自身发电及自通风高效燃烧炉灶的试验研究

李青阳，姚凤菊，张会广，顾文波，王若玉，朱群益

(1．哈尔滨工业大学 航天学院，黑龙江 哈尔滨 150090;

2．哈尔滨工业大学 能源科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

0 引言

农村人口占我国人口半数以上。以煤、柴草等生物质为燃料的传统炉灶在广大农村地区的日常生活和生产中经常使用，如用作寒冷季节取暖、烧火做饭等。由于供风不足，炉渣中含碳量高，燃烧效率较低［1］。同时CO 排放量高，易造成使用者CO 中毒，因中毒死亡的事件时有发生。

随着世界能源危机和环保问题的日益突出，国家对节能减排日益重视。当前，全社会都在开展节能降耗，缓解能源压力，建设节约型社会。为了开展节能减耗，减轻能源压力，建设新型节约型社会，国家出台了“十二五”计划，计划中强调“十二五”期间单位国内生产总值能耗降低16%左右，主要污染物排放总量减少8% ～10%。因此，节能已是我国经济发展的一项长远战略计划，也是当前一项紧迫的任务［2-3］。家庭炉灶节能改造是广大农村地区节约能源的一项重要内容。

1 自身发电及自通风高效燃烧炉灶的结构及工作原理

1．1 自身发电及自通风高效燃烧炉灶

图1 所示为传统的家用炉灶结构示意图。它依靠自然进风使燃料燃烧，由于供风不足，导致炉渣中含碳量高，CO 排放量高。

图1 传统家用炉灶结构示意图

为解决上述问题，我们提出了自身发电及自通风高效燃烧炉灶，其结构如图2 所示，主要包括:炉膛、导热杆、温差发电片、散热片、鼓风风扇、LED灯、炉膛下部的一次风管和炉膛上部的二次风管。

由于煤炉中心温度远高于外界环境，热量能通过可拆卸的铜质导热杆传导出，将导热杆一端插入煤炉内，另一端与散热片相连接以加强散热，在散热片一端安装温差发电片，同时在温差发电片的两侧涂抹硅胶，使发电片与散热片及导热杆充分接触，增强热传导能力。同时在散热片的正前方安装鼓风风扇。表1 给出了温差发电系统各部件的主要参数。

煤炉工作时，发电片在两侧温差的作用下产生电压，并带动安装在煤炉进风口处的鼓风风扇转动。一方面可以加速散热片的散热，增加温差发电片两侧的温度差，使其产生更高的电压，另一方面可以利用一次风管和二次风管将高速气流引入炉内，产生由煤炉下端进入炉体的一次风和从煤炉上部进入炉体的二次风，促进燃料的充分燃烧，减少CO 的产生和排放。该炉能够满足部分区域对照明的需要，解决生活用电问题，还能在人们外出时为手机、相机等电子产品进行快速充电及照明，具有成本低，效率高等特点。

表1 温差发电系统主要参数表

图2 自身发电及自通风高效燃烧炉灶结构示意图

1．2 温差发电原理

将两种半导体一端相接，使其处于高温状态(热端)，另一端置于低温状态(冷端)，则热端和冷端之间将产生开路电压ΔV，这种现象称为赛贝克效应［4］。理论上可以产生的电压ΔV 为

ΔV=αΔT=α(T2-T1)

式中 α——塞贝克系数/V·℃-1;

T2——热端温度/℃;

T1——冷端温度/℃;

ΔT——温度差/℃。

温差发电片类似于热电堆，单级热电堆可得到大约60℃的温差［5］。热电堆也可根据塞贝克效应工作把热能转化为电能从而利用温差发电，产生的电能可以用于照明需要及带动风扇旋转［6］。该炉主要利用燃煤炉中心处的火焰与外界环境产生的温差。

1．3 燃烧原理

碳的燃烧速度常数可以表示为

式中 K-——碳的燃烧速度/s;

k——化学反应动力学系数;

αd——扩散系数。

化学反应动力学系数k 和扩散系数αd均影响碳燃烧的反应速度，根据两者影响的程度可以把碳的燃烧过程分为三个控制区:

(1)k≫αd，K-=αd称为扩散控制的燃烧;

(2)k≪αd，K-=k 称为动力控制的燃烧;

(3)k≈αd，k 和αd的数量级差不多，扩散和化学反应动力学系数两者均不可忽略，称为过渡控制的燃烧。

炉灶的主燃区温度较高，基本处于扩散燃烧区，改善炉灶的通风可以提高燃料的燃烧速度及燃烧效率。

2 试验结果及分析

2．1 输出电压

用加工好的自身发电及自通风高效燃烧炉灶燃用烟煤进行实验，图3 所示为单只温差发电片输出电压随加热时间变化曲线，可见，导热杆受热290 s左右时，单只温差发电片产生的电压能够稳定在4．25 V，带动风扇持续旋转，能够为煤燃烧提供足够的氧量，保证燃料的充分燃烧，连接的LED 灯发光明亮。

图3 输出电压随时间变化曲线

2．2 燃烧效率

首先对传统炉灶和新型炉灶进行了热态试验。采用传统炉灶时，炉内采用自然通风。取燃烧后的灰样进行对比，如图4 和5 可见，采用新型炉灶，煤的燃烧效率提高，灰样中黑粒部分明显减少，说明在炉膛下部通入一次风，能够使固体的不完全燃烧损失减小，而传统炉灶由于自然通风，炉内风量不足，煤的燃烧效率低，灰样中黑粒明显。以上结果说明新型炉灶炉内燃烧更加充分。

分别使用两种炉灶加热等量的水。实验中水的质量均为1 kg，加入煤量为2 kg，记录水温从30℃升至40℃的时间。使用传统炉灶时所需时间为88 s，使用新型炉灶为65 s，烧水时间明显缩短，这是由于燃烧处于扩散燃烧区，炉底通入一次风后，为燃烧提供了充足的氧气，加快了煤的燃烧速度。由此可见新型炉灶工作时的热量释放速度较快，缩短了人们的等待时间。

图5 自身发电及自通风高效燃烧炉灶炉膛底部灰

图4 传统炉灶炉膛底部灰样

2．3 CO 排放浓度

利用Testo 350 烟气分析仪在线测量炉灶烟道出口处烟气成分。CO 浓度的测量误差为±50 ppm，O2浓度的测量误差为1%，测量结果见表2。加装温差发电及自通风装置前后，煤燃烧过程中排放的CO和O2浓度对比明显，CO 排放浓度降低了81．25%，同时出口氧量也明显减少。说明加装温差发电及自通风装置后，在炉膛上部通入二次风，使煤燃烧形成的CO 进行二次燃烧，能够大幅降低CO 的产生，使气体的不完全燃烧损失减少，提高燃烧效率。

表2 烟道出口烟气浓度对比

O2浓度出口处没有很大区别，是因为由烟囱口可能有O2的混入。

2．4 热量释放

利用新型炉灶与传统炉灶同时加热等量约1 kg的水，使水温从27℃升高到约100℃，直至沸腾，新型炉灶约用时157 s，传统炉灶约用时183 s，可见新型炉灶能更好利用燃料，在燃烧等量的碳时，新型炉灶热量释放更快，可释放更多热量。

3 结论

本文提出了自身发电及自通风高效燃烧炉灶，通过温差发电片，利用炉灶内外温差实现自身发电，电能供给鼓风风扇，为炉内强制鼓风，从而提高炉灶的燃烧效率。热态试验表明:单只温差发电片的输出电压能稳定在4．25 V，LED 灯发光明亮，灰渣中可燃物含量减少，CO 排放浓度降低81．25%，使燃料燃烧更加充分，烧水用时缩短。

因此，有以下创新点:

(1)充分利用了燃煤炉余热，利用温差发电片将其转换为电压，产生经济效益;

(2)利用风扇加快了肋片散热，加大温差发电片两段温差，使之产生更高的电压;

(3)利用弯管将风扇产生的高速气流引入炉内，使煤燃烧更充分，减少污染物排放。

同时，新型炉灶应用前景广阔，在发电困难的偏远地区，燃煤炉使用也很广泛，此项技术可以使煤燃烧效率更大，而且提供照明，且不需要昂贵的价格。在国家极力倡导节能减排的条件下，燃煤炉的污染依然严重。促进煤的充分燃烧，减少有害污染物的排放也已经发展成为大趋势。

［1］杨金和，陈弥生，陶玉灵，等． 中国煤分类的研究［J］．煤炭科学研究，1989，11(3):13 -18．

［2］李海翔． 节能减排:实现可持续发展的必然选择［J］．大众用电，2009，5(2):23 -29．

［3］王克群． 节能减排的意义及对策［J］． 延边党校学报，2007，6(2):34 -38．

［4］许志建，徐行． 赛贝克效应与温差发电［J］． 现代物理知识，2004，16(1):41 -42．

［5］朱小松．帕尔贴器件及其在温控装置中的电子技术应用［J］．现代物理知识，1990，12(1):8 -14．

［6］赵新兵．热电材料与温差发电技术［J］．现代物理知识，2013，13(6):16 -19．