孔永平，李法香，張環(huán)平，張 良，陳榮霞

（1.鄭州星創(chuàng)能源科技有限公司，鄭州 450000；2.河南隆正生物能源有限公司，河南濟源 459000）

國家“十四五”規(guī)劃綱要提出：中國的能源安全更具風險敞口的特點，要加大節(jié)能力度和優(yōu)化能源結構，重點提高清潔能源比重，降低能源對外依存度，提高能源自主安全保障能力［1-3］.甲醇分子中含氧量超50%［4-5］，燃燒速度快，自身含氧助燃，燃燒徹底［6-8］，可有效提高燃燒熱效率，同時又因為甲醇H/C比值大，不含N和S，其CO、NOx、SOx等污染物排放量相較于傳統(tǒng)石化能源有顯著降低，使得甲醇作為石油替代燃料的優(yōu)勢日漸突出［9-13］.

甲醇燃料是以甲醇為主要原料，在添加劑的作用下，與現(xiàn)有國標汽柴油按照特定的科學工藝和配方制作成的一種新型混合燃料［14-17］.由于甲醇來源廣泛、清潔環(huán)保、熱效率高［18-20］，并可大幅度替代石化能源，甲醇燃料成為國內(nèi)外廣大專家學者的研究和探索分析的熱點［21］.Kathri等［22］對甲醇在柴油機上的燃燒特性進行研究分析，研究結果表明甲醇的燃燒溫度和燃燒速度高于柴油.莊遠［23］通過同步輻射和壓燃定容燃燒彈等表征對醇類燃料的燃燒特性進行了分析研究，結果表明隨著當量比的增加甲醇燃料廢氣排放量增多；乙醇可有效抑制炔烴的低溫裂解反應.甲醇和乙醇的混合氣體提高了燃料的燃燒效率.賈偉藝［24］對車用油品和鍋爐用甲醇燃料的綜合性能進行了對比分析，結果表明甲醇汽油在經(jīng)濟、動力、環(huán)保等方面性能優(yōu)于92#汽油；供暖系統(tǒng)中，甲醇燃料與天然氣在經(jīng)濟性方面基本持平.熊燕［25］針對醇基燃料實地應用過程中出現(xiàn)的一系列問題，自主設計了高效節(jié)能噴嘴，并通過Fluent軟件和試驗相結合的方法分析探討了醇基燃料的燃燒特性，在霧化角40°、油滴粒徑40～130 um、進氣速度10 m/s的最優(yōu)霧化條件下，燃料的燃燒效果最佳；醇基燃料中醇含量的增大，可降低尾氣和顆粒物的排放，同時提高燃燒效率.

作為一種環(huán)保型的清潔能源，甲醇燃料可廣泛應用在車用機械、鍋爐灶具方面［26-28］.眾多科研機構和企業(yè)對甲醇燃料的技術創(chuàng)新和應用拓展進行了大量的研究開發(fā)工作，然而其作為燃料直接用于餐飲業(yè)的燃燒方面尚未有大量學者進行研究［29-31］.

鑒于此，本文以餐飲業(yè)廚用灶具為模型，對不同甲醇含量的甲醇燃料在灶爐上的應用情況進行試驗研究，重點分析五種燃料的過量空氣系數(shù)、燃燒熱效率、污染物排放特性和燃料消耗量與甲醇含量的關系，以此來進一步地了解甲醇燃料的燃燒性能，以提高其應用水平.

1 試驗內(nèi)容及方案

燃燒試驗采用的是商用節(jié)能猛火灶，其中：爐頭直徑31 cm，額定熱負荷20 kW，適用氣壓2000～2800 Pa.

商用節(jié)能猛火灶采用完全預混式燃燒，即燃料和空氣在燃燒前進行充分混合.其主要工作原理：空氣經(jīng)煙氣余熱換熱器變?yōu)闊峥諝夂?，通過送風機由空氣管道進入燃料-空氣預混器，甲醇燃料被高速噴入預混器與助燃空氣形成混合燃料.混合燃料經(jīng)過節(jié)能灶頭尾部旋流器完成二次混合后由旋流孔噴出，并使二次混合燃料高速旋流燃燒.煙氣余熱換熱器吸收燃料的煙氣余熱，再次傳遞給低溫助燃空氣，進而提高灶具熱效率.

試驗共設計五種燃料：1#甲醇（甲醇體積分數(shù)100%），2#甲醇燃料（甲醇體積分數(shù)95%，0#柴油體積分數(shù)5%），3#甲醇燃料（甲醇體積分數(shù)90%，0#柴油體積分數(shù)10%），4#甲醇燃料（甲醇體積分數(shù)85%，0#柴油體積分數(shù)15%），5#甲醇燃料（甲醇體積分數(shù)80%，0#柴油體積分數(shù)20%）.

試驗項目包括有：過量空氣系數(shù)測定，燃料熱效率試驗對比分析，燃料燃燒污染物排放測試分析（包括SOx、NOx、CO、PM），燃料消耗量對比分析；試驗項目所需儀器設備包括：熱電偶、煙塵測試儀、煙氣分析儀、電子秤和流量計等.

2 試驗結果與分析

2.1 過量空氣系數(shù)試驗

本次試驗所用灶具共計有五大流量檔位，以火焰內(nèi)焰剛好接觸鍋底部為最小流量檔位（一檔），以火焰剛好包住鍋體為最大流量檔位（五檔）.進行排放試驗前，先用氣體分析儀對五種燃料在不同檔位下的過量空氣系數(shù)進行了試驗測定，測試數(shù)據(jù)如表1和圖1所示.

圖1 五種燃料在不同檔位下的過量空氣系數(shù)曲線Fig.1 Excess air coefficient curves of five fuels in different gears

由表1可知，過量空氣系數(shù)隨著檔位增大而不斷下降.同檔位下，1#甲醇燃料的過量空氣系數(shù)高于其他四種原料，這是由于甲醇本身富氧，燃料過程中需氧量小.同時甲醇的富氧和低碳也益于甲醇燃料的徹底燃燒，其作為能源燃料具有很大的優(yōu)勢.

表1 五種燃料在不同檔位下的過量空氣系數(shù)測試結果Tab.1 Excess air coefficient test results of five fuels in different gears

2.2 熱效率試驗

試驗選取一定量的初始溫度為（25±5）℃的水，將其加熱至90℃，通過下列公式計算熱效率：

式中：η為燃燒器的熱效率；m為水的質量，單位kg；C為水的比熱容（取4.186），單位kJ/kg；ΔT為加熱前后水的溫度變化值，單位℃；QC為甲醇燃料的低熱值（甲醇20.26，柴油42.5），單位kJ/kg；Δq為甲醇燃料的消耗量，單位kg.

熱效率試驗的測試數(shù)據(jù)見表2和圖2.

試驗在五個不同的檔位下進行，甲醇燃料經(jīng)預熱、汽化后以氣體狀態(tài)開始燃燒.由表2和圖2可知，由于甲醇本來含氧量高，所以燃燒得更加充分徹底，有效地提高了甲醇燃料的熱效率.甲醇燃料隨著檔位的提高，其熱效率呈先上升后下降趨勢.這是因為，灶具的檔位越高，送風量越大，氣體狀態(tài)的甲醇燃料與助燃氣體的混合效果會隨著送風量的增加而得到增強，有利于甲醇燃料的完全燃燒.但是送風量繼續(xù)增大，會降低爐灶內(nèi)部溫度，導致燃料燃燒不充分，使得熱效率下降；另外，送風量過大會產(chǎn)生大量煙氣，進而增加排煙所帶走的熱量，加大熱損失，使得燃料的熱效率進一步降低.因此，只有在保證燃料能夠充分燃燒的前提下，盡可能降低其過量空氣系數(shù)，才能達到節(jié)能的目的.本試驗中，甲醇燃料在灶具的三檔時熱效率最佳，五種燃料的熱效率均達到50%以上，遠優(yōu)于傳統(tǒng)灶具的使用.

圖2 五種燃料的熱效率變化趨勢Fig.2 Thermal efficiency trends of five fuels

表2 五種燃料的熱效率測試結果Tab.2 Thermal efficiency test results of five fuels單位：%

2.3 污染物排放試驗

甲醇燃料不完全燃燒會產(chǎn)生多種污染物，其中有害組分主要包括CO、NOx、SOx及顆粒物等.本試驗包括SOx、NOx、CO及顆粒物排放試驗四項.

2.3.1 SOx排放試驗 甲醇分子式CH3O，本身不含S元素，在燃燒過程中基本沒有SOx的排放，所以1#樣品在燃燒過程中未檢測到SOx.然而隨著甲醇含量的降低，甲醇燃料的SOx排放量增加，這是因為甲醇燃料中石化燃料的增加產(chǎn)生的，石化燃料中所含有的硫成分在燃燒過程中生成SOx.由此可見，甲醇燃料替代石化能源更加清潔環(huán)保（如表3和圖3）.

圖3 不同檔位下五種燃料的SOx排放曲線Fig.3 SOx emission curves of five fuels in different gears

表3 五種燃料的SOx排放測試數(shù)據(jù)（體積分數(shù)）Tab.3 SOx emission test data of five fuels單位：%

2.3.2 NOx排放試驗 隨著檔位增加，甲醇燃料與空氣混合后的混合燃料濃度變大，五種燃料的NOx排放量均呈現(xiàn)先下降后平緩的趨勢，且五種燃料的NOx排放量在四檔時達到平穩(wěn).由表4和圖4可得，1#甲醇燃料中的甲醇可降低NOx的排放.

圖4 不同檔位下五種燃料的NOx排放曲線Fig.4 NOx emission curves of five fuels in different gears

表4 五種燃料的NOx排放測試數(shù)據(jù)（體積分數(shù)）Tab.4 NOx emission test data of five fuels單位：%

2.3.3 CO排放試驗 由試驗結果可見，隨著檔位增加，五種燃料的CO排放濃度呈現(xiàn)上升趨勢.低檔位下，1#甲醇燃料的過量空氣系數(shù)充足，燃料燃燒完全，燃燒過程中產(chǎn)生的CO量極小.隨著檔位的增加，燃料的流量增加，過量空氣系數(shù)下降，助燃空氣不足，甲醇燃料不完全燃燒加劇，CO產(chǎn)物增多（如表5和圖5）.

圖5 不同檔位下五種燃料的CO排放曲線Fig.5 CO emission curves of five fuels in different gears

表5 五種燃料的CO排放測試數(shù)據(jù)（體積分數(shù)）Tab.5 CO emission test data of five fuels單位：%

2.3.4 顆粒物排放試驗 通風口側20 cm處作為顆粒物排放試驗的采樣位置，測試數(shù)據(jù)如表6和圖6所示.

圖6 不同檔位下五種燃料的顆粒物排放曲線Fig.6 Particulate matter emission curves of five fuels in different gears

表6 五種燃料的顆粒物排放測試數(shù)據(jù)Tab.6 Particulate matter emission test data of five fuels單位：mg·m-3

由表6和圖6可知，甲醇含量越高，燃燒越充分，顆粒物排放越低.5#甲醇燃料的顆粒物排放濃度高于其他四種燃料，這是由于在燃燒過程中，石化燃料一旦供氧不足馬上會發(fā)生碳氫化合物的斷鏈、析氫和析碳反應，而析碳是煙氣顆粒物中的一個主要組分，所以燃燒后顆粒物排放濃度較高；而1#甲醇燃料只含有甲醇，其組成只有一個碳原子，即使會析碳也很少，所以純甲醇的顆粒物排放濃度較低；另外，在燃燒過程中，甲醇分子中的氧起到自供作用，使燃料燃燒更徹底，進而降低顆粒物的排放濃度.綜合比較五種燃料的顆粒物排放濃度，可明顯看出甲醇燃料比0#柴油更加環(huán)保.

2.4 燃料消耗量試驗

試驗測試了五種燃料在不同檔位下的消耗量，測試數(shù)據(jù)如表7和圖7所示.

表7 五種燃料的燃料消耗量測試數(shù)據(jù)Tab.7 Fuel consumption test data of five fuels單位：kg·h-1

圖7 不同檔位下五種燃料的燃料消耗量變化趨勢Fig.7 Variation Trends of fuel consumption of five fuels in different gears

隨著檔位的增大，五種燃料的消耗量呈現(xiàn)上升趨勢.由表7和是圖7可知，5#甲醇燃料的消耗量最低，1#消耗量最高.從燃料熱值分析，甲醇20.26 kJ/kg，柴油42.5 kJ/kg.二檔條件下，1#甲醇燃料消耗量1.83 kg/h，單位時間產(chǎn)生熱值37.08 kJ；5#甲醇燃料消耗量1.11 kg/h，單位時間產(chǎn)生熱值27.43 kJ.因此，1#甲醇燃料較5#甲醇燃料單位時間熱值高35%.

3 結論

1）甲醇燃料應用到商用節(jié)能灶具上的熱效率高達50%以上，遠高于傳統(tǒng)的灶具.

2）2#甲醇燃料在灶具二檔條件下，熱效率達到70%.

3）甲醇燃料在灶具二檔條件下，甲醇含量提高20%，污染物排放可有效降低60%，單位時間熱值提高35%.

綜合對比分析可得，甲醇燃料具有熱效率高、污染物排放少、單位時間熱值高等優(yōu)勢，其在廚灶市場具有很大的市場前景.