生物質(zhì)成型燃料燃燒特性的實(shí)驗(yàn)研究

1、2009年中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)年會(huì)生物質(zhì)成型燃料燃燒特性的實(shí)驗(yàn)研究張思佳 蔡麗紅華北電力大學(xué) 河北保定 071003 湖北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院 湖北武漢 430024Zhang Sijia Cai LihongDept.of Environmental & Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003摘要：以生物質(zhì)成型燃料和煤粉作為實(shí)驗(yàn)燃料，在不同的燃燒時(shí)間和燃燒溫度下進(jìn)行生物質(zhì)純燒和混燒的燃燒特性的研究。結(jié)果表明：生物質(zhì)成型燃料在純燒時(shí)，燃盡率較相同條件下的煤粉為低，這是由于生物質(zhì)成型燃料由表面著火后，逐

2、步向內(nèi)部燃燒，隨著揮發(fā)分的析出和氧分內(nèi)部擴(kuò)散阻力的增大，剩余焦炭并沒有完全燃盡；而煤粉粒徑較小，在同樣的燃燒條件下卻達(dá)到了相對(duì)較高的燃盡率。生物質(zhì)的加入很好的改善了煤的燃燒特性，且當(dāng)煤和生物質(zhì)按熱量比為80%20%時(shí)燃盡率最大，此混合比為最佳燃料混合比。延長(zhǎng)燃燒時(shí)間，混合物的燃盡情況也有所改善。生物質(zhì)粒度對(duì)燃燒狀況也有影響，生物質(zhì)粒度越小，燃料與氧氣的接觸面積就較大，燃燒越充分。關(guān)鍵詞：生物質(zhì)燃料；燃燒特性；純燒；混燒；成灰特性. 中圖分類號(hào)：X24Experimental Study On Combustion Characteristics Of Biomass BriquettesAbs

3、tractUsing biomass fuel and coal as experiment fuels, in different combustion time and combustion temperature, the combustion characteristics for pure burning of biomass and mixed burning will be studied. The results show that in pure burning cases, the burnout rate of the biomass is lower than coal

4、 under the same conditions. According to the analyzing result, it is due to the biomass burning starting from the surface after it is fired, and gradually to the internal combustion. With evaporating of the volatile matter and increasing of the internal diffusion resistance of oxygen, the residual c

5、oke is not completely burned up; while the particle size of coal is smaller, in the same combustion conditions, the coal has reached a relatively high burnout rate. The accession of the biomass is good to the improvement of the coal combustion characteristics, and when coal and biomass is mixed by t

6、hermal ratio 80% to 20%, the2009.11.25-27中國(guó)·天津burn-off rate is the largest, proving that this mixture ratio is the best fuel mixture ratio. Extending combustion time, the burnout situation is also improved. The particle size of the biomass also can influence the combustion status. The smaller t

7、he particle size of biomass is, more greater the contact area of fuel and oxygen gets and more fully the burning is .Keywords : Biomass fuels; Combustion characteristics; Pure firing; Co-firing; Characteristics of ash formation1前言人類正面臨著發(fā)展與環(huán)境的雙重壓力。經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展以能源為重要?jiǎng)恿?，?jīng)濟(jì)越發(fā)展，能源消耗越多，尤其是化石燃料消費(fèi)的增加，就有兩個(gè)突出問題擺在我

8、們面前：一是造成環(huán)境污染日益嚴(yán)重，二是地球上現(xiàn)存的化石燃料總有一天要掘空。因此對(duì)生物質(zhì)能利用的研究開發(fā)已成為開發(fā)新能源的一個(gè)重要方向 。在生物質(zhì)燃燒發(fā)電過程中，生物質(zhì)的燃燒過程以及燃燒所產(chǎn)生物質(zhì)的化學(xué)和物理性質(zhì)對(duì)能量轉(zhuǎn)化裝置的設(shè)計(jì)，灰資源化利用與污染控制具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。本文將系統(tǒng)地研究生物質(zhì)的燃燒特性,以便為生物質(zhì)高效燃燒發(fā)電提供理論基礎(chǔ)。 2實(shí)驗(yàn)過程與內(nèi)容論文研究的主要手段是通過實(shí)驗(yàn)對(duì)生物質(zhì)和煤的燃燒特性進(jìn)行研究。利用馬弗爐和烘干箱對(duì)生物質(zhì)和煤進(jìn)行工業(yè)分析。并通過改變?nèi)紵郎囟?、改變?nèi)紵龝r(shí)間以及改變?nèi)紵绞剑ㄉ镔|(zhì)成型燃料、生物質(zhì)粉末燃料的純燒和不同比例的混燒）等手段，研究生物質(zhì)

9、和煤在馬弗爐內(nèi)燃燒后的燃燒特性以及成灰特性。另外，通過不同比例的混合燃燒實(shí)驗(yàn)，確定生物質(zhì)與煤混燒的最佳混合比。 2.1實(shí)驗(yàn)樣品生物質(zhì)成型燃料(玉米稈和鋸末的混合物,大同某電廠煤粉。 2.2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（1）實(shí)驗(yàn)前要對(duì)煤和生物質(zhì)進(jìn)行工業(yè)分析，用氧彈測(cè)熱計(jì)分別測(cè)它們的發(fā)熱量。將適量的煤粉和生物質(zhì)，置于馬弗爐內(nèi)，分別在700°C、900°C、1100°C下燃燒5、10、15分鐘，取出未燃盡樣品，測(cè)其重量a 并記錄，然后對(duì)未燃盡樣品進(jìn)行灰分檢查后測(cè)其重量b 并記錄。通過公式：燃盡率=(b/a*100%求得煤和生物質(zhì)在不同溫度下燃燒不同時(shí)間后的燃盡率，通過電子顯微鏡觀察它們?nèi)紵?/p>

10、后的成灰特性并觀察其特點(diǎn)，總結(jié)出煤和生物質(zhì)燃燒特性的不同點(diǎn)。 （2）煤和生物質(zhì)按熱量比為70%30%，80%20%，90%10%等不同的比例混合，用上述同樣的方法對(duì)混合物的燃盡率和成灰特性進(jìn)行研究，提出生物質(zhì)燃料和煤粉混合燃燒的最佳混合比。（3）將生物質(zhì)磨碎，其單獨(dú)燃燒以及它和煤按上述熱量比混合，在900°C下燃燒5、10、15分鐘后測(cè)其燃盡率并觀察其成灰特性。與生物質(zhì)成型燃料以及它和煤的混合燃燒做對(duì)比，總結(jié)出生物質(zhì)的粒度對(duì)燃燒特性的影響。生物質(zhì)成型燃料和煤的工業(yè)分析見表1：表1生物質(zhì)成型燃料和煤的工業(yè)分析結(jié)果樣品水分灰分 揮發(fā)分 固定碳生物質(zhì)成型燃料 7.6%3.01%75.83%

11、 13.56%煤1.2%36.12% 12.34% 50.34%由表1可以看出，生物質(zhì)成型燃料的水分明顯高于煤，這使得其不易破碎，容易粘附在設(shè)備上，增加粉碎的能耗。生物質(zhì)成型燃料與煤比，著火困難，水分影響了燃燒速率，使?fàn)t內(nèi)溫度降低，使機(jī)械和化學(xué)不完全燃燒的熱損失增加；生物質(zhì)成型燃料的揮發(fā)分明顯的高于煤，所以易于著火，燃燒穩(wěn)定，但火焰溫度較低；煤的灰分較高，可燃成分相對(duì)較少，熱值相對(duì)較低，燃燒時(shí)，熔化的灰分還會(huì)在爐內(nèi)結(jié)成爐渣，影響煤的氣化和燃燒，同時(shí)造成排渣困難。煉焦時(shí)，全部轉(zhuǎn)入焦炭，降低了焦炭的強(qiáng)度，嚴(yán)重影響焦炭質(zhì)量；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

12、別是固定碳的含量明顯地比煤炭少1。因此，生物質(zhì)燃料不抗燒,熱值較低，相比之下煤更難燃燒，著火燃燒的溫度也較高，易產(chǎn)生固體不完全燃燒，在灰渣中有碳?xì)堄唷?生物質(zhì)成型燃料的純燒特性 3.1溫度和時(shí)間對(duì)燃料燃燒特性的影響表2為不同溫度和不同燃燒時(shí)間下測(cè)得的生物質(zhì)成型燃料的燃盡率：從表2中可以看出生物質(zhì)成型燃料的燃盡率比煤要低很多，主要原因是生物質(zhì)在燃燒時(shí)，其表面上的可燃物質(zhì)燃盡后形成的灰分外殼，隔絕了2009年中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)年會(huì)氧化介質(zhì)，使氧氣內(nèi)部擴(kuò)散阻力增大，空氣與內(nèi)層可燃物質(zhì)的接觸不充分導(dǎo)致生物質(zhì)成型燃料難于燃燒完全，造成爐溫下降和燃燒不穩(wěn)定。在相同的燃燒時(shí)間下，隨著溫度的升高，煤和生物質(zhì)成型

13、燃料的燃盡率都有所提高；且燃燒溫度不變，燃燒的時(shí)間越長(zhǎng)，兩者的燃盡程度也越大，說明適當(dāng)?shù)奶岣呷紵龝r(shí)間，燃燒就越充分，但是不能無限制的延長(zhǎng)時(shí)間，當(dāng)燃盡率達(dá)到一定值時(shí)，再增加時(shí)間，燃盡率不再提高。通過電子顯微鏡對(duì)試樣在不同溫度下燃燒數(shù)分鐘后的表觀形貌進(jìn)行觀察可以得出：燃燒溫度越高，煤轉(zhuǎn)化為灰的程度越大，煤樣的顏色越淺，說明燃盡率有所提高，但不能明顯的看出生物質(zhì)成型燃料的灰在不同溫度下的變化，分析原因認(rèn)為是由于在燃燒的短時(shí)間內(nèi)，氧氣不能快速進(jìn)入生物質(zhì)成型燃料內(nèi)部，而導(dǎo)致其不能充分燃燒，使得灰沒有太大的變化。對(duì)燃料進(jìn)行灰分測(cè)定后發(fā)現(xiàn)，煤灰具有多孔結(jié)構(gòu)和球型粒徑的特性，在松散狀態(tài)下要比生物質(zhì)成型燃料形成

14、的灰顏色淺，且粉煤灰的顆粒比較細(xì)膩，但生物質(zhì)成型燃料的灰粒比較粗，結(jié)構(gòu)松散，以物理性沙粒為主，黏著性較差2。 3.2生物質(zhì)成型燃料的燃燒速率燒失量（m ）：在一定時(shí)間內(nèi)，燃料燃燒的失重量，單位為3g；m =m 1m 2 （1） 燃料燃燒的平均燃燒速度（V m ）：平均單位時(shí)間內(nèi)燃料的失重量，單位g/min；V m 2m =m 1t （2）1t 2在式（1，2）中：m 1為在t 1時(shí)刻燃料2009.11.25-27中國(guó)·天津質(zhì)量（g）；m 2為在t 2時(shí)刻燃料質(zhì)量（g）；t 1為燃料的開始燃燒時(shí)刻（min）；t 2為燃料的燃燒終止時(shí)刻（min）；由上式計(jì)算得出生物質(zhì)成型燃料燃燒的平均速

15、率如表3所示：表2 生物質(zhì)成型燃料和煤燃盡率的計(jì)算（%）生物質(zhì) 煤 5 10 1527.11 30.03 31.4029.61 30.95 35.2731.23 33.49 70.2032.66 36.84 38.2037.76 43.41 49.4940.84 47.90 79.30表3 生物質(zhì)成型燃料在不同溫度燃燒數(shù)分鐘后計(jì)算得出的燃燒速率（燃燒時(shí)間，min，溫度，燃 700 900 11000.2280 0.1174 0.08160.2329 0.1186 0.07750.2155 0.1350 0.0864質(zhì)成型燃料燃燒溫度，燃燒時(shí)的通風(fēng)條件等4。所以在進(jìn)行鍋爐設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)考慮諸多因素以

16、保證生物質(zhì)燃燒的穩(wěn)定性。 4生物質(zhì)成型燃料與煤的混燒實(shí)驗(yàn)  由表3可以看出相同溫度下隨著燃燒時(shí)間的延長(zhǎng)，燃燒速率有下降的趨勢(shì)，分析原因是當(dāng)生物質(zhì)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，此時(shí)供氧不足，即便再增加燃燒時(shí)間對(duì)燃燒速率也不會(huì)有太大的改觀，所以導(dǎo)致燃燒時(shí)間越長(zhǎng)，平均燃燒速率反而下降。當(dāng)燃燒時(shí)間相同，升高溫度時(shí)，生物質(zhì)平均燃燒速率有增有減，沒有規(guī)律的變化趨勢(shì)。根據(jù)生物質(zhì)成型燃料燃燒動(dòng)力學(xué)分析，影響生物質(zhì)成型燃料速度的主要因素有：生物質(zhì)種類，生物質(zhì)的含水率，生物質(zhì)成型燃料密度，生物質(zhì)成型燃料的幾何尺寸，生物圖1 不同比例的混合物在700下燃

17、燒不同時(shí)間后的燃盡率  圖2不同比例的混合物在900下燃燒不同時(shí)間后的燃盡率圖1、2表示煤和生物質(zhì)成型燃料按不同的熱量比混合，改變?nèi)紵龝r(shí)間和燃燒溫度后它們的燃燒情況。由圖1、2可知對(duì)于同一混合比來說，溫度越高，燃燒時(shí)間越長(zhǎng)，燃盡率越大。煤和生物質(zhì)成型燃料按80%20%的熱量比混合時(shí)，在同等條件下，它們的燃盡情況最好，說明此時(shí)為最佳混合比；生物質(zhì)成型燃料和煤混燒時(shí)，由于燃燒性質(zhì)相差很大而產(chǎn)生分別燃燒，能夠有效的改善煤樣的燃燒性能5，降低著火溫度，改善著火性能、提高生物質(zhì)燃料的熱利用率等。生物質(zhì)成型燃料的燃燒分為兩個(gè)階段：第一階段在250-350°C之間，這一階段主要

18、是其纖維和木質(zhì)裂解和揮發(fā)分釋放燃燒階段；第二階段在350-450°C之間，這一階段主要是其裂解后焦炭燃燒階段6。煤的揮發(fā)分燃燒不明顯，主要以焦燃燒為主。在混合物燃燒時(shí)，空氣供給量也是一個(gè)很重要的條件。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。 5粉末狀生物質(zhì)的燃燒特性實(shí)驗(yàn)2009年中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)年會(huì) 上面的研究結(jié)果表明，生物質(zhì)成型燃料的燃盡率比煤要低，且在成型燃料與煤的混燒實(shí)驗(yàn)中測(cè)定，燃盡率也偏低，分析原因是由于生物質(zhì)成

19、型燃料由表面著火后，逐步向內(nèi)部燃燒，隨著揮發(fā)分的析出和氧分內(nèi)部擴(kuò)散阻力的增大，剩余焦炭并沒有完全燃盡；而煤粉由于粒徑較小，在同樣的燃燒條件下卻達(dá)到了相對(duì)較高的燃盡率。下面即以粉末狀生物質(zhì)為研究對(duì)象，考察生物質(zhì)燃料在粒徑減小后，其燃燒特性的改善情況，并以實(shí)驗(yàn)結(jié)果與上文進(jìn)行對(duì)比。 5.1粉末狀生物質(zhì)與煤粉的混燒圖3為煤和粉末狀生物質(zhì)按不同熱量比混合在900下燃燒不同時(shí)間后的情況。由圖3可知，與粉末狀生物質(zhì)和煤在900°C下的混燒作對(duì)比，燃燒規(guī)律是完全相同的，最佳混合比仍然是80%20%，但是生物質(zhì)粉碎后，使混合燃燒的效率有了很大的提高，說明生物質(zhì)的粒度越細(xì)，能夠與氧氣有更充分的接觸，其揮

20、發(fā)分更易析出，且燃料燃燒更加充分。但是粉碎后的生物質(zhì)燃燒性能不如粉碎前穩(wěn)定。生物質(zhì)的燃盡溫度在500°C左右7，燃燒速率最大時(shí)對(duì)應(yīng)溫度與其著火溫度相差無幾，說明生物質(zhì)燃燒后能很快達(dá) 到最大燃燒速率。圖3混合物在900下按不同比例混燒不同時(shí)間后的燃盡率5.2粉末狀生物質(zhì)的純燒2009.11.25-27 中國(guó)·天津 圖 4 表示粉末狀生物質(zhì)在 900下燃燒 不同時(shí)間后所測(cè)得的燃盡率。 從圖 4 可以看 出， 生物質(zhì)在粉碎后比同等條件下生物質(zhì)燃 燒的燃盡率有了很大的提高。 主要是因?yàn)榉?碎后的生物質(zhì)， 氧氣在其內(nèi)部擴(kuò)散速度會(huì)很 快。 它密度的減小也使揮發(fā)物的逸出速度加 快，縮短了

21、揮發(fā)物的燃燒時(shí)間，待揮發(fā)物逸 出后，剩余的炭結(jié)構(gòu)很疏松，運(yùn)動(dòng)氣流將其 解體，炭的燃燒會(huì)更加充分。 90.00% 80.00% 70.00% 60.00% 50.00% 40.00% 30.00% 20.00% 10.00% 0.00% 5分 10分 15分 質(zhì)氣化中， 推薦的粒度大小與氣化器和原料 有關(guān)?？傊?，生物質(zhì)的形狀往往對(duì)其轉(zhuǎn)化的 效果和轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)型有一定影響。 6 結(jié)論 本文通過對(duì)生物質(zhì)成型燃料、 生物質(zhì)粉 末燃料的純燒和混燒實(shí)驗(yàn)， 研究生物質(zhì)燃料 的燃燒特性和成灰特性， 得到的主要結(jié)論如 下： 1）煤和生物質(zhì)隨著溫度的升高，燃盡 率也有所提高，且燃燒時(shí)間越長(zhǎng)，燃盡情況 越好。生物

22、質(zhì)未磨碎前它的燃盡率要比煤 低，主要是因?yàn)樯镔|(zhì)的成型燃料在燃燒 生物質(zhì) 時(shí)， 其與氧氣的接觸面小。 當(dāng)生物質(zhì)磨碎后， 它的燃盡率就比煤要高， 說明粉末狀生物質(zhì) 與氧氣的接觸面積大， 揮發(fā)分析出快使得粉 末狀生物質(zhì)的燃盡率有很大提高。 2）通過對(duì)煤和生物質(zhì)的灰的觀察可以 圖 4 粉末狀生物質(zhì)在 900下燃燒不同時(shí)間后的燃盡率 發(fā)現(xiàn)，煤灰具有多孔結(jié)構(gòu)和球型粒徑的特 性，在松散狀態(tài)下顏色要比生物質(zhì)淺，且灰 的顆粒比較細(xì)膩，但生物質(zhì)的灰粒比較粗， 以物理性沙粒為主，黏著性較差。 3）通過對(duì)生物質(zhì)和煤的工業(yè)分析可知 生物質(zhì)的灰分較低，不可燃成分較少，熱值 相對(duì)較高，煤的灰分含量比較高，其可燃成 分相對(duì)

23、減少， 這樣用于加熱灰分的熱量消耗 隨之增加，故煤的燃燒溫度下降，燃燒穩(wěn)定 性較差。 生物質(zhì)的揮發(fā)分較高， 它易于著火， 也容易燃盡，燃燒穩(wěn)定，但火焰溫度較低。 生物質(zhì)粒徑分布對(duì)生物質(zhì)燃盡所需的 時(shí)間是非常重要的。 不均勻粒徑生物質(zhì)顆粒 中包含了許多燃盡極快的細(xì)顆粒， 因此其最 初的燃燒較均勻粒徑的生物質(zhì)來得快。 隨著 燃燒的繼續(xù)進(jìn)行， 不均勻粒徑顆粒群中剩下 的燃料都是些比初始重量平均粒徑大的顆 粒。這些大顆粒在很低的氧濃度下燃盡，因 而會(huì)造成燃盡時(shí)間的大大增加。 因此生物質(zhì) 磨碎后，細(xì)顆粒增多，燃盡情況明顯有所改 善。 生物質(zhì)的轉(zhuǎn)化過程中， 一般對(duì)生物質(zhì)的 粒度都有一定要求，例如，在直接燃燒時(shí)， 為了能夠使在燃燒過程中氧氣供應(yīng)充分， 要 將生物質(zhì)物料劈開和折斷，但也不能太細(xì) 小；在生物質(zhì)成型中，往往需要對(duì)生物質(zhì)進(jìn) 行粉碎，以達(dá)到所需要的粒度要求；在生物 生物質(zhì)的固定碳含量和煤比較少， 所以生物 質(zhì)容易燃燒，著火燃燒的溫度也比較低。本 實(shí)驗(yàn)用的生物質(zhì)水分含量較高，