生物質(zhì)燃料燃燒機(jī)理及影響其燃燒的因素分析

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)

隨著全球經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，對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會導(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，因為其具有資源儲量大、清潔環(huán)保以及能再生等特點[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)，這是因為生物質(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，對生物質(zhì)燃料燃燒機(jī)理進(jìn)行詳細(xì)的研究是一項非常有價值的工作[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。

表1 生物質(zhì)燃料與煤炭的元素組成對比表

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，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，由于燃料與空氣會發(fā)生傳質(zhì)、傳熱過程，所以燃料燃燒所產(chǎn)生的熱量會使環(huán)境溫度升高，升高的環(huán)境溫度又會加快傳質(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個階段。生物質(zhì)燃料燃燒的各個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，每個階段所需時間和燃料種類、成分和燃燒方式等因素息息相關(guān)。為了使分析更有針對性，以下以秸稈為例，說明其燃燒過程的4個階段。

(1)預(yù)熱階段：把秸稈送進(jìn)燃燒設(shè)備后，用特定的點火方式引燃秸稈表面的可燃物，環(huán)境溫度會逐漸升高。

(2)干燥階段：水會在逐漸升高的環(huán)境溫度中蒸發(fā)，使秸稈變得干燥，同時干燥的秸稈繼續(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，秸稈表面的揮發(fā)分會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，揮發(fā)分首先著火燃燒?？芍邆錅囟群蜐舛冗@兩個前提條件的情況下，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，同時有大量的熱量放出，這時揮發(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，若不時地攪動或加強(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，前者占燃燒時間15%，但提供總熱量的65%，后者占燃燒時間的85%。

圖1 生物質(zhì)燃料的燃燒過程

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]：

C+O2→CO2+412.6kJ

(1)

式(1)所產(chǎn)生的CO2在O2供給不足時，可能會和空氣中的C進(jìn)行吸熱反應(yīng)，導(dǎo)致環(huán)境溫度下降，反應(yīng)式為：

C+CO2→2CO-158.6kJ

(2)

與此同時，空氣中的水蒸氣和C也可能進(jìn)行吸熱反應(yīng)，其反應(yīng)式為：

C+H2O→H2+CO-131.8kJ

(3)

由反應(yīng)式(2)和(3)可知，二者的產(chǎn)物CO和H均可以同O2進(jìn)一步發(fā)生放熱反應(yīng)，從而提高灶膛中的溫度：

3CO+3/2O2→3CO2+798.6kJ

(4)

H2+1/2O2→H2O+302kJ

(5)

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)計算燃燒所需的空氣量，以此作為燃燒設(shè)備設(shè)計的依據(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：

CO+1/2O2→CO2

(6)

H2+1/2O2→H2O

(7)

CH4+2O2→2H2O+CO2

(8)

由生物質(zhì)燃料的體積百分?jǐn)?shù)及各可燃成分所需氧的量(體積)可由式(6)、(7)以及(8)直接計算出。燃料所需的理論空氣量V0可由下式求出：

V0=(1/2CO+2CH4+1/2H2)/21

(9)

燃燒過程中所需的空氣量為：

La=α×V0×Lg

(10)

式中，α為空氣過量系數(shù)，為了使燃料在不預(yù)混條件下能夠完全燃燒，其取值為1.5～2.8，最佳的取值為2.0；Lg為燃?xì)庥昧?Nm3/h)。

1.2.4排煙量。排煙量對于生物質(zhì)燃料燃燒裝置的結(jié)構(gòu)和尺寸設(shè)計有著重要的影響，所以排煙量的計算也很關(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算式為：

Vpy=0.186 8(0.376Sy+Cy)=0.11Hy+0.013 4Wy+0.006Ny+(1.02αpy-0.32)V0

(11)

式中，Vpy是每kg生物質(zhì)燃料的實際排煙量,單位為m3/kg；Sy、Cy、Hy、Wy以及Ny分別為生物質(zhì)燃料S元素、C元素、H元素、水分以及N元素的應(yīng)用基含量(%)；αpy為排煙處Q值。

爐膛中的排煙熱損失與排煙量溫度呈正比關(guān)系，因此排煙熱損失隨著排煙量的增大而增大。

1.2.5燃燒溫度。生物質(zhì)燃料在燃燒時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)計的關(guān)鍵參數(shù)之一?？偟貋砜?，生物質(zhì)燃料燃燒過程中熱量吸入和熱量排出的平衡關(guān)系決定了實際燃燒溫度[8]。

生物質(zhì)燃料燃燒的熱量吸入主要包括燃料的化學(xué)熱及燃料的發(fā)熱量QDW、燃料帶入的物理熱Qf、空氣帶入的物理熱Qa。

生物質(zhì)燃料燃燒的熱量排出主要包括燃燒產(chǎn)物含有物理熱Qp(Qp=Vp×Cpp×Tp，其中，Vp為燃料的燃燒量，Cpp為燃燒產(chǎn)物的平均比熱，Tp為燃燒產(chǎn)物的溫度)、燃燒產(chǎn)物燃燒時向環(huán)境的傳熱量Q傳、燃料未能完全燃燒的熱損失Q不。

由熱量平衡原理可知，當(dāng)熱量吸入和排出相等時，燃燒產(chǎn)物達(dá)到一個相對穩(wěn)定的燃燒溫度，即列熱量平衡方程式為：

QDW+Qa+Qf=Vp×Cpp×Tp+Q傳+Q不

(12)

由式(12)整理得到燃燒產(chǎn)物的溫度為：

(13)

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；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，燃燒也會相應(yīng)地變?yōu)椴环€(wěn)定。所以，空氣量需有個最佳范圍，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)過一定的時間才能結(jié)束。充足的反應(yīng)時間也是生物質(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被灰分包裹，進(jìn)而使燃料燃燒速度降低，同時灶膛溫度達(dá)到一定高度時，高灰分含量定會增加熔化量，所以應(yīng)采取合理的措施，使燃料完全燃燒，同時減少對燃燒爐灶的腐蝕。

2.6氣固混合比在燃燒進(jìn)行時，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)不時攪動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；對水分含量較小的燃料要注意對灶膛內(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)計提供參考。

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