摘要：生物質氣化爐氣化產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的性能測試，包括熱負荷和熱效率的測定、火焰的穩定性、污染物的排放等試驗研究。實驗表明，生物質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的排放量均符合節能低排灶的標準。相關實驗數據為有關部門制定相關標準和規定提供了參考依據。

　　關鍵詞：生物質,戶用型,氣化爐,燃燒灶具

　　0 引言

　　生物質氣化爐氣化產生的燃氣最終需要使用燃燒灶具才可以進行炊事活動，但是生物質氣化氣的成分和特性有別于天然氣和液化氣，在灶頭的設計和使用方面也存在一定的差異，因此，研究和檢測生物質燃氣灶具的使用性能，包括熱負荷和熱效率的測定、火焰的穩定性、污染物的排放等，對生物質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氣化爐設計和生產的配套燃燒灶具(單頭)，以紅櫸刨花為氣化原料，參考家用燃氣灶具的有關試驗方法，對該灶具進行相關的性能測試研究。

　　1 燃氣灶具基本性能參數的測定

　　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。按照正常的操作[1][2]，使生物質氣化爐在穩定和最佳的狀態下運行，在點燃灶具前應檢查灶具前面的燃氣通路是否處于暢通的通氣狀態。

　　1)熱負荷的測量

　　參考家用燃氣灶具的有關研究方案，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，根據國標規定選擇合適尺寸的鍋及加熱水量(具體見表1)，繼續進行熱效率的試驗。

　　測試期間室溫在16～18℃之間，按照實際燒開水時的使用條件，不設有排風設備，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。點燃穩定后坐上鍋，加熱過程中鍋具均為加蓋的狀態，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，關掉燃氣繼續攪拌，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 試驗結果與討論

　　按照以上試驗方法和操作，經過數次試驗，計算得到的熱負荷數據如下：

　　由于生物質氣化的運行狀態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定，燃燒狀況正常，數據記錄如表3：

　　該生物質氣化爐燃氣灶具在氣化爐穩定運行的情況下，其平均熱效率為50%左右，低于相關國家標準[3]對天然氣或液化氣燃氣灶具的要求值(應大于55%)和相關燃氣設計手冊[4][5]的推薦值(55～60%)。多次試驗證明生物質燃氣灶具的熱效率具有一定的波動性，主要是因為氣源(生物質氣化氣)不穩定造成。生物質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相對穩定的情況。

　　由于戶用型生物質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備，起到穩壓和穩定流量的作用，但是這也會在一定程度上增加成本。此外，相關的規定都是針對天燃氣和液化氣的，對于生物質氣化氣的燃燒灶具沒有明確規定，建議有關部門可以制定相關的標準準則。

　　2 灶具熱效率與燃燒火勢的關系研究

　　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。調節火焰的燃燒火勢的手段主要是氣化爐供入鼓風量的大小，即氣化爐的產氣量，此外，尾部送風量的大小也可以適當改變燃氣的流量和燃燒火勢。Ⅰ、Ⅱ級為小火狀態，這時主要是內環火焰，火焰小而矮，外環火焰微弱或是沒有，Ⅰ級為小火的最小狀態，Ⅱ級為小火的最大狀態;Ⅲ到Ⅴ級為大火狀態，這時內環和外環均有火焰，Ⅲ級為大火的最小狀態，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，火焰高而大，Ⅳ級位于大火狀態的中間狀態，具體的燃燒情況見圖2。根據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系如圖3所示。

　　2.2 熱效率與燃燒火勢的關系

　　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。火勢Ⅲ的火焰穩定，內焰深紅色，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，而非預混火焰，火焰高而大，火勢大而不穩，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，除了優化灶頭的設計意外，掌握控制火勢的方法也是至關重要的。

　　3 煙氣中污染物排放量的測定

　　生物質氣化爐的設計與應用本著節約能源、緩解能源危機的目的，同時作為可再生能源，生物質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》中的有關規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，先測定室內干空氣中有關氣體成分的含量，將灶頭的火勢控制在最佳狀態，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等物質的含量。

　　測定煙氣中一氧化碳和氧的含量，用式(3)計算過�？諝庀禂�α等于1時，煙氣中一氧化碳的濃度：

　　式中：CO(α=1)——過剩空氣系數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�？諝庀禂�α等于1時，煙氣中氮氧化物的濃度：

　　式中：NOx(α=1)——過剩空氣系數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”——室內干空氣中一氧化碳含量，%(V/V);

　　O2’——干煙氣中氧含量，%(V/V)。

　　氣態污染物的濃度換算，1ppm(1u mol/mol)二氧化硫相當于2.86mg/m3二氧化硫質量濃度;氮氧化物的質量濃度以二氧化氮計算，1ppm(1u mol/mol)氮氧化物相當于2.05mg/m3氮氧化物質量濃度;1ppm(1u mol/mol)一氧化碳相當于1.25mg/m3一氧化碳質量濃度;這樣就可以將體積濃度換算成質量濃度[6]。

　　3.2 試驗結果和討論

　　煙氣取樣分析前，測得室內各氣體成分含量如下：

　　根據以上方法經過多次試驗，取數據的平均值計算和換算之后將生物質燃氣灶主要污染物的排放量與節能、低排放燃燒灶具的排放標準[7]進行對比，制表如下：

　　根據實驗數據表5看出，生物質燃氣灶具排放煙氣中CO的排放量沒有達到節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，雖然生物質氣化燃氣燃燒的污染物排放量較化石燃料有很大的優勢，但是為了戶用型氣化爐的推廣和炊事的安全性，生物質燃氣灶具還有待于進一步的研究與開發，以達到節能低排燃氣灶具的要求。當然，相關的國家標準和行業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燃氣灶具專門的規范和標準，希望本文所測得的數據能為以后相關部門制定規范提供參考。

　　4 結論

　　作為把燃氣化學能轉變為熱能并傳遞給炊具的重要轉換工具，本文對燃燒灶具進行了相關的性能測試，包括熱負荷和熱效率的測定、火焰的穩定性、污染物的排放等試驗研究。

　　實驗以某廠家為生物質氣化爐設計的配套燃燒灶具(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，略低于相關國家標準對天然氣或液化氣灶具的要求值(應大于55%);煙氣污染物中CO的排放量沒能達到節能低排灶的標準，NOx和SO2的排放量均低于該標準�？傮w來說，生物質燃氣灶具還有待于進一步的設計與研究。由于沒有針對生物質燃氣灶具的有關規定，因此，實驗數據具有一定的參考價值，建議有關部門制定相關標準和規定。

　　參考文獻

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

　　[2] 段玉燕. 戶用型生物質氣化爐主要技術性能的試驗研究[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. 建筑燃氣設計手冊[M]. 北京：中國建筑工業出版社, 1999

　　[5] 項友謙. 燃氣熱力工程常用數據手冊[M]. 北京：中國建筑工業出版社, 2000

　　[6] GB13223-2011. 火電廠大氣污染物排放標準[S]

　　[7] HJ/T311-2006. 環境標志產品技術要求 燃氣灶具