生物質(zhì)成型燃料燃燒規(guī)律研究

生物質(zhì)成型燃料燃燒規(guī)律研究

生物燃料燃燒理論的理論分析是為生物燃料燃燒設(shè)備開發(fā)的基礎(chǔ)。生物燃料燃燒規(guī)律與木塊和煤炭的燃燒規(guī)律有一定的不同。為了使生物質(zhì)成型燃料燃燒設(shè)備能夠有較高的燃燒效率與較少的污染,必須對生物質(zhì)成型燃料燃燒規(guī)律加以認(rèn)真地研究與分析。根據(jù)國內(nèi)外文獻(xiàn)檢索,關(guān)于生物質(zhì)成型燃料層狀燃燒的點(diǎn)火性能、燃燒機(jī)理、動力學(xué)特性還未見報到。為此作者根據(jù)試驗結(jié)果對生物質(zhì)成型燃料的點(diǎn)火性能、燃燒機(jī)理、燃燒特性等燃燒規(guī)律進(jìn)行分析與總結(jié)。1在生物化學(xué)中，燃料火燃燒性能的理論分析中1.1空氣溫度的確定生物質(zhì)成型燃料的點(diǎn)火過程是指生物質(zhì)成型燃料與氧分子接觸、混合后,從開始反應(yīng),到溫度升高至激烈的燃燒反應(yīng)前的一段過程。實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)成型燃料的點(diǎn)火必須滿足:生物質(zhì)成型燃料表面析出一定濃度的揮發(fā)物,揮發(fā)物周圍要有適量的空氣,并且具有足夠高的溫度。生物質(zhì)成型燃料的點(diǎn)火過程是:(1)在熱源的作用下,水分被逐漸蒸發(fā)逸出生物質(zhì)成型燃料表面;(2)隨后生物質(zhì)成型燃料表面層燃料顆粒中有機(jī)質(zhì)開始分解,在其過程中有一部分揮發(fā)性可燃?xì)鈶B(tài)物質(zhì)分解析出;(3)局部表面達(dá)到一定濃度的揮發(fā)物遇到適量的空氣并達(dá)到一定溫度,便開始局部著火燃燒;(4)隨后點(diǎn)火面漸漸擴(kuò)大,同時也有其它局部表面不斷點(diǎn)火;(5)點(diǎn)火面迅速擴(kuò)大為生物質(zhì)成型燃料的整體火焰出現(xiàn);(6)點(diǎn)火區(qū)域逐漸深入到生物質(zhì)成型燃料內(nèi)部一定深度,完成整個穩(wěn)定點(diǎn)火過程。點(diǎn)火過程如圖1表示。1.2影響銷點(diǎn)的因素點(diǎn)火溫度;生物質(zhì)種類;外界的空氣條件;生物質(zhì)成型密度;生物質(zhì)成型燃料含水率;生物質(zhì)成型燃料幾何尺寸等。1.3生物質(zhì)點(diǎn)火生物質(zhì)成型燃料一般是高揮發(fā)分的生物質(zhì)在一定溫度下擠壓而成。在高壓成型的生物質(zhì)燃料中,其組織結(jié)構(gòu)限定了揮發(fā)分由內(nèi)向外的析出速度及熱量由外向內(nèi)的傳遞速度減慢,且點(diǎn)火所需的氧氣比原生物質(zhì)有所減少,因此生物質(zhì)成型燃料的點(diǎn)火性能比原生物質(zhì)有所降低,但遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于型煤的點(diǎn)火性能。從總體趨勢分析,生物質(zhì)成型燃料的點(diǎn)火特性更趨于生物質(zhì)點(diǎn)火特性。2生物化學(xué)中的燃料燃燒理論的分析2.1生物質(zhì)燃燒方式生物質(zhì)成型燃料燃燒機(jī)理屬于靜態(tài)滲透式擴(kuò)散燃燒,燃燒過程就從著火后開始。(1)生物質(zhì)成型燃料表面可燃揮發(fā)物燃燒,進(jìn)行可燃?xì)怏w和氧氣的放熱化學(xué)反應(yīng),形成火焰;(2)除了生物質(zhì)成型燃料表面部分可燃揮發(fā)物燃燒外,成型燃料表層部分的碳處于過渡燃燒區(qū),形成較長火焰;(3)生物質(zhì)成型燃料表面仍有較少的揮發(fā)分燃燒,更主要的是燃燒向成型燃料更深層滲透。焦碳的擴(kuò)散燃燒,燃燒產(chǎn)物C02,C0及其它氣體向外擴(kuò)散,行進(jìn)中C0不斷與02結(jié)合成C02,成型燃料表層生成薄灰殼,外層包圍著火焰;(4)生物質(zhì)成型燃料進(jìn)一步向更深層發(fā)展,在層內(nèi)主要進(jìn)行碳燃燒(即C+02→C0),在球表面進(jìn)行一氧化碳的燃燒(即C0+02→C02),形成比較厚的灰殼,由于生物質(zhì)的燃盡和熱膨脹,灰層中呈現(xiàn)微孔組織或空隙通道甚至裂縫,較少的短火焰包圍著成型塊;(5)燃盡殼不斷加厚,可燃物基本燃盡,在沒有強(qiáng)烈干擾的情況下,形成整體的灰球,灰球表面幾乎看不出火焰,灰球會變暗紅色,至此完成了生物質(zhì)成型燃料的整個燃燒過程,燃燒過程如圖2表示。2.2影響生物燃料燃燒速度的因素生物質(zhì)成型燃料燃燒速度常用燒失量來表示:2.2.1生物化學(xué)燃料燃燒損失m在一定時間內(nèi),生物質(zhì)成型燃料燃燒的失重量,單位為g;m=m1-m2(1)2.2.2生物質(zhì)物質(zhì)成型燃料燃燒過程最佳時計算公式平均單位時間內(nèi)生物質(zhì)成型燃料的失重量,單位g/min;vm=m1?m2t1?t2(2)vm=m1-m2t1-t2(2)在式(1,2)中:m1為在τ1時刻生物質(zhì)成型燃料質(zhì)量(g);m2為在τ2時刻生物質(zhì)成型燃料質(zhì)量(g);τ1為生物質(zhì)成型燃料的開始燃燒時刻(min);τ2為生物質(zhì)成型燃料的燃燒終止時刻(min);根據(jù)生物質(zhì)成型燃料燃燒動力學(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,生物質(zhì)成型燃料燃燒溫度,燃燒時的通風(fēng)條件等。2.3生物燃料的燃燒性能2.3.1生物質(zhì)的熱值表1為六種主要生物質(zhì)的工業(yè)分析,元素分析、發(fā)熱量的數(shù)值:由表l可看出,生物質(zhì)的揮發(fā)分遠(yuǎn)高于煤,灰分和含碳量遠(yuǎn)小于煤,其熱值小于煤,生物質(zhì)這種燃料特點(diǎn)就決定了它的燃燒具有一定的特征。2.3.2燃燒后可能產(chǎn)生大量的低熱損失原生物質(zhì)特別是秸桿類生物質(zhì)密度小,體積大,其揮發(fā)分高達(dá)60%～70%之間,點(diǎn)火溫度低,易點(diǎn)火。同時熱分解的溫度又比較低,一般在350℃就釋放出80%左右的揮發(fā)分,燃燒速度快,燃燒開始不久迅速由動力區(qū)進(jìn)入擴(kuò)散區(qū),揮發(fā)分在短時期內(nèi)迅速燃燒,放熱量劇增,在傳統(tǒng)燃燒設(shè)備中,高溫?zé)煔鈦聿患皞鳠峋陀蔁焽枧懦?因此造成大量的排煙熱損失。另一方面,揮發(fā)分劇烈燃燒所需要的氧量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于外界擴(kuò)散所供應(yīng)的氧量,使供氧明顯不足,較多的揮發(fā)分不能燃盡,形成大量C0、H2、CH4等產(chǎn)物,產(chǎn)生大量的氣體不完全燃燒損失。當(dāng)揮發(fā)分燃燒完畢,進(jìn)入焦炭燃燒階段時,由于生物質(zhì)焦炭的結(jié)構(gòu)為構(gòu)散狀,氣流的擾動就可使其解體懸浮起來,脫離燃燒層,迅速進(jìn)入爐膛的上方空間,經(jīng)過煙道而進(jìn)入煙囪,形成大量的固體不完全燃燒熱損失。此時燃燒層剩下的焦炭量很少,不能形成燃燒中心,使得燃燒后勁不足。這時如不嚴(yán)格控制進(jìn)入空氣量,將使空氣大量過剩,不但降低爐溫,而且增加排煙熱損失。總之,生物質(zhì)燃燒的速度忽快忽慢,燃燒所需的氧量與外界的供氧極不匹配,呈波浪式燃燒,燃燒過程不穩(wěn)定。2.3.3主發(fā)酵時炭的燃燒過程由于生物質(zhì)成型燃料是經(jīng)過高壓而形成的塊狀燃料,其密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原生物質(zhì),其結(jié)構(gòu)與組織特征就決定了揮發(fā)分的逸出速度與傳熱速度都大大降低。點(diǎn)火溫度有所升高,點(diǎn)火性能變差,但比型煤的點(diǎn)火性能要好,從點(diǎn)火性能考慮,仍不失生物質(zhì)點(diǎn)火特性。燃燒開始時揮發(fā)分慢慢分解,燃燒處于動力區(qū),隨著揮發(fā)分燃燒逐漸進(jìn)入過渡區(qū)與擴(kuò)散區(qū),燃燒速度適中,能夠使揮發(fā)分放出的熱量及時傳遞給受熱面,使排煙熱損失降低。同時揮發(fā)分燃燒所需的氧與外界擴(kuò)散的氧很好的匹配,揮發(fā)分能夠燃盡,又不過多的加入空氣,爐溫逐漸升高,減少了大量的氣體不完全燃燒損失與排煙熱損失。揮發(fā)分燃燒后,剩余的焦炭骨架結(jié)構(gòu)緊密,像型煤焦炭骨架一樣,運(yùn)動的氣流不能使骨架解體懸浮,使骨架炭能保持層狀燃燒,能夠形成層狀燃燒核心。這時炭的燃燒所需要的氧與靜