摘要：針對（duì）當前生物質燃燒爐灶熱效率（lǜ）低、火力強度達不到要求（qiú）、供風（fēng）不充足燃燒不完全、功能單一等問題，依據集中（zhōng）供餐炊事（shì）對（duì）清潔生物質顆粒燃料爐灶的需求，研製了一種以（yǐ）層燃為燃燒方式，集（jí）炒菜、蒸飯、燒水（shuǐ）、供熱等功能於一體的生物質顆粒直（zhí）燃爐灶。運行性能試驗結果表（biǎo）明：該爐灶的炊事熱效率為42.9％，綜合熱效率達70.7％，炊事強度（dù）為14.1kW，煙氣排放（fàng）指（zhǐ）標低於國家標準，生物質顆粒（lì）燃燒較為充分（fèn），可為（wéi）以生物質顆粒（lì）為燃料的集中供餐炊事爐灶的設計與應用提供科學參考。

　　引言

　　能源是經濟發展和社會進步的基礎，但由於常規化能源（yuán）的理論存儲量有限並日漸枯竭，對可再生資源的開發利用已迫在眉睫。生物質（zhì）能源作為一種（zhǒng）可再生且環境友好（hǎo）的（de）能源，受到廣（guǎng）泛關注。我國具有豐富的農作物秸稈資源，2015年農作物秸稈理論資（zī）源量10.4億t，可（kě）收集資源（yuán）量9.0億t，利用量為7.2億t，其（qí）中秸稈燃料化利（lì）用量1.0億t（折合（hé）0.5億t標準煤），占可收集資（zī）源量的11.4％[1]。秸稈類生物質具有揮發性高、碳活性（xìng）高、灰分低、S含量低，在整個碳循環（huán）過程中CO2零排放等優點，是一種優（yōu）質清（qīng）潔燃料。因此，將秸稈類（lèi）生物質通過直接燃燒方式利用，是其最（zuì）簡便高效的燃料化利用方式之一[2－4]。

　　由於秸稈的疏鬆性和分散性對其收儲運和燃燒（shāo）帶來一些問題[5]，采用物理、化學的（de）方法將秸稈粘化，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（kē）粒狀（zhuàng）燃料（liào）[6－8]，便於運輸和儲存，燃燒效率高[9－10]。為了使民用爐灶能夠使用顆粒型燃料，政府推動（dòng）了改灶節柴等工作，但通過對改（gǎi）造（zào）出的（de）節柴灶和爐（lú）具燃燒過程進（jìn）行分析，發現其熱效率為20％左右，且由於供風的不均性造成燃料的不（bú）完（wán）全（quán）燃燒以及煙氣排放不達標，同時存在著功能的單（dān）一性，達不到多（duō）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（tíng）小型用爐，不（bú）能滿足一些集體供餐（cān）單（dān）位對炊事強度以及對爐灶的功能的要求。因此，本文擬設計一種既能滿足集體供餐需要、保證多項（xiàng）炊事同時（shí）進行，還能夠兼（jiān）顧供暖供熱（rè）水的生物質顆粒（lì）爐灶，並對其運行性能進行評估。

　　1設計依據（jù）

　　1.1大連生物（wù）質顆粒燃料燃燒特性

　　生物質爐灶的設計需要結合生物質（zhì）燃燒（shāo）特（tè）性。生物質顆粒燃燒機理的實質屬於靜態滲透壓擴散燃燒[13－14]，其燃燒過程可分為幹燥脫水、揮發分析出燃燒、焦炭燃燒和燃盡4個階段[15－17]：

　　①生物質顆粒在燃（rán）燒爐（lú）膛內，隨著溫度的升高，水分逐漸被蒸發。

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

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

　　④燃盡的（de）灰殼不斷加厚（hòu），可燃物基本燃盡，形（xíng）成（chéng）整體（tǐ）的灰殼，灰殼表麵看不到火焰，燃料變成暗紅色，燃燒過程結束[18－19]。試驗所用（yòng）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。 

       1.2生物質顆粒燃料（liào）爐灶設計原則

　　由於大（dà）多（duō）數集中供餐在炊（chuī）事時均需要一次生火能把（bǎ）炒菜、煮（zhǔ）飯以及用熱水問題解決，依據生物質顆粒燃料的燃燒基本特性，爐灶的設計需滿足以下原（yuán）則：①點火容易，上火快，燃燒穩定、完（wán）全，火力足（zú），空氣能均勻流暢（chàng）地進入（rù）爐內，不冒黑煙（yān），能（néng）源利用（yòng）效率高。②功能齊全，結構簡單，使用方便，成本低（dī）廉，安全可靠，實用耐用。③熱效率高，熱性能穩定。

　　2生物質顆粒直燃爐灶設（shè）計

　　2.1整體結構

　　結合生物質顆（kē）粒燃料的燃燒特性以及炊事的需要，設計的生物（wù）質顆粒直燃爐灶結（jié）構如（rú）圖1所示，主要由蒸發器、燃燒爐膛、一次和二次進風風機、三次補風機、觀火孔、二次裝料碳化倉等組成。 

該爐灶采用間歇進（jìn）料，燃料從（cóng）聚火口以及輔料倉的進料口進料（liào），輔料倉的設計是確保滿足（zú）炊事對燃料的需求（qiú），當料倉的燃料不能滿足炊事需要時，可以通過輔料（liào）倉上的進料口進料，燃料會逐漸滑入爐膛燃燒。同時爐膛（táng）燃燒時可（kě）以對輔料倉的燃料進行幹燥及氣化（huà），提高能量利用效率；采用上點火方式，顆粒從上往下燃燒；灰室在爐（lú）膛的下部，爐蓖安裝在抽屜式灰倉（cāng）的上麵；在爐膛的正前方設有一號風機（12W），可以通過調節風機上的控製旋鈕，來（lái）實現一次風和二次風的大小以及配比；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（gòng）風；在爐膛的上方設置了與鍋（guō）底部（bù）緊密接觸的支架式（shì）環形蒸發器，利用火焰以及煙（yān）氣對蒸發（fā）器加熱，水從下麵的進水口進入蒸發（fā）器，蒸發器與爐灶外麵的（de）水位計相通，以確保（bǎo）進水量（liàng）適（shì）中，燃燒過程（chéng）中產生的高（gāo）溫蒸汽，從（cóng）蒸發（fā）器上出口冒出（chū），高溫蒸汽用來（lái）蒸飯、煮粥以（yǐ）及供熱水（shuǐ），實現了炒菜與蒸飯等（děng）同時（shí）進（jìn）行，縮短了炊事（shì）時間，在蒸汽出口處設有蒸汽壓力閥，當壓（yā）力超過安（ān）全值，泄壓裝置自動（dòng）泄壓。該（gāi）設備所有零部件采用模具來完成衝壓、拉（lā）伸、材（cái）料自動剪切，自動卷圓（yuán）焊接，爐具（jù）裝配采用模塊式和流水線裝配工藝，保證了產品質量和外觀的統（tǒng）一性。

　　2.2爐膛設（shè）計

　　生物質顆粒燃料的燃燒特性要求確保供風的均勻（yún）性，故將爐膛的上下部分設計成（chéng）錐形。爐膛（táng）的大小由爐膛的容積熱負（fù）荷決（jué）定，爐膛的容積熱負荷過（guò）大，則燃料在爐內停留（liú）的時（shí）間短，燃燒不充分；反之，爐膛容積熱負荷過小，爐（lú）膛容積過大，燃燒（shāo）分散，火力不集中。因爐（lú）具是為了滿足集中（zhōng）供餐需要，所（suǒ）以燃料的消耗量取9kg/h，爐灶的熱效率（lǜ）取0.65，爐灶的容積熱負荷一般在250～400W/m3，本設計容積熱負荷（hé）取380kW/m3[20]。

      2.3進風套設計

　　針對大多數生物質顆粒爐（lú）供風不足與（yǔ）不（bú）均勻性的問題，設計了高度為19cm，上圓半徑為（wéi）25cm的非結構網（wǎng）格錐麵進風套，。

在同一水平麵（miàn）上，相隔相同的距離設有大小一致的進風孔，一次進風和二次進風處都設置錐形進風套，這樣風以旋轉的方式通過進風孔進入爐體（tǐ）內（nèi），達到了每個進風孔通風量的均勻，從而保證了燃（rán）料燃燒的均勻（yún）。一次風與二（èr）次風的供給是通過（guò）12W的風機來控（kòng）製，它們之間的配比通過風（fēng）機上的調節旋鈕（niǔ）來控製。

　　2.4吊火高度和聚火口設計

　　吊火高度指鍋底與爐排之間的垂直距離。以燃燒火（huǒ）苗的（de）高溫區正達鍋的底部為正合適，根據生物質顆粒燃料的（de）燃燒（shāo）特性，一般小型生物質爐的吊火高度在28～30cm[21]，同時鍋的尺寸會對吊火高度產生影響，本設計爐膛高度取40cm。由（yóu）於選用燃料層（céng）燃的燃燒方式，會產生可燃性（xìng）揮（huī）發性氣體，本爐灶（zào）專（zhuān）門設計了（le）喇（lǎ）叭形的聚火口（Φ14cm），有利於聚集火焰，拔高了火苗的高度。