玉米秸稈顆粒燃料燃燒特性的試驗(yàn)研究

引言
    隨著可再生能源的開(kāi)發(fā)利用越來(lái)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(guó)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(guò)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(guò)熱化學(xué)技術(shù)轉(zhuǎn)化成流體燃料。在我國(guó)，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(guó)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(guó)能源問(wèn)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(wèn)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(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀來(lái)看，國(guó)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(wú)成熟經(jīng)驗(yàn)。我國(guó)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(guò)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(lái)，含水量越高，干燥過(guò)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(guò)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(guò)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(kāi)啟球閥，送空氣時(shí)關(guān)閉球閥。煙氣則是經(jīng)過(guò)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(guó)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(guò)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(guò)程中，通過(guò)調(diào)節(jié)變頻風(fēng)機(jī)改變送風(fēng)量，同時(shí)開(kāi)啟引風(fēng)機(jī)，將產(chǎn)生的煙氣通過(guò)安全排煙罩排至室外。點(diǎn)火時(shí)，空氣量不易過(guò)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(guò)組態(tài)王軟件的歷史趨勢(shì)曲線顯示出來(lái)。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(guò)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(lái)。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(guó)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(guò)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(guò)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(guò)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(lái)，通過(guò)輻射、對(duì)流及熱傳導(dǎo)的形式傳給下層新燃料，燃燒過(guò)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(guò)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(guò)干燥處理的顆粒在點(diǎn)火過(guò)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(guò)干燥處理的顆粒燃料點(diǎn)火時(shí)則沒(méi)有濃郁的黑煙冒出，燃燒過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)低，則達(dá)不到點(diǎn)火時(shí)所需的氧氣量，顆粒燃料無(wú)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(guò)量空氣系數(shù)來(lái)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(guò)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(guò)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(guò)量空氣系數(shù)為1.2時(shí)，結(jié)渣現(xiàn)象嚴(yán)重，過(guò)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(guò)程中人為添加抗結(jié)渣的添加劑外，可以通過(guò)改變空氣量來(lái)降低結(jié)渣率。玉米秸稈顆粒燃料在過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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)