生物质粉体燃烧特性的研究

第25卷第1期可再生能源Vol 25 No I2007年2月Renewable Energy ResourcesFeb.2007生物质粉体燃烧特性的研究肖波,邹先枚,杨家宽,阮渊,马承荣(华中科技大学环境科学与工程学院,湖北武汉430074)摘媐:文章提岀了一种生物质粉体燃烧模型,根据此模型设计了专用的燃烧炉。研究揭示了生物质粉体燃烧特性突岀表现为体积特性,其次是粒径特性,同时温度场的分布验证了燃烧模型的当粉体粒径为0.1η7mm左右,毎干克粉体燃料配送4m风量时,燃烧效果与破碎成本最俿化。而且风粉混合物可以像燃气样输送、控制和燃烧。这种新的燃烧方式对提高生物质旳燃烧效率、改善结渣现象有重大的意义,并为生物质能的利用开辟了一条新途径关键词:生物质粉体;燃烧模型;燃烧特性;生物质能中图分类号:S210.7文献标志码:A文章编号: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引言链条炉排燃烧和流化床燃烧;按燃烧形态可分为生物质能与化石能相比,具有可再生和低污层状燃烧和沸腾燃烧。各种生物质燃烧技术均需染的优势,因而受到全世界普遍的重视,并已成为要对原料进行预处理,尤其是要改善积灰结渣给新能源的发展方向之一。生物质能主要通过直接燃烧炉带来的负面效应。超细化煤粉已广泛用于燃烧、气化、液化和厌氧发酵加以利用。在我国农煤的再燃烧和提高燃煤效率等领域,对生物质粉村,对生物质能的利用方式以直接燃烧为主,但其体的燃烧研究,国内尚无先例效率低于10%凹。开发切实可行的生物质燃烧技本实验室结合国内生物质能的开发现状,研术,提高燃烧效率,对合理利用农业、林业废弃物制岀一种生物质粉体燃烧技术。将农业废弃物用有重大的经济和环境意义。自行设计的破碎杋破碎成粉体后,喷入自制的燃目前生物质直接燃烧按原料形态可分为生物烧炉V凵中国煤化工提高燃烧温度和燃质成型燃料燃烧、生物质型煤燃烧和生物质与煤烧效CNMH守燃烧产生的不利影混烧;按燃烧炉可分为固定炉排燃烧、往复炉排或响,且其控制可以借鉴燃气控制方式,操作简便。收稿日期:2005-11-01作者简介:肖波(1958-),男,博士生导师,主要从事清洁生产、固废资源化和新能源的研究开发工作。E- mail.: xiaobo958@126com可再生能源2007,25(1)2燃烧模型假设3实验根据生物质优良的点火特性,挥发分含量高、3.1实验原料析岀迅速的特点,提出生物质粉体三段式燃烧实验原料主要针对软质型生物质(稻秸、麦模型(图1)。第一阶段:风粉混合物被点燃,析岀秸、玉米秸等),它们的燃烧性状大体相似,且原料所有挥发分,形成一次燃烧;第二阶段:未燃尽挥来源广泛,能降低原料的供应成本s。原料破碎成发分上升到主燃室内充分燃烧,产生的烟气扩散5种不同粒径的粉体,即0.420mm(40目),0.250到扩散室;第三阶段:固定碳回流到主燃室燃烧。mm(60目),0.177mm(80目),0.149mm(100目由此模型设计岀立式双回旋燃烧炉,由点火室、主和0.125mm(120目)。几种原料的元素分析、工业燃室、扩散室和回流室四部分组成,氧气乙炔在点分析和低位热值如表1所示。生物质含大量的火室壁上辅助点火,燃烧炉的下部有一活动窗口,碳和少量旳氫,挥发分Ⅴ含量高(普通煤为7用于排灰。38%),含灰分A低(普通煤为5%~25%),低位热扩散室扩散,热利用值Q约为无烟煤热值(24430kJkg)的3/5。点火室:析出挥主燃室:燃烧挥燃烧后烟气和排烟3.2实验装置发分井点燃发份和回流碳回流室:回燃烧实验系统由进料装置、进风裝置、燃烧炉流固定碳和测温数显系统组成(图2)。进料装置由螺旋进图1燃烧模型示意图料器、可调速电机、下粉管和振动电机组成。下粉Fig. I The schematic of combustion mod管用于防止一次风管内压力过高而导致的反喷现表1几种生物质的元素分析、工业分析和低位热值Table 1 The proximate analysis, ultimate analysis and lower heating value of some biomass燃料种类工业分析/%元素组成/%低位热值Q△/kJ…kgHP4.9713.8665.1116.06538.320.110.630.14611.2813980麦秸4.398.9067.3619.355.3141.280.180.650.3320.4015374玉米秸5.93714517.7554542.170.120.742.615550象,振动电机用于防止物料搭桥并保证下粉均匀。3.3实验方法进风装置由空压机、配风管、风量调节阀和转子流用于衡量燃烧效果的因子有温度、烟气和灰量计组成。一次风为输料进风,与粉体均匀混合形ˆ渣。粉体越细,燃烧效果越好,同时破碎成本也会成风粉气流;二次风切向进入,主要用于改善炉内增加。考虑到粉体燃烧和破碎成本的经济最优化,气流状态。燃烧炉为自制的立式双回旋燃烧炉。5选用θ.177mm(δ0目)的粉体对该立式双回流燃支镍铬-镍硅热电偶自下而上侬次测点火室、主烧炉进行全面燃烧实验,最后在最优工况下用不燃室、扩散室、回流室和炉膛的温度,温度由SwJ同粒径的粉体对燃烧性能的影响进行实验测试。Ⅲk精密数字温度计显示,不同点温度由换位实验步骤如下器转换触点测得①一次风量不变,改变电机转速,研究风粉浓热电偶度对燃烧的影响。②在最优一次风粉浓度下,开启二次风,研究二次风对燃烧的影响。二次风③在最优风粉浓度下,研究不同粒径的粉体对燃烧的影响中国煤化工-、二次风量比,加大次风粉风粉CNMH限。数字显示器4实验结果与讨论图2燃烧实验装置示意图4.1风粉浓度对燃烧的影响Fig. 2 The schematic of combustion次风流量保持为240m3/h,粉体浓度由调肖波,等生物质粉体燃烧特性的研究速电机调节螺旋进料器的转速来实现,粉体进料气成分都有影响。 Suanne paulrud对木粉燃烧的量与转速成正比风粉浓度(即粉体质量与风量之研究表眀:粉体越细,烟气中CO含量越低,但粒比)与点火室和主燃室能稳定保持的最高温度的径对NO影响不显著。不同粒径的粉体在该燃曲线关系见图3。粉体浓度越大,温度越高,但当烧炉中燃烧时,点火室的温度随时间变化曲线见风粉浓度为280gm3以上时,烟气很浓呈深黄色,图4。研究表明:大于0.42mm(即40目)的粉体很燃烧极不充分;当风粉浓度为25σg/m3,主燃室温难点燃;小于O.149mm(即100目)的粉体在该燃度能达到1127℃,烟气很淡呈浅白色。烧炉中最高温度达到1230℃,炉膛温度达到992℃;粉体越细,燃烧效果越好。综合考虑破碎成本和燃烧效果,采用粒径为O.177mm(即80目)生1100主燃室物质粉体燃烧最为经济合理。点火室o.125mm(120目D.49mm(100目)风松310190220250280图8000.177mm(80目)图3粉体浓度与温度的关系0420mm(40目)Fig 3 Relationship of the proportion of biomass powder to粉体挥发分含量高,燃烧性状近似于气体燃时间/min料,在燃烧炉中形成一种悬浮状的体积燃烧,风粉图4粉体粒径对点火室温度影响的曲线浓度是一个关键因素。粉体浓度太小不易保持稳Fig.4 The curve relationship of particle size to the tempreture定的燃烧状态,且温度偏低;浓度太大点火时易岀4.4燃烧炉内温度场分布现爆燃现象,且燃烧不充分,燃烧效率低。综合点通过炉膛温度场的测定,可以初步推断粉体火、温度和烟气三方面因素,最合适的风粉浓度为的空间燃烧状态。点火室、主燃室、扩散室、回流室250g/m3左右,与文献|6的结论是一致的和炉膛的温度随时间的变化如图5所示。点火室第④步实验中,在保持风粉浓度不变的前提下,加大单位时间内的风粉量,发现炉膛外墙出现裂纹,燃烧炉顶部受到气流的沖击,燃烧程度加一点火室一主燃室剧。特定的炉膛,单位时间内能燃烧的粉体质量是一扩散室有限的。单位时间内风粉量过大,燃烧炉内压力增一回流室炉膛加,易发生爆炸事故,炉子的容积和形状对粉体燃烧量都有影响。此燃烧炉点火室、主燃室、扩散室和回流室容积分别为2.27L,16.16L,41.25L和1012141618时间/m44.58L,每小时能容纳60kg的粉体量。图5燃烧炉内温度场分布4.2一、二次风量比Fig. 5 The temperature distribution in the furnace二次风在炉膛中部切向进入主燃室,用于补温度最高,这是由于粉体热分解的温度很低充适量的空气,并对气粉起到混合搅匀的目的实般在350℃就分解释放出80%左右的挥发分验结果表明,二次风对燃烧效果影响不显著,但其风粉混合物进入点火室后被迅速点燃,形成一次作为风粉浓度的微调机制,以及依现场燃烧状况燃烧V凵中国煤化工在高温区。从燃烧对燃烧进行辅助调节是非常必要的。一、二次风量开始CNMH力区进入扩散区的比例在315:1左右比较合适此时未燃尽的挥发分和碳粒由风送入主燃室,形4.3粒径对燃烧的影响成二次燃烧,使得主燃室的温度也很高。碳粒燃粉体燃料旳粒径对进料、点火、燃烧温度和烟烧速度较挥发份慢,相同的停留时间内碳粒不能可再生能源2007,25(1)完全燃烧,随气压通过回流室回流至主燃室,形参考文献成回流燃烧。燃烧烟气通过主燃室和扩散室间的马隆龙,吴创之,孙立生物质气化技术及其应用微孔进入扩散室,成为高温烟气。扩散室温度较北京:化学工业出版社,2003.回流室温度高这是由于它直接容纳高温烟气的2黄宝圣我国植物生物质能源开发展望U太阳能缘故造成的2003(1):20-233]姜秀民,李巨斌,邱健荣超细化煤粉燃烧特性的研究点火室、主燃室、扩散室和回流室内温度依次中国电机工程学报,2000(6):71-78降低,温度梯度为100右,炉膛与回流室温度4刘建禹,翟国勋,陈荣耀生物质燃料直接燃烧过程特性的分析东北农业大学学报2001(9):290-294模型是合理的。15]张殿军,陈之航生物质燃烧技术的应用能源研究4.5灰渣分析与信息,1999(3):15-2生物质燃料由于灰溶点低,易产生结渣现象。6肖浪,郭勇,杨家宽,等生物质粉体燃烧技术的初步生物质粉体燃烧充分,且随着粒径的减小,结渣率研究能源技术,2004(10):197-199降低吲,因而能有效改善这种现象。粉体不完全燃烧[7 SUSANNE PAULRUD, CALLE NILSSON. The effects of时,灰分呈黑色、有粘性,此外还有焦油和烟尘的混particle characteristics on emissions from burning wood合物粘在燃烧炉壁上,堵住扩散微孔,导致炉内排fuel powder [J Fuel, 2004, 83: 813-82118]李刚,马孝琴,张百良,等小型燃煤锅炉改造为生物烟不畅、压强增大,不仅对燃烧炉的热性能造成影质成型燃料锅炉的研究河南农业大学学报2002响,而且严重危及燃烧设备的安全。而完全燃烧后(9):265-268的灰分,呈浅白色粉末状,无粘性。生物质粉体在最9刘圣勇,张百良生物质(秸秆)成型燃料燃烧设备研优工况下燃烧时,不仅燃烧温度高,燃烧充分,结渣制及试验研究D河南农业大学,2004.90-91大大减轻,而且没有焦油的冷凝现象出现5结论书讯综合上述实验结果与分析,生物质粉体的燃烧特性总结如下。《村镇被动式太阳能建筑通用设计图集》1)生物质粉体比表面积大,加速了挥发分的析出速度,减小了固定碳的粒径,提高了燃烧速度选编了各种农村被动式太阳能建筑典型设计,并收入了太阳房建筑的各构件的技术参和效率(2)生物质粉体在燃烧炉中悬浮燃烧,燃烧性数及施工方法等资料。大16开本,彩色插页状近似于气体燃料,因而可考虑类似于气体燃料定价35元的燃烧和控制方式同时燃烧炉体积参数很关键,《塑膜覆盖节能日光温室图集》要特别防止岀现粉体燃烧量超过燃烧炉容量极限介绍了节能日光温室设计的理论基础,给的情况。出了在科学理论指导下的北纬32-45地区日(3)二次风对燃烧效果没有显著影响但作为光温室结构参数及其尺寸图表。大16开本,定风粉浓度的微调机制,现场燃烧状况的辅助调节价15元是非常必要的(4)风粉的体积参数和粉体粒径对燃烧至关《可再生能源》杂志(《农村能源》杂志),自2000年到2006年42期,共183元。重要。风粉浓度控制在250g/m3左右,粉体粒径为0.177mm时,燃烧充分温度高,结渣现象得到改购书者由邮局汇款到本刊编辑部。善,且经济合理。中国煤化工市府路88号(5)粉体燃烧模型可概括为三段式燃烧,即点CNMHG火和挥发分的析岀,挥发分的燃烧和固定碳的回邮政编码:115000流燃烧。联系电话:0417-2832895