第六章 生物质的直接燃烧.doc

第6章 生物质的直接燃烧燃料是通过燃烧将化学能转化为热能的物质，由燃料获取的热能在技术上是可以被利用的，在经济上是合理的。生物质的燃烧是最普通的生物质能转换技术，它大体上可以分为炉灶燃烧、炕连灶燃烧和锅炉燃烧、炉窑燃烧等，其主要目的就是取得热量。而燃烧过程产生的热量的多少，除与生物质本身的热值有关外，还与燃烧的操作条件和燃烧装置的性能密不可分。因此，本章在介绍燃料燃烧计算的基础上，介绍几种生物质的燃烧设备。6.1生物质燃烧的反应热力学和化学平衡所谓燃烧就是燃料中的可燃成分和氧化剂(一般为空气中的氧气)进行化合的化学反应过程;在反应过程中强烈放出热量，并使燃烧产物的温度升高。尽管可燃成分并不是以元素形式存在，而是复杂的化合物，与氧发生燃烧反应产生一系列的化合分解反应，伴随热量的释放，但是作为物质平衡和能量平衡，可以通过可燃质元素及其化合物的热化学方程式计量，这些热化学方程式仅表示反应物与生成物之间的数量变化关系，与实际的反应历程无关。6.1.1燃烧热力学生物质主要由碳、氢、氧三种主要元素和其他少量元素如硫、氮、磷、钾等组成。在生物质中，磷、钾两种元素含量少且通常以氧化物的形式存在于灰分中，一般计算时不考虑。由于氧不属于可燃成分，所以生物质的燃烧计算实际上是生物质中碳、氢、硫、氮及其化合物的反应与燃烧的计算。生物质燃烧中，由于温度较低，一般认为大部分氮元素以N2的形式析出。而硫的含量极低，有的生物质、甚至不含硫，所以生物质燃烧实际上就是C、H元素的化学反应和燃烧反应。生物质燃烧时，生物质中C、H元素可能发生的化学反应及其反应热，见表6-1。表6-1 生物质中的C、H元素的化学反应及反应热6.1.2化学反应平衡由于生物质中C、H、O元素占绝大多数，其他元素如N、S等数量较少，但后者经氧化反应后，产物是NOx、SOx。这些产物对环境产生严重污染。因此，尽管在热力学上研讨NO/空气、NO/ NO2、SO2/ SO3的平衡也是同等重要的，但由于它们的真实含量是非常低的，所以在生物质的燃烧中通常不对这些组分的平衡关系加以讨论。从热力学上看，生物质燃烧实际上就是C 、H元素的化学反应与反应平衡，尤为重要的是CO/ CO2的平衡关系，它表明燃烧是否完全，涉及到燃烧效率。假定生物质燃烧时，发生化学反应： aA+bB+cCxX+yY+zZ (6-1)式中A，B，C参与反应物的组分;X，Y，Z反应产物的组分。按质量作用定律.化学反应速度与反应物的浓度乘方的乘积成正比。此时的正逆反应速度分别为： (6-2) (6-3)式中， k1和k2为分别为正逆反应速度常数。温度对化学反应速度的影响极大，主要表现在反应速度常数k上。不同物质在不同温度下，k不同。按阿伦尼乌斯定律： (6-4)式中k0 常数， 称频率因子；R气体常数，R=8.314J/(molK)；T绝对温度， K；Ea反应的活化能，J/mol。活化能大，反应速度常数k小，化学反应速度v低；活化能小，化学反应速度v高。温度高，速度常数k大，化学反应速度高；温度低，化学反应速度低。当反应系统达到化学平衡时，v1=v2，化学平衡时诸成分浓度之间的关系式为： （6-5）式中，Kr称为化学平衡常数，是不随浓度变化只决定于温度的常数。对于理想气体，化学平衡常数只是温度的函数，和压力无关。根据化学反应平衡常数，可以在此平衡条件下确定生成产物的理论极限产率。研究化学反应的化学平衡，则是为了了解最佳反应状态和主动改变某些平衡条件以调节生成物中某些组分气体。按此，对应于表6-1中所列出的C、H2及与之有关的化学反应，不同温度下的平衡常数的对数见表6-2。表6-2 气体与C（固体）、H2（气体）及与之相关的化学反应的平衡常数的对数（lgKr）尽管人们已经在这方面进行了大量的研究，在理论上取得了大量的成就。但是在实际的燃烧工程中，由于平衡很难达到，因此上述方程的应用是受到限制的，加上燃料与空气不可能达到理想混合，温度也不稳定。因此燃烧生成的CO组分是要实测的，而不是单纯靠热力学方程来计算。美国的Fields等引入了热平衡的概念，在分析实际燃烧过程中，热平衡比热力学平衡更有实际意义。对生物质颗粒来说，在瞬间是不可能达到热力学平衡的.但是，确实存在一种热平衡，即由输入的燃料和空气所产生的热量等于排出热量的一种平衡状态，排出热量为燃烧产物的热烩与燃烧装置周围热损失之和。而要了解生物质燃烧产生热量的速率，就必须考虑动力学方面的问题。6.2 生物质燃烧反应动力学生物质燃烧反应就是生物质与氧化剂(空气中的氧)之间进行的气固多相反应。因此，有必要了解一下异相化学反应动力学的一般知识。6.2.1异相化学反应速度固体燃料和气态的氧的反应是在固体表面进行的。氧扩散到固体表面与之化合，化合形成的反应物（CO2或其他）再离开固体表面扩散到远处。因此两者之间的总反应速度除了与化学反应速度有关外，还与氧气和中间生成气向碳表面的分子扩散速度有关。氧从远处扩散到固体表面的流量为： （6-6）式中质量交换系数；远处的氧浓度；固体表面的氧浓度。这些氧扩散到了固体表面，固体就与其发生化学反应，实验表明，这个反应速度与表面上的氧浓度有关，一般与Cb的某一分数幂成比例。为了简便起见，姑且认为与Cb成比例。化学反应速度可以用氧的消耗速度来表示，则有： （6-7）式中 单位时间单位面积的固体表面上消耗掉的氧量；化学反应常数，服从于阿伦尼乌斯定律。已知远处的氧浓度C，则： （6-8）一方面，由于k服从于阿伦尼乌斯定律，当温度上升时，k急剧增大。另一方面，与温度T的关系十分微弱，可近似认为与温度无关。因此，如果把上式作在-T坐标上，就会得到图6-1。如图6-1所示，整个反应速度曲线可分成三个区域。1.动力区(化学动力控制)当温度T较低时，k很小，很大，含因而，。此时燃烧速度取决于化学反应速度，因而称为动力燃烧区（或动力区）。由于反应速度常数很小，固体表面的图6-1扩散动力燃烧的分区1-动力区(化学动力控制)；2-过波区；3-扩散区（扩散控制）化学反应很缓慢，消耗的氧量很少，所以此时。此时提高燃烧速度的关键在于提高温度，例如在生火点炉时，应抓住温度这一关键，不必大力送风，以免降温。2.过渡区随着燃烧反应放出热量的增多，固体及其周围气体的温度会进一步提高，从而使得k变大，与k大小差不多，因而不能忽略。此时燃烧速度既取决于化学反应速度，又取决于氧向固体表面的扩散速度。3.扩散区(扩散控制)当温度T很高时，k很大，很小，因而。此时燃烧速度取决于氧的扩散，因而称为扩散燃烧区（或扩散区）。由于反应速度常数很大，固体表面的化学反应很快，氧从远处扩散来到固体表面后很快几乎全部被消耗掉，所以固体表面的氧浓度很低，几乎为零。消耗的氧量很少，此时。提高燃烧速度的关键在于提高固体表面的质量交换系数。例如提高空气与固体燃料表面之间的相对速度可以达到提高的目的。正常运行的燃烧装置中火床温度很高，燃烧处于扩散区，此时加强鼓风，就可提高出力。以上所述的化学反应与扩散的综合反应机理反映了固体燃烧过程的基本规律，但是实际上燃烧过程还包括许多更为复杂的环节与因素，牵涉到许多种化学反应。6.2.2生物质的燃烧过程由生物质的组成可知，生物质中含碳量少，水分含量大，使得其发热量低，如秸秆类的收到基发热量为1200015500kJ/kg；含氢较多，一般为4%5%，生物质中的碳多数为与氢结合成较低分子量的碳氢化合物，易挥发，燃点低，故生物质燃料易引燃，燃烧初期，挥发分析出量大，要求有大量的空气才能完全燃烧，否则会冒黑烟。由于生物质燃料的这些特点，使得生物质的燃烧与煤的燃烧一样也经历预热干燥阶段、热分解阶段（挥发分析出）、挥发分燃烧阶段、固定碳燃烧和燃尽阶段，但其燃烧过程有一些特点，1.预热干燥阶段在该阶段，生物质被加热，温度逐渐升高。当温度达到100左右时，生物质表面和生物质颗粒缝隙的水被逐渐蒸发出来，生物质被干燥。生物质的水分越多，干燥所消耗的热量也越多。2.热分解阶段生物质继续被加热，温度继续升高，到达一定温度时便开始析出挥发分，这个过程实际上是一个热分解反应。生物质热分解动力学表达式为： （6-9）式中 热分解速率；燃烧质量变化率；n 反应级数。关于反应级数n与生物质本身的组成、热分解时的升温速率、温度、颗粒的粒度等有着密切的关系。一般认为，生物质燃烧时的热分解是一个一级反应，即n=1，析出挥发分的速度随着时间的增加按指数函数规律递减。起初析出速度很快，较迅速地析出挥发分的70%90%，但最后的10%30%要过较长的时间才能完全析出。3.挥发分燃烧阶段随着温度继续提高，挥发分与氧的化学反应速度加快。当温度升高到一定温度时，挥发分就燃烧起来着火。此温度称生物质的着火温度。由于挥发分的成分较复杂，其燃烧反应也很复杂，几种主要可燃气体与空气混合物在大气压力下的着火温度见表6-3。表6-3可燃气体与空气混合物在大气压力下的着火温度可燃气体分子式着火温度/可燃气体分子式着火温度/氢气H2530590乙烯C2H4540550一氧化碳CO610658丙烯C3H6445甲烷CH4645790丁烯C4H8445500乙烷C2H6530594乙炔C2H2335500丙烷C3H8510588硫化氢H2S290487丁烷C4H10441569苯C6H6580740当挥发分中的可燃气体着火燃烧后，释放出大量的热能，使得气体不断向上流动，边流动边反应形成扩散式火焰。例如平时看到木质类物质燃烧时的火焰（火苗）就是挥发分的燃烧所形成的。在这扩散火焰中，由于空气与可燃气体混合比例的不同，因而形成各层温度不同的火焰。比例恰当的，燃烧就好，温度高；比例不恰当的，燃烧不好，温度就低，所以过大、过小的比例，即进入燃烧室的空气过多或过少都会造成火熄灭。挥发分中的可燃气体的燃烧反应速度取决于反应物的浓度和温度。如前所述，高温时，速度常数k大，挥发分析出的速度快，氧和可燃气体的浓度高，燃烧反应速度高；反之，燃烧反应速度较低。相对于整个生物质的燃烧而言，挥发分的燃烧速度很快，从挥发分析出到挥发分基本燃烧完所用的时间约占生物质全部燃烧时间的1/101/5左右。当生物质表面燃烧所放出的热能逐渐积聚，通过传导和辐射向生物质内层扩散，从而使内层生物质也被加热，挥发分析出，继续与氧混合燃烧，并放出大量的热量，使得挥发分与生物质中剩下的焦炭的温度进一步升高，直到燃烧产生的热量与火焰向周围传递的热量形成平衡。4.固定碳燃烧阶段生物质中剩下的固定碳在挥发分燃烧初期被包围着，氧气不能接触碳的表面，经过一段时间以后，挥发分的燃烧快要终了时，一旦氧气接触到炽热的木就可发生燃烧反应。（1）碳与氧的反应（氧化反应）碳的燃烧，理论上可按下列两种反应进行：； kJ/mol （6-10）； kJ/mol （6-11）实际上碳和氧不是按照式（6-10）、式（6-11）的机理进行化学反应的，式（6-10）、式（6-11）只是表示整个化学反应的物料平衡和热平衡而已。实际上在高温下，当氧与炽热碳表面接触时，一氧化碳与二氧化碳同时产生，基本上按下列两式反应： （6-12） （6-13）这两个反应是碳与氧燃烧过程的初次反应，是碳与氧首先生成中间碳氧络合物（C3O4），中间络合物再变化生成CO2、CO。即络合： （6-14）离解： （6-15）燃烧反应是由氧被吸附到固体碳表面、络合、在氧分子的撞击下离解等诸环节串联而成。温度略低于1300时，吸附环节的速度常数很大，不是控制反应速度步骤可忽略不计。于是表面上的氧消耗速度（即燃烧速度）为络合和离解速度所控制，当表面上的氧浓度Cb很小时（如空气中燃烧），为一级反应，反应速度取决于频率不很高的氧分子撞击而引起的离解的速度;当表面上的氧浓度Cb很大时（如纯氧中燃烧），为零级反应，反应速度取决于较慢的络合速度。温度高于1600时，碳氧络合物（C3O4）不待氧分子撞击而自行热分解，这种热分解是零级反应。 （6-16）此时的吸附最困难，且它是一个与表面氧浓度成正比的一级反应，即碳与氧的反应机理是由化学吸附所引起的。随着温度T升高，吸附速度增快。所以碳的燃烧所产生的CO2 、CO量的多少由温度的高低和空气供给量的多少而定，900 1200时主要按式（6-12）进行反应，在1450以上时，则主要按式（6-13）反应。（2）碳和二氧化碳的反应碳与氧燃烧过程的初次反应所产生的CO2 , CO又可能与碳和氧进一步发生二次化学反应。它们是碳的异相气化反应：； kJ/mol （6-17）以及在气相中进行的燃烧反应:； kJ/mol （6-18）式（6-12）、式（6-13 ）、式（6-17）和式（6-18）这四个反应在燃烧过程中同时交叉和平行进行着。其中碳和二氧化碳的反应，又称气化反应或二氧化碳的还原反应，是一个吸热反应。在这个反应的进程中，二氧化碳也是首先要吸附到碳的晶体上，形成络合物，然后络合物分解，最后再让一氧化碳解吸逸走。络合物的分解可能是自动进行的，也可能是在二氧化碳分子的撞击下进行的。当温度略大于700，最薄弱的环节是碳氧络合物的自行分解，此反应是零级反应;当温度大于950，最薄弱的环节是碳氧络合物受二氧化碳高能分子的撞击下的分解，所以这个反应就转化为一级反应。温度更高时，最薄弱的环节又变成化学吸附，反应仍为一级。例如生物质气化中，碳和二氧化碳的反应为主要反应。在低温下（800以下）反应速度几乎等于零。活化能很大，而且仅当温度超过800以后反应速度才很显著，而且要到温度很高时，它的反应速度常数才超过碳的氧化反应的速度常数。（3）碳和水蒸气的反应如果在燃烧过程中有水蒸气存在，这在燃烧技术上经常存在（例如生物质中的水分、分解产生的水分以及水蒸气气化剂），它也会向焦炭表面扩散，产生碳的气化，产生氢或甲烷气体，反应式如下：； kJ/mol （6-19） (6-20) (6-21)碳与水蒸气的反应性质与上述的碳与二氧化碳的反应式（6-17）十分类似。但其活化能要大很多，所以要到温度很高时才会以显著的速度进行。但由于水蒸气的分子量小于二氧化碳，其扩散速度比二氧化碳快很多，所以水蒸气对碳的气化比二氧化碳快，所以在燃烧室中有适量的水蒸气，可促进固定碳的燃烧。5. 燃尽阶段固定碳含量高的生物质的碳燃烧时间较长，而且后期燃烧速度更慢。因此有时将焦炭燃烧的后段称燃尽阶段。随着焦炭的燃烧，不断产生灰分，把剩余的焦炭包裹，妨碍气体扩散，从而妨碍碳的继续燃烧，而且灰分还有消耗热量。这时适当人为地加以搅动或加强通风，都可加强剩余焦炭的燃烧。灰渣中残留的余炭也就产生在此阶段。必须指出，上述各阶段并不是机械的串联进行的。实际上很多阶段是互有交叉的。而且不同燃烧在不同条件下，各阶段进行情况也有差异。6.2.3完全燃烧的条件由以上生物质燃烧的分析可知，生物质的完全燃烧时，需要注意如下条件。1足够高的温度足够高的温度以保证供应着火需要的热量，同时保证有效的燃烧速度。生物质的燃点约为250，其温度的提高由点火热供给。点火过程中热量逐渐积累，使更多的物料参与反应，温度也随之升高，当温度达到100时，生物质便能很好的燃烧了。2合适的空气量若空气量太少，可燃成分不能充分燃烧，造成未完全燃烧损失；但若空气量过多，会降低燃烧室温度，影响完全燃烧的程度，此外会造成烟气量多，降低装置的热效率。具体供应空气量的多少要根据具体的燃料和燃烧装置进行计算，将在下一节介绍。3充裕的时间燃料的燃烧具有一定的速度，因此要燃烧完全总是需要一定的时间，因此足够的反应时间是燃料完成燃烧的重要条件之一。6.3 生物质燃烧的物质平衡与能量平衡同其他燃料一样，生物质燃烧的物质平衡和能量平衡计算是生物质热转化装置和设备设计计算的一个重要组成部分。下面分别做一简单介绍。6.3.1生物质燃烧过程的物质平衡计算燃料燃烧时，都需要一定的空气量，同时产生燃烧产物（烟气和未燃尽的固体颗粒、灰分）等。由于未燃尽的固体颗粒所占的体积分数很小，因此一般计算可忽略不计，灰分则通常直接由分析生物质燃料工业分析数据获得。所以燃烧过程的物质平衡计算实际上是燃烧空气量的计算和烟气量的计算。在进行空气量和烟气量计算时，假定：空气和烟气的所有成分（包括水蒸气）都可当作理想气体进行计算；所有空气和气体换算成标准状态下的体积，单位为m3/kg（对气体为m3/m3）。标准状态气体的体积是22.4m3/kmol。1.理论燃烧空气量的计算恰好能够满足1kg 1m3(标准状态) 的燃料完全燃烧所需要的干空气量，称为理论空气量，用符号表示。计算燃料的理论空气量，首先从计算燃料中可燃元素(C, H, S)完全燃烧时所需要的氧气量人手。碳完全燃烧时生成二氧化碳( CO2)： (6-22)碳的相对分子量为12，故1kg碳的完全燃烧时需要的氧气量在标准状态下是22.4/12=1.866m3，并产生22.4/12=1.866m3（标准状态）的二氧化碳气体。同理，氢完全燃烧生产水： (6-23)氢的相对分子质量是1.008，故1kg氢的完全燃烧时需要的氧气量在标准状态下是22.4/(41.008)=5.55m3，并产生222.4/(41.008)=11.1m3（标准状态）的水蒸气。硫完全燃烧时产生二氧化硫（SO2）： (6-24)硫的相对分子质量为32，故1kg硫的完全燃烧时需要的氧气量在标准状态下是22.4/32=0.7m3，并产生22.4/32=0.7m3（标准状态）的二氧化硫气体。则1kg燃料完全燃烧时的氧气量等于上述可燃元素燃烧所需要的氧气量在扣掉燃料自身所含的氧气量（氧的相对分子质量是32，1kg氧标准状态的体积为22.4/32=0.7m3）。则1kg收到基燃料含Car/100kg、Har/100kg、Sar/100kg、Oar/100kg，所以1kg收到基燃料充分燃烧需要供给氧气（标准状态）的体积： (6-25)由于干空气中氧气体积占21%，氮气占79%，所以lkg收到基燃料燃烧所需要的干空气体积理论空气(标准状态)量为: （6-26）实际上，燃料燃烧时，每放出4. 18kJ的热量所需理论空气量大致是相同的，所以在粗略估算时可以用式 (6-27) 计算： （6-27）2理论烟气量的计算1kg收到基燃料在供给理论空气量的条件下充分燃烧产生的烟气量 (折算到标准状态的体积)，称为理论烟气量，用符号表示。由上面讨论的理论空气量时燃料中的可燃元素与氧化合可知，理论烟气量必然由二氧化碳、二氧化硫、水蒸气及氮气组成。 1kg收到基燃料充分燃烧产生的二氧化碳和二氧化硫的体积分别为： （6-28） （6-29） 1kg收到基燃料在供给理论空气量条件下充分燃烧时产生的烟气中的氮气由两部分组成，燃料本身的氮元素形成的氮气和理论空气量中带人的氮气。所以理论氮气体积为： （6-30）上述、中三项体积之和习惯上称理论干烟气量，即。 1kg收到基燃料充分燃烧后产生烟气中的水蒸气体积主要由以下几部分组成。a燃料中氢元素与氧化合形成的水蒸气体积： （6-31）b燃料水分蒸发形成的水蒸气体积： （6-32）c由理论空气量带入的水蒸发 (一般取值：10g/kg干空气) 形成的水蒸气体积： （6-33）这样，烟气中的水蒸气体积为： （6-34）如果采用蒸汽雾化设备，应将蒸汽消耗量折算成标准状态下的体积附加在式 (6-34) 中。这样，理论烟气量表达式为： （6-35）3过量空气系数与实际烟气体积在燃烧装置中，实际供给的空气量 (V) 与理论空气需要量 (V0) 之比，称为过量空气系数，用符号表示，即： （6-36）在实际的燃烧装置中，由于空气与燃料混合不充分，为了保证燃料能充分完全地燃烧，实际所供给的空气量往往较理论空气量多，即1。不同的炉灶、锅炉及各种燃烧室的a取不同的值。一般炉灶取=1.72.5；锅炉取=1. 21. 7；发动机燃烧室取=0. 851.3。过量空气系数是控制燃烧工况和影响燃料利用的经济性的重要指标；偏大，虽可使燃烧完全，但会降低炉膛温度，影响燃烧及增大排烟损失；偏小，使燃烧不完全损失增大。1kg收到基燃料在过量空气系数1的情况下充分燃烧产生的烟气量(折算到标准状态的体积)，称为实际烟气量，简称烟气量，用符号Vy表示。显然，对于同一种燃料而言，实际烟气量大于理论烟气量。其差值既包含超出理论空气量的剩余于空气体积，还有剩余空气中所含的水蒸发的水蒸气体积。因此，实际烟气量为： （6-37）4不完全燃烧烟气量在两种情况下可能会发生不完全燃烧，一种是所供给的空气量不能满足燃料中可燃成分完全燃烧的需要，另一种情况是即使在有过剩空气时，由于混合接触不好亦会发生不完全燃烧。但无论是哪一种情况，当燃料不完全燃烧时，烟气除了含有完全燃烧产物外，尚含有可燃气体，如一氧化碳 (CO) 、甲烷 (CH4 ) 、氢气 (H2) 、重碳化合物 (CmHn) 等可燃气体 (有时也许还有未燃尽的碳粒)。此时，干烟气Vgy (不含水蒸气的烟气) 中各成分的体积分数为： （6-38）由于这些可燃气体的数量无法从理论上进行确定，所以必须通过氧化锆氧量计及烟气分析仪表进行监测。但一般烟气中CH4、H2等含量很少，不完全产物主要是CO。所以一般假定燃料中的氢可以全部被烧成H2O，不完全燃烧产物仅有CO。假定不完全燃烧产物仅有CO。且已知烟气成分和SO2、CO2和CO时，就可计算烟气体积。由化学方程式： （6-39）1kg碳燃烧产生222.4/(212)=1.866m3的CO (标准状态)，可知lkg碳产生的CO和CO2的体积相同，而lkg燃料含有Car/100kg碳，产生的CO和CO2的总体积应为： （6-40）则 （6-41）又因 （6-42）所以 （6-43） （6-44）不完全燃烧时，水蒸气体积的计算和完全燃烧时相同。干烟气中的氮由空气中的氮和燃料本身的氮两部分组成，对于固体和液体燃料，后者很少，可以忽略不计。而空气中氮的体积和氧的体积是成体积比例的，即氮占79%，氧占21%。假定不完全燃烧产物仅有CO，且已知烟气成分和SO2、CO2和O2，干烟气的体积应当是： （6-45）整理后可得： (6-46)式(6-46)左边后一项可以写成: （6-47）令 （6-48）则 （6-49）可得 （6-50）系数R称为燃料特性系数，由定义知道，它只和燃料的可燃元素有关。对于一定种类的燃料，R有其一定的数值。若忽略燃料中的和，则可简化为: （6-51）由式(6-51)，可以看出，燃料特性系数表示燃料中()和的比值。()是尚未和氧化合的氢，称做“自由氢”。燃料中氢越多，值越大。6.3.2燃烧装置的热平衡燃料燃烧装置的热平衡是该装置其他热力计算的基础，通过热平衡计算可以分析燃料中有多少能量被利用，有多少未被利用而成为热损失;分析热损失形成的原因，为提高燃料的有效利用率提出应当采取的措施。用于某装置的热量利用率称为该装置的热效率。为了便于分析和计算，通常对装置的热平衡计算进行列表，见表6-4。表6-4燃烧装置的热平衡热量输入热量支出燃料的低热值燃料的显热进人转化装置的干空气显热空气中水分的显热装置有效吸热量干烟气的显热热值气体未完全姗烧带走的热最固体未完全燃烧带走的热量灰渣的显热损失装置的散热损失6.4省柴灶柴灶在中国农民的生活中已沿用了几千年，受一些传统习惯的影响，目前仍有相当比例的农户还在使用旧式柴灶。旧式柴灶不但热效率低(只有10%左右)、浪费燃料，而且严重污染了环境，损害着人民的身体健康。省柴灶比旧式柴灶节柴达1/31/2，同时也大大减少了排烟中有害气体的含量。多年来，经中国农村能源科技工作者的努力，我国在广大农村推广省柴灶的工作已经收到积极的、普遍的成效。而且在国家发展规划中，规定将继续巩固、提高和发展推广省柴灶这一重要成果，从而对于封山育林，减少水土流失，保护生态环境，提高广大农村的文明生活水平，促进农村地区的可持续健康发展起到积极作用。6.4.1我国旧式柴灶存在的弊病我国旧式柴灶虽然形式较多，各地亦有差异，但总的来说热效率都较低，柴草浪费严重，也大大污染了室内环境。归纳起来，我国传统的老式灶具有“一不、二高、三大、四无”的弊病。一不:通风不合理。旧式灶没有通风道(落灰坑)，只靠灶门(添柴日)通风，从灶门进入的空气不能直接通过燃料层与燃料调和均匀，所以，燃料不能充分燃烧。同时，从灶门进来大量的冷空气在经过燃料表面时又降低了灶内温度，带走了一部分热量，使得一些可燃气体和碳不能充分氧化。故常言道“灶下不通风，柴草必夹生;要想燃烧好，就得挑着烧”。二高:锅台高，吊火高。旧式灶只考虑做饭方便和添柴省力，没注意燃料的燃烧和节约。锅台都搭得很高，锅脐与地面的距离很大，使火焰不能充分接触锅底，大量的热能都散失掉了。这种灶开锅慢，做饭时间长，正是“锅台高于炕，烟气往回呛;吊火距离高，柴草成堆烧”。三大:灶膛大、灶门大、排烟口大(灶喉眼)。大灶膛。即燃烧室容积大，其直径均和锅的直径相等甚至超过，可一次添人相当多的燃料以避免频繁添柴，但灶膛过大，火力分散，散热损失大，燃烧温度低;火焰和锅底距离大，传热效果差;柴层过厚，底层燃烧不易获得新鲜空气，故灰渣中残炭多，而且燃烧速度过慢。大灶门。大灶门适合于大量添柴，但因灶门大而使大量冷空气拥人，相当多的冷空气未参与燃烧而吸取热量后从烟囱排出，增加了排烟损失;同时大量冷空气的进人降低了燃烧室的温度，使燃烧和传热效果变差。大排烟口。排烟口过大使灶膛内负压过大。这样，大量冷空气进人灶膛，使燃烧室温度降低，燃料的挥发分析出后往往不经燃烧或燃烧不完全便从烟囱逸出.热损失加大:减少高温烟气在灶膛内的停留时间，使传热效果变差。旧式灶由于这“三大”使灶内火焰不集中，火苗发红，灶膛温度低。灶内又没有挡火圈，柴草着火就奔向排烟口，火苗成一条斜线，火焰在灶膛里停留时间较短，增大了燃烧热能辐射损失，使一部分热量从灶门和进烟口白白地跑掉了。四无:无炉算、无炉门、无挡火圈、无灶眼插板。旧式灶由于无炉算使灶内通风效果不好，燃料不能充分燃烧，出现燃b烧不尽和闷碳的现象。由于灶口无炉门，大量的冷空气从灶口进人灶内，降低了灶内温度，影响了燃烧效果，增大了散热损失。由于灶膛内无挡火圈，使灶内的火焰和高温烟气在灶内停留的时间短，火焰奔向灶喉眼不能充分接触锅底，锅底的受热面积小，做饭慢，时间长，费燃料。由于旧式灶没有灶喉眼插板，因此造成灶喉眼烟道留得小，没风天时抽力小，烟气就排不出去，出现燎烟、压烟和不爱起火;灶喉眼烟道留得大，在有风天时，炕内抽力大，烟火又都抽进炕内，出现不爱开锅、做饭慢等现象。同时，又使灶内不保温，火炕凉得快，也增大了排烟损失。由于上述问题的存在，所以旧式柴灶的排烟温度高，散热损失大，不完全燃烧多，烟气中过剩的空气也多，因而热效率很低。为了获得需要的供热强度，只能靠多烧柴来达到。6.4.2省柴灶结构我国已在1亿多农户中推广了省柴灶，数量大，柴灶的形式也很多，各自具有相应的地区特点。但从我国省柴灶的整体形式来看，亦有其共性，即避免上述旧式柴灶的弊病，在结构上基本上都是由燃烧室、拦火圈、回烟道、烟囱、炉算(灶算)、灶门、进风道等部位所组成。图6-2表示自然通风柴灶的基本结构。柴草从灶门添加到灶膛内后点燃，燃烧时放出大量的热量。炉算使燃烧的柴草层架空，利于空气经进风道穿过炉算进人燃烧层，并能使最后燃烧的焦炭得到空气而燃尽，同时可使燃烧后的灰渣落下炉底。燃料燃烧释放的热量主要通过对流、辐射形式传递给锅的外壁;热量再通过传导形式由锅的外壁传到内壁;然后热量通过对流形式传给锅内的介质，从而达到炊事目的。炉膛燃料产生的烟气经回烟道、过烟道、烟囱排人大气。图6-2 柴灶的基本结构6.4.3柴灶的节能途径推广应用省柴灶的根本任务是要提高燃料的热利用率，这就需要分析柴灶燃烧过程中的各种热损失，并尽可能地减小这些损失，亦即必须对柴灶进行热平衡分析，找出供人热和输出热之间的平衡关系，并分析影响各种热损失的因素。一、柴灶的热平衡柴灶工作具有间歇性与周期性，它自冷状态点火，到热状态至熄火，整个工作过程不是一个热工况稳定状态。因此，热平衡方程的建立是按整个燃烧周期进行的，灶的热量分布如图6-3所示。能量平衡的方程为: （6-52）式中在一个周期内灶所消耗的热量，kJ，一个周期内灶所消耗的生物质量为B (kg)，低位热值为(KJ/ kg)，则=B； 工质所吸收的热量即有效热量，kJ排烟热损失，KJ气体不完全燃烧损失.kJ i固体不完全燃烧损失，n,1 i散热损失，kJ灰清物理热损失，kJ ;灶体和锅体热损失，kJ图6-3灶的热量分布二、柴灶热效率柴灶的热效率是指柴灶有效利用的热量占所消耗燃料热量的比例，用符号表示。 (6-53)三. 热损失分析要想寻找柴灶的节能途径，就必须知道上述各项热损失的大小及影响因素，即分析柴灶的各项热量损失，然后采取相应的节能措施去降低各项热损失。(1)排烟热损失Q2，生物质燃烧后从柴灶所排出的烟气温度远远高于环境温度，这样排烟就会带走大量的热量，造成排烟热损失。Q2 = VyCyty- VCata (6-54)式中Vy，V产生的烟气量和实际空气供给量(标准状态)， m3;Cy， Ca烟气的平均比热容和空气的比热容，取Cy=1. 36kJ/(rn3. ),Ca =1. 29 kJ/(rn3. )；t y , ta排烟温度和冷空气的温度， 。由式(6-54 )可以看出，排烟热损失与炉膛过量空气系数和排烟温度等有关。排烟温度过高，在保证燃料充分燃烧的前提下，过量的空气愈多，排烟量就愈大，带走的热量就愈多。一般来讲，排烟温度每增加10 ，损失增加约为送入热量的1% 。所以，要保证烟囱有一定的抽力，但不过多地通人空气或漏入过多的冷风;要加强从灶膛向锅内传热，增加烟气在灶膛中滞留的时间(有些柴灶设有回烟道) ;采用烟气余热回收利用装置.充分利用余热，可降低排烟温度.从而降低排烟热损失a如南方地区利用烟气余热热水，北方利用烟气热炕等。排烟热损失是柴灶热损失中较主要的项，可达10%20% 。排烟温度为几十度或超过100。(2)气体不完全燃烧热损失Q3，燃料受热析出的大量可燃气体需要在空间迅速与空气混合燃烧并放热，然而由于灶膛容积和烟气行程的限制，而且一般柴灶没有改善灶内可燃气体与空气充分混合并燃尽的措施，因而导致一部分可燃气体(主要是CO ，其次为CH4 、H2) 随烟气离开灶膛，造成气体不完全燃烧热损失Q3. 不完全燃烧是影响柴灶热效率的主要因素，目前农村柴灶此项损失达15%25% 。影响此项损失的因素有: 供给的空气量不足，即过量空气系数过低;由于供给空气的方法不对，虽然空气量足够，但混合不佳，大量的可燃气体来不及燃烧就被排走;烟气在灶内停留时间过短，可燃气体来不及燃烧;灶内的温度不够高或分布不合理等。因此.应采取一定的措施来降低由上述诸因素所造成的气体不完全燃烧损失。如维持炉膛内最佳的过量空气系数，以避免炉膛内空气不足而产生大量的CO 、H2 、CH4，等气体，同时可提高炉温，使燃烧更完全;在炉膛中采取二次风或者改进炉膛的结构与形状，增加炉膛内气体的搅动，改变炉膛中气体的浓度场、温度场，使可燃气体与空气混合均匀，并延长烟气在炉膛内的滞留时间，使可燃气体完全燃烧。(3)固体不完全燃烧热损失Q4，指在排出的灰渣中含有没有燃尽而剩余的可燃成分而损失的热量。因柴草中碳不易燃尽而且是最后燃烧的部分，又往往与新添柴草重叠在一起，所以次添柴过多或添柴过早，都会增加灰渣中的残炭。柴层过厚，空气流过炉算的阻力过大，使得通风不良，也会使残炭增多;或供风速度过小，吹不掉包裹残炭的灰分.而燃不尽等都是产生固体不完全燃烧热损失的原因。应通过相应措施来降低由于上述因素所造成的损失，如保持炉膛内高温、合理地供风、减少燃料的直径与水分、少添勤添柴等都可降低团体不完全燃烧损失。但在实际测定中.由于生物质中挥发分多，固定碳含量较少，一般灰渣中含碳量在8%12% ，仅占进入热量的0. 8% 1. 2% ，所以这部分热损失与煤炉相比要小得多，是柴灶热损失中较小的一项。(4)散热损失Q5由于灶体的温度高于外界环境温度，部分热量就会传到周围空气中而造成了散热损失Q5，包括经过灶体表面、灶门和锅、盖等处散失的热量。这部分热量散失过多就会影响灶膛的温度，影响的因素有:灶体结构和材料、灶体外表面积、隔热保温条件、灶门大小和环境温度等。要降低这项损失可采用下列措施采用合理保温材料，加强灶体保温;灶门应尽量小.并加挡风板，添柴时去掉，不添时关闭，减小逸气或防止冷空气的进入;采用封闭性能较好的锅盖.防止热量的逸出，但一般不应该加厚灶体来减小散热，因为这样会增大蓄热损失。散热损失的范围大致在1%左右。柴灶散失的热量如作为冬天室内取暖，仍可看作是有用的热量。但室内取暖应尽量利用排烟余热，因为利用柴灶散热会影响燃烧。(5)灰渣物理热损失Q6燃料燃烧之后.剩下的灰渣仍有较高的温度，这些灰渣所具有的物理显热.就称为灰渣物理热损失Q6，这部分热损失所占的比例较小。是一项不可避免的损失，含灰量愈大的生物质这部分损失就越大，但应尽量减小，可通过一定的余热利用技术加以回收和利用.如预热人炉膛的空气、冬天用火盆取暖等。(6)蓄热损失Q7柴灶由冷状态启动点火时.灶体和锅的各部分温度均等于环境温度，在灶的工作过程中，每部分的温度逐渐上升.这意味着灶体和锅、盖等吸收了一部分热量而成为灶体和锅体的蓄热损失Q7。由于柴灶并不是连续运行的.停烧后这部分热量可用的不多，大部分散发给环境了。通常情况下，蓄热损失是最大的一项热损失，可占15%25%，必须采取措施加以减小。如加强燃烧室的局部保温，灶体要用质量热容较小、质量轻的材料.不要盲目采用大锅等综上所述，一般柴灶的热损失主要是气体不完全燃烧热损失、灶的蓄热损失和排烟损失，减少这些热损失是研究、改进和应用省柴灶的主要着眼点。6.4.4省柴灶的设计1.省柴灶的设计原则我国民族众多，生活习惯不同，各地燃料品种不一，省柴灶的设计要遵守因地制宜、经济高效的原则，设计出的省柴灶要达到下列要求适应当地燃料要求，易点燃，上火速度快，省时间；结构合理，使用方便，热效率高，在25% 以上，比当地旧式柴灶省柴1/3 1/2;安全、卫生、热性能稳定，能满足当地农民使用;要有辅锅和其他余热利用装置，可多锅齐用；若手工垒砌，要就地取材.维修方便;若采用组装式柴灶.要求使用寿命长，价格比较便宜。2. 省柴灶结构与参数设计计算(1)燃料消耗量B的确定燃料的消耗量B按式(655 )计算。 (6-55)式中B每次做饭所需的生物质量. kg/次;Ql每次炊事所需的热量(取一天中的最大值)，kJ/次;生物质的收到基低位发热量，kJ/kg; 省柴灶设计的热效率，%。(2)省柴灶的大小与高度灶体与平台是用以支撑锅具及操作的地方，二者不可分隔，由砖或土坯砌成。为减少蓄热损失，灶体不宜太大，墙不要太厚，通常是”以锅定灶”。灶体平台能满足方便操作即可，但也要符合生活风俗习惯，力求美观、卫生，布局要适当，不要使厨房显得拥挤。灶的高度，主要依靠锅的深度、吊火高度、进风道的高度来确定，同时能满足人体高度的要求，不弯腰、不玄手为宜，一般高度为650800mm左右。和炕结合的灶.它的高度就要受到炕的高度所制约，一般说法是七层锅台八层炕，即锅台总比炕面低一砖高。如果灶高于炕，则会影响烟气流通，灶门倒烟而不好烧;提高炕的高度会给生活带来不便。如灶的高度设计超过炕面的高度时，可以采取把灰坑砌筑在地面以下的做法，在北方地区带炕的灶一般都是这种结构。(3)进风道与灰坑灶箅以下的空间为进风道，下部为灰坑。它的作用是把燃烧所需的空气由此引人灶膛，并储存灰渣以及预热进入灶膛的空气。进风道进口可在灶门下方，有的设在灶门对方，有的则在灶门垂直方向(异向通风)。进风道一般为长方形，或稍有上宽下窄.其高和宽均可为锅径的1/4左右;进风口的净面权应为灶算进风面识的1. 5倍左右。进风道深度可与灶算里端平齐或稍深，灰坑深300mm左右，其底平面用砖或石板砌成稍倾斜平面，以利于进风与出灰。目前农材灶的进风道普遍偏大.弥补的办法是增设插板来调节和控制进风量的大小，或者在原有的基础上砌堵部分空间。(4)灶箅灶箅使燃烧的柴草层架空，使空气经进风道以一定速度穿过灶算均匀进入燃烧层，这样的供气比较合理，能使最后燃烧的碳得到空气而燃尽。通常灶算面积与锅的面积之比为1：6( 大锅)-1：8 (小锅)。灶算间隙的总面积与灶算总面积之比为1 ： 1左右。随着燃料不同，灶算进风面积也有差异。密度小的疏松柴草进风面积大些，密度大的坚实校柴进风面积小些，一般过量空气系数控制在1.72为宜。灶算的安装，应保证空气进入顺利畅通，且分布均匀. 对后拉风灶，以锅脐(锅底中心)为中心，使灶算全长的1/3朝向烟气出口侧, 2/3背向烟气出口侧;按外高里低，成12-18倾角安装。对前拉风灶安装倾角可小于12或平放。对柴草灶，灶箅以横置为好，可减少未燃尽的柴草自动下落。(5)灶门用来添加燃料和观察火势。灶门底部的位置应低于出烟口，以不高于锅脐为准，过高易产生燎烟。灶门在使用方便的条件下应尽可能地小一些，一般高120mm 、宽140160mm. 烧萃的还可以略大一些。灶门过大会在此处进入过多冷空气，降低炉膛温度，容易造成燃烧不充分，增加散热损失e灶门最好设置方便开闭的挡板(灶门盖) .以防止大量冷空气进入灶膛。(6)灶膛灶膛是炉灶的最重要部位，直接影响炉灶热效率的高低。其主要的结构与尺寸如下。吊火高度 吊火高度是指锅脐到灶算之间的垂直距离，它在很大程度上影响锅灶间的传热。吊火高度是在砌灶膛前首先要确定下来的重要参数，此高度应使火焰最高温度处(中焰上端)直接接触锅底。吊火高度的确定与所用的生物质种类和锅的大小有关，见表6-5.表6-5不同生物质种类和锅的大小时的吊火高度生物质种类大锅(625705mm)/mm小锅 (395540mm)/mm硬材秸秆草160-170180190200-210120-130140-150160-170燃烧室(灶膛) 燃烧室是指灶算上方燃料燃烧放热的空间。为使火力集中，提高炉膛温度及有利于烟气和锅的传热，燃烧室不宜太大，但也不宜太小。灶膛容积可由式( 6 - 56 )确定： （6-56）式中 Vc 灶膛容积, m3；灶膛最大热容强度， KJ/m3；灶膛设计的热效率， 。燃烧室(灶膛) 的形状很多(图6-4 )，如葫芦形、腰鼓形、鼓形、喇叭形、圆柱形等，灶膛容积确定之后，就可根据各地群众的使用习惯，选择合理的灶膛形状。灶膛壁面套成与锅底面形状相对应的弧形较好。灶膛与灶体的砖或坯墙之间应填以保温材料隔热保温。图6-4 燃烧室的不同形状拦火圈(挡火圈) 它是指燃烧窒上部和锅之间的部位，起到调整火焰和烟气流动方向，合理控制流速的作用，可延长可燃气体或烟气在灶内停留的时间。经过拦火圈的反射作用，加强对流和辐射换热，使热能多次被锅吸收，以提高热效率。拦火圈的形式多样，基本上可分为锅底形和马蹄形两种，其他形状都是这两种形式的变形。拦火圈一般用黏土掺蔴刀或头发以及保温