江蘇省南京市江寧區麒麟門街道 徐寶平摘要：本文介紹了我國偏遠地區爐灶的使用情況，分析了現有爐灶存在的不足之處，并采用簡便、低成

江蘇省南京市江寧區麒麟門街道 徐寶平

摘要：本文介紹了我國偏遠地區爐灶的使用情況，分析了現有爐灶存在的不足之處，并采用簡便、低成本的方法設計了一種新爐灶。運行表明，新爐灶在熱效利用、安全和環保方面具有較明顯的優勢。

關鍵詞：農村 灶具 燃料 燃燒 污染 大氣 凈化

一、 背景介紹

利用爐灶燃燒是人類利用有機質和化石燃料的第一個環節，其主要目的是用燃燒過程所釋放的熱量用以生活和生產。在縱向的歷史長河中，從遠古時期的刀耕火種，到當今自動化控制的核能利用，在當今橫向的偏遠鄉村到現代工業，燃燒的熱利用效率都有10%到96%以上的巨大差異。我們當今的社會管理職責是分析偏遠鄉村的熱利用效率偏低的原因，并采取有效措施進行改進，用有限的燃料提供更多的熱量用以改善人類生活質量和社會環境。

爐灶的燃燒有如下幾個方面的影響。

a) 對能源需求的影響

世界共有40億人口進行燒飯、洗澡、喂養牲畜等日常生活。按照人均每日需要4千克生物質燃料計算，全球年消耗生物質燃料約1600萬噸。再按照5000千卡每千克計算，生物質燃料燃燒折合標準燃料800萬噸，約是一個大型煉油廠的年產量。

中國有3億人口完全依賴生物質能源用以生活和養殖，按照人均每日需要10千克生物質燃料計算，折合標準燃料300萬噸，占據全國化石燃料的2%，石油資源的5%。

b) 對社會自然環境的影響

陶澍等人組織調查了1992-2012年間34489個中國大陸農村家庭的能源消費結構和1670個農村家庭的燃料日消費量。調查結果發現，在這20年間，我國大陸地區農村家庭薪柴和秸稈的消耗量分別下降了63%和51%；與此同時，電、液化氣和沼氣在烹飪用能源消費中的比重從8%上升到了59%，取暖用電比重從2%增加到15%。增幅均在7倍上下，遠遠超過IEA和FAO數據的10%。

c) 對人類健康的影響

早在2004年10月，世界衛生組織與聯合國開發計劃署在一份聯合聲明中呼吁人們，要特別關注農家炊煙造成的室內空氣污染，因為這已成為不發達國家中危害人們健康的主要原因之一。

d) 對農業病蟲害的影響

生物質燃燒可以徹底消殺病毒、蟲卵，減少農業病蟲害的威脅。

在全球仍有近50％的農家使用牛糞、樹干、農作物秸稈和煤炭作為炊事燃料，它們產生的濃煙中所含的顆粒物和化學污染物被人吸入人體后，會大大增加罹患支氣管炎和肺炎等呼吸道疾病的風險。許多生活在農村的婦女和兒童每天在家中吸入的炊煙遠遠超過了國際安全標準。在發展中國家，嗆人炊煙每年導致160萬人死亡，即每20秒鐘就有一人喪生，受害者主要是婦女和兒童。

下圖-1是典型的爐灶燃燒情況，雖有炊煙裊裊的詩情畫意，但縱不忍其苦澀心酸。由此可見，進行鄉村熱利用效率的提升是迫在眉睫的一項任務。

圖-1 農村炊煙對環境的影響

二、 農用爐灶的種類

由于各個地區燃料的不同及用途的多樣性，爐灶的形式多種多樣。主要的形式有如下五種。

1. 吊架灶：主要分布于我國西南地區的貴州、云南、四川、湖南、西藏、內蒙等地區。木材和牛馬糞便。

2. 磚砌柴火灶和煤炭灶：分別分布東南沿海、中原和東北地區

3. 壁爐和炕：主要用于緯度高的北方嚴寒地區的冬季室內取暖。

4. 涼房：主要是長江以南區域的煙草、糧食等農作物和牛羊肉等畜牧產品的脫水。

5. 現代農業用鍋爐：主要用燃煤、秸稈等燃料進行現代農業大棚內的養殖種植。

各爐灶種類的現場應用如下圖-2。

圖-2 各種爐灶的結構和應用

三、 典型爐灶灶結構和原理分析

下圖-3為我國農村最為普遍使用的柴火結構。

使用過程中，爐灶添加柴禾和除灰操作全憑經驗和手工操作，自然通風。通風量取決于煙氣溫度、煙囪內煙氣與環境之間的靜壓差和煙囪阻力等因素。

其中煙囪內靜壓差ΔP=（ρ空氣-ρ煙囪）*h煙囪高度*g重力加速度。

如果采用干燥的柴禾和合理的空氣比例下，柴禾的燃燒溫度能達到800℃。但由于柴禾含水量和過多的空氣參與燃燒，柴火火焰溫度一般只能達到450-550℃之間，排煙溫度為250℃，燃燒熱利用效率一般只有30%-40%之間。

冷灶點火時，由于煙囪內溫度與環境溫度無差異，煙氣無流動推動力，燃燒煙氣無法定向從煙囪排出，所以冷灶點火時，煙氣會受屋外風力的影響而倒灌到屋內。

在原始的銅、銀、金加工作坊，部分爐灶配備了風箱加強供風，但是這種正壓供風也有煙氣倒灌的不足。

由此可見，落后爐灶的主要不足在于以下幾個方面：

a) 在建設前期，沒有科學的計算、設計和專業的建造；

b) 在使用中，沒有合理、可控的供風控制；

c) 在熱利用中，沒有合理的余熱利用方法；

四、 新型燃燒器的設計

鑒于上述不足，本設計的關鍵是需要一個低成本負壓的供風系統、一套簡單余熱回收系統和一種可靠地煙氣凈化方法。

本設計用流體物理和化學方法，開發出一種新的煙氣驅動技術，能將常規的風機供風和煙氣凈化兩種功能合二為一。可以用太陽能驅動煙氣流動，更適合野外作業和偏僻鄉村。不僅簡單可靠，而且節約的制造和運行成本。

在余熱利用方面，新增了蓄水池，對即將上爐加熱的冷水進行預熱，降低了煙氣溫度，提高了燃料的熱利用率。

設計原理如下圖-3。

圖-3 爐灶的設計原理

經過合理布局和變形，上述爐灶可以變更為如下圖-4所示的移動式，更加便于使用。

圖-4 移動式燃燒器

上述設計的綜合熱利用效率可以達到95%以上，煙氣中的煙塵等有害物質的去除效率可以達到80%以上，并且可以將回收的有害物進行無害化處理，回歸土地，不僅有利于保持土壤性能，更有利于可持續、低成本的農作物的生長。本新型爐灶特點可總結如下表-1。

表-1 新型爐灶特點

五、 應用

按照本原理制成的一個1kW的小型爐灶，每小時可以生產出100℃開水6升，生產85℃溫水6升。運行顯示，每小時消耗木材6千克，唯一的12V50瓦風機，每小時的電力成本僅為0.03元。密閉環境內，無黑煙，無明顯氣味，噪音測量值為60分貝。

六、 結論與建議

當今，一方面是化石能源的緊缺和環保要求日趨嚴格，另一方面是農業有機質燃料數量的不斷增加和有機質燃料利用的不充分，我們應該高度關注偏遠地區的爐灶使用情況，用簡易、低成本的方法對爐灶進行必要的改進，使得有機質燃料產自哪里，用之哪里。為推動爐灶改進工作的持續進行，作者建議：

a) 加快農村家用土灶的改造和新灶的推廣；由于農戶認知少、收入低，建議政府采購技術服務的形式免費向農戶推廣。

b) 需要得到國家政策、應用方面的支持。建議各地政府購買民間農村定點、定數量的技術服務，維持技術革新的合理收益。

c) 對專有技術需要必要的保護。本技術雖然簡單，但卻是流體力學、傳熱學、自動化控制和在線分析的高度結合，更是在傳統加熱爐傳熱方式和熱利用技術的一個新的轉折點。在目前國內仿制現象泛濫、監管不足的情形下，一項好技術可能被假冒、偽劣產品敗壞名聲，失去客戶的信任，更不愿意看到是忽視對技術創新人應有的尊重和價值認可。

d) 農村秸稈焚燒宜集中采暖、發電、養殖項目的推廣。

作者簡介：徐寶平（13770648381@139.com），多年從事石化產業，一直專注石油煉制、工業自動化和石化節能工作。本人在完成了工業低溫熱利用的工作之余，希望在農業生物質熱利用上提出本人如下設想，開發一種新型爐灶，解決農村生物質燃燒和低溫熱利用的問題，以此改善生物質的利用效率和農村環境，進一步節能減排，提高從村人居環境和農民健康狀況。