竹柳顆粒燃料燃燒性能實(shí)驗(yàn)研究

劉沙沙 張 健 馬 楠 孫 軍

竹柳(Bamboo-willow)是楊柳科柳屬的植物，其生長潛力大，生長速度比速生楊木快，耐鹽堿，耐水淹，適合高密度種植，種植成本低，樹種產(chǎn)量大，具有非常大的能源利用價值，是建立生物質(zhì)燃料基地的優(yōu)良樹種[1-3]。研究發(fā)現(xiàn)，具有開發(fā)和利用價值的生物質(zhì)能源樹種逐漸增多，柳樹生長量明顯高于其他常見的能源樹種。吳遠(yuǎn)媚等[4]研究了竹柳的造林適應(yīng)性和生長特性，并與桉樹進(jìn)行了比較，探索了竹柳的開發(fā)利用價值和造林效益。朱繼軍等[5]進(jìn)行了竹柳生長勢、抗性試驗(yàn)等研究，對能源柳無性系良種進(jìn)行了初步篩選評價。我國選育出的某種柳樹年生苗在密度為2 000株/hm2左右時，單株地上部生物量較高，4～6年平均單株成材體積達(dá)0.3～0.35m3，高度可達(dá) 20～25m[6]。由于具有高熱值、高碳氮比，是最適合綜合開發(fā)作為能源樹種的種植，竹柳被稱為最優(yōu)秀的新能源樹種。筆者采用生物質(zhì)燃燒速率測定儀模擬竹柳顆粒燃料在層燃鍋爐中的實(shí)際燃燒過程，對其燃燒性能進(jìn)行初步研究。探究竹柳顆粒燃料的較優(yōu)燃燒工藝，為竹柳顆粒燃料的燃用提供基礎(chǔ)資料。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)原料

竹柳取自江蘇如東縣沿海圍墾灘涂基地；將竹柳粉碎至粒徑小于1 mm，在含水率為10%、壓縮比為5的工藝條件下利用紅星機(jī)械有限公司生產(chǎn)的KAF67-Y5擠壓式顆粒成型機(jī)制備成竹柳顆粒燃料；在灰熔融性測定時，使用竹柳顆粒燃料的灰分作為實(shí)驗(yàn)原料。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備和方法

采用角錐法進(jìn)行灰熔融性測定，試驗(yàn)儀器為鑫科分析儀器有限公司生產(chǎn)的XKHR-3000微機(jī)灰熔融性測定儀，最高加熱溫度1 500 ℃，升溫速度1～20 ℃/min；采用數(shù)碼攝像技術(shù)對試樣進(jìn)行圖像采集，最后輸出灰的變形溫度、軟化溫度、半球溫度和流動溫度[7]。

采用自行研制的生物質(zhì)燃燒速率測定儀模擬竹柳顆粒燃料在層燃鍋爐中的實(shí)際燃燒過程，對竹柳顆粒燃料的燃燒速率進(jìn)行了試驗(yàn)研究。生物質(zhì)燃燒速率測定儀采用電加熱，其爐膛溫度調(diào)節(jié)范圍：室溫～1 200 ℃。試驗(yàn)采用稱重法，根據(jù)試驗(yàn)過程中顆粒燃料質(zhì)量的變化情況計算顆粒燃料的燃燒速率。燃燒速率用平均絕對燃燒速率（AV）和平均相對燃燒速率（RV）兩個指標(biāo)表示，其計算式為：

式中：AVi——第i時間段的平均絕對燃燒速率，g/min；

RVi——第i時間段的平均相對燃燒速率，%；

mi——第i時間段試樣的起始質(zhì)量，g；

m1——試驗(yàn)開始時試樣的質(zhì)量，g；

mn+1——試驗(yàn)結(jié)束時試樣的質(zhì)量，g；

τ——第i時間段時間長度，min， i=1,2,3,… ,n。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計

根據(jù)燃料燃燒理論[8]可知，影響竹柳顆粒燃料燃燒速率的因素主要有：壓縮比、爐膛溫度和空氣供給量。鍋爐運(yùn)行實(shí)踐表明，層燃爐的過量空氣系數(shù)一般控制在1.3～1.6，爐排上燃料層的平均溫度一般在800～1 000 ℃。試驗(yàn)的壓縮比分別選取4、4.5、5，過量空氣系數(shù)分別選取1.1、1.3、1.5，爐膛溫度分別選取800、900、1 000 ℃。因素水平表見表1，采用正交試驗(yàn)法設(shè)計試驗(yàn)條件。

表1 燃燒速率試驗(yàn)因素水平表Tab.1 Factors and levels of combustion rate experiment

2 結(jié)果與分析

竹柳顆粒的基本燃料性能如表2所示。從表2可以看出：竹柳顆粒含碳量較高，約為麥秸稈的1.25倍，氮、硫含量很低，直接燃燒更具有環(huán)保優(yōu)勢；灰分低，因此產(chǎn)生的爐渣量極少，揮發(fā)分高達(dá)80%左右，是煙煤（30%左右）的兩倍多，因而易于著火和燃盡[9]。竹柳顆粒的發(fā)熱量與褐煤（14 650 kJ/kg）、Ⅰ類煙煤（11 300～15 490 kJ/kg）相當(dāng)，僅略低于工業(yè)上常用的鍋爐燃料Ⅱ類煙煤（15 490～19 680 kJ/kg）[10]。

通?；业能浕瘻囟雀哂? 425 ℃時為難熔性灰，在1 200～1 425 ℃之間的為可熔性灰，低于1 200 ℃的為易熔性灰[11]。竹柳顆粒的灰熔點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果見表3。

目前，研究的成果大致規(guī)律是：灰中高熔點(diǎn)的成分愈多，灰的熔點(diǎn)愈高，反之則愈低。灰的成分按其化學(xué)性質(zhì)，可分為酸性氧化物和堿性氧化物[12]。一般認(rèn)為灰中酸性成分增加，會使灰熔點(diǎn)提高；堿性成分增加，則會使灰熔點(diǎn)下降[13]。

表2 竹柳顆粒的元素分析、工業(yè)分析和低位發(fā)熱量Tab.2 Element analysis,proximate analysis and lower heat value of bamboo-willow pellet

表3 原料的灰熔點(diǎn)Tab.3 The ash fusion point for raw materials ℃

從表3中可以看出，竹柳顆粒的灰熔點(diǎn)在1 360 ℃以下，工業(yè)中廣泛應(yīng)用的煙煤灰熔點(diǎn)接近1 390 ℃，略高于竹柳顆粒的灰熔點(diǎn)[14]。造成這一結(jié)果的主要原因可能是取自鹽堿地的竹柳，其灰分中堿金屬的含量較高所致。

試驗(yàn)過程當(dāng)中，每隔5 min將試樣取出稱重，連續(xù)燃燒直到燃料燃燼為止。通過預(yù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)試樣燃燒到第5個5 min時質(zhì)量變化甚微，故試驗(yàn)稱取4次即可。試驗(yàn)完成后按各次稱重結(jié)果，根據(jù)式（1）和式（2），計算出各個時間段的燃料平均絕對燃燒速率和平均相對燃燒速率，計算結(jié)果見表4。

從表4可以看出，在0～5 min之間時，竹柳顆粒燃料的平均絕對燃燒速率和相對燃燒速率在整個燃燒階段有最大值。從平均絕對燃燒速率的結(jié)果中看出，燃燒主要集中在前5 min進(jìn)行，隨后絕對燃燒速率大幅下降，9組試驗(yàn)的速率均維持在0.34 g/min左右。從平均相對燃燒速率看出，前5 min時，可燃成分的失重量高達(dá)整個失重階段的89.36%～94.31%，隨后，相對燃燒速率大幅度下降。總體而言，竹柳顆粒燃料極易著火燃燒，但燃燒時間不長，表現(xiàn)為不耐燒。

表4 L9(34)正交試驗(yàn)平均相對燃燒速率和平均絕對燃燒速率計算表Tab.4 Four factors and three levels orthogonal test dates of RV and AV

對諸因素在主要燃燒階段的平均相對燃燒速率RV1（第一燃燒階段0～5 min時的平均相對燃燒速率）進(jìn)行直觀分析，計算結(jié)果如表5。

從表5看出：影響竹柳顆粒燃料主要燃燒階段相對燃燒速率的因素影響大小順序?yàn)镃＞B＞A，即：爐膛溫度對相對燃燒速率的影響最大，其次是過量空氣系數(shù)，影響最小的是顆粒燃料的壓縮比。因?yàn)轭w粒燃料在干燥過程中為吸熱反應(yīng)，所以爐膛溫度高，揮發(fā)分容易著火燃燒；燃燒反應(yīng)為氧化過程，必須提供充足的氧氣保證燃燒正常進(jìn)行，在過量空氣系數(shù)為1.1時氧氣充足，如果空氣量過多，可能造成物質(zhì)發(fā)生其他反應(yīng)。表中看出，當(dāng)壓縮比為5，過量空氣系數(shù)為1.1，爐膛溫度為900 ℃時，有利于竹柳顆粒燃料的燃燒。但由于生物質(zhì)燃料具有易著火，燃燒時間短等特點(diǎn)，且竹柳顆粒燃料的相對燃燒速率均在90%左右，表現(xiàn)為不耐燒，所以無論大小都不適宜單獨(dú)燃燒。

表5 相對燃燒速率RV1直觀分析Tab.5 Intuitive analysis of RV1

3 結(jié)論

竹柳顆粒燃料既具有良好的物理性能，其基本燃燒性能也與煙煤相當(dāng)，其著火和燃燼性能甚至優(yōu)于煙煤，將是更有市場前景的竹柳能源化利用方式，并且燃用揮發(fā)分含量高的煙煤鍋爐設(shè)備，原則上更適合直接燃用竹柳顆粒燃料。

1）燃料中的S和N是有害物質(zhì)，容易形成酸雨及光化學(xué)煙霧，竹柳顆粒中S、N含量極低，更利于環(huán)保。竹柳顆粒揮發(fā)分達(dá)到80%左右，約為煙煤的2.5倍，低位發(fā)熱量約為煙煤的66%。因此，竹柳顆粒可以替代褐煤和Ⅰ類煙煤作為工業(yè)鍋爐的燃料。

2）竹柳顆粒的平均相對燃燒速率前5 min內(nèi)均在90%左右，表現(xiàn)為易著火但不耐燒，不適宜單獨(dú)燃燒。影響相對燃燒速率的最大影響因素為爐膛溫度，因此在實(shí)際燃燒過程中，要做好鍋爐爐膛溫度的合理調(diào)節(jié)。

3）竹柳顆粒的灰熔點(diǎn)低于煙煤，所以在應(yīng)用于工業(yè)鍋爐時，需結(jié)合爐膛工況考慮其可能結(jié)渣而造成的危害?？梢酝ㄟ^增加某些高灰熔點(diǎn)煤提高竹柳顆粒燃料的灰熔點(diǎn)，但要合理控制燃燒溫度，使?fàn)t膛出口的煙氣溫度控制在1 250 ℃以下為宜。

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