生物質(zhì)成型燃料燃燒理論分析

劉圣勇，趙迎芳，張百良

(農(nóng)業(yè)部可再生能源重點開放實驗室，河南鄭州，450002)

　　摘要：根據(jù)試驗結(jié)果，分析總結(jié)了生物質(zhì)成型燃料的點火性能、燃燒機理、燃燒特性等燃燒規(guī)律，從而為確定生物質(zhì)成型燃料燃燒設(shè)備的熱力特性參數(shù)打下基礎(chǔ)，為研制生物質(zhì)成型燃料專用燃燒設(shè)備提供科學(xué)依據(jù)。

　　生物質(zhì)成型燃料燃燒理論分析是研制生物質(zhì)成型燃料燃燒設(shè)備的基礎(chǔ)，生物質(zhì)成型燃料燃燒規(guī)律與木塊、煤的燃燒規(guī)律有一定差別。為了使生物質(zhì)成型燃料燃燒設(shè)備能夠有較高的燃燒效率與較少的污染。必須對生物質(zhì)成型燃料燃燒規(guī)律加以認(rèn)真地研究與分析。根據(jù)國內(nèi)外文獻檢索，關(guān)于生物質(zhì)成型燃料層狀燃燒的點火性能、燃燒機理、動力學(xué)特性還未見報到。為此作者根據(jù)試驗結(jié)果對生物質(zhì)成型燃料的點火性能、燃燒機理、燃燒特性等燃燒規(guī)律進行分析與總結(jié)。

　　1生物質(zhì)成型燃料點火性能理論分析

　　1.1點火過程

　　生物質(zhì)成型燃料的點火過程是指生物質(zhì)成型燃料與氧分子接觸、混合后，從開始反應(yīng)，到溫度升高至激烈的燃燒反應(yīng)前的一段過程。實現(xiàn)生物質(zhì)成型燃料的點火必須滿足：生物質(zhì)成型燃料表面析出一定濃度的揮發(fā)物，揮發(fā)物周圍要有適量的空氣，并且具有足夠高的溫度。生物質(zhì)成型燃料的點火過程是：(1)在熱源的作用下，水分被逐漸蒸發(fā)逸出生物質(zhì)成型燃料表面；(2)隨后生物質(zhì)成型燃料表面層燃料顆粒中有機質(zhì)開始分解，在其過程中有一部分揮發(fā)性可燃?xì)鈶B(tài)物質(zhì)分解析出；(3)局部表面達到一定濃度的揮發(fā)物遇到適量的空氣并達到一定溫度，便開始局部著火燃燒；(4)隨后點火面漸漸擴大，同時也有其它局部表面不斷點火；(5)點火面迅速擴大為生物質(zhì)成型燃料的整體火焰出現(xiàn)；(6)點火區(qū)域逐漸深入到生物質(zhì)成型燃料內(nèi)部一定深度，完成整個穩(wěn)定點火過程。點火過程如圖1表示。

　　1.2影響點火的因素

　　點火溫度；生物質(zhì)種類；外界的空氣條件；生物質(zhì)成型密度；生物質(zhì)成型燃料含水率；生物質(zhì)成型燃料幾何尺寸等。

　　1.3點火特性

　　生物質(zhì)成型燃料一般是高揮發(fā)分的生物質(zhì)在一定溫度下擠壓而成。在高壓成型的生物質(zhì)燃料中，其組織結(jié)構(gòu)限定了揮發(fā)分由內(nèi)向外的析出速度及熱量由外向內(nèi)的傳遞速度減慢，且點火所需的氧氣比原生物質(zhì)有所減少，因此生物質(zhì)成型燃料的點火性能比原生物質(zhì)有所降低，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于型煤的點火性能。從總體趨勢分析，生物質(zhì)成型燃料的點火特性更趨于生物質(zhì)點火特性。

　　2生物質(zhì)成型燃料燃燒理論分析

　　2.1生物質(zhì)成型燃料燃燒機理

　　生物質(zhì)成型燃料燃燒機理屬于靜態(tài)滲透式擴散燃燒，燃燒過程就從著火后開始。(1)生物質(zhì)成型燃料表面可燃揮發(fā)物燃燒，進行可燃?xì)怏w和氧氣的放熱化學(xué)反應(yīng)，形成火焰；(2)除了生物質(zhì)成型燃料表面部分可燃揮發(fā)物燃燒外，成型燃料表層部分的碳處于過渡燃燒區(qū)，形成較長火焰；(3)生物質(zhì)成型燃料表面仍有較少的揮發(fā)分燃燒，更主要的是燃燒向成型燃料更深層滲透。焦碳的擴散燃燒，燃燒產(chǎn)物CO2，CO及其它氣體向外擴散，行進中CO不斷與O2結(jié)合成CO2，成型燃料表層生成薄灰殼，外層包圍著火焰；(4)生物質(zhì)成型燃料進一步向更深層發(fā)展，在層內(nèi)主要進行碳燃燒(即C+O2→CO)，在球表面進行一氧化碳的燃燒(即CO+O2→CO2)，形成比較厚的灰殼，由于生物質(zhì)的燃盡和熱膨脹，灰層中呈現(xiàn)微孔組織或空隙通道甚至裂縫，較少的短火焰包圍著成型塊；(5)燃盡殼不斷加厚，可燃物基本燃盡，在沒有強烈干擾的情況下，形成整體的灰球，灰球表面幾乎看不出火焰，灰球會變暗紅色，至此完成了生物質(zhì)成型燃料的整個燃燒過程，燃燒過程如圖2表示。

　　根據(jù)生物質(zhì)成型燃料燃燒動力學(xué)分析，影響生物質(zhì)成型燃料速度的主要因素有：生物質(zhì)種類，生物質(zhì)的含水率，生物質(zhì)成型燃料密度，生物質(zhì)成型燃料的幾何尺寸，生物質(zhì)成型燃料燃燒溫度，燃燒時的通風(fēng)條件等。

　　2.3生物質(zhì)成型燃料燃燒特性

　　2.3.1生物質(zhì)燃料特性

　　表1為六種主要生物質(zhì)的工業(yè)分析，元素分析、發(fā)熱量的數(shù)值：

　　由表l可看出，生物質(zhì)的揮發(fā)分遠(yuǎn)高于煤，灰分和含碳量遠(yuǎn)小于煤，其熱值小于煤，生物質(zhì)這種燃料特點就決定了它的燃燒具有一定的特征。

　　2.3.2原生物質(zhì)燃燒特性

　　原生物質(zhì)特別是秸桿類生物質(zhì)密度小，體積大，其揮發(fā)分高達60％～70％之間，點火溫度低，易點火。同時熱分解的溫度又比較低，一般在350℃就釋放出80％左右的揮發(fā)分，燃燒速度快，燃燒開始不久迅速由動力區(qū)進入擴散區(qū)，揮發(fā)分在短時期內(nèi)迅速燃燒，放熱量劇增，在傳統(tǒng)燃燒設(shè)備中，高溫?zé)煔鈦聿患皞鳠峋陀蔁焽枧懦?，因此造成大量的排煙熱損失。另一方面，揮發(fā)分劇烈燃燒所需要的氧量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于外界擴散所供應(yīng)的氧量，使供氧明顯不足，較多的揮發(fā)分不能燃盡，形成大量CO、H2、CH4等產(chǎn)物，產(chǎn)生大量的氣體不完全燃燒損失。

　　當(dāng)揮發(fā)分燃燒完畢，進入焦炭燃燒階段時，由于生物質(zhì)焦炭的結(jié)構(gòu)為構(gòu)散狀，氣流的擾動就可使其解體懸浮起來，脫離燃燒層，迅速進入爐膛的上方空間，經(jīng)過煙道而進入煙囪，形成大量的固體不完全燃燒熱損失。此時燃燒層剩下的焦炭量很少，不能形成燃燒中心，使得燃燒后勁不足。這時如不嚴(yán)格控制進入空氣量，將使空氣大量過剩，不但降低爐溫，而且增加排煙熱損失。

　　總之，生物質(zhì)燃燒的速度忽快忽慢，燃燒所需的氧量與外界的供氧極不匹配，呈波浪式燃燒，燃燒過程不穩(wěn)定。

　　2.3.3生物質(zhì)成型燃料燃燒特性

　　由于生物質(zhì)成型燃料是經(jīng)過高壓而形成的塊狀燃料，其密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原生物質(zhì)，其結(jié)構(gòu)與組織特征就決定了揮發(fā)分的逸出速度與傳熱速度都大大降低。點火溫度有所升高，點火性能變差，但比型煤的點火性能要好，從點火性能考慮，仍不失生物質(zhì)點火特性。燃燒開始時揮發(fā)分慢慢分解，燃燒處于動力區(qū)，隨著揮發(fā)分燃燒逐漸進入過渡區(qū)與擴散區(qū)，燃燒速度適中，能夠使揮發(fā)分放出的熱量及時傳遞給受熱面，使排煙熱損失降低。同時揮發(fā)分燃燒所需的氧與外界擴散的氧很好的匹配，揮發(fā)分能夠燃盡，又不過多的加入空氣，爐溫逐漸升高，減少了大量的氣體不完全燃燒損失與排煙熱損失。

　　揮發(fā)分燃燒后，剩余的焦炭骨架結(jié)構(gòu)緊密，像型煤焦炭骨架一樣，運動的氣流不能使骨架解體懸浮，使骨架炭能保持層狀燃燒，能夠形成層狀燃燒核心。

　　這時炭的燃燒所需要的氧與靜態(tài)滲透擴散的氧相當(dāng)，燃燒穩(wěn)定持續(xù)，爐溫較高，從而減少了固體與排煙熱損失。在燃燒過程中可以清楚地看到炭的燃燒過程，藍(lán)色火焰包裹著明亮的炭塊，燃燒時間明顯延長。

　　總之，生物質(zhì)成型燃料燃燒速度均勻適中，燃燒所需的氧量與外界滲透擴散的氧量能夠較好的匹配，燃燒波浪減小，燃燒相對穩(wěn)定。

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