生物质户用炊事炉具技术研究

科学研究| Scientific Research生物质户用炊事炉具技术研究周伯瑜北京盛昌绿能科技有隈公司要:根据生物质燃烧特点,研究生物质高效清洁燃烧技术,开发出了与生物质成型燃料配套的户用炊事炉具。炉具采用上吸式气化技术(逆流式气化),气化产物直接燃烧。做到了结构简单、操作方便、成本低廉、热效率高、炊事火力强,污染排放量能达到北京市环保标准。为在广大农村推广使用创造了条件关键词:户用炊事炉;气化燃烧;机理;环保;节能0前言温度是完成热分解的关健,温度高所完成热分解的生物质燃料是公认的可再生能源,也是人类利用最时间短,在400~800℃范围内,升高温度有利气化过早、最多、最直接的一种传统能源。如何妥善处理农村秸程。秆问题,已成为解决环境污染,提高农民生活质量的重要还原层:二氧化碳还原的化学反应课题。本课题属北京市农业科技项目,目的是对生物质CO2+C=2C0+161677K成型设备和燃烧技术进行研究,以解决北京市农村地区这个反应是向右进行,是吸热反应。所以温度愈生物质成型燃料及户用炊事炉具的技术瓶颈。2009年5月高,CO2的还原愈彻底,CO的形成会愈多。有效的CO215日,北京市农村工作委员会组织专家对项目进行了验还原温度是在800℃以上,温度增加有利于进行还原反收。对生物质户用炊事炉的评价是:研发的生物质炉具成应。本低、效率高、结构合理,可在京效广大农村地区推广使氧化层:当生物质的热分解完成后,生物质中的挥用。项目通过大量研究与调研,结合实际工作所提出的农发份生成可燃气体,剩下的是生物质中的固定碳。固定村生物质炊事用能模式,具有创新和实用性碳要转化为燃气,需要气化剂(主是是空气)和高温,适合农村特点的物质户用炊事炉的推广,会促进农在空气的配合下,当温度达到1200℃以上时会产生大量村秸秆能源利用的步伐,促进农村生态环境保护,促进的CO2,同时放出大量的热量。农村经济可持续发展。反应式为:C+O2=CO2-408567KJ1生物质炊事炉(鼓风)燃烧机理采用上吸式气化技术(逆流式气化),空气经一次风从灰室的炉栅处吸入,从下向上通过燃烧层,燃料从加料器烟阖出口炉口顶部一次加入炉膛,亦可边燃烧边添料。在炉膛内烧器沿气化高度,生物质气化过程主要分为三层:即热分解封保温层、还原层、氧化层。各层次沿空间分布,没有明显层次划分的瞬时现象。划分成层带是为了更清楚的从理论胝璋珠岩上说明问题。(见右图)热分露热分解层:生物质燃料在气化炉上部被干燥,干燥400-800℃好的原料与气化炉下部来的热气体作用进入燃料的热分解过程。生物质受热分解成三部分:即可燃气体CO保温灰富H2、CH和CO等,还包括焦油、水蒸汽和固定碳三部中国煤化工分。生物质的热解是整个气化过程中的关健部分。生物CNMH质燃料中的挥发份高,在较低的温度下就可释放出70%的挥发份。片数瞻.gov.cnw Scientific Research|科学研究同时,还有一部分碳,由于供氧不足,会形成CO并掌握不住这一点,热效率要损失10%~15%。实验表放出热量:明:合理的操作能使热效率提高10%以上,使燃烧效率2C+O2=2CO-246270KJ大于92%,使过剩空气系数、CO、NOx等的排放量都这些热量是推动整个气化过程的的必需条件能达到理想结果。2生物质炊事炉的设计思想3生物质炊事炉(鼓风)的研制当我们采用上吸式气化技术思想来设计炉具时,首在讲述燃烧机理时,我们已经讨论了生物质气化炊先我们要考虑它的优、缺点。优点是结构简单、操作方事炉怎样把生物质中的热量最大限度释放出来,当热能便。缺点是上吸式气化方式比下吸式气化方式产生的焦最大限度的释放后,我们必须进一步研究如何使释放出油要多,在离开气化器前没有发生分解,在此情况下约来的热量得到充分利用。20%~40%的能量存在于焦油中,不但能量利用低,还实际上,生物质能在气化炊事炉中不可能完全燃会造成环境污染,更有甚者会堵塞管孔,使燃气不能燃烧,燃烧后释放出来的热量也不可能完全得到利用。也烧。在分体式的生物质气化炉的研究和推广中,遇见的就是说释放出来的热量只有一部分被利用,其余部分损就是这个问题。失了。问题是在生物质气化炊事炉的研制中,我们要尽解决办法是使生物质气化和燃烧一体化,在炉囗上可能的减少热损失,目的还是为了提高热能的利用率。让气化产物不做任何处理进行直接燃烧。不冷却、不除在测算炉具热效率的反平衡中,其实我们炉具的热焦油、不过滤、不洗涤、不除尘,叫简易气化,也叫半效率η=100-(Q2+Q3+Q4+Q5+Q)。Q2至Q就是炉具各气化。这种处理方法既经济又环保。在生物质炊事炉燃项热损失,如果我们能使各项热损失降到最小,实际上气的出口,直接配上二次风,热燃气在炉口燃烧既节能就提高了炉具的热效率(n)。又可使焦油燃烧掉。我们的第丨型生物质炊事炉就是采现在我们一项项来研究如何降低各项热损失用的这种方式,但由于没有采用风机配合,特别是氧化排烟热损失Q2:生物质在炉具中燃烧时,烟气离层燃烧,如前所述,它需要1200℃以上高温和大量的气开炉口的温度很高,就是说燃料输入的热量的一部分被化剂(空气),没有鼓风就很难使氧化层完全燃烧,氧烟气带走。我们在炉具设计中,为了减少排烟损失,采化层的热量大部分被损失了。实际上是因为固定碳未能取了两方面的措施。一是扩大热烟气与炊具的受热面气化燃烧,热效率只能排徊在35%左右。一般的炉具,火焰只经过锅底,烟囱就把热烟气带走我们在生物质炊事炉上加装微型风机后,实现了炉了。现在我们的炉口上设置了围火墙(见图一),火焰温和进风量可控,次风可自由调节。在各个燃烧不光要经过锅底,还要绕行经过锅壁,充分换热后,经时段进行不同的配风,实现了固定碳的气化,对燃烧热导热槽下行,烟气才能进入烟囱。二是要控制过剩空气效率的提高具有突破意义系数,过量的空气进入炉内,不但不能助燃,而且把热传统意义上的气化炉是连续不断加料的,各个燃烧量带走。我们的炉具测试结果表明,过剩空气系数为层带的反应是同时进行的,不会出现很大的变化。生物1.71,排烟温度88℃,证明很好的降低了排烟损失。质是一次向炉膛添满料,微开一次风,然后从炉口点化学不完全燃烧损失Q3在生物质的燃烧反应中,火,炉膛烧热后开启二次风。炉口进入正常的气化燃烧完全燃烧后主要产生CO2、水蒸汽及灰渣。但在空气不后,气化进入热分解为主的第一阶段:即挥发份燃烧阶足、碳与空气混合不均、炉膛温度不够等情况下,生物段。分解温度只要求400℃以上。此时可关闭或微启一次质不能完全燃烧,烟气中会产生CO等可燃气体,它们风。全开二次风,生物质就能正常的进行气化燃烧。此仍可燃烧并放出热量。如果这部分可燃气体随烟气带时若全开一次风,可使气化过程激烈化,造成热量过剩走,就会造成化学不完全燃烧损失,化学不完全燃烧损而带来的损失。当秸秆颗粒的挥发份逐渐减少,进入气失等于烟气中的可燃气体与它们体积发热量的乘积之化的第二阶段:即固定碳的氧化层的气化阶段。我们知和。从检测的结果中可以看到我们炉具烟气中的cO的道氧化层的气化燃烧需要1200℃以上的高温和足够的气含量仅为004%,证明气化燃烧调整得很好,化学不完化剂(一次风),此时要因势利导,逐步开大一次风,全燃关小二次风,使气化反应继续顺利进行。第二阶段的气化很重要,一般以为生物质挥发份气化后就完成了整个发份高YH中国煤化工CNMHG生物质燃料中含挥死妞,从有采取特殊的技术手气化过程。实际上后面还有一个残留固定碳气化高峰,段。新能源产业2科学研究| Scientific Research散热损失:炉具表面的散热损失是指炉体和锅具我们研制了新型炉膛,可以大胆的用散装膨胀珍珠岩保向四周环境中散失的热量。两个相互接触的物体如有温温。提高了保温效果,降低了保温成本。度差,必定存在着热传导现象,热量总是自发的从高温生物质炊事炉的成本:为了保证生物质炊事炉使用物体传递给低温物体。特别是在炉膛高温燃烧区,由于的安全,风机功率为3W,加装小型变压器,使电源变为内外温差大,热传导更为厉害。这一区域保温不好的炉12V直流电,成本为23元。炉体总重12kg,其余钢材具,热损失大,热效率低。我们根据炉体炉温的不同,搪瓷、炉膛、保温材料等70余元,共计成本约100元/对炉具进行分段保温,保温材料、保温厚度都有区别,台,是目前生物质炊事炉400元/台的四分之一。要使农目的是要尽量减少散热损失民不仅感到好用,还要用得起炉体吸热(蓄热)损失Qe:由于炉具的燃烧过程是个非稳态过程,特别是生物质炊事炉,做一次饭点5生物质炊事炉(鼓风)操作使用次炉,点炉时生物质燃烧放出的热量首先要传给炉体使用燃料:各种生物质成型颗粒燃料,g8、g12使炉体的温度逐渐升高,最后到稳态。炉具从启动到稳的颗粒为最佳。玉米芯、小木块、树枝削片等亦能使态所吸收的热量称之为炉体吸热损失,又称炉体蓄热损用。因生物质燃料的灰熔点普遍偏低,燃烧后有些燃料失。此项损失一般较大,它的大小取决于炉体的结构、(如玉米秸秆)可能产生结渣现象,但不会影响燃烧与材质、重量、大小。特别是炉具的炉膛,一般做得很气化,待燃烬并且炉膛冷却后,可用火钳将渣块从炉膛厚、很重。燃料在炉膛中燃烧,炉膛首先要吸收大量的内夹出。热量,炉膛烧红后,才能上火,除了造成炉具的吸热损次装生物质颗粒燃料1~12kg,可供四、五口之失大外,还影响上火速度。为此,我们为生物质炊事炉家做一顿正餐,燃烧时间70分钟左右,功率为23KW研制了一种质轻、壁薄的炉膛,壁厚仅5mm(一般为配3W微型风机,每天炊事按3小时计算,每月耗电30mm),目的是提高上火速度和减少吸热损失。且我027kwh。装好料后用点火器将散料秸秆点着,再将秸们将整个炉具的重量控制在十公斤的范围内,一方面降秆颗粒点燃,慢慢开启一次风,待炉口烧热,开启二次低了成本,同时又减少吸热损失风(整个时间约二分钟),开始进入以热分解为主的气总之,我们围绕减少各项热损失着手,将损失降到化阶段。因为主要是秸秆的挥发份分解,只需要400℃最低,实质是提高热效率。热效率我们由最初的30%提以上温度,气化稳定后,可关闭或微开一次风,可延长高到40%,再提高到50%。目前处于国内领先水平。燃烧时间,提高热效率。燃烧40分钟之后,秸秆的气化将缓慢进入固定碳氧化层气化为主的阶段,需要1200°℃C4生物质炊事炉(鼓风)的制作与成本的高温。所以要慢慢的开大一次风,关小二次风。如果为了降低炉具的生产成本,使农民买得起,我们选择以热分解为主的气化阶段将要结束,再开启一次风,炉的生产工艺为:炉具设计为圆型,借鉴园桶机械化生产膛温度已经不可能升到固定碳气化要求的温度,使固定的经验,采用薄钢板胀压成型,为了增强薄钢板的强度碳不能进行气化燃烧,炊事炉的热效率至少要降低十个和防止钢板氧化,对炉桶采用搪瓷工艺。百分点,开启一次风的时间点很重要。炉膛制作:炉膛要经受1200℃以上高温,必须使掌握好一、二次风开关调节的规律,是用好生物质用耐火材料制作,目前使用的耐火材料若要制作这种炊事炉的基本条件。熟能生巧,烧几次炉子,经验就会炉膛,厚度至少为30mm,缺点是这么厚的炉膛,炉膛慢慢积累。吸收的热量会很大。做一餐饭如果使用一公斤生物质秸炉子点火后,一分钟后就开始气化,二分钟后就能秆,热量仅1400|/kg左右,炉膛吸热量会占到10%左座锅,12~14分钟就能烧开5kg水。如果临时来客,感右,这种热损失很可惜。另外,炉膛太厚,挤压了保温到火力不够,可通过加料口临时加料,一样可以气化,层,使保温效果下降。我们研制了独特的薄壁炉膛,厚也不会冒烟。要调整火力的大小,亦可通过一、二次风度仅5mm,为原厚度的六分之一,炉膛的吸热损失跟着进行调节,要大可大,要小可小。使用简单,操作方下降六分之五保温材料的选择:散装的膨胀珍珠岩的耐火度高保温性能好,且价格便宜,是很好的保温材料。但由于它质轻,体积小,有一个小孔就能不断的泄漏出来H出中国煤化工NMH环况休以留检测中心测试,该炉具必须密封好,不使其泄漏。主要是炉膛不能破损,因此各项指标均达到合同要求,详见下表:22www.ehome.gov.ens Scientifc Research|科学研究61实际指标与合同指标比较项目合同指标际达到指标热效率51.8%燃料消耗量≤20kgh1kg/h炊事火力强度2.2kW排烟温度88℃匚。烟气折算排放浓度<50mg/Nm8mg/NmCO折算排放浓度0.04%林格曼黑度<1级次点火成功率>99%,操作简便同左正常使用寿命同左炉具成本400元/台100元/台62与北京地方标准DB11/1392007锅炉大气污染物排放标准比较污染物大气污染物排放限量生物质炊事排放量烟尘(mg/m)二氧化硫(mgm)0氮氧化物mgm2)150烟气不透光率(%烟气黑度(林格曼级)经验论坛沼气综合利用效益好吴亚泽师朝霞张明娇山西省临猗县农业局临猗县东张镇街东村村民姬存祖,积极探索沼气综合利用纯沼液喷一遍,1m大约喷7亩;苹果套袋后平均气温保持25℃新途径,在总结出沼气全年使用的基础上,在沼渣、沼液的综以后再喷2~3次,中间间隔15天,沼液的含量为三分之一,合利用上积累了丰富的经验。他家自建的12m3沼气池,不仅1m3大约喷7亩;采摘后大约在11月份再喷一次,沼液的含量为满足了一家7口人的生活和照明,而且还可以节约化肥、农药二分之一,1m3大约喷5亩。苹果树用沼液全年喷打5次后,大等2000元,总效益达到2500元左右。大减少了农药用量,有抑制蚜虫卵的繁殖,对蚜虫、红蜘蛛起2002年,姬存祖自发建设了一个12的沼气池,并在沼到了控制作用,对小叶病、黄叶病、腐烂病也有较好的防治。气旁边建了一个2m的溢粪池。2006年以前,他一直用猪粪做沼渣的使用方法基本是穴施,必须深埋。一个12m的沼原料,之后,他探索用面粉加工厂下脚料小麦作原料,每半月气池年产5~6m沼渣,大约1万多斤,从2004年开始,他对5加100公斤左右。同时,他还探索出每年的9、10月进行一次~7年的红富士苹果树每棵一年施用20~25公斤,施用后果树大换料,从而使自己的沼气全年都能使用,极大地提高了沼气树干明叶子黑福灌叶识每年增产15%~30%,明的使用效率显好于中国煤化工对于沼渣和沼液的综合利用,他进行了积极的探索,并积CNMHG喷施果树,而且还带动累了丰富的经验。在沼液的使用上,他在新的沼液吸出后先晾周边群众天七干户也在使用。目前,他又在食用菌上进行试3~5天,使有毒气体充分挥发,然后在每年的草果露红以前用验,力图把沼气的综合利用推广到更广阔的领域。新能源产业23