炉灶相关的基本参数和概念(二)
发布时间:2013-10-31 09:37:00 字体: 点击:

6. 燃料及组成成分
 燃料是指在燃烧过程中能放出大量热能的物质。也就是,当燃料被加热到一定温度时,能与氧气发生强烈化学反应而放出大量热能的碳化物或碳氢化合物。农村的生物质燃料主要是农作物秸秆和柴草,其可燃成分主要碳和氢,其次是硫、磷、钾等元素。不可燃成分是氮、氧、水分和灰分。
(1)碳(C)   燃料中的主要元素。1公斤碳完全燃烧时,可放出33858千焦的热量。碳燃烧后变成CO2和CO。生物质燃料中的碳,一部分是游离的碳氢化合物,在燃烧中析出挥发物,即挥发份;另一部分是在灰渣中不完全燃烧的碳,即固定碳。在柴草中固定碳的含量较少,挥发份较多,所以容易点燃和燃尽。
(2)氢(H)   重要的可燃物质,在生物质燃料中含量一般在5%左右。主要以碳氢化合物的形式存在,受热时易挥发。氢容易燃烧,生物质燃料含氢愈多就愈易燃烧。
(3)硫(S)   可燃物质。每公斤硫燃烧的发热量为9196千焦,燃烧生成SO2和SO3,与烟气中的水蒸汽起化合作用,生成亚硫酸和亚硫酸蒸气,对金属壁有腐蚀作用。含硫酸的大气是有害的,但在柴草中含量少,一般只有0.1%~0.2%。
(4)磷(P)和钾(K)   均是可燃物质,也是生物质燃料特有的成分。磷燃烧后生成P2O5,钾燃烧后生成K2O,就是通常所说的磷肥和钾肥。在柴草中磷的含量只有0.2%~3%,而钾的含量为11%~20%。
(5)氮(N)和氧(O)   在燃料中均是有机废物,不能燃烧。生物质燃料中含氮量很少,只有0.5%~1.5%,故对燃烧影响不大。
(6)水分(W)   燃料中的杂质之一,不仅不能燃烧,还会吸收灶膛里的热量发生汽化,从而降低炉膛温度。含水量愈多的生物质燃料愈不容易燃烧。生物质燃料的发热量与含水量有着直接关系,当玉米秸秆含水量为5%时,其发热量为3686千卡/公斤;当含水量为22%时,则发热量为2914千卡/公斤。由此可知,含水量越高,发热量越低;反之,则越高。
(7)灰分(A)   生物质燃料中不可燃的矿物质。灰分多的燃料,发热量就低。灰分过大则容易在烟道中沉积,使通道截面变窄,降低抽力影响燃烧,排入大气后严重污染大气。
表3
 7. 燃料组成成分的表示方法
 燃料组成成分用各组成因素的质量百分数来表示。对于同一种燃料,采用不同的基数时,其百分数就不同。通常的计算基数有应用基和分析基,但比较普遍使用的还是分析基。它是燃料取样后经过风干,分析所得的各组成成分。由于分析基化验时去掉了大部分水分,组成成分较稳定,便于应用查阅,表示时在元素符号右上角加汉语拼音字母“f”。
碳(Cf)+氢(Hf)+硫(Sf)+钾(Kf)+磷(Pf)+氮(Nf)+灰分(Af)+水分(Wf)=100%
 另一种表示方法称为工业分析法。它不是测定各个元素所含的百分数,而仅仅测定水分(W)、灰分(A)、挥发分(V)和固定碳(CGD)的含量,以表征生物质燃料的主要燃烧特性指标。
表4
 8. 生物质燃料的热值
 从事炉灶研制的人员,最关心的就是单位质量的生物质燃料,在完全燃烧的情况下能释放出多少热量。这就是通常说的生物质燃料发热量,或叫生物质燃料的热值,单位是千焦/公斤(kJ/kg),它是计算炉灶热效率的基础数据。
 柴草等生物质热值的测定,是将一定质量的生物质试样,放在一个密闭的容器(通称氧弹)中,在有过量高压(25~35个大气压)存在的条件下使其完全燃烧,用水来吸收放出的热量,然后由水温的升高计算出该生物质的发热量。这种在弹筒中有过量氧气存在的条件下,燃烧单位质量的生物质所得到的热量,称为弹筒发热量,也叫高(位)发热量。把在大气状态下完全燃烧单位质量的生物质所得到的热量称为低(位)发热量,它等于从高位发热量中扣除水蒸气凝结热后的热量,其值由计算获得。
由于高位发热量和低位发热量测定的条件不同,反应的生成物不同,以及反应终止时温度不同,因而二者在数值上是有差异的。由于低位发热量接近于生物质在大气压下完全燃烧时所释放出的热量,所以在计算热效率时都用低位发热量,符号为QDW。
9. 燃烧需必备的条件及热量分配
   (1)燃烧时必备的条件
要使生物质燃料获得充分燃烧,必须具备4个条件:① 有足够的温度;② 供给适量的空气;③ 促进空气的扩散和运动;④ 要有足够的燃烧时间。
(2)炉灶中热量的分配
 若每小时燃烧X公斤燃料,其发热量为QDW,则每小时释放出的总热量为XQDW千焦/小时。其中,有效利用的热量为Q1,其余的则损失了;有排烟带走的热量为Q2,化学不完全燃烧损失为Q3,机械不完全燃烧损失为Q4,散热和渗漏损失为Q5,锅体和炉(灶)体蓄热量为Q6,灰渣带走的热量为Q7。若写成热平衡式为:XQDW= Q1+ Q2+ Q3+ Q4+ Q5+ Q6+ Q7。
 10. 炉灶的热效率
 生物质燃料投入灶膛燃烧产生热量有多少被有效利用;或者说,有效被利用的热量占投入热量的百分之几,用符号η表示。
η= (Q1/ BQDW)×100%
 式中,Q1——有效热量(千焦/小时)
       B——每小时燃烧的燃料质量(公斤/小时)
       QDW——燃料低位发热量(千焦/公斤)
 以过去炉灶测试的简易方法为例,用“三个十”法,即用10两(0.5公斤)柴、10分钟、烧开10斤水。假设水温从10℃到100℃,也就是升温90℃,则升温段的有效热量为:
Q1=0.5×10×4.1816×90=1881.72千焦/分钟
 式中,4.1816千焦/公斤为水的比热
 在10分钟内烧0.5公斤柴,设柴的发热量QDW=13817.1千焦/公斤(即3300千卡/公斤),故耗用的热为6908.55千焦/分钟,则该炉灶的热效率为:
η=(Q1/ BQDW)×100%=(1881.72/6908.55)×100%=27.2%
 生物质炊事采暖炉热效率为:
η=【4.18×(Gz(t2-t1)+G0(t-t0)+4.18×G1(t2-t1)+(G1-G2)r)】/(BQnet.ar+B1Qnet.ar1)
 式中,η——热效率,%;
       4.18——水的比热kJ/kg•℃;
       Gz——试验期间总出水量,kg;
       t2——平均出水温度,℃;
       t1——平均进水温度,℃;
       G0——炉体容水量,kg;
       t——试验结束时炉体水温,℃;
       t0——试验开始时炉体水温,℃;
       G1——蒸发锅内初始水量,kg;
       G2——试验结束时剩余锅水量,kg;
       t1、 t2——锅水初始水温度和沸腾温度,℃;
       r——锅水在平均蒸发温度状态下的汽化潜热,kJ/k;
       B——生物质燃料用量,kg;
       Qnet.ar——生物质燃料收到基低位发热量,kJ/kg;
       B1——引火柴用量,kg;
       Qnet.ar1——引火柴收到基低位发热量,kJ/kg。
 注释:(1)分母代表输入的热量;
      (2)分子代表输出的热量。分3部分:第1部分是采暖热量;第2部分是锅水升温的热量;第3部分是锅水蒸发的热量。
 11. 燃烧情况的判断
 农家炉灶的燃烧情况是不可能用仪表检测的,仅能根据火焰形式和颜色,以及烟气的颜色来判断。一般说来,火焰要求发亮,暗红和带黑烟都是不完全燃烧的标志。
 表5列出了火焰颜色和温度的对照,以判断炉(灶)膛的燃烧情况。
 12. 供热量的折算
 1kcal=1.163W,10000kcal=0.01163MW
 表
 一般说,1吨锅炉的供热量是60万大卡,等于0.7兆瓦。(注:1千卡就是1大卡)
 13. 标准煤及热值换算
 标准煤亦称煤当量,具有统一的热值标准。我国规定每千克标准煤的热值为7000千卡(29270千焦)。将不同品种、含量的能源按各自不同的热值换算成每千克热值为7000千卡的标准煤,也称标煤。
 1吨汽油≈1.42吨标煤   1吨柴油≈1.43吨标煤
 1吨煤≈7560千瓦小时(kWh)=27.2吉焦耳(GJ)(1GJ=109J)
 1万千瓦小时=1.23吨标煤


郝方洲