時(shí)間：2013年06月17日 分類：推薦論文 次數(shù)：
摘要：生物質(zhì)氣化爐氣化產(chǎn)生的燃?xì)庾罱K需要使用燃燒灶具才可以進(jìn)行炊事活動(dòng)，本文對(duì)燃燒灶具進(jìn)行了相關(guān)的性能測(cè)試，包括熱負(fù)荷和熱效率的測(cè)定、火焰的穩(wěn)定性、污染物的排放等試驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)表明，生物質(zhì)燃?xì)庠罹叩钠骄鶡嶝?fù)荷維持在3.3～3.6kW之間，平均熱效率為50%左右，煙氣污染物中NOx和SO2的排放量均符合節(jié)能低排灶的標(biāo)準(zhǔn)。相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為有關(guān)部門制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定提供了參考依據(jù)。
關(guān)鍵詞：生物質(zhì),戶用型,氣化爐,燃燒灶具
0 引言
生物質(zhì)氣化爐氣化產(chǎn)生的燃?xì)庾罱K需要使用燃燒灶具才可以進(jìn)行炊事活動(dòng)，但是生物質(zhì)氣化氣的成分和特性有別于天然氣和液化氣，在灶頭的設(shè)計(jì)和使用方面也存在一定的差異，因此，研究和檢測(cè)生物質(zhì)燃?xì)庠罹叩氖褂眯阅埽嶝?fù)荷和熱效率的測(cè)定、火焰的穩(wěn)定性、污染物的排放等，對(duì)生物質(zhì)氣化爐的推廣具有重要的意義。
本文選用某廠家為戶用型生物質(zhì)氣化爐設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的配套燃燒灶具(單頭)，以紅櫸刨花為氣化原料，參考家用燃?xì)庠罹叩挠嘘P(guān)試驗(yàn)方法，對(duì)該灶具進(jìn)行相關(guān)的性能測(cè)試研究。
1 燃?xì)庠罹呋拘阅軈?shù)的測(cè)定
1.1 試驗(yàn)裝置和方法
熱負(fù)荷和熱效率是燃燒灶具的兩個(gè)基本性能參數(shù)。按照正常的操作[1][2]，使生物質(zhì)氣化爐在穩(wěn)定和最佳的狀態(tài)下運(yùn)行，在點(diǎn)燃灶具前應(yīng)檢查灶具前面的燃?xì)馔肥欠裉幱跁惩ǖ耐鉅顟B(tài)。
1)熱負(fù)荷的測(cè)量
參考家用燃?xì)庠罹叩挠嘘P(guān)研究方案，按圖1所示連接壓力計(jì)、流量計(jì)和灶具。點(diǎn)燃燃?xì)庵?5min～20min時(shí)段內(nèi)用流量計(jì)測(cè)定燃?xì)饬髁浚梢远啻螠y(cè)量取流量的平均值，同時(shí)用氣囊收集該時(shí)間段內(nèi)的氣化氣體，用于檢測(cè)燃?xì)獬煞郑瑥亩@得燃?xì)鉄嶂怠?/p>
用下式計(jì)算燃燒灶具的熱負(fù)荷[3]：
Φ——燃燒灶具的熱負(fù)荷，kW;
Qg——標(biāo)準(zhǔn)狀況下燃?xì)獾牡臀话l(fā)熱量，kJ/m3;
v——燃?xì)獾牧髁浚琺3/h;
tg——燃?xì)獾臏囟龋?/p>
P0——試驗(yàn)時(shí)的大氣壓力，kPa;
Pg——試驗(yàn)時(shí)燃?xì)獾南鄬?duì)靜壓力，kPa;
S——溫度為tg時(shí)的飽和水蒸氣壓力，kPa。
2)熱效率的測(cè)量
按式(1)計(jì)算得出熱負(fù)荷，根據(jù)國(guó)標(biāo)規(guī)定選擇合適尺寸的鍋及加熱水量(具體見表1)，繼續(xù)進(jìn)行熱效率的試驗(yàn)。
測(cè)試期間室溫在16～18℃之間，按照實(shí)際燒開水時(shí)的使用條件，不設(shè)有排風(fēng)設(shè)備，外窗微開，保證一定的空氣流通量，每次在鋁鍋中加熱試驗(yàn)的水量按表1中選擇。每次試驗(yàn)均等鍋具和灶具冷卻后進(jìn)行，以保證測(cè)試條件基本一致，并與實(shí)際使用情況基本相同。點(diǎn)燃穩(wěn)定后坐上鍋，加熱過(guò)程中鍋具均為加蓋的狀態(tài)，水初溫取室溫加5℃左右，水終溫取水初溫加30℃左右。水溫由初始溫度前5℃時(shí)，開始攪拌，到初溫時(shí)開始計(jì)量燃?xì)獾南?在比初始溫度高25℃時(shí)再開始攪拌，比初始溫度高30℃時(shí)，關(guān)掉燃?xì)饫^續(xù)攪拌，所達(dá)到的最高溫度作為最終溫度。由下式計(jì)算實(shí)測(cè)熱效率[3]。
式中：η灶——燃燒灶具熱效率，%;
M——加熱水量，kg;
C——水的比熱，C=4.19kJ/(kg·℃);
t1——水的初溫，℃;
t2——水的終溫，℃;
Vg——燃?xì)庀牧浚琺3;
Qg——標(biāo)準(zhǔn)狀況下燃?xì)獾牡臀话l(fā)熱量，kJ/m3;
tg——燃?xì)獾臏囟龋?/p>
P0——試驗(yàn)時(shí)的大氣壓力，kPa;
Pg——試驗(yàn)時(shí)燃?xì)獾南鄬?duì)靜壓力，kPa;
S——溫度為tg時(shí)的飽和水蒸氣壓力，kPa。
同樣的條件下多次試驗(yàn)，計(jì)算取熱效率的平均值。
1. 2 試驗(yàn)結(jié)果與討論
按照以上試驗(yàn)方法和操作，經(jīng)過(guò)數(shù)次試驗(yàn)，計(jì)算得到的熱負(fù)荷數(shù)據(jù)如下：
由于生物質(zhì)氣化的運(yùn)行狀態(tài)隨著時(shí)間的推移有一定的差異，因此，運(yùn)行的早期和晚期燃?xì)庠罹叩臒嶝?fù)荷存在較大差異，我們挑選氣化爐運(yùn)行較穩(wěn)定的時(shí)期進(jìn)行測(cè)試，一般在點(diǎn)火運(yùn)行后30～60min左右。
由多次試驗(yàn)和計(jì)算所得，該燃?xì)庠罹叩臒嶝?fù)荷一般維持在3.3～3.6kW之間，基本達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[3]對(duì)灶頭熱負(fù)荷的要求(普通型灶≥3.5kW)。根據(jù)表1選擇直徑280mm的鋁鍋進(jìn)行熱效率的實(shí)驗(yàn)研究。試驗(yàn)期間，保持火焰的顏色和火勢(shì)穩(wěn)定，燃燒狀況正常，數(shù)據(jù)記錄如表3：
該生物質(zhì)氣化爐燃?xì)庠罹咴跉饣癄t穩(wěn)定運(yùn)行的情況下，其平均熱效率為50%左右，低于相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[3]對(duì)天然氣或液化氣燃?xì)庠罹叩囊笾?應(yīng)大于55%)和相關(guān)燃?xì)庠O(shè)計(jì)手冊(cè)[4][5]的推薦值(55～60%)。多次試驗(yàn)證明生物質(zhì)燃?xì)庠罹叩臒嵝示哂幸欢ǖ牟▌?dòng)性，主要是因?yàn)闅庠?生物質(zhì)氣化氣)不穩(wěn)定造成。生物質(zhì)氣化爐的運(yùn)行狀況隨著時(shí)間的推移會(huì)有一定的差別，尤其是氣化爐的早期(43.3%)和晚期(41.6%)與穩(wěn)定期的差異更大，燃?xì)饬髁亢蜔嶂档淖兓彩遣豢杀苊獾模瑴y(cè)量灶具熱效率時(shí)盡量選擇運(yùn)行狀態(tài)相對(duì)穩(wěn)定的情況。
由于戶用型生物質(zhì)氣化爐氣化出的氣體直接用于灶具炊事，因此燃燒性能的波動(dòng)是不可避免的，可以在灶頭前面安裝小型的儲(chǔ)氣設(shè)備，起到穩(wěn)壓和穩(wěn)定流量的作用，但是這也會(huì)在一定程度上增加成本。此外，相關(guān)的規(guī)定都是針對(duì)天燃?xì)夂鸵夯瘹獾模瑢?duì)于生物質(zhì)氣化氣的燃燒灶具沒(méi)有明確規(guī)定，建議有關(guān)部門可以制定相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)則。
2 灶具熱效率與燃燒火勢(shì)的關(guān)系研究
2.1 燃燒火勢(shì)的定義
為了測(cè)試火勢(shì)對(duì)燃?xì)庠罹邿嵝实挠绊懀紫纫_定灶頭的測(cè)試狀態(tài)點(diǎn)，我們將灶頭的燃燒火勢(shì)分為5級(jí)(Ⅰ～Ⅴ級(jí))，Ⅰ級(jí)最小、Ⅴ級(jí)最大。調(diào)節(jié)火焰的燃燒火勢(shì)的手段主要是氣化爐供入鼓風(fēng)量的大小，即氣化爐的產(chǎn)氣量，此外，尾部送風(fēng)量的大小也可以適當(dāng)改變?nèi)細(xì)獾牧髁亢腿紵饎?shì)。Ⅰ、Ⅱ級(jí)為小火狀態(tài)，這時(shí)主要是內(nèi)環(huán)火焰，火焰小而矮，外環(huán)火焰微弱或是沒(méi)有，Ⅰ級(jí)為小火的最小狀態(tài)，Ⅱ級(jí)為小火的最大狀態(tài);Ⅲ到Ⅴ級(jí)為大火狀態(tài)，這時(shí)內(nèi)環(huán)和外環(huán)均有火焰，Ⅲ級(jí)為大火的最小狀態(tài)，火焰的大小基本上與蓋在上面的鍋底大小一致，Ⅴ級(jí)為大火的最大狀態(tài)，火焰高而大，Ⅳ級(jí)位于大火狀態(tài)的中間狀態(tài)，具體的燃燒情況見圖2。根據(jù)1.1中所述熱效率的測(cè)試和計(jì)算方法，得到燃?xì)庠罹邿嵝逝c燃燒火勢(shì)的關(guān)系如圖3所示。
2.2 熱效率與燃燒火勢(shì)的關(guān)系
由圖3可見，燃燒火勢(shì)對(duì)燃燒灶具的熱效率有較大的影響，總體來(lái)說(shuō)，小火有利于利用燃?xì)獾臒崃浚蠡鹑菀咨⑹崃俊；饎?shì)Ⅲ的火焰穩(wěn)定，內(nèi)焰深紅色，外焰呈藍(lán)色，其熱效率最高，這是因?yàn)榛鹧娴倪吘壟c鍋底的大小基本一致，在保證燃?xì)鉄嶂档耐瑫r(shí)可以充分利用燃?xì)獾臒崃?火勢(shì)Ⅰ、Ⅱ主要是通過(guò)減少氣化空氣量，減小燃?xì)饬髁炕蚴窃黾游膊颗滹L(fēng)而獲得，火焰小而矮，火焰呈黃色，燃?xì)獾臒嶂递^低;由于火焰較小，在燃燒的過(guò)程中不會(huì)有太多的傳熱損失，但是由于火勢(shì)較小，鍋的散熱面積較大，此時(shí)的散熱損失顯著，從而減小了熱效率;火勢(shì)Ⅳ、Ⅴ可以通過(guò)適當(dāng)增大氣化劑流量、減少尾部配風(fēng)的手段獲得;此時(shí)由于配風(fēng)量減少，可燃?xì)獬煞趾孔兇螅芏嗫扇細(xì)獬煞侄荚谝莩鲈铑^的周邊才開始燃燒，更多的是擴(kuò)散火焰，而非預(yù)混火焰，火焰高而大，火勢(shì)大而不穩(wěn)，雖然此時(shí)的火焰熱值較高，但是由于火勢(shì)較大，更多的熱量根本沒(méi)有傳遞給鍋具，相反白白燃燒浪費(fèi)了，導(dǎo)致灶具熱效率低下。由此可見，要想使燃?xì)庠罹叩玫阶罴研Ч氖褂茫藘?yōu)化灶頭的設(shè)計(jì)意外，掌握控制火勢(shì)的方法也是至關(guān)重要的。
3 煙氣中污染物排放量的測(cè)定
生物質(zhì)氣化爐的設(shè)計(jì)與應(yīng)用本著節(jié)約能源、緩解能源危機(jī)的目的，同時(shí)作為可再生能源，生物質(zhì)氣化燃?xì)獾娜紵裏煔庵形廴疚锏呐欧帕恳残枰陀谝欢ǖ臉?biāo)準(zhǔn)。因此，本實(shí)驗(yàn)按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB16410-2007. 家用燃?xì)庠罹摺分械挠嘘P(guān)規(guī)定和方法對(duì)灶頭煙氣中主要污染物(CO、氮氧化物、SO2等)的排放量進(jìn)行了測(cè)定。
3.1 試驗(yàn)裝置和方法
按照?qǐng)D4所示，制作煙氣取樣器并安裝試驗(yàn)裝置圖，先測(cè)定室內(nèi)干空氣中有關(guān)氣體成分的含量，將灶頭的火勢(shì)控制在最佳狀態(tài)，坐上裝有一定加熱水量的鋁鍋，灶具點(diǎn)燃15min后，用煙氣取樣器取樣，采用羅斯蒙特?zé)煔夥治鰞x檢測(cè)有關(guān)污染物的含量，羅斯蒙特可以準(zhǔn)確檢測(cè)出煙氣中CO、CO2、SO2、NOx、O2等物質(zhì)的含量。
測(cè)定煙氣中一氧化碳和氧的含量，用式(3)計(jì)算過(guò)剩空氣系數(shù)α等于1時(shí)，煙氣中一氧化碳的濃度：
式中：CO(α=1)——過(guò)剩空氣系數(shù)α等于1時(shí)，干煙氣氣樣中一氧化碳含量，%(V/V);
CO’——干煙氣樣中一氧化碳含量，%(V/V);
CO”——室內(nèi)干空氣中一氧化碳含量，%(V/V);
O2’——干煙氣中氧含量，%(V/V)。
測(cè)定煙氣中氮氧化物和氧的含量，用式(4)計(jì)算過(guò)剩空氣系數(shù)α等于1時(shí)，煙氣中氮氧化物的濃度：
式中：NOx(α=1)——過(guò)剩空氣系數(shù)α等于1時(shí)，干煙氣氣樣中氮氧化物含量，%(V/V);
NOx’——干煙氣樣中一氧化碳含量，%(V/V);
NOx”——室內(nèi)干空氣中一氧化碳含量，%(V/V);
O2’——干煙氣中氧含量，%(V/V)。
氣態(tài)污染物的濃度換算，1ppm(1u mol/mol)二氧化硫相當(dāng)于2.86mg/m3二氧化硫質(zhì)量濃度;氮氧化物的質(zhì)量濃度以二氧化氮計(jì)算，1ppm(1u mol/mol)氮氧化物相當(dāng)于2.05mg/m3氮氧化物質(zhì)量濃度;1ppm(1u mol/mol)一氧化碳相當(dāng)于1.25mg/m3一氧化碳質(zhì)量濃度;這樣就可以將體積濃度換算成質(zhì)量濃度[6]。
3.2 試驗(yàn)結(jié)果和討論
煙氣取樣分析前，測(cè)得室內(nèi)各氣體成分含量如下：
根據(jù)以上方法經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，取數(shù)據(jù)的平均值計(jì)算和換算之后將生物質(zhì)燃?xì)庠钪饕廴疚锏呐欧帕颗c節(jié)能、低排放燃燒灶具的排放標(biāo)準(zhǔn)[7]進(jìn)行對(duì)比，制表如下：
根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表5看出，生物質(zhì)燃?xì)庠罹吲欧艧煔庵蠧O的排放量沒(méi)有達(dá)到節(jié)能低排燃?xì)庠罹叩呐欧艠?biāo)準(zhǔn)，但是氮氧化物的排放量低于節(jié)能低排的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中處于最高的排放等級(jí)5級(jí)(見表6)，且SO2的排放量為零(紅櫸的S元素含量為零)。由此可見，雖然生物質(zhì)氣化燃?xì)馊紵奈廴疚锱欧帕枯^化石燃料有很大的優(yōu)勢(shì)，但是為了戶用型氣化爐的推廣和炊事的安全性，生物質(zhì)燃?xì)庠罹哌�有待于進(jìn)一步的研究與開發(fā)，以達(dá)到節(jié)能低排燃?xì)庠罹叩囊蟆．?dāng)然，相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)都是針對(duì)人工煤氣、天然氣和液化石油氣的，暫沒(méi)有找到針對(duì)生物質(zhì)燃?xì)庠罹邔ｉT的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，希望本文所測(cè)得的數(shù)據(jù)能為以后相關(guān)部門制定規(guī)范提供參考。
4 結(jié)論
作為把燃?xì)饣瘜W(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮懿鬟f給炊具的重要轉(zhuǎn)換工具，本文對(duì)燃燒灶具進(jìn)行了相關(guān)的性能測(cè)試，包括熱負(fù)荷和熱效率的測(cè)定、火焰的穩(wěn)定性、污染物的排放等試驗(yàn)研究。
實(shí)驗(yàn)以某廠家為生物質(zhì)氣化爐設(shè)計(jì)的配套燃燒灶具(單頭)為研究對(duì)象，得到該灶具的平均熱負(fù)荷維持在3.3～3.6kW之間，基本達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)灶頭熱負(fù)荷的要求(普通型灶≥3.5kW);平均熱效率為50%左右，略低于相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)天然氣或液化氣灶具的要求值(應(yīng)大于55%);煙氣污染物中CO的排放量沒(méi)能達(dá)到節(jié)能低排灶的標(biāo)準(zhǔn)，NOx和SO2的排放量均低于該標(biāo)準(zhǔn)。總體來(lái)說(shuō)，生物質(zhì)燃?xì)庠罹哌�有待于進(jìn)一步的設(shè)計(jì)與研究。由于沒(méi)有針對(duì)生物質(zhì)燃?xì)庠罹叩挠嘘P(guān)規(guī)定，因此，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有一定的參考價(jià)值，建議有關(guān)部門制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定。
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