摘要：生物質(zhì)氣化爐氣化產(chǎn)生的燃氣最終需要使用燃燒灶具才可以進行炊事活動，本文對燃燒灶具進行了相關(guān)的性能測試，包括熱負荷和熱效率的測定、火焰的穩(wěn)定性、污染物的排放等試驗研究。實驗表明，生物質(zhì)燃氣灶具的平均熱負荷維持在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)能低排灶的標準。相關(guān)實驗數(shù)據(jù)為有關(guān)部門制定相關(guān)標準和規(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)生的燃氣最終需要使用燃燒灶具才可以進行炊事活動，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)計和使用方面也存在一定的差異，因此，研究和檢測生物質(zhì)燃氣灶具的使用性能，包括熱負荷和熱效率的測定、火焰的穩(wěn)定性、污染物的排放等，對生物質(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，參考家用燃氣灶具的有關(guān)試驗方法，對該灶具進行相關(guān)的性能測試研究。

　　1 燃氣灶具基本性能參數(shù)的測定

　　1.1 試驗裝置和方法

　　熱負荷和熱效率是燃燒灶具的兩個基本性能參數(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)下運行，在點燃灶具前應(yīng)檢查灶具前面的燃氣通路是否處于暢通的通氣狀態(tài)。

　　1)熱負荷的測量

　　參考家用燃氣灶具的有關(guān)研究方案，按圖1所示連接壓力計、流量計和灶具。點燃燃氣之后15min～20min時段內(nèi)用流量計測定燃氣流量，可以多次測量取流量的平均值，同時用氣囊收集該時間段內(nèi)的氣化氣體，用于檢測燃氣成分，從而獲得燃氣熱值。

　　用下式計算燃燒灶具的熱負荷[3]：

　　Φ——燃燒灶具的熱負荷，kW;

　　Qg——標準狀況下燃氣的低位發(fā)熱量，kJ/m3;

　　v——燃氣的流量，m3/h;

　　tg——燃氣的溫度，℃

　　P0——試驗時的大氣壓力，kPa;

　　Pg——試驗時燃氣的相對靜壓力，kPa;

　　S——溫度為tg時的飽和水蒸氣壓力，kPa。

　　2)熱效率的測量

　　按式(1)計算得出熱負荷，根據(jù)國標規(guī)定選擇合適尺寸的鍋及加熱水量(具體見表1)，繼續(xù)進行熱效率的試驗。

　　測試期間室溫在16～18℃之間，按照實際燒開水時的使用條件，不設(shè)有排風設(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的水量按表1中選擇。每次試驗均等鍋具和灶具冷卻后進行，以保證測試條件基本一致，并與實際使用情況基本相同。點燃穩(wěn)定后坐上鍋，加熱過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，開始攪拌，到初溫時開始計量燃氣的消耗;在比初始溫度高25℃時再開始攪拌，比初始溫度高30℃時，關(guān)掉燃氣繼續(xù)攪拌，所達到的最高溫度作為最終溫度。由下式計算實測熱效率[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——燃氣消耗量，m3;

　　Qg——標準狀況下燃氣的低位發(fā)熱量，kJ/m3;

　　tg——燃氣的溫度，℃

　　P0——試驗時的大氣壓力，kPa;

　　Pg——試驗時燃氣的相對靜壓力，kPa;

　　S——溫度為tg時的飽和水蒸氣壓力，kPa。

　　同樣的條件下多次試驗，計算取熱效率的平均值。

　　1. 2 試驗結(jié)果與討論

　　按照以上試驗方法和操作，經(jīng)過數(shù)次試驗，計算得到的熱負荷數(shù)據(jù)如下：

　　由于生物質(zhì)氣化的運行狀態(tài)隨著時間的推移有一定的差異，因此，運行的早期和晚期燃氣灶具的熱負荷存在較大差異，我們挑選氣化爐運行較穩(wěn)定的時期進行測試，一般在點火運行后30～60min左右。

　　由多次試驗和計算所得，該燃氣灶具的熱負荷一般維持在3.3～3.6kW之間，基本達到國家標準[3]對灶頭熱負荷的要求(普通型灶≥3.5kW)。根據(jù)表1選擇直徑280mm的鋁鍋進行熱效率的實驗研究。試驗期間，保持火焰的顏色和火勢穩(wěn)定，燃燒狀況正常，數(shù)據(jù)記錄如表3：

　　該生物質(zhì)氣化爐燃氣灶具在氣化爐穩(wěn)定運行的情況下，其平均熱效率為50%左右，低于相關(guān)國家標準[3]對天然氣或液化氣燃氣灶具的要求值(應(yīng)大于55%)和相關(guān)燃氣設(shè)計手冊[4][5]的推薦值(55～60%)。多次試驗證明生物質(zhì)燃氣灶具的熱效率具有一定的波動性，主要是因為氣源(生物質(zhì)氣化氣)不穩(wěn)定造成。生物質(zhì)氣化爐的運行狀況隨著時間的推移會有一定的差別，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，燃氣流量和熱值的變化也是不可避免的，測量灶具熱效率時盡量選擇運行狀態(tài)相對穩(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是不可避免的，可以在灶頭前面安裝小型的儲氣設(shè)備，起到穩(wěn)壓和穩(wěn)定流量的作用，但是這也會在一定程度上增加成本。此外，相關(guān)的規(guī)定都是針對天燃氣和液化氣的，對于生物質(zhì)氣化氣的燃燒灶具沒有明確規(guī)定，建議有關(guān)部門可以制定相關(guān)的標準準則。

　　2 灶具熱效率與燃燒火勢的關(guān)系研究

　　2.1 燃燒火勢的定義

　　為了測試火勢對燃氣灶具熱效率的影響，首先要確定灶頭的測試狀態(tài)點，我們將灶頭的燃燒火勢分為5級(Ⅰ～Ⅴ級)，Ⅰ級最小、Ⅴ級最大。調(diào)節(jié)火焰的燃燒火勢的手段主要是氣化爐供入鼓風量的大小，即氣化爐的產(chǎn)氣量，此外，尾部送風量的大小也可以適當改變?nèi)細獾牧髁亢腿紵�火勢。Ⅰ、Ⅱ級為小火狀態(tài)，這時主要是內(nèi)環(huán)火焰，火焰小而矮，外環(huán)火焰微弱或是沒有，Ⅰ級為小火的最小狀態(tài)，Ⅱ級為小火的最大狀態(tài);Ⅲ到Ⅴ級為大火狀態(tài)，這時內(nèi)環(huán)和外環(huán)均有火焰，Ⅲ級為大火的最小狀態(tài)，火焰的大小基本上與蓋在上面的鍋底大小一致，Ⅴ級為大火的最大狀態(tài)，火焰高而大，Ⅳ級位于大火狀態(tài)的中間狀態(tài)，具體的燃燒情況見圖2。根據(jù)1.1中所述熱效率的測試和計算方法，得到燃氣灶具熱效率與燃燒火勢的關(guān)系如圖3所示。

　　2.2 熱效率與燃燒火勢的關(guān)系

　　由圖3可見，燃燒火勢對燃燒灶具的熱效率有較大的影響，總體來說，小火有利于利用燃氣的熱量，而大火容易散失熱量�；饎茛蟮幕鹧娣�(wěn)定，內(nèi)焰深紅色，外焰呈藍色，其熱效率最高，這是因為火焰的邊緣與鍋底的大小基本一致，在保證燃氣熱值的同時可以充分利用燃氣的熱量;火勢Ⅰ、Ⅱ主要是通過減少氣化空氣量，減小燃氣流量或是增加尾部配風而獲得，火焰小而矮，火焰呈黃色，燃氣的熱值較低;由于火焰較小，在燃燒的過程中不會有太多的傳熱損失，但是由于火勢較小，鍋的散熱面積較大，此時的散熱損失顯著，從而減小了熱效率;火勢Ⅳ、Ⅴ可以通過適當增大氣化劑流量、減少尾部配風的手段獲得;此時由于配風量減少，可燃氣成分含量變大，很多可燃氣成分都在逸出灶頭的周邊才開始燃燒，更多的是擴散火焰，而非預(yù)混火焰，火焰高而大，火勢大而不穩(wěn)，雖然此時的火焰熱值較高，但是由于火勢較大，更多的熱量根本沒有傳遞給鍋具，相反白白燃燒浪費了，導(dǎo)致灶具熱效率低下。由此可見，要想使燃氣灶具得到最佳效果的使用，除了優(yōu)化灶頭的設(shè)計意外，掌握控制火勢的方法也是至關(guān)重要的。

　　3 煙氣中污染物排放量的測定

　　生物質(zhì)氣化爐的設(shè)計與應(yīng)用本著節(jié)約能源、緩解能源危機的目的，同時作為可再生能源，生物質(zhì)氣化燃氣的燃燒煙氣中污染物的排放量也需要低于一定的標準。因此，本實驗按照國家標準《GB16410-2007. 家用燃氣灶具》中的有關(guān)規(guī)定和方法對灶頭煙氣中主要污染物(CO、氮氧化物、SO2等)的排放量進行了測定。

　　3.1 試驗裝置和方法

　　按照圖4所示，制作煙氣取樣器并安裝試驗裝置圖，先測定室內(nèi)干空氣中有關(guān)氣體成分的含量，將灶頭的火勢控制在最佳狀態(tài)，坐上裝有一定加熱水量的鋁鍋，灶具點燃15min后，用煙氣取樣器取樣，采用羅斯蒙特煙氣分析儀檢測有關(guān)污染物的含量，羅斯蒙特可以準確檢測出煙氣中CO、CO2、SO2、NOx、O2等物質(zhì)的含量。

　　測定煙氣中一氧化碳和氧的含量，用式(3)計算過剩空氣系數(shù)α等于1時，煙氣中一氧化碳的濃度：

　　式中：CO(α=1)——過�？諝庀禂�(shù)α等于1時，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)。

　　測定煙氣中氮氧化物和氧的含量，用式(4)計算過剩空氣系數(shù)α等于1時，煙氣中氮氧化物的濃度：

　　式中：NOx(α=1)——過�？諝庀禂�(shù)α等于1時，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算，1ppm(1u mol/mol)氮氧化物相當于2.05mg/m3氮氧化物質(zhì)量濃度;1ppm(1u mol/mol)一氧化碳相當于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 試驗結(jié)果和討論

　　煙氣取樣分析前，測得室內(nèi)各氣體成分含量如下：

　　根據(jù)以上方法經(jīng)過多次試驗，取數(shù)據(jù)的平均值計算和換算之后將生物質(zhì)燃氣灶主要污染物的排放量與節(jié)能、低排放燃燒灶具的排放標準[7]進行對比，制表如下：

　　根據(jù)實驗數(shù)據(jù)表5看出，生物質(zhì)燃氣灶具排放煙氣中CO的排放量沒有達到節(jié)能低排燃氣灶具的排放標準，但是氮氧化物的排放量低于節(jié)能低排的標準，同時也在國家標準中處于最高的排放等級5級(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)氣化燃氣燃燒的污染物排放量較化石燃料有很大的優(yōu)勢，但是為了戶用型氣化爐的推廣和炊事的安全性，生物質(zhì)燃氣灶具還有待于進一步的研究與開發(fā)，以達到節(jié)能低排燃氣灶具的要求。當然，相關(guān)的國家標準和行業(yè)標準都是針對人工煤氣、天然氣和液化石油氣的，暫沒有找到針對生物質(zhì)燃氣灶具專門的規(guī)范和標準，希望本文所測得的數(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

　　作為把燃氣化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮懿�傳遞給炊具的重要轉(zhuǎn)換工具，本文對燃燒灶具進行了相關(guān)的性能測試，包括熱負荷和熱效率的測定、火焰的穩(wěn)定性、污染物的排放等試驗研究。

　　實驗以某廠家為生物質(zhì)氣化爐設(shè)計的配套燃燒灶具(單頭)為研究對象，得到該灶具的平均熱負荷維持在3.3～3.6kW之間，基本達到國家標準對灶頭熱負荷的要求(普通型灶≥3.5kW);平均熱效率為50%左右，略低于相關(guān)國家標準對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的排放量沒能達到節(jié)能低排灶的標準，NOx和SO2的排放量均低于該標準�？傮w來說，生物質(zhì)燃氣灶具還有待于進一步的設(shè)計與研究。由于沒有針對生物質(zhì)燃氣灶具的有關(guān)規(guī)定，因此，實驗數(shù)據(jù)具有一定的參考價值，建議有關(guān)部門制定相關(guān)標準和規(guī)定。

　　參考文獻

　　[1] 段玉燕. 改進型戶用生物質(zhì)氣化爐的設(shè)計與研究[J]. 中國新能源, 2010, (57): 38-41

　　[2] 段玉燕. 戶用型生物質(zhì)氣化爐主要技術(shù)性能的試驗研究[J]. 能源研究與利用, 2010, (5): 6-10

　　[3] GB16410-2007. 家用燃氣灶具[S]

　　[4] 袁國汀. 建筑燃氣設(shè)計手冊[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社, 1999

　　[5] 項友謙. 燃氣熱力工程常用數(shù)據(jù)手冊[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社, 2000

　　[6] GB13223-2011. 火電廠大氣污染物排放標準[S]

　　[7] HJ/T311-2006. 環(huán)境標志產(chǎn)品技術(shù)要求 燃氣灶具