引言
隨著可再生能源的開發(fā)利用越來越受到人們的關(guān)注，生物質(zhì)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(zhì)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(zhì)能的利用方式大致可分為三類：一是直接燃燒；二是生物轉(zhuǎn)換技術(shù)，通過微生物發(fā)酵方法制取液體燃料或氣體燃料；三是熱化學(xué)轉(zhuǎn)換技術(shù)，通過熱化學(xué)技術(shù)轉(zhuǎn)化成流體燃料。在我國，生物質(zhì)能主要還是作為一次能源在農(nóng)村中使用，農(nóng)村大多還是采用傳統(tǒng)的爐灶直接燃燒，其轉(zhuǎn)換效率僅為10%~20%，浪費(fèi)嚴(yán)重，并且污染環(huán)境。
據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國每年的農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量就可以達(dá)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(nóng)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(zhì)秸稈堆積銷毀的問題，還保持了原有的點(diǎn)火容易、CO2零排放等優(yōu)點(diǎn)。將成型后燃料應(yīng)用于傳統(tǒng)的燃燒設(shè)備中，縮小了生物質(zhì)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(nèi)外的研究現(xiàn)狀來看，國外主要研究和應(yīng)用的是木質(zhì)顆粒燃料，對(duì)玉米秸稈顆粒燃料成型及燃燒技術(shù)并無成熟經(jīng)驗(yàn)。我國對(duì)生物質(zhì)顆粒燃料燃燒所進(jìn)行的理論和應(yīng)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(chǎn)銷售的
秸稈顆粒機(jī)、
木屑顆粒機(jī)專業(yè)壓制生物質(zhì)顆粒燃料。
1、生物質(zhì)顆粒燃料的燃燒機(jī)理
生物質(zhì)顆粒燃料的燃燒過程可以分為干燥、揮發(fā)分析出和燃燒、固定碳燃燒三個(gè)階段，燃燒機(jī)理如圖1所示。當(dāng)溫度達(dá)到100℃左右時(shí)，生物質(zhì)表面及顆�？p隙的水逐漸蒸發(fā)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(zhì)顆粒燃料繼續(xù)吸熱升溫，當(dāng)溫度達(dá)到160℃時(shí)，高分子有機(jī)物發(fā)生熱分解反應(yīng)，到300~400℃就能釋放出70%左右的揮發(fā)分。析出的揮發(fā)分與氧氣混合，燃燒放出熱量，這些熱量通過輻射、對(duì)流、熱傳導(dǎo)的形式傳遞給內(nèi)層的新燃料，使內(nèi)層燃料的揮發(fā)分析出、燃燒、放熱。隨著揮發(fā)分的減少，固定碳與氧氣接觸燃燒，燃燒產(chǎn)生的灰分把剩余的碳包裹，妨礙了氣體的擴(kuò)散，所以此時(shí)需要適當(dāng)?shù)娜藶閿噭?dòng)或加大空氣量，以保證剩余焦炭完全燃燒。
2、試驗(yàn)系統(tǒng)
2.1反燒爐
試驗(yàn)所用的試驗(yàn)裝置是自行設(shè)計(jì)的小型反燒單元體爐，如圖2所示。
該系統(tǒng)包括爐體、送風(fēng)機(jī)、流量計(jì)、熱電偶、安全排煙罩、引風(fēng)機(jī)、電阻絲、變壓器、數(shù)據(jù)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(gè)直徑為5 mni的通風(fēng)口，占整個(gè)爐排面積的20%。爐子運(yùn)用的是反燒原理，通過送風(fēng)機(jī)從上部送人空氣，利用引風(fēng)機(jī)從下部抽走煙氣。進(jìn)料時(shí)開啟球閥，送空氣時(shí)關(guān)閉球閥。煙氣則是經(jīng)過自行設(shè)計(jì)的安全排煙罩排至室外，在引風(fēng)機(jī)的作用下，高溫?zé)煔夂褪覂?nèi)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(cè)不同管斷面中心處的溫度，間隔均為50mm。數(shù)據(jù)采集軟件為組態(tài)王。
2.2試驗(yàn)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(zhì)分析儀中進(jìn)行工業(yè)分析，再按照國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行元素分析。由于該試驗(yàn)為固定床燃燒，試驗(yàn)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(jī)地堆積在爐排上，關(guān)閉球閥。調(diào)試數(shù)據(jù)采集模塊，校正熱電偶的溫度之后，便可以進(jìn)行點(diǎn)火、燃燒試驗(yàn)。點(diǎn)火方式采用電加熱點(diǎn)火，根據(jù)電阻絲纏繞的間距，變壓器調(diào)至150V便可以點(diǎn)燃玉米秸稈顆粒燃料。燃燒過程中，通過調(diào)節(jié)變頻風(fēng)機(jī)改變送風(fēng)量，同時(shí)開啟引風(fēng)機(jī)，將產(chǎn)生的煙氣通過安全排煙罩排至室外。點(diǎn)火時(shí)，空氣量不易過大，試驗(yàn)以400℃作為點(diǎn)火成功的標(biāo)準(zhǔn)，點(diǎn)火所的時(shí)間可以通過組態(tài)王軟件的歷史趨勢(shì)曲線顯示出來。顆粒燃料被點(diǎn)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(shù)據(jù)采集模塊自動(dòng)采集爐膛內(nèi)的溫度并通過電腦輸出，燃燒時(shí)間同樣由組態(tài)王的歷史趨勢(shì)曲線顯示出來。隨著燃燒反應(yīng)的進(jìn)行，溫度出現(xiàn)逐漸下降趨勢(shì)，再調(diào)大空氣量，從而保證剩余的焦炭充分燃燒。
3、試驗(yàn)結(jié)果與分析
3.1玉米秸稈顆粒燃料的性質(zhì)
試驗(yàn)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(zhì)分析儀進(jìn)行工業(yè)分析，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T476 - 2008、GB/T 19227 - 2008、GB/T 214 - 2007、GB/T 213 - 2008進(jìn)行元素分析，最終結(jié)果如表1所示。
3.2料層對(duì)玉米秸稈顆粒燃料燃燒的影響
分別對(duì)料層為100mm和200mm的玉米秸稈顆粒燃料進(jìn)行燃燒試驗(yàn)，燃燒溫度與時(shí)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(shí)間約為292s；料層為200mm的玉米秸稈顆粒燃料的燃燒時(shí)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(shí)間與顆粒燃料的堆積密度有關(guān)，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(shí)間。由燃燒的溫度曲線看出，顆粒燃料點(diǎn)火成功后，料層為100mm的燃燒較穩(wěn)定，溫度場(chǎng)波動(dòng)不大，而料層為200mm的溫度曲線有明顯的下滑和回升階段。因?yàn)榱蠈訛?00mm的玉米秸稈顆粒燃料點(diǎn)火成功后溫度直線升高到911℃，溫度穩(wěn)定的時(shí)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(xiàn)了溫度的下滑。但隨著燃燒反應(yīng)的進(jìn)行，顆粒燃燒放出的熱量逐漸積聚起來，通過輻射、對(duì)流及熱傳導(dǎo)的形式傳給下層新燃料，燃燒過程逐漸穩(wěn)定，溫度曲線回升，直到燃盡，燃燒后的產(chǎn)物輕微結(jié)渣。
3.3水分對(duì)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(zhì)，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(yàn)時(shí)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(cè)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(cè)得含水量為0. 12%。未經(jīng)過干燥處理的顆粒在點(diǎn)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(fā)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(dāng)溫度達(dá)不到揮發(fā)分燃燒的溫度時(shí)，造成揮發(fā)分燃燒的不充分，產(chǎn)生大量濃煙，經(jīng)過干燥處理的顆粒燃料點(diǎn)火時(shí)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(duì)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(diǎn)火時(shí)，爐膛溫度較低，顆粒表面的化學(xué)反應(yīng)速度很慢，耗氧量也不大，所以空氣量過大會(huì)帶走大量的熱量，影響點(diǎn)火特性；若供給的空氣量過低，則達(dá)不到點(diǎn)火時(shí)所需的氧氣量，顆粒燃料無法點(diǎn)燃。點(diǎn)火成功后，為了保證其完全燃燒則需要加大鼓風(fēng)，以提供燃燒所需的氧氣。試驗(yàn)選取不同的過量空氣系數(shù)來分析空氣量對(duì)玉米秸稈顆粒燃料燃燒特性的影響，兩次典型性試驗(yàn)如表2所示。
從表2中可以看出：玉米秸稈顆粒燃料點(diǎn)火時(shí)間較短，這是與水分、揮發(fā)分含量相對(duì)應(yīng)的，揮發(fā)分含量越高，含水量越低，顆粒燃料越易點(diǎn)燃。燃燒時(shí)，過量空氣系數(shù)為1.2時(shí)，最高燃燒溫度可以達(dá)到1122℃，燃燒時(shí)間可持續(xù)9 min，過量空氣系數(shù)為2.5時(shí)，最高燃燒溫度為970℃，燃燒時(shí)間持續(xù)了5 min，燃燒后的產(chǎn)物分別如圖4所示。過量空氣系數(shù)為1.2時(shí)，結(jié)渣現(xiàn)象嚴(yán)重，過量空氣系數(shù)為2.5時(shí)，幾乎不結(jié)渣。顆粒燃料的結(jié)渣率與其化學(xué)組成有關(guān)，燃料中Si元素含量越高，結(jié)渣趨勢(shì)越明顯；堿金屬元素(K、Na)含量越高，燃料結(jié)渣現(xiàn)象亦越明顯；堿土金屬( Mg、Ca)含量越高，燃料結(jié)渣趨勢(shì)越小。對(duì)于玉米秸稈顆粒燃料本身的化學(xué)組成是不可改變的，除了在燃燒過程中人為添加抗結(jié)渣的添加劑外，可以通過改變空氣量來降低結(jié)渣率。玉米秸稈顆粒燃料在過量空氣系數(shù)提高了1.3后，結(jié)渣現(xiàn)象明顯減少，證明增大空氣量可以改善顆粒燃料的結(jié)渣現(xiàn)象。過量的空氣可以帶走大量的熱量，降低爐膛內(nèi)的溫度，致使溫度低于燃料的軟化溫度，從而降低結(jié)渣率。
4、結(jié)論
通過自行設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺(tái)，反復(fù)試驗(yàn)，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(fā)分含量高，含水量低，易點(diǎn)燃，燃燒過程中溫度較高，但是燃燒時(shí)間短，點(diǎn)火時(shí)有濃煙、結(jié)渣現(xiàn)象嚴(yán)重。干燥處理可以改善點(diǎn)火時(shí)冒煙嚴(yán)重的現(xiàn)象；增大過量空氣系數(shù)可以降低玉米秸稈顆粒燃料的結(jié)渣率，是降低生物質(zhì)顆粒燃料結(jié)渣率的一種有效方法，富通新能源生產(chǎn)銷售的
秸稈顆粒機(jī)專業(yè)壓制農(nóng)作物秸稈顆粒燃料。
相關(guān)顆粒機(jī)產(chǎn)品鏈接：
1、
秸稈顆粒機(jī)
2、
木屑顆粒機(jī)
