厨灶用甲醇燃料燃烧特性分析研究

孔永平，李法香，张环平，张 良，陈荣霞

（1.郑州星创能源科技有限公司，郑州 450000；2.河南隆正生物能源有限公司，河南济源 459000）

国家“十四五”规划纲要提出：中国的能源安全更具风险敞口的特点，要加大节能力度和优化能源结构，重点提高清洁能源比重，降低能源对外依存度，提高能源自主安全保障能力［1-3］.甲醇分子中含氧量超50%［4-5］，燃烧速度快，自身含氧助燃，燃烧彻底［6-8］，可有效提高燃烧热效率，同时又因为甲醇H/C比值大，不含N和S，其CO、NOx、SOx等污染物排放量相较于传统石化能源有显著降低，使得甲醇作为石油替代燃料的优势日渐突出［9-13］.

甲醇燃料是以甲醇为主要原料，在添加剂的作用下，与现有国标汽柴油按照特定的科学工艺和配方制作成的一种新型混合燃料［14-17］.由于甲醇来源广泛、清洁环保、热效率高［18-20］，并可大幅度替代石化能源，甲醇燃料成为国内外广大专家学者的研究和探索分析的热点［21］.Kathri等［22］对甲醇在柴油机上的燃烧特性进行研究分析，研究结果表明甲醇的燃烧温度和燃烧速度高于柴油.庄远［23］通过同步辐射和压燃定容燃烧弹等表征对醇类燃料的燃烧特性进行了分析研究，结果表明随着当量比的增加甲醇燃料废气排放量增多；乙醇可有效抑制炔烃的低温裂解反应.甲醇和乙醇的混合气体提高了燃料的燃烧效率.贾伟艺［24］对车用油品和锅炉用甲醇燃料的综合性能进行了对比分析，结果表明甲醇汽油在经济、动力、环保等方面性能优于92#汽油；供暖系统中，甲醇燃料与天然气在经济性方面基本持平.熊燕［25］针对醇基燃料实地应用过程中出现的一系列问题，自主设计了高效节能喷嘴，并通过Fluent软件和试验相结合的方法分析探讨了醇基燃料的燃烧特性，在雾化角40°、油滴粒径40～130 um、进气速度10 m/s的最优雾化条件下，燃料的燃烧效果最佳；醇基燃料中醇含量的增大，可降低尾气和颗粒物的排放，同时提高燃烧效率.

作为一种环保型的清洁能源，甲醇燃料可广泛应用在车用机械、锅炉灶具方面［26-28］.众多科研机构和企业对甲醇燃料的技术创新和应用拓展进行了大量的研究开发工作，然而其作为燃料直接用于餐饮业的燃烧方面尚未有大量学者进行研究［29-31］.

鉴于此，本文以餐饮业厨用灶具为模型，对不同甲醇含量的甲醇燃料在灶炉上的应用情况进行试验研究，重点分析五种燃料的过量空气系数、燃烧热效率、污染物排放特性和燃料消耗量与甲醇含量的关系，以此来进一步地了解甲醇燃料的燃烧性能，以提高其应用水平.

1 试验内容及方案

燃烧试验采用的是商用节能猛火灶，其中：炉头直径31 cm，额定热负荷20 kW，适用气压2000～2800 Pa.

商用节能猛火灶采用完全预混式燃烧，即燃料和空气在燃烧前进行充分混合.其主要工作原理：空气经烟气余热换热器变为热空气后，通过送风机由空气管道进入燃料-空气预混器，甲醇燃料被高速喷入预混器与助燃空气形成混合燃料.混合燃料经过节能灶头尾部旋流器完成二次混合后由旋流孔喷出，并使二次混合燃料高速旋流燃烧.烟气余热换热器吸收燃料的烟气余热，再次传递给低温助燃空气，进而提高灶具热效率.

试验共设计五种燃料：1#甲醇（甲醇体积分数100%），2#甲醇燃料（甲醇体积分数95%，0#柴油体积分数5%），3#甲醇燃料（甲醇体积分数90%，0#柴油体积分数10%），4#甲醇燃料（甲醇体积分数85%，0#柴油体积分数15%），5#甲醇燃料（甲醇体积分数80%，0#柴油体积分数20%）.

试验项目包括有：过量空气系数测定，燃料热效率试验对比分析，燃料燃烧污染物排放测试分析（包括SOx、NOx、CO、PM），燃料消耗量对比分析；试验项目所需仪器设备包括：热电偶、烟尘测试仪、烟气分析仪、电子秤和流量计等.

2 试验结果与分析

2.1 过量空气系数试验

本次试验所用灶具共计有五大流量档位，以火焰内焰刚好接触锅底部为最小流量档位（一档），以火焰刚好包住锅体为最大流量档位（五档）.进行排放试验前，先用气体分析仪对五种燃料在不同档位下的过量空气系数进行了试验测定，测试数据如表1和图1所示.

图1 五种燃料在不同档位下的过量空气系数曲线Fig.1 Excess air coefficient curves of five fuels in different gears

由表1可知，过量空气系数随着档位增大而不断下降.同档位下，1#甲醇燃料的过量空气系数高于其他四种原料，这是由于甲醇本身富氧，燃料过程中需氧量小.同时甲醇的富氧和低碳也益于甲醇燃料的彻底燃烧，其作为能源燃料具有很大的优势.

表1 五种燃料在不同档位下的过量空气系数测试结果Tab.1 Excess air coefficient test results of five fuels in different gears

2.2 热效率试验

试验选取一定量的初始温度为（25±5）℃的水，将其加热至90℃，通过下列公式计算热效率：

式中：η为燃烧器的热效率；m为水的质量，单位kg；C为水的比热容（取4.186），单位kJ/kg；ΔT为加热前后水的温度变化值，单位℃；QC为甲醇燃料的低热值（甲醇20.26，柴油42.5），单位kJ/kg；Δq为甲醇燃料的消耗量，单位kg.

热效率试验的测试数据见表2和图2.

试验在五个不同的档位下进行，甲醇燃料经预热、汽化后以气体状态开始燃烧.由表2和图2可知，由于甲醇本来含氧量高，所以燃烧得更加充分彻底，有效地提高了甲醇燃料的热效率.甲醇燃料随着档位的提高，其热效率呈先上升后下降趋势.这是因为，灶具的档位越高，送风量越大，气体状态的甲醇燃料与助燃气体的混合效果会随着送风量的增加而得到增强，有利于甲醇燃料的完全燃烧.但是送风量继续增大，会降低炉灶内部温度，导致燃料燃烧不充分，使得热效率下降；另外，送风量过大会产生大量烟气，进而增加排烟所带走的热量，加大热损失，使得燃料的热效率进一步降低.因此，只有在保证燃料能够充分燃烧的前提下，尽可能降低其过量空气系数，才能达到节能的目的.本试验中，甲醇燃料在灶具的三档时热效率最佳，五种燃料的热效率均达到50%以上，远优于传统灶具的使用.

图2 五种燃料的热效率变化趋势Fig.2 Thermal efficiency trends of five fuels

表2 五种燃料的热效率测试结果Tab.2 Thermal efficiency test results of five fuels单位：%

2.3 污染物排放试验

甲醇燃料不完全燃烧会产生多种污染物，其中有害组分主要包括CO、NOx、SOx及颗粒物等.本试验包括SOx、NOx、CO及颗粒物排放试验四项.

2.3.1 SOx排放试验 甲醇分子式CH3O，本身不含S元素，在燃烧过程中基本没有SOx的排放，所以1#样品在燃烧过程中未检测到SOx.然而随着甲醇含量的降低，甲醇燃料的SOx排放量增加，这是因为甲醇燃料中石化燃料的增加产生的，石化燃料中所含有的硫成分在燃烧过程中生成SOx.由此可见，甲醇燃料替代石化能源更加清洁环保（如表3和图3）.

图3 不同档位下五种燃料的SOx排放曲线Fig.3 SOx emission curves of five fuels in different gears

表3 五种燃料的SOx排放测试数据（体积分数）Tab.3 SOx emission test data of five fuels单位：%

2.3.2 NOx排放试验 随着档位增加，甲醇燃料与空气混合后的混合燃料浓度变大，五种燃料的NOx排放量均呈现先下降后平缓的趋势，且五种燃料的NOx排放量在四档时达到平稳.由表4和图4可得，1#甲醇燃料中的甲醇可降低NOx的排放.

图4 不同档位下五种燃料的NOx排放曲线Fig.4 NOx emission curves of five fuels in different gears

表4 五种燃料的NOx排放测试数据（体积分数）Tab.4 NOx emission test data of five fuels单位：%

2.3.3 CO排放试验 由试验结果可见，随着档位增加，五种燃料的CO排放浓度呈现上升趋势.低档位下，1#甲醇燃料的过量空气系数充足，燃料燃烧完全，燃烧过程中产生的CO量极小.随着档位的增加，燃料的流量增加，过量空气系数下降，助燃空气不足，甲醇燃料不完全燃烧加剧，CO产物增多（如表5和图5）.

图5 不同档位下五种燃料的CO排放曲线Fig.5 CO emission curves of five fuels in different gears

表5 五种燃料的CO排放测试数据（体积分数）Tab.5 CO emission test data of five fuels单位：%

2.3.4 颗粒物排放试验 通风口侧20 cm处作为颗粒物排放试验的采样位置，测试数据如表6和图6所示.

图6 不同档位下五种燃料的颗粒物排放曲线Fig.6 Particulate matter emission curves of five fuels in different gears

表6 五种燃料的颗粒物排放测试数据Tab.6 Particulate matter emission test data of five fuels单位：mg·m-3

由表6和图6可知，甲醇含量越高，燃烧越充分，颗粒物排放越低.5#甲醇燃料的颗粒物排放浓度高于其他四种燃料，这是由于在燃烧过程中，石化燃料一旦供氧不足马上会发生碳氢化合物的断链、析氢和析碳反应，而析碳是烟气颗粒物中的一个主要组分，所以燃烧后颗粒物排放浓度较高；而1#甲醇燃料只含有甲醇，其组成只有一个碳原子，即使会析碳也很少，所以纯甲醇的颗粒物排放浓度较低；另外，在燃烧过程中，甲醇分子中的氧起到自供作用，使燃料燃烧更彻底，进而降低颗粒物的排放浓度.综合比较五种燃料的颗粒物排放浓度，可明显看出甲醇燃料比0#柴油更加环保.

2.4 燃料消耗量试验

试验测试了五种燃料在不同档位下的消耗量，测试数据如表7和图7所示.

表7 五种燃料的燃料消耗量测试数据Tab.7 Fuel consumption test data of five fuels单位：kg·h-1

图7 不同档位下五种燃料的燃料消耗量变化趋势Fig.7 Variation Trends of fuel consumption of five fuels in different gears

随着档位的增大，五种燃料的消耗量呈现上升趋势.由表7和是图7可知，5#甲醇燃料的消耗量最低，1#消耗量最高.从燃料热值分析，甲醇20.26 kJ/kg，柴油42.5 kJ/kg.二档条件下，1#甲醇燃料消耗量1.83 kg/h，单位时间产生热值37.08 kJ；5#甲醇燃料消耗量1.11 kg/h，单位时间产生热值27.43 kJ.因此，1#甲醇燃料较5#甲醇燃料单位时间热值高35%.

3 结论

1）甲醇燃料应用到商用节能灶具上的热效率高达50%以上，远高于传统的灶具.

2）2#甲醇燃料在灶具二档条件下，热效率达到70%.

3）甲醇燃料在灶具二档条件下，甲醇含量提高20%，污染物排放可有效降低60%，单位时间热值提高35%.

综合对比分析可得，甲醇燃料具有热效率高、污染物排放少、单位时间热值高等优势，其在厨灶市场具有很大的市场前景.