一种安全、高效、环保的生物质炉灶的设计与应用

江苏省南京市江宁区麒麟门街道 徐宝平摘要：本文介绍了我国偏远地区炉灶的使用情况，分析了现有炉灶存在的不足之处，并采用简便、低成

江苏省南京市江宁区麒麟门街道 徐宝平

摘要：本文介绍了我国偏远地区炉灶的使用情况，分析了现有炉灶存在的不足之处，并采用简便、低成本的方法设计了一种新炉灶。运行表明，新炉灶在热效利用、安全和环保方面具有较明显的优势。

关键词：农村 灶具 燃料 燃烧 污染 大气 净化

一、 背景介绍

利用炉灶燃烧是人类利用有机质和化石燃料的第一个环节，其主要目的是用燃烧过程所释放的热量用以生活和生产。在纵向的历史长河中，从远古时期的刀耕火种，到当今自动化控制的核能利用，在当今横向的偏远乡村到现代工业，燃烧的热利用效率都有10%到96%以上的巨大差异。我们当今的社会管理职责是分析偏远乡村的热利用效率偏低的原因，并采取有效措施进行改进，用有限的燃料提供更多的热量用以改善人类生活质量和社会环境。

炉灶的燃烧有如下几个方面的影响。

a) 对能源需求的影响

世界共有40亿人口进行烧饭、洗澡、喂养牲畜等日常生活。按照人均每日需要4千克生物质燃料计算，全球年消耗生物质燃料约1600万吨。再按照5000千卡每千克计算，生物质燃料燃烧折合标准燃料800万吨，约是一个大型炼油厂的年产量。

中国有3亿人口完全依赖生物质能源用以生活和养殖，按照人均每日需要10千克生物质燃料计算，折合标准燃料300万吨，占据全国化石燃料的2%，石油资源的5%。

b) 对社会自然环境的影响

陶澍等人组织调查了1992-2012年间34489个中国大陆农村家庭的能源消费结构和1670个农村家庭的燃料日消费量。调查结果发现，在这20年间，我国大陆地区农村家庭薪柴和秸秆的消耗量分别下降了63%和51%；与此同时，电、液化气和沼气在烹饪用能源消费中的比重从8%上升到了59%，取暖用电比重从2%增加到15%。增幅均在7倍上下，远远超过IEA和FAO数据的10%。

c) 对人类健康的影响

早在2004年10月，世界卫生组织与联合国开发计划署在一份联合声明中呼吁人们，要特别关注农家炊烟造成的室内空气污染，因为这已成为不发达国家中危害人们健康的主要原因之一。

d) 对农业病虫害的影响

生物质燃烧可以彻底消杀病毒、虫卵，减少农业病虫害的威胁。

在全球仍有近50％的农家使用牛粪、树干、农作物秸秆和煤炭作为炊事燃料，它们产生的浓烟中所含的颗粒物和化学污染物被人吸入人体后，会大大增加罹患支气管炎和肺炎等呼吸道疾病的风险。许多生活在农村的妇女和儿童每天在家中吸入的炊烟远远超过了国际安全标准。在发展中国家，呛人炊烟每年导致160万人死亡，即每20秒钟就有一人丧生，受害者主要是妇女和儿童。

下图-1是典型的炉灶燃烧情况，虽有炊烟袅袅的诗情画意，但纵不忍其苦涩心酸。由此可见，进行乡村热利用效率的提升是迫在眉睫的一项任务。

图-1 农村炊烟对环境的影响

二、 农用炉灶的种类

由于各个地区燃料的不同及用途的多样性，炉灶的形式多种多样。主要的形式有如下五种。

1. 吊架灶：主要分布于我国西南地区的贵州、云南、四川、湖南、西藏、内蒙等地区。木材和牛马粪便。

2. 砖砌柴火灶和煤炭灶：分别分布东南沿海、中原和东北地区

3. 壁炉和炕：主要用于纬度高的北方严寒地区的冬季室内取暖。

4. 凉房：主要是长江以南区域的烟草、粮食等农作物和牛羊肉等畜牧产品的脱水。

5. 现代农业用锅炉：主要用燃煤、秸秆等燃料进行现代农业大棚内的养殖种植。

各炉灶种类的现场应用如下图-2。

图-2 各种炉灶的结构和应用

三、 典型炉灶灶结构和原理分析

下图-3为我国农村最为普遍使用的柴火结构。

使用过程中，炉灶添加柴禾和除灰操作全凭经验和手工操作，自然通风。通风量取决于烟气温度、烟囱内烟气与环境之间的静压差和烟囱阻力等因素。

其中烟囱内静压差ΔP=（ρ空气-ρ烟囱）*h烟囱高度*g重力加速度。

如果采用干燥的柴禾和合理的空气比例下，柴禾的燃烧温度能达到800℃。但由于柴禾含水量和过多的空气参与燃烧，柴火火焰温度一般只能达到450-550℃之间，排烟温度为250℃，燃烧热利用效率一般只有30%-40%之间。

冷灶点火时，由于烟囱内温度与环境温度无差异，烟气无流动推动力，燃烧烟气无法定向从烟囱排出，所以冷灶点火时，烟气会受屋外风力的影响而倒灌到屋内。

在原始的铜、银、金加工作坊，部分炉灶配备了风箱加强供风，但是这种正压供风也有烟气倒灌的不足。

由此可见，落后炉灶的主要不足在于以下几个方面：

a) 在建设前期，没有科学的计算、设计和专业的建造；

b) 在使用中，没有合理、可控的供风控制；

c) 在热利用中，没有合理的余热利用方法；

四、 新型燃烧器的设计

鉴于上述不足，本设计的关键是需要一个低成本负压的供风系统、一套简单余热回收系统和一种可靠地烟气净化方法。

本设计用流体物理和化学方法，开发出一种新的烟气驱动技术，能将常规的风机供风和烟气净化两种功能合二为一。可以用太阳能驱动烟气流动，更适合野外作业和偏僻乡村。不仅简单可靠，而且节约的制造和运行成本。

在余热利用方面，新增了蓄水池，对即将上炉加热的冷水进行预热，降低了烟气温度，提高了燃料的热利用率。

设计原理如下图-3。

图-3 炉灶的设计原理

经过合理布局和变形，上述炉灶可以变更为如下图-4所示的移动式，更加便于使用。

图-4 移动式燃烧器

上述设计的综合热利用效率可以达到95%以上，烟气中的烟尘等有害物质的去除效率可以达到80%以上，并且可以将回收的有害物进行无害化处理，回归土地，不仅有利于保持土壤性能，更有利于可持续、低成本的农作物的生长。本新型炉灶特点可总结如下表-1。

表-1 新型炉灶特点

五、 应用

按照本原理制成的一个1kW的小型炉灶，每小时可以生产出100℃开水6升，生产85℃温水6升。运行显示，每小时消耗木材6千克，唯一的12V50瓦风机，每小时的电力成本仅为0.03元。密闭环境内，无黑烟，无明显气味，噪音测量值为60分贝。

六、 结论与建议

当今，一方面是化石能源的紧缺和环保要求日趋严格，另一方面是农业有机质燃料数量的不断增加和有机质燃料利用的不充分，我们应该高度关注偏远地区的炉灶使用情况，用简易、低成本的方法对炉灶进行必要的改进，使得有机质燃料产自哪里，用之哪里。为推动炉灶改进工作的持续进行，作者建议：

a) 加快农村家用土灶的改造和新灶的推广；由于农户认知少、收入低，建议政府采购技术服务的形式免费向农户推广。

b) 需要得到国家政策、应用方面的支持。建议各地政府购买民间农村定点、定数量的技术服务，维持技术革新的合理收益。

c) 对专有技术需要必要的保护。本技术虽然简单，但却是流体力学、传热学、自动化控制和在线分析的高度结合，更是在传统加热炉传热方式和热利用技术的一个新的转折点。在目前国内仿制现象泛滥、监管不足的情形下，一项好技术可能被假冒、伪劣产品败坏名声，失去客户的信任，更不愿意看到是忽视对技术创新人应有的尊重和价值认可。

d) 农村秸秆焚烧宜集中采暖、发电、养殖项目的推广。

作者简介：徐宝平（13770648381@139.com），多年从事石化产业，一直专注石油炼制、工业自动化和石化节能工作。本人在完成了工业低温热利用的工作之余，希望在农业生物质热利用上提出本人如下设想，开发一种新型炉灶，解决农村生物质燃烧和低温热利用的问题，以此改善生物质的利用效率和农村环境，进一步节能减排，提高从村人居环境和农民健康状况。