生物質(zhì)燃料直接燃燒過程特性的分析

1　生物質(zhì)燃料和固體礦物質(zhì)燃料(煤)的主要差別　

生物質(zhì)燃料和煤碳相比有以下一些主要差別

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(dāng)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。

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(jié)合成低分子的碳?xì)浠衔?span lang="EN-US">,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(shè)備設(shè)計(jì)中必須注意到這一點(diǎn)?！　?span lang="EN-US">

3)含氧量多。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(shí)可相對(duì)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,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0.20%,燃燒時(shí)不必設(shè)置氣體脫硫裝置降低了成本,又有利于環(huán)境的保護(hù)。

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(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)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(dāng)?shù)目諝夤?yīng)。它可分作:預(yù)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。燃料送入燃燒室后,在高溫?zé)崃?span lang="EN-US">(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(dāng)揮發(fā)分的燃燒快要終了時(shí),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(gè)階級(jí):即揮發(fā)分析出燃燒和焦碳燃燒,前者約占燃燒時(shí)間的10%,后者則占90%。

同時(shí)也可看出,生物質(zhì)燃料在燃燒過程中有以下一些特點(diǎn):

1)物質(zhì)燃料的密度小,結(jié)構(gòu)比較松散,揮發(fā)分含量高,在250℃時(shí)熱分解開始,在325℃時(shí)就已開始十分活躍,350℃時(shí)揮發(fā)分能析出80%。可以看到,揮發(fā)分析出時(shí)間較短,若空氣供應(yīng)不當(dāng),有機(jī)揮發(fā)分容易不被燃燼而排出,排煙為黑色,嚴(yán)重時(shí)為濃黃色煙。所以在設(shè)計(jì)燃用生物質(zhì)燃料的設(shè)備時(shí),必須有足夠的擴(kuò)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(shí)間。同時(shí)空氣供給量的多少也是生物質(zhì)氣化爐設(shè)計(jì)的關(guān)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,氣流運(yùn)動(dòng)會(huì)將一部分碳粒裹入煙道,形成黑絮,所以,通風(fēng)過強(qiáng)會(huì)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(jìn)焦碳的燃燒充分,此時(shí)應(yīng)適當(dāng)加以捅火或加強(qiáng)爐蓖的通風(fēng)。

3　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(huì)吸收燃燒產(chǎn)生的熱量,降低燃燒溫度,淡化可燃?xì)怏w的濃度,使化學(xué)反應(yīng)減慢;過少的空氣供給或空氣受阻,分配不良,會(huì)使可燃?xì)怏w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(xué)反應(yīng)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(jì),單位質(zhì)量燃料的理論需要空氣量可按下式計(jì)算:V0=0.0889Cy+0.256Hy+0.0333(Sy+Oy)Nm3/kg燃料　(1)式中　V0——單位質(zhì)量燃料理論需要標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下空氣的體積,Nm3/kg燃料;Cy、Hy、Sy、Oy——燃料各組成元素的應(yīng)用基含量,。常見的生物質(zhì)燃料,其理論需要空氣量為4～5Nm3/kg燃料。在實(shí)際燃燒時(shí),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(shí)際供給的空氣要比理論需要量要多。實(shí)際供給空氣量V和理論空氣量之比稱作空氣過量系數(shù),

用符號(hào)a表示:a=VV0(2)Vpy=[0.018866(Cy+0.375Sy)+0.111Hy+0式中　

Vpy——每千克燃料燃燒產(chǎn)生的實(shí)際煙氣量　Nm3/kg燃料Wy、Ny——燃料的水分、氮元素的應(yīng)用基含量的百分?jǐn)?shù)。爐灶中的排煙損失和排煙量及排煙溫度有關(guān),排煙量大,排煙損失也隨之增大。同時(shí),排煙量的多少直接關(guān)系到爐灶的喉口、煙囪截面和火炕炕洞截面尺寸的確定。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(shí)際測(cè)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(huì)減少空氣的進(jìn)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(shí)可達(dá)4.0以上。一般情況下空氣過量系數(shù)a值在1.70～3.00之間。最佳的空氣過量系數(shù)a值為2.00左右?？諝膺^量系數(shù)可以采用煙氣分析儀測(cè)定,其值可按下式計(jì)算獲得:apy=2121-79O2-0.5CO100-(CO2+O2+CO)(3)式中　apy——排煙處空氣過量系數(shù);O2,CO2,CO——干煙氣中氧、二氧化碳、一氧化碳含量的百分?jǐn)?shù)。此式中CO2嚴(yán)格講應(yīng)為RO2=CO2+SO2,由于生物質(zhì)燃料中硫的含量很少,故SO2忽略不計(jì)。

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(guān)外,尚和空氣過量系數(shù)有關(guān)。每千克燃料燃燒實(shí)際產(chǎn)生的煙氣量可按下式計(jì)算:.0124Wy+0.008Ny+(1.0161apy-0.21)V0]Nm3/kg燃料(4)

5　理論燃燒溫度　　目前尚不能用計(jì)算方法來獲得實(shí)際燃燒溫度,因?yàn)樗芡饨缭S多因素的影響。為了評(píng)價(jià)燃料燃燒過程本身的程度,設(shè)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(jì)算出來的燃燒溫度稱為理論燃燒溫度,它可以按下式進(jìn)行計(jì)算:tth=Qdw+Qa+Qf+Qt.dVpy·Cpy　　℃(5)式中　tth——理論燃燒溫度,℃;Qdw——燃料的低位熱值,kJ/kg燃料;Qa——空氣帶入的物理熱,kJ/kg燃料;Qf——燃料帶入的物理熱,kJ/kg燃料;Qt.d——燃料熱分解的吸熱,kJ/kg燃料;Cpy——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=2.4時(shí),其理論燃燒溫度約為940℃,明顯地低于煤炭的理論燃燒溫度。實(shí)測(cè)實(shí)際燃用生物質(zhì)燃料的爐灶的結(jié)果是:焦碳層的燃燒溫度為:850℃～900℃,火焰溫度:500℃～700℃,在a減小時(shí)此值尚能提高。

6　結(jié)束語(yǔ)　　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(chǔ)性知識(shí)將有助于生物質(zhì)燃料直接燃燒時(shí)燃燒效率的提高。同時(shí)也為生物質(zhì)氣化的研究提供理論依據(jù)。