生物質戶用炊事爐具技術研究

周伯瑜

摘要：根據生物質燃燒特點，研究生物質高效清潔燃燒技術，開發出了與生物質成型燃料配套的戶用炊事爐具。爐具采用上吸式氣化技術(逆流式氣化)，氣化產物直接燃燒。做到了結構簡單、操作方便、成本低廉、熱效率高、炊事火力強，污染排放量能達到北京市環保標準。為在廣大農村推廣使用創造了條件。

關鍵詞：戶用炊事爐：氣化燃燒；機理；環保；節能

0前言

生物質燃料是公認的可再生能源，也是人類利用最早、最多、最直接的一種傳統能源。如何妥善處理農村秸稈問題，已成為解決環境污染，提高農民生活質量的重要課題。本課題屬北京市農業科技項目，目的是對生物質成型設備和燃燒技術進行研究，以解決北京市農村地區生物質成型燃料及戶用炊事爐具的技術瓶頸。2009年5月15日，北京市農村工作委員會組織專家對項目進行了驗收。對生物質戶用炊事爐的評價是：研發的生物質爐具成本低、效率高、結構合理，可在京效廣大農村地區推廣使用。項目通過大量研究與調研，結合實際工作所提出的農村生物質炊事用能模式，具有創新和實用性。

適合農村特點的物質戶用炊事爐的推廣，會促進農村秸稈能源利用的步伐，促進農村生態環境保護，促進農村經濟可持續發展。

1生物質炊事爐(鼓風)燃燒機理

采用上吸式氣化技術(逆流式氣化)，空氣經一次風從灰室的爐柵處吸入，從下向上通過燃燒層，燃料從爐口頂部一次加入爐膛，亦可邊燃燒邊添料。在爐膛內沿氣化高度，生物質氣化過程主要分為三層：即熱分解層、還原層、氧化層。各層次沿空間分布，沒有明顯層次劃分的瞬時現象。劃分成層帶是為了更清楚的從理論上說明問題。(見右圖)

熱分解層：生物質燃料在氣化爐上部被干燥，干燥好的原料與氣化爐下部來的熱氣體作用進入燃料的熱分解過程。生物質受熱分解成三部分：即可燃氣體CO、H₂、CH₄和CO₂等，還包括焦油、水蒸汽和固定碳三部分。生物質的熱解是整個氣化過程中的關鍵部分。生物質燃料中的揮發份高，在較低的溫度下就可釋放出70％的揮發份。

溫度是完成熱分解的關鍵，溫度高所完成熱分解的時間短，在400～800℃范圍內，升高溫度有利氣化過程。

還原層：二氧化碳還原的化學反應

CO₂+C=2CO+161677KJ

這個反應是向右進行，是吸熱反應。所以溫度愈高，CO₂的還原愈徹底，CO的形成會愈多。有效的CO₂還原溫度是在800℃以上，溫度增加有利于進行還原反應。

氧化層：當生物質的熱分解完成后，生物質中的揮發份生成可燃氣體，剩下的是生物質中的固定碳。固定碳要轉化為燃氣，需要氣化劑(主是是空氣)和高溫，在空氣的配合下，當溫度達到1200℃以上時會產生大量的CO₂，同時放出大量的熱量。

反應式為：C+O₂=CO₂－408567KJ

同時，還有一部分碳，由于供氧不足，會形成CO并放出熱量：

2C+O₂：2CO—246270KJ

這些熱量是推動整個氣化過程的必需條件。

2生物質炊事爐的設計思想

當我們采用上吸式氣化技術思想來設計爐具時，首先我們要考慮它的優、缺點。優點是結構簡單、操作方便。缺點是上吸式氣化方式比下吸式氣化方式產生的焦油要多，在離開氣化器前沒有發生分解，在此情況下約20％～40％的能量存在于焦油中，不但能量利用低，還會造成環境污染，更有甚者會堵塞管孔，使燃氣不能燃燒。在分體式的生物質氣化爐的研究和推廣中，遇見的就是這個問題。

解決辦法是使生物質氣化和燃燒一體化，在爐口上讓氣化產物不做任何處理進行直接燃燒。不冷卻、不除焦油、不過濾、不洗滌、不除塵，叫簡易氣化，也叫半氣化。這種處理方法既經濟又環保。在生物質炊事爐燃氣的出口，直接配上二次風，熱燃氣在爐口燃燒既節能又可使焦油燃燒掉。我們的第I型生物質炊事爐就是采用的這種方式，但由于沒有采用風機配合，特別是氧化層燃燒，如前所述，它需要1200℃以上高溫和大量的氣化劑(空氣)。沒有鼓風就很難使氧化層完全燃燒，氧化層的熱量大部分被損失了。實際上是因為固定碳未能氣化燃燒，熱效率只能排徊在35％左右。

我們在生物質炊事爐上加裝微型風機后，實現了爐溫和進風量可控，一、二次風可自由調節。在各個燃燒時段進行不同的配風，實現了固定碳的氣化，對燃燒熱效率的提高具有突破意義。

傳統意義上的氣化爐是連續不斷加料的，各個燃燒層帶的反應是同時進行的，不會出現很大的變化。生物質是一次向爐膛添滿料。微開一次風，然后從爐口點火。爐膛燒熱后開啟二次風。爐口進入正常的氣化燃燒后，氣化進入熱分解為主的第一階段：即揮發份燃燒階段。分解溫度只要求400℃以上。此時可關閉或微啟一次風。全開二次風，生物質就能正常的進行氣化燃燒。此時若全開一次風，可使氣化過程激烈化，造成熱量過剩而帶來的損失。當秸稈顆粒的揮發份逐漸減少，進入氣化的第二階段：即固定碳的氧化層的氣化階段。我們知道氧化層的氣化燃燒需要1200℃以上的高溫和足夠的氣化劑(一次風)，此時要因勢利導，逐步開大一次風，關小二次風，使氣化反應繼續順利進行。第二階段的氣化很重要，一般以為生物質揮發份氣化后就完成了整個氣化過程。實際上后面還有一個殘留固定碳氣化高峰，掌握不住這一點，熱效率要損失10％～15％。實驗表明：合理的操作能使熱效率提高10％以上，使燃燒效率大于92％，使過剩空氣系數、CO、NOx等的排放量都能達到理想結果。

3生物質炊事爐(鼓風)的研制

在講述燃燒機理時，我們已經討論了生物質氣化炊事爐怎樣把生物質中的熱量最大限度釋放出來。當熱能最大限度的釋放后，我們必須進一步研究如何使釋放出來的熱量得到充分利用。

實際上，生物質能在氣化炊事爐中不可能完全燃燒，燃燒后釋放出來的熱量也不可能完全得到利用。也就是說釋放出來的熱量只有一部分被利用，其余部分損失了。問題是在生物質氣化炊事爐的研制中，我們要盡可能的減少熱損失，目的還是為了提高熱能的利用率。

在測算爐具熱效率的反平衡中，其實我們爐具的熱效率T1=100-(Q₂+Q₃+Q₄+Q₅+Q₆)。Q₂至Q₆就是爐具各項熱損失，如果我們能使各項熱損失降到最小，實際上就提高了爐具的熱效率(T1)。

現在我們一項項來研究如何降低各項熱損失：

排煙熱損失Q₂：生物質在爐具中燃燒時，煙氣離

開爐口的溫度很高，就是說燃料輸入的熱量的一部分被煙氣帶走。我們在爐具設計中。為了減少排煙損失，采取了兩方面的措施。一是擴大熱煙氣與炊具的受熱面，一般的爐具，火焰只經過鍋底，煙囪就把熱煙氣帶走了。現在我們的爐口上設置了圍火墻(見圖一)，火焰不光要經過鍋底，還要繞行經過鍋壁，充分換熱后，經導熱槽下行，煙氣才能進入煙囪。二是要控制過剩空氣系數，過量的空氣進入爐內，不但不能助燃，而且把熱量帶走。我們的爐具測試結果表明，過剩空氣系數為1.71，排煙溫度88℃，證明很好的降低了排煙損失。

化學不完全燃燒損失Q₃：在生物質的燃燒反應中，完全燃燒后主要產生CO₂、水蒸汽及灰渣。但在空氣不足、碳與空氣混合不均、爐膛溫度不夠等情況下，生物質不能完全燃燒，煙氣中會產生CO等可燃氣體，它們仍可燃燒并放出熱量。如果這部分可燃氣體隨煙氣帶走，就會造成化學不完全燃燒損失。化學不完全燃燒損失等于煙氣中的可燃氣體與它們體積發熱量的乘積之和。從檢測的結果中可以看到我們爐具煙氣中的CO的含量僅為0.04％，證明氣化燃燒調整得很好，化學不完全燃燒損失小。

機械不完全燃燒損失Q₄：由于生物質燃料中含揮發份高且著火點低，易于燒透，沒有采取特殊的技術手段。

散熱損失Q₅：爐具表面的散熱損失是指爐體和鍋具向四周環境中散失的熱量。兩個相互接觸的物體如有溫度差，必定存在著熱傳導現象，熱量總是自發的從高溫物體傳遞給低溫物體。特別是在爐膛高溫燃燒區，由于內外溫差大，熱傳導更為厲害。這一區域保溫不好的爐具，熱損失大，熱效率低。我們根據爐體爐溫的不同，對爐具進行分段保溫，保溫材料、保溫厚度都有區別，目的是要盡量減少散熱損失。

爐體吸熱(蓄熱)損失Q₆：由于爐具的燃燒過程是個非穩態過程，特別是生物質炊事爐，做一次飯點一次爐，點爐時生物質燃燒放出的熱量首先要傳給爐體，使爐體的溫度逐漸升高，最后到穩態。爐具從啟動到穩態所吸收的熱量稱之為爐體吸熱損失，又稱爐體蓄熱損失。此項損失一般較大，它的大小取決于爐體的結構、材質、重量、大小。特別是爐具的爐膛，一般做得很厚、很重。燃料在爐膛中燃燒，爐膛首先要吸收大量的熱量，爐膛燒紅后，才能上火，除了造成爐具的吸熱損失大外，還影響上火速度。為此，我們為生物質炊事爐研制了一種質輕、壁薄的爐膛，壁厚僅5mm(一般為30mm)，目的是提高上火速度和減少吸熱損失。且我們將整個爐具的重量控制在十公斤的范圍內，一方面降低了成本，同時又減少吸熱損失。

總之，我們圍繞減少各項熱損失著手，將損失降到最低，實質是提高熱效率。熱效率我們由最初的30％提高到40％，再提高到50％。目前處于國內領先水平。

4生物質炊事爐(鼓風)的制作與成本

為了降低爐具的生產成本，使農民買得起，我們選擇的生產工藝為：爐具設計為圓型，借鑒圓桶機械化生產的經驗，采用薄鋼板脹壓成型，為了增強薄鋼板的強度和防止鋼板氧化，對爐桶采用搪瓷工藝。

爐膛制作：爐膛要經受1200℃以上高溫，必須使用耐火材料制作，目前使用的耐火材料若要制作這種爐膛，厚度至少為30mm，缺點是這么厚的爐膛，爐膛吸收的熱量會很大。做一餐飯如果使用一公斤生物質秸稈，熱量僅14000KJ/kq左右，爐膛吸熱量會占到10％左右，這種熱損失很可惜。另外，爐膛太厚，擠壓了保溫層，使保溫效果下降。我們研制了獨特的薄壁爐膛，厚度僅5mm，為原厚度的六分之一，爐膛的吸熱損失跟著下降六分之五。

保溫材料的選擇：散裝的膨脹珍珠巖的耐火度高，保溫性能好。且價格便宜，是很好的保溫材料。但由于它質輕，體積小，有一個小孔就能不斷的泄漏出來，必須密封好，不使其泄漏。主要是爐膛不能破損，因此我們研制了新型爐膛，可以大膽的用散裝膨脹珍珠巖保溫。提高了保溫效果，降低了保溫成本。

生物質炊事爐的成本：為了保證生物質炊事爐使用的安全，風機功率為3W，加裝小型變壓器，使電源變為12V直流電，成本為23元。爐體總重12kg，其余鋼材、搪瓷、爐膛、保溫材料等70余元，共計成本約100元/臺。是目前生物質炊事爐400元/臺的四分之一。要使農民不僅感到好用，還要用得起。

5生物質炊事爐(鼓風)操作使用

使用燃料：各種生物質成型顆粒燃料。C8、C12的顆粒為最佳。玉米芯、小木塊、樹枝削片等亦能使用。因生物質燃料的灰熔點普遍偏低，燃燒后有些燃料(如玉米秸稈)可能產生結渣現象。但不會影響燃燒與氣化，待燃燼并且爐膛冷卻后，可用火鉗將渣塊從爐膛內夾出。

一次裝生物質顆粒燃料1～1.2kg，可供四、五口之家做一頓正餐，燃燒時間70分鐘左右，功率為2.3KW。配3W微型風機，每天炊事按3小時計算，每月耗電0.27kwh。裝好料后用點火器將散料秸稈點著，再將秸稈顆粒點燃，慢慢開啟一次風，待爐口燒熱，開啟二次風(整個時間約二分鐘)，開始進入以熱分解為主的氣化階段。因為主要是秸稈的揮發份分解，只需要400℃以上溫度，氣化穩定后，可關閉或微開一次風，可延長燃燒時間，提高熱效率。燃燒40分鐘之后，秸稈的氣化將緩慢進入固定碳氧化層氣化為主的階段，需要1200~C的高溫。所以要慢慢的開大一次風，關小二次風。如果以熱分解為主的氣化階段將要結束，再開啟一次風，爐膛溫度已經不可能升到固定碳氣化要求的溫度，使固定碳不能進行氣化燃燒，炊事爐的熱效率至少要降低十個百分點，開啟一次風的時間點很重要。

掌握好一、二次風開關調節的規律，是用好生物質炊事爐的基本條件。熟能生巧，燒幾次爐子，經驗就會慢慢積累。

爐子點火后，一分鐘后就開始氣化，二分鐘后就能座鍋，12～14分鐘就能燒開5kg水。如果臨時來客，感到火力不夠，可通過加料口臨時加料，一樣可以氣化，也不會冒煙。要調整火力的大小，亦可通過一、二次風進行調節，要大可大，要小可小。使用簡單，操作方便。

6生物質炊事爐技術指標

經北京京環科環境保護設備檢測中心測試，該爐具各項指標均達到合同要求，詳見下表：

6．1實際指標與合同指標比較

6．2與北京地方標準DB11/139-2007鍋爐大氣污染物排放標準比較