單顆粒海藻在流化床內(nèi)燃燒試驗及灰色關(guān)聯(lián)分析

王 爽， 姜秀民， 王 謙， 吉恒松

（1.江蘇大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013；2.上海交通大學(xué) 熱能工程研究所，上海 200240）

當(dāng)今世界范圍內(nèi)，化石燃料日趨枯竭，人們越來越重視非化石能源的開發(fā)與利用.生物質(zhì)作為一種資源豐富的可再生能源，具有污染少、CO2零排放等優(yōu)點，因此生物質(zhì)能的利用受到世界各國的重視.除了傳統(tǒng)的木質(zhì)纖維類生物質(zhì)外，自然界還蘊(yùn)藏一種非陸生生物質(zhì)——海藻生物質(zhì)，它們不占用耕地、生長周期短且繁殖快.不同于微藻類生物質(zhì)，海藻生物質(zhì)不僅可以在塘系統(tǒng)養(yǎng)殖，還可以在遠(yuǎn)海和近海養(yǎng)殖，同時藻型較大，更易于收集和利用.在2008年奧運會帆船青島賽區(qū)近海領(lǐng)域，條滸苔和片滸苔（2種綠藻）大量聚集瘋狂生長，全民出動共清理了六十多萬噸滸苔.如今每年夏季時沿海地區(qū)依然湖苔泛濫.對于如此巨大的海藻量，作為加工品的消耗能力有限，可以考慮能源利用.海藻生物質(zhì)具有低熱值、高水分、高灰分的特點，而流化床燃燒技術(shù)具有負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍大、燃料適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點，處理該類生物質(zhì)燃料具有獨特優(yōu)勢.Chirone等［1-2］系統(tǒng)地研究了污泥、秸稈和木頭等生物質(zhì)顆粒在流化床內(nèi)的燃燒與磨損機(jī)理.Scala等［3］則系統(tǒng)研究了3種生物質(zhì)在流化床內(nèi)燃燒時床層結(jié)塊問題.

雖然目前越來越多的研究者都開始關(guān)注海藻生物質(zhì)的利用［4-7］，但尚未見有關(guān)海藻生物質(zhì)顆粒燃料在流化床內(nèi)燃燒試驗的報道.筆者在小型流化床燃燒臺架上對海藻（條滸苔）單顆粒進(jìn)行了燃燒試驗，研究了床高、床溫和流化風(fēng)速對條滸苔顆粒燃燒的影響，并對其影響程度進(jìn)行了灰色關(guān)聯(lián)分析.

1 試驗裝置、原料與方法

1.1 流化床試驗裝置及樣品

圖1為小型流化床燃燒試驗裝置圖.采用的樣品為條滸苔，其物性參數(shù)見表1.將海藻粉碎成0.18 mm以下，然后用壓片機(jī)壓制成圓柱顆粒狀，作為流化床燃燒試驗原料，具體物性參數(shù)見表2.

圖1 小型流化床燃燒試驗裝置Fig.1 Schematic diagram of the mall scale fluidized bed setup

1.2 試驗方法

試驗時把細(xì)砂（280～450μm）由投料口裝入床內(nèi)，使床層高度達(dá)到90mm，并將給風(fēng)流量調(diào)至4.28m3／h，此時流化數(shù)為4，加熱試驗臺，使布風(fēng)板下風(fēng)室內(nèi)空氣的溫度和布風(fēng)板上密相段的溫度均達(dá)到設(shè)定床溫750℃.待工況穩(wěn)定后，打開加料口投入10顆海藻（條滸苔）顆粒，迅速用帶膠塞的不銹鋼細(xì)管（末端剛好伸入爐膛中部）封住投料口，開始計時.保持海藻顆粒在床內(nèi)燃燒，待達(dá)到設(shè)定的時間（1 min）后立即關(guān)掉給風(fēng)機(jī)和真空泵，并通過帶膠塞不銹鋼管通入高純氮氣，流量為25L／min以上.迅速開啟緊固風(fēng)室和密相段法蘭的長螺栓，待旋開至足夠間隙后，用布風(fēng)板（布風(fēng)板呈矩形并足夠大）把細(xì)砂和剩余海藻顆粒輕輕托出.將取出的海藻顆?？焖俚谷脎釄鍍?nèi)，加蓋放入干燥器內(nèi)冷卻，然后測量冷卻后殘留海藻顆粒的質(zhì)量.床溫、流化風(fēng)量和床高為影響單顆粒海藻在流化床內(nèi)燃燒的3個因素.試驗中以床溫750℃、流化風(fēng)量4.28m3／h（流化數(shù)為4）、床高90mm為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計工況，每次固定2個標(biāo)準(zhǔn)工況因素，改變第三個因素進(jìn)行試驗，各因素的具體取值見表3.

表1 海藻類生物質(zhì)的物性參數(shù)Tab.1 Physical properties of the seaweed biomass

表2 流化床燃燒試驗原料及相關(guān)參數(shù)Tab.2 Raw materials and relevant parameters applied in the fluidized bed combustion test

海藻顆粒在流化床內(nèi)的燃燒實際上是顆粒在床內(nèi)磨損、破碎和燃燒的耦合結(jié)果.觀察不同燃燒時間后剩余的顆粒，可以發(fā)現(xiàn)短時間內(nèi)磨損程度很小，可以不考慮，同時破碎也沒有發(fā)生，因而該試驗主要反映出海藻在流化床內(nèi)的燃燒規(guī)律.

2 試驗結(jié)果與分析

比較各工況下條滸苔顆粒燃燒后剩余質(zhì)量占初始質(zhì)量的比值（剩余質(zhì)量份額），以及殘留固定碳占原始固定碳的比值（即固定碳?xì)埩袈剩?，并作出單因素變化圖.試驗工況及結(jié)果見表4.

表3 單顆粒條滸苔海藻燃燒試驗工況Tab.3 Experimental conditions for combustion of single EN particle

圖2、圖3和圖4分別給出了床溫、流化數(shù)和床高對海藻顆粒燃燒后剩余質(zhì)量份額和固定碳?xì)埩袈实挠绊?，從圖2～圖4可以看出各因素對海藻顆粒在流化床內(nèi)燃燒的影響程度.由圖2可知，當(dāng)床溫高于750℃后，海藻的燃燒效果明顯優(yōu)于低溫下的燃燒效果.因為顆粒投入床內(nèi)后，外表面能瞬間達(dá)到床層溫度，由于顆粒內(nèi)部需要傳熱，內(nèi)部溫度升高需要一定的延遲，床層溫度較高使得顆粒升溫速率加快，揮發(fā)分析出加快，揮發(fā)分釋放后，氧氣通過顆?；覍拥目紫哆M(jìn)入顆粒內(nèi)部與碳反應(yīng).但溫度也不能過高，否則會使得海藻灰軟化甚至結(jié)渣.

表4 條滸苔顆粒的燃燒工況及試驗結(jié)果Tab.4 Combustion results of EN particles at different work conditions

由圖3可以看出，高流化數(shù)時海藻的燃燒效果明顯好于低流化數(shù)時，這是由于流化數(shù)增大，床料流化狀態(tài)越好，床料與顆粒的混合加強(qiáng)，碰撞傳熱增強(qiáng)，床料對海藻顆粒導(dǎo)熱更強(qiáng)烈，燃燒更容易.低風(fēng)速時顆粒燃燒緩慢，高風(fēng)速下的燃盡時間與低風(fēng)速下相比明顯遞減，因為后期多相燃燒時灰層對燃燒有阻礙作用，增大流化風(fēng)速能破壞表面灰層，促進(jìn)燃燒進(jìn)行.但當(dāng)流化數(shù)大于4后，流化風(fēng)速對燃燒的影響相對減弱.由圖4可以看出，床高升高使得熱載體增加，但對顆粒燃燒的影響不大.

圖2 床溫對海藻顆粒剩余質(zhì)量份額和固定碳?xì)埩袈实挠绊慒ig.2 Influence of bed temperature on the mass of residual seaweed and fixed carbon

圖3 流化數(shù)對海藻顆粒剩余質(zhì)量份額和固定碳?xì)埩袈实挠绊慒ig.3 Influence of fluidization number on the mass of residual seaweed and fixed carbon

圖4 床高對海藻顆粒剩余質(zhì)量份額和固定碳?xì)埩袈实挠绊慒ig.4 Influence of bed height on the mass of residual seaweed and fixed carbon

3 海藻顆粒流化床燃燒影響因素的灰色關(guān)聯(lián)分析

灰色關(guān)聯(lián)分析［8-9］主要基于小樣本量基礎(chǔ)對系統(tǒng)態(tài)勢發(fā)展變化進(jìn)行分析，是對系統(tǒng)動態(tài)發(fā)展過程的量化分析，它根據(jù)因素之間發(fā)展態(tài)勢的相似或相異程度來衡量因素間接近的程度.兩個系統(tǒng)或兩個因素間關(guān)聯(lián)性大小的量度稱為關(guān)聯(lián)度.系統(tǒng)行為因子X0受多種因素影響、作用和制約，通過灰色關(guān)聯(lián)分析可以找出因素Xi對X0的灰關(guān)聯(lián)度，以關(guān)聯(lián)度的排列順序表示因素Xi對X0影響的大小.因為關(guān)聯(lián)度不是唯一的，所以關(guān)聯(lián)度本身大小并不是關(guān)鍵，而各關(guān)聯(lián)度大小的排列順序則更為重要.均值法是進(jìn)行關(guān)聯(lián)性分析的一種重要方法，具體步驟與方法參見文獻(xiàn)［10］.

筆者利用灰色關(guān)聯(lián)分析方法研究不同因素對海藻顆粒流化床燃燒特性的影響，弄清流化床燃燒過程中各運行參數(shù)對海藻顆粒燃燒結(jié)果影響的主次關(guān)系，確定影響燃燒的主要因素.具體分析過程如下：

（1）數(shù)據(jù)的初始化

以表4中各工況燃燒后的固定碳?xì)埩袈蕿閰⒖夹蛄?，以床溫、流化?shù)和床高為比較序列.對表4中數(shù)據(jù)進(jìn)行均值化處理，得到無量綱的特征向量矩陣，分辨系數(shù)為0.5，計算得到不同床溫、流化數(shù)和床高對固定碳?xì)埩袈视绊懙幕疑P(guān)聯(lián)序列：

（2）按照灰色關(guān)聯(lián)度計算步驟進(jìn)行計算，求得關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣

（3）進(jìn)一步計算得到灰色關(guān)聯(lián)序列為

也即床溫＞流化數(shù)＞床高，可見在研究工況范圍內(nèi)床溫是影響燃燒的最主要因素.但在實際工藝設(shè)計時，床溫及流化數(shù)的調(diào)整相對困難，因而可以調(diào)整床高.在考慮設(shè)計或運行參數(shù)時，通過調(diào)整爐膛高度、受熱面以及給料量等因素，保證顆粒在爐內(nèi)停留時間足夠長，爐膛溫度不能過低，但也不能過高，因為海藻類生物質(zhì)的灰熔點較低.

4 結(jié) 論

通過海藻單顆粒在流化床內(nèi)燃燒的試驗研究，分析了床高、床溫、流化風(fēng)速對海藻燃燒后剩余質(zhì)量份額和固定碳?xì)埩袈实挠绊?，并進(jìn)一步利用灰色關(guān)聯(lián)分析得到各工況因素影響固定碳燃盡的主次依次是：床溫＞流化數(shù)＞床高，可見在研究工況范圍內(nèi)床溫是影響海藻顆粒燃燒的最主要因素.

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