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田仲富，王述洋，曹有為（東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150040）
摘要：生物質(zhì)燃料是一種資源儲(chǔ)量大、清潔環(huán)保的可再生能源，研究其燃燒機(jī)理是一項(xiàng)非常有價(jià)值的工作。主要以秸稈燃料為例對(duì)生物質(zhì)燃料的燃燒機(jī)理進(jìn)行詳細(xì)介紹；分別從爐膛溫度、空氣量、生物質(zhì)燃料顆粒尺寸、反應(yīng)時(shí)間、水分含量、灰分含量以及氣固混合比等方面對(duì)影響生物質(zhì)燃料燃燒的因素進(jìn)行詳細(xì)分析；對(duì)生物質(zhì)燃料燃燒設(shè)備的設(shè)計(jì)有針對(duì)性地提出一些建議。
隨著全球經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，對(duì)能源的消耗也不斷地增長，作為人類生存和發(fā)展的重要資源——煤碳、天然氣以及石油為主的非再生能源將最終被耗盡，在大量使用這些非再生能源的同時(shí)會(huì)導(dǎo)致一系列嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。所以，極大程度地努力提高現(xiàn)有能源的實(shí)際利用率，并通過高新科技開發(fā)出污染小、可再生的新能源，來逐漸取代那些高污染、非再生的石化能源，是解決人類能源和環(huán)境污染等危機(jī)問題的主要途徑。目前，在眾多的再生能源當(dāng)中，生物質(zhì)能是最有開發(fā)潛力的，因?yàn)槠渚哂匈Y源儲(chǔ)量大、清潔環(huán)保以及能再生等特點(diǎn)[1]。
生物質(zhì)燃料燃燒機(jī)理是研制生物質(zhì)燃料燃燒設(shè)備的基礎(chǔ)，這是因?yàn)樯镔|(zhì)燃料燃燒機(jī)理與煤炭或木材的燃燒機(jī)理有很大區(qū)別。為了使生物質(zhì)燃料燃燒設(shè)備能夠有較高的燃燒效率和較低的環(huán)境污染，對(duì)生物質(zhì)燃料燃燒機(jī)理進(jìn)行詳細(xì)的研究是一項(xiàng)非常有價(jià)值的工作[2]。為此，筆者查閱相關(guān)文獻(xiàn)，分析生物質(zhì)燃料的燃燒機(jī)理，并概述影響其燃燒的因素。
1生物質(zhì)燃料燃燒機(jī)理
1.1生物質(zhì)燃料特性生物質(zhì)燃料的元素組成同煤炭的元素組成是有很大差別的，表1是生物質(zhì)燃料與煤炭的元素組成對(duì)比表[3]。由表1可知，煤炭與生物質(zhì)燃料相比存在以下差別：①含C量較高，含固定C高；②含O量低很多，含水量少；③含H量稍低；④揮發(fā)分含量較少；⑤密度大。
由于生物質(zhì)燃料在組分上同煤炭有以上差別，所以在燃燒時(shí)，為了使生物質(zhì)燃燒設(shè)備經(jīng)濟(jì)、高效和可靠地工作，應(yīng)根據(jù)不同的生物質(zhì)燃料，在供氣方式、燃燒室結(jié)構(gòu)和燃料供給等方面加以適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，從而使燃燒更充分、更高效。
1.2生物質(zhì)燃料的燃燒階段
1.2.1各階段分析。生物質(zhì)燃料的燃燒過程是劇烈的放熱／吸熱的理化反應(yīng)。在燃燒過程中，由于燃料與空氣會(huì)發(fā)生傳質(zhì)、傳熱過程，所以燃料燃燒所產(chǎn)生的熱量會(huì)使環(huán)境溫度升高，升高的環(huán)境溫度又會(huì)加快傳質(zhì)過程的進(jìn)行。因此，發(fā)生燃燒的前提條件是：不僅要有足夠的燃料，而且還要有適當(dāng)?shù)目諝夤┙o和足夠的熱量供給[4-5]。
生物質(zhì)燃料的燃燒過程如圖1所示。其燃燒過程可分為：燃料預(yù)熱、干燥、揮發(fā)分析出燃燒和焦炭燃燒4個(gè)階段。生物質(zhì)燃料燃燒的各個(gè)階段雖然大都是串行的，但也有相當(dāng)一部分是重疊進(jìn)行的，因而沒有嚴(yán)格的區(qū)分線，每個(gè)階段所需時(shí)間和燃料種類、成分和燃燒方式等因素息息相關(guān)。為了使分析更有針對(duì)性，以下以秸稈為例，說明其燃燒過程的4個(gè)階段。
（1）預(yù)熱階段：把秸稈送進(jìn)燃燒設(shè)備后，用特定的點(diǎn)火方式引燃秸稈表面的可燃物，環(huán)境溫度會(huì)逐漸升高。
（2）干燥階段：水會(huì)在逐漸升高的環(huán)境溫度中蒸發(fā)，使秸稈變得干燥，同時(shí)干燥的秸稈繼續(xù)吸熱增溫。
（3）揮發(fā)分析出燃燒階段：當(dāng)溫度達(dá)到106～110℃時(shí)，秸稈表面的揮發(fā)分會(huì)以氣體的形式被析出，燃料的結(jié)構(gòu)也開始變得蓬松；溫度進(jìn)一步升高，當(dāng)達(dá)到260～370℃時(shí)，揮發(fā)分首先著火燃燒。可知，要具備溫度和濃度這兩個(gè)前提條件的情況下，揮發(fā)分才能燃燒。隨著秸稈表面揮發(fā)分燃燒，其所放出的熱能逐漸積累，通過傳遞和輻射向秸稈內(nèi)層擴(kuò)散，進(jìn)一步使秸稈內(nèi)層的揮發(fā)分被析出，這部分揮發(fā)分和氧混合繼續(xù)燃燒，同時(shí)有大量的熱量放出，這時(shí)揮發(fā)分包圍了秸稈中剩余的焦炭，爐膛中的氧很難直接接觸到焦炭表面，所以焦炭不易燃燒。揮發(fā)分的燃燒為其后的焦炭燃燒準(zhǔn)備了熱能條件[6]。
（4）焦炭燃燒階段：隨著揮發(fā)分的減少，焦炭逐漸與氧接觸，使焦炭開始燃燒。在焦炭的燃燒過程中會(huì)不斷地產(chǎn)生灰分，燃料內(nèi)層的焦炭被這些灰分包裹，阻止其繼續(xù)燃燒。此時(shí)，若不時(shí)地?cái)噭?dòng)或加強(qiáng)爐膛中的供風(fēng)，都能使剩余的焦炭繼續(xù)燃燒。
總之，上述燃燒的各個(gè)過程可歸納為兩大類：吸熱反應(yīng)（預(yù)熱、干燥和揮發(fā)分析出）和放熱反應(yīng)。揮發(fā)分燃燒和焦炭燃燒，前者占燃燒時(shí)間15％，但提供總熱量的65％，后者占燃燒時(shí)間的85％。
1.2.2溫度控制。下面先從化學(xué)的角度來看一下生物質(zhì)燃
料在灶膛中的反應(yīng)過程，即只要表現(xiàn)為碳的燃燒過程[7]：
從以上反應(yīng)式可知，在生物質(zhì)燃料的燃燒過程中，C即使不能完全燃燒，但只要有足夠的空氣并經(jīng)過一定的時(shí)間，也能使灶膛的放熱強(qiáng)度達(dá)到要求。所以，在燃燒過程中循環(huán)引入一定量煙氣，通過吸熱反應(yīng)來使灶膛溫度下降，以防灶膛焦炭結(jié)渣。
1.2.3燃燒所需空氣量。生物質(zhì)燃料的可燃元素一般為C和H。燃燒過程中C和H分別與O2發(fā)生放熱反應(yīng)。大多數(shù)燃燒設(shè)備都是從空氣中來獲得O2。所以，一般情況下應(yīng)計(jì)算燃燒所需的空氣量，以此作為燃燒設(shè)備設(shè)計(jì)的依據(jù)。生物質(zhì)燃料中的可燃成分，它們與O2發(fā)生燃燒反應(yīng)的反應(yīng)式為：
1.2.4排煙量。排煙量對(duì)于生物質(zhì)燃料燃燒裝置的結(jié)構(gòu)和尺寸設(shè)計(jì)有著重要的影響，所以排煙量的計(jì)算也很關(guān)鍵。生物質(zhì)燃料燃燒過程中的排煙量和其元素組成、水分含量以及空氣過量系數(shù)有關(guān)。每Kg生物質(zhì)燃料燃燒過程中的排煙量計(jì)算式為：
1.2.5燃燒溫度。生物質(zhì)燃料在燃燒時(shí)的燃燒溫度與燃料種類、成分、環(huán)境條件、燃燒設(shè)備等因素有直接的關(guān)系。燃燒溫度也是生物質(zhì)燃料燃燒設(shè)備設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)之一。總地來看，生物質(zhì)燃料燃燒過程中熱量吸人和熱量排出的平衡關(guān)系決定了實(shí)際燃燒溫度[8]。
2影響生物質(zhì)燃料燃燒的因素
2.1爐膛溫度 爐膛溫度是影響生物質(zhì)燃料燃燒最直接的因素，在充分考慮焦炭結(jié)渣問題的前提下，必須最大程度地提高爐膛的溫度，才能促進(jìn)生物質(zhì)燃料燃燒的反應(yīng)速率。
2.2空氣量 燃燒反應(yīng)的進(jìn)程決定于燃料與空氣的供給。燃燒反應(yīng)會(huì)由于空氣量供給太少，而使燃料燃燒不完全，進(jìn)而造成燃料浪費(fèi)；但空氣供給太多，過量的空氣將所吸收的熱量白白帶走，致使燃燒溫度降低，燃燒也會(huì)相應(yīng)地變?yōu)椴环€(wěn)定。所以，空氣量需有個(gè)最佳范圍，故空氣過量系數(shù)的穩(wěn)定性是保障燃燒過程穩(wěn)定的前提條件。
2.3生物質(zhì)燃料顆粒尺寸 因固體顆粒反應(yīng)一般在其表面進(jìn)行，因而生物質(zhì)燃料顆粒的表面積越大，對(duì)燃燒反應(yīng)的進(jìn)行越有利。顆粒尺寸與其表面積呈反比，所以，應(yīng)盡量減小生物質(zhì)燃料顆粒的尺寸，才能提高其燃燒反應(yīng)效率。
2.4反應(yīng)時(shí)間 生物質(zhì)燃料的燃燒也屬于化學(xué)反應(yīng)范疇，所以其燃燒要經(jīng)過一定的時(shí)間才能結(jié)束。充足的反應(yīng)時(shí)間也是生物質(zhì)燃料完成燃燒反應(yīng)的重要因素之一。
2.5水分、灰分含量 燃燒反應(yīng)屬于放熱反應(yīng)，而水分蒸發(fā)恰好會(huì)強(qiáng)烈地吸收熱量，生物質(zhì)燃料的燃燒過程屬于自維持型燃燒，所以其水分含量不應(yīng)超過70％，若超過，則需借助輔助燃料助燃。
因燃料中的灰分不可燃，因此生物質(zhì)燃料灰分含量越高，其熱值和燃燒溫度越低。在燃燒過程中內(nèi)層未燃燒的燃料可能會(huì)被灰分包裹，進(jìn)而使燃料燃燒速度降低，同時(shí)灶膛溫度達(dá)到一定高度時(shí)，高灰分含量定會(huì)增加熔化量，所以應(yīng)采取合理的措施，使燃料完全燃燒，同時(shí)減少對(duì)燃燒爐灶的腐蝕。
2.6氣固混合比 在燃燒進(jìn)行時(shí)，要有一定的氧擴(kuò)散到燃料顆粒表面，在燃料燃燒反應(yīng)的進(jìn)行過程當(dāng)中，其內(nèi)層的灰分會(huì)慢慢暴露出來，進(jìn)而包裹沒有燃燒完全的炭。所以在燃燒過程中應(yīng)不時(shí)攪動(dòng)來保證合理的氣固混合比，才能使灰分剝落并暴露出沒有燃燒完全的炭，最終使燃料進(jìn)行充分的燃燒。
3結(jié)論
分析表明，溫度、空氣量和固混合以及反應(yīng)時(shí)間和空間是其（生物質(zhì)燃料）充分燃燒的三要素。但是，因參與吸熱反應(yīng)的生物質(zhì)燃料和參與放熱反應(yīng)的并不是直接接觸，因而生物質(zhì)燃料的吸熱只能從灶膛內(nèi)壁以及火焰的輻射獲得。所以，水分含量不同的生物質(zhì)燃料，對(duì)燃燒設(shè)備的要求也有很大差異，水分較大的需很多的熱量來保證吸熱反應(yīng)進(jìn)行，故要盡量使灶膛內(nèi)壁的溫度保持一定高度；對(duì)水分含量較小的燃料要注意對(duì)灶膛內(nèi)壁的冷卻，以防止灰渣在灶膛內(nèi)結(jié)渣。應(yīng)根據(jù)不同生物質(zhì)燃料的燃燒機(jī)理，探索不同類型的燃燒技術(shù)并研發(fā)相應(yīng)的燃燒設(shè)備，以便于提高生物質(zhì)燃料的燃燒效率。
該研究可為生物質(zhì)燃料的燃燒特性分析和生物質(zhì)燃料燃燒設(shè)備的設(shè)計(jì)提供參考。
參考文獻(xiàn)
[1]張明，袁益超.生物質(zhì)直接燃燒技術(shù)的發(fā)展研究[J].能源研究與信息，2005，21（1）：15-18.
[2]劉圣勇，趙迎芳，張百息生物質(zhì)成型燃料燃燒理論分析[J].能源研究與利用，2002（6）：26-28.
[3]GILBE C，OHMAN M，HNDSTROM E，et a1.Slagging Characteristics dur-ing residential combustion of biomass pellets[J].Energy&Fuels，2008，22（5）：3536-3543.
[4]羅娟，侯書林，趙立欣.生物質(zhì)顆位燃料燃燒設(shè)備的研究進(jìn)展[J].可再生能源，20o9（6）：90-95.
[5]BAERNTHALER G，ZISCHKA M，HARALDSSON C，et a1.Determination of major and minor ash-forming elemets in solid biofuels[J].Biomass and Bienergy，2006，30（11）： 983-997.
[6]王惺，李定凱，倪維斗.生物質(zhì)壓縮顆粒的燃燒特陛[J].燃燒科學(xué)與技術(shù)，20O7，13（1）：86-90.
[7]DIAS J，COSTAM，AZEVEDO J LT.Testf a small domestic boiler using diferet pellets[J].Biomass and Bioenery，2004，27（6）：531-539.
[8]侯中蘭，賈孟立，郭前輝.影響生物質(zhì)成型燃料點(diǎn)火性能的因索分析[J].可再生能源，2007，25（1）：71-72. |
