摘要：随着社会的发展，人们经济水平及科技水平的提高，农村的能源结构也发生着巨大的变化。一方面，煤、石油等化石燃料价格的上涨，加重了农村居民的生活负担；另一方面，XX为改善农村环境，禁止秸秆等大量燃烧，而秸秆等生物质原料得不到合理的利用，造成了资源的浪费。所以，开发生物质能源对解决农村能源问题是一个可以考虑的方向。
本课题是设计出一个生物质节能猛火炉，使生物质燃料应用于家用炉具，其主要内容如下：
（1）依照炉具设计步骤，计算出炉具热效率，在此基础上计算出炉具各部分参数，参考文献确定炉具各部分的关键参数并设计出炉具。
（2）依照NY/T8-2006《民用柴炉、柴灶热性能试验方法》；GB/T10180-2003《工业锅炉热工性能试验规程》，试验并测定出炉具的相关指标参数；计算发现相关指标与设计基本一致。
（3）分析炉具优缺点，探明其原因并提出改进方法。
关键词：农村生活；用能生物质；燃料炉具设计；炉具性能试验
1前言
引言包括国内外研究现状，主要陈述目前的技术研究程度，全文的文献也主要在这。请具体添加
随着人类对能源开发与利用程度的加深，技术手段的发展与成熟，人们对能源的需求逐渐向多元化、高效率、可再生、清洁型能源转变。其中，生物质能作为一种人类自古以来一直使用的能源，虽然在历史进程中被煤和石油所取代，但通过各种现代技术手段的加工与改造，生产出可以满足人们生产与生活的能源产品，再次展现出新的竞争力。并且随着化石资源的逐渐枯竭，生物质能以其来源广、可再生等特性再次走进人们眼前。生物质能技术是通过物理或化学技术，将生物质如秸秆、稻壳、木头、锯末等，加工成为品质更高的燃料，以满足越来越大的能源消耗。煤和石油等化石能源迟早有消耗完的一天，而生物质能技术随着不断地发展和创新，将来很有可能成为代替化石能源的主要能源之一。
1.1研究背景
目前，我国对生物质资源的利用主要集中在农村，虽然有些生物质资源经过加工得到很好的利用，但对大部分生物质资源的利用还是以直接燃烧为主，燃烧利用率较低，有些还被当做废弃物进行焚烧处理，尽管近年来我国多地已禁止焚烧各类生物质资源，但这些生物质资源仍没有得到很好地利用。
其实国内外已经对生物质能进行了很长一段时间的研究，国外甚至很早就形成了关于生物质能技术的规模化产业，其成果之一便是生物质成型燃料，生物质成型原料是以农林剩余物为原料，用生物质固化成型法压制成高密度颗粒，作为一种经济低碳的可再生能源，与煤、石油相比它灰分少、含硫量低、运输方便，并且经过压制成型后的燃料体积小、比重大、热值高，可广泛应用于供热发电或家庭做饭等。
1.2课题目的和意义
应用生物成型燃料技术生产出的生物燃料，可以有效缓解农村能源紧张、降低农村用能费用等。然而经过调查发现市面上的生物质炊事炉大部分存在热效率低、燃烧不完全等问题，并不能满足使用者的日常所需用能，怎么说明你的效率是高的这对生物质能源的推广所以本课题目的是设计出一种具有较高热效率的家用生物质炊事炉。将这种家用生物质炊事炉广泛推广的话，将具有重大意义：
（1）能更有利于对生物质能源的推广
生物质能源是一种清洁、丰富、可再生、可替代的能源，然而由于技术水平的限制，无法得到大量的推广。尤其是生物质成型燃料，虽然其具有原料来源广，制作工艺简单，燃料价格便宜等优点，但是由于小型家用生物质燃烧炉往往具有燃烧效率不高等缺点，得不到消费者的认可。生物质燃烧炉的大规模推广将有利于向社会推广生物质燃料。
（2）改善农村能源结构，降低用能费用
近几年来农村经济得到发展，能源建设效果显著，但是部分地区仍以秸秆、薪柴为主要用能对象，既破坏了植被又影响了环境。如果用化石燃料来供能又无法承担所需费用，但是用价格相对便宜的生物质成型燃料，将会在提高生活水平的同时又不会造成环境的破坏。所以大规模使用生物质燃料将会一定程度上改善农村的能源结构。
2上燃均衡供氧式生物质炊事炉的设计
2.1生物质炊事炉具的设计要求
依据生物质燃烧的基本特性，结合农村的生活习惯和经济条件，炉具必须满足以下原则：
1.结构合理，使用方便，点火容易，上火快；
2.安全卫生，热性能稳定；
3.适应农民生活习惯和燃料要求，造价低，实用耐用。
对于生物质成型原料炉具来说，除了以上原则外，还要充分考虑以下几点：
1）充分利用生物质产生的挥发性物质和燃烧过程中碳化物质的热辐射能量；
2）有效利用燃烧过程碳化物质的热辐射能量，合理地组织炉内过程，保证燃烧气体能进行有效的对流换热；
3）空气能均匀流畅地进入炉内，实现连续稳定燃烧；
4）火力足、火势均，燃烧完全，不冒黑烟，能源利用效率高。
2.2生物质炊事炉具的原理与结构
2.2.1生物质炊事炉具的原理
取出聚火口，将生物质成型后的颗粒燃料从出火口加入到炉膛内的炉篦上，将配风手柄置于点火位置，采用上点火方式点燃料仓上面的引火柴，燃料点燃后打开电源开关，用操作钩装上聚火口，待燃料进入正常燃烧后，可根据需要旋转配风阀手柄调节供风能力，达到所需调解火力大小，燃料燃烧结束后关掉风机开关及拔掉稳压电源。
2.2.2生物质炊事炉具的结构
生物质颗粒炊事炉具主要组成包括：燃烧单元、风机进风单元、自然风进风单元、隔热单元、支撑单元组成。燃烧单元有聚火口、炉膛、炉蓖、灰仓四部分组成，其结构示意图如下。
本炊事炉具出火口和进料口为同一个口，生物质颗粒进料方式采用一次性进料，改变了生物质炉必须留一个专门的加料窗口，方便加料的传统观念，该炉具根据用户的炊事需要，一次加料完成可满足一顿饭的炊事要求，免去了持续加料反复的劳作过程。在对颗粒引燃方式，采用上点火方式，燃料从上往下燃烧，使生物质气化和燃烧一体化，在炉口上不做任何处理进行直接燃烧。这种从上往下的燃烧方式使炉膛内的燃料燃烧时间更持久，并且炉火的出口装有聚火环，保证火势的集中，以满足炊事对火势的要求。
2.3燃料及燃烧效率计算
为简化实验计算，本次计算所涉及到的热力学性质均作为理想状态处理，对烟气、空气及水蒸气都作为理想气体处理。
2.3.1燃料计算
本次课题所采用的生物质燃料是由玉米秸秆等压缩成型的颗粒状生物质燃料，为计算出生物质炉的燃烧效率，首先要知道燃料的热值，用实验室中的微量量热仪对所用燃料进行测定，测得该生物质燃料的热值约为14600。
2.3.2炉具热效率估算
本次设计假定冷空气温度为20℃，排烟温度。参考文献（锅炉计算手册），可知实际排烟焓，冷空气理论焓，过量空气系数。
2.3.2.1排烟热损失
排烟热损失是指排出烟气所损失的热量，计算方式如下：
（%）将具体数值带入公式，参考毕业论文要求；apy是什么，以前没有提到（公式2.1）
把实际排烟焓、冷空气理论焓等各项数值代入公式得。
2.3.2.2机械不完全燃烧热损失，化学不完全燃烧热损失，炉具散热损失
机械不完全燃烧热损失是燃料在炉膛中燃烧时，部分未完全燃烧的固体燃料随炉渣排出炉膛或以其他方式排出，而造成的损失。
由于部分CO、、、等可燃气体未燃烧放热就随烟气排出所造成的损失叫做化学不完全燃烧热损失。
炉具散热损失是炉具外表温度高于环境温度通过对流与辐射散热造成的损失。
根据所设计的生物质燃烧炉的燃烧特性，参考文献（锅炉计算手册）所得出的上述三种热损失的结果如图2.1所示。热损失是多少到底
2.3.2.3灰渣热损失
灰渣热损失是指排出炉膛的灰渣带有余热，使之高于环境温度，这部分热量就是灰渣热损失。
（%）（公式2.2）
假定排出的灰渣为200℃，参考文献（锅炉设计手册）表2-21可知，此时的灰渣焓值为，把数据带入公式得。
2.3.2.4炊具散热损失
在工作过程中，因为部分锅体是裸露在空气中的，所以会产生热量的损失，公式如下：
（%）（公式2.3）
式中：
————材料发射率
————黑体辐射常数，
————发热体，环境温度，K：
————辐射面积，；
————辐射时间，h。
参考文献（传热学）可得磨光的铝在50℃~500℃时发射率为0.04~0.06，取；设定在环境温度为20℃，锅体平均温度为80℃，锅具约有露在炉具外面，已测得锅的直径为28cm，总高度为32cm，则辐射面积约为0.203；假设每千克燃料燃烧总时间为2小时。
将上述各项数值带入公式可得
2.3.2.5其他热损失
除去以上热损外，还有其他未能精确计算的热损，如蓄热损失，封火热损失，添料及移动锅具产生的热损。参考文献（家用生物质成型燃料炉具的设计与研究），对其他热损失估算为25%。
2.4生物质成型燃料炊事炉的设计计算
生物质成型炊事炉具要想取得良好的热性能和方便使用，在结构设计上必须力求准确。
2.4.1生物质燃料消耗量的计算
要确定燃料的消耗量需先计算出炉具的小时出力，在确定热负荷时，要充分考虑我国不同地区的生活习惯，结合实际，才能达到不同市场的要求。
据资料显示，中国农村五口之家，要维持起码的生活水平，平均每天所需的热量Q1为12000kJ，每顿饭的做饭时间约1小时，每天做饭3次，设计的生物质燃料炉具的设计热效率为35%，试验用的玉米秸秆成型燃料的热值Qnet,ar约为14600，把所需数值代入公式可得：
（公式2.4）
式中：
————燃料消耗量,kg/h；
————每日炊事所需的热量，kJ/d;
————生物质低位发热量，kJ/kg；
————炉具设计的热效率，%；
m————每天做饭所需时间，小时/次；
n————每天做饭次数，次/日。
代入公式计算可得：
kg/h
生质颗粒炊事炉具燃料的消耗量为0.78kg/h，燃料的消耗量为炉膛参数的确定提供参考依据。
2.4.2炉膛参数的确定
炉膛（燃烧室）是指从炉篦到炉口下部之间的部分，燃料在这里充分燃烧。炉膛参数主要包括炉膛容积热负荷和炉排热负荷，恰当选择炉膛参数是燃料完全燃烧的根本保证。
决定炉膛容积大小的主要指标是炉膛容积热负荷，即每立方米炉膛容积中每小时燃料燃烧的发热量大小。炉膛容积热负荷过大，则燃料在炉内停留的时间短，不易完全燃烧；反之，炉膛容积热负荷过小，炉膛容积过大，燃烧分散，火力不集中。
炉膛容积可按下式计算：
（公式2.5）
式中：
VL————炉膛容积，m3;
BL————炉具每小时燃料的消耗量，kg/h;
————燃料的热值，kJ/kg;
η————炉具的热效率，%；
————燃烧室的最大容积热负荷，KJ/h.m3。
对于主要用于炊事的炉具，容积热负荷一般在250000～400000kJ/h.m3，根据炉具燃烧室容积的设计经验，取容积热负荷为400000kJ/h•m3。
m3
计算得出的炉膛容积为0.0099m3。
在炉膛设计时平直的炉壁直径较大的空气进口使进入的空气可均匀的分布在燃烧室下方，空气在烟囱抽力作用下，能较均匀的供给生物质燃料进行燃烧，而直径较小的路口可以起到聚集火焰、增加活力强度的作用，但本设计的出火口和进料口为同一个口，因此上炉膛半径不宜过小，选择炉口直径为0.22m左右，且使用聚火装置，以起到聚集火焰、增加火力强度的作用。
2.4.3炉排总面积及炉篦的计算
2.4.3.1炉排总面积
炉排安装在炉膛的下部，用于支撑燃料并起到通过助燃的作用，设计时在尽量减少炉排与燃料的接触面积的基础上，使其能够通风均匀。生物质颗粒炊事炉的炉排总面积指炉篦炉条总面积及炉条之间缝隙总面积之和。由炉膛形状可知，炉膛体积：
（公式2.6）
式中:
V————炉膛体积，m3；
H————上炉膛高，m；
R————上炉膛半径，m；
h————下炉膛高，m；
r————下炉膛半径，m。
将炉膛体积VL=0.0099m3，上炉膛高H=0.2m，下炉膛高h=0.1m，上炉膛半径R=0.11m，代入公式可得下炉膛半径:
r=0.058m
则炉排总面积为:
=0.011m2
即炉膛入口半径为110mm，下炉膛半径58mm，为设计方便选取下炉膛半径径60mm，炉排总面积0.011m2。
2.4.3.2炉排热负荷
生物质颗粒炊事炉炉排热负荷公式如下：
（公式2.7）
式中：
————炉排热负荷,kw/m2；
BL————生物质燃料消耗量,kg/h；
————燃料的热值，kJ/kg;
A————炉排总面积,m2。
由计算可得，本生物质炊事炉具的炉排热负荷为100.65kw/m2。
2.4.3.3炉篦的计算
炉篦安装在炉膛的下部，起支撑燃料及通风助燃的作用。空气从其空隙进入炉膛，在炉膛内与燃料充分混合，有助于燃料的燃烧，空气与燃料的接触面积的大小由炉篦空隙的大小决定，因此炉篦面积的大小直接影响燃料燃烧的效果，面积过大或者过小都将影响燃烧效果。根据有关文献关于炉排的设计参数及本实验室的设计经验，将炉篦的面积定为炉排总面积的一半，即炉篦的面积为：
S=A/2（公式2.8）
得到：S=0.0055m2
炉排示意图如下图所示：
2.4.3.4吊火高度
吊火高度是指锅底与炉排之间的垂直距离。根据火焰温度分布规律及一次炉膛所加入的燃料足够炊事需求的目标，为使火焰大部分的最高温度层直接接触锅底，取炉具吊火高度为30cm，使锅能够接触到高温火焰，有利于提高上火速度，提高热能利用率。
本次设计共分两组进行，供风系统及其设计将由另一组完成，本组仅进行炉具炉膛的设计分析。
3生物质炊事炉具性能试验
3.1热性能测试主要依据
热性能检测主要依据NY/T8-2006《民用柴炉、柴灶热性能试验方法》；GB/T10180-2003《工业锅炉热工性能试验规程》。
3.2试验条件
(1)环境温度：10-35℃；
(2)相对湿度：小于85％；
(3)风速：小于1.0m/s；
(4)试验户用生物质炉具远离其他热源。
3.3试验方法
3.3.1实验准备
本次实验所需有蒸发铝锅一个，选用尺寸见表3.3，电子秤一台，热电偶测温仪二个，水银温度计一个，烟气分析仪一台，并按规定校正仪器；生物质燃料及引火柴若干。具体的陈述仪器设备及精度范围等
按表3.1确定初始锅水量及生物质燃料用量，将温度计通过锅盖中心圆孔，并用支架固定在距锅底10cm处。
3.3.2实验步骤
本次试验需做两次，分别测试风机鼓风状态和自然进风状态下的炉具炊事性能，其中供风系统的试验由本组另一位同学李一帆测定，本课题只分析炉膛主体的各项性能。
（1）据表3.3所示，选取直径为28cm的蒸发铝锅，并将4.5kg的初始锅水量倒入蒸发铝锅中，测量初始锅水的温度并记录。
（2）将事先称量好的生物质燃料及引火柴放入炉具中，以适当方式引火，记下火种投入炉具的时刻，同时将蒸发铝锅放在炉具上，将热电偶插入炉膛中心处，炊事火力强度实验开始。
（3）当锅中水沸腾时，记下此时时刻及锅中水的温度，以及炉膛温度，开始锅水蒸发实验。
（4）在锅水蒸发实验中，每隔五分钟记录一次锅水温度和炉膛温度，直到炉中的生物质燃料燃尽；锅水温度下降至低于沸点5℃时结束，称量剩余锅水量，并记录下此时时刻，实验结束。
3.3.3实验数据
本次试验开始时间为17：05，结束时间为17：50。所用生物质燃料量为2kg，水4.5kg，初始水温28.9℃
炉膛温度在点火5分钟后开始记录，数据如下表：
3.4生物质炊事炉具热性能
3.4.1蒸发铝锅与水量的选择
根据生物质炉具热性能测试标准中蒸发铝锅规格与水量的要求，如上表所示，选择直径280mm的蒸发铝锅，生物质燃料用量选择2kg。
3.4.2炊事火力强度
炊事火力强度用单位时间锅水升温和蒸发所吸收的热量表示：
（公式3.1）
式中：
————炊事火力强度，kW；
G1————蒸发锅内初始水量，kg；
G2————试验结束时剩余水量，kg；
t1,t2————锅水初始温度和沸腾温度，℃；
γ————锅水在平均蒸发温度下汽化潜热，kJ/kg；
4.18————水的比热容，kJ/kg•℃;
T1,T3————点火时刻和试验结束时刻。
试验锅水水量为4.5kg，初始温度28.9℃，沸腾时温度为99.5℃，试验结束时剩余水量1.032kg，从点火时刻到试验结束共44min，经计算炊事火力强度为3.47kW。
3.4.3炊事热效率
炊事热效率，按下式计算：
（公式3.2）
式中：
————炊事效率，%；
————生物质燃料质量，kg；
————生物质燃料的收到基低位发热量，kJ/kg；
————引火燃料量，kg；
————引火燃料收到基低位发热量,kJ/kg。
试验用生物质成型颗粒燃料2kg，其低位发热量12825，引火燃料0.01kg，低位发热量44000，经计算该生物质炊事炉的炊事热效率为35.1%，和设计的热效率35%基本一致，说明在进行炉具热效率的估算时，估算较为合理。
4实验结果分析
4.1炉具设计指标与测试结果分析比较
由计算数据可看出，设计热效率与炉具实际测得的热效率基本一致，设计热效率为35%，实际测得热效率为35.1%，相差约为0.1%，说明估算较为合理。究其原因可能是设计估算时充分考虑了其他未计算的热损，同时也说明了蓄热损失、封火热损失、添料及移动锅具产生的热损等虽然无法具体计算，但仍是造成炉具热损失的主要来源。
4.2与现有炉具的比较
4.2.1本炉具具有的优点
（1）火力足，燃烧充分，灰渣少
燃烧时，火焰很旺，火力强度大，可以使生物质燃料在炉膛内充分燃烧，灰渣很少。
（2）上火速度快
点燃后10分钟内，炉膛温度就能升到700～800℃。
（3）经济效益好，环境负担低
生物质燃料比一般液化气、煤等化石燃料便宜很多，年燃料费用低，经济实惠，而且比直接燃烧秸秆等生物质，对环境造成的污染要小。
4.2.2缺点及不足
（1）锅底受热不均
因为随着燃料的燃烧，燃料高度逐渐下降，火焰高度也会不断降低，锅底所受热量将呈现不断变化并逐渐降低的趋势，这一点无法向小型煤炉及省柴灶一样，将火焰持续维持在一定稳定高度。
（2）引火较难
因为成型的生物质燃料密度较大，用秸秆等引火柴引火时较难一次引着，往往需要较多引火柴多次引火才能引着。
5总结
本课题研究并设计了家用生物质猛火炊事炉，通过前期对炊事炉性能的分析和计算，设计出符合各项参数要求的生物质炊事炉；再通过炊事炉火力强度试验以及锅水蒸发实验，测得所设计出的炊事炉的各项数据，计算得出实际热效率35.1%。与设计所得基本一致，可以满足大部分普通的生活所需，且花费不高，对环境污染也较低。有利于缓解能源压力和环境污染。
本次设计仍有很多不足之处，并且热效率仍需进一步提高，希望能对之后的设计者有所帮助。
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