李青陽(yáng)，姚鳳菊，張會(huì)廣，顧文波，王若玉，朱群益

(1．哈爾濱工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150090;

2．哈爾濱工業(yè)大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引言

農(nóng)村人口占我國(guó)人口半數(shù)以上。以煤、柴草等生物質(zhì)為燃料的傳統(tǒng)爐灶在廣大農(nóng)村地區(qū)的日常生活和生產(chǎn)中經(jīng)常使用，如用作寒冷季節(jié)取暖、燒火做飯等。由于供風(fēng)不足，爐渣中含碳量高，燃燒效率較低［1］。同時(shí)CO 排放量高，易造成使用者CO 中毒，因中毒死亡的事件時(shí)有發(fā)生。

隨著世界能源危機(jī)和環(huán)保問(wèn)題的日益突出，國(guó)家對(duì)節(jié)能減排日益重視。當(dāng)前，全社會(huì)都在開展節(jié)能降耗，緩解能源壓力，建設(shè)節(jié)約型社會(huì)。為了開展節(jié)能減耗，減輕能源壓力，建設(shè)新型節(jié)約型社會(huì)，國(guó)家出臺(tái)了“十二五”計(jì)劃，計(jì)劃中強(qiáng)調(diào)“十二五”期間單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值能耗降低16%左右，主要污染物排放總量減少8% ～10%。因此，節(jié)能已是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一項(xiàng)長(zhǎng)遠(yuǎn)戰(zhàn)略計(jì)劃，也是當(dāng)前一項(xiàng)緊迫的任務(wù)［2-3］。家庭爐灶節(jié)能改造是廣大農(nóng)村地區(qū)節(jié)約能源的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

1 自身發(fā)電及自通風(fēng)高效燃燒爐灶的結(jié)構(gòu)及工作原理

1．1 自身發(fā)電及自通風(fēng)高效燃燒爐灶

圖1 所示為傳統(tǒng)的家用爐灶結(jié)構(gòu)示意圖。它依靠自然進(jìn)風(fēng)使燃料燃燒，由于供風(fēng)不足，導(dǎo)致爐渣中含碳量高，CO 排放量高。

圖1 傳統(tǒng)家用爐灶結(jié)構(gòu)示意圖

為解決上述問(wèn)題，我們提出了自身發(fā)電及自通風(fēng)高效燃燒爐灶，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示，主要包括:爐膛、導(dǎo)熱桿、溫差發(fā)電片、散熱片、鼓風(fēng)風(fēng)扇、LED燈、爐膛下部的一次風(fēng)管和爐膛上部的二次風(fēng)管。

由于煤爐中心溫度遠(yuǎn)高于外界環(huán)境，熱量能通過(guò)可拆卸的銅質(zhì)導(dǎo)熱桿傳導(dǎo)出，將導(dǎo)熱桿一端插入煤爐內(nèi)，另一端與散熱片相連接以加強(qiáng)散熱，在散熱片一端安裝溫差發(fā)電片，同時(shí)在溫差發(fā)電片的兩側(cè)涂抹硅膠，使發(fā)電片與散熱片及導(dǎo)熱桿充分接觸，增強(qiáng)熱傳導(dǎo)能力。同時(shí)在散熱片的正前方安裝鼓風(fēng)風(fēng)扇。表1 給出了溫差發(fā)電系統(tǒng)各部件的主要參數(shù)。

煤爐工作時(shí)，發(fā)電片在兩側(cè)溫差的作用下產(chǎn)生電壓，并帶動(dòng)安裝在煤爐進(jìn)風(fēng)口處的鼓風(fēng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)。一方面可以加速散熱片的散熱，增加溫差發(fā)電片兩側(cè)的溫度差，使其產(chǎn)生更高的電壓，另一方面可以利用一次風(fēng)管和二次風(fēng)管將高速氣流引入爐內(nèi)，產(chǎn)生由煤爐下端進(jìn)入爐體的一次風(fēng)和從煤爐上部進(jìn)入爐體的二次風(fēng)，促進(jìn)燃料的充分燃燒，減少CO 的產(chǎn)生和排放。該爐能夠滿足部分區(qū)域?qū)φ彰鞯男枰鉀Q生活用電問(wèn)題，還能在人們外出時(shí)為手機(jī)、相機(jī)等電子產(chǎn)品進(jìn)行快速充電及照明，具有成本低，效率高等特點(diǎn)。

表1 溫差發(fā)電系統(tǒng)主要參數(shù)表

圖2 自身發(fā)電及自通風(fēng)高效燃燒爐灶結(jié)構(gòu)示意圖

1．2 溫差發(fā)電原理

將兩種半導(dǎo)體一端相接，使其處于高溫狀態(tài)(熱端)，另一端置于低溫狀態(tài)(冷端)，則熱端和冷端之間將產(chǎn)生開路電壓ΔV，這種現(xiàn)象稱為賽貝克效應(yīng)［4］。理論上可以產(chǎn)生的電壓ΔV 為

ΔV=αΔT=α(T2-T1)

式中 α——塞貝克系數(shù)/V·℃-1;

T2——熱端溫度/℃;

T1——冷端溫度/℃;

ΔT——溫度差/℃。

溫差發(fā)電片類似于熱電堆，單級(jí)熱電堆可得到大約60℃的溫差［5］。熱電堆也可根據(jù)塞貝克效應(yīng)工作把熱能轉(zhuǎn)化為電能從而利用溫差發(fā)電，產(chǎn)生的電能可以用于照明需要及帶動(dòng)風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)［6］。該爐主要利用燃煤爐中心處的火焰與外界環(huán)境產(chǎn)生的溫差。

1．3 燃燒原理

碳的燃燒速度常數(shù)可以表示為

式中 K-——碳的燃燒速度/s;

k——化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)系數(shù);

αd——擴(kuò)散系數(shù)。

化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)系數(shù)k 和擴(kuò)散系數(shù)αd均影響碳燃燒的反應(yīng)速度，根據(jù)兩者影響的程度可以把碳的燃燒過(guò)程分為三個(gè)控制區(qū):

(1)k?αd，K-=αd稱為擴(kuò)散控制的燃燒;

(2)k?αd，K-=k 稱為動(dòng)力控制的燃燒;

(3)k≈αd，k 和αd的數(shù)量級(jí)差不多，擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)系數(shù)兩者均不可忽略，稱為過(guò)渡控制的燃燒。

爐灶的主燃區(qū)溫度較高，基本處于擴(kuò)散燃燒區(qū)，改善爐灶的通風(fēng)可以提高燃料的燃燒速度及燃燒效率。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2．1 輸出電壓

用加工好的自身發(fā)電及自通風(fēng)高效燃燒爐灶燃用煙煤進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，圖3 所示為單只溫差發(fā)電片輸出電壓隨加熱時(shí)間變化曲線，可見，導(dǎo)熱桿受熱290 s左右時(shí)，單只溫差發(fā)電片產(chǎn)生的電壓能夠穩(wěn)定在4．25 V，帶動(dòng)風(fēng)扇持續(xù)旋轉(zhuǎn)，能夠?yàn)槊喝紵峁┳銐虻难趿浚ＷC燃料的充分燃燒，連接的LED 燈發(fā)光明亮。

圖3 輸出電壓隨時(shí)間變化曲線

2．2 燃燒效率

首先對(duì)傳統(tǒng)爐灶和新型爐灶進(jìn)行了熱態(tài)試驗(yàn)。采用傳統(tǒng)爐灶時(shí)，爐內(nèi)采用自然通風(fēng)。取燃燒后的灰樣進(jìn)行對(duì)比，如圖4 和5 可見，采用新型爐灶，煤的燃燒效率提高，灰樣中黑粒部分明顯減少，說(shuō)明在爐膛下部通入一次風(fēng)，能夠使固體的不完全燃燒損失減小，而傳統(tǒng)爐灶由于自然通風(fēng)，爐內(nèi)風(fēng)量不足，煤的燃燒效率低，灰樣中黑粒明顯。以上結(jié)果說(shuō)明新型爐灶爐內(nèi)燃燒更加充分。

分別使用兩種爐灶加熱等量的水。實(shí)驗(yàn)中水的質(zhì)量均為1 kg，加入煤量為2 kg，記錄水溫從30℃升至40℃的時(shí)間。使用傳統(tǒng)爐灶時(shí)所需時(shí)間為88 s，使用新型爐灶為65 s，燒水時(shí)間明顯縮短，這是由于燃燒處于擴(kuò)散燃燒區(qū)，爐底通入一次風(fēng)后，為燃燒提供了充足的氧氣，加快了煤的燃燒速度。由此可見新型爐灶工作時(shí)的熱量釋放速度較快，縮短了人們的等待時(shí)間。

圖5 自身發(fā)電及自通風(fēng)高效燃燒爐灶爐膛底部灰

圖4 傳統(tǒng)爐灶爐膛底部灰樣

2．3 CO 排放濃度

利用Testo 350 煙氣分析儀在線測(cè)量爐灶煙道出口處煙氣成分。CO 濃度的測(cè)量誤差為±50 ppm，O2濃度的測(cè)量誤差為1%，測(cè)量結(jié)果見表2。加裝溫差發(fā)電及自通風(fēng)裝置前后，煤燃燒過(guò)程中排放的CO和O2濃度對(duì)比明顯，CO 排放濃度降低了81．25%，同時(shí)出口氧量也明顯減少。說(shuō)明加裝溫差發(fā)電及自通風(fēng)裝置后，在爐膛上部通入二次風(fēng)，使煤燃燒形成的CO 進(jìn)行二次燃燒，能夠大幅降低CO 的產(chǎn)生，使氣體的不完全燃燒損失減少，提高燃燒效率。

表2 煙道出口煙氣濃度對(duì)比

O2濃度出口處沒有很大區(qū)別，是因?yàn)橛蔁焽杩诳赡苡蠴2的混入。

2．4 熱量釋放

利用新型爐灶與傳統(tǒng)爐灶同時(shí)加熱等量約1 kg的水，使水溫從27℃升高到約100℃，直至沸騰，新型爐灶約用時(shí)157 s，傳統(tǒng)爐灶約用時(shí)183 s，可見新型爐灶能更好利用燃料，在燃燒等量的碳時(shí)，新型爐灶熱量釋放更快，可釋放更多熱量。

3 結(jié)論

本文提出了自身發(fā)電及自通風(fēng)高效燃燒爐灶，通過(guò)溫差發(fā)電片，利用爐灶內(nèi)外溫差實(shí)現(xiàn)自身發(fā)電，電能供給鼓風(fēng)風(fēng)扇，為爐內(nèi)強(qiáng)制鼓風(fēng)，從而提高爐灶的燃燒效率。熱態(tài)試驗(yàn)表明:單只溫差發(fā)電片的輸出電壓能穩(wěn)定在4．25 V，LED 燈發(fā)光明亮，灰渣中可燃物含量減少，CO 排放濃度降低81．25%，使燃料燃燒更加充分，燒水用時(shí)縮短。

因此，有以下創(chuàng)新點(diǎn):

(1)充分利用了燃煤爐余熱，利用溫差發(fā)電片將其轉(zhuǎn)換為電壓，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益;

(2)利用風(fēng)扇加快了肋片散熱，加大溫差發(fā)電片兩段溫差，使之產(chǎn)生更高的電壓;

(3)利用彎管將風(fēng)扇產(chǎn)生的高速氣流引入爐內(nèi)，使煤燃燒更充分，減少污染物排放。

同時(shí)，新型爐灶應(yīng)用前景廣闊，在發(fā)電困難的偏遠(yuǎn)地區(qū)，燃煤爐使用也很廣泛，此項(xiàng)技術(shù)可以使煤燃燒效率更大，而且提供照明，且不需要昂貴的價(jià)格。在國(guó)家極力倡導(dǎo)節(jié)能減排的條件下，燃煤爐的污染依然嚴(yán)重。促進(jìn)煤的充分燃燒，減少有害污染物的排放也已經(jīng)發(fā)展成為大趨勢(shì)。

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