生物質(zhì)粉體燃燒特性的研究

第25卷第1期可再生能源Vol 25 No I2007年2月Renewable Energy ResourcesFeb.2007生物質(zhì)粉體燃燒特性的研究肖波,鄒先枚,楊家寬,阮淵,馬承榮(華中科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,湖北武漢430074)摘媐:文章提岀了一種生物質(zhì)粉體燃燒模型,根據此模型設計了專(zhuān)用的燃燒爐。研究揭示了生物質(zhì)粉體燃燒特性突岀表現為體積特性,其次是粒徑特性,同時(shí)溫度場(chǎng)的分布驗證了燃燒模型的當粉體粒徑為0.1η7mm左右,毎干克粉體燃料配送4m風(fēng)量時(shí),燃燒效果與破碎成本最俿化。而且風(fēng)粉混合物可以像燃氣樣輸送、控制和燃燒。這種新的燃燒方式對提高生物質(zhì)旳燃燒效率、改善結渣現象有重大的意義,并為生物質(zhì)能的利用開(kāi)辟了一條新途徑關(guān)鍵詞:生物質(zhì)粉體;燃燒模型;燃燒特性;生物質(zhì)能中圖分類(lèi)號:S210.7文獻標志碼:A文章編號:1671-5292(2007)01-0047-04Study on the combustion characteristics of biomass powderXIAO Bo, ZOU Xian-mei, YANG Jia-kuan, RUAN Yuan, MA Cheng-rong(The College of Environmental Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan430074, China)Abstract: The combustion model of biomass powder was put forward, based on which the burninfurnace was designed. The study revealed that volume characteristic was the most important tobiomass powder combustion, and then the particle size. At the same time the temperature field distrate. heand the proportion of biomass powder to wind was 250 g/m, the combustion efficiency and the breaking cost was optimal. Furthermore, the mixture of biomass powder and wind could be transported,controlled and combusted like gas. This new method of biomass combustion could improve combustion efficiency, mitigate fouling and slagging and lay a new approach for biomass energy utilizationKey words: biomass powder; combustion model; combustion characteristic; biomass energy1引言鏈條爐排燃燒和流化床燃燒;按燃燒形態(tài)可分為生物質(zhì)能與化石能相比,具有可再生和低污層狀燃燒和沸騰燃燒。各種生物質(zhì)燃燒技術(shù)均需染的優(yōu)勢,因而受到全世界普遍的重視,并已成為要對原料進(jìn)行預處理,尤其是要改善積灰結渣給新能源的發(fā)展方向之一。生物質(zhì)能主要通過(guò)直接燃燒爐帶來(lái)的負面效應。超細化煤粉已廣泛用于燃燒、氣化、液化和厭氧發(fā)酵加以利用。在我國農煤的再燃燒和提高燃煤效率等領(lǐng)域,對生物質(zhì)粉村,對生物質(zhì)能的利用方式以直接燃燒為主,但其體的燃燒研究,國內尚無(wú)先例效率低于10%凹。開(kāi)發(fā)切實(shí)可行的生物質(zhì)燃燒技本實(shí)驗室結合國內生物質(zhì)能的開(kāi)發(fā)現狀,研術(shù),提高燃燒效率,對合理利用農業(yè)、林業(yè)廢棄物制岀一種生物質(zhì)粉體燃燒技術(shù)。將農業(yè)廢棄物用有重大的經(jīng)濟和環(huán)境意義。自行設計的破碎杋破碎成粉體后,噴入自制的燃目前生物質(zhì)直接燃燒按原料形態(tài)可分為生物燒爐V凵中國煤化工提高燃燒溫度和燃質(zhì)成型燃料燃燒、生物質(zhì)型煤燃燒和生物質(zhì)與煤燒效CNMH守燃燒產(chǎn)生的不利影混燒;按燃燒爐可分為固定爐排燃燒、往復爐排或響,且其控制可以借鑒燃氣控制方式,操作簡(jiǎn)便。收稿日期:2005-11-01作者簡(jiǎn)介:肖波(1958-),男,博士生導師,主要從事清潔生產(chǎn)、固廢資源化和新能源的研究開(kāi)發(fā)工作。E- mail.: xiaobo958@126com可再生能源2007,25(1)2燃燒模型假設3實(shí)驗根據生物質(zhì)優(yōu)良的點(diǎn)火特性,揮發(fā)分含量高、3.1實(shí)驗原料析岀迅速的特點(diǎn),提出生物質(zhì)粉體三段式燃燒實(shí)驗原料主要針對軟質(zhì)型生物質(zhì)(稻秸、麥模型(圖1)。第一階段:風(fēng)粉混合物被點(diǎn)燃,析岀秸、玉米秸等),它們的燃燒性狀大體相似,且原料所有揮發(fā)分,形成一次燃燒;第二階段:未燃盡揮來(lái)源廣泛,能降低原料的供應成本s。原料破碎成發(fā)分上升到主燃室內充分燃燒,產(chǎn)生的煙氣擴散5種不同粒徑的粉體,即0.420mm(40目),0.250到擴散室;第三階段:固定碳回流到主燃室燃燒。mm(60目),0.177mm(80目),0.149mm(100目由此模型設計岀立式雙回旋燃燒爐,由點(diǎn)火室、主和0.125mm(120目)。幾種原料的元素分析、工業(yè)燃室、擴散室和回流室四部分組成,氧氣乙炔在點(diǎn)分析和低位熱值如表1所示。生物質(zhì)含大量的火室壁上輔助點(diǎn)火,燃燒爐的下部有一活動(dòng)窗口,碳和少量旳氫,揮發(fā)分Ⅴ含量高(普通煤為7用于排灰。38%),含灰分A低(普通煤為5%~25%),低位熱擴散室擴散,熱利用值Q約為無(wú)煙煤熱值(24430kJkg)的3/5。點(diǎn)火室:析出揮主燃室:燃燒揮燃燒后煙氣和排煙3.2實(shí)驗裝置發(fā)分井點(diǎn)燃發(fā)份和回流碳回流室:回燃燒實(shí)驗系統由進(jìn)料裝置、進(jìn)風(fēng)裝置、燃燒爐流固定碳和測溫數顯系統組成(圖2)。進(jìn)料裝置由螺旋進(jìn)圖1燃燒模型示意圖料器、可調速電機、下粉管和振動(dòng)電機組成。下粉Fig. I The schematic of combustion mod管用于防止一次風(fēng)管內壓力過(guò)高而導致的反噴現表1幾種生物質(zhì)的元素分析、工業(yè)分析和低位熱值Table 1 The proximate analysis, ultimate analysis and lower heating value of some biomass燃料種類(lèi)工業(yè)分析/%元素組成/%低位熱值Q△/kJ…kgHP4.9713.8665.1116.06538.320.110.630.14611.2813980麥秸4.398.9067.3619.355.3141.280.180.650.3320.4015374玉米秸5.93714517.7554542.170.120.742.615550象,振動(dòng)電機用于防止物料搭橋并保證下粉均勻。3.3實(shí)驗方法進(jìn)風(fēng)裝置由空壓機、配風(fēng)管、風(fēng)量調節閥和轉子流用于衡量燃燒效果的因子有溫度、煙氣和灰量計組成。一次風(fēng)為輸料進(jìn)風(fēng),與粉體均勻混合形?渣。粉體越細,燃燒效果越好,同時(shí)破碎成本也會(huì )成風(fēng)粉氣流;二次風(fēng)切向進(jìn)入,主要用于改善爐內增加?？紤]到粉體燃燒和破碎成本的經(jīng)濟最優(yōu)化,氣流狀態(tài)。燃燒爐為自制的立式雙回旋燃燒爐。5選用θ.177mm(δ0目)的粉體對該立式雙回流燃支鎳鉻-鎳硅熱電偶自下而上儂次測點(diǎn)火室、主燒爐進(jìn)行全面燃燒實(shí)驗,最后在最優(yōu)工況下用不燃室、擴散室、回流室和爐膛的溫度,溫度由SwJ同粒徑的粉體對燃燒性能的影響進(jìn)行實(shí)驗測試。Ⅲk精密數字溫度計顯示,不同點(diǎn)溫度由換位實(shí)驗步驟如下器轉換觸點(diǎn)測得①一次風(fēng)量不變,改變電機轉速,研究風(fēng)粉濃熱電偶度對燃燒的影響。②在最優(yōu)一次風(fēng)粉濃度下,開(kāi)啟二次風(fēng),研究二次風(fēng)對燃燒的影響。二次風(fēng)③在最優(yōu)風(fēng)粉濃度下,研究不同粒徑的粉體對燃燒的影響中國煤化工-、二次風(fēng)量比,加大次風(fēng)粉風(fēng)粉CNMH限。數字顯示器4實(shí)驗結果與討論圖2燃燒實(shí)驗裝置示意圖4.1風(fēng)粉濃度對燃燒的影響Fig. 2 The schematic of combustion次風(fēng)流量保持為240m3/h,粉體濃度由調肖波,等生物質(zhì)粉體燃燒特性的研究速電機調節螺旋進(jìn)料器的轉速來(lái)實(shí)現,粉體進(jìn)料氣成分都有影響。 Suanne paulrud對木粉燃燒的量與轉速成正比風(fēng)粉濃度(即粉體質(zhì)量與風(fēng)量之研究表眀:粉體越細,煙氣中CO含量越低,但粒比)與點(diǎn)火室和主燃室能穩定保持的最高溫度的徑對NO影響不顯著(zhù)。不同粒徑的粉體在該燃曲線(xiàn)關(guān)系見(jiàn)圖3。粉體濃度越大,溫度越高,但當燒爐中燃燒時(shí),點(diǎn)火室的溫度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)見(jiàn)風(fēng)粉濃度為280gm3以上時(shí),煙氣很濃呈深黃色,圖4。研究表明:大于0.42mm(即40目)的粉體很燃燒極不充分;當風(fēng)粉濃度為25σg/m3,主燃室溫難點(diǎn)燃;小于O.149mm(即100目)的粉體在該燃度能達到1127℃,煙氣很淡呈淺白色。燒爐中最高溫度達到1230℃,爐膛溫度達到992℃;粉體越細,燃燒效果越好。綜合考慮破碎成本和燃燒效果,采用粒徑為O.177mm(即80目)生1100主燃室物質(zhì)粉體燃燒最為經(jīng)濟合理。點(diǎn)火室o.125mm(120目D.49mm(100目)風(fēng)松310190220250280圖8000.177mm(80目)圖3粉體濃度與溫度的關(guān)系0420mm(40目)Fig 3 Relationship of the proportion of biomass powder to粉體揮發(fā)分含量高,燃燒性狀近似于氣體燃時(shí)間/min料,在燃燒爐中形成一種懸浮狀的體積燃燒,風(fēng)粉圖4粉體粒徑對點(diǎn)火室溫度影響的曲線(xiàn)濃度是一個(gè)關(guān)鍵因素。粉體濃度太小不易保持穩Fig.4 The curve relationship of particle size to the tempreture定的燃燒狀態(tài),且溫度偏低;濃度太大點(diǎn)火時(shí)易岀4.4燃燒爐內溫度場(chǎng)分布現爆燃現象,且燃燒不充分,燃燒效率低。綜合點(diǎn)通過(guò)爐膛溫度場(chǎng)的測定,可以初步推斷粉體火、溫度和煙氣三方面因素,最合適的風(fēng)粉濃度為的空間燃燒狀態(tài)。點(diǎn)火室、主燃室、擴散室、回流室250g/m3左右,與文獻|6的結論是一致的和爐膛的溫度隨時(shí)間的變化如圖5所示。點(diǎn)火室第④步實(shí)驗中,在保持風(fēng)粉濃度不變的前提下,加大單位時(shí)間內的風(fēng)粉量,發(fā)現爐膛外墻出現裂紋,燃燒爐頂部受到氣流的沖擊,燃燒程度加一點(diǎn)火室一主燃室劇。特定的爐膛,單位時(shí)間內能燃燒的粉體質(zhì)量是一擴散室有限的。單位時(shí)間內風(fēng)粉量過(guò)大,燃燒爐內壓力增一回流室爐膛加,易發(fā)生爆炸事故,爐子的容積和形狀對粉體燃燒量都有影響。此燃燒爐點(diǎn)火室、主燃室、擴散室和回流室容積分別為2.27L,16.16L,41.25L和1012141618時(shí)間/m44.58L,每小時(shí)能容納60kg的粉體量。圖5燃燒爐內溫度場(chǎng)分布4.2一、二次風(fēng)量比Fig. 5 The temperature distribution in the furnace二次風(fēng)在爐膛中部切向進(jìn)入主燃室,用于補溫度最高,這是由于粉體熱分解的溫度很低充適量的空氣,并對氣粉起到混合攪勻的目的實(shí)般在350℃就分解釋放出80%左右的揮發(fā)分驗結果表明,二次風(fēng)對燃燒效果影響不顯著(zhù),但其風(fēng)粉混合物進(jìn)入點(diǎn)火室后被迅速點(diǎn)燃,形成一次作為風(fēng)粉濃度的微調機制,以及依現場(chǎng)燃燒狀況燃燒V凵中國煤化工在高溫區。從燃燒對燃燒進(jìn)行輔助調節是非常必要的。一、二次風(fēng)量開(kāi)始CNMH力區進(jìn)入擴散區的比例在315:1左右比較合適此時(shí)未燃盡的揮發(fā)分和碳粒由風(fēng)送入主燃室,形4.3粒徑對燃燒的影響成二次燃燒,使得主燃室的溫度也很高。碳粒燃粉體燃料旳粒徑對進(jìn)料、點(diǎn)火、燃燒溫度和煙燒速度較揮發(fā)份慢,相同的停留時(shí)間內碳粒不能可再生能源2007,25(1)完全燃燒,隨氣壓通過(guò)回流室回流至主燃室,形參考文獻成回流燃燒。燃燒煙氣通過(guò)主燃室和擴散室間的馬隆龍,吳創(chuàng )之,孫立生物質(zhì)氣化技術(shù)及其應用微孔進(jìn)入擴散室,成為高溫煙氣。擴散室溫度較北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003.回流室溫度高這是由于它直接容納高溫煙氣的2黃寶圣我國植物生物質(zhì)能源開(kāi)發(fā)展望U太陽(yáng)能緣故造成的2003(1):20-233]姜秀民,李巨斌,邱健榮超細化煤粉燃燒特性的研究點(diǎn)火室、主燃室、擴散室和回流室內溫度依次中國電機工程學(xué)報,2000(6):71-78降低,溫度梯度為100右,爐膛與回流室溫度4劉建禹,翟國勛,陳榮耀生物質(zhì)燃料直接燃燒過(guò)程特性的分析東北農業(yè)大學(xué)學(xué)報2001(9):290-294模型是合理的。15]張殿軍,陳之航生物質(zhì)燃燒技術(shù)的應用能源研究4.5灰渣分析與信息,1999(3):15-2生物質(zhì)燃料由于灰溶點(diǎn)低,易產(chǎn)生結渣現象。6肖浪,郭勇,楊家寬,等生物質(zhì)粉體燃燒技術(shù)的初步生物質(zhì)粉體燃燒充分,且隨著(zhù)粒徑的減小,結渣率研究能源技術(shù),2004(10):197-199降低吲,因而能有效改善這種現象。粉體不完全燃燒[7 SUSANNE PAULRUD, CALLE NILSSON. The effects of時(shí),灰分呈黑色、有粘性,此外還有焦油和煙塵的混particle characteristics on emissions from burning wood合物粘在燃燒爐壁上,堵住擴散微孔,導致?tīng)t內排fuel powder [J Fuel, 2004, 83: 813-82118]李剛,馬孝琴,張百良,等小型燃煤鍋爐改造為生物煙不暢、壓強增大,不僅對燃燒爐的熱性能造成影質(zhì)成型燃料鍋爐的研究河南農業(yè)大學(xué)學(xué)報2002響,而且嚴重危及燃燒設備的安全。而完全燃燒后(9):265-268的灰分,呈淺白色粉末狀,無(wú)粘性。生物質(zhì)粉體在最9劉圣勇,張百良生物質(zhì)(秸稈)成型燃料燃燒設備研優(yōu)工況下燃燒時(shí),不僅燃燒溫度高,燃燒充分,結渣制及試驗研究D河南農業(yè)大學(xué),2004.90-91大大減輕,而且沒(méi)有焦油的冷凝現象出現5結論書(shū)訊綜合上述實(shí)驗結果與分析,生物質(zhì)粉體的燃燒特性總結如下?！洞彐偙粍?dòng)式太陽(yáng)能建筑通用設計圖集》1)生物質(zhì)粉體比表面積大,加速了揮發(fā)分的析出速度,減小了固定碳的粒徑,提高了燃燒速度選編了各種農村被動(dòng)式太陽(yáng)能建筑典型設計,并收入了太陽(yáng)房建筑的各構件的技術(shù)參和效率(2)生物質(zhì)粉體在燃燒爐中懸浮燃燒,燃燒性數及施工方法等資料。大16開(kāi)本,彩色插頁(yè)狀近似于氣體燃料,因而可考慮類(lèi)似于氣體燃料定價(jià)35元的燃燒和控制方式同時(shí)燃燒爐體積參數很關(guān)鍵,《塑膜覆蓋節能日光溫室圖集》要特別防止岀現粉體燃燒量超過(guò)燃燒爐容量極限介紹了節能日光溫室設計的理論基礎,給的情況。出了在科學(xué)理論指導下的北緯32-45地區日(3)二次風(fēng)對燃燒效果沒(méi)有顯著(zhù)影響但作為光溫室結構參數及其尺寸圖表。大16開(kāi)本,定風(fēng)粉濃度的微調機制,現場(chǎng)燃燒狀況的輔助調節價(jià)15元是非常必要的(4)風(fēng)粉的體積參數和粉體粒徑對燃燒至關(guān)《可再生能源》雜志(《農村能源》雜志),自2000年到2006年42期,共183元。重要。風(fēng)粉濃度控制在250g/m3左右,粉體粒徑為0.177mm時(shí),燃燒充分溫度高,結渣現象得到改購書(shū)者由郵局匯款到本刊編輯部。善,且經(jīng)濟合理。中國煤化工市府路88號(5)粉體燃燒模型可概括為三段式燃燒,即點(diǎn)CNMHG火和揮發(fā)分的析岀,揮發(fā)分的燃燒和固定碳的回郵政編碼:115000流燃燒。聯(lián)系電話(huà):0417-2832895