摘要：針對當前生物質燃燒爐灶熱效率低、火力強度達不到（dào）要求、供（gòng）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（rán）料爐灶（zào）的需求，研製了（le）一種（zhǒng）以層燃為（wéi）燃燒方式，集炒菜、蒸飯、燒水、供（gòng）熱等功能於一體的生物質顆粒直燃爐（lú）灶。運行性能試驗結果表明：該爐灶的炊事熱效率為（wéi）42.9％，綜合熱效率達70.7％，炊事強度為14.1kW，煙氣排放指標低（dī）於國家標準，生物質顆（kē）粒燃燒較為充分，可為以（yǐ）生物（wù）質顆粒為燃料的集中供餐（cān）炊事爐灶的設計與應用提供科學參考。

　　引（yǐn）言

　　能源是經濟發展和社會進步的基礎，但由於（yú）常規化能源的理論存儲量有限並日（rì）漸枯竭，對可再生資源的開發（fā）利用已（yǐ）迫在眉睫。生物質能源作為（wéi）一種可再生且環境友好的能源，受到廣泛關注。我國具有豐富的農作物秸稈資源（yuán），2015年農作物（wù）秸稈理論資源量10.4億t，可收集（jí）資源量9.0億t，利用量為7.2億t，其中秸稈（gǎn）燃料化利用量1.0億t（折合0.5億t標準煤），占可收集資源量的11.4％[1]。秸稈類生物質具有揮發性高、碳活性高、灰分低、S含量低，在整個（gè）碳循環（huán）過程中CO2零排放等優點，是一種優質清潔燃料。因此，將秸稈類生物質通（tōng）過直接燃燒方式利用，是其最簡便高效的燃（rán）料化利用方式之一[2－4]。

　　由於秸稈的疏鬆性和分散性對其收儲運和燃燒帶來（lái）一些問題[5]，采用物理、化學的（de）方（fāng）法將秸稈（gǎn）粘化，在高溫高壓下或加粘結劑條件下，壓縮成粒狀或塊狀等具有一定密實度的顆粒狀燃料[6－8]，便於運輸和儲存，燃（rán）燒效率高[9－10]。為（wéi）了使民用爐灶能夠使用顆粒型燃料，政府推動了改灶節柴等工作，但通過對改造出的節（jiē）柴灶（zào）和爐具燃燒過程進行分析，發現其熱效率為20％左右（yòu），且由於供風的不均性造（zào）成燃料的不完全燃（rán）燒以及煙氣排放不達標，同時存在著功能的單一性（xìng），達不到多種炊事和供熱水以及供暖同時進行[11－12]。市場上出現的爐灶主要是一些（xiē）家庭小型用爐，不能滿足一些集體（tǐ）供餐單位（wèi）對炊（chuī）事強度以及對爐（lú）灶的功能的（de）要（yào）求。因此，本（běn）文擬設計一種既能滿足集體供餐需要、保（bǎo）證多項炊事同時進行，還能夠兼顧供（gòng）暖供（gòng）熱（rè）水的生物質顆粒爐灶，並對其運行性能進行評估。

　　1設計依（yī）據

　　1.1大（dà）連生物質顆粒燃料燃燒特（tè）性

　　生物（wù）質爐灶的設計需要結合（hé）生物質燃燒特性。生物質顆粒燃燒機理的實質屬（shǔ）於靜態滲透壓擴散燃燒（shāo）[13－14]，其燃燒過程可分為幹燥脫水、揮（huī）發（fā）分析出燃燒、焦炭燃燒和燃盡4個階段（duàn）[15－17]：

　　①生物質顆粒在燃燒（shāo）爐膛內，隨著溫度的（de）升高，水（shuǐ）分逐漸被蒸發。

　　②燃燒（shāo）室溫度上升到250℃左右時（shí），揮發分析出，揮發物與氧氣結合，燃燒進入過渡區與擴散區。

　　③滲（shèn）透擴散燃燒，焦炭的燃燒占主要地位，在顆粒表麵進行一氧化碳（tàn）的燃（rán）燒，燃燒持續穩定，爐溫較高（gāo）。

　　④燃盡的灰殼不（bú）斷加厚，可燃物基本燃盡，形成整體（tǐ）的灰殼，灰（huī）殼表麵看不到火焰，燃料變成暗紅色，燃燒過程結束[18－19]。試驗所用的玉米秸稈顆粒燃料粒徑5～15mm，長度20～30mm，密度800kg/m3，工業分析和元素分析結果如表1所示（shì）。 

       1.2生（shēng）物質顆粒燃料（liào）爐（lú）灶設計原則

　　由於大多數集中供餐在炊事時均需要一次生火能把炒菜（cài）、煮飯以及用熱水問題解決（jué），依據生物質（zhì）顆粒燃料的燃（rán）燒基本特性，爐灶的設計需滿足以下原則：①點火容易，上火快，燃燒穩定、完全，火力足，空氣能均勻流暢地進入（rù）爐內，不冒黑煙，能源（yuán）利用效率高。②功能齊全（quán），結構簡單，使用方便，成本低廉（lián），安全可靠，實用耐用。③熱效率（lǜ）高，熱性能穩（wěn）定。

　　2生物質顆粒直燃爐灶設（shè）計

　　2.1整體結構

　　結（jié）合生物（wù）質顆粒燃料的燃燒特性以及炊事的需（xū）要，設計的生物質顆粒直燃爐灶結構如圖1所示，主要由蒸發器、燃（rán）燒爐膛、一次（cì）和二次進風風（fēng）機、三次補風機、觀火孔、二次裝料碳化倉等組成。 

該爐（lú）灶采用間歇進料，燃料從聚火（huǒ）口以及輔料倉的進料口進料，輔料倉的設計是確保滿足炊（chuī）事（shì）對燃料的需求，當料（liào）倉的燃料不能滿足炊事需要時，可以通過輔料倉上的進料口進料，燃（rán）料會逐漸滑入爐膛燃燒（shāo）。同時爐膛燃燒時可以對輔料倉的燃料（liào）進行（háng）幹燥及氣化，提高能量利（lì）用（yòng）效率；采用上點（diǎn）火（huǒ）方式，顆粒從上往下燃燒；灰室在爐膛的下部，爐蓖安裝（zhuāng）在抽屜式灰倉的上麵；在爐膛的（de）正前（qián）方設有一號（hào）風機（12W），可以通過調節風（fēng）機上的控（kòng）製旋鈕，來實現一次風（fēng）和二次風的大小（xiǎo）以（yǐ）及配比；在出火口上方設置了觀火孔，觀察燃燒過程中供風是否充足，並配有二號風機（12W）來實現三次供風；在爐膛的上（shàng）方設置了與鍋底部緊密接觸（chù）的支（zhī）架式環形蒸發器，利用火焰（yàn）以（yǐ）及煙氣對蒸發器加（jiā）熱，水（shuǐ）從下麵的進水口進入蒸發器，蒸發器與爐灶外麵的水位計（jì）相通，以確保進水量適中，燃燒過程中產（chǎn）生的高溫蒸汽，從蒸發器上出口（kǒu）冒出，高溫蒸汽用（yòng）來蒸飯、煮粥以及供熱水，實現了炒（chǎo）菜與（yǔ）蒸飯等同（tóng）時進行，縮短了（le）炊事時間，在蒸汽出口處（chù）設有蒸汽壓力閥，當壓力超過安全值，泄壓裝置自動泄壓（yā）。該設備所有零部件采用（yòng）模具來完成衝壓、拉伸、材料自動剪切，自動卷（juàn）圓焊接（jiē），爐具裝配采用模塊式和流水線裝配工藝，保證了產品質（zhì）量和外觀的統一性。

　　2.2爐膛設計

　　生物質顆粒燃料的燃燒特（tè）性（xìng）要求確保供風的均勻性，故將爐膛的上下（xià）部分設計成錐形。爐膛（táng）的大小由爐（lú）膛的容積熱負荷決定，爐膛的容積熱負荷過大，則燃料在爐內停留的時間短（duǎn），燃燒（shāo）不充分；反之，爐（lú）膛容（róng）積熱負（fù）荷過小（xiǎo），爐膛容積（jī）過大，燃燒分散，火力不集中。因（yīn）爐具是為（wéi）了滿足集中供餐需要（yào），所以燃料的消（xiāo）耗量取9kg/h，爐灶的熱效率取（qǔ）0.65，爐灶的容積（jī）熱負荷一般在250～400W/m3，本設計容積熱負荷取380kW/m3[20]。

      2.3進風套設計

　　針對大多數生物質顆粒爐供（gòng）風不足與不（bú）均勻性的問題，設計了高度為19cm，上圓半徑為25cm的非結構網格（gé）錐（zhuī）麵進風套，。

在同（tóng）一（yī）水平麵（miàn）上，相隔相同的距離（lí）設有大小一致的進風（fēng）孔，一次進風和二次進風處（chù）都設置錐形（xíng）進風套，這樣風以（yǐ）旋（xuán）轉的方式通過進風孔進入爐體（tǐ）內，達到了每個進風孔通風量的均勻，從而保證了燃料燃燒的均（jun1）勻。一（yī）次風與二（èr）次風的供給是通（tōng）過12W的風機來（lái）控製，它們（men）之（zhī）間的配比通過風機上的調節旋鈕來（lái）控製。

　　2.4吊火高度和聚火口設計

　　吊火高度指（zhǐ）鍋底與爐排之間（jiān）的垂直距離。以燃燒火苗的高溫（wēn）區正達鍋的底部為正合適，根據生物質顆粒燃料的（de）燃燒特（tè）性，一般（bān）小型生物質（zhì）爐的吊火（huǒ）高度在28～30cm[21]，同時鍋的尺寸會對吊火高度產生影響，本設（shè）計（jì）爐膛高度取（qǔ）40cm。由於選用燃料層燃的燃燒方式（shì），會產生可（kě）燃性揮發（fā）性氣體，本爐灶專門設計了喇叭形的聚火（huǒ）口（Φ14cm），有利（lì）於聚集火焰，拔高了火（huǒ）苗（miáo）的高度。