關鍵詞：生物質顆粒燃料；專用炊事取暖爐；設計；使用
1、研究背景
在我國，農作物秸稈年產約7億t，除部分作為造紙原料和飼料、肥料之外，大約有3億t可作為燃料使用，折合1.5億t標準煤；林木枝椏和林業廢棄物年可獲得量約9億t，約有3億t可作為能源利用，折合2億t標準煤。黨和政府對生物質能開發利用的高度重視，給戶用生物質爐具的發展帶來了機遇。我國戶用生物質爐具是個朝陽產業，尤其是戶用高效低排放生物質爐具，在溫室氣體減排、改善室內空氣質量和社會主義新農村建沒中將發揮重要作用。
2、研究成果
山西省長治市農機研究所積極響應國家關于“秸稈綜合利用”政策，根據市場需求，研制開發了生物質顆粒燃料炊事取暖（智能）兩用爐-11SKCQ型生物質顆粒燃料炊事取暖爐。經過大量的調查研究、反復試制試驗，樣機于2010年3月試制成功。從近S年的使用來看，該爐具基本達到沒計要求。富通新能源生產的木屑顆粒機、秸稈顆粒機壓制的生物質顆粒燃料如下所示：
3、研究的主要內容
3.1設計要求
為了達到戶用高效低排放生物質爐具的使用性能，對炊事取暖兩用爐沒計要求如下：①環保、衛生無污染、無廢水、無焦油，利于健康；②采用先進的生物質顆粒燃燒方式，多層給氧，充分燃燒，達到節能減排的目的；③設計多爐膛，合理利用余熱，提高熱效率，可同時做飯炒菜、煲湯、燒水、淋浴、取暖、烘烤等；④火力可調，有電源過載保護，有啟停按鈕及顯示；⑤性能穩定、操作簡便、安全可靠、造價低廉；⑥使用生物質顆粒燃料，備有燃料箱，具有自動上料、自動點火、自動溫控等功能，智能化程度高，實現傻瓜式操作。
3.2結構組成
11SKCQ型生物質顆粒燃料炊事取暖爐主要由螺旋上料器、機架、燃燒室風機、排煙引風機、電控柜、燃燒室、灰室、燃燒風道、二次風道、主火灶、烤箱、爐具水套等組成。整機結構見圖l。
3.3主要技術參數
外形尺寸 1200 mm 500 mm 700 mm
整機質量250 kg
取暖額定功率15 kW
參考取暖面積130m2
3.4工藝路線
使用戶用生物質炊事取暖爐時，把生物質顆粒燃料直接放入爐中點燃。該爐型是在直燃和氣化燃燒共同作用的基礎上開發的，即在燃燒過程中既有明火燃燒，又有氣化成分，沒有焦油析出，最顯著的特點是燃燒充分，不冒黑煙，熱效率較高，煙氣污染排放較低，有利于改善室內空氣質量和農民的身體健康。
4、主要部件設計
爐具的研發目前要求具有高效低碳低排放的性能。
生物質燃料在爐膛里燃燒，并進行合理配風，伴有氣化成分。該爐具二次風作用非常明顯，一是補氧，二是進一步加強煙氣的擾動，使燃燒更加充分。
高效低排放戶用生物質爐具指標：炊事爐、炊事采暖爐、采暖爐的熱效率分別大于35%、60%、65%，煙塵排放濃度小于50 mg/m;3，二氧化硫排放濃度小于30mg/m3，NOx排放濃度小于150 mg/m3，一氧化碳排放濃度小于0.2%。
4.1燃燒室的設計
要解決燃燒、傳熱與炊具配套的問題，首先要解決好爐子燃燒問題。好的爐子燃燒效率要求達到70%以上。燃料燃燒得越充分，污染物排放就越低。應從燃燒方式、爐膛材質的選擇、進風量的合理匹配等方面進行優化。為此，研究人員優化沒計了爐膛內芯，利用碳化硅做為爐芯材料，達到了節能的效果。爐膛內壁設計有切線式花紋，可以實現多層供氧。爐芯具有優異的導熱性、高熱震穩定性、高溫強度大、抗氧化性能高、很好的耐磨性能等特點。采用該爐芯后，實現了“沸騰+渦流式氣化直燃”的燃燒方式，底風可以從底部開始供氧，爐底可以以沸騰的方式燃燒，并且氧氣還順著切線花紋渦流配風，實現了多層給氧，燃燒更充分，達到節能減排的目的。
另外，在爐膛上方還沒計了一個環形擋火板，避免火焰過早地從出煙口排出，保存熱量。
通過料箱可自動向爐膛內均勻投放燃料，火焰在爐膛上方收攏匯聚后，在爐口位置增沒二次風道，與二次配風充分的混合，使燃燒更加徹底充分，提高出火口的溫度，氣化直燃不產生焦油、廢水等各種廢棄物排放，不會對環境造成二次污染，還可以降低有害氣體的排放，節能環保；采用高溫直接燃燒技術，焦油等以氣態的形式直接燃燒，解決了生物質氣化焦油含量高的技術難題，避免了焦油帶來的二次污染。
4.2多回程、多爐膛設計
多回程、多爐膛沒計，增加受熱面，合理利用余熱，提高熱效率，除炊事功能外，還可以取暖，有烤箱，有余火利用灶。為了合理布置和充分利用炊具的受熱面，降低排煙溫度，延長可燃氣在爐膛上部與鍋接觸的時間，研究人員從2個方面進行了沒計：一是沒計了引風機，通過微負壓來引導火焰方向，最大限度地加大鍋底的受熱面；二是沒計了爐具取暖水套、烤箱，充分利用余熱，解決了炊事采暖同步進行的問題。
4.3自動智能化控制系統
為了操作方便，實現自動點火、自動上料，沒計了遙控、觸摸兩用的控制面板，將單片機技術、弱電控制技術與兩用爐炊事、取暖功能很好地結合在一起，可以讓使用者從手工填料又臟又累的勞動中解脫出來，達到省時、省力、干凈、衛生的效果。通過控制面板還可以控制火力的大小。控制系統由單片機、遙控器、紅外接收器、觸摸顯示屏、上料器、燃燒風機、引風機、電子點火器等組成。工作過程是：①聯接220 V市電，將爐具總電源開關按下，此時電源指示燈亮，說明電源已經接通。按下控制面板點火開關( ONIOFF)，控制面板上的ON/OFF指示燈閃亮，手動指示燈亮。之后清灰10s，在10 s后讓風機停止轉動，開始自動下料，l擋指示燈亮，手動上料燈亮，并持續下料2 min。②2mm后，手動上料燈滅，停止下料。此時電加熱棒接通電源，通過負壓熱空氣的持續加熱，4 min后將點火孔附近的顆粒燃料點燃。③5 min后下料電機會在1擋位置間歇下料，l擋指示燈會閃亮。火力大小可通過調節上料器的高、中、低3個擋位（對應顯示燈的顏色分別為綠、黃、紅）實現大小火力的控制。④關機時只需按下開關鍵( ONIOFF)即可，此時所有指示燈全部熄滅，但燃燒排煙風機與燃燒風機會繼續工作，直到將燃燒室內的燃料全部燒盡并將余熱散盡，保護電氣電路不會被損壞，關機時間大約10 min。
自動點火是通過數字化控制燃燒室底部電加熱棒的啟動與關閉，實現一鍵點火，點火時間短(6min以內)，再通過控制上料器與風機的關閉實現一鍵封火，傻瓜式操作，方便快捷。
自動加料是由微電腦數字變頻控制螺旋加料器的啟動與關閉，實現了數字化控制加料量，通過人工預先沒置，實現大小火力可調，只需一次性將儲料倉加滿，可以1~3天不需要加燃料，最大程度地減少了勞動強度，使爐灶使用更具人性化、智能化。
自動清灰是根據生物質燃料灰分小的特點，通過給爐膛底部配風的風量實現清灰，配底風即可助燃，又可清灰。風力除灰，操作簡單，智能化程度高，工作量小。
4.4安全閥的設計
安全閥是爐灶沒備中重要的附件之一，它能自動地將爐灶工作壓力控制在預定的允許范圍之內。我國戶用燃燒爐大部分都分布在城郊及廣大農村，在夜間取暖時間較長，在高寒時期可能出現嚴重的凍爐現象，使進出水管全部被凍死，一經點爐就可能出現爐內增壓現象發生，從而發生意外事故。為防止事故發生，在爐頂部安裝安全閥，起到安全作用。該燃燒爐中沒置的安全閥可在點爐后第一時間排出爐芯壓力，是目前市場上最安全的戶用燃爐之一。當爐內壓力過高時，閥門自動打開，確保爐體安全。兩用爐的爐內壓力不大于2.5 MPa，采用彈簧式安全閥。
5、經濟效益與社會效益
高效低排放戶用生物質爐具適用范圍廣泛，適用于家庭、酒店、餐廳等場所，可同時炒菜、做飯、洗浴、取暖，還可用于大棚蔬菜升溫等。
經過熱值換算，1.4 t秸稈燃料相當于1t煤的熱能。以四口之家為例，每天3頓飯約需秸稈燃料3～5 kg，每年約需1080～1800 kg。
取暖每天約需再增加10~15kg，以4個月取暖期計算，約需1200~ 1800 kg。每戶全年約需秸稈燃料2.28～3.6 t，按360元，t計算，合820～1296元。
單戶若使用原煤做燃料，全年約需4.5 t，單價以700元／t計算，煤費為3 150元。單戶若用電炊事（3 kWh/天）、取暖(20 kWh/天)，以4個月取暖期計算，全年約需3 480 kWh，單價以0.5元/kWh計算，電費為1740元。
由此可見，與用原煤相比，用秸稈顆粒可節約成本1854~2 330元。與用電相比，用秸稈顆粒可節約成本444~ 920元。
6、總結
11SKCQ型生物質顆粒燃料炊事取暖爐的開發和利用，為秸稈轉化提供了有效途徑。生物質能源的綜合利用，可減輕直接燃燒作物秸稈造成的環境污染，具有顯著的經濟效益和環保效益。同時，有利于增加農民收入，改善和美化農村環境。
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