劉建禹，翟國(guó)勛，陳榮耀

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院黑龍江省哈爾濱150030)

　　摘要：主要介紹生物質(zhì)燃料的直接燃燒過程，它包括生物質(zhì)燃料的組成特性、熱分解及燃燒過程、空氣需要量、煙氣量、熱值和理論燃燒溫度等。為利用生物質(zhì)作為燃料的供熱設(shè)備設(shè)計(jì)和生物質(zhì)氣化的研究提供理論依據(jù)。

　　0前言

　　生物質(zhì)能是地球上最普遍的一種可再生能源，量大面廣，開發(fā)利用潛力巨大。自從人類發(fā)現(xiàn)火，開始使用這種能源至今，全世界仍有15億以上的人口在使用著這種原始的生物質(zhì)能源。尤其在發(fā)展中國(guó)家，生物質(zhì)能幾乎是農(nóng)村燃料的主要依靠。我國(guó)是一個(gè)生物質(zhì)能源耗用大國(guó)，大部分生物質(zhì)燃料為直接燃燒，這種農(nóng)村能源結(jié)構(gòu)在一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)不會(huì)發(fā)生變化，這是由農(nóng)村聯(lián)產(chǎn)承包體制及我國(guó)經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)所決定的。因此，對(duì)生物質(zhì)作為能源的直接燃燒技術(shù)和裝置的研究還是十分必要的。

　　目前，我們已掌握了許多有關(guān)生物質(zhì)燃料燃燒方面的物理、化學(xué)機(jī)理，并在有些方面進(jìn)行了計(jì)量。但是，對(duì)于生物質(zhì)燃料的直接燃燒尚未達(dá)到完全了解的程度，本文主要從生物質(zhì)燃料的組成特性方面，說明其直接燃燒過程特點(diǎn)以助生物質(zhì)燃料的有效利用，同時(shí)也為進(jìn)一步科學(xué)、合理利用生物質(zhì)能，向生物質(zhì)氣化方向發(fā)展提供研究的理論依據(jù)。

　　1生物質(zhì)燃料和固體礦物質(zhì)燃料(煤)的主要差別

　　表1列出了典型生物質(zhì)燃料和典型的煙某和無煙煤的元素組成和工業(yè)分析成分組成。

　　從表1中看出，生物質(zhì)燃料和煤碳相比有以下一些主要差別(見表2)：

　　1)含碳量較少，含固定碳少。生物質(zhì)燃料中含碳量最高的也僅50%左右，相當(dāng)于生成年代較少的褐煤的含碳量。特別是固定碳的含量明顯地比煤炭少。因此，生物質(zhì)燃料不抗燒，熱值較低(見表1)。

　　2)含氫量稍多，揮發(fā)分明顯較多。生物質(zhì)燃料中的碳多數(shù)和氫結(jié)合成低分子的碳?xì)浠衔铮鲆欢ǖ臏囟群鬅岱纸舛鄢鰮]發(fā)物。所以，生物質(zhì)燃料易被引燃，燃燒初期，析出量較大，在空氣和溫度不足的情況下易產(chǎn)生鑲黑邊的火焰。在使用生物質(zhì)為燃料的設(shè)備設(shè)計(jì)中必須注意到這一點(diǎn)。

　　3)含氧量多。從表2所列數(shù)字看出，生物質(zhì)燃料含氧量明顯地多于煤炭，它使得生物質(zhì)燃料熱值低，但易于引燃。在燃燒時(shí)可相對(duì)地減少供給空氣量。

　　4)密度小。生物質(zhì)燃料的密度明顯地較煤炭低(見表2)，質(zhì)地比較疏松，特別是農(nóng)作物秸桿和糞類。這樣使得這類燃料易于燃燒和燃盡，灰燼中殘留的碳量較燃用煤炭者少。

　　5)含硫量低。生物質(zhì)燃料含硫量大多少于0120%，燃燒時(shí)不必設(shè)置氣體脫硫裝置，降低了成本，又有利于環(huán)境的保護(hù)。

　　2生物質(zhì)燃料的燃燒過程

　　生物質(zhì)燃料的燃燒過程是強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)過程，又是燃料和空氣間的傳熱、傳質(zhì)過程。燃燒除去燃料存在外，必須有足夠溫度的熱量供給和適當(dāng)?shù)目諝夤?yīng)。圖1為燃料燃燒過程的圖示。它可分作：預(yù)熱、干燥(水分蒸發(fā))、揮發(fā)分析出和焦碳(固定碳)燃燒等過程。

　　燃料送入燃燒室后，在高溫?zé)崃?由前期燃燒形成)作用下，燃料被加熱和析出水分。隨后，然料由于溫度的繼續(xù)增高，約250℃左右，熱分解開始，析出揮發(fā)分，并形成焦碳。氣態(tài)的揮發(fā)分和周圍高溫空氣摻混首先被引燃而燃燒。一般情況下，焦碳被揮發(fā)分包圍著，燃燒室中氧氣不易滲透到焦碳表面，只有當(dāng)揮發(fā)分的燃燒快要終了時(shí)，焦碳及其周圍溫度已很高，空氣中的氧氣也有可能接觸到焦碳表面，焦碳開始燃燒，并不斷產(chǎn)生灰燼。

　　從上述說明可以看出，產(chǎn)生火焰的燃燒過程為兩個(gè)階級(jí)：即揮發(fā)分析出燃燒和焦碳燃燒，前者約占燃燒時(shí)間的10%，后者則占90%。同時(shí)也可看出，生物質(zhì)燃料在燃燒過程中有以下一些特點(diǎn)：

　　1)物質(zhì)燃料的密度小，結(jié)構(gòu)比較松散，揮發(fā)分含量高，在250℃時(shí)熱分解開始，在325℃時(shí)就已開始十分活躍，350℃時(shí)揮發(fā)分能析出80%。可以看到，揮發(fā)分析出時(shí)間較短，若空氣供應(yīng)不當(dāng)，有機(jī)揮發(fā)分容易不被燃燼而排出，排煙為黑色，嚴(yán)重時(shí)為濃黃色煙。所以在設(shè)計(jì)燃用生物質(zhì)燃料的設(shè)備時(shí)，必須有足夠的擴(kuò)散型空氣供給，燃燒室必須有足夠的容積和一定的攔火，以便有一定的燃燒空間和燃燒時(shí)間。同時(shí)空氣供給量的多少也是生物質(zhì)氣化爐設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一。

　　2)揮發(fā)分逐漸析出和燒完后，燃料的剩余物為疏松的焦碳，氣流運(yùn)動(dòng)會(huì)將一部分碳粒裹入煙道，形成黑絮，所以，通風(fēng)過強(qiáng)會(huì)降低燃燒效率。

　　3)揮發(fā)分燒完，焦碳燃燒受到灰燼包裹和空氣滲透較難的影響，妨礙了焦碳的燃燒，造成灰燼中殘留余碳。為促進(jìn)焦碳的燃燒充分，此時(shí)應(yīng)適當(dāng)加以捅火或加強(qiáng)爐蓖的通風(fēng)。

　　3空氣供給量

　　適合的空氣量和空氣供給方式是保證燃料燃燒充分的條件之一。過多的空氣供給，會(huì)吸收燃燒產(chǎn)生的熱量，降低燃燒溫度，淡化可燃?xì)怏w的濃度，使化學(xué)反應(yīng)減慢;過少的空氣供給或空氣受阻，分配不良，會(huì)使可燃?xì)怏w未經(jīng)燃燒而逸出。

　　單位質(zhì)量燃料的理論需要空氣量可根據(jù)化學(xué)反應(yīng)式獲得。生物質(zhì)燃料中磷含量極少，而鉀都以氧化鉀的形式出現(xiàn)，故二者可以忽略不計(jì)，單位質(zhì)量燃料的理論需要空氣量可按下式計(jì)算：

　　爐灶中的排煙損失和排煙量及排煙溫度有關(guān)，排煙量大，排煙損失也隨之增大。同時(shí)，排煙量的多少直接關(guān)系到爐灶的喉口、煙囪截面和火炕炕洞截面尺寸的確定。

　　在家用生物質(zhì)燃料的爐灶中，難以像工業(yè)鍋爐可以用調(diào)節(jié)法加以控制空氣過量系數(shù)值。從實(shí)際測(cè)試中可以看出，凡是煙囪抽力不佳，攔火過分，喉口小等情況都會(huì)減少空氣的進(jìn)入，排煙中一氧化碳量明顯增多;而燒火旺，攔火小，煙囪抽力大的情況下，則空氣過量系數(shù)增大，最大時(shí)可達(dá)410以上。一般情況下空氣過量系數(shù)a值在1170～3100之間。最佳的空氣過量系數(shù)a值為2100左右。

　　空氣過量系數(shù)可以采用煙氣分析儀測(cè)定，其值可按下式計(jì)算獲得：

　　4排煙量

　　每千克燃料燃燒產(chǎn)生的煙氣量除與燃料的元素組成、水分含量有關(guān)外，尚和空氣過量系數(shù)有關(guān)。每千克燃料燃燒實(shí)際產(chǎn)生的煙氣量可按下式計(jì)算：

　　5理論燃燒溫度

　　目前尚不能用計(jì)算方法來獲得實(shí)際燃燒溫度，因?yàn)樗芡饨缭S多因素的影響。為了評(píng)價(jià)燃料燃燒過程本身的程度，設(shè)想使燃料在一理想條件下燃燒，理想條件是：沒有散熱損失和完全燃燒。這一條件下計(jì)算出來的燃燒溫度稱為理論燃燒溫度，它可以按下式進(jìn)行計(jì)算：

　　以分析基玉米為例(數(shù)據(jù)見表1)，若a=214時(shí)，其理論燃燒溫度約為940℃，明顯地低于煤炭的理論燃燒溫度。實(shí)測(cè)實(shí)際燃用生物質(zhì)燃料的爐灶的結(jié)果是：焦碳層的燃燒溫度為：850℃～900℃，火焰溫度：500℃～700℃，在a減小時(shí)此值尚能提高。

　　6結(jié)束語

　　生物質(zhì)燃料直接燃燒和煤炭的直接燃燒有所不同，特別在空氣供給、燃燒室形狀和體積的要求等方面有著顯著的差別。了解上述基礎(chǔ)性知識(shí)將有助于生物質(zhì)燃料直接燃燒時(shí)燃燒效率的提高。同時(shí)也為生物質(zhì)氣化的研究提供理論依據(jù)。