0、引  言
    目前生物質(zhì)能源的研究蓬勃發(fā)展，氣化、熱解、液化、發(fā)酵等各種利用技術(shù)都取得了較大進(jìn)展。生物質(zhì)致密成型的利用方式也越來(lái)越受到人們的重視，中國(guó)在冷成型、熱成型技術(shù)方面的研究相繼見(jiàn)于報(bào)道，大多已處于中試階段，而相應(yīng)的顆粒燃料燃燒爐具的開(kāi)發(fā)亟需完善。正確理解生物質(zhì)成型顆粒燃料的燃燒特性對(duì)顆粒燃料成型過(guò)程和燃燒設(shè)備的開(kāi)發(fā)有指導(dǎo)作用。研究證明，成型顆粒燃料的燃燒性能優(yōu)于柴薪．可以實(shí)現(xiàn)高效燃燒、低污染排放。然而生物質(zhì)中含有的堿性成分和氯成分，會(huì)在鍋爐中燃燒時(shí)產(chǎn)生腐蝕、結(jié)垢、結(jié)渣等危害；對(duì)于民用小型生物質(zhì)顆粒燃料燃燒爐，重要的問(wèn)題是同一爐子不能適應(yīng)多種類生物質(zhì)顆粒燃料的燃燒，因此限制了顆粒燃料燃燒爐的推廣。本文旨在改變低質(zhì)的生物質(zhì)顆粒燃料，使之具有與高質(zhì)的木屑顆粒燃料相似的燃燒特性，則按照木屑顆粒燃料設(shè)計(jì)制造燃燒爐，亦可燃用改良秸稈等顆粒燃料，富通新能源生產(chǎn)銷售的木屑顆粒機(jī)、秸稈顆粒機(jī)專業(yè)壓制生物質(zhì)顆粒燃料。
1、燃料分析及爐具介紹
    試驗(yàn)采用的燃料試樣是普通的農(nóng)林廢棄物，有玉米秸稈、鋸末木屑、履帶拋丸機(jī)枝葉和鋸末混合得到的混合木屑三種，由清華大學(xué)車戰(zhàn)斌開(kāi)發(fā)的CZSN冷成型機(jī)進(jìn)行粉碎、成型，圓柱體顆粒燃料直徑6～7mm，長(zhǎng)小于2.5 cm。按煤分析標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)各種顆粒燃料進(jìn)行元素分析，計(jì)算各種成分的應(yīng)用基，數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)采用美國(guó)TA公司生產(chǎn)的TA-2100型熱重分析儀進(jìn)行燃燒特性分析。將成型顆粒燃料粉碎篩分，直至樣品粒度小于80 ~m,用天平稱取一定質(zhì)量(10～15mg)放人熱重分析儀的坩堝內(nèi)。吊鉤拋丸機(jī)通人空氣，使試樣在適量空氣消耗系數(shù)下以30℃/min速率連續(xù)升溫，熱重分析儀記錄試樣質(zhì)量變化，離線處理數(shù)據(jù)，分析各種顆粒燃料的燃燒特性。
    顆粒燃料燃燒爐（圖1）是根據(jù)北京市懷柔區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)居民家庭生活和冬季供熱要求開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的，采用自動(dòng)下料，自動(dòng)清灰，手動(dòng)調(diào)節(jié)一次、二次風(fēng)，爐膛形狀不規(guī)則，能夠起到強(qiáng)化著火和燃燒的作用。該爐具系統(tǒng)由顆粒燃料燃燒爐、熱水器以及暖氣片組成循環(huán)管路，可連續(xù)運(yùn)行，木屑顆粒燃料燃燒效率高，能很好滿足不同熱負(fù)荷時(shí)使用。
2、熱重分析儀中的燃燒特性分析
2.1生物質(zhì)顆粒燃料燃燒過(guò)程的分析
    由圖2、3中可以看到三種生物質(zhì)顆粒燃料的質(zhì)量變化，可將燃燒過(guò)程均劃分為脫水(A)、揮發(fā)分析出(B)、揮發(fā)分燃燒(c)、焦炭燃燒(D)和燃燼(E)階段。
    三種顆粒燃料失重的溫度范圍不同。在脫水階段最為相近，由圖中看到，質(zhì)量變化率在340 K處達(dá)到峰值，在375 K處趨于平坦，即脫水接近完成。木屑和玉米秸稈在此階段的失重緩慢，速率明顯低于未經(jīng)成型處理的生物質(zhì)。由于材質(zhì)疏松度不同，混合木屑顆粒燃料的脫水速率最高，玉米秸稈顆粒燃料次之，木屑顆粒燃料的脫水速率最低。
    在揮發(fā)分的析出與燃燒階段，將下降端（拐點(diǎn)處）切線與基線交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度定義為著火溫度。發(fā)現(xiàn)幾種經(jīng)過(guò)擠壓成型過(guò)的生物質(zhì)著火點(diǎn)較文獻(xiàn)，中未經(jīng)擠壓處理的生物質(zhì)著火點(diǎn)溫度低10 K左右，說(shuō)明成型過(guò)程改變了生物質(zhì)的纖維素結(jié)構(gòu)，利于提高揮發(fā)分析出速率，著火點(diǎn)有所降低。而燃燒過(guò)程中，三種顆粒燃料揮發(fā)分析出速率不同，在空氣中擴(kuò)散速度不同，故燃燒速率不同，燃燒維持的溫度范圍也不同。
    燃料燃燒進(jìn)入過(guò)渡階段，纖維素的熱解速度下降，揮發(fā)分物質(zhì)仍能保持燃燒火焰。木質(zhì)素被高溫碳化，并開(kāi)始表面著火，以較慢的燃燒速度燃燒，直到燃料中的揮發(fā)分物質(zhì)分解完畢，氣相火焰熄滅，此階段燃燒速率會(huì)有波動(dòng)，較未擠壓處理而直接燃燒失重速率的波動(dòng)大得多，圖3中甚至出現(xiàn)失重較大的峰值(c段后部)。
    當(dāng)揮發(fā)分燃燒完后，此時(shí)燃料中的木質(zhì)素已全部碳化，空氣中的氧氣充分接觸到了焦炭，焦炭開(kāi)始燃燒(D段)，燃燒反應(yīng)速度加快，并出現(xiàn)第二次反應(yīng)速度峰值，隨后燃燒速度變慢。這是由于先燃燒產(chǎn)生的灰燼包裹著剩余焦炭，妨礙了氧氣向焦炭表面的擴(kuò)散，使燃燒速率減慢。燃燼時(shí)各生物質(zhì)剩余量與成分分析中灰含量比較，玉米顆粒燃料剩余量為7.5%與含灰量7. 88%相似，而木屑顆粒燃料和混合木屑顆粒燃料的燃燼剩余量都遠(yuǎn)大于含灰量，基本上是含灰量的兩倍。與文獻(xiàn)中數(shù)據(jù)比較可知，經(jīng)過(guò)成型工序處理的生物質(zhì)顆粒燃料燃燒效率高，燃燼度高。因此顆粒燃燒性能優(yōu)于柴薪。
    幾種生物質(zhì)顆粒燃料雖然具有燃燒相似性，但著火點(diǎn)、燃燒速度和溫度范圍不同往往會(huì)對(duì)實(shí)際燃燒的相似性帶來(lái)很大影響。
2.2生物質(zhì)燃料的燃燒動(dòng)力學(xué)分析
    通常用活化能及頻率因子兩個(gè)參數(shù)描述燃料的燃燒特性，目前有關(guān)生物質(zhì)及其致密成型顆粒燃料的燃燒過(guò)程還不完全清楚，很難準(zhǔn)確計(jì)算出生物質(zhì)燃料的活化能和頻率因子，但進(jìn)行一些近似計(jì)算獲得相對(duì)值以進(jìn)行比較也是很有意義的。
    將TG曲線上的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，可以得到所有溫度對(duì)應(yīng)的y，x。其中揮發(fā)分和焦炭的兩個(gè)動(dòng)力燃燒階段(DT曲線的C、D范圍)具有線性關(guān)系的分布趨勢(shì)，可以分別進(jìn)行直線擬合，由系數(shù)進(jìn)而得到階段對(duì)應(yīng)的活化能和頻率因子。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制出In (A)對(duì)和相應(yīng)的擬合直線列于圖4、圖5中，結(jié)果顯示出試樣燃燒過(guò)程中兩階段均有良好的直線關(guān)系。比較而言，玉米秸稈燃燒的兩段擬合直線相關(guān)度最差R - 0.93左右。1由擬合直線的系數(shù)計(jì)算得到的活化能和頻率因子見(jiàn)表2。
2.3熱重分析儀中分析結(jié)果
    通過(guò)分析和確定的熱化學(xué)動(dòng)力學(xué)參數(shù)，將三種成型生物質(zhì)顆粒燃料在熱重分析儀中的燃燒特點(diǎn)總結(jié)為表2。在揮發(fā)分析出和燃燒階段，玉米秸稈具有較低的活化能，揮發(fā)分析出速率快，易達(dá)到著火濃度而點(diǎn)燃，著火點(diǎn)溫度低(452K)。揮發(fā)分燃燒維持了較寬的溫度范圍，利于焦炭階段燃燒和燃燼。術(shù)屑顆粒燃料在揮發(fā)分析出和燃燒階段，具有較高的活化能，揮發(fā)分析出速率低，著火溫度較高，燃燒速率較慢，直到650K燃燒完全；焦炭燃燒階段，頻率因子高，具有較高的燃燒速率，放出大量的熱。因此有利于燃燒爐新加入顆粒燃料的預(yù)熱和燃燒過(guò)程連續(xù)進(jìn)行�；旌夏拘碱w粒燃料揮發(fā)分析出速率更低，著火點(diǎn)更高，但頻率因子高，燃燒速率較高，焦炭燃燒階段與木屑相似。
3、顆粒燃料燃燒爐中的燃燒特性分析
    顆粒燃料爐中的燃燒，較鍋爐中燃燒容易調(diào)節(jié)，可調(diào)下料速度在10—100粒/min。燃用木屑顆粒燃料時(shí)，爐內(nèi)溫度迅速升高，火焰伸出爐膛ioo～2somm，爐膛出口煙溫最高可達(dá)到920℃，可以滿足爐具做飯的同時(shí)，滿足熱水器的洗浴熱水和暖氣片的供熱要求，熱水器輸出熱水溫度可高達(dá)70～85℃。因生物質(zhì)燃料的灰渣熔點(diǎn)在800—900℃之間，溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致?tīng)t膛內(nèi)結(jié)渣而造成排灰孔堵塞，可調(diào)節(jié)風(fēng)量和給料量，控制爐膛內(nèi)溫度；正常燃燒時(shí)，幾乎沒(méi)有冒黑煙現(xiàn)象�？捎^察到在爐膛內(nèi)二次風(fēng)口處，燃料揮發(fā)分可以充分燃燒，爐膛出口煙氣c0含量測(cè)得為21uL/L左右；還存在一定的積灰問(wèn)題，通過(guò)凸輪機(jī)械震動(dòng)得以解決。
    燃用玉米秸稈顆粒燃料時(shí)，能夠達(dá)到同樣的火焰長(zhǎng)度，但是達(dá)不到同樣的火焰溫度以及清潔度，黑煙現(xiàn)象較嚴(yán)重，揮發(fā)分在二次風(fēng)口不能完全燃燒。定時(shí)震動(dòng)清出的灰中，尚有“黑心”，可見(jiàn)存在著較大的不完全燃燒氣體和固體熱損失。而燃用混合木屑顆粒燃料時(shí)，給粒速度較低，即僅保持暖氣供熱的“燜燒”狀態(tài)時(shí)，能夠達(dá)到近似于木屑顆粒燃料的燃燒效果，但是，大負(fù)荷供熱，大給粒速度時(shí)，會(huì)出現(xiàn)冒黑煙、出口煙溫低、局部爐排上燃料不能燃盡及積灰問(wèn)題。這些與理論分析中的結(jié)果比較一致，燃用玉米秸稈和較大給粒量的混合木屑顆粒燃料時(shí)，揮發(fā)分析出和燃燒速率快，二次風(fēng)的供應(yīng)不能與之充分混合，且混合木屑顆粒燃料的揮發(fā)分較難燃燒（活化能大），造成氣體不完全燃燒損失、黑煙和出爐煙溫較低的現(xiàn)象；同時(shí)爐溫低，熱輻射能力小，使得焦炭燃燒不充分，剩余量更多，對(duì)空氣與顆粒燃料內(nèi)部焦炭的接觸反應(yīng)阻礙更大，造成灰渣里的黑心。因此揮發(fā)分的析出及其與空氣間的擴(kuò)散速度是影響爐溫和燃燒效率的主導(dǎo)因素，通過(guò)一定的改良措施，如成型顆粒燃料中摻加一定比例的煤粉，使得秸稈和混合顆粒燃料具有與木屑顆粒燃料相似的揮發(fā)分析出和燃燒速率，達(dá)到一定爐溫，從而改善焦炭燃燒，這是可行的，也是本研究下一步的工作。
4、結(jié)論與建議
    1)比較了三種生物質(zhì)顆粒燃料之間燃燒特性的異同，在燃燒過(guò)程每一階段上失重速率不同，維持的溫度范圍不同，燃燼度亦不同。
    2)分段確定了揮發(fā)分和焦炭燃燒階段的動(dòng)力學(xué)參數(shù)——活化能和頻率因子，可推斷木屑顆粒燃料燃燒性能優(yōu)于玉米秸稈和混合木屑顆粒。
    3)比較了三種生物質(zhì)顆粒燃料與未經(jīng)成型處理時(shí)的燃燒特征，結(jié)果表明：纖維素結(jié)構(gòu)的改變使得生物質(zhì)著火點(diǎn)低于未成型生物質(zhì)燃料，燃燼度更高。
    4)三種顆粒燃料在燃燒爐中的燃燒表現(xiàn)，說(shuō)明了顆粒燃料的揮發(fā)分析出和燃燒速率是造成木屑顆粒燃燒爐不適應(yīng)其它顆粒燃料的主要原因。
    5)建議通過(guò)一定的改良措施，如成型顆粒燃料中摻加一定比例的煤粉來(lái)改變揮發(fā)分析出速率，從而改善燃燒爐的適應(yīng)性，本研究下一步將對(duì)此開(kāi)展工作，富通新能源生產(chǎn)銷售木屑顆粒機(jī)、秸稈顆粒機(jī)等生物質(zhì)燃料成型機(jī)械設(shè)備，同時(shí)我們還大量銷售楊木木屑顆粒燃料。