近年来随着经济的迅猛增长，对能源的需求也日益高涨。如果不采取进一步的控制措施，到2010年、2020年和2030年，全国能源消费导致的NO.排放总量将分别达到1 677万t—l 853万t、2 363万t—2914万t和3154万t—4 296万t。政府面对着能源短缺和环境保护双重压力，而生物质兼具绿色、可再生、来源丰富的特点。我国是农业大国，也是秸秆资源最丰富的国家之一，其中以稻谷秸秆、小麦秸秆和玉米秸秆为典型的秸秆资源占据了农业秸秆中的大部分。
目前，生物质层燃燃烧技术在国外得到了很大的发展和应用，国内对此技术的研究并不多。履带抛丸机由于我国国情的需求，小型电站锅炉和工业链炉继续改造，而生物质层燃燃烧是一种可行的改造途径。基于生物质燃料本身复杂的物理化学特性，本文利用单元体炉搭建层燃实验炉对其层燃燃烧特性需要进行研究，并分析个体因素对层燃炉燃烧的影响，为生物质能的开发与应用提供理论与实验基础。
1、实验台设计和实验方法
1.1单元体炉实验台原理
单元体炉基于拉格朗日方法，即用局部变化来表征整体的变化，图1为层燃炉燃烧单元体原理示意图。图1中，吊钩抛丸机左边是生物质在实际层燃炉炉排上燃烧的示意图，可以看作是把燃烧层划分为一块块单元体，并随炉排一起运动。单元体炉通过研究一个燃料单元体的燃烧特征，了解整个层燃炉排的燃烧规律。右图为燃料在单元体炉内的燃烧示意图，全部燃料相当于炉排上的一个燃料单元体，在厚度方向上可以看成一维系统，水平方向上的各个参数认为是均匀的。单元体炉采用时间模拟空间的方法，层燃炉排上各燃烧参数随位置的变化就可以用单元体炉内各燃烧参数随时间的变化来表征。单元体炉内的燃料燃烧过程与实际层燃炉燃烧过程基本相似，可以代表实际炉中的燃烧单元体，因此在小型单元体炉实验台上测量得到的实验数据可以较为全面地反应大型真实燃烧系统的实际参数，富通新能源生产销售的秸秆颗粒机、秸秆压块机专业压制生物质成型燃料，生物质成型燃料主要供生物质锅炉燃烧使用。
1.2实验台设计
图2介绍了小型单元体炉实验台系统，整套系统包括炉体、风机、燃烧器、JCP-SL/96烟气预处理器、烟气分析仪、热电偶、温度采集及转换模块和U形臂压力计等。下面对该系统作简单的介绍：
(1)小型层燃炉实验台本体
整个炉体的高度约为5 m.炉体外部有保温层，炉体内部为钢板，并内村有高温耐火混凝土，中间燃烧段的腔体为直径∮300 mm的圆形，下部燃料放置段高度为600 mm。炉体共分为5段，第1层主要用来层燃燃烧实验，并布置了2个看火孔，第5段与烟道和卸料器相连，主要用来给料和排烟，中间3段结构相似，每1段都预留了相应的多用途孔，以便用来增加燃烧器、二次风、热电偶、积灰探针及取样等装置。
(2)给风及点燃着火系统
实验中采用罗茨风机送风，如图2所示，通过转子流量计控制给风量，以便实现不同的风量和配风方式，同时在烟道出口还通过引风机引出烟气，由于生物质燃料着火温度低，容易被点燃，本实验采用燃油燃烧器预热点燃燃料，燃烧器布置在燃料床层的上方，待燃料着火后撤掉燃烧器。
(3)炉排
为了能够很好的模拟燃秸秆层燃锅炉的配风情况，根据实际秸秆发电锅炉的通风截面比来选择小型层燃炉实验台的布风板（炉排）的空隙率。本次实验采用的孔隙率为0.2，炉排为∮300mm的圆形，炉篦上设置有通风孔。
(4)热电偶在炉膛中的布置
床层温度分布是燃料层燃燃烧放热的结果，通过测量层燃炉燃料层温度分布可对燃料层从着火到燃尽整个燃烧过程进行分析。在实际秸秆发电锅炉的运行中，常常采用的床层厚度一般在500—600 mm，在实验中选用的床层厚度为600 mm，在床层中安置6个热电偶，并在其余4段炉膛上安置两个热电偶以测量烟气温度．燃料层的温度通过上述安置的热电偶来测量，热电偶通过补偿导线与热电偶输入模块进行温度采集，然后连接数据转换模块，并用连接线与电脑相连以记录温度数据。
(5)烟气成分测量系统
烟气成分取样孔布置在床层的上方，烟气从取样管中抽出，经过除尘系统和干燥系统，进入红外煤气分析仪(可以分析C02、CO、H2、CH、02)进行成分分析，烟气分析仪通过COM，用连接线与电脑相连接，以记录烟气各成分浓度。
1.3实验方法
实验选用了水稻秸秆与玉米芯．对水稻秸秆进行粉碎处理，秸秆长度为0.2—1cm，玉米芯进行压缩成型处理，颗粒形状为圆柱形，长度为0～2cm，直径大约为1cm。生物质燃料的工业分析和元素分析见表1。实验的给风量为5m3／h，给料量以床层高度600mm为准。由燃烧器点燃床层燃料，着火后撤掉燃烧器，对床层温度及烟气成分进行在线连续分析。
2、实验结果及讨论
2.1层燃燃烧床层的温度分布殛气相产物分析
在实验中可以发现，一旦床层燃料被燃烧器点燃而着火，由挥发分和焦炭与氧气发生氧化反应产生的热量传给床层，这样燃烧就能在床层上持续下去。图3为层燃燃烧过程中，床层的温度分布及床层上方（y=650 mm）的气体成分分析曲线（a、b为粉碎秸秆；c，d为为玉米芯成型燃料）。以图3(a)为例，可以看到，在床层燃料着火之后，床层最顶端的热电偶T6的温度在100 s时间内从室温上升到844.9℃，当着火锋面穿过T6热电偶后，由于炉壁吸收了燃烧产生的热量，热电偶的温度缓慢下降至300℃—500℃，其余热电偶在燃烧过程中的温度分布。相似。880 s后，最后一个热电偶丁，的温度达到最大值，然后温度慢慢下降，这表明着火锋面达到了炉篦的位置。在之后的180s，热电偶Tz的温度重新升高，这可能是由于未反应的焦炭重新着火燃烧而引起的。
整个燃烧过程可以假设是从第一个热电偶温度达到400℃时开始，当最后一个热电偶温度达到400℃时，着火锋面达到炉篦，整个热解过程结束，挥发分完全析出，未反应的焦炭继续燃烧直至燃烧完全结束。整个燃烧过程的结束以0z浓度恢复到开始值22%为标志。整个燃烧过程中的气体成分浓度变化见图3。
图3(b)、图3cd)为层燃过程中床层上方的气体成分分析。以图3(b)为例，可以看到，在着火后的120 s内，床层上方的气体成分中氧气浓度迅速降到0%左右，二氧化碳和一氧化碳浓度分别升至l4%和7%左右。在着火锋面向下传播过程中，各气体成分相对比较稳定。当着火锋面传播到达炉篦位置时，一氧化碳浓度迅速下降至3%左右，氧气浓度开始上升，这与温度分布曲线很吻合。随着焦炭燃烧反应完全结束后，二氧化碳浓度开始下降，氧气浓度继续上升。在1500 s后，氧气浓度恢复到接近开始值22%，二氧化碳和一氧化碳浓度下降到0%附近，这标志着整个燃烧过程完全结束，燃烧过程的气体成分浓度变化曲线与温度曲线吻合的很好。
2.2不同的给风量对层燃燃烧的影响
给风量对层燃燃烧的燃烧特性有重要影响。在实验中，采用了不同的给风量(5、10、30、50、70、90 m3／h)．以分析风量对燃料的燃尽时间和温度的影响。网4为粉碎秸秆在不同风量条件下燃烧过程中床层的温度分布曲线。
由图4可以看出，不同风量条件下，床层温度分布曲线形状相似，只是燃烧过程所需要的时间不同，这主要是由于风量的不同而引起了着火锋面传播速率发生改变，可以看到随着给风量的增加，燃烧完全所需要的时间缩短，同时在实验中发现，当给风量增加至90m3／h时，粉碎水稻秸秆燃料很难被点燃，这可能是由于过量空气系数太高，使燃烧器产生的热量被以对流的形式带走，从而没有足够的热量引燃燃料。同样的情况也适用于玉米芯成型燃料，见图5。从图5中可以看出，在低给风量30m3／h、50m3／h的条件下，着火锋面在床层中的传播速率并不是很均匀，着火锋面的温度峰值在床层中也很不均匀，可以看出，成型的玉米芯燃料更适合在高给风量条件下燃烧。
3、结论
通过设计并搭建了生物质多功能实验台，并对生物质燃料层燃燃烧过程进行了研究，对基于拉格朗日办法的单元体炉设计原理，整个单元体炉炉体、给风及点燃着火系统、炉排等各个系统分别做了详尽的介绍。分析了床层上方的气体成分浓度等参数及风量对生物质燃料层燃燃烧的影响：
(1)通过对床层内部分布的热电偶的温度和整个燃烧过程中床层上方气体成分的浓度变化进行分析。发现燃烧过程的各气体成分浓度变化曲线与温度变化曲线吻合得很好。
(2)实验分析了不同风量对燃料燃尽时间和温度的影响。不通风量下，床层温度分布曲线形状相似，随着风量增大，燃烧完全所需要的时间缩短，相对比粉碎秸秆，成型的玉米芯燃料更适合在高给风量条件下燃烧。
