李亞猛 周雪花 胡建軍 朱勝楠 荊艷艷 張全國

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，鄭州 450002； 2.生物質(zhì)能源河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，鄭州 450002)

生物質(zhì)顆粒直燃爐灶設(shè)計與試驗

李亞猛1,2周雪花1,2胡建軍1,2朱勝楠1,2荊艷艷1,2張全國1,2

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，鄭州 450002； 2.生物質(zhì)能源河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，鄭州 450002)

針對當(dāng)前生物質(zhì)燃燒爐灶熱效率低、火力強(qiáng)度達(dá)不到要求、供風(fēng)不充足燃燒不完全、功能單一等問題，依據(jù)集中供餐炊事對清潔生物質(zhì)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(zhì)顆粒直燃爐灶。運行性能試驗結(jié)果表明：該爐灶的炊事熱效率為42.9%，綜合熱效率達(dá)70.7%，炊事強(qiáng)度為14.1 kW，煙氣排放指標(biāo)低于國家標(biāo)準(zhǔn)，生物質(zhì)顆粒燃燒較為充分，可為以生物質(zhì)顆粒為燃料的集中供餐炊事爐灶的設(shè)計與應(yīng)用提供科學(xué)參考。

生物質(zhì)顆粒； 直燃爐灶； 設(shè)計； 試驗

引言

能源是經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會進(jìn)步的基礎(chǔ)，但由于常規(guī)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(fā)利用已迫在眉睫。生物質(zhì)能源作為一種可再生且環(huán)境友好的能源，受到廣泛關(guān)注。我國具有豐富的農(nóng)作物秸稈資源，2015年農(nóng)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(biāo)準(zhǔn)煤)，占可收集資源量的11.4%[1]。秸稈類生物質(zhì)具有揮發(fā)性高、碳活性高、灰分低、S含量低，在整個碳循環(huán)過程中CO2零排放等優(yōu)點，是一種優(yōu)質(zhì)清潔燃料。因此，將秸稈類生物質(zhì)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(xué)的方法將秸稈粘化，在高溫高壓下或加粘結(jié)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(jié)柴等工作，但通過對改造出的節(jié)柴灶和爐具燃燒過程進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其熱效率為20%左右，且由于供風(fēng)的不均性造成燃料的不完全燃燒以及煙氣排放不達(dá)標(biāo)，同時存在著功能的單一性，達(dá)不到多種炊事和供熱水以及供暖同時進(jìn)行[11-12]。市場上出現(xiàn)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(qiáng)度以及對爐灶的功能的要求。因此，本文擬設(shè)計一種既能滿足集體供餐需要、保證多項炊事同時進(jìn)行，還能夠兼顧供暖供熱水的生物質(zhì)顆粒爐灶，并對其運行性能進(jìn)行評估。

1 設(shè)計依據(jù)

1.1 生物質(zhì)顆粒燃料燃燒特性

生物質(zhì)爐灶的設(shè)計需要結(jié)合生物質(zhì)燃燒特性。生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)理的實質(zhì)屬于靜態(tài)滲透壓擴(kuò)散燃燒[13-14]，其燃燒過程可分為干燥脫水、揮發(fā)分析出燃燒、焦炭燃燒和燃盡4個階段[15-17]：①生物質(zhì)顆粒在燃燒爐膛內(nèi)，隨著溫度的升高，水分逐漸被蒸發(fā)。②燃燒室溫度上升到250℃左右時，揮發(fā)分析出，揮發(fā)物與氧氣結(jié)合，燃燒進(jìn)入過渡區(qū)與擴(kuò)散區(qū)。③滲透擴(kuò)散燃燒，焦炭的燃燒占主要地位，在顆粒表面進(jìn)行一氧化碳的燃燒，燃燒持續(xù)穩(wěn)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(jié)束[18-19]。試驗所用的玉米秸稈顆粒燃料粒徑5～15 mm，長度20～30 mm，密度800 kg/m3，工業(yè)分析和元素分析結(jié)果如表1所示。

1.2 生物質(zhì)顆粒燃料爐灶設(shè)計原則

由于大多數(shù)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(jù)生物質(zhì)顆粒燃料的燃燒基本特性，爐灶的設(shè)計需滿足以下原則：①點火容易，上火快，燃燒穩(wěn)定、完全，火力足，空氣能均勻流暢地進(jìn)入爐內(nèi)，不冒黑煙，能源利用效率高。②功能齊全，結(jié)構(gòu)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(wěn)定。

表1 生物質(zhì)顆粒燃料工業(yè)分析與元素分析Tab.1 Industrial and elemental analyses of biomass pellets

2 生物質(zhì)顆粒直燃爐灶設(shè)計

2.1 整體結(jié)構(gòu)

結(jié)合生物質(zhì)顆粒燃料的燃燒特性以及炊事的需要，設(shè)計的生物質(zhì)顆粒直燃爐灶結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由蒸發(fā)器、燃燒爐膛、一次和二次進(jìn)風(fēng)風(fēng)機(jī)、三次補(bǔ)風(fēng)機(jī)、觀火孔、二次裝料碳化倉等組成。

圖1 生物質(zhì)顆粒直燃爐灶結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Structural diagram of biomass multifunction stove1.鍋 2.蒸發(fā)器 3.聚火口 4.二號風(fēng)機(jī) 5.觀火孔 6.一次進(jìn)風(fēng)套 7.一號風(fēng)機(jī) 8.爐膛 9.輔料倉 10.一次進(jìn)風(fēng)套容置腔 11.抽屜式灰倉 12.內(nèi)爐膛 13.爐蓖 14.二次進(jìn)風(fēng)套 15.隔熱層 16.二次進(jìn)風(fēng)套容置腔 17.進(jìn)料口 18.進(jìn)水口 19.蒸汽出口 20.煙氣出口 21.轉(zhuǎn)動式水龍頭

該爐灶采用間歇進(jìn)料，燃料從聚火口以及輔料倉的進(jìn)料口進(jìn)料，輔料倉的設(shè)計是確保滿足炊事對燃料的需求，當(dāng)料倉的燃料不能滿足炊事需要時，可以通過輔料倉上的進(jìn)料口進(jìn)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(jìn)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(shè)有一號風(fēng)機(jī)(12 W)，可以通過調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)上的控制旋鈕，來實現(xiàn)一次風(fēng)和二次風(fēng)的大小以及配比；在出火口上方設(shè)置了觀火孔，觀察燃燒過程中供風(fēng)是否充足，并配有二號風(fēng)機(jī)(12 W)來實現(xiàn)三次供風(fēng)；在爐膛的上方設(shè)置了與鍋底部緊密接觸的支架式環(huán)形蒸發(fā)器，利用火焰以及煙氣對蒸發(fā)器加熱，水從下面的進(jìn)水口進(jìn)入蒸發(fā)器，蒸發(fā)器與爐灶外面的水位計相通，以確保進(jìn)水量適中，燃燒過程中產(chǎn)生的高溫蒸汽，從蒸發(fā)器上出口冒出，高溫蒸汽用來蒸飯、煮粥以及供熱水，實現(xiàn)了炒菜與蒸飯等同時進(jìn)行，縮短了炊事時間，在蒸汽出口處設(shè)有蒸汽壓力閥，當(dāng)壓力超過安全值，泄壓裝置自動泄壓。該設(shè)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(chǎn)品質(zhì)量和外觀的統(tǒng)一性。

2.2 爐膛設(shè)計

生物質(zhì)顆粒燃料的燃燒特性要求確保供風(fēng)的均勻性，故將爐膛的上下部分設(shè)計成錐形。爐膛的大小由爐膛的容積熱負(fù)荷決定，爐膛的容積熱負(fù)荷過大，則燃料在爐內(nèi)停留的時間短，燃燒不充分；反之，爐膛容積熱負(fù)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9 kg/h，爐灶的熱效率取0.65，爐灶的容積熱負(fù)荷一般在250～400 W/m3，本設(shè)計容積熱負(fù)荷取380 kW/m3[20]。

爐膛容積為

(1)

式中VL——爐膛容積，m3

m——爐具每小時燃料消耗量，取9 kg/h

ηL——爐具熱效率，取0.65

qmax——燃燒室最大容積熱負(fù)荷，取380 kW/m3

由式(1)計算出爐膛容積VL為0.07 m3，符合生物質(zhì)爐灶的爐膛容積范圍[20]。

由于上進(jìn)風(fēng)套體積小，可以把整個爐膛看成由下圓臺風(fēng)套和上部圓柱形的爐膛組成，根據(jù)

(2)

式中r——一次進(jìn)風(fēng)套下半徑，取8 cm

R——一次進(jìn)風(fēng)套上半徑，取25 cm

H——爐膛高度，取40 cm

h——一次進(jìn)風(fēng)套高度，cm

計算出一次進(jìn)風(fēng)套高度為19 cm。

2.3 進(jìn)風(fēng)套設(shè)計

針對大多數(shù)生物質(zhì)顆粒爐供風(fēng)不足與不均勻性的問題，設(shè)計了高度為19 cm, 上圓半徑為25 cm的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格錐面進(jìn)風(fēng)套，如圖2所示。

圖2 進(jìn)風(fēng)套結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structural diagram of air inlet sleeve1.進(jìn)風(fēng)孔 2.爐蓖

在同一水平面上，相隔相同的距離設(shè)有大小一致的進(jìn)風(fēng)孔，一次進(jìn)風(fēng)和二次進(jìn)風(fēng)處都設(shè)置錐形進(jìn)風(fēng)套，這樣風(fēng)以旋轉(zhuǎn)的方式通過進(jìn)風(fēng)孔進(jìn)入爐體內(nèi)，達(dá)到了每個進(jìn)風(fēng)孔通風(fēng)量的均勻，從而保證了燃料燃燒的均勻。一次風(fēng)與二次風(fēng)的供給是通過12 W的風(fēng)機(jī)來控制，它們之間的配比通過風(fēng)機(jī)上的調(diào)節(jié)旋鈕來控制。

2.4 吊火高度和聚火口設(shè)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(qū)正達(dá)鍋的底部為正合適，根據(jù)生物質(zhì)顆粒燃料的燃燒特性，一般小型生物質(zhì)爐的吊火高度在28～30 cm[21]，同時鍋的尺寸會對吊火高度產(chǎn)生影響，本設(shè)計爐膛高度取40 cm。由于選用燃料層燃的燃燒方式，會產(chǎn)生可燃性揮發(fā)性氣體，本爐灶專門設(shè)計了喇叭形的聚火口(Φ14 cm)，有利于聚集火焰，拔高了火苗的高度。

2.5 煙囪截面積計算

煙囪截面積為

(3)

式中F——煙囪截面積，m2

Ty——煙氣溫度，取200℃

Vy——每小時單位燃料煙氣量，取15 m3/kg

Wy——煙氣流速，取2 m/s

由式(3)計算可得F=0.032 m2，采用半徑為10 cm的白鐵皮煙囪。

2.6 煙囪高度的計算

煙囪高度為

(4)

式中h1——爐具吸風(fēng)壓(9～24 Pa)，取24 Pa

P——平均大氣壓，當(dāng)?shù)貙嶋H大氣壓力，取1.01×105Pa

t1——年平均溫度，取20℃

t2——煙囪煙氣平均溫度，取200℃[24]

由式(4)可計算出煙囪高度H1為4.5 m。

3 生物質(zhì)顆粒直燃爐灶性能試驗

3.1 試驗依據(jù)

依據(jù)文獻(xiàn)[22]對爐具的炊事熱效率進(jìn)行測試。爐具的煙氣排放檢測采用文獻(xiàn)[23]的方法計算。整體試驗數(shù)據(jù)采用在線儀表計量與現(xiàn)場計量。

3.2 試驗系統(tǒng)

采用的試驗裝置主要有爐灶主體(包括爐膛、蒸發(fā)器、煙道、風(fēng)道等)、溫度測試系統(tǒng)(包括溫度計和熱電偶)、煙氣分析儀等測試系統(tǒng)。圖3為測試樣機(jī)。

圖3 測試樣機(jī)Fig.3 Test prototype

3.3 試驗測試儀器

水桶2個，每個容量為0.01 m3；臺秤1臺，測量范圍0～10 kg；XK3190-A12E 型電子落地臺秤，精度10 g；時鐘1個，日差小于1 min；風(fēng)速儀，測量范圍0～10 m/s，精度為0.5 m/s；鎳鉻-鎳硅 K 型熱電偶，測溫范圍-200～1 200℃，KM Quintox 9106 型煙氣分析儀。

3.4 試驗條件和方法

試驗在室內(nèi)進(jìn)行，環(huán)境溫度為25℃左右；相對濕度小于85%；室內(nèi)風(fēng)速小于1.0 m/s；測試工質(zhì)為常溫水；試驗爐具遠(yuǎn)離其他熱源；燃料為玉米秸稈成型燃料；引燃物為干燥的棉花秸稈。每次試驗進(jìn)行3次，求其平均值。

炊事火力強(qiáng)度為

(5)

式中Pc——炊事火力強(qiáng)度，kW

G1——鍋內(nèi)初始水質(zhì)量，kg

G2——試驗結(jié)束時剩余水質(zhì)量，kg

t3、t4——鍋水初始溫度和沸騰溫度，℃

γ——平均蒸發(fā)溫度下鍋水汽化潛熱，kJ/kg

C——水的比熱容，取4.18 kJ/(kg·K)

T1——試驗時間，s

炊事熱效率為

(6)

式中ηc——炊事效率，%

B——生物質(zhì)燃料質(zhì)量，kg

Qnet.ar——生物質(zhì)燃料收到基低位發(fā)熱量,kJ/kg

B1——自然風(fēng)干引火柴質(zhì)量，kg

Qnet.ar1——自然風(fēng)干引火柴收到基低位發(fā)熱量,kJ/kg

綜合熱效率指爐灶輸出的所有有效熱與投入爐灶內(nèi)生物質(zhì)顆粒燃燒發(fā)熱量的百分比。綜合熱效率為

(7)

其中

Qy=4.18G3(t6-t5)+(G3-G4)γ

(8)

式中η——綜合熱效率，%

Qy——蒸發(fā)器熱利用量，kJ

G3——蒸發(fā)器水箱初始水質(zhì)量，kg

G4——試驗結(jié)束蒸發(fā)器水箱內(nèi)水剩余質(zhì)量，kg

t5、t6——蒸發(fā)器水箱內(nèi)水初始溫度和試驗結(jié)束后溫度，℃

3.5 結(jié)果與分析

生物質(zhì)顆粒爐灶的性能試驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 爐灶性能試驗數(shù)據(jù)Tab.2 Data of stove performance test

爐灶的熱性能和煙氣排放的試驗結(jié)果如表3所示，該生物質(zhì)顆粒直燃爐灶的炊事熱效率達(dá)到42.9%，高于一般家用顆粒炊事爐的效率[24-25]，環(huán)形蒸發(fā)器的設(shè)計有效地利用外圍火焰和煙氣所攜帶的熱量，提高了爐灶的綜合熱效率，達(dá)到70.7%，炊事火力強(qiáng)度14.1 kW,符合國家標(biāo)準(zhǔn)生物質(zhì)炊事爐灶的熱效率(≥35%)、炊事火力強(qiáng)度(≥10 kW)[26]的要求。排煙中SO2的平均質(zhì)量濃度為13.45 mg/m3，CO的平均體積分?jǐn)?shù)為0.087%，NO平均質(zhì)量濃度為103.27 mg/m3，NO2平均質(zhì)量濃度為4.11 mg/m3，格林曼黑度小于1。設(shè)計的直燃式顆粒爐灶的排放煙氣指標(biāo)均符合國家相關(guān)規(guī)定[23,26],具有較好的社會環(huán)境效益。

表3 爐灶熱性能和煙氣排放試驗結(jié)果Tab.3 Results of stove performance and flue gas emissions test

4 結(jié)論

(1)生物質(zhì)顆粒直燃爐灶的炊事熱效率為42.9%，綜合熱效率為70.7%，炊事火力強(qiáng)度為14.1 kW，符合生物質(zhì)炊事大灶的要求，能夠滿足集中供餐用能的需要。

(2)生物質(zhì)顆粒直燃爐灶的排煙中NO的平均質(zhì)量濃度為103.27 mg/m3,NO2的平均質(zhì)量濃度為4.11 mg/m3,CO的平均體積分?jǐn)?shù)為0.087%，SO2的平均質(zhì)量濃度為13.45 mg/m3，煙氣格林曼黑度小于1，均符合爐灶的相關(guān)規(guī)定，能夠?qū)崿F(xiàn)清潔燃燒。

1 楊華,劉石彩,趙佳平,等.生物質(zhì)棒狀成型燃料的物理特性研究[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報,2015,35(2):114-118.

YANG Hua, LIU Shicai, ZHAO Jiaping, et al.Study on physical properties of biomass rod-shaped molding fuel[J].Journal of Central South University of Forestry & Technology,2015,35(2):114-118.(in Chinese)

2 姚宗路,吳同杰,趙立欣,等.生物質(zhì)成型燃料燃燒揮發(fā)性有機(jī)物排放特性試驗[J/OL].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報,2015,46(10):235-240.http:∥www.jcsam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20151031&flag=1.DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2015.10.031.

YAO Zonglu, WU Tongjie, ZHAO Lixin, et al.Emission characteristic of VOCs from biomass emission characteristic of VOCs from biomass molding fuel combustion[J/OL].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2015,46(10):235-240.(in Chinese)

3 馬常耕,蘇曉華.生物質(zhì)能源概述[J].世界林業(yè)研究,2005,18(6):32-38.

MA Changgeng, SU Xiaohua.The review on issues of biomass quality energy[J].World Forestry Research, 2005,18(6):32-38.(in Chinese)

4 劉圣勇,王小二,王森.不同形態(tài)生物質(zhì)燃燒技術(shù)現(xiàn)狀與展望[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù):新能源產(chǎn)業(yè),2007(4):23-28.

LIU Shengyong, WANG Xiao’er, WANG Sen.Current situation and prospect of combustion technologies for different form sofbiomass[J].Agricultural Engineering Technology :New Energy Industry,2007(4):23-28.(in Chinese)

5 徐亞云,田宜水,趙立欣,等.不同農(nóng)作物秸稈收儲運模式成本和能耗比較[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2014,30(20):259-267.

XU Yayun, TIAN Yishui, ZHAO Lixin, et al.Comparation on cost and energy consumption with different straw’s collection-store-transportation modes [J].Transactions of CSAE,2014, 30(20):259-267.(in Chinese)

6 陳樹人,段建,姚勇,等.環(huán)模式成型機(jī)壓縮水稻稈成型工藝參數(shù)優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2013,29(22):32-41.

CHEN Shuren, DUAN Jian, YAO Yong, et al.Optimization of technique parameters of annular mould briquetting machine for straw briquette compressing[J].Transactions of the CSAE, 2013, 29(22):32-41.(in Chinese)

7 徐廣印,沈勝強(qiáng),胡建軍,等.秸稈冷態(tài)壓縮成型微觀結(jié)構(gòu)變化的實驗研究[J].太陽能學(xué)報,2010,31(3):273-278.

XU Guangyin, SHEN Shengqiang, HU Jianjun, et al.Experimental study on the microstructure changes of cold molding with straw[J].Acta Energiae Solaris Sinica, 2010,31(3):273-278.(in Chinese)

8 朱金陵,王志偉,師新廣,等.玉米秸稈成型燃料生命周期評價[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2016,32(6):262-266.

ZHU Jinling, WANG Zhiwei, SHI Xinguang, et al.Life cycle assessment of corn straw pellet fuel[J].Transactions of the CSAE, 2016,32(6):262-266.(in Chinese)

9 孫啟新,陳書法,董玉平.秸稈類生物質(zhì)成型熱黏塑性本構(gòu)模型構(gòu)建[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2015,31(8):221-226.

SUN Qixin, CHEN Shufa, DONG Yuping.Establishment of thermo viscoplastic constitutive model for straw biomass briquetting[J].Transactions of the CSAE, 2015, 31(8):221-226 (in Chinese)

10 寧鵬輝.環(huán)模式秸稈壓塊機(jī)致密成型機(jī)理研究[D].石家莊:河北科技大學(xué),2011.

NING Penghui.Study on solidification mechanism of circular mould briquetting machine[D].Shijiazhuang: Hebei University of Science & Technology,2011.(in Chinese)

11 陳曉夫,張偉豪,劉廣青,等.我國戶用生物質(zhì)爐灶的發(fā)展和應(yīng)用[J].可再生能源,2010,28(2):118-122.

CHEN Xiaofu, ZHANG Weihao, LIU Guangqing, et al.The development of household biomass stovein in China[J].Renewable Energy Resources,2010,28(2):118-122.(in Chinese)

12 張偉豪,陳曉夫,劉曉英,等.中國生物質(zhì)爐灶技術(shù)和應(yīng)用進(jìn)展[J].化工進(jìn)展,2009,28(增刊):516-520.

ZHANG Weihao, CHEN Xiaofu, LIU Xiaoying, et al.Advances in technology and application of biomass stoves in China [J].Chemical Industry and Engineering Progress,2009,28(Supp.):516-520.(in Chinese)

13 閔海飛，張明旭.生物質(zhì)燃燒模式及燃燒特性的研究[J].煤炭學(xué)報,2005,30(1):104-108.

MIN Haifei, ZHANG Mingxu.Study on combustion model and combustibility of biomass[J].Journal of China Coal Society, 2005,30(1):104-108.(in Chinese)

14 劉敏敏.生物質(zhì)成型燃料炊事爐的設(shè)計與研究[D].哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué),2008.

LIU Minmin.Design and research for home-furnace of biomass briquette fuel[D].Harbin: Northeast Forestry University,2008.(in Chinese)

15 王翠萍,李定凱,王鳳印,等.生物質(zhì)成型顆粒燃料燃燒特性的試驗研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2006,22(10):175-177.

WANG Cuiping, LI Dingkai,Wang Fengyin, et al.Experimental study on the combustion characteristics of biomass pellets[J].Transactions of the CSAE, 2006,22(10):175-177.(in Chinese)

16 劉圣勇,張百良,楊群發(fā),等.雙層爐排生物質(zhì)成型燃料鍋爐設(shè)計與研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2003,19(6):268-271.

LIU Shengyong, ZHANG Bailiang,YANG Qunfa, et al.Design and study of biomass briquette boiler[J].Transactions of the CSAE, 2003,19(6):268-271.(in Chinese)

17 趙廷林,侯中蘭,陳夫進(jìn),等.生物質(zhì)成型燃料爐具[J].可再生能源,2006(3):66-67.

ZHAO Tinglin, HOU Zhonglan, CHEN Fujin,et al.Biomass pellet fueled stove[J].Renewable Energy, 2006(3):66-67.(in Chinese)

18 張全國.燃燒學(xué)[M].北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2015.

19 馬孝琴,李剛.小型燃煤鍋爐改造成秸稈成型燃料鍋爐的前景分析[J].農(nóng)村能源,2001(5):20-22.

MA Xiaoqin, LI Gang.Prospect analyse of reforming small-scall coal boiler to straw forming fuel boiler[J].Rural Energy,2001(5):20-22.(in Chinese)

20 舒?zhèn)?高效生物質(zhì)成型燃料炊事爐設(shè)計與試驗[D].鄭州：河南農(nóng)業(yè)大學(xué),2007.

SHU Wei.Study of high efficient biomass briquette fuel cookstove[D].Zhengzhou: Henan Agricultural University,2007.(in Chinese)

21 中國農(nóng)村能源行業(yè)協(xié)會.省柴節(jié)煤爐灶炕實用技術(shù)一點通[M].北京：科學(xué)出版社,2011.

22 NB/T 34014—2013 生物質(zhì)炊事大灶試驗方法[S].2013.

23 GB13271—2014 鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的計算方法[S].2014.

24 譚文英, 許勇, 王述洋,等.生物質(zhì)燃料多功能爐設(shè)計與性能測試[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2013, 29(15):10-17.

TAN Wenying, XU Yong, WANG Shuyang, et al.Design and performance test of multi-function stove for biomass fuel[J].Transactions of the CSAE, 2013, 29(15):10-17.(in Chinese)

25 石毅新,蔣蘋,彭才望.小型生物質(zhì)直燃爐結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].時代農(nóng)機(jī), 2015(1):25-27.

SHI Yixin, JIANG Pin, PENG Caiwang.A research on structure design of small biomass direct-fired stove[J].Hunan Agricultural Machinery, 2015(1):25-27.(in Chinese)

26 NB/T 34015—2013 生物質(zhì)炊事大灶通用技術(shù)條件[S].2013.

DesignandTestofDirect-firedStoveUsingBiomassPelletFuel

LI Yameng1,2ZHOU Xuehua1,2HU Jianjun1,2ZHU Shengnan1,2JING Yanyan1,2ZHANG Quanguo1,2

(1.CollegeofMechanicalandElectricalEngineering，HenanAgriculturalUniversity,Zhengzhou450002,China2.CollaborativeInnovationCenterofBiomassEnergyofHenanProvince,Zhengzhou450002,China)

Several issues existing in the biomass stoves, such as low thermal efficiency, substandard fire intensity, insufficient air supply, uncomplete combustion, substandard emission and unitary function.According to the requirement about the environmental cooking stoves with biomass pellet fuel for centralized food catering, a novel direct-fired cooking stove with biomass pellet fuel was designed to solve the mentioned shortcomings.An annular evaporator was installed above the furnace, the water inside the evaporator was heated by the peripheral flame and flue gas, and high temperature steam produced from evaporator was assigned to different routes to achieve the direct-fired cooking stove combined functions of stir-fry, steamed rice, boil water and thermaling.Meanwhile, in order to ensure the uniformity of air intake，a grid shaped air inlet sleeve was designed, the wind was blown into the furnace in a rotating form.Moreover, all the integrated functions can run simultaneously.According to the national standard NB/T 34015—2013, the direct-fired stove was tested.The performance test results of the redesigned cooking stove showed that the thermal efficiency for cooking reached 42.9%, and the integrated thermal efficiency was 70.7% combined with the thermal used for heating water.The fire intensity for cooking was 14.1 kW, and emission indexes of flue gas was lower than the national standard.The novel design of the cooking stoves with biomass pellet fuel realized the complete combustion of biomass particles, which can provide reference for the design and application of direct-fired pellet stove.

biomass pellet; direct-fired stove; design; test

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.10.035

S216.2

A

1000-1298(2017)10-0280-06

2017-06-14

2017-08-16

國家自然科學(xué)基金項目(51676065)、國家自然科學(xué)基金聯(lián)合基金項目(U1504509)和教育部博士點基金新能源優(yōu)先領(lǐng)域項目(20134105130001)

李亞猛(1988—)，男，博士生，主要從事可再生能源工程研究，E-mail: 874750357@qq.com

張全國(1958—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事可再生能源工程研究，E-mail: zquanguo@163.com