生物质燃气供暖热水两用炉设计及性能检测

1   生物质燃气特性

①生物质种类及气化特性

秸秆作为可清洁、高效利用的能源，气化后可向农村家庭集中供气或作为发电燃料［1］。我国农作物秸秆占生物质资源总量的72.2%，来源广泛，可利用空间很大。但并非所有的秸秆资源均可以利用，对于比体积较大的麦秆、稻秆等资源，单独使用固定床气化炉会出现很多问题，而且灰分含量较高的稻秆还会出现结焦、堵塞炉排的问题。因此，研究的重点放在玉米秆、玉米芯、花生壳等密度大、易收集和贮藏的秸秆上。

农作物秸秆的气化特性与煤相比有以下优点。

         挥发性组分含量高，质量分数占70%～80%，在较低的温度（400 ℃左右）下即可挥发；生物质炭反应性高，较低的温度就可反应；灰分少，除稻壳外，质量分数一般小于3%，不易结焦；含氮和硫低，硫的质量分数一般小于0.2%，所生成的生物质燃气可以不考虑脱硫问题。

②生物质燃气的基本参数

        生物质气化原料的元素组成和热化学特性不同，产生的生物质燃气会有一定的差异。不同的炉型结构、气化方式、气化原理也会导致生物质燃气的组成发生较大的变化。以空气为气化剂的生物质燃气组成见表1。根据表1，可以计算出生物质燃气的相关物性参数，见表2（表2中状态为标准状态，即压力为101 325 Pa，温度为20   ℃）。

        在计算燃具各部分尺寸时，选取生物质燃气组成变化范围和生物质燃气物性参数的平均值作为依据，然后根据燃气互换性原理进行调整，再通过实验研究进行验证，最终确定燃具各部分尺寸及适用范围。

③生物质燃气燃烧特性

a.火焰传播速度

        火焰传播速度是气体燃料重要的特性之一，不仅对火焰的稳定性和燃气互换性有很大影响，而且对燃烧方法的选择、燃烧器设计和燃气的安全使用也有实际意义。火焰传播速度主要与可燃气体的性质、浓度有关。可燃气体的热导率越大，火焰传播速度越大。生物质燃气中氢气体积分数较高，氢气热导率较大，因而火焰传播速度较大。控制好燃烧器头部混合气体中生物质燃气的浓度，对于控制火焰传播速度，保证稳定燃烧十分重要。

b.生物质燃气燃烧反应速度

        温度与燃烧反应速度成指数关系，而且活化能越高，温度影响越大。因此在设计生物质燃气燃具时，要确保燃烧区有足够的温度是强化燃烧过程的主要手段之一，我们可以通过选择较小的一次空气系数来达到该目的；燃烧温度也与燃气与空气的混合比有关系，因而可通过控制混合比影响反应速度，混合比在化学当量比附近时燃烧反应速度最大。

2   生物质燃气供暖热水两用炉设计及检测

        燃气热水器产品要求安全可靠、环保高效，燃烧及换热装置是重要部件，决定着燃气热水器工作性能。本文将理论与经验数据相结合，探究燃烧及换热装置的设计。

        生物质燃气供暖热水两用炉具有良好的通用性，可以适应组成差别较大的生物质燃气；能有效地控制燃气与空气的混合比；采用高压电脉冲自动点火方式，调整点火频率，配以特殊的柱形极针，解决了生物质燃气不易着火的难题，点火率高达100%。

        1.平衡式烟道   2.风机   3.风压开关   4.主换热器   5.过热保护   6.燃气燃烧器   7.点火电极   8.供暖温度传感器   9.燃气调节阀   10.燃气安全电磁阀   11.点火器   12.三通阀   13.生活热水换热器   14.温度传感器   15.压力安全阀   16.缺水保护开关   17.泄水阀   18.空气进口   19.烟气出口   20.自动排气阀   21.闭式膨胀罐   22.火焰检测电极   23.供暖水流开关   24.循环水泵   25.热水水流开关   26.控制器   27.补水阀   28.供暖供水接口   29.生活热水接口   30.燃气接口   31.冷水接口   32.供暖回水接口

在运行过程中通过检测室内温度或生活热水温度，与设定温度相比较，控制电磁阀和循环水泵的启闭，保持室内温度及生活热水温度在控制的范围内。

②生物质燃气供暖热水两用炉结构参数

a.燃烧器及燃烧室设计

为保证完全燃烧，采用T形V槽口琴式低压引射大气式燃烧器。结合生物质燃气的燃烧特性曲线及实验进行优化设计，燃烧器设计参数见表4。燃烧器头部截面积为长方形，火孔采用双菱形火孔，隔板两边对称分布。

燃烧室的高度根据实验确定，通过测定火焰的外焰高度和烟气测试，得出适宜的燃烧室高度，选取170～180 mm较合理。燃烧室的容积为0.004 66 m3，燃烧室截面积为0.025 88 m2。

b.主换热器的设计

换热量一定时，换热器换热面积主要与烟气的流动状态、翅片的布置方式、翅片管的管径和排列有关。当流过换热器的烟气流速变化时，传热系数也随之变化。主换热器设计参数见表5。生活热水换热器采用板式换热器，用于加热生活热水。

c.点火设计

        根据上述设计参数，计算出火孔流出时生物质燃气占混合气的61%（以体积分数计），在正常燃烧范围以内。目前大多数燃具采用的压电陶瓷点火装置仅适用于普通的、着火要求较低的城市燃气，并不适用于着火温度和燃烧下限均比较高的生物质燃气［2］。这是由于压电陶瓷点火装置每次点火动作只能产生一个电火花，需要准确掌握点火时间。基于以上考虑，本燃烧器采用高压电脉冲自动点火，其原理可简述如下：采用3 V的干电池作为电源，干电池中的直流电经点火变压器转换为14 kV交流电后，经过电极时连续放电，用于点火。

2.2   设计气质性能检测

        经配气得到与设计生物质燃气相同华白数和燃烧速度指数的试验用气，试验用气由N2、H2、CH4组成，各组分的体积比为0.824∶0.029∶0.147，低热值为5.6 MJ/m3，相对密度为0.879 2，经检测其热效率为92.1％，达到设计要求。依据GB 6932—2015《家用快速热水器》、CJ/T 222—2006《家用燃气具合格评定程序及检验规则》进行测试，生物质燃气供暖热水两用炉主要性能检测结果见表6。

2.3   通用性能检测

        由于生物质燃气组成差异较大，为了保证稳定燃烧，应进行通用性能检测，确保两用炉可以在不做任何调整的情况下，适应生物质燃气组成的变化。即当生物质燃气性质改变时，两用炉的热流量、一次空气系数和火焰特性必须不超过某一极限，保证燃具仍能有效工作。

表2中提到生物质燃气的华白数为5.18～7.77 MJ/m3，为保证两用炉对不同组成的生物质燃气均具有一定的适应性，用界限气测试热流量，即定义华白数为5.18 MJ/m3的生物质燃气为上界限气，华白数为7.77 MJ/m3的生物质燃气为下界限气，配制此界限气。以设计样机进行测试，得到上限热流量为21.8 kW，下限热流量为16.9 kW。

火焰稳定性是指不脱火，不回火，无黄焰，可由生物质燃气燃烧特性曲线表示。上、下界限气的燃烧特性曲线见图2。设计工况点的一次空气系数为0.75，热流量为21 kW，落在曲线1′、2′、3之间，能稳定燃烧。

        根据GB 50015—2003《建筑给水排水设计规范》（2009年版）和文献［3］，以北京地区为例，3口之家生活热水日平均用量为120 L/d，温差50 ℃。饮用热水日平均用量6 L/d，温差为90 ℃。供暖设计热负荷指标为43.82 W/m2，供暖面积为80 m2，供暖期120 d，则全年需要的热量约为4.6×1010J，则此生物质燃气供暖热水两用炉每年大概需要消耗8 900 m3的生物质燃气。相同效率的情况下，使用天然气则需要1 600 m3。生物质燃气价格拟定0.6 元/m3，天然气价格4 元/m3，则每年可节省燃料费1 060 元，年节省费用为16％。

        生物质燃气供暖热水两用炉技术的应用，为生物质燃气的大规模应用提供良好的条件，可带来良好环境和社会效益，对改变传统的农村能源生产方式和消费方式，具有重要的经济意义。另外，还可以促进农村集中供气技术的利用，合理利用大量农业废弃物、林业废弃物，节省煤炭石油等不可再生能源，实现节能减排和低碳经济，加快新农村建设。