生物質(zhì)燃料直接燃燒過程特性的分析

1、第32卷第3期2001年9月東北農(nóng)業(yè)大學學報Journal of N o rtheast A gricultural U niversity 32(3 :290294Sep tem ber 2001文章編號1005-9369(2001 03-0290-05生物質(zhì)燃料直接燃燒過程特性的分析劉建禹, 翟國勛, 陳榮耀(東北農(nóng)業(yè)大學工程學院黑龍江省哈爾濱150030摘要:主要介紹生物質(zhì)燃料的直接燃燒過程, 它包括生物質(zhì)燃料的組成特性、熱分解及燃燒過程、空氣需要量、煙氣量、熱值和理論燃燒溫度等。為利用生物質(zhì)作為燃料的供熱設備設計和生物質(zhì)氣化的研究提供理論依據(jù)。關鍵詞:生物質(zhì); 燃燒; 空氣量; 排煙草

2、; 理論燃料溫度中圖分類號:S 181, S 216文獻標識碼、合理利用生物質(zhì)能, 向。0前言能源, 。自從人類發(fā)現(xiàn)火, 開始使用這種能源至今, 全世界仍有15億以上的人口在使用著這種原始的生物質(zhì)能源。尤其在發(fā)展中國家, 生物質(zhì)能幾乎是農(nóng)村燃料的主要依靠。我國是一個生物質(zhì)能源耗用大國, 大部分生物質(zhì)燃料為直接燃燒, 這種農(nóng)村能源結構在一個相當長的時期內(nèi)不會發(fā)生變化, 這是由農(nóng)村聯(lián)產(chǎn)承包體制及我國經(jīng)濟基礎所決定的。因此, 對生物質(zhì)作為能源的直接燃燒技術和裝置的研究還是十分必要的。目前, 我們已掌握了許多有關生物質(zhì)燃料燃燒方面的物理、化學機理, 并在有些方面進行了計量。但是, 對于生物質(zhì)燃料的直接

3、燃燒尚未達到完全了解的程度, 本文主要從生物質(zhì)燃料的組成特性方面, 說明其直接燃燒過程特點以助生物質(zhì)燃料的有效利用,收稿日期:2000-08-051生物質(zhì)燃料和固體礦物質(zhì)燃料(煤 的主要差別表1列出了典型生物質(zhì)燃料和典型的煙某和無煙煤的元素組成和工業(yè)分析成分組成1。從表1中看出, 生物質(zhì)燃料和煤碳相比有以下一些主要差別(見表2 :1 含碳量較少, 含固定碳少。生物質(zhì)燃料中含碳量最高的也僅50%左右, 相當于生成年代較少的褐煤的含碳量。特別是固定碳的含量明顯地比煤炭少。因此, 生物質(zhì)燃料不抗燒, 熱值較低(見表1 。2 含氫量稍多, 揮發(fā)分明顯較多。生物質(zhì)燃料中的碳多數(shù)和氫結合成低分子的碳氫化合

4、物, 遇一定的溫度后熱分解而折出揮發(fā)物。所以, 生物質(zhì)燃料易被引燃, 燃燒初期, 析出量較大, 在空氣和溫度不足的情況下易產(chǎn)生鑲黑邊的火焰。在使用生物質(zhì)為燃料的設備設計中必須注意到這一點。第3期劉建禹等:生物質(zhì)燃料直接燃料過程特性的分析291表1一些生物質(zhì)燃料、煤的工業(yè)分析成分、元素組成和低位熱值Table 1The co m ponen ts for i ndustr i al analysis , ele m en t co m position and calor if icvalue of so m e bio mass and coal燃料種類so rt of fuel工業(yè)分析成分%

5、components fo r industrial analysis W f 5110A f 3113V f 74165C f G D 17112H f 5181C f 44179元素組成%elem ent compo siti onS f 0111N f 5185P f 2186K 2O f 16133熱值calo rific valueQ f d w 16157豆秸beanstalk稻草rice straw419713186651111610651063813201110163011461112813980玉米秸m aize straw41875193711451717551454211

6、70112017421601318015550麥秸w heat straw413981906713619135513141128010102014015374牛糞cow dung614632140481721215251460701221171318411627煙煤bitum ite818521137305714201460193 24300無煙煤anth racite1911856511321646516501510199 24430注:W f 水分w ater content , A f 灰分ash content , V f 揮發(fā)分vo ltile gas content , C f G

7、 D 固定碳so lid carbon content表2生物質(zhì)燃料和煤炭在結構特性上的主要差別Table 2The ma i n differen t between bio mass and coal on the co m position character istics 燃料種類so rt of fuelC %O %H %S %A %V %密度t m 3density 01470164(木材wood 01801100生物質(zhì)燃料bi om ass fuel3850304456011001204146570煤炭coal559032035014001605257383 含氧量多。從表2所列

8、數(shù)字看出, 生物質(zhì)燃料含氧量明顯地多于煤炭, 它使得生物質(zhì)燃料熱值低, 但易于引燃。在燃燒時可相對地減少供給空氣量。4 密度小。生物質(zhì)燃料的密度明顯地較煤炭低(見表2 , 質(zhì)地比較疏松, 特別是農(nóng)作物秸桿和糞類。這樣使得這類燃料易于燃燒和燃盡, 灰燼中殘留的碳量較燃用煤炭者少。5 含硫量低。生物質(zhì)燃料含硫量大多少于0120%, 燃燒時不必設置氣體脫硫裝置, 降低了成本, 又有利于環(huán)境的保護。292東北農(nóng)業(yè)大學學報第32卷2生物質(zhì)燃料的燃燒過程生物質(zhì)燃料的燃燒過程是強烈的化學反應過程, 又是燃料和空氣間的傳熱、傳質(zhì)過程。燃燒除去燃料存在外, 必須有足夠溫度的熱量供給和適當?shù)目諝夤?。圖1為燃料燃

9、燒過程的圖示。它可分作:預熱、干燥(水分蒸發(fā) 、揮發(fā)分析出和焦碳(固定碳 燃燒等過程 。圖生物質(zhì)燃料的燃燒過程F ig . B io mass fuel direct co m bustion process燃料送入燃燒室后, 在高溫熱量(由前期燃燒形成 作用下, 燃料被加熱和析出水分。隨后, 然料由于溫度的繼續(xù)增高, 約250左右, 熱分解開始, 析出揮發(fā)分, 并形成焦碳。氣態(tài)的揮發(fā)分和周圍高溫空氣摻混首先被引燃而燃燒。一般情況下, 焦碳被揮發(fā)分包圍著, 燃燒室中氧氣不易滲透到焦碳表面, 只有當揮發(fā)分的燃燒快要終了時, 焦碳及其周圍溫度已很高, 空氣中的氧氣也有可能接觸到焦碳表面, 焦碳開始

10、燃燒, 并不斷產(chǎn)生灰燼。從上述說明可以看出, 產(chǎn)生火焰的燃燒過程為兩個階級:即揮發(fā)分析出燃燒和焦碳燃燒, 前者約占燃燒時間的10%, 后者則占90%。同時也可看出, 生物質(zhì)燃料在燃燒過325時就已開始十分活躍, 350時揮發(fā)分能析出80%。可以看到, 揮發(fā)分析出時間較短, 若空氣供應不當, 有機揮發(fā)分容易不被燃燼而排出, 排煙為黑色, 嚴重時為濃黃色煙。所以在設計燃用生物質(zhì)燃料的設備時, 必須有足夠的擴散型空氣供給, 燃燒室必須有足夠的容積和一定的攔火, 以便有一定的燃燒空間和燃燒時間。同時空氣供給量的多少也是生物質(zhì)氣化爐設計的關鍵之一。2 揮發(fā)分逐漸析出和燒完后, 燃料的剩余物為疏松的焦碳,

11、 氣流運動會將一部分碳粒裹入煙道, 形成黑絮, 所以, 通風過強會降低燃燒效率。3 揮發(fā)分燒完, 焦碳燃燒受到灰燼包裹和空氣滲透較難的影響, 妨礙了焦碳的燃燒, 造成灰燼中殘留余碳。為促進焦碳的燃燒充分, 此時應適當加以捅火或加強爐蓖的通風。程中有以下一些特點:1 物質(zhì)燃料的密度小, 結構比較松散, 揮發(fā)分含量高, 在250時熱分解開始, 在第3期劉建禹等:生物質(zhì)燃料直接燃料過程特性的分析2933空氣供給量適合的空氣量和空氣供給方式是保證燃料燃燒充分的條件之一。過多的空氣供給, 會吸收燃燒產(chǎn)生的熱量, 降低燃燒溫度, 淡化可燃氣體的濃度, 使化學反應減慢; 過少的空氣供給或空氣受阻, 分配不良

12、, 會使可燃氣體未經(jīng)燃燒而逸出。單位質(zhì)量燃料的理論需要空氣量可根據(jù)化學反應式獲得。生物質(zhì)燃料中磷含量極少, 而鉀都以氧化鉀的形式出現(xiàn), 故二者可以忽略不計, 單位質(zhì)量燃料的理論需要空氣量可按下式計算:0y y y y V =010889C +01256H +010333(S +O 3Nm kg 燃料(1式中V 0狀態(tài)下空氣的體積, 3; y y y yC 、H 、S 、O , 為45Nm 3在實際燃燒時, 由于供。給方式的限制以及空氣和燃料的接觸的不完善, 只供給理論空氣量是不夠的。為了保證燃料充分燃燒, 實際供給的空氣要比理論需要量要多。實際供給空氣量V 和理論空氣量之比稱作空氣過量系數(shù),

13、用符號a 表示:a =0V在家用生物質(zhì)燃料的爐灶中, 難以像工業(yè)鍋爐可以用調(diào)節(jié)法加以控制空氣過量系數(shù)值。從實際測試中可以看出, 凡是煙囪抽力不佳, 攔火過分, 喉口小等情況都會減少空氣的進入, 排煙中一氧化碳量明顯增多; 而燒火旺, 攔火小, 煙囪抽力大的情況下, 則空氣過量系數(shù)增大, 最大時可達410以上。一般情況下空氣過量系數(shù)a 值在11703100之間。最佳的空氣過量系數(shù)a 值為2100左右?？諝膺^量系數(shù)可以采用煙氣分析儀測定, 其值可按下式計算獲得:(3 a p y =21-O 2+CO p ;二氧化2, 2, 干煙氣中氧、一氧化碳含量的百分數(shù)。此式中CO 2嚴格講應為RO 2=CO

14、2+SO 2, 由于生物質(zhì)燃料中硫的含量很少, 故SO 2忽略不計。4排煙量每千克燃料燃燒產(chǎn)生的煙氣量除與燃料的元素組成、水分含量有關外, 尚和空氣過量系數(shù)有關。每千克燃料燃燒實際產(chǎn)生的煙氣量可按下式計算:(2Vp y=01018866(C y +01375S y +01111H y +010124W y +01008N y +(110161a p y -0121 V 03Nm kg 燃料(4式中V p y 每千克燃料燃燒產(chǎn)生的實際煙氣量Nm 3 kg 燃料y y氮元素的應W 、N 燃料的水分、用基含量的百分數(shù)。爐灶中的排煙損失和排煙量及排煙溫度有關, 排煙量大, 排煙損失也隨之增大。同時,

15、排煙量的多少直接關系到爐灶的喉口、煙囪截面和火炕炕洞截面尺寸的確定。5理論燃燒溫度目前尚不能用計算方法來獲得實際燃燒溫度, 因為它受外界許多因素的影響。為了評價燃料燃燒過程本身的程度, 設想使燃料在一理想條件下燃燒, 理想條件是:沒有散熱損失和完全燃燒。這一條件下計算出來的294東北農(nóng)業(yè)大學學報第32卷燃燒溫度稱為理論燃燒溫度, 它可以按下式進行計算:(5 t th =V p y C p y式中t th 理論燃燒溫度, ;Q dw 燃料的低位熱值, kJ kg 燃料;Q a 空氣帶入的物理熱, kJ kg 燃料;Q f 燃料帶入的物理熱, kJ kg 燃料;Q t . d 燃料熱分解的吸熱,

16、kJ kg 燃料;C p y 煙氣的定壓比熱, kJ kg 燃料。以分析基玉米為例(數(shù)據(jù)見表1 , 若a =214時, 其理論燃燒溫度約為940, 地低于煤炭的理論燃燒溫度。生物質(zhì)燃料的爐灶的結果是:焦碳層的燃燒溫度為:850900, 火焰溫度:500700, 在a 減小時此值尚能提高。6結束語生物質(zhì)燃料直接燃燒和煤炭的直接燃燒有所不同, 特別在空氣供給、燃燒室形狀和體積的要求等方面有著顯著的差別。了解上述基礎性知識將有助于生物質(zhì)燃料直接燃燒時燃燒效率的提高。同時也為生物質(zhì)氣化的研究提供理論依據(jù)。1北京:中國農(nóng)業(yè)出, 1鍋爐及鍋爐房設備1北京:M , 19961on the character

17、 istics of b ioma ssfuel d irect com bustion processL I U J ian 2yu , ZHA I Guo 2xun , CH EN Rong 2yao(N o rtheast A gricultural U niversity , H arbin 150030, PRC Abstract :In th is Paper , the direct com bu sti on p rocess of b i om ass is p resen ted , includingthe com po siti on and characteristics of b i om ass , the pyro lysis and com bu sti on p rocess , air dem and , s m oke quan tity , calo rific value and theo retical com bu sti on tem peratu re . T he study w as ai m ed at the effective u tilizati on of b i om ass fuel and the p roviding theo retical basis