摘要：針對當前生物質燃燒爐灶熱效率低、火力強度達不到要求、供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料爐灶的需求，研制了一種以層燃為燃燒方式，集炒菜、蒸飯、燒水、供熱等功能于一體的生物質顆粒直燃爐灶。運行性能試驗結果表明：該爐灶的炊事熱效率為42.9％，綜合熱效率達70.7％，炊事強度為14.1kW，煙氣排放指標低于國家標準，生物質顆粒燃燒較為充分，可為以生物質顆粒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，但由于常規化能源的理論存儲量有限并日漸枯竭，對可再生資源的開發利用已迫在眉睫。生物質能源作為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，2015年農作物秸稈理論資源量10.4億t，可收集資源量9.0億t，利用量為7.2億t，其中秸稈燃料化利用量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，在整個碳循環過程中CO2零排放等優點，是一種優質清潔燃料。因此，將秸稈類生物質通過直接燃燒方式利用，是其最簡便高效的燃料化利用方式之一[2－4]。

　　由于秸稈的疏松性和分散性對其收儲運和燃燒帶來一些問題[5]，采用物理、化學的方法將秸稈粘化，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粒狀燃料[6－8]，便于運輸和儲存，燃燒效率高[9－10]。為了使民用爐灶能夠使用顆粒型燃料，政府推動了改灶節柴等工作，但通過對改造出的節柴灶和爐具燃燒過程進行分析，發現其熱效率為20％左右，且由于供風的不均性造成燃料的不完全燃燒以及煙氣排放不達標，同時存在著功能的單一性，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家庭小型用爐，不能滿足一些集體供餐單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、保證多項炊事同時進行，還能夠兼顧供暖供熱水的生物質顆粒爐灶，并對其運行性能進行評估。

　　1設計依據

　　1.1大連生物質顆粒燃料燃燒特性

　　生物質爐灶的設計需要結合生物質燃燒特性。生物質顆粒燃燒機理的實質屬于靜態滲透壓擴散燃燒[13－14]，其燃燒過程可分為干燥脫水、揮發分析出燃燒、焦炭燃燒和燃盡4個階段[15－17]：

　　①生物質顆粒在燃燒爐膛內，隨著溫度的升高，水分逐漸被蒸發。

　　②燃燒室溫度上升到250℃左右時，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滲透擴散燃燒，焦炭的燃燒占主要地位，在顆粒表面進行一氧化碳的燃燒，燃燒持續穩定，爐溫較高。

　　④燃盡的灰殼不斷加厚，可燃物基本燃盡，形成整體的灰殼，灰殼表面看不到火焰，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。 

       1.2生物質顆粒燃料爐灶設計原則

　　由于大多數集中供餐在炊事時均需要一次生火能把炒菜、煮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爐內，不冒黑煙，能源利用效率高。②功能齊全，結構簡單，使用方便，成本低廉，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計

　　2.1整體結構

　　結合生物質顆粒燃料的燃燒特性以及炊事的需要，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。 

該爐灶采用間歇進料，燃料從聚火口以及輔料倉的進料口進料，輔料倉的設計是確保滿足炊事對燃料的需求，當料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，燃料會逐漸滑入爐膛燃燒。同時爐膛燃燒時可以對輔料倉的燃料進行干燥及氣化，提高能量利用效率；采用上點火方式，顆粒從上往下燃燒；灰室在爐膛的下部，爐蓖安裝在抽屜式灰倉的上面；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制旋鈕，來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，并配有二號風機（12W）來實現三次供風；在爐膛的上方設置了與鍋底部緊密接觸的支架式環形蒸發器，利用火焰以及煙氣對蒸發器加熱，水從下面的進水口進入蒸發器，蒸發器與爐灶外面的水位計相通，以確保進水量適中，燃燒過程中產生的高溫蒸汽，從蒸發器上出口冒出，高溫蒸汽用來蒸飯、煮粥以及供熱水，實現了炒菜與蒸飯等同時進行，縮短了炊事時間，在蒸汽出口處設有蒸汽壓力閥，當壓力超過安全值，泄壓裝置自動泄壓。該設備所有零部件采用模具來完成沖壓、拉伸、材料自動剪切，自動卷圓焊接，爐具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一性。

　　2.2爐膛設計

　　生物質顆粒燃料的燃燒特性要求確保供風的均勻性，故將爐膛的上下部分設計成錐形。爐膛的大小由爐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，燃燒不充分；反之，爐膛容積熱負荷過小，爐膛容積過大，燃燒分散，火力不集中。因爐具是為了滿足集中供餐需要，所以燃料的消耗量取9kg/h，爐灶的熱效率取0.65，爐灶的容積熱負荷一般在250～400W/m3，本設計容積熱負荷取380kW/m3[20]。

      2.3進風套設計

　　針對大多數生物質顆粒爐供風不足與不均勻性的問題，設計了高度為19cm，上圓半徑為25cm的非結構網格錐面進風套，。

在同一水平面上，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勻。一次風與二次風的供給是通過12W的風機來控制，它們之間的配比通過風機上的調節旋鈕來控制。

　　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。以燃燒火苗的高溫區正達鍋的底部為正合適，根據生物質顆粒燃料的燃燒特性，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。由于選用燃料層燃的燃燒方式，會產生可燃性揮發性氣體，本爐灶專門設計了喇叭形的聚火口（Φ14cm），有利于聚集火焰，拔高了火苗的高度。