生物質節(jié)能猛火炊事爐設計和實現(xiàn)農業(yè)建筑環(huán)境與能源工程專業(yè)

1、 生物質節(jié)能猛火炊事爐設計和實現(xiàn) 農業(yè)建筑環(huán)境與能源工程專業(yè)摘 要隨著社會的發(fā)展，人們經濟水平及科技水平的提高，農村的能源結構也發(fā)生著巨大的變化。一方面，煤、石油等化石燃料價格的上漲，加重了農村居民的生活負擔；另一方面，政府為改善農村環(huán)境，禁止秸稈等大量燃燒，而秸稈等生物質原料得不到合理的利用，造成了資源的浪費。所以，開發(fā)生物質能源對解決農村能源問題是一個可以考慮的方向。本課題是設計出一個生物質節(jié)能猛火爐，使生物質燃料應用于家用爐具，其主要內容如下：依照爐具設計步驟，計算出爐具熱效率，在此基礎上計算出爐具各部分參數(shù)，參考文獻確定爐具各部分的關鍵參數(shù)并設計出爐具。依照NY/T 8-2006民用柴

2、爐、柴灶熱性能試驗方法；GB/T10180-2003工業(yè)鍋爐熱工性能試驗規(guī)程，試驗并測定出爐具的相關指標參數(shù)；計算發(fā)現(xiàn)相關指標與設計基本一致。分析爐具優(yōu)缺點，探明其原因并提出改進方法。關鍵詞：農村生活用能 生物質燃料爐具設計 爐具性能試驗目 錄TOC o 1-4 u 1前言 PAGEREF _Toc12707 11.1研究背景 PAGEREF _Toc14209 11.2課題目的和意義 PAGEREF _Toc17778 12上燃均衡供氧式生物質炊事爐的設計 PAGEREF _Toc7796 22.1生物質炊事爐具的設計要求 PAGEREF _Toc9892 22.2生物質炊事爐具的原理與結構

3、 PAGEREF _Toc16735 22.2.1生物質炊事爐具的原理 PAGEREF _Toc20600 22.2.2生物質炊事爐具的結構 PAGEREF _Toc22975 32.3燃料及燃燒效率計算 PAGEREF _Toc23784 32.3.1燃料計算 PAGEREF _Toc28261 42.3.2爐具熱效率估算 PAGEREF _Toc16692 42.3.2.1排煙熱損失 PAGEREF _Toc27235 42.3.2.2機械不完全燃燒熱損失，化學不完全燃燒熱損失，爐具散熱損失 PAGEREF _Toc9141 42.3.2.3灰渣熱損失 PAGEREF _Toc19471

4、42.3.2.4炊具散熱損失 PAGEREF _Toc15680 52.3.2.5其他熱損失 PAGEREF _Toc13663 52.4 生物質成型燃料炊事爐的設計計算 PAGEREF _Toc2721 62.4.1 生物質燃料消耗量的計算 PAGEREF _Toc12271 62.4.2爐膛參數(shù)的確定 PAGEREF _Toc30456 72.4.3 爐排總面積及爐篦的計算 PAGEREF _Toc19056 82.4.3.1 爐排總面積 PAGEREF _Toc11778 82.4.3.2爐排熱負荷 PAGEREF _Toc8783 92.4.3.3爐篦的計算 PAGEREF _Toc3

5、2140 92.4.3.4吊火高度 PAGEREF _Toc17367 93 生物質炊事爐具性能試驗 PAGEREF _Toc10150 103.1熱性能測試主要依據(jù) PAGEREF _Toc23576 103.2 試驗條件 PAGEREF _Toc21331 103.3試驗方法 PAGEREF _Toc21340 103.3.1實驗準備 PAGEREF _Toc30660 103.3.2實驗步驟 PAGEREF _Toc23539 103.3.3實驗數(shù)據(jù) PAGEREF _Toc15970 113.4生物質炊事爐具熱性能 PAGEREF _Toc8339 113.4.1蒸發(fā)鋁鍋與水量的選擇

6、PAGEREF _Toc31283 113.4.2炊事火力強度 PAGEREF _Toc22189 123.4.3炊事熱效率 PAGEREF _Toc1886 124實驗結果分析 PAGEREF _Toc23646 134.1爐具設計指標與測試結果分析比較 PAGEREF _Toc15322 134.2與現(xiàn)有爐具的比較 PAGEREF _Toc1760 134.2.1本爐具具有的優(yōu)點 PAGEREF _Toc6798 134.2.2缺點及不足 PAGEREF _Toc11699 135總結 PAGEREF _Toc17512 13參考文獻 PAGEREF _Toc8144 15致謝 PAGER

7、EF _Toc16180 161前言引言包括國內外研究現(xiàn)狀，主要陳述目前的技術研究程度，全文的文獻也主要在這。請具體添加隨著人類對能源開發(fā)與利用程度的加深，技術手段的發(fā)展與成熟，人們對能源的需求逐漸向多元化、高效率、可再生、清潔型能源轉變。其中，生物質能作為一種人類自古以來一直使用的能源，雖然在歷史進程中被煤和石油所取代，但通過各種現(xiàn)代技術手段的加工與改造，生產出可以滿足人們生產與生活的能源產品，再次展現(xiàn)出新的競爭力。并且隨著化石資源的逐漸枯竭，生物質能以其來源廣、可再生等特性再次走進人們眼前。生物質能技術是通過物理或化學技術，將生物質如秸稈、稻殼、木頭、鋸末等，加工成為品質更高的燃料，以滿足

8、越來越大的能源消耗。煤和石油等化石能源遲早有消耗完的一天，而生物質能技術隨著不斷地發(fā)展和創(chuàng)新，將來很有可能成為代替化石能源的主要能源之一。1.1研究背景目前，我國對生物質資源的利用主要集中在農村，雖然有些生物質資源經過加工得到很好的利用，但對大部分生物質資源的利用還是以直接燃燒為主，燃燒利用率較低，有些還被當做廢棄物進行焚燒處理，盡管近年來我國多地已禁止焚燒各類生物質資源，但這些生物質資源仍沒有得到很好地利用。其實國內外已經對生物質能進行了很長一段時間的研究，國外甚至很早就形成了關于生物質能技術的規(guī)?；a業(yè)，其成果之一便是生物質成型燃料，生物質成型原料是以農林剩余物為原料，用生物質固化成型法壓

9、制成高密度顆粒，作為一種經濟低碳的可再生能源，與煤、石油相比它灰分少、含硫量低、運輸方便，并且經過壓制成型后的燃料體積小、比重大、熱值高，可廣泛應用于供熱發(fā)電或家庭做飯等。1.2課題目的和意義應用生物成型燃料技術生產出的生物燃料，可以有效緩解農村能源緊張、降低農村用能費用等。然而經過調查發(fā)現(xiàn)市面上的生物質炊事爐大部分存在熱效率低、燃燒不完全等問題，并不能滿足使用者的日常所需用能，怎么說明你的效率是高的這對生物質能源的推廣所以本課題目的是設計出一種具有較高熱效率的家用生物質炊事爐。將這種家用生物質炊事爐廣泛推廣的話，將具有重大意義：能更有利于對生物質能源的推廣 生物質能源是一種清潔、豐富、可再生

10、、可替代的能源，然而由于技術水平的限制，無法得到大量的推廣。尤其是生物質成型燃料，雖然其具有原料來源廣，制作工藝簡單，燃料價格便宜等優(yōu)點，但是由于小型家用生物質燃燒爐往往具有燃燒效率不高等缺點，得不到消費者的認可。生物質燃燒爐的大規(guī)模推廣將有利于向社會推廣生物質燃料。改善農村能源結構，降低用能費用 近幾年來農村經濟得到發(fā)展，能源建設效果顯著，但是部分地區(qū)仍以秸稈、薪柴為主要用能對象，既破壞了植被又影響了環(huán)境。如果用化石燃料來供能又無法承擔所需費用，但是用價格相對便宜的生物質成型燃料，將會在提高生活水平的同時又不會造成環(huán)境的破壞。所以大規(guī)模使用生物質燃料將會一定程度上改善農村的能源結構。2上燃均

11、衡供氧式生物質炊事爐的設計2.1生物質炊事爐具的設計要求依據(jù)生物質燃燒的基本特性，結合農村的生活習慣和經濟條件，爐具必須滿足以下原則：1.結構合理，使用方便，點火容易，上火快；2.安全衛(wèi)生，熱性能穩(wěn)定；3.適應農民生活習慣和燃料要求，造價低，實用耐用。對于生物質成型原料爐具來說，除了以上原則外，還要充分考慮以下幾點： 1）充分利用生物質產生的揮發(fā)性物質和燃燒過程中碳化物質的熱輻射能量；2）有效利用燃燒過程碳化物質的熱輻射能量，合理地組織爐內過程，保證燃燒氣體能進行有效的對流換熱；3）空氣能均勻流暢地進入爐內，實現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定燃燒；4）火力足、火勢均，燃燒完全，不冒黑煙，能源利用效率高。2.2生物質

12、炊事爐具的原理與結構2.2.1生物質炊事爐具的原理 取出聚火口，將生物質成型后的顆粒燃料從出火口加入到爐膛內的爐篦上，將配風手柄置于點火位置，采用上點火方式點燃料倉上面的引火柴，燃料點燃后打開電源開關，用操作鉤裝上聚火口，待燃料進入正常燃燒后，可根據(jù)需要旋轉配風閥手柄調節(jié)供風能力，達到所需調解火力大小，燃料燃燒結束后關掉風機開關及拔掉穩(wěn)壓電源。2.2.2生物質炊事爐具的結構生物質顆粒炊事爐具主要組成包括：燃燒單元、風機進風單元、自然風進風單元、隔熱單元、支撐單元組成。燃燒單元有聚火口、爐膛、爐蓖、灰倉四部分組成，其結構示意圖如下。1鍋圈 2聚火口 3二次進風孔 4二次風套 5 燃燒爐膛 6風機

13、 7 隔熱層 8一次進風孔9一次進風套10 出灰口組件 11 可調式爐腳 12排煙口 13爐蓖 14 自然進風管 15 灰倉圖2.1 生物質顆粒炊事爐具結構示意圖在學院網站下載論文要求修改格式和字體本炊事爐具出火口和進料口為同一個口，生物質顆粒進料方式采用一次性進料，改變了生物質爐必須留一個專門的加料窗口，方便加料的傳統(tǒng)觀念，該爐具根據(jù)用戶的炊事需要，一次加料完成可滿足一頓飯的炊事要求，免去了持續(xù)加料反復的勞作過程。在對顆粒引燃方式，采用上點火方式，燃料從上往下燃燒，使生物質氣化和燃燒一體化，在爐口上不做任何處理進行直接燃燒。這種從上往下的燃燒方式使爐膛內的燃料燃燒時間更持久，并且爐火的出口裝

14、有聚火環(huán)，保證火勢的集中，以滿足炊事對火勢的要求。2.3燃料及燃燒效率計算為簡化實驗計算，本次計算所涉及到的熱力學性質均作為理想狀態(tài)處理，對煙氣、空氣及水蒸氣都作為理想氣體處理。2.3.1燃料計算本次課題所采用的生物質燃料是由玉米秸稈等壓縮成型的顆粒狀生物質燃料，為計算出生物質爐的燃燒效率，首先要知道燃料的熱值，用實驗室中的微量量熱儀對所用燃料進行測定，測得該生物質燃料的熱值約為14600。2.3.2爐具熱效率估算本次設計假定冷空氣溫度為20，排煙溫度。參考文獻（鍋爐計算手冊），可知實際排煙焓，冷空氣理論焓，過量空氣系數(shù)。2.3.2.1排煙熱損失排煙熱損失是指排出煙氣所損失的熱量，計算方式如下

15、： （%） 將具體數(shù)值帶入公式，參考畢業(yè)論文要求；apy是什么，以前沒有提到 （公式2.1）把實際排煙焓、冷空氣理論焓等各項數(shù)值代入公式得。2.3.2.2機械不完全燃燒熱損失，化學不完全燃燒熱損失，爐具散熱損失機械不完全燃燒熱損失是燃料在爐膛中燃燒時，部分未完全燃燒的固體燃料隨爐渣排出爐膛或以其他方式排出，而造成的損失。由于部分CO、等可燃氣體未燃燒放熱就隨煙氣排出所造成的損失叫做化學不完全燃燒熱損失。爐具散熱損失是爐具外表溫度高于環(huán)境溫度通過對流與輻射散熱造成的損失。根據(jù)所設計的生物質燃燒爐的燃燒特性，參考文獻（鍋爐計算手冊）所得出的上述三種熱損失的結果如圖2.1所示。熱損失是多少到底2.3

16、.2.3灰渣熱損失灰渣熱損失是指排出爐膛的灰渣帶有余熱，使之高于環(huán)境溫度，這部分熱量就是灰渣熱損失。 （%） （公式2.2）假定排出的灰渣為200，參考文獻（鍋爐設計手冊）表2-21可知，此時的灰渣焓值為，把數(shù)據(jù)帶入公式得。2.3.2.4炊具散熱損失在工作過程中，因為部分鍋體是裸露在空氣中的，所以會產生熱量的損失，公式如下： （%） （公式2.3）式中： 材料發(fā)射率 黑體輻射常數(shù)， 發(fā)熱體，環(huán)境溫度，K： 輻射面積，； 輻射時間，h。參考文獻（傳熱學）可得磨光的鋁在50500時發(fā)射率為0.040.06，??；設定在環(huán)境溫度為20，鍋體平均溫度為80，鍋具約有露在爐具外面，已測得鍋的直徑為28cm

17、，總高度為32cm，則輻射面積約為0.203；假設每千克燃料燃燒總時間為2小時。將上述各項數(shù)值帶入公式可得2.3.2.5其他熱損失除去以上熱損外，還有其他未能精確計算的熱損，如蓄熱損失，封火熱損失，添料及移動鍋具產生的熱損。參考文獻（家用生物質成型燃料爐具的設計與研究），對其他熱損失估算為25%。表2.1爐具熱效率的估算表的三線格不對項目符號公式或數(shù)據(jù)來源數(shù)值單位收到基單位發(fā)熱量測定14600排煙熱損失公式2.111.65%化學不完全燃燒熱損失鍋爐計算手冊6%機械不完全燃燒熱損失鍋爐計算手冊6%鍋爐散熱損失鍋爐計算手冊9%灰渣物理熱損失公式2.20.07%炊具散熱損失公式2.37.28%其他熱

18、損失假定25%總損失65%爐具設計熱效率10035%2.4 生物質成型燃料炊事爐的設計計算生物質成型炊事爐具要想取得良好的熱性能和方便使用，在結構設計上必須力求準確。2.4.1 生物質燃料消耗量的計算要確定燃料的消耗量需先計算出爐具的小時出力，在確定熱負荷時，要充分考慮我國不同地區(qū)的生活習慣，結合實際，才能達到不同市場的要求。據(jù)資料顯示，中國農村五口之家，要維持起碼的生活水平，平均每天所需的熱量Q1為12000 kJ，每頓飯的做飯時間約1小時，每天做飯3 次，設計的生物質燃料爐具的設計熱效率為35%，試驗用的玉米秸稈成型燃料的熱值Qnet,ar 約為14600，把所需數(shù)值代入公式可得： （公式

19、2.4） 式中： 燃料消耗量,kg/h；每日炊事所需的熱量，kJ/d;生物質低位發(fā)熱量，kJ /kg；爐具設計的熱效率，%；m每天做飯所需時間，小時/次；n每天做飯次數(shù)，次/日。代入公式計算可得： kg/h 生物質顆粒炊事爐具燃料的消耗量為0.78 kg/h，燃料的消耗量為爐膛參數(shù)的確定提供參考依據(jù)。2.4.2爐膛參數(shù)的確定爐膛（燃燒室）是指從爐篦到爐口下部之間的部分，燃料在這里充分燃燒。爐膛參數(shù)主要包括爐膛容積熱負荷和爐排熱負荷，恰當選擇爐膛參數(shù)是燃料完全燃燒的根本保證 。決定爐膛容積大小的主要指標是爐膛容積熱負荷，即每立方米爐膛容積中每小時燃料燃燒的發(fā)熱量大小。爐膛容積熱負荷過大，則燃料在

20、爐內停留的時間短，不易完全燃燒；反之，爐膛容積熱負荷過小，爐膛容積過大，燃燒分散，火力不集中。爐膛容積可按下式計算： （公式2.5）式中：VL爐膛容積，m3;BL爐具每小時燃料的消耗量，kg/h ;燃料的熱值，kJ /kg; 爐具的熱效率，%；燃燒室的最大容積熱負荷，KJ/h.m3。對于主要用于炊事的爐具，容積熱負荷一般在250000400000kJ/h.m3，根據(jù)爐具燃燒室容積的設計經驗，取容積熱負荷為400000kJ/hm3。 m3計算得出的爐膛容積為0.0099m3。 在爐膛設計時平直的爐壁直徑較大的空氣進口使進入的空氣可均勻的分布在燃燒室下方，空氣在煙囪抽力作用下，能較均勻的供給生物質

21、燃料進行燃燒，而直徑較小的路口可以起到聚集火焰、增加活力強度的作用，但本設計的出火口和進料口為同一個口，因此上爐膛半徑不宜過小，選擇爐口直徑為0.22m左右，且使用聚火裝置，以起到聚集火焰、增加火力強度的作用。圖2.2 爐膛形狀圖2.4.3 爐排總面積及爐篦的計算2.4.3.1 爐排總面積爐排安裝在爐膛的下部，用于支撐燃料并起到通過助燃的作用，設計時在盡量減少爐排與燃料的接觸面積的基礎上，使其能夠通風均勻。生物質顆粒炊事爐的爐排總面積指爐篦爐條總面積及爐條之間縫隙總面積之和。由爐膛形狀可知，爐膛體積： （公式2.6）式中: V爐膛體積，m3；H上爐膛高，m；R上爐膛半徑，m；h下爐膛高，m；r

22、下爐膛半徑，m。將爐膛體積VL=0.0099m3，上爐膛高H=0.2 m，下爐膛高h=0.1m，上爐膛半徑R=0.11m，代入公式可得下爐膛半徑:r=0.058 m則爐排總面積為:=0.011m2 即爐膛入口半徑為110mm，下爐膛半徑58mm，為設計方便選取下爐膛半徑徑60mm，爐排總面積0.011m2。2.4.3.2爐排熱負荷生物質顆粒炊事爐爐排熱負荷公式如下： （公式2.7）式中： 爐排熱負荷,kw/m2； BL生物質燃料消耗量,kg/h；燃料的熱值，kJ/kg;A爐排總面積,m2。由計算可得，本生物質炊事爐具的爐排熱負荷為100.65kw/m2。2.4.3.3爐篦的計算爐篦安裝在爐膛的

23、下部，起支撐燃料及通風助燃的作用?？諝鈴钠淇障哆M入爐膛，在爐膛內與燃料充分混合，有助于燃料的燃燒，空氣與燃料的接觸面積的大小由爐篦空隙的大小決定，因此爐篦面積的大小直接影響燃料燃燒的效果，面積過大或者過小都將影響燃燒效果。根據(jù)有關文獻關于爐排的設計參數(shù)及本實驗室的設計經驗，將爐篦的面積定為爐排總面積的一半，即爐篦的面積為： S=A/2 （公式2.8）得到：S=0.0055m2 爐排示意圖如下圖所示： 圖2.3 爐排示意圖2.4.3.4吊火高度吊火高度是指鍋底與爐排之間的垂直距離。根據(jù)火焰溫度分布規(guī)律及一次爐膛所加入的燃料足夠炊事需求的目標，為使火焰大部分的最高溫度層直接接觸鍋底，取爐具吊火高度

24、為30cm，使鍋能夠接觸到高溫火焰，有利于提高上火速度，提高熱能利用率。本次設計共分兩組進行，供風系統(tǒng)及其設計將由另一組完成，本組僅進行爐具爐膛的設計分析。3 生物質炊事爐具性能試驗3.1熱性能測試主要依據(jù) 熱性能檢測主要依據(jù)NY/T 8-2006民用柴爐、柴灶熱性能試驗方法；GB/T10180-2003工業(yè)鍋爐熱工性能試驗規(guī)程。3.2 試驗條件(1)環(huán)境溫度：10-35；(2)相對濕度：小于85；(3)風速：小于1.0 m/s；(4)試驗戶用生物質爐具遠離其他熱源。3.3試驗方法3.3.1實驗準備本次實驗所需有蒸發(fā)鋁鍋一個，選用尺寸見表3.3，電子秤一臺，熱電偶測溫儀二個，水銀溫度計一個，煙

25、氣分析儀一臺，并按規(guī)定校正儀器；生物質燃料及引火柴若干。具體的陳述儀器設備及精度范圍等按表3.1確定初始鍋水量及生物質燃料用量，將溫度計通過鍋蓋中心圓孔，并用支架固定在距鍋底10cm處。3.3.2實驗步驟本次試驗需做兩次，分別測試風機鼓風狀態(tài)和自然進風狀態(tài)下的爐具炊事性能，其中供風系統(tǒng)的試驗由本組另一位同學李一帆測定，本課題只分析爐膛主體的各項性能。據(jù)表3.3所示，選取直徑為28cm的蒸發(fā)鋁鍋，并將4.5kg的初始鍋水量倒入蒸發(fā)鋁鍋中，測量初始鍋水的溫度并記錄。將事先稱量好的生物質燃料及引火柴放入爐具中，以適當方式引火，記下火種投入爐具的時刻，同時將蒸發(fā)鋁鍋放在爐具上，將熱電偶插入爐膛中心處，

26、炊事火力強度實驗開始。當鍋中水沸騰時，記下此時時刻及鍋中水的溫度，以及爐膛溫度，開始鍋水蒸發(fā)實驗。在鍋水蒸發(fā)實驗中，每隔五分鐘記錄一次鍋水溫度和爐膛溫度，直到爐中的生物質燃料燃盡；鍋水溫度下降至低于沸點5時結束，稱量剩余鍋水量，并記錄下此時時刻，實驗結束。3.3.3實驗數(shù)據(jù)本次試驗開始時間為17：05，結束時間為17：50。所用生物質燃料量為2kg，水4.5kg，初始水溫28.9爐膛溫度在點火5分鐘后開始記錄，數(shù)據(jù)如下表：表3.1 爐膛溫度時間17:1017:1517:2017:2517:3017:3517:4017:4517:50爐膛溫度353.1768.7673.8651.0612.860

27、6.8742.1879.4505.4單位鍋水沸騰時刻為17:20，此時鍋水蒸發(fā)實驗開始，所記錄的數(shù)據(jù)如下表：表3.2 鍋水溫度時間17:2017:2517:3017:3517:4017:4517:50水溫999999100999895單位3.4生物質炊事爐具熱性能3.4.1蒸發(fā)鋁鍋與水量的選擇表3.3 蒸發(fā)鋁鍋規(guī)格與水量炊事火力強度P/kW初始鍋水量G1/kg蒸發(fā)鋁鍋直徑D/mm生物質燃料用量B/kg2.052402.02.0-3.572802.0-4.03.593104.0根據(jù)生物質爐具熱性能測試標準中蒸發(fā)鋁鍋規(guī)格與水量的要求，如上表所示，選擇直徑280mm的蒸發(fā)鋁鍋，生物質燃料用量選擇2kg。3.4.2炊事火力強度炊事火力強度用單位時間鍋水升溫和蒸發(fā)所吸收的熱量表示： （公式3.1）式中： 炊事火力強度，kW； G1蒸發(fā)鍋內初始水量，kg； G2試驗結束時剩余水量，kg； t1,t2鍋水初始溫度和沸騰溫度，； 鍋水在平均蒸發(fā)溫度下汽化潛熱，kJ/kg； 4.18水的比熱容，kJ/kg; T1,T3點火時刻和試驗結束時刻。試驗鍋水水量為4.5kg，初始溫度28.9，沸騰時溫度為99.5，試驗結束時剩余水量1.032kg，從點火時刻到試驗結束共44min，經計算炊事火力強度為3.47 kW。3.4.3炊事熱效率 炊事