能源节能期刊论文生物质燃气灶具的性能研究

　　摘要：生物质气化炉气化产生的燃气最终需要使用燃烧灶具才可以进行炊事活动，本文对燃烧灶具进行了相关的性能测试，包括热负荷和热效率的测定、火焰的稳定性、污染物的排放等试验研究。实验表明，生物质燃气灶具的平均热负荷维持在3.3～3.6kW之间，平均热效率为50%左右，烟气污染物中NOx和SO2的排放量均符合节能低排灶的标准。相关实验数据为有关部门制定相关标准和规定提供了参考依据。

　　关键词：生物质,户用型,气化炉,燃烧灶具

　　0 引言

　　生物质气化炉气化产生的燃气最终需要使用燃烧灶具才可以进行炊事活动，但是生物质气化气的成分和特性有别于天然气和液化气，在灶头的设计和使用方面也存在一定的差异，因此，研究和检测生物质燃气灶具的使用性能，包括热负荷和热效率的测定、火焰的稳定性、污染物的排放等，对生物质气化炉的推广具有重要的意义。

　　本文选用某厂家为户用型生物质气化炉设计和生产的配套燃烧灶具(单头)，以红榉刨花为气化原料，参考家用燃气灶具的有关试验方法，对该灶具进行相关的性能测试研究。

　　1 燃气灶具基本性能参数的测定

　　1.1 试验装置和方法

　　热负荷和热效率是燃烧灶具的两个基本性能参数。按照正常的操作[1][2]，使生物质气化炉在稳定和最佳的状态下运行，在点燃灶具前应检查灶具前面的燃气通路是否处于畅通的通气状态。

　　1)热负荷的测量

　　参考家用燃气灶具的有关研究方案，按图1所示连接压力计、流量计和灶具。点燃燃气之后15min～20min时段内用流量计测定燃气流量，可以多次测量取流量的平均值，同时用气囊收集该时间段内的气化气体，用于检测燃气成分，从而获得燃气热值。

　　用下式计算燃烧灶具的热负荷[3]：

　　Φ——燃烧灶具的热负荷，kW;

　　Qg——标准状况下燃气的低位发热量，kJ/m3;

　　v——燃气的流量，m3/h;

　　tg——燃气的温度，℃

　　P0——试验时的大气压力，kPa;

　　Pg——试验时燃气的相对静压力，kPa;

　　S——温度为tg时的饱和水蒸气压力，kPa。

　　2)热效率的测量

　　按式(1)计算得出热负荷，根据国标规定选择合适尺寸的锅及加热水量(具体见表1)，继续进行热效率的试验。

　　测试期间室温在16～18℃之间，按照实际烧开水时的使用条件，不设有排风设备，外窗微开，保证一定的空气流通量，每次在铝锅中加热试验的水量按表1中选择。每次试验均等锅具和灶具冷却后进行，以保证测试条件基本一致，并与实际使用情况基本相同。点燃稳定后坐上锅，加热过程中锅具均为加盖的状态，水初温取室温加5℃左右，水终温取水初温加30℃左右。水温由初始温度前5℃时，开始搅拌，到初温时开始计量燃气的消耗;在比初始温度高25℃时再开始搅拌，比初始温度高30℃时，关掉燃气继续搅拌，所达到的最高温度作为最终温度。由下式计算实测热效率[3]。

　　式中：η灶——燃烧灶具热效率，%;

　　M——加热水量，kg;

　　C——水的比热，C=4.19kJ/(kg·℃);

　　t1——水的初温，℃;

　　t2——水的终温，℃;

　　Vg——燃气消耗量，m3;

　　Qg——标准状况下燃气的低位发热量，kJ/m3;

　　tg——燃气的温度，℃

　　P0——试验时的大气压力，kPa;

　　Pg——试验时燃气的相对静压力，kPa;

　　S——温度为tg时的饱和水蒸气压力，kPa。

　　同样的条件下多次试验，计算取热效率的平均值。

　　1. 2 试验结果与讨论

　　按照以上试验方法和操作，经过数次试验，计算得到的热负荷数据如下：

　　由于生物质气化的运行状态随着时间的推移有一定的差异，因此，运行的早期和晚期燃气灶具的热负荷存在较大差异，我们挑选气化炉运行较稳定的时期进行测试，一般在点火运行后30～60min左右。

　　由多次试验和计算所得，该燃气灶具的热负荷一般维持在3.3～3.6kW之间，基本达到国家标准[3]对灶头热负荷的要求(普通型灶≥3.5kW)。根据表1选择直径280mm的铝锅进行热效率的实验研究。试验期间，保持火焰的颜色和火势稳定，燃烧状况正常，数据记录如表3：

　　该生物质气化炉燃气灶具在气化炉稳定运行的情况下，其平均热效率为50%左右，低于相关国家标准[3]对天然气或液化气燃气灶具的要求值(应大于55%)和相关燃气设计手册[4][5]的推荐值(55～60%)。多次试验证明生物质燃气灶具的热效率具有一定的波动性，主要是因为气源(生物质气化气)不稳定造成。生物质气化炉的运行状况随着时间的推移会有一定的差别，尤其是气化炉的早期(43.3%)和晚期(41.6%)与稳定期的差异更大，燃气流量和热值的变化也是不可避免的，测量灶具热效率时尽量选择运行状态相对稳定的情况。

　　由于户用型生物质气化炉气化出的气体直接用于灶具炊事，因此燃烧性能的波动是不可避免的，可以在灶头前面安装小型的储气设备，起到稳压和稳定流量的作用，但是这也会在一定程度上增加成本。此外，相关的规定都是针对天燃气和液化气的，对于生物质气化气的燃烧灶具没有明确规定，建议有关部门可以制定相关的标准准则。

　　2 灶具热效率与燃烧火势的关系研究

　　2.1 燃烧火势的定义

　　为了测试火势对燃气灶具热效率的影响，首先要确定灶头的测试状态点，我们将灶头的燃烧火势分为5级(Ⅰ～Ⅴ级)，Ⅰ级最小、Ⅴ级最大。调节火焰的燃烧火势的手段主要是气化炉供入鼓风量的大小，即气化炉的产气量，此外，尾部送风量的大小也可以适当改变燃气的流量和燃烧火势。Ⅰ、Ⅱ级为小火状态，这时主要是内环火焰，火焰小而矮，外环火焰微弱或是没有，Ⅰ级为小火的最小状态，Ⅱ级为小火的最大状态;Ⅲ到Ⅴ级为大火状态，这时内环和外环均有火焰，Ⅲ级为大火的最小状态，火焰的大小基本上与盖在上面的锅底大小一致，Ⅴ级为大火的最大状态，火焰高而大，Ⅳ级位于大火状态的中间状态，具体的燃烧情况见图2。根据1.1中所述热效率的测试和计算方法，得到燃气灶具热效率与燃烧火势的关系如图3所示。

　　2.2 热效率与燃烧火势的关系

　　由图3可见，燃烧火势对燃烧灶具的热效率有较大的影响，总体来说，小火有利于利用燃气的热量，而大火容易散失热量。火势Ⅲ的火焰稳定，内焰深红色，外焰呈蓝色，其热效率最高，这是因为火焰的边缘与锅底的大小基本一致，在保证燃气热值的同时可以充分利用燃气的热量;火势Ⅰ、Ⅱ主要是通过减少气化空气量，减小燃气流量或是增加尾部配风而获得，火焰小而矮，火焰呈黄色，燃气的热值较低;由于火焰较小，在燃烧的过程中不会有太多的传热损失，但是由于火势较小，锅的散热面积较大，此时的散热损失显著，从而减小了热效率;火势Ⅳ、Ⅴ可以通过适当增大气化剂流量、减少尾部配风的手段获得;此时由于配风量减少，可燃气成分含量变大，很多可燃气成分都在逸出灶头的周边才开始燃烧，更多的是扩散火焰，而非预混火焰，火焰高而大，火势大而不稳，虽然此时的火焰热值较高，但是由于火势较大，更多的热量根本没有传递给锅具，相反白白燃烧浪费了，导致灶具热效率低下。由此可见，要想使燃气灶具得到最佳效果的使用，除了优化灶头的设计意外，掌握控制火势的方法也是至关重要的。

　　3 烟气中污染物排放量的测定

　　生物质气化炉的设计与应用本着节约能源、缓解能源危机的目的，同时作为可再生能源，生物质气化燃气的燃烧烟气中污染物的排放量也需要低于一定的标准。因此，本实验按照国家标准《GB16410-2007. 家用燃气灶具》中的有关规定和方法对灶头烟气中主要污染物(CO、氮氧化物、SO2等)的排放量进行了测定。

　　3.1 试验装置和方法

　　按照图4所示，制作烟气取样器并安装试验装置图，先测定室内干空气中有关气体成分的含量，将灶头的火势控制在最佳状态，坐上装有一定加热水量的铝锅，灶具点燃15min后，用烟气取样器取样，采用罗斯蒙特烟气分析仪检测有关污染物的含量，罗斯蒙特可以准确检测出烟气中CO、CO2、SO2、NOx、O2等物质的含量。

　　测定烟气中一氧化碳和氧的含量，用式(3)计算过剩空气系数α等于1时，烟气中一氧化碳的浓度：

　　式中：CO(α=1)——过剩空气系数α等于1时，干烟气气样中一氧化碳含量，%(V/V);

　　CO’——干烟气样中一氧化碳含量，%(V/V);

　　CO”——室内干空气中一氧化碳含量，%(V/V);

　　O2’——干烟气中氧含量，%(V/V)。

　　测定烟气中氮氧化物和氧的含量，用式(4)计算过剩空气系数α等于1时，烟气中氮氧化物的浓度：

　　式中：NOx(α=1)——过剩空气系数α等于1时，干烟气气样中氮氧化物含量，%(V/V);

　　NOx’——干烟气样中一氧化碳含量，%(V/V);

　　NOx”——室内干空气中一氧化碳含量，%(V/V);

　　O2’——干烟气中氧含量，%(V/V)。

　　气态污染物的浓度换算，1ppm(1u mol/mol)二氧化硫相当于2.86mg/m3二氧化硫质量浓度;氮氧化物的质量浓度以二氧化氮计算，1ppm(1u mol/mol)氮氧化物相当于2.05mg/m3氮氧化物质量浓度;1ppm(1u mol/mol)一氧化碳相当于1.25mg/m3一氧化碳质量浓度;这样就可以将体积浓度换算成质量浓度[6]。

　　3.2 试验结果和讨论

　　烟气取样分析前，测得室内各气体成分含量如下：

　　根据以上方法经过多次试验，取数据的平均值计算和换算之后将生物质燃气灶主要污染物的排放量与节能、低排放燃烧灶具的排放标准[7]进行对比，制表如下：

　　根据实验数据表5看出，生物质燃气灶具排放烟气中CO的排放量没有达到节能低排燃气灶具的排放标准，但是氮氧化物的排放量低于节能低排的标准，同时也在国家标准中处于最高的排放等级5级(见表6)，且SO2的排放量为零(红榉的S元素含量为零)。由此可见，虽然生物质气化燃气燃烧的污染物排放量较化石燃料有很大的优势，但是为了户用型气化炉的推广和炊事的安全性，生物质燃气灶具还有待于进一步的研究与开发，以达到节能低排燃气灶具的要求。当然，相关的国家标准和行业标准都是针对人工煤气、天然气和液化石油气的，暂没有找到针对生物质燃气灶具专门的规范和标准，希望本文所测得的数据能为以后相关部门制定规范提供参考。

　　4 结论

　　作为把燃气化学能转变为热能并传递给炊具的重要转换工具，本文对燃烧灶具进行了相关的性能测试，包括热负荷和热效率的测定、火焰的稳定性、污染物的排放等试验研究。

　　实验以某厂家为生物质气化炉设计的配套燃烧灶具(单头)为研究对象，得到该灶具的平均热负荷维持在3.3～3.6kW之间，基本达到国家标准对灶头热负荷的要求(普通型灶≥3.5kW);平均热效率为50%左右，略低于相关国家标准对天然气或液化气灶具的要求值(应大于55%);烟气污染物中CO的排放量没能达到节能低排灶的标准，NOx和SO2的排放量均低于该标准。总体来说，生物质燃气灶具还有待于进一步的设计与研究。由于没有针对生物质燃气灶具的有关规定，因此，实验数据具有一定的参考价值，建议有关部门制定相关标准和规定。

　　参考文献

　　[1] 段玉燕. 改进型户用生物质气化炉的设计与研究[J]. 中国新能源, 2010, (57): 38-41

　　[2] 段玉燕. 户用型生物质气化炉主要技术性能的试验研究[J]. 能源研究与利用, 2010, (5): 6-10

　　[3] GB16410-2007. 家用燃气灶具[S]

　　[4] 袁国汀. 建筑燃气设计手册[M]. 北京：中国建筑工业出版社, 1999

　　[5] 项友谦. 燃气热力工程常用数据手册[M]. 北京：中国建筑工业出版社, 2000

　　[6] GB13223-2011. 火电厂大气污染物排放标准[S]

　　[7] HJ/T311-2006. 环境标志产品技术要求 燃气灶具