第25卷第1期可再生能源Vol 25 No I2007年2月Renewable Energy ResourcesFeb.2007生物質(zhì)粉體燃燒特性的研究肖波,鄒先枚,楊家寬,阮淵,馬承榮(華中科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,湖北武漢430074)摘媐:文章提岀了一種生物質(zhì)粉體燃燒模型,根據(jù)此模型設(shè)計了專用的燃燒爐。研究揭示了生物質(zhì)粉體燃燒特性突岀表現(xiàn)為體積特性,其次是粒徑特性,同時溫度場的分布驗證了燃燒模型的當(dāng)粉體粒徑為0.1η7mm左右,毎干克粉體燃料配送4m風(fēng)量時,燃燒效果與破碎成本最俿化。而且風(fēng)粉混合物可以像燃氣樣輸送、控制和燃燒。這種新的燃燒方式對提高生物質(zhì)旳燃燒效率、改善結(jié)渣現(xiàn)象有重大的意義,并為生物質(zhì)能的利用開辟了一條新途徑關(guān)鍵詞:生物質(zhì)粉體;燃燒模型;燃燒特性;生物質(zhì)能中圖分類號:S210.7文獻標(biāo)志碼:A文章編號:1671-5292(2007)01-0047-04Study on the combustion characteristics of biomass powderXIAO Bo, ZOU Xian-mei, YANG Jia-kuan, RUAN Yuan, MA Cheng-rong(The College of Environmental Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan430074, China)Abstract: The combustion model of biomass powder was put forward, based on which the burninfurnace was designed. The study revealed that volume characteristic was the most important tobiomass powder combustion, and then the particle size. At the same time the temperature field distrate. heand the proportion of biomass powder to wind was 250 g/m, the combustion efficiency and the breaking cost was optimal. Furthermore, the mixture of biomass powder and wind could be transported,controlled and combusted like gas. This new method of biomass combustion could improve combustion efficiency, mitigate fouling and slagging and lay a new approach for biomass energy utilizationKey words: biomass powder; combustion model; combustion characteristic; biomass energy1引言鏈條爐排燃燒和流化床燃燒;按燃燒形態(tài)可分為生物質(zhì)能與化石能相比,具有可再生和低污層狀燃燒和沸騰燃燒。各種生物質(zhì)燃燒技術(shù)均需染的優(yōu)勢,因而受到全世界普遍的重視,并已成為要對原料進行預(yù)處理,尤其是要改善積灰結(jié)渣給新能源的發(fā)展方向之一。生物質(zhì)能主要通過直接燃燒爐帶來的負面效應(yīng)。超細化煤粉已廣泛用于燃燒、氣化、液化和厭氧發(fā)酵加以利用。在我國農(nóng)煤的再燃燒和提高燃煤效率等領(lǐng)域,對生物質(zhì)粉村,對生物質(zhì)能的利用方式以直接燃燒為主,但其體的燃燒研究,國內(nèi)尚無先例效率低于10%凹。開發(fā)切實可行的生物質(zhì)燃燒技本實驗室結(jié)合國內(nèi)生物質(zhì)能的開發(fā)現(xiàn)狀,研術(shù),提高燃燒效率,對合理利用農(nóng)業(yè)、林業(yè)廢棄物制岀一種生物質(zhì)粉體燃燒技術(shù)。將農(nóng)業(yè)廢棄物用有重大的經(jīng)濟和環(huán)境意義。自行設(shè)計的破碎杋破碎成粉體后,噴入自制的燃目前生物質(zhì)直接燃燒按原料形態(tài)可分為生物燒爐V凵中國煤化工提高燃燒溫度和燃質(zhì)成型燃料燃燒、生物質(zhì)型煤燃燒和生物質(zhì)與煤燒效CNMH守燃燒產(chǎn)生的不利影混燒;按燃燒爐可分為固定爐排燃燒、往復(fù)爐排或響,且其控制可以借鑒燃氣控制方式,操作簡便。收稿日期:2005-11-01作者簡介:肖波(1958-),男,博士生導(dǎo)師,主要從事清潔生產(chǎn)、固廢資源化和新能源的研究開發(fā)工作。E- mail.: xiaobo958@126com可再生能源2007,25(1)2燃燒模型假設(shè)3實驗根據(jù)生物質(zhì)優(yōu)良的點火特性,揮發(fā)分含量高、3.1實驗原料析岀迅速的特點,提出生物質(zhì)粉體三段式燃燒實驗原料主要針對軟質(zhì)型生物質(zhì)(稻秸、麥模型(圖1)。第一階段:風(fēng)粉混合物被點燃,析岀秸、玉米秸等),它們的燃燒性狀大體相似,且原料所有揮發(fā)分,形成一次燃燒;第二階段:未燃盡揮來源廣泛,能降低原料的供應(yīng)成本s。原料破碎成發(fā)分上升到主燃室內(nèi)充分燃燒,產(chǎn)生的煙氣擴散5種不同粒徑的粉體,即0.420mm(40目),0.250到擴散室;第三階段:固定碳回流到主燃室燃燒。mm(60目),0.177mm(80目),0.149mm(100目由此模型設(shè)計岀立式雙回旋燃燒爐,由點火室、主和0.125mm(120目)。幾種原料的元素分析、工業(yè)燃室、擴散室和回流室四部分組成,氧氣乙炔在點分析和低位熱值如表1所示。生物質(zhì)含大量的火室壁上輔助點火,燃燒爐的下部有一活動窗口,碳和少量旳氫,揮發(fā)分Ⅴ含量高(普通煤為7用于排灰。38%),含灰分A低(普通煤為5%~25%),低位熱擴散室擴散,熱利用值Q約為無煙煤熱值(24430kJkg)的3/5。點火室:析出揮主燃室:燃燒揮燃燒后煙氣和排煙3.2實驗裝置發(fā)分井點燃發(fā)份和回流碳回流室:回燃燒實驗系統(tǒng)由進料裝置、進風(fēng)裝置、燃燒爐流固定碳和測溫數(shù)顯系統(tǒng)組成(圖2)。進料裝置由螺旋進圖1燃燒模型示意圖料器、可調(diào)速電機、下粉管和振動電機組成。下粉Fig. I The schematic of combustion mod管用于防止一次風(fēng)管內(nèi)壓力過高而導(dǎo)致的反噴現(xiàn)表1幾種生物質(zhì)的元素分析、工業(yè)分析和低位熱值Table 1 The proximate analysis, ultimate analysis and lower heating value of some biomass燃料種類工業(yè)分析/%元素組成/%低位熱值Q△/kJ…kgHP4.9713.8665.1116.06538.320.110.630.14611.2813980麥秸4.398.9067.3619.355.3141.280.180.650.3320.4015374玉米秸5.93714517.7554542.170.120.742.615550象,振動電機用于防止物料搭橋并保證下粉均勻。3.3實驗方法進風(fēng)裝置由空壓機、配風(fēng)管、風(fēng)量調(diào)節(jié)閥和轉(zhuǎn)子流用于衡量燃燒效果的因子有溫度、煙氣和灰量計組成。一次風(fēng)為輸料進風(fēng),與粉體均勻混合形?渣。粉體越細,燃燒效果越好,同時破碎成本也會成風(fēng)粉氣流;二次風(fēng)切向進入,主要用于改善爐內(nèi)增加?？紤]到粉體燃燒和破碎成本的經(jīng)濟最優(yōu)化,氣流狀態(tài)。燃燒爐為自制的立式雙回旋燃燒爐。5選用θ.177mm(δ0目)的粉體對該立式雙回流燃支鎳鉻-鎳硅熱電偶自下而上儂次測點火室、主燒爐進行全面燃燒實驗,最后在最優(yōu)工況下用不燃室、擴散室、回流室和爐膛的溫度,溫度由SwJ同粒徑的粉體對燃燒性能的影響進行實驗測試。Ⅲk精密數(shù)字溫度計顯示,不同點溫度由換位實驗步驟如下器轉(zhuǎn)換觸點測得①一次風(fēng)量不變,改變電機轉(zhuǎn)速,研究風(fēng)粉濃熱電偶度對燃燒的影響。②在最優(yōu)一次風(fēng)粉濃度下,開啟二次風(fēng),研究二次風(fēng)對燃燒的影響。二次風(fēng)③在最優(yōu)風(fēng)粉濃度下,研究不同粒徑的粉體對燃燒的影響中國煤化工-、二次風(fēng)量比,加大次風(fēng)粉風(fēng)粉CNMH限。數(shù)字顯示器4實驗結(jié)果與討論圖2燃燒實驗裝置示意圖4.1風(fēng)粉濃度對燃燒的影響Fig. 2 The schematic of combustion次風(fēng)流量保持為240m3/h,粉體濃度由調(diào)肖波,等生物質(zhì)粉體燃燒特性的研究速電機調(diào)節(jié)螺旋進料器的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn),粉體進料氣成分都有影響。 Suanne paulrud對木粉燃燒的量與轉(zhuǎn)速成正比風(fēng)粉濃度(即粉體質(zhì)量與風(fēng)量之研究表眀:粉體越細,煙氣中CO含量越低,但粒比)與點火室和主燃室能穩(wěn)定保持的最高溫度的徑對NO影響不顯著。不同粒徑的粉體在該燃曲線關(guān)系見圖3。粉體濃度越大,溫度越高,但當(dāng)燒爐中燃燒時,點火室的溫度隨時間變化曲線見風(fēng)粉濃度為280gm3以上時,煙氣很濃呈深黃色,圖4。研究表明:大于0.42mm(即40目)的粉體很燃燒極不充分;當(dāng)風(fēng)粉濃度為25σg/m3,主燃室溫難點燃;小于O.149mm(即100目)的粉體在該燃度能達到1127℃,煙氣很淡呈淺白色。燒爐中最高溫度達到1230℃,爐膛溫度達到992℃;粉體越細,燃燒效果越好。綜合考慮破碎成本和燃燒效果,采用粒徑為O.177mm(即80目)生1100主燃室物質(zhì)粉體燃燒最為經(jīng)濟合理。點火室o.125mm(120目D.49mm(100目)風(fēng)松310190220250280圖8000.177mm(80目)圖3粉體濃度與溫度的關(guān)系0420mm(40目)Fig 3 Relationship of the proportion of biomass powder to粉體揮發(fā)分含量高,燃燒性狀近似于氣體燃時間/min料,在燃燒爐中形成一種懸浮狀的體積燃燒,風(fēng)粉圖4粉體粒徑對點火室溫度影響的曲線濃度是一個關(guān)鍵因素。粉體濃度太小不易保持穩(wěn)Fig.4 The curve relationship of particle size to the tempreture定的燃燒狀態(tài),且溫度偏低;濃度太大點火時易岀4.4燃燒爐內(nèi)溫度場分布現(xiàn)爆燃現(xiàn)象,且燃燒不充分,燃燒效率低。綜合點通過爐膛溫度場的測定,可以初步推斷粉體火、溫度和煙氣三方面因素,最合適的風(fēng)粉濃度為的空間燃燒狀態(tài)。點火室、主燃室、擴散室、回流室250g/m3左右,與文獻|6的結(jié)論是一致的和爐膛的溫度隨時間的變化如圖5所示。點火室第④步實驗中,在保持風(fēng)粉濃度不變的前提下,加大單位時間內(nèi)的風(fēng)粉量,發(fā)現(xiàn)爐膛外墻出現(xiàn)裂紋,燃燒爐頂部受到氣流的沖擊,燃燒程度加一點火室一主燃室劇。特定的爐膛,單位時間內(nèi)能燃燒的粉體質(zhì)量是一擴散室有限的。單位時間內(nèi)風(fēng)粉量過大,燃燒爐內(nèi)壓力增一回流室爐膛加,易發(fā)生爆炸事故,爐子的容積和形狀對粉體燃燒量都有影響。此燃燒爐點火室、主燃室、擴散室和回流室容積分別為2.27L,16.16L,41.25L和1012141618時間/m44.58L,每小時能容納60kg的粉體量。圖5燃燒爐內(nèi)溫度場分布4.2一、二次風(fēng)量比Fig. 5 The temperature distribution in the furnace二次風(fēng)在爐膛中部切向進入主燃室,用于補溫度最高,這是由于粉體熱分解的溫度很低充適量的空氣,并對氣粉起到混合攪勻的目的實般在350℃就分解釋放出80%左右的揮發(fā)分驗結(jié)果表明,二次風(fēng)對燃燒效果影響不顯著,但其風(fēng)粉混合物進入點火室后被迅速點燃,形成一次作為風(fēng)粉濃度的微調(diào)機制,以及依現(xiàn)場燃燒狀況燃燒V凵中國煤化工在高溫區(qū)。從燃燒對燃燒進行輔助調(diào)節(jié)是非常必要的。一、二次風(fēng)量開始CNMH力區(qū)進入擴散區(qū)的比例在315:1左右比較合適此時未燃盡的揮發(fā)分和碳粒由風(fēng)送入主燃室,形4.3粒徑對燃燒的影響成二次燃燒,使得主燃室的溫度也很高。碳粒燃粉體燃料旳粒徑對進料、點火、燃燒溫度和煙燒速度較揮發(fā)份慢,相同的停留時間內(nèi)碳粒不能可再生能源2007,25(1)完全燃燒,隨氣壓通過回流室回流至主燃室,形參考文獻成回流燃燒。燃燒煙氣通過主燃室和擴散室間的馬隆龍,吳創(chuàng)之,孫立生物質(zhì)氣化技術(shù)及其應(yīng)用微孔進入擴散室,成為高溫?zé)煔?。擴散室溫度較北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003.回流室溫度高這是由于它直接容納高溫?zé)煔獾?黃寶圣我國植物生物質(zhì)能源開發(fā)展望U太陽能緣故造成的2003(1):20-233]姜秀民,李巨斌,邱健榮超細化煤粉燃燒特性的研究點火室、主燃室、擴散室和回流室內(nèi)溫度依次中國電機工程學(xué)報,2000(6):71-78降低,溫度梯度為100右,爐膛與回流室溫度4劉建禹,翟國勛,陳榮耀生物質(zhì)燃料直接燃燒過程特性的分析東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報2001(9):290-294模型是合理的。15]張殿軍,陳之航生物質(zhì)燃燒技術(shù)的應(yīng)用能源研究4.5灰渣分析與信息,1999(3):15-2生物質(zhì)燃料由于灰溶點低,易產(chǎn)生結(jié)渣現(xiàn)象。6肖浪,郭勇,楊家寬,等生物質(zhì)粉體燃燒技術(shù)的初步生物質(zhì)粉體燃燒充分,且隨著粒徑的減小,結(jié)渣率研究能源技術(shù),2004(10):197-199降低吲,因而能有效改善這種現(xiàn)象。粉體不完全燃燒[7 SUSANNE PAULRUD, CALLE NILSSON. The effects of時,灰分呈黑色、有粘性,此外還有焦油和煙塵的混particle characteristics on emissions from burning wood合物粘在燃燒爐壁上,堵住擴散微孔,導(dǎo)致爐內(nèi)排fuel powder [J Fuel, 2004, 83: 813-82118]李剛,馬孝琴,張百良,等小型燃煤鍋爐改造為生物煙不暢、壓強增大,不僅對燃燒爐的熱性能造成影質(zhì)成型燃料鍋爐的研究河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報2002響,而且嚴(yán)重危及燃燒設(shè)備的安全。而完全燃燒后(9):265-268的灰分,呈淺白色粉末狀,無粘性。生物質(zhì)粉體在最9劉圣勇,張百良生物質(zhì)(秸稈)成型燃料燃燒設(shè)備研優(yōu)工況下燃燒時,不僅燃燒溫度高,燃燒充分,結(jié)渣制及試驗研究D河南農(nóng)業(yè)大學(xué),2004.90-91大大減輕,而且沒有焦油的冷凝現(xiàn)象出現(xiàn)5結(jié)論書訊綜合上述實驗結(jié)果與分析,生物質(zhì)粉體的燃燒特性總結(jié)如下。《村鎮(zhèn)被動式太陽能建筑通用設(shè)計圖集》1)生物質(zhì)粉體比表面積大,加速了揮發(fā)分的析出速度,減小了固定碳的粒徑,提高了燃燒速度選編了各種農(nóng)村被動式太陽能建筑典型設(shè)計,并收入了太陽房建筑的各構(gòu)件的技術(shù)參和效率(2)生物質(zhì)粉體在燃燒爐中懸浮燃燒,燃燒性數(shù)及施工方法等資料。大16開本,彩色插頁狀近似于氣體燃料,因而可考慮類似于氣體燃料定價35元的燃燒和控制方式同時燃燒爐體積參數(shù)很關(guān)鍵,《塑膜覆蓋節(jié)能日光溫室圖集》要特別防止岀現(xiàn)粉體燃燒量超過燃燒爐容量極限介紹了節(jié)能日光溫室設(shè)計的理論基礎(chǔ),給的情況。出了在科學(xué)理論指導(dǎo)下的北緯32-45地區(qū)日(3)二次風(fēng)對燃燒效果沒有顯著影響但作為光溫室結(jié)構(gòu)參數(shù)及其尺寸圖表。大16開本,定風(fēng)粉濃度的微調(diào)機制,現(xiàn)場燃燒狀況的輔助調(diào)節(jié)價15元是非常必要的(4)風(fēng)粉的體積參數(shù)和粉體粒徑對燃燒至關(guān)《可再生能源》雜志(《農(nóng)村能源》雜志),自2000年到2006年42期,共183元。重要。風(fēng)粉濃度控制在250g/m3左右,粉體粒徑為0.177mm時,燃燒充分溫度高,結(jié)渣現(xiàn)象得到改購書者由郵局匯款到本刊編輯部。善,且經(jīng)濟合理。中國煤化工市府路88號(5)粉體燃燒模型可概括為三段式燃燒,即點CNMHG火和揮發(fā)分的析岀,揮發(fā)分的燃燒和固定碳的回郵政編碼:115000流燃燒。聯(lián)系電話:0417-2832895