生物質(zhì)燃燒機(jī)顆粒燃料

1、生物質(zhì)顆粒燃料是一種典型的生物質(zhì)固體成型燃料，具有高效、潔凈、點(diǎn)火容易、CO零排放等優(yōu)點(diǎn)，可替代煤炭等化石燃料應(yīng)用于炊事、供暖等民用領(lǐng)域和鍋爐燃燒、發(fā)電等工業(yè)領(lǐng)域。巾國(guó)的生物質(zhì)資源產(chǎn)量豐富，其中農(nóng)作物秸稈年產(chǎn)量約為6億t，具有極大的發(fā)展?jié)摿?。但由于以秸稈等生物質(zhì)為原料生產(chǎn)的生物質(zhì)顆粒燃料的灰分、堿金屬含量較高，使用時(shí)易出現(xiàn)結(jié)渣、堿金屬及氯腐蝕、設(shè)備內(nèi)飛灰嚴(yán)重等問題，對(duì)燃燒技術(shù)和設(shè)備提出了更高的要求。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于生物質(zhì)顆粒燃料的燃燒機(jī)理方面開展了一定的研究。盛奎川等對(duì)生物質(zhì)燃料的物理品質(zhì)進(jìn)行了研究；王惺、王翠蘋等采用TGDTG熱分析技術(shù)研究了生物質(zhì)顆粒燃料的著火、燃盡等特性；馬孝琴等研究了影

2、響秸稈成型燃料燃燒速度的因素，侯中蘭等研究了成型燃料點(diǎn)火性能的影響兇素。GilbeC、JuanFGonzfilez分別研究了不同木質(zhì)、秸稈類(包括能源作物等成型燃料在家用爐具中結(jié)渣的形成與特征，BomanC、LindaSJohansson分別研究了木質(zhì)燃料及成型燃料的燃燒特性，MariaOlssonvs研究了軟木顆粒燃燒時(shí)污染物的排放量，JDias研究了4種不同顆粒燃料在家用爐具中的燃燒特性及污染物排放，GeorgBaemthaler。7J確定了生物質(zhì)燃料中影響灰分形成的主要元素為Al、Ca、Fe、K、Mg等。雖然中國(guó)也引進(jìn)了部分燃燒設(shè)備，但是目前對(duì)生物質(zhì)顆粒燃料的燃燒特性及污染物排放特性缺乏

3、詳細(xì)的研究。國(guó)外的情況與國(guó)內(nèi)有較大差異，如國(guó)外多以木質(zhì)原料為主，而中國(guó)主要以農(nóng)作物秸稈為主。本文擬在國(guó)外引進(jìn)的生物質(zhì)顆粒燃燒器中對(duì)中國(guó)的生物質(zhì)顆粒燃料開展燃燒試驗(yàn)，深入分析生物質(zhì)顆粒燃料的點(diǎn)火特性、燃燒效率、污染物排放以及燃燒后的灰渣特性等，為設(shè)計(jì)適合中國(guó)國(guó)情的生物質(zhì)顆粒燃料燃燒設(shè)備提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。1材料與方法11試驗(yàn)原料本試驗(yàn)所用生物質(zhì)顆粒燃料均于2009年7月取自北京市大興區(qū)某生物質(zhì)顆粒燃料生產(chǎn)廠，由農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院研制的485型生物質(zhì)顆粒燃料成型機(jī)壓制而成。試驗(yàn)選取了8種典型的生物質(zhì)顆粒燃料，包括棉稈、麥秸、玉米秸、玉米秸(含添加劑4種秸稈類顆粒燃料；落葉松、紅松、混合木質(zhì)(

4、榆樹、柳樹、楊樹、桃樹和紅松的混合物3種木質(zhì)顆粒燃料；以及1種木質(zhì)與秸稈類的混合生物質(zhì)顆粒燃料(木屑與花生殼混合，質(zhì)量比為1：4。所有顆粒燃料均壓縮加工為圓柱型，直徑8min，長(zhǎng)度1030rnn，顆粒密度約12gc。8種典型生物質(zhì)顆粒燃料的特性見表1。12試驗(yàn)儀器和裝置121試驗(yàn)儀器試驗(yàn)儀器主要包括GJ一2密封式化驗(yàn)制樣粉碎機(jī)(河南省鶴壁市天弘儀器有限公司、XL一1箱型高溫爐(河南省鶴壁市天弘儀器有限公司、VarioEL元素分析儀(德國(guó)ELEMENTAR公司、VISTAMPX型等離子發(fā)射光譜儀(美國(guó)瓦里安公司、BSA223SCW型分析天平(賽多利斯科學(xué)儀器(北京有限公司、PL2002型電子天平

5、(瑞士梅特勒托利多公司、SZ11-4型往復(fù)式自動(dòng)振篩機(jī)(河南省鶴壁市天弘儀器有限公司、KM9106型綜合煙氣分析儀(英國(guó)凱恩公司、1011A型電熱鼓風(fēng)干燥箱(河南省鶴壁市天弘儀器有限公司、ZDHW-5型微機(jī)全自動(dòng)量熱儀(河南省鶴壁市天弘儀器有限公司、HRA5型微機(jī)灰熔點(diǎn)測(cè)定儀(河南省鶴壁市天弘儀器有限公司等。122試驗(yàn)裝置本試驗(yàn)所用的裝置如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)由料倉、螺旋輸送器、燃燒器、熱水鍋爐、煙氣分析系統(tǒng)和測(cè)量控制系統(tǒng)等組成。其中，燃燒系統(tǒng)選用從瑞典引進(jìn)的PelleX生物質(zhì)顆粒燃料自動(dòng)燃燒器，熱輸出為1025kw；燃燒效率約為90；點(diǎn)火功率消耗約為400w；運(yùn)行時(shí)功率消耗約為40w。該燃燒器

6、的喂料方式為上進(jìn)料式，具有燃燒器與料倉分離、回火危險(xiǎn)小、可根據(jù)功率要求保證精確定量進(jìn)料等優(yōu)點(diǎn)。操作流程：?jiǎn)?dòng)時(shí)，首先使螺旋輸送器中充滿燃料，然后將其與燃燒器連接；打開操作開關(guān)，燃燒器啟動(dòng)，開始進(jìn)料，當(dāng)達(dá)到啟動(dòng)所需的燃料量時(shí)點(diǎn)火，當(dāng)火焰?zhèn)鞲衅鳈z測(cè)出火焰后，啟動(dòng)完成；鼓風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，燃料著火區(qū)域擴(kuò)大，繼續(xù)喂給燃料，當(dāng)火焰穩(wěn)定后，進(jìn)入預(yù)運(yùn)行階段：待燃燒逐步穩(wěn)定后，進(jìn)入運(yùn)行階段，鼓風(fēng)機(jī)全速運(yùn)行，螺旋輸送器按照設(shè)定值以規(guī)定速率進(jìn)料，燃燒器全功率運(yùn)行；當(dāng)熱水鍋爐的出水溫度低于設(shè)定溫度約5時(shí)，燃燒器進(jìn)入低功率運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)料量為正常運(yùn)行的65，鼓風(fēng)機(jī)速度降低；當(dāng)鍋爐溫度達(dá)到設(shè)定值(或關(guān)閉開關(guān)時(shí)，火焰逐漸熄滅，進(jìn)料

7、停止，鼓風(fēng)機(jī)繼續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間后停止，進(jìn)入等待模式。如果熱水鍋爐的出水溫度低于設(shè)定溫度，燃燒器將再次啟動(dòng)。燃燒器設(shè)有控制器，可以自動(dòng)監(jiān)控燃燒器的整個(gè)工作過程，主要包括啟動(dòng)與停止燃燒器，調(diào)節(jié)啟動(dòng)時(shí)的燃料量、進(jìn)料速度、進(jìn)風(fēng)量，以及設(shè)置不同的啟動(dòng)溫度與停止溫度。此外，控制器還可以顯示燃燒器的各個(gè)工作階段(包括啟動(dòng)、預(yù)運(yùn)行、運(yùn)行、等待停止等，燃燒過程中出現(xiàn)的過熱保護(hù)、點(diǎn)火失敗、故障等。13試驗(yàn)方法試驗(yàn)前，對(duì)試驗(yàn)所有樣品都取樣，進(jìn)行工業(yè)分析、元素分析及發(fā)熱量等測(cè)定；試驗(yàn)結(jié)束后，稱量底灰及渣塊質(zhì)量，并對(duì)灰渣進(jìn)行取樣，分析灰熔融特性和化學(xué)成分。燃燒器啟動(dòng)時(shí)的燃料量約為230250g，進(jìn)料速度為4045kgl1

8、；同一種燃料，至少重復(fù)試驗(yàn)3次，結(jié)果取平均值。1點(diǎn)火特性。燃料的點(diǎn)火特性主要是測(cè)定燃料的點(diǎn)火時(shí)間，利用秒表記錄自燃燒器啟動(dòng)開始至點(diǎn)火成功的時(shí)間。2燃燒及污染物排放特性。采用綜合煙氣分析儀(KM9106對(duì)煙氣進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和記錄，煙氣的采樣點(diǎn)在煙囪與熱水鍋爐相接的一端，且與鍋爐相距200250mlTl。3底灰結(jié)渣率。測(cè)定及計(jì)算方法：取一種試驗(yàn)用生物質(zhì)成型燃料，在燃燒器內(nèi)燃燒，進(jìn)料量、進(jìn)風(fēng)量等其他條件基本一致，待燃燒器停止后，冷卻，將底灰全部取出，稱質(zhì)量并記為m，篩分灰渣中粒度大于6mm的渣塊，稱質(zhì)量并記為m2，則粒度大于6nlIn的渣塊占總灰渣質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)，稱為該試樣的底灰結(jié)渣率c，即Crm2ml

9、×100。2結(jié)果與分析21點(diǎn)火特性通過對(duì)8種生物質(zhì)顆粒燃料進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)各種燃料的點(diǎn)火時(shí)間與揮發(fā)分、含水率密切相關(guān)。其中落葉松的揮發(fā)分含量最高，含水率最低(見表1，點(diǎn)火時(shí)間最短，而棉稈的揮發(fā)分含量最低，含水率較高(參見表1，點(diǎn)火時(shí)間最長(zhǎng)。點(diǎn)火時(shí)間與揮發(fā)分大致呈線性關(guān)系，揮發(fā)分越高，點(diǎn)火時(shí)間越短，如圖2a所示，這是因?yàn)樯镔|(zhì)燃料中的揮發(fā)分中含有大量氫氣、甲烷、不飽和烴(CH、一氧化碳等可燃?xì)怏w，揮發(fā)分含量越高，則生物質(zhì)燃料越容易著火。而點(diǎn)火時(shí)間與含水率大致呈指數(shù)關(guān)系，含水率越高，點(diǎn)火時(shí)間越長(zhǎng)，如圖2b所示，這是因?yàn)樯镔|(zhì)燃料中含水率越高，一方面延長(zhǎng)了干燥時(shí)問，另一方面降低了最高燃燒溫度

10、(絕熱燃燒溫度，從而使燃料所需的點(diǎn)火時(shí)間延長(zhǎng)，同時(shí)，我們也可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)含水率超過一定數(shù)值時(shí)，點(diǎn)火時(shí)間將會(huì)是無限長(zhǎng)，即無法點(diǎn)燃。22燃燒特性221表觀描述經(jīng)觀察，8種顆粒燃料的燃燒過程均可分為啟動(dòng)、預(yù)運(yùn)行、運(yùn)行、停止4個(gè)階段。啟動(dòng)階段開始時(shí)，煙氣呈白色，主要是由水蒸汽組成，煙氣黑度較高；待點(diǎn)火成功后，火焰顏色較紅且寬，溫度較低，煙氣黑度變淡，呈灰色或黑色，主要是由于燃燒過程中助燃空氣不足造成的。預(yù)運(yùn)行階段，火焰變成了橘黃色，溫度逐漸升高，煙氣黑度更低。進(jìn)入運(yùn)行階段后，火焰由橘黃色變成了淺黃色，煙氣變成一縷淡淡的青煙。停止階段，煙氣黑度加大，火焰逐漸熄滅。222煙氣中CO含量燃燒器啟動(dòng)后，煙氣中C

11、O含量隨燃燒的進(jìn)行不斷升高并達(dá)到最大；進(jìn)入運(yùn)行階段后，其含量則大大降低(見圖3。經(jīng)分析可知，在燃燒啟動(dòng)與預(yù)運(yùn)行階段，燃燒室溫度較低、進(jìn)風(fēng)量較小而進(jìn)料量已經(jīng)達(dá)到預(yù)設(shè)值，此時(shí)生物質(zhì)顆粒燃料燃燒不充分，CO排放濃度高。隨著燃燒進(jìn)入運(yùn)行階段，鼓風(fēng)機(jī)全速運(yùn)行，溫度不斷升高，燃燒逐漸穩(wěn)定，生物質(zhì)燃料能夠充分燃燒，此時(shí)CO濃度排放值最小。當(dāng)燃燒器停止或者關(guān)閉時(shí)，螺旋輸送器和鼓風(fēng)機(jī)停止工作，未燃盡的燃料不能充分燃燒，即出現(xiàn)圖中CO濃度迅速上升的情況。燃燒器正常運(yùn)行時(shí)，8種生物質(zhì)顆粒燃料的CO排放質(zhì)量濃度由低到高依次為：落葉松、紅松、玉米秸、木屑+花生殼、玉米秸(含添加劑、混合木質(zhì)、麥秸、棉稈，其排放質(zhì)量濃度分

12、別為2918、5119、5906、6309、6525、12000、36594、55537mgm。由此可見，其中麥秸和棉稈的CO排放質(zhì)量濃度較高，這可能是因?yàn)椴煌镔|(zhì)顆粒燃料的c、H、0元素的含量不同，其所需的理論空氣量也不同，而燃燒器的風(fēng)量是一定的，造成了過量空氣系數(shù)的不匹配。23SO2、NO排放不同生物質(zhì)顆粒燃料的煙氣中SO2、NO排放質(zhì)量濃度如圖4、圖5所示。燃燒器的啟動(dòng)、預(yù)運(yùn)行以及停止階段，SO2排放濃度相對(duì)較高，這是由于不完全燃燒引起的；在運(yùn)行階段，絕大部分生物質(zhì)燃料燃燒時(shí)SO的排放濃度非常低，污染物排放水平較低，基本為零(見圖4，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于GB13271-2001鍋爐大氣污染物排放標(biāo)

13、準(zhǔn)中規(guī)定的900mgm的指標(biāo)。這主要是由生物質(zhì)中s含量較低所決定的。棉稈則是一個(gè)例外，其SO，排放濃度遠(yuǎn)高于其他生物質(zhì)燃料，S含量與其處于同一數(shù)量級(jí)的其他秸稈類燃料的SO2排放濃度則低得多。這說明生物質(zhì)燃燒時(shí)，其SO生成機(jī)理的復(fù)雜性，不僅與s含量有關(guān)，而且與燃料種類和設(shè)備等因素有關(guān)。8種典型生物質(zhì)顆粒燃料燃燒時(shí)NO的排放濃度見圖5，正常運(yùn)行時(shí)由低到高依次為：落葉松、混合木質(zhì)、紅松、木屑+花生殼、麥秸、玉米秸、棉稈、玉米秸(含添加劑，其排放質(zhì)量濃度分別為3388、8347、8705、11035、11531、13218、14063、14534mgm3。結(jié)合表1可知，各種顆粒燃料的NO排放質(zhì)量濃度與

14、其N含量基本成正比關(guān)系，N元素含量高，其NO排放質(zhì)量濃度亦高。生物質(zhì)顆粒燃料燃燒時(shí)的溫度較低(<1300，NO的生成方式主要為燃料型反應(yīng)機(jī)制，而非熱力型反應(yīng)機(jī)制。24灰分對(duì)燃燒的影響生物質(zhì)顆粒的灰分含量對(duì)燃燒器的正常運(yùn)行時(shí)間有顯著影響，見表2。如果顆粒燃料的灰分含量過大，會(huì)導(dǎo)致燃燒器因無法及時(shí)排出灰分而難以持續(xù)運(yùn)行，如棉稈的灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高(2169，而底灰結(jié)渣率很低(2413，但其正式運(yùn)行時(shí)間最短(僅為7min，同樣的情形可見玉米秸稈(含添加劑等。此外，底灰結(jié)渣率對(duì)燃燒器的正常運(yùn)行時(shí)間也有較大影響，如紅松、玉米秸，雖然其灰分含量較低(僅為632、771，但結(jié)渣率達(dá)到5781、4894，

15、嚴(yán)重的結(jié)渣造成了燃燒器的檢測(cè)孔被堵，從而導(dǎo)致燃燒器受控停止，不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)行?？梢妵?guó)外的燃燒器并不適合中國(guó)，需要進(jìn)行改造，否則難以連續(xù)運(yùn)行。同時(shí)，我們還可以看出，生物質(zhì)顆粒的灰分含量對(duì)燃料的結(jié)渣基本上沒有趨勢(shì)性影響。25結(jié)渣特性251灰渣形貌通過觀察燃燒后的灰渣(見圖6，可以發(fā)現(xiàn)，各種不同原料的生物質(zhì)顆粒燃料燃燒后，其灰渣的外觀形狀、顏色、尺寸存在較大差異；木質(zhì)類顆粒燃料之間、秸稈類顆粒燃料之間、木質(zhì)類與秸稈類顆粒燃料之間，也有較大不同，大致可以分為3種類型：1不結(jié)渣。落葉松。該燃料在燃燒后的灰渣呈灰黑色的細(xì)小顆粒物，無塊狀的渣塊產(chǎn)生，如圖6a所示。2中度結(jié)渣。包括棉稈、玉米秸(含添加劑。這兩

16、種燃料在燃燒后均出現(xiàn)輕微的結(jié)渣現(xiàn)象，但渣塊尺寸較小，易碎。其中，棉稈燃燒后的灰渣呈灰黃色，粒度一般為810ITI1TI，如圖6b所示；玉米秸(含添加劑燃燒后的灰渣為與燃燒前形狀類似的淺棕黃色顆粒，但直徑與長(zhǎng)度均較燃燒前減小，約為Ø55mm×125InlTl，如圖6c所示。3嚴(yán)重結(jié)渣。其渣塊尺寸由小到大依次為：麥秸、玉米秸、木屑+花生殼、混合木質(zhì)、紅松。這些燃料的結(jié)渣現(xiàn)象都很明顯，渣塊硬度較大，且尺寸和質(zhì)量都很大。其中麥秸燃燒后其灰渣為深灰色，渣塊最大尺寸約6851TUTI，質(zhì)量為914g，硬度相對(duì)較??；玉米秸燃燒后灰渣顏色較深，略呈深藍(lán)色，色澤較亮，渣塊尺寸最大能達(dá)到825

17、mm，質(zhì)量達(dá)2003g；木屑+花生殼的混合燃料在燃燒后，灰渣尺寸最大能達(dá)到1061"1"111，質(zhì)量達(dá)105，46g，其顏色較淺，呈灰黃色；混合木質(zhì)燃燒后的灰渣顏色偏暗，渣塊最大尺寸約為112min，質(zhì)量為8149g；紅松燃燒后的灰渣顏色偏紅，渣塊尺寸最大能達(dá)到116inlrl，質(zhì)量達(dá)13341g，硬度非常大。如圖6中d、e、f、g、h所示。值得注意的是，當(dāng)在玉米秸中加入添加劑后，其灰渣的形態(tài)與特性都發(fā)生了較大變化，如顏色由青黑色變?yōu)闇\棕黃色，渣塊粒度變小且呈較為規(guī)則的短圓柱狀，更加易碎等，見圖6中c、e，添加劑有益于改善燃料的結(jié)渣性能。252灰熔融性對(duì)結(jié)渣的影響8種生物質(zhì)

18、顆粒燃料的底灰結(jié)渣率由小至大分別為：落葉松<棉稈<玉米秸(含添加劑<麥秸<木屑+花生殼<混合木質(zhì)<玉米秸<紅松，見表3。可以發(fā)現(xiàn)，燃料的結(jié)渣率與其軟化溫度密切相關(guān)，軟化溫度越高，結(jié)渣率越低；當(dāng)燃料的軟化溫度達(dá)到一定數(shù)值時(shí)(如落葉松的軟化溫度為1389，則燃料將不會(huì)出現(xiàn)結(jié)渣現(xiàn)象。但對(duì)某些生物質(zhì)顆粒燃料，灰熔融特性對(duì)底灰結(jié)渣率的影響卻不明顯，甚至有矛盾。如棉稈的軟化溫度為1211，低于玉米秸(含添加劑，但底灰結(jié)渣率反而較低，僅為2413；同樣，麥秸的軟化溫度為1201，低于木屑+花生殼，其底灰結(jié)渣率為3657。另外，在燃料中添加適當(dāng)?shù)奶砑觿軌蛴行Ы档蜕镔|(zhì)顆粒燃料的結(jié)渣趨勢(shì)，如試驗(yàn)中的玉米秸，未含添加劑其底灰結(jié)渣率為4894，使用添加劑后的底灰結(jié)渣率降低到2617，降低了2277。253灰渣化學(xué)組成的影響生物質(zhì)顆粒燃料的底灰結(jié)渣率與其化學(xué)組成密切相關(guān)，見圖7，圖中所示燃料的結(jié)渣率為依次增大。一般來說，燃料中Si元素含量越高，結(jié)渣趨勢(shì)越明顯，如木屑+花生殼、玉米秸、紅松、以及麥秸等，其si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本在25左右或更