0、前言
    近年來隨著經(jīng)濟(jì)的迅猛增長(zhǎng)，對(duì)能源的需求也日益高漲。如果不采取進(jìn)一步的控制措施，到2010年、2020年和2030年，全國(guó)能源消費(fèi)導(dǎo)致的NO.排放總量將分別達(dá)到1 677萬t—l 853萬t、2 363萬t—2914萬t和3154萬t—4 296萬t。政府面對(duì)著能源短缺和環(huán)境保護(hù)雙重壓力，而生物質(zhì)兼具綠色、可再生、來源豐富的特點(diǎn)。我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，也是秸稈資源最豐富的國(guó)家之一，其中以稻谷秸稈、小麥秸稈和玉米秸稈為典型的秸稈資源占據(jù)了農(nóng)業(yè)秸稈中的大部分。
    目前，生物質(zhì)層燃燃燒技術(shù)在國(guó)外得到了很大的發(fā)展和應(yīng)用，國(guó)內(nèi)對(duì)此技術(shù)的研究并不多。履帶拋丸機(jī)由于我國(guó)國(guó)情的需求，小型電站鍋爐和工業(yè)鏈爐繼續(xù)改造，而生物質(zhì)層燃燃燒是一種可行的改造途徑�；�于生物質(zhì)燃料本身復(fù)雜的物理化學(xué)特性，本文利用單元體爐搭建層燃實(shí)驗(yàn)爐對(duì)其層燃燃燒特性需要進(jìn)行研究，并分析個(gè)體因素對(duì)層燃爐燃燒的影響，為生物質(zhì)能的開發(fā)與應(yīng)用提供理論與實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
1、實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)方法
1.1單元體爐實(shí)驗(yàn)臺(tái)原理
    單元體爐基于拉格朗日方法，即用局部變化來表征整體的變化，圖1為層燃爐燃燒單元體原理示意圖。圖1中，吊鉤拋丸機(jī)左邊是生物質(zhì)在實(shí)際層燃爐爐排上燃燒的示意圖，可以看作是把燃燒層劃分為一塊塊單元體，并隨爐排一起運(yùn)動(dòng)。單元體爐通過研究一個(gè)燃料單元體的燃燒特征，了解整個(gè)層燃爐排的燃燒規(guī)律。右圖為燃料在單元體爐內(nèi)的燃燒示意圖，全部燃料相當(dāng)于爐排上的一個(gè)燃料單元體，在厚度方向上可以看成一維系統(tǒng)，水平方向上的各個(gè)參數(shù)認(rèn)為是均勻的。單元體爐采用時(shí)間模擬空間的方法，層燃爐排上各燃燒參數(shù)隨位置的變化就可以用單元體爐內(nèi)各燃燒參數(shù)隨時(shí)間的變化來表征。單元體爐內(nèi)的燃料燃燒過程與實(shí)際層燃爐燃燒過程基本相似，可以代表實(shí)際爐中的燃燒單元體，因此在小型單元體爐實(shí)驗(yàn)臺(tái)上測(cè)量得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以較為全面地反應(yīng)大型真實(shí)燃燒系統(tǒng)的實(shí)際參數(shù)，富通新能源生產(chǎn)銷售的秸稈顆粒機(jī)、秸稈壓塊機(jī)專業(yè)壓制生物質(zhì)成型燃料，生物質(zhì)成型燃料主要供生物質(zhì)鍋爐燃燒使用。
1.2實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)
    圖2介紹了小型單元體爐實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)，整套系統(tǒng)包括爐體、風(fēng)機(jī)、燃燒器、JCP-SL/96煙氣預(yù)處理器、煙氣分析儀、熱電偶、溫度采集及轉(zhuǎn)換模塊和U形臂壓力計(jì)等。下面對(duì)該系統(tǒng)作簡(jiǎn)單的介紹：
    (1)小型層燃爐實(shí)驗(yàn)臺(tái)本體
    整個(gè)爐體的高度約為5 m.爐體外部有保溫層，爐體內(nèi)部為鋼板，并內(nèi)村有高溫耐火混凝土，中間燃燒段的腔體為直徑∮300 mm的圓形，下部燃料放置段高度為600 mm。爐體共分為5段，第1層主要用來層燃燃燒實(shí)驗(yàn)，并布置了2個(gè)看火孔，第5段與煙道和卸料器相連，主要用來給料和排煙，中間3段結(jié)構(gòu)相似，每1段都預(yù)留了相應(yīng)的多用途孔，以便用來增加燃燒器、二次風(fēng)、熱電偶、積灰探針及取樣等裝置。
    (2)給風(fēng)及點(diǎn)燃著火系統(tǒng)
    實(shí)驗(yàn)中采用羅茨風(fēng)機(jī)送風(fēng)，如圖2所示，通過轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制給風(fēng)量，以便實(shí)現(xiàn)不同的風(fēng)量和配風(fēng)方式，同時(shí)在煙道出口還通過引風(fēng)機(jī)引出煙氣，由于生物質(zhì)燃料著火溫度低，容易被點(diǎn)燃，本實(shí)驗(yàn)采用燃油燃燒器預(yù)熱點(diǎn)燃燃料，燃燒器布置在燃料床層的上方，待燃料著火后撤掉燃燒器。
    (3)爐排
    為了能夠很好的模擬燃秸稈層燃鍋爐的配風(fēng)情況，根據(jù)實(shí)際秸稈發(fā)電鍋爐的通風(fēng)截面比來選擇小型層燃爐實(shí)驗(yàn)臺(tái)的布風(fēng)板（爐排）的空隙率。本次實(shí)驗(yàn)采用的孔隙率為0.2，爐排為∮300mm的圓形，爐篦上設(shè)置有通風(fēng)孔。
    (4)熱電偶在爐膛中的布置
    床層溫度分布是燃料層燃燃燒放熱的結(jié)果，通過測(cè)量層燃爐燃料層溫度分布可對(duì)燃料層從著火到燃盡整個(gè)燃燒過程進(jìn)行分析。在實(shí)際秸稈發(fā)電鍋爐的運(yùn)行中，常常采用的床層厚度一般在500—600 mm，在實(shí)驗(yàn)中選用的床層厚度為600 mm，在床層中安置6個(gè)熱電偶，并在其余4段爐膛上安置兩個(gè)熱電偶以測(cè)量煙氣溫度．燃料層的溫度通過上述安置的熱電偶來測(cè)量，熱電偶通過補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶輸入模塊進(jìn)行溫度采集，然后連接數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊，并用連接線與電腦相連以記錄溫度數(shù)據(jù)。
    (5)煙氣成分測(cè)量系統(tǒng)
    煙氣成分取樣孔布置在床層的上方，煙氣從取樣管中抽出，經(jīng)過除塵系統(tǒng)和干燥系統(tǒng)，進(jìn)入紅外煤氣分析儀(可以分析C02、CO、H2、CH、02)進(jìn)行成分分析，煙氣分析儀通過COM，用連接線與電腦相連接，以記錄煙氣各成分濃度。
1.3實(shí)驗(yàn)方法
    實(shí)驗(yàn)選用了水稻秸稈與玉米芯．對(duì)水稻秸稈進(jìn)行粉碎處理，秸稈長(zhǎng)度為0.2—1cm，玉米芯進(jìn)行壓縮成型處理，顆粒形狀為圓柱形，長(zhǎng)度為0～2cm，直徑大約為1cm。生物質(zhì)燃料的工業(yè)分析和元素分析見表1。實(shí)驗(yàn)的給風(fēng)量為5m3／h，給料量以床層高度600mm為準(zhǔn)。由燃燒器點(diǎn)燃床層燃料，著火后撤掉燃燒器，對(duì)床層溫度及煙氣成分進(jìn)行在線連續(xù)分析。
2、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論
2.1層燃燃燒床層的溫度分布殛氣相產(chǎn)物分析
    在實(shí)驗(yàn)中可以發(fā)現(xiàn)，一旦床層燃料被燃燒器點(diǎn)燃而著火，由揮發(fā)分和焦炭與氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量傳給床層，這樣燃燒就能在床層上持續(xù)下去。圖3為層燃燃燒過程中，床層的溫度分布及床層上方（y=650 mm）的氣體成分分析曲線（a、b為粉碎秸稈；c，d為為玉米芯成型燃料）。以圖3(a)為例，可以看到，在床層燃料著火之后，床層最頂端的熱電偶T6的溫度在100 s時(shí)間內(nèi)從室溫上升到844.9℃，當(dāng)著火鋒面穿過T6熱電偶后，由于爐壁吸收了燃燒產(chǎn)生的熱量，熱電偶的溫度緩慢下降至300℃—500℃，其余熱電偶在燃燒過程中的溫度分布。相似。880 s后，最后一個(gè)熱電偶丁，的溫度達(dá)到最大值，然后溫度慢慢下降，這表明著火鋒面達(dá)到了爐篦的位置。在之后的180s，熱電偶Tz的溫度重新升高，這可能是由于未反應(yīng)的焦炭重新著火燃燒而引起的。
    整個(gè)燃燒過程可以假設(shè)是從第一個(gè)熱電偶溫度達(dá)到400℃時(shí)開始，當(dāng)最后一個(gè)熱電偶溫度達(dá)到400℃時(shí)，著火鋒面達(dá)到爐篦，整個(gè)熱解過程結(jié)束，揮發(fā)分完全析出，未反應(yīng)的焦炭繼續(xù)燃燒直至燃燒完全結(jié)束。整個(gè)燃燒過程的結(jié)束以0z濃度恢復(fù)到開始值22%為標(biāo)志。整個(gè)燃燒過程中的氣體成分濃度變化見圖3。
    圖3(b)、圖3cd)為層燃過程中床層上方的氣體成分分析。以圖3(b)為例，可以看到，在著火后的120 s內(nèi)，床層上方的氣體成分中氧氣濃度迅速降到0%左右，二氧化碳和一氧化碳濃度分別升至l4%和7%左右。在著火鋒面向下傳播過程中，各氣體成分相對(duì)比較穩(wěn)定。當(dāng)著火鋒面?zhèn)鞑サ竭_(dá)爐篦位置時(shí)，一氧化碳濃度迅速下降至3%左右，氧氣濃度開始上升，這與溫度分布曲線很吻合。隨著焦炭燃燒反應(yīng)完全結(jié)束后，二氧化碳濃度開始下降，氧氣濃度繼續(xù)上升。在1500 s后，氧氣濃度恢復(fù)到接近開始值22%，二氧化碳和一氧化碳濃度下降到0%附近，這標(biāo)志著整個(gè)燃燒過程完全結(jié)束，燃燒過程的氣體成分濃度變化曲線與溫度曲線吻合的很好。
2.2不同的給風(fēng)量對(duì)層燃燃燒的影響
    給風(fēng)量對(duì)層燃燃燒的燃燒特性有重要影響。在實(shí)驗(yàn)中，采用了不同的給風(fēng)量(5、10、30、50、70、90 m3／h)．以分析風(fēng)量對(duì)燃料的燃盡時(shí)間和溫度的影響。網(wǎng)4為粉碎秸稈在不同風(fēng)量條件下燃燒過程中床層的溫度分布曲線。
    由圖4可以看出，不同風(fēng)量條件下，床層溫度分布曲線形狀相似，只是燃燒過程所需要的時(shí)間不同，這主要是由于風(fēng)量的不同而引起了著火鋒面?zhèn)鞑ニ俾拾l(fā)生改變，可以看到隨著給風(fēng)量的增加，燃燒完全所需要的時(shí)間縮短，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)給風(fēng)量增加至90m3／h時(shí)，粉碎水稻秸稈燃料很難被點(diǎn)燃，這可能是由于過量空氣系數(shù)太高，使燃燒器產(chǎn)生的熱量被以對(duì)流的形式帶走，從而沒有足夠的熱量引燃燃料。同樣的情況也適用于玉米芯成型燃料，見圖5。從圖5中可以看出，在低給風(fēng)量30m3／h、50m3／h的條件下，著火鋒面在床層中的傳播速率并不是很均勻，著火鋒面的溫度峰值在床層中也很不均勻，可以看出，成型的玉米芯燃料更適合在高給風(fēng)量條件下燃燒。
3、結(jié)論
    通過設(shè)計(jì)并搭建了生物質(zhì)多功能實(shí)驗(yàn)臺(tái)，并對(duì)生物質(zhì)燃料層燃燃燒過程進(jìn)行了研究，對(duì)基于拉格朗日辦法的單元體爐設(shè)計(jì)原理，整個(gè)單元體爐爐體、給風(fēng)及點(diǎn)燃著火系統(tǒng)、爐排等各個(gè)系統(tǒng)分別做了詳盡的介紹。分析了床層上方的氣體成分濃度等參數(shù)及風(fēng)量對(duì)生物質(zhì)燃料層燃燃燒的影響：
    (1)通過對(duì)床層內(nèi)部分布的熱電偶的溫度和整個(gè)燃燒過程中床層上方氣體成分的濃度變化進(jìn)行分析。發(fā)現(xiàn)燃燒過程的各氣體成分濃度變化曲線與溫度變化曲線吻合得很好。
    (2)實(shí)驗(yàn)分析了不同風(fēng)量對(duì)燃料燃盡時(shí)間和溫度的影響。不通風(fēng)量下，床層溫度分布曲線形狀相似，隨著風(fēng)量增大，燃燒完全所需要的時(shí)間縮短，相對(duì)比粉碎秸稈，成型的玉米芯燃料更適合在高給風(fēng)量條件下燃燒。