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家用生物质成型燃料炉具的设计与研究
【摘要】 随着我国经济的发展，农村生活用能结构发生较大变化。一方面秸秆消耗量减少，煤和液化气用量增加，但其价格较高且呈上涨趋势；另一方面，尽管部分生物质秸秆用于加工饲料、肥料等产品，但仍有大量剩余秸秆闲置。近几年很多地区收获季节要求农民把秸秆运到指定地点，但由于堆放的秸秆占用土地，最终还是被陆续焚烧而造成资源浪费。将废弃的生物质秸秆与农村生活用能结合，因地制宜合理利用生物质资源，是解决农村能源与环境问题的有效途径。 本课题将生物质成型燃料应用于家用炉具，在已有研究基础上进一步较全面研究生物质成型燃料燃烧特性。依据工业炉设计标准，结合省柴灶、型煤炉特点和传热计算设计出家用生物质成型燃料炉具，进行炉具试验并依据分析结果提出建议。本文主要内容和研究成果如下： (1) 生物质成型燃料的燃烧模式为挥发分先析出燃烧，而后是固定碳的燃烧；燃料密度是燃料点火性能最显著影响因素，燃料密度愈小点火愈容易；封火状态燃料燃烧特点与火灾的阴燃及从阴燃转变为有焰火类似；不同原料种类的生物质成型燃料灰熔点特征温度有微小差别。 (2) 依据炉具设计步骤，通过燃料燃烧计算、传热计算初步估算出炉具设计热效率，并在此基础上参考相关文献确定炉具燃料消耗量、炉膛、烟囱等主要设计参数，设计出专用炉具。 (3) 参照GB6412—86《家庭用煤及炉具试验方法》，结合本炉具及所用燃料特点，测定燃料和炉具综合性能，得出了相关指标数值；试验中发现燃料燃烧充分，没有结渣现象，但产生的火焰较难控制致使排烟温度较高。 (4) 性能测试结果与炉具设计指标相比，排烟温度较高，热效率偏低；与原有炉具相比，火力足、燃烧充分且上火速度快，有良好的环境效益和社会效益，但燃料燃烧产生的火焰未最大化利用，排烟热损失亦较大。 (5) 提高炉具热效率可以通过将原炉具改造和设计出其他炉型两种途径；深入全面研究燃料性能也是设计优质炉具的保证。 目前对生物质成型燃料专用炉具的研究才刚刚开始，存在较多问题还需要更加全面和深入的研究。
【关键词】 农村生活用能； 生物质成型燃料； 燃烧特性； 炉具设计； 炉具性能试验
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生物质资源以林业和农业废弃物为主
我国生物质资源丰富，主要包括农业废弃物、林业废弃物、畜禽粪便、城市生活垃圾、有机废水和废渣等，每年可作为能源利用的生物质资源总量约相等于亿标准煤。其中农业废弃物资源量约4亿吨，折算成标煤量约2亿吨;林业废弃物资源量约亿吨，折算成标煤量约2亿吨;其余相关有机废弃物约为6000万吨标准煤。
生物质发电保持稳步增长势头
随着国内大力鼓励和支持发展可再生能源，生物质能发电投资热情迅速高涨，各类农林废弃物发电项目纷纷启动建设。我国生物质能发电技术产业呈现出全面加速的发展态势。据国家能源局数据显示，2019年，我国生物质发电累计装机达到2254万千瓦，同比增长;我国生物质发电新增装机473万千瓦;我国生物质发电量1111亿千瓦时，同比增长，继续保持稳步增长势头。
生物质能占可再生能源比例逐步扩大
从我国能源结构以及生物质能地位变化情况来看，近年来，随着生物质能发电持续快速增长，生物质能装机和发电量占可再生能源的比重不断上升。具体表现为：2019年我国生物质能源装机容量和发电量占可再生能源的比重分别上升至和。生物质能发电的地位不断上升，反映生物质能发电正逐渐成为我国可再生能源利用中的新生力量。
垃圾燃烧发电占比不断提高
根据中国产业发展促进会生物质能产业分会于2019年6月30日发布的《2019中国生物质发电产业排名报告》数据，截至2018年，我国已投产生物质发电项目902个，并网装机容量为万千瓦，年发电量为亿千瓦时。
其中：我国农林生物质发电项目为321个，并网装机容量为万千瓦，较2017年增加了51个项目、万千瓦装机容量。而垃圾发电项目已达到401个，并网装机容量为万千瓦，较2017年增加了63个项目、万千瓦装机容量。
垃圾焚烧发电项目401个，并网装机容量万千瓦，年发电量为亿千瓦时，年处理垃圾量亿吨。
沼气发电项目180个，较2017年增加44个;装机容量为万千瓦，较2017年增加万千瓦;年发电量、上网电量分别达到亿、亿千瓦时，较2017年各增加2亿、亿千瓦时。
2018年农林生物质发电全行业发电设备平均利用小时数为4895小时，同比2017年减少774小时。装机容量增加约万千瓦，但是发电量和上网电量和2017年基本持平，主要原因一是部分企业转为热电联产，供热量增大;二是行业原料成本固定，但是盈利能力减弱，发电补贴未能及时下发，部分企业资金链紧张，最终导致停产。自2017年开始，垃圾焚烧发电装机增速明显高于农林生物质发电，装机装量超过农林生物质发电。到2018年，垃圾焚烧发电装机容量高于农林生物质发电约110万千瓦，上网电量高于农林生物质发电约亿千瓦时。
——以上数据来源于前瞻产业研究院《中国生物质能发电产业市场前瞻与投资战略规划分析报告》。
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