一維固定床反應(yīng)器內(nèi)生物質(zhì)燃料層狀燃燒特性分析

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(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 燃燒工程研究所,黑龍江 哈爾濱 150001;2.黑龍江火電第三工程公司,黑龍江 哈爾濱 150024)

一維固定床反應(yīng)器內(nèi)生物質(zhì)燃料層狀燃燒特性分析

任霄漢1，李春光2，郭江濱2，孫銳1

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 燃燒工程研究所,黑龍江 哈爾濱 150001;2.黑龍江火電第三工程公司,黑龍江 哈爾濱 150024)

隨著化石能源日益短缺，生物質(zhì)的資源化利用引起世界廣泛關(guān)注，而生物質(zhì)的利用可以有效的解決能源短缺、環(huán)境污染問(wèn)題。因此，熱化學(xué)轉(zhuǎn)換技術(shù)和燃燒技術(shù)等生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換技術(shù)的開(kāi)發(fā)利用越來(lái)越受到重視?；趪?guó)內(nèi)外在生物質(zhì)層狀燃燒特性方面的不足，本文主要以中國(guó)典型的幾種生物質(zhì)為研究對(duì)象，研究其在固定床層狀燃燒過(guò)程中一次風(fēng)溫以及生物質(zhì)含水量對(duì)其燃燒特性的影響，進(jìn)而揭示生物質(zhì)固定床層燃特性。

生物質(zhì)；層燃特性；含水量；一次風(fēng)溫

隨著能源短缺和環(huán)境惡化,我國(guó)面臨著一系列的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境問(wèn)題,我國(guó)有大量的秸稈等生物質(zhì)資源，如能大力發(fā)展生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)，不僅可以解決能源短缺，還能解決由于燃燒秸稈產(chǎn)生的環(huán)境問(wèn)題，改善生態(tài)環(huán)境，因此生物質(zhì)的能源化利用正受到越來(lái)越多的重視。層燃是我國(guó)生物質(zhì)一種主要的燃燒方式,根據(jù)我國(guó)國(guó)情,小型電站鍋爐和工業(yè)鏈條爐需要進(jìn)行改造,生物質(zhì)層燃燃燒可以廣泛應(yīng)用于電站鍋爐及工業(yè)鍋爐中,因此生物質(zhì)燃料層燃燃燒特性的研究可以用于指導(dǎo)實(shí)際鍋爐的操作運(yùn)行，具有重要的工業(yè)意義。

N.Ford詳細(xì)分析了用小型層燃單元體爐模擬實(shí)際層燃爐的可行性，將小型一維單元體爐的各種測(cè)量參數(shù)與實(shí)際運(yùn)行的三臺(tái)層燃爐作了對(duì)比后發(fā)現(xiàn)：?jiǎn)卧w爐中測(cè)得的灰渣成分、床層溫度分布、煙氣成分(除CO之外)等一系列參數(shù)與實(shí)際層燃爐很好的相符，可見(jiàn)單元體爐模擬實(shí)際層燃爐是一種簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)，有效的方法[1]。立陶宛能源研究院A.Kavaliauskas等人對(duì)不同形狀的水稻秸稈(未粉碎的原稻草、粉碎的以及壓制成型的稻草)進(jìn)行了層燃爐試驗(yàn)并建立了相應(yīng)的一維數(shù)學(xué)模型，實(shí)驗(yàn)中，采用不同的操作條件(給風(fēng)量、給風(fēng)預(yù)熱程度、給風(fēng)中的氧濃度、燃料濕度以及燃料類型)分析其對(duì)溫度、煙氣成分等參數(shù)的影響，并測(cè)定了層燃燃燒過(guò)程中NO的生成量[2]。德國(guó)斯圖加特大學(xué)過(guò)程與電站技術(shù)研究所采用層燃爐研究木材等生物質(zhì)的層燃特性，通過(guò)測(cè)量爐內(nèi)床層燃燒速率、失重曲線和火焰鋒面?zhèn)鞑ニ俣葋?lái)研究影響生物質(zhì)燃料著火和燃燒主要因素[3]。

我國(guó)許多專家也對(duì)層燃燃燒進(jìn)行了研究。同濟(jì)大學(xué)張鶴聲教授建立了鏈條爐煤層在上部輻射引燃下的數(shù)學(xué)模型，該模型考慮了揮發(fā)份析出以及揮發(fā)份的燃燒，對(duì)影響煤層著火的各種因素進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，其計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果吻合的很好[4]。陳冠益等對(duì)稻桿、稻殼、木屑在固定床熱解反應(yīng)器內(nèi)的熱解特性進(jìn)行研究，考察熱解反應(yīng)溫度和生物質(zhì)種類對(duì)熱解特性的影響，分析了熱解產(chǎn)物的性質(zhì)[5]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)孫銳教授、梁立剛博士等采用層燃爐固定床反應(yīng)器對(duì)城市生活垃圾的焚燒過(guò)程進(jìn)行了試驗(yàn)研究及數(shù)值模擬，深入分析了一次風(fēng)量、一次風(fēng)溫和物料本身特性對(duì)垃圾床層燃燒的影響規(guī)律，并利用計(jì)算流體力學(xué)的方法對(duì)層燃爐排上城市垃圾焚燒過(guò)程及NO生成特性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，為深入認(rèn)識(shí)床層內(nèi)垃圾的焚燒過(guò)程和減少垃圾焚燒過(guò)程中污染物排放奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)設(shè)計(jì)并優(yōu)化了城市生活垃圾焚燒爐[6-8]。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，著重在一維層燃爐實(shí)驗(yàn)臺(tái)上研究了一次風(fēng)溫以及在較高一次風(fēng)溫條件下水分對(duì)生物質(zhì)層燃燃燒的影響，發(fā)現(xiàn)高一次風(fēng)溫以及高水分對(duì)生物質(zhì)層燃產(chǎn)生較大影響，因此對(duì)實(shí)際層燃爐的設(shè)計(jì)和運(yùn)行操作具有重要意義。

1 試驗(yàn)臺(tái)介紹

本次實(shí)驗(yàn)采用一維層燃爐實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行，圖1是一維層燃爐試驗(yàn)裝置的布置簡(jiǎn)圖。

一維層燃爐固定床反應(yīng)器主體是圓柱形的燃燒室反應(yīng)器，它垂直懸掛在稱重傳感器上。爐膛上方安置了燃?xì)馊紵?，燃燒丙烷用以提高并維持實(shí)驗(yàn)過(guò)程中爐膛環(huán)境溫度，并通過(guò)輻射換熱啟動(dòng)生物質(zhì)樣品的燃燒過(guò)程。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中生物質(zhì)堆積高度大約600 mm，因此標(biāo)號(hào)4-10測(cè)溫孔都覆蓋在生物質(zhì)層內(nèi)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)鎧裝K型熱電偶對(duì)生物質(zhì)床層溫度進(jìn)行測(cè)量。3#測(cè)溫孔則測(cè)量燃燒過(guò)程中爐膛的環(huán)境溫度，11#測(cè)溫孔則用來(lái)測(cè)量一次風(fēng)溫(具體位置由表1給出)。由于整個(gè)生物質(zhì)層燃爐是吊掛在稱重傳感器上的，因此實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可以記錄生物質(zhì)樣品在層燃試驗(yàn)期間重量的變化情況(即失重變化)，燃?xì)夂涂諝舛际峭ㄟ^(guò)硅膠管送入爐膛的，實(shí)驗(yàn)期間啟動(dòng)引風(fēng)機(jī)，使?fàn)t膛保持一個(gè)微負(fù)壓的狀況，這樣就消除了由于溫度上升氣體膨脹對(duì)重量傳感器造成的影響，同時(shí)也消除了通入一二次風(fēng)對(duì)實(shí)驗(yàn)稱重造成的影響。另外，硅膠管與爐體采用軟性連接，也不會(huì)對(duì)稱重裝置造成影響。稱重傳感器的測(cè)量精確度為20 g。在爐膛的最下面，一次風(fēng)的入口處是生物質(zhì)層燃爐固定床反應(yīng)器的爐排，直徑為178 mm，爐排上孔直徑為7 mm，由不銹鋼板制成，可以承受約為800℃的溫度，保證在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不被燒壞[2]。

本次實(shí)驗(yàn)的一次風(fēng)是由壓縮機(jī)供給的，空氣流量的控制是通過(guò)手動(dòng)閥門(mén)調(diào)節(jié)浮子流量計(jì)實(shí)現(xiàn)的。一次風(fēng)則是通過(guò)層燃爐反應(yīng)器底部的多孔爐排進(jìn)入爐膛。為了研究一次風(fēng)溫對(duì)生物質(zhì)燃燒的影響，在一次風(fēng)通入爐膛前，設(shè)置一個(gè)電加熱裝置將一次風(fēng)預(yù)熱到需要的溫度。

表1 爐體上各取樣點(diǎn)位置

2 一次風(fēng)溫對(duì)生物質(zhì)一維層燃爐固定床層狀燃燒的影響

為探討生物質(zhì)燃燒過(guò)程中的影響因素，首先針對(duì)一次風(fēng)溫的影響進(jìn)行了玉米芯一維層燃的實(shí)驗(yàn)研究。元素分析及工業(yè)分析數(shù)值見(jiàn)表2。

圖2為玉米芯在一次風(fēng)溫24℃條件下的燃燒實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中選取水分含量約為40%的玉米芯放置在層燃爐爐底，堆放的床層高度為0.6 m，生物質(zhì)整個(gè)燃燒過(guò)程過(guò)量空氣系數(shù)選取為1.5～1.6，而一次風(fēng)量取為總量的50%，根據(jù)燃料分析折算出一次風(fēng)量為8.3 Nm3/h，同時(shí)選取一次風(fēng)溫為室溫的24℃進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。通過(guò)堆積密度實(shí)驗(yàn)測(cè)得玉米芯的堆積密度為209 kg/m3。圖2中溫度1代表的是爐膛中心火焰溫度，圖中測(cè)點(diǎn)溫度2～8分別表示的圖1中序號(hào)為4～10測(cè)點(diǎn)處測(cè)得的溫度。

圖1 層燃爐試驗(yàn)裝置圖

表2 玉米芯工業(yè)分析、元素分析

圖2 一次風(fēng)溫24℃條件下40%水分玉米芯燃燒溫度隨時(shí)間變化圖

從圖2中可以看出40%水分的玉米芯在24℃一次風(fēng)溫條件下，燃燒緩慢，約4 000 s之后才能燃燒完全。在整個(gè)層燃過(guò)程中，生物質(zhì)需要積累大量的能量才能著火燃燒，由此可見(jiàn)較低的一次風(fēng)溫，不利于生物質(zhì)燃燒初期積累著火能量。此時(shí)生物質(zhì)只能通過(guò)床層上方爐膛的輻射傳熱積累著火所需的能量，由于對(duì)流換熱很小，因而處在層燃爐底部的生物質(zhì)也只能等到上層生物質(zhì)燃燒完全后才能通過(guò)與爐膛進(jìn)行輻射換熱積累到足夠的熱量，而且較低的一次風(fēng)溫還會(huì)對(duì)生物質(zhì)的傳熱起到冷卻作用，這樣就延緩了生物質(zhì)的燃燒，因此需要提高一次風(fēng)溫來(lái)加快生物質(zhì)底層的能量積累速度。

圖3所示一次風(fēng)溫為190℃條件下的玉米芯層燃實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中也選取水分含量約為40%的玉米芯放置在層燃爐爐底，選取一次風(fēng)溫為190℃進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其他實(shí)驗(yàn)條件相同。

圖3 一次風(fēng)溫190℃條件下40%水分玉米芯燃燒溫度隨時(shí)間變化圖

從圖3與圖2比較可以看出，玉米芯在190℃一次風(fēng)溫下燃燒時(shí)間大大縮短，在一次風(fēng)溫190℃條件下，溫度2在250℃左右時(shí)開(kāi)始劇烈上升，著火時(shí)間大大縮短，同時(shí)不同層的生物質(zhì)升溫速率劇烈上升，升溫曲線的時(shí)間間隔也在縮小，劇烈燃燒區(qū)出現(xiàn)在1 000 s附近，比一次風(fēng)溫為24℃時(shí)縮短了大約2 000 s。由于受到從爐膛底部通入的一次風(fēng)溫度提高的影響，對(duì)流換熱加強(qiáng)，溫度8也有明顯的提升，說(shuō)明一次風(fēng)溫的提高有利于改善燃燒狀況，加快燃燒，并且使燃燒溫度顯著提高。

3 水分的變化對(duì)生物質(zhì)層燃的影響

本文同時(shí)對(duì)內(nèi)部含水量不同的生物質(zhì)物料進(jìn)行了層燃實(shí)驗(yàn)研究，采用的生物質(zhì)為樹(shù)皮(全水量為35%)和玉米桿(全水量為56%)，物料的元素分析及工業(yè)分析數(shù)值見(jiàn)表3、表4。

表3 樹(shù)皮工業(yè)分析、元素分析

表4 玉米稈工業(yè)分析、元素分析

圖4為樹(shù)皮在一次風(fēng)溫190℃條件下的燃燒實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中選取水分含量約為35%的樹(shù)皮放置在層燃爐爐底，堆放的床層高度為0.6 m，生物質(zhì)整個(gè)燃燒過(guò)程過(guò)量空氣系數(shù)選取為1.5～1.6，而一次風(fēng)量取為總量的50%，根據(jù)燃料分析折算出一次風(fēng)量為8 Nm3/h，同時(shí)選取一次風(fēng)溫為室溫的190℃進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。樹(shù)皮的堆積密度與玉米芯的相似，約為200 kg/m3。

由于樹(shù)皮水分含量達(dá)到35%，生物質(zhì)活化能較大，因此達(dá)到著火點(diǎn)時(shí)間相對(duì)增加，并且升溫速率比較慢。在較高一次風(fēng)溫的作用下，2 000 s時(shí)，底部由于積累了足夠的能量，溫度8升溫曲線開(kāi)始的時(shí)刻比溫度7升溫曲線開(kāi)始時(shí)刻提前，說(shuō)明底部在較高一次風(fēng)溫的作用下，爐膛底部的生物質(zhì)通過(guò)對(duì)流換熱積累了足夠的能量，進(jìn)而通過(guò)自身熱解產(chǎn)熱積累熱量，達(dá)到著火點(diǎn)，發(fā)生自燃現(xiàn)象。自燃現(xiàn)象的發(fā)生可能導(dǎo)致生物質(zhì)燃燒不完全，這是因?yàn)橐淮物L(fēng)量不足以維持生物質(zhì)完全燃燒所需的氧量，所以在整個(gè)爐膛底部會(huì)發(fā)生生物質(zhì)的氣化，產(chǎn)生出熱解氣體，因而會(huì)加快上層生物質(zhì)燃燒過(guò)程。

圖4 一次風(fēng)溫190℃條件下40%水分樹(shù)皮燃燒溫度隨時(shí)間變化圖

從圖中還可以看出，測(cè)點(diǎn)7、8的最高溫度可以達(dá)到1 100℃，這可能是因?yàn)樯镔|(zhì)不完全燃燒產(chǎn)生熱解氣，熱解氣體接觸氧氣之后繼續(xù)燃燒，使得整個(gè)爐膛溫度上升到比較高的溫度，對(duì)爐膛底部生物質(zhì)結(jié)渣以及高溫腐蝕產(chǎn)生不利影響。

為了得到在一次風(fēng)溫190℃下生物質(zhì)發(fā)生多層生物質(zhì)同時(shí)燃燒時(shí)具體的水分值，我們對(duì)玉米稈進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)水分在50%以上時(shí)，生物質(zhì)會(huì)發(fā)生下面幾層同時(shí)燃燒的容積燃燒情況，圖5 說(shuō)明了發(fā)生容積燃燒時(shí)各層玉米稈溫度情況，可見(jiàn)在爐排底層物料著火時(shí)，燃燒反應(yīng)非常劇烈，而且?guī)缀跬瑫r(shí)發(fā)生著火燃燒反應(yīng)。

圖5 一次風(fēng)溫190℃條件下35%水分玉米稈燃燒溫度隨時(shí)間變化圖

4 結(jié)論

一次風(fēng)溫對(duì)生物質(zhì)層狀燃燒具有很大的影響，較高的一次風(fēng)溫可以加快生物質(zhì)的層狀燃燒速率，減少燃燒時(shí)間，并且能提高燃燒溫度。

在本次實(shí)驗(yàn)較高一層風(fēng)溫條件下，對(duì)于易于燃燒的生物質(zhì)(植物秸稈等)，底部通入的較高氣溫的一次風(fēng)溫通過(guò)對(duì)流換熱作用可以使得底層生物質(zhì)加快能量積累過(guò)程，通過(guò)自身不斷進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，釋放熱量，溫度上升，當(dāng)達(dá)到一定程度，會(huì)先于上層生物質(zhì)達(dá)到著火點(diǎn)進(jìn)而著火燃燒。并且由于不完全燃燒產(chǎn)生氣化現(xiàn)象，進(jìn)而影響燃燒過(guò)程和燃燒設(shè)備。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到玉米稈發(fā)生同時(shí)反應(yīng)的容積燃燒臨界水分為35%。

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ExperimentalStudyonBiomassGrate-firedFurnaceCombustionCharacteristics

REN Xiao-han1, LI Chun-guang2,GUO Jiang-bin2,SUN Rui1

(1.Institute of Combustion Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001,China;2.The Third of Heilongjiang Thermo Power Engineering Company, Harbin 150024,China)

Along with the growing shortage of fossil energy, biomass utilization has attracted the worldwide attention, and also the use of biomass can effectively solve the energy shortage problem and environmental pollution. Therefore, thermo chemical biomass conversion technologies, such as combustion technology are paid more attention. Considering the problems and deficiencies about the stratified combustion characteristics of biomass, this paper mainly focused on the effects of primary air temperature and moisture content in a bed layered furnace, based on several Chinese typical biomass. Thus it has a great significance to reveal the characteristics of biomass fixed combustion.

biomass;stratified combustion characteristics;moisture;primary air temperature

2014-05-10修訂稿日期2014-07-07

任霄漢(1984～),男，博士研究生，研究方向?yàn)樯镔|(zhì)熱解及混煤燃燒。

TK6:TK16

A

1002-6339 (2014) 04-0337-05