玉米秸稈顆粒燃料燃燒特性的試驗研究

引言
    隨著可再生能源的開發利用越來越受到人們的關注，生物質能作為地球上唯一能夠固定碳的清潔性能源而逐漸被世界各國所重視。生物質能是僅次于煤炭、石油、天然氣的第四大能源，約占全球總能源消耗的14%。
    目前生物質能的利用方式大致可分為三類：一是直接燃燒；二是生物轉換技術，通過微生物發酵方法制取液體燃料或氣體燃料；三是熱化學轉換技術，通過熱化學技術轉化成流體燃料。在我國，生物質能主要還是作為一次能源在農村中使用，農村大多還是采用傳統的爐灶直接燃燒，其轉換效率僅為10%~20%，浪費嚴重，并且污染環境。
    據統計，我國每年的農作物秸稈產量就可以達到6億t，如果合理利用，必然能成為解決我國能源問題的一條有效途徑。壓縮成型顆粒燃料就是將這些密度小、體積膨松的農作物秸稈在一定壓力下壓縮成密度較大的棒狀、粒狀、塊狀等形狀的燃料。壓縮成型后不僅解決了原生物質秸稈堆積銷毀的問題，還保持了原有的點火容易、CO2零排放等優點。將成型后燃料應用于傳統的燃燒設備中，縮小了生物質原料的體積，大大增加了燃料的能量密度，從而提高了燃燒效率。從國內外的研究現狀來看，國外主要研究和應用的是木質顆粒燃料，對玉米秸稈顆粒燃料成型及燃燒技術并無成熟經驗。我國對生物質顆粒燃料燃燒所進行的理論和應用研究也較少，因此本文主要研究的是玉米秸稈顆粒燃料的燃燒特性，富通新能源生產銷售的秸稈顆粒機、木屑顆粒機專業壓制生物質顆粒燃料。
1、生物質顆粒燃料的燃燒機理
    生物質顆粒燃料的燃燒過程可以分為干燥、揮發分析出和燃燒、固定碳燃燒三個階段，燃燒機理如圖1所示。當溫度達到100℃左右時，生物質表面及顆�？p隙的水逐漸蒸發出來，含水量越高，干燥過程所消耗的熱量也就越多。干燥后的生物質顆粒燃料繼續吸熱升溫，當溫度達到160℃時，高分子有機物發生熱分解反應，到300~400℃就能釋放出70%左右的揮發分。析出的揮發分與氧氣混合，燃燒放出熱量，這些熱量通過輻射、對流、熱傳導的形式傳遞給內層的新燃料，使內層燃料的揮發分析出、燃燒、放熱。隨著揮發分的減少，固定碳與氧氣接觸燃燒，燃燒產生的灰分把剩余的碳包裹，妨礙了氣體的擴散，所以此時需要適當的人為攪動或加大空氣量，以保證剩余焦炭完全燃燒。
2、試驗系統
2.1反燒爐
    試驗所用的試驗裝置是自行設計的小型反燒單元體爐，如圖2所示。
    該系統包括爐體、送風機、流量計、熱電偶、安全排煙罩、引風機、電阻絲、變壓器、數據采集模塊及電腦。其中，爐體由外徑為114mm、壁厚2mm的不銹鋼管制成，管上均勻繞有電阻絲，電阻絲接變壓裝置，最外層包裹硅酸鹽保溫氈。爐排上均勻分布著96個直徑為5 mni的通風口，占整個爐排面積的20%。爐子運用的是反燒原理，通過送風機從上部送人空氣，利用引風機從下部抽走煙氣。進料時開啟球閥，送空氣時關閉球閥。煙氣則是經過自行設計的安全排煙罩排至室外，在引風機的作用下，高溫煙氣和室內空氣混合，降低煙氣的溫度后排至室外。溫度的采集選用9只鎳硅鎳鉻熱電偶，分別測不同管斷面中心處的溫度，間隔均為50mm。數據采集軟件為組態王。
2.2試驗方法
    首先，將選取的玉米秸稈顆粒燃料在5E -MACⅢ紅外快速煤質分析儀中進行工業分析，再按照國家標準對其進行元素分析。由于該試驗為固定床燃燒，試驗前要把稱重好的顆粒燃料通過球閥投入爐體，顆粒燃料隨機地堆積在爐排上，關閉球閥。調試數據采集模塊，校正熱電偶的溫度之后，便可以進行點火、燃燒試驗。點火方式采用電加熱點火，根據電阻絲纏繞的間距，變壓器調至150V便可以點燃玉米秸稈顆粒燃料。燃燒過程中，通過調節變頻風機改變送風量，同時開啟引風機，將產生的煙氣通過安全排煙罩排至室外。點火時，空氣量不易過大，試驗以400℃作為點火成功的標準，點火所的時間可以通過組態王軟件的歷史趨勢曲線顯示出來。顆粒燃料被點燃后，可以加大空氣量，以滿足顆粒燃料的充分燃燒所需的氧氣量，數據采集模塊自動采集爐膛內的溫度并通過電腦輸出，燃燒時間同樣由組態王的歷史趨勢曲線顯示出來。隨著燃燒反應的進行，溫度出現逐漸下降趨勢，再調大空氣量，從而保證剩余的焦炭充分燃燒。
3、試驗結果與分析
3.1玉米秸稈顆粒燃料的性質
    試驗選取的玉米秸稈顆粒燃料是由山東省的玉米秸稈壓制而成，選用SE - MACⅢ紅外快速煤質分析儀進行工業分析，根據國家標準GB/T476 - 2008、GB/T 19227 - 2008、GB/T 214 - 2007、GB/T 213 - 2008進行元素分析，最終結果如表1所示。
3.2料層對玉米秸稈顆粒燃料燃燒的影響
    分別對料層為100mm和200mm的玉米秸稈顆粒燃料進行燃燒試驗，燃燒溫度與時間曲線如圖3所示。由圖3可以明顯地看出：料層為100mm的玉米秸稈顆粒燃料的燃燒時間約為292s；料層為200mm的玉米秸稈顆粒燃料的燃燒時間約為703s，是料層為100mm的2倍多，但燃燒過程中的平均溫度780℃左右。顆粒燃料的燃燒時間與顆粒燃料的堆積密度有關，燃料堆積得越疏松，空氣的傳播速率以及熱量的傳播速率就越高，從而加速了著火過程，縮短了燃燒時間。由燃燒的溫度曲線看出，顆粒燃料點火成功后，料層為100mm的燃燒較穩定，溫度場波動不大，而料層為200mm的溫度曲線有明顯的下滑和回升階段。因為料層為200mm的玉米秸稈顆粒燃料點火成功后溫度直線升高到911℃，溫度穩定的時間極短，熱量低，傳播過程中顆粒之間的孔隙率較小，降低了熱量的傳播速度，出現了溫度的下滑。但隨著燃燒反應的進行，顆粒燃燒放出的熱量逐漸積聚起來，通過輻射、對流及熱傳導的形式傳給下層新燃料，燃燒過程逐漸穩定，溫度曲線回升，直到燃盡，燃燒后的產物輕微結渣。
3.3水分對玉米秸稈顆粒燃料燃燒的影響
    一般地講，水分是燃燒過程中的雜質，含水量越多，顆粒燃料的其他可燃成分就越少，熱值越低。試驗時取料層為100mm的玉米秸稈顆粒燃料兩組，一組不做任何處理，測得含水量為3. 88%，另一組在105℃的條件下干燥6h，使大部分水分析出，測得含水量為0.  12%。未經過干燥處理的顆粒在點火過程中，有濃郁的黑煙冒出，主要是由于不完全燃燒造成的。燃燒初始階段，揮發分大量析出，在空氣量供給充足的條件下，含水量大的顆粒燃料，干燥水分消耗的熱量就多，當溫度達不到揮發分燃燒的溫度時，造成揮發分燃燒的不充分，產生大量濃煙，經過干燥處理的顆粒燃料點火時則沒有濃郁的黑煙冒出，燃燒過程中的平均溫度略高。
3.4空氣量對玉米秸稈顆粒燃料燃燒的影響
    空氣是影響燃燒過程的重要因素之一。點火時，爐膛溫度較低，顆粒表面的化學反應速度很慢，耗氧量也不大，所以空氣量過大會帶走大量的熱量，影響點火特性；若供給的空氣量過低，則達不到點火時所需的氧氣量，顆粒燃料無法點燃。點火成功后，為了保證其完全燃燒則需要加大鼓風，以提供燃燒所需的氧氣。試驗選取不同的過量空氣系數來分析空氣量對玉米秸稈顆粒燃料燃燒特性的影響，兩次典型性試驗如表2所示。
    從表2中可以看出：玉米秸稈顆粒燃料點火時間較短，這是與水分、揮發分含量相對應的，揮發分含量越高，含水量越低，顆粒燃料越易點燃。燃燒時，過量空氣系數為1.2時，最高燃燒溫度可以達到1122℃，燃燒時間可持續9 min，過量空氣系數為2.5時，最高燃燒溫度為970℃，燃燒時間持續了5 min，燃燒后的產物分別如圖4所示。過量空氣系數為1.2時，結渣現象嚴重，過量空氣系數為2.5時，幾乎不結渣。顆粒燃料的結渣率與其化學組成有關，燃料中Si元素含量越高，結渣趨勢越明顯；堿金屬元素(K、Na)含量越高，燃料結渣現象亦越明顯；堿土金屬( Mg、Ca)含量越高，燃料結渣趨勢越小。對于玉米秸稈顆粒燃料本身的化學組成是不可改變的，除了在燃燒過程中人為添加抗結渣的添加劑外，可以通過改變空氣量來降低結渣率。玉米秸稈顆粒燃料在過量空氣系數提高了1.3后，結渣現象明顯減少，證明增大空氣量可以改善顆粒燃料的結渣現象。過量的空氣可以帶走大量的熱量，降低爐膛內的溫度，致使溫度低于燃料的軟化溫度，從而降低結渣率。
4、結論
    通過自行設計的試驗臺，反復試驗，得出了玉米秸稈顆粒燃料的燃燒特性。玉米秸稈顆粒燃料的揮發分含量高，含水量低，易點燃，燃燒過程中溫度較高，但是燃燒時間短，點火時有濃煙、結渣現象嚴重。干燥處理可以改善點火時冒煙嚴重的現象；增大過量空氣系數可以降低玉米秸稈顆粒燃料的結渣率，是降低生物質顆粒燃料結渣率的一種有效方法，富通新能源生產銷售的秸稈顆粒機專業壓制農作物秸稈顆粒燃料。


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