徐飛^1,2，趙立欣²，孟海波²，侯書(shū)林¹，田宜水²

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京100083；2.農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京100125）

　　摘要：為了深入研究生物質(zhì)顆粒燃料的熱風(fēng)點(diǎn)火性能，總結(jié)最佳的點(diǎn)火控制條件，該文以PB-20型生物質(zhì)顆粒燃燒器為試驗(yàn)裝置，以直徑為8mm的秸稈顆粒為試驗(yàn)材料，分別研究了點(diǎn)火絲功率、風(fēng)速、進(jìn)料量這3組因素對(duì)熱風(fēng)點(diǎn)火過(guò)程的影響。試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)點(diǎn)火絲功率為394W，風(fēng)速為2.5m/s，進(jìn)料量為300g時(shí)點(diǎn)火性能最好，平均點(diǎn)火時(shí)間為197s，平均污染物累積排放量為：CO₃133mg；NO_x73mg；SO227.7mg。該研究在生物質(zhì)顆粒燃料熱風(fēng)點(diǎn)火方面的結(jié)論，為燃燒器自動(dòng)點(diǎn)火系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。

　　0引言

　　生物質(zhì)顆粒燃料指直徑小于25mm的圓柱狀固體成型燃料，體積只有壓縮前的1/8～1/6，密度可達(dá)1.2～1.4t/m³，使用時(shí)具有流動(dòng)性強(qiáng)、燃燒效率高、便于自動(dòng)化控制、環(huán)保、高效等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在民用和工業(yè)領(lǐng)域都得到了應(yīng)用^[1-6]。現(xiàn)階段，在中國(guó)市場(chǎng)上比較常見(jiàn)的生物質(zhì)顆粒燃料燃燒設(shè)備多為手動(dòng)或半自動(dòng)型，實(shí)際使用中普遍存在點(diǎn)火不方便的問(wèn)題，部分設(shè)備每次點(diǎn)火甚至需要20～30min的時(shí)間^[7]，而且點(diǎn)火過(guò)程中還伴有濃煙，嚴(yán)重污染環(huán)境，這些問(wèn)題嚴(yán)重影響了生物質(zhì)顆粒燃料燃燒設(shè)備的推廣應(yīng)用。因此，研究針對(duì)生物質(zhì)顆粒燃料的高效、環(huán)保、自動(dòng)化控制的點(diǎn)火技術(shù)設(shè)備是非常有必要的。

　　目前，國(guó)內(nèi)外在生物質(zhì)燃料的點(diǎn)火機(jī)理方面開(kāi)展了相關(guān)研究。王翠蘋(píng)等[8]利用熱重分析儀比較了幾種生物質(zhì)顆粒燃料與未經(jīng)成型處理時(shí)的燃燒特性，得出生物質(zhì)成型燃料的著火點(diǎn)低于未成型生物質(zhì)燃料的結(jié)論；王惺等^[9]利用TG-DTG熱分析技術(shù)研究了生物質(zhì)顆粒燃料的著火特性，結(jié)果表明：生物質(zhì)壓縮顆粒與煤相比，其著火與燃盡溫度均較低，燃燒迅速且集中；侯中蘭等^[10]通過(guò)試驗(yàn)得出燃料密度是影響點(diǎn)火性能的最顯著因素，其次為燃料含水率、爐膛初始溫度和通風(fēng)狀況；羅娟等^[11]研究了生物質(zhì)顆粒燃料的揮發(fā)份與含水率對(duì)點(diǎn)火特性的影響；袁海榮等^[7]研究了不同助燃劑對(duì)生物質(zhì)固體成形燃料點(diǎn)火過(guò)程的影響；蔣紹堅(jiān)等^[12]研究了生物質(zhì)成型燃料在不同助燃空氣溫度下的點(diǎn)火過(guò)程中污染物（NO，CO）的排放規(guī)律。ThomasGrotkjær等^[13]研究了秸稈、木屑生物質(zhì)燃料在不同條件下的點(diǎn)火溫度及其對(duì)點(diǎn)火特性的影響。

　　熱風(fēng)點(diǎn)火是指利用風(fēng)機(jī)將點(diǎn)火絲通電后產(chǎn)生的熱量吹入燃燒筒內(nèi)，加熱放置于其中的生物質(zhì)顆粒燃料，燃料被加熱后開(kāi)始升溫，當(dāng)其溫度高于點(diǎn)火溫度時(shí)，燃料即被點(diǎn)燃。由于其簡(jiǎn)單可靠，安全高效，控制方式簡(jiǎn)單，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，因此在國(guó)外被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)型生物質(zhì)顆粒燃燒器。中國(guó)目前在該領(lǐng)域的研究相對(duì)較少，相關(guān)的理論還不夠完善，需要開(kāi)展進(jìn)一步的研究。

　　本文通過(guò)對(duì)生物質(zhì)顆粒燃料熱風(fēng)點(diǎn)火的性能開(kāi)展研究，分析點(diǎn)火絲功率、進(jìn)料量和風(fēng)速等3個(gè)主要控制因素對(duì)熱風(fēng)點(diǎn)火性能的影響及最佳參數(shù)，為今后進(jìn)一步研究燃燒器的自動(dòng)點(diǎn)火提供了理論基礎(chǔ)。

　　1材料與方法

　　1.1原料

　　本試驗(yàn)原料為玉米秸稈和花生殼混合秸稈顆粒燃料，于2010年9月取自北京市大興區(qū)禮賢生物質(zhì)成型燃料生產(chǎn)廠，由農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院設(shè)計(jì)研制的485型生物質(zhì)顆粒燃料成型機(jī)壓制而成，基本外形尺寸為直徑8mm，長(zhǎng)度約10～40mm，顆粒密度約1.2g/cm³。

　　試驗(yàn)原料工業(yè)分析和發(fā)熱量見(jiàn)表1。

　　1.2儀器與裝置

　　1.2.1試驗(yàn)儀器

　　本試驗(yàn)主要使用的儀器包括KM9106型綜合煙氣分析儀（英國(guó)凱恩公司）、UT-55型數(shù)字萬(wàn)用表（廣東優(yōu)利德科技有限公司）、testo417型葉輪式風(fēng)速計(jì)（德國(guó)TESTO公司）、ZN48型時(shí)間繼電器（北京東昊科技有限公司）、秒表等。

　　1.2.2試驗(yàn)裝置

　　本試驗(yàn)主要使用的試驗(yàn)裝置為農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院設(shè)計(jì)的PB-20型生物質(zhì)顆粒燃燒器^[14]，設(shè)計(jì)熱功率20kW。該燃燒器為上進(jìn)料式，上端為落料筒，水平方向從左到右依次是燃燒筒、攪龍、點(diǎn)火筒、點(diǎn)火絲和離心風(fēng)機(jī)，其中點(diǎn)火絲安裝在點(diǎn)火筒里面，點(diǎn)火筒對(duì)準(zhǔn)燃燒筒后壁的點(diǎn)火孔并且與其接觸嚴(yán)密，點(diǎn)火筒的后端正對(duì)風(fēng)機(jī)口，在燃燒器后端的火焰檢測(cè)孔處安裝一個(gè)攝像頭，用來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)火情況，如圖1所示。

　　除了燃燒器外，本試驗(yàn)系統(tǒng)還包括生物質(zhì)鍋爐、料倉(cāng)、進(jìn)料機(jī)構(gòu)等，其中煙氣分析儀的煙氣采樣孔設(shè)計(jì)在生物質(zhì)鍋爐的煙氣管道上，孔的直徑為φ10mm，位于出煙口上方約50cm處。生物質(zhì)點(diǎn)火試驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示。

　　1.3試驗(yàn)方法

　　試驗(yàn)在室內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)的操作流程如圖3所示。試驗(yàn)前，需對(duì)樣品取樣，進(jìn)行工業(yè)分析和發(fā)熱量測(cè)定等。試驗(yàn)中同一條件至少重復(fù)3次，結(jié)果取平均值。

　　由于熱風(fēng)點(diǎn)火主要是利用對(duì)流的方式將熱量從發(fā)熱物體傳遞到受熱物體上。點(diǎn)火試驗(yàn)過(guò)程中，功率的大小、對(duì)流的快慢和受熱物體的質(zhì)量對(duì)點(diǎn)火影響較大。因此，本試驗(yàn)選取點(diǎn)火絲功率、風(fēng)速和進(jìn)料量為主要控制因素。

　　試驗(yàn)中用的點(diǎn)火絲為市場(chǎng)上直接采購(gòu)的電阻發(fā)熱管，功率是固定值，設(shè)為3個(gè)水平，分別是277、352和394W；單因素試驗(yàn)中風(fēng)速分別設(shè)置為2.0、2.5、3.0、3.5、4.0m/s，5個(gè)水平；進(jìn)料量設(shè)置為200、250、300、350、400g，5個(gè)水平。試驗(yàn)中煙氣分析儀自動(dòng)記錄的時(shí)間間隔設(shè)置為30s。試驗(yàn)記錄的點(diǎn)火時(shí)間主要指的是點(diǎn)火絲的通電時(shí)間，用來(lái)衡量點(diǎn)火的快慢；能耗是點(diǎn)火絲功率和點(diǎn)火時(shí)間的乘積，表征點(diǎn)火過(guò)程所消耗的能量；污染物排放量是以煙氣分析儀監(jiān)測(cè)的NO_x、SO₂和CO濃度對(duì)時(shí)間的積分來(lái)計(jì)算的，主要用來(lái)定量分析點(diǎn)火過(guò)程對(duì)環(huán)境的污染程度。

　　2結(jié)果與分析

　　2.1點(diǎn)火絲功率對(duì)熱風(fēng)點(diǎn)火的影響

　　進(jìn)料量為m=350g，風(fēng)速為V=3.0m/s，然后試驗(yàn)不同點(diǎn)火絲功率條件下的點(diǎn)火性能，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

　　試驗(yàn)結(jié)果顯示：點(diǎn)火絲功率和點(diǎn)火時(shí)間呈反比，即點(diǎn)火絲功率越高點(diǎn)火所需要的時(shí)間越短，這是因?yàn)楣β试礁撸瑹峥諝狻㈩w粒燃料的升溫速度就越快，所以點(diǎn)火所需要的時(shí)間就短；其次，點(diǎn)火絲功率與能耗之間呈下開(kāi)口拋物線型關(guān)系，即當(dāng)P=352W的情況下點(diǎn)火所消耗的能量最多，Qmax=84339J，當(dāng)P=394W的情況下點(diǎn)火消耗的能量最少，Qmin=66684J，這說(shuō)明點(diǎn)火絲的功率與點(diǎn)火時(shí)間呈反比關(guān)系，僅當(dāng)功率和點(diǎn)火時(shí)間均居中等水平農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)2011年時(shí)，兩者的乘積是最大的，呈拋物線型規(guī)律；最后，點(diǎn)火絲功率與污染物排放量之間也呈現(xiàn)下開(kāi)口拋物線型關(guān)系，并且當(dāng)P=277W時(shí)污染物排放量最低，3種主要污染物排放量分別為mNO_x=21.0mg，mSO₂=21.2mg，mCO=1442.3mg；當(dāng)P=352W時(shí)排放量最高，3種主要污染物排放量最高為mNO_x=93.0mg，mSO₂=118.8mg，mCO=4055.5mg。因?yàn)槲廴疚锱欧帕颗c點(diǎn)火絲所消耗的能量之間是密切相關(guān)的，點(diǎn)火絲消耗的能量越多，則污染物排放量越高。綜合以上分析，當(dāng)點(diǎn)火絲功率為394W時(shí)，生物質(zhì)顆粒燃料的點(diǎn)火效果較好。

　　2.2風(fēng)速對(duì)熱風(fēng)點(diǎn)火的影響

　　進(jìn)料量為m=350g，點(diǎn)火絲功率為P=352W時(shí)，將風(fēng)速設(shè)置為5個(gè)水平試驗(yàn)其對(duì)點(diǎn)火性能的影響規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

　　試驗(yàn)結(jié)果顯示，風(fēng)速對(duì)點(diǎn)火時(shí)間、能耗和污染物中NO_x與CO排放量的影響規(guī)律大致相同，都是呈現(xiàn)上升型趨勢(shì)，只有對(duì)SO₂的排放量呈下降型趨勢(shì)。當(dāng)風(fēng)速低于3.0m/s時(shí)，點(diǎn)火時(shí)間大致不變，可能是因?yàn)轱L(fēng)速較低時(shí)對(duì)流的效果相近，對(duì)點(diǎn)火性能的影響也基本一致；當(dāng)風(fēng)速較高時(shí)，燃燒筒內(nèi)吹進(jìn)大量空氣，使得燃燒筒內(nèi)聚集的熱量迅速散失，產(chǎn)生較大的熱損失，因此導(dǎo)致點(diǎn)火時(shí)間較長(zhǎng)，不利于點(diǎn)火的進(jìn)行，而SO₂的生成受溫度影響較大，當(dāng)熱損失較多時(shí)燃燒筒內(nèi)的溫度必然有所降低，所以SO₂的排放量也會(huì)降低。

　　此外，當(dāng)風(fēng)速設(shè)置較低的情況下，風(fēng)速穩(wěn)定性較差，容易受到電壓波動(dòng)等因素的干擾。當(dāng)風(fēng)速V=3.0m/s時(shí)，點(diǎn)火綜合效果較為理想。

　　2.3初始進(jìn)料量對(duì)熱風(fēng)點(diǎn)火的影響

　　當(dāng)點(diǎn)火絲功率為P=352W，風(fēng)速為V=3.0m/s時(shí)，將進(jìn)料量設(shè)置為5個(gè)水平開(kāi)展試驗(yàn)，研究其對(duì)點(diǎn)火性能的影響規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。試驗(yàn)結(jié)果表明：進(jìn)料量對(duì)點(diǎn)火時(shí)間和能耗的影響規(guī)律均呈上開(kāi)口拋物線型關(guān)系，進(jìn)料量與污染物排放量則呈波浪上升型關(guān)系。這說(shuō)明，初始進(jìn)料量與風(fēng)速之間存在一種匹配關(guān)系，當(dāng)風(fēng)速一定時(shí)，初始進(jìn)料量過(guò)大或者過(guò)小均對(duì)點(diǎn)火是不利的，當(dāng)進(jìn)料量為300g時(shí)，熱風(fēng)點(diǎn)火的效果較佳。

　　2.4正交試驗(yàn)結(jié)果

　　考慮到不同的控制因素之間可能會(huì)有交互影響，因此設(shè)計(jì)了正交試驗(yàn)。正交試驗(yàn)選擇的是3水平3因素帶交互作用的正交試驗(yàn)表L18(37)，結(jié)合前面的單因素試驗(yàn)結(jié)果，正交試驗(yàn)的控制因素水平設(shè)置如表2所示，正交試驗(yàn)設(shè)置和其結(jié)果的分析如表3和表4所示。

　　根據(jù)上表可以得出：

　　1）對(duì)于點(diǎn)火時(shí)間來(lái)說(shuō)，各因素的影響從主到次依次為A、B、C。對(duì)點(diǎn)火時(shí)間影響最大的是點(diǎn)火絲功率，點(diǎn)火絲功率越大，點(diǎn)火時(shí)間越短；風(fēng)速對(duì)點(diǎn)火時(shí)間的影響居中，當(dāng)風(fēng)速較低時(shí)點(diǎn)火時(shí)間較短；進(jìn)料量對(duì)點(diǎn)火時(shí)間的影響最小，當(dāng)進(jìn)料量為300g時(shí)點(diǎn)火所需要的時(shí)間最短。影響點(diǎn)火時(shí)間因素的最佳組合為A3B1C2，即當(dāng)點(diǎn)火絲功率為394W，風(fēng)速為2.5m/s，進(jìn)料量為300g時(shí)點(diǎn)火需要的時(shí)間最短。另外，由于RA×C>RB×C>RC，說(shuō)明對(duì)點(diǎn)火時(shí)間的影響中，A和C的交互作用要大于B和C的交互作用，并且都比C本身要大。

　　2）各因素對(duì)點(diǎn)火時(shí)能耗的影響與點(diǎn)火時(shí)間的影響相同，從主到次也是A、B、C。影響點(diǎn)火時(shí)能量消耗的最佳組合也是A3B1C2，即當(dāng)點(diǎn)火絲功率為394W，風(fēng)速為2.5m/s，進(jìn)料量為300g時(shí)點(diǎn)火所消耗的能量最低。由于RB×C>RA×C>RC，說(shuō)明對(duì)點(diǎn)火過(guò)程能耗的影響中，B和C的交互作用要大于A和C的交互作用，并且都比C因素要大。

　　3）對(duì)于污染物排放量來(lái)說(shuō)，影響NO_x的主次順序是B、A、C，最佳組合是B1A2C1。因?yàn)樯镔|(zhì)燃燒裝置中生成NO_x的反應(yīng)機(jī)理主要是燃料型反應(yīng)機(jī)制，當(dāng)氧氣量充足時(shí)，燃料中NH₃和HCN主要通過(guò)不同的反應(yīng)步驟轉(zhuǎn)化成NOx[15]，因此NOx的生成與燃燒器的風(fēng)速關(guān)系最大；其次N元素的氧化效率還和溫度有關(guān)，因此點(diǎn)火絲功率對(duì)NOx的影響居次，最后才是進(jìn)料量；影響SO₂的主次順序是A、C、B，最佳組合是A2C1B3，這是因?yàn)镾O₂的生成與溫度關(guān)系最大，因此對(duì)其影響最大的點(diǎn)火絲功率，其次，因?yàn)镾元素來(lái)自于顆粒燃料當(dāng)中，因此進(jìn)料量對(duì)其的影響也很大，最后才是風(fēng)速；影響CO主次順序?yàn)镃、A、B，最佳組合是C1A2B3，主要原因是CO是由于燃料不完全燃燒產(chǎn)生的，所以CO與進(jìn)料量關(guān)系最為密切，其次才是點(diǎn)火絲功率，這是由于點(diǎn)火時(shí)的溫度和CO的生成也有很大關(guān)系。

　　雖然影響3種污染物排放量的主次順序有所不同，但三者的組合條件基本一致，綜合起來(lái)最佳的組合為C1A2B3，即當(dāng)進(jìn)料量為250g，點(diǎn)火絲功率為352W，風(fēng)速為3.5m/s時(shí)，點(diǎn)火過(guò)程中的污染物排放最為理想。

　　綜合以上3組分析結(jié)果：影響點(diǎn)火時(shí)間和能耗的最佳組合相同，均為A3B1C2，即點(diǎn)火絲功率為394W，風(fēng)速為2.5m/s，進(jìn)料量為300g；影響污染物排放量的最佳組合為C1A2B3，即進(jìn)料量為250g，點(diǎn)火絲功率為352W，風(fēng)速為3.5m/s。顯然，點(diǎn)火時(shí)間和能耗2個(gè)因素的權(quán)重要比污染物排放量大，并且在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用過(guò)程中，點(diǎn)火時(shí)間和能耗的重要性也要比污染物排放量更重要。所以，結(jié)合上述分析，最佳的熱風(fēng)點(diǎn)火控制條件應(yīng)當(dāng)為A3B1C2，即當(dāng)點(diǎn)火絲功率為394W，風(fēng)速為2.5m/s，進(jìn)料量為300g時(shí)，點(diǎn)火的綜合性能最為理想。

　　3結(jié)論

　　1）點(diǎn)火絲功率P與熱風(fēng)點(diǎn)火時(shí)間t成反比，當(dāng)P越高時(shí)t越短；P與能耗Q呈下開(kāi)口拋物線型關(guān)系，當(dāng)P=352W時(shí)能耗最高，最高值為Qmax=84339J；P與污染物排放量也呈下開(kāi)口拋物線型關(guān)系，當(dāng)P=352W時(shí)污染物排放量最高，最高值分別為mNOx=93mg、mSO2=118mg、mCO=4055mg。

　　2）風(fēng)速V對(duì)熱風(fēng)點(diǎn)火過(guò)程的影響為：當(dāng)V<3.0m/s時(shí)，對(duì)點(diǎn)火過(guò)程的影響變化不是很大，當(dāng)V>3.0m/s時(shí)，V越高點(diǎn)火性能就越差，因?yàn)榇藭r(shí)V與t、Q和污染物排放量之間大致呈正比關(guān)系。

　　3）進(jìn)料量m對(duì)點(diǎn)火的影響也比較顯著，其中m對(duì)t和Q的影響相同，均呈上開(kāi)口拋物線型關(guān)系，且當(dāng)m=250～350g之間時(shí)效果比較好；m對(duì)mNO_x、mSO₂和mCO的影響都呈波浪上升趨勢(shì)，在m=200g或300g時(shí)效果較為理想，當(dāng)m>300g時(shí)基本呈正比關(guān)系。

　　4）正交試驗(yàn)結(jié)果顯示，對(duì)點(diǎn)火時(shí)間t和能耗Q的影響中，P和m的交互作用、V和m的交互作用都比較明顯，綜合考慮3個(gè)指標(biāo)，最佳的控制條件為A3B1C2，即當(dāng)P=394W、V=2.5m/s、m=300g時(shí)，生物質(zhì)顆粒燃料熱風(fēng)點(diǎn)火的效果最好。

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