风道等)、温度测试系统(包括温度计和热电偶)、烟气分析仪等测试系统。3为测试样机。
  3.3试验测试(TestMeasure)仪器
  水桶2个,每个容量为0.01m3;台秤1台,测量范围0~10kg;XK3190A12E型电子落地台秤,精度10g;时钟1个,日差小于1min;风速仪,测量范围0~10m/s,精度为0.5m/s;镍铬镍硅K型热电偶,测温范围-200~1200℃,KMQuintox9106型烟气分析仪。
  3.4试验条件(tiáo jiàn)和方法
  试验在室内进行,环境温度为25℃左右;相对湿度小于85%;室内风速小于1.0m/s;测试工质为常温水;试验炉具远离其他热源;燃料为玉米秸秆成型燃料;引燃物为干燥的 棉花秸秆。每次试验进行3次,求其平均值。
  3.5结果与分析
  生物质颗粒燃料炉灶的 性能试验数据如表2所示。
  炉灶的 热性能和烟气排放的 试验结果如表3所示,该生物质颗粒燃料直燃炉灶的 炊事热效率(efficiency)达到42.9%,高于一般家用颗粒炊事炉的 效率[24-25],环形蒸发器的 设计有效地利用外围火焰和烟气所携带的 热量,提高了炉灶的 综合热效率,达到70.7%,炊事火力强度14.1kW,符合标准生物质炊事炉灶的 热效率(≥35%)、炊事火力强度(≥10kW)[26]的 要求。排烟中SO2的 平均质量浓度为13.45mg/m3,CO的 平均体积分数为0.087%,NO平均质量浓度为103.27mg/m3,NO2平均质量浓度为4.11mg/m3,格林曼黑度小于1。设计的 直燃式颗粒炉灶的 排放烟气指标均符合相关规定[23,26],具有较好的 社会环境效益。
  4结论
  (1)生物质颗粒燃料直燃炉灶的 炊事热效率为42.9%,综合热效率为70.7%,炊事火力强度为14.1kW,符合生物质炊事大灶的 要求,能够满足集中供餐用能的 需要。
  (2)生物质颗粒燃料直燃炉灶的 排烟中NO的 平均质量(Mass)浓度为103.27mg/m3,NO2的 平均质量浓度为4.11mg/m3,CO的 平均体积分数为0.087%,SO2的 平均质量浓度为13.45mg/m3,烟气格林曼黑度小于1,均符合炉灶的 相关规定,能够实现清洁燃烧。生物质颗粒燃料由秸秆、稻草、稻壳、花生壳、玉米芯、油茶壳、棉籽壳等以及“三剩物”经过加工产生的块状环保新能源。生物质颗粒的直径一般为6~10毫米。
  
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