生物质燃气专用灶具的设计

第17卷第4期农业工程学报Vol 17 No 4001年月Transactions of the csaeJuly2001165文章编号:1002-6819(2001)04-165-03生物质燃气专用灶具的设计雷廷宙,师新广,李海军,杨剑锋,李再峰,胡建军(河南省科学院能源研究所)摘要:按照生物质燃气物理、燃烧特性,根据燃烧学、传热学及燃气互换性原理进行燃烧器、锅架髙度等理论计算,优化设计岀条形火孔旋流燃烧器、柱形极针高频脉冲点火器及双锅支架等各部分结构和尺寸,制作样机后由配气装置配制岀各种生物质燃气进行实验研究,最终研究设计出高效节能、低污染、通用性好、易于点火、燃烧稳定的生物质燃气专用灶具。关键词:生物质燃气;通用性;灶具;燃烧器中图分类号:S216.2文献标识码:B生物质气化集中供气技术的推广应用是一项新殊的柱形极针,可方便可靠点火,着火率达100%兴的事业,对于消化农村大量剩余秸秆,减少环境污4)燃烧稳定性好,不脱火,不回火,无黄焰;染,改善农村用能结构,促进农业可持续发展具有重5)坚固耐用,价低质优要意义。作为该技术重要组成部分的生物质燃气灶1.2拟达到的主要技术指标具,是实现用气的终端设备,直接影响到用户的用气生物质燃气适应范围:4.6~6.6MJ/m3;额定效果。使用没有经过正规设计计算和实验研究而简热流量:3.2kW;热效率≥55%;烟气中CO含量(a单改装成的灶具,不仅浪费能源,而且造成环境的二1时)<0.05%;着火率100%;燃烧稳定性:不脱次污染,甚至会出现安全事故。鉴于此,1998年河南火,不回火,无黄焰。省重大科技攻关项目“新型生物质气化系统的研究1.3总体结构设计与开发”中的子课题“生物质燃气专用灶具的研制”,采用与液化气、天燃气通用的全不锈钢外壳,内就是要针对生物质燃气的燃烧特性,研制岀一种达设冷板喷塑支撑架,设计加大燃气阀体总成以及特到和超过GB16410家用燃气灶具标准要求的生物殊的燃烧器,组成整体性能优良,美观大方,坚固耐质燃气专用灶具用的生物质燃气专用灶。1生物质燃气专用灶具总体方案的确定2生物质燃气专用灶具各部分结构的设计1.I研究设计原则及计算1)高效节能、低污染。目前所有低热值煤气(包2.1生物质燃气成分及各种参数确定括低热值生物质燃气)灶具普遍存在着热效率较低生物质燃气是一种特殊的燃气,其特点是热值达不到国标要求的现象;同时由于燃烧不完全使得较低而比重较大,其流量特性及燃烧特性有其自身烟气中CO含量过高而污染环境。因此必须硏制新的规律性,不同于一般的城市用燃气。因此必须根据型的燃烧器,并能控制燃气与空气配比达到完全燃生物质燃气固有的特性,进行确切的设计计算来确烧,提高热效率,降低污染;定生物质燃气灶具的各部分尺寸。2)通用性好。根据燃气互换性原理,研究设计中国煤化工论是固定床,还是流化出的灶具当生物质燃气成分发生较大变化时也能正床CNMHG布产生的燃气,其燃气各常燃烧;成分含量一般在表1所外范围内3)着火率高。采用高压脉冲点火方式,配以特根据计算知道,生物质燃气的各种物理和燃烧性能参数:低位热值HL:4.60~6.56MJ/m3;高位作者简仍赏勤集963-),男,所长,副研究员,湖南汉寿河热值H:4.95~7.13MJ/m;华白数W:5.18南省科学院能源研究所,主要从事生物质能利用研究,450087.77MJ/m3;实用华白数W:4.81~7.15MJ/m3;166农业工程学报相对密度S:0.8426~0.9146;绝对密度d:1.089理论烟气量:1.798~2.135m3/m3;燃烧速度指数~1.183kg/m3;理论空气量:0.962~1.370m2/m3;Cp:26~36。表1生物质燃气成分Table 1 Biomass gas componen气体名称H体积百分比/%13.0~19.018.6~19.81.8~4.00.2~0.760.1~0.1410.6~12.21.6~1.944.1~52.2我们以上述生物质燃气范围的平均值计算出灶3)引射器喉部直径为d"1=5mm,其它尺寸如具的各部分尺寸,然后根据燃气互换性原理进行数图1b。据调整,再通过实验研究进行验证,最终确定灶具的各部分尺寸及适用范围。生物质燃气的平均值:燃气成分:H216%CO19.2%、CH12.8%、CO211.4%、O21.9%、N48.1%、C2H30.48%、C3H30.12%;燃气低热值Fb.内圈5.547MJ/m3;华白数W=6.396MJ/m3;相对密图1外、内圈引射器尺寸度S=0.8792;理论空气量V=1.16m3/m3;理论Fig. 1 The sizes of out and inner ring of sprayer烟气量V2.5说明2.2确定燃烧方式及热流量1)从燃烧器计算结果可以确定燃烧器的所有烹调用灶具,一般采用大气式燃烧器根据生物尺寸但为了加工及装配方便,将某些尺寸做局部调质燃气理论空气量小,H2、CO含量高且含氧量较大整。例如:为了安装方便,将内、外圈燃烧器的引射器的特点,选取一次空气系数a=0.55,保证燃烧时的长度取为一致,保证喉部直径不变的前题下,引射在较低灶前压力时不回火较高灶前压力时不脱火。性能影响不大根据实际使用经验及GB16410家用燃气灶具2)为了节约钢材,同时保证火孔深度,条形火的要求,我们选取灶具燃烧器额定热流量Q=3.2孔加工成带凸缘的形状,当燃气流量在一定范围内kW。为了保证充分燃烧,将燃烧器设计成内、外两变化时,该火孔是比较适用的其外圈热流量为2.3kW,內圈热流量为θ.93)设置调风板,保证当燃气成分发生变化时,kW,并分别设置独立引射器,以便于调节吸入适量的一次空气,满足正常燃烧;调风板与混合2.3外圈燃烧器计算管的滑动部分要配合严密,并用钢簧支撑,不能随意设计火孔沿火盖均匀排列成条形,外沿高,内沿滑动低,内外沿连线的延长线与火盖平面的夹角为20°,2.6锅支架的设计火孔与径向连线之间的夹角为40°。根据常压大气1)锅支架的高度式燃烧器的计算方法,可得到如下计算结果。由于内圈燃烧器的单个火孔面积小于外圈燃烧1)火孔总面积F=200mm2,沿圆周均布22器,以外圈火焰的高度高于内圈,可以外圈火焰高度个矩形(12mm×0.8mm)火孔深度为2.4mm;为准。根据已设计的燃烧器可计算岀外圈燃烧器內2)喷嘴直径d=4.0mm;锥高度ha=7.7mm,外锥高度为h=32mm,因此)引射器喉部直径d1=9mm,其它尺寸如图可rV凵中国煤化工2mm1a所示CNMHG2.4内圈燃烧器的计算吧镝攴架攴点截面设计为梯形,既能满足平底其计算方法同外圈燃烧器,各部分尺寸为:锅的要求,又适合于尖底炒锅的需要。为了避免支架1)火孔总面积FP=75mm2,可均布φ2.8mm过长伸入火焰燃烧区引起冷态效应,造成不完全燃的孔13个受擔孔深度为h=64mm;烧,设计锅支架内环直径为125mm。按照GB164102)喷嘴直径d"=2.46mm1996家用燃气灶具的要求,锅支架应能满足第4期雷廷宙等:生物质燃气专用灶具的设计0mm的小锅,设计一外圈φl80mm,内环φ75较大,一般燃具阀体的通气孔及密封长度均不能满mmn的小锅支架,在使用小锅且仅使用內圈火时,将足要求。根据使用情况,对生物质燃气阀体提出如下小锅支架放在大锅支架上使用,避免了冷态效应。要求:①能够单独控制内、外圈燃烧器且能调节内外2.7点火系统的确定圈燃烧器的火力大小;②保证达到喷嘴截面积4倍生物质燃气着火温度较高(700~800C)决定了以上的通气孔截面积(即通气孔直径≥9.4mm);③其点火的难度。实现正常点火的必要条件有两个:其旋塞阀周向密封长度≥3mm,轴向密封长度≥6是燃气与空气的混合。点火是一种近似爆燃的状mm;④实现旋塞阀与点火联动态,它必须是在燃气与空气混合的状态下进行。生物2.9灶具进气丁字管尺寸的确定质燃气的燃烧范围为20.7%~73.3%,从燃烧器设灶具进气丁字管尺寸的大小,影响着灶具热流计计算中可知,一次空气系数为0.55时,从火盖流量的大小。根据经验,丁字管进气口内径≥13.3岀的燃气浓度为61%,符合正常燃烧的范围,可以mm,分支管内径≥9.4mm,即可满足灶具热流量的直接点燃;其二是点火时间。为防止爆燃,从燃气喷大小且满足流量百分比>90%的要求。出到着火,时间最长不得超过4s。2.10灶具材质的确定基于以上电极面板采用0.45mm厚抛光不锈钢板;火盖、燃考虑,采用电子具旋塞、喷嘴等部件采用黄铜铸件机加工;燃烧器为脉冲自动点火铸铁外涂耐高温不沾油涂料;燃气阀体为铝合金压燃烧器系统(即连续点火变压器铸件;锅支架为冷板镀镍一铬;內部支撑架为冷板烤火花式点火装漆置),其原理如图2所示。为方3结语便点火,调整脉通过计算分析,能基本确定生物质燃气专用灶冲次数为3次/图2连续火花式点火装置原理图具各部分结构及尺寸,经过大量的试验研究表明,优s;将火花塞固Fg.2 Principle of the continuous化设计的条形火孔旋流燃烧器、柱形极针高频脉冲定于燃烧器上,flame lightin点火器,双锅支架结构等是可行的,该燃气灶高效节直接点燃燃烧器,省去点火燃烧器。将点火电源开关能、低污染、通用性好、易于点火、燃烧稳定。设置与燃气旋塞阀联动并超前2s,保证燃气流出[参考文献]前脉冲电火花已产生。另外,将电火花塞设置在内1]李强霖煤气应用手册[M].北京:中国建筑工业出版圈燃烧器上,以防溢锅污染电极造成点火不畅。社,1989.2.8燃气阀体总成的确定[2]邓渊.煤气规划设计手册[M].北京:中国建筑工业生物质燃气由于其华白数较低而需要燃气流量出版社,1997Design of Biomass Gas applianceLei Tingzhou, Shi Xinguang, Li Haijun, Yang Jianfeng, Li Zaifeng, Hu Jianjun(Energy Research Institute of Henan Academy of Science, ZhengAbstract: Based on the principle of combustion science, heat transfer, gas interchangeability and thebiomass gas physical and combustion characters, through theoretical calculation. the burner and the hightof double pot support were designed The burner with re中国煤化工 ight hole and the highfrequency pulse lighter is cylinder-shape with needle polCN MH Gs gas produced by gassupplying systems, the experiment on the sample appliance was carried out, and an improved type biomassgas appliance was designed The appliance has the advantages of efficient energy-saving, low pollutiongood general-purpose and steady combustion etcKey words丹数 gas; generality; appliance; burner