摘要：針對當前生物質燃燒爐（lú）灶熱效率低、火力強度達不到要求、供風不充足燃燒不（bú）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（de）需求，研製了一種以層燃為燃燒方式，集炒菜、蒸飯、燒水、供熱等功（gōng）能於一體的生物（wù）質顆（kē）粒直燃（rán）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（fàng）指（zhǐ）標低於國家標準，生物質（zhì）顆粒燃燒較為充分，可為以（yǐ）生物質顆粒為燃料的集中供餐炊事爐（lú）灶（zào）的設計與應用（yòng）提供科學（xué）參考。

　　引言

　　能源是經濟發展和社會進步（bù）的基礎，但（dàn）由於常規化能源的理論存儲量有限並（bìng）日漸枯竭，對可再生資源（yuán）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（guān）注。我國具有豐富的農作物（wù）秸稈資源，2015年農作物秸稈理論資源量（liàng）10.4億（yì）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（hé）0.5億t標準煤），占可收集資源（yuán）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（hán）量低，在整個碳循環過程中CO2零排放等優點，是一（yī）種優質清潔燃料。因此，將（jiāng）秸稈類生物質（zhì）通過直接燃燒方式利用（yòng），是其最簡便高效的燃料（liào）化利用方式（shì）之一[2－4]。

　　由於秸（jiē）稈的疏鬆性和分散性對其收儲運和（hé）燃燒帶（dài）來一（yī）些問題[5]，采用物理、化學的方法將秸（jiē）稈粘化，在（zài）高溫高壓下或加粘結劑條（tiáo）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]，便於運輸和儲存，燃燒效率高[9－10]。為了使民用爐灶能（néng）夠使用顆粒型燃料，政（zhèng）府推動了改灶（zào）節柴等工作，但通過（guò）對改造出的節柴灶和爐具燃燒過程（chéng）進行分析，發現其（qí）熱效率為20％左右，且由於供風的不均性造成燃料的不完全燃（rán）燒以（yǐ）及煙氣排放不達標，同時存在著功（gōng）能的單（dān）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（yào）是一些家庭小（xiǎo）型用爐，不能滿足一些集體供餐單位對炊事強度（dù）以及對爐灶的（de）功能的要求。因（yīn）此，本文擬設計一種既能滿足（zú）集體供（gòng）餐需要、保證多項炊事同時進（jìn）行，還能夠（gòu）兼（jiān）顧供暖（nuǎn）供熱水的生物質顆（kē）粒爐灶，並對其運（yùn）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（zào）的設計需要結合生物質燃燒特（tè）性（xìng）。生物質顆粒燃（rán）燒機理的實質屬於靜態滲透壓擴散燃燒[13－14]，其燃燒過程可分為幹燥脫水、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（dù）的升（shēng）高，水分逐漸被蒸發。

　　②燃燒室（shì）溫度上升到250℃左（zuǒ）右時，揮發分析出，揮發物與氧氣結合，燃燒（shāo）進入（rù）過渡區與擴（kuò）散區。

　　③滲透擴（kuò）散（sàn）燃燒，焦（jiāo）炭的（de）燃燒占主要地位，在顆粒表麵進行一氧化碳的燃燒，燃燒持續穩（wěn）定，爐溫較高。

　　④燃盡的灰殼不斷加厚，可（kě）燃物（wù）基本燃盡，形成整體的灰殼，灰殼表麵看不到火焰，燃料變成暗紅色，燃燒（shāo）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（liào）爐灶設計原則

　　由（yóu）於（yú）大多數集（jí）中（zhōng）供餐在炊事時均需要一次生火能（néng）把炒菜、煮飯以及用熱水問題解決，依據生物質（zhì）顆粒燃料的燃燒基本（běn）特性，爐灶的設（shè）計需滿足以下原（yuán）則：①點（diǎn）火容易，上火快（kuài），燃燒（shāo）穩定、完全，火力足，空氣能均勻流暢（chàng）地進入爐內，不冒黑煙，能（néng）源利用效率高。②功能齊全，結構簡（jiǎn）單，使用方便，成本低（dī）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（xìng）以及炊事的需要（yào），設計的生（shēng）物質顆粒直燃爐灶結構如圖1所（suǒ）示，主（zhǔ）要由蒸發器、燃燒（shāo）爐膛、一次和二次進（jìn）風風機、三次補風機、觀火孔、二次裝（zhuāng）料碳化（huà）倉等組成。 

該爐灶（zào）采用間歇（xiē）進料，燃（rán）料（liào）從聚火口以及輔料倉的進料（liào）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（jìn）料口（kǒu）進（jìn）料，燃料會逐漸滑入爐膛燃燒。同時爐膛燃燒時（shí）可以對輔料倉的燃料進行幹燥及氣化，提高能量利用（yòng）效（xiào）率；采用上點火（huǒ）方式，顆粒從上往下燃燒；灰（huī）室在爐膛的下部，爐蓖安裝在抽屜式灰倉的上麵；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製旋鈕，來（lái）實現一次風和二次（cì）風的大小以（yǐ）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，並（bìng）配（pèi）有二（èr）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（qì），利用火（huǒ）焰以及煙氣對蒸發器加（jiā）熱，水從下麵（miàn）的進水口（kǒu）進（jìn）入蒸發器，蒸發器與爐灶外麵的水位計相通，以確保進（jìn）水量適中，燃燒過程（chéng）中產生的高溫蒸汽，從蒸發器上出口冒出，高溫蒸汽用來（lái）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（zhēng）汽壓力閥，當壓力超過安全值，泄壓裝（zhuāng）置自動泄壓（yā）。該設備所有（yǒu）零部件采用模具來完成衝壓、拉伸、材料自動剪切，自動卷圓焊接（jiē），爐具裝配采用模塊式和流水線裝配工藝，保證（zhèng）了產品質量和外（wài）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（de）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（chōng）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（jí）中（zhōng）。因（yīn）爐具是為（wéi）了滿足集中供餐需要，所以燃料的消（xiāo）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（jìn）風套設計

　　針對大多數生（shēng）物（wù）質（zhì）顆粒爐供風不足與不（bú）均勻性的問題，設（shè）計了高度為19cm，上圓（yuán）半徑為25cm的非（fēi）結構網格錐（zhuī）麵進風套，。

在同一水平麵上，相隔相同的距離設有大小一致的進風孔（kǒng），一次進風和二次進風處（chù）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（tǐ）內，達到了每個進風孔通風量的（de）均勻，從而保證了燃料燃燒的均（jun1）勻。一次風與二次風的供（gòng）給（gěi）是通過12W的風機來控製，它們（men）之間的配比通過（guò）風機上的調節旋鈕來控製。

　　2.4吊火高度和聚（jù）火口設計

　　吊火高度指鍋底與爐排之間的垂直距離（lí）。以燃燒火苗（miáo）的高溫區正達（dá）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（de）吊火高度在（zài）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。由於（yú）選（xuǎn）用燃料層燃的燃燒方式，會產生可燃性揮發性氣（qì）體，本爐灶專（zhuān）門設計了喇叭形的（de）聚火口（Φ14cm），有（yǒu）利於（yú）聚集火焰，拔高了火苗的高度。