玉米秸秆生物质颗粒燃料
玉米秸秆颗粒燃料燃烧特性的试验研究
引言
随着可再生能源的开发利用越来越受到人们的关注，生物质能作为地球上唯一能够固定碳的清洁性能源而逐渐被世界各国所重视。生物质能是仅次于煤炭、石油、天然气的第四大能源，约占全球总能源消耗的14%。
目前生物质能的利用方式大致可分为三类：一是直接燃烧；二是生物转换技术，通过微生物发酵方法制取液体燃料或气体燃料；三是热化学转换技术，通过热化学技术转化成流体燃料。在我国，生物质能主要还是作为一次能源在农村中使用，农村大多还是采用传统的炉灶直接燃烧，其转换效率仅为10%~20%，浪费严重，并且污染环境。
据统计，我国每年的农作物秸秆产量就可以达到6亿t，如果合理利用，必然能成为解决我国能源问题的一条有效途径。压缩成型颗粒燃料就是将这些密度小、体积膨松的农作物秸秆在一定压力下压缩成密度较大的棒状、粒状、块状等形状的燃料。压缩成型后不仅解决了原生物质秸秆堆积销毁的问题，还保持了原有的点火容易、CO2零排放等优点。将成型后燃料应用于传统的燃烧设备中，缩小了生物质原料的体积，大大增加了燃料的能量密度，从而提高了燃烧效率。从国内外的研究现状来看，国外主要研究和应用的是木质颗粒燃料，对玉米秸秆颗粒燃料成型及燃烧技术并无成熟经验。我国对生物质颗粒燃料燃烧所进行的理论和应用研究也较少，因此本文主要研究的是玉米秸秆颗粒燃料的燃烧特性，富通新能源生产销售的秸秆颗粒机、木屑颗粒机专业压制生物质颗粒燃料。
1、生物质颗粒燃料的燃烧机理
生物质颗粒燃料的燃烧过程可以分为干燥、挥发分析出和燃烧、固定碳燃烧三个阶段，燃烧机理如图1所示。当温度达到100℃左右时，生物质表面及颗粒缝隙的水逐渐蒸发出来，含水量越高，干燥过程所消耗的热量也就越多。干燥后的生物质颗粒燃料继续吸热升温，当温度达到160℃时，高分子有机物发生热分解反应，到300~400℃就能释放出70%左右的挥发分。析出的挥发分与氧气混合，燃烧放出热量，这些热量通过辐射、对流、热传导的形式传递给内层的新燃料，使内层燃料的挥发分析出、燃烧、放热。随着挥发分的减少，固定碳与氧气接触燃烧，燃烧产生的灰分把剩余的碳包裹，妨碍了气体的扩散，所以此时需要适当的人为搅动或加大空气量，以保证剩余焦炭完全燃烧。
2、试验系统
2.1反烧炉
试验所用的试验装置是自行设计的小型反烧单元体炉，如图2所示。
该系统包括炉体、送风机、流量计、热电偶、安全排烟罩、引风机、电阻丝、变压器、数据采集模块及电脑。其中，炉体由外径为114mm、壁厚2mm的不锈钢管制成，管上均匀绕有电阻丝，电阻丝接变压装置，最外层包裹硅酸盐保温毡。炉排上均匀分布着96个直径为5 mni的通风口，占整个炉排面积的20%。炉子运用的是反烧原理，通过送风机从上部送人空气，利用引风机从下部抽走烟气。进料时开启球阀，送空气时关闭球阀。烟气则是经过自行设计的安全排烟罩排至室外，在引风机的作用下，高温烟气和室内空气混合，降低烟气的温度后排至室外。温度的采集选用9只镍硅镍铬热电偶，分别测不同管断面中心处的温度，间隔均为50mm。数据采集软件为组态王。
2.2试验方法
首先，将选取的玉米秸秆颗粒燃料在5E -MACⅢ红外快速煤质分析仪中进行工业分析，再按照国家标准对其进行元素分析。由于该试验为固定床燃烧，试验前要把称重好的颗粒燃料通过球阀投入炉体，颗粒燃料随机地堆积在炉排上，关闭球阀。调试数据采集模块，校正热电偶的温度之后，便可以进行点火、燃烧试验。点火方式采用电加热点火，根据电阻丝缠绕的间距，变压器调至150V便可以点燃玉米秸秆颗粒燃料。燃烧过程中，通过调节变频风机改变送风量，同时开启引风机，将产生的烟气通过安全排烟罩排至室外。点火时，空气量不易过大，试验以400℃作为点火成功的标准，点火所的时间可以通过组态王软件的历史趋势曲线显示出来。颗粒燃料被点燃后，可以加大空气量，以满足颗粒燃料的充分燃烧所需的氧气量，数据采集模块自动采集炉膛内的温度并通过电脑输出，燃烧时间同样由组态王的历史趋势曲线显示出来。随着燃烧反应的进行，温度出现逐渐下降趋势，再调大空气量，从而保证剩余的焦炭充分燃烧。
3、试验结果与分析
3.1玉米秸秆颗粒燃料的性质
试验选取的玉米秸秆颗粒燃料是由山东省的玉米秸秆压制而成，选用SE - MACⅢ红外快速煤质分析仪进行工业分析，根据国家标准GB/T476 - 2008、GB/T 19227 - 2008、GB/T 214 - 2007、GB/T 213 - 2008进行元素分析，最终结果如表1所示。
3.2料层对玉米秸秆颗粒燃料燃烧的影响
分别对料层为100mm和200mm的玉米秸秆颗粒燃料进行燃烧试验，燃烧温度与时间曲线如图3所示。由图3可以明显地看出：料层为100mm的玉米秸秆颗粒燃料的燃烧时间约为292s；料层为200mm的玉米秸秆颗粒燃料的燃烧时间约为703s，是料层为100mm的2倍多，但燃烧过程中的平均温度780℃左右。颗粒燃料的燃烧时间与颗粒燃料的堆积密度有关，燃料堆积得越疏松，空气的传播速率以及热量的传播速率就越高，从而加速了着火过程，缩短了燃烧时间。由燃烧的温度曲线看出，颗粒燃料点火成功后，料层为100mm的燃烧较稳定，温度场波动不大，而料层为200mm的温度曲线有明显的下滑和回升阶段。因为料层为200mm的玉米秸秆颗粒燃料点火成功后温度直线升高到911℃，温度稳定的时间极短，热量低，传播过程中颗粒之间的孔隙率较小，降低了热量的传播速度，出现了温度的下滑。但随着燃烧反应的进行，颗粒燃烧放出的热量逐渐积聚起来，通过辐射、对流及热传导的形式传给下层新燃料，燃烧过程逐渐稳定，温度曲线回升，直到燃尽，燃烧后的产物轻微结渣。
3.3水分对玉米秸秆颗粒燃料燃烧的影响
一般地讲，水分是燃烧过程中的杂质，含水量越多，颗粒燃料的其他可燃成分就越少，热值越低。试验时取料层为100mm的玉米秸秆颗粒燃料两组，一组不做任何处理，测得含水量为3. 88%，另一组在105℃的条件下干燥6h，使大部分水分析出，测得含水量为0. 12%。未经过干燥处理的颗粒在点火过程中，有浓郁的黑烟冒出，主要是由于不完全燃烧造成的。燃烧初始阶段，挥发分大量析出，在空气量供给充足的条件下，含水量大的颗粒燃料，干燥水分消耗的热量就多，当温度达不到挥发分燃烧的温度时，造成挥发分燃烧的不充分，产生大量浓烟，经过干燥处理的颗粒燃料点火时则没有浓郁的黑烟冒出，燃烧过程中的平均温度略高。
3.4空气量对玉米秸秆颗粒燃料燃烧的影响
空气是影响燃烧过程的重要因素之一。点火时，炉膛温度较低，颗粒表面的化学反应速度很慢，耗氧量也不大，所以空气量过大会带走大量的热量，影响点火特性；若供给的空气量过低，则达不到点火时所需的氧气量，颗粒燃料无法点燃。点火成功后，为了保证其完全燃烧则需要加大鼓风，以提供燃烧所需的氧气。试验选取不同的过量空气系数来分析空气量对玉米秸秆颗粒燃料燃烧特性的影响，两次典型性试验如表2所示。
从表2中可以看出：玉米秸秆颗粒燃料点火时间较短，这是与水分、挥发分含量相对应的，挥发分含量越高，含水量越低，颗粒燃料越易点燃。燃烧时，过量空气系数为1.2时，最高燃烧温度可以达到1122℃，燃烧时间可持续9 min，过量空气系数为2.5时，最高燃烧温度为970℃，燃烧时间持续了5 min，燃烧后的产物分别如图4所示。过量空气系数为1.2时，结渣现象严重，过量空气系数为2.5时，几乎不结渣。颗粒燃料的结渣率与其化学组成有关，燃料中Si元素含量越高，结渣趋势越明显；碱金属元素(K、Na)含量越高，燃料结渣现象亦越明显；碱土金属( Mg、Ca)含量越高，燃料结渣趋势越小。对于玉米秸秆颗粒燃料本身的化学组成是不可改变的，除了在燃烧过程中人为添加抗结渣的添加剂外，可以通过改变空气量来降低结渣率。玉米秸秆颗粒燃料在过量空气系数提高了1.3后，结渣现象明显减少，证明增大空气量可以改善颗粒燃料的结渣现象。过量的空气可以带走大量的热量，降低炉膛内的温度，致使温度低于燃料的软化温度，从而降低结渣率。
4、结论
通过自行设计的试验台，反复试验，得出了玉米秸秆颗粒燃料的燃烧特性。玉米秸秆颗粒燃料的挥发分含量高，含水量低，易点燃，燃烧过程中温度较高，但是燃烧时间短，点火时有浓烟、结渣现象严重。干燥处理可以改善点火时冒烟严重的现象；增大过量空气系数可以降低玉米秸秆颗粒燃料的结渣率，是降低生物质颗粒燃料结渣率的一种有效方法，富通新能源生产销售的秸秆颗粒机专业压制农作物秸秆颗粒燃料。
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1、秸秆颗粒机
2、木屑颗粒机
随着可再生能源的开发利用越来越受到人们的关注，生物质能作为地球上唯一能够固定碳的清洁性能源而逐渐被世界各国所重视。生物质能是仅次于煤炭、石油、天然气的第四大能源，约占全球总能源消耗的14%。
目前生物质能的利用方式大致可分为三类：一是直接燃烧；二是生物转换技术，通过微生物发酵方法制取液体燃料或气体燃料；三是热化学转换技术，通过热化学技术转化成流体燃料。在我国，生物质能主要还是作为一次能源在农村中使用，农村大多还是采用传统的炉灶直接燃烧，其转换效率仅为10%~20%，浪费严重，并且污染环境。
据统计，我国每年的农作物秸秆产量就可以达到6亿t，如果合理利用，必然能成为解决我国能源问题的一条有效途径。压缩成型颗粒燃料就是将这些密度小、体积膨松的农作物秸秆在一定压力下压缩成密度较大的棒状、粒状、块状等形状的燃料。压缩成型后不仅解决了原生物质秸秆堆积销毁的问题，还保持了原有的点火容易、CO2零排放等优点。将成型后燃料应用于传统的燃烧设备中，缩小了生物质原料的体积，大大增加了燃料的能量密度，从而提高了燃烧效率。从国内外的研究现状来看，国外主要研究和应用的是木质颗粒燃料，对玉米秸秆颗粒燃料成型及燃烧技术并无成熟经验。我国对生物质颗粒燃料燃烧所进行的理论和应用研究也较少，因此本文主要研究的是玉米秸秆颗粒燃料的燃烧特性，富通新能源生产销售的秸秆颗粒机、木屑颗粒机专业压制生物质颗粒燃料。
1、生物质颗粒燃料的燃烧机理生物质颗粒燃料的燃烧过程可以分为干燥、挥发分析出和燃烧、固定碳燃烧三个阶段，燃烧机理如图1所示。当温度达到100℃左右时，生物质表面及颗粒缝隙的水逐渐蒸发出来，含水量越高，干燥过程所消耗的热量也就越多。干燥后的生物质颗粒燃料继续吸热升温，当温度达到160℃时，高分子有机物发生热分解反应，到300~400℃就能释放出70%左右的挥发分。析出的挥发分与氧气混合，燃烧放出热量，这些热量通过辐射、对流、热传导的形式传递给内层的新燃料，使内层燃料的挥发分析出、燃烧、放热。随着挥发分的减少，固定碳与氧气接触燃烧，燃烧产生的灰分把剩余的碳包裹，妨碍了气体的扩散，所以此时需要适当的人为搅动或加大空气量，以保证剩余焦炭完全燃烧。
2、试验系统
2.1反烧炉
试验所用的试验装置是自行设计的小型反烧单元体炉，如图2所示。
该系统包括炉体、送风机、流量计、热电偶、安全排烟罩、引风机、电阻丝、变压器、数据采集模块及电脑。其中，炉体由外径为114mm、壁厚2mm的不锈钢管制成，管上均匀绕有电阻丝，电阻丝接变压装置，最外层包裹硅酸盐保温毡。炉排上均匀分布着96个直径为5 mni的通风口，占整个炉排面积的20%。炉子运用的是反烧原理，通过送风机从上部送人空气，利用引风机从下部抽走烟气。进料时开启球阀，送空气时关闭球阀。烟气则是经过自行设计的安全排烟罩排至室外，在引风机的作用下，高温烟气和室内空气混合，降低烟气的温度后排至室外。温度的采集选用9只镍硅镍铬热电偶，分别测不同管断面中心处的温度，间隔均为50mm。数据采集软件为组态王。
2.2试验方法
首先，将选取的玉米秸秆颗粒燃料在5E -MACⅢ红外快速煤质分析仪中进行工业分析，再按照国家标准对其进行元素分析。由于该试验为固定床燃烧，试验前要把称重好的颗粒燃料通过球阀投入炉体，颗粒燃料随机地堆积在炉排上，关闭球阀。调试数据采集模块，校正热电偶的温度之后，便可以进行点火、燃烧试验。点火方式采用电加热点火，根据电阻丝缠绕的间距，变压器调至150V便可以点燃玉米秸秆颗粒燃料。燃烧过程中，通过调节变频风机改变送风量，同时开启引风机，将产生的烟气通过安全排烟罩排至室外。点火时，空气量不易过大，试验以400℃作为点火成功的标准，点火所的时间可以通过组态王软件的历史趋势曲线显示出来。颗粒燃料被点燃后，可以加大空气量，以满足颗粒燃料的充分燃烧所需的氧气量，数据采集模块自动采集炉膛内的温度并通过电脑输出，燃烧时间同样由组态王的历史趋势曲线显示出来。随着燃烧反应的进行，温度出现逐渐下降趋势，再调大空气量，从而保证剩余的焦炭充分燃烧。
3、试验结果与分析
3.1玉米秸秆颗粒燃料的性质
试验选取的玉米秸秆颗粒燃料是由山东省的玉米秸秆压制而成，选用SE - MACⅢ红外快速煤质分析仪进行工业分析，根据国家标准GB/T476 - 2008、GB/T 19227 - 2008、GB/T 214 - 2007、GB/T 213 - 2008进行元素分析，最终结果如表1所示。
3.2料层对玉米秸秆颗粒燃料燃烧的影响
分别对料层为100mm和200mm的玉米秸秆颗粒燃料进行燃烧试验，燃烧温度与时间曲线如图3所示。由图3可以明显地看出：料层为100mm的玉米秸秆颗粒燃料的燃烧时间约为292s；料层为200mm的玉米秸秆颗粒燃料的燃烧时间约为703s，是料层为100mm的2倍多，但燃烧过程中的平均温度780℃左右。颗粒燃料的燃烧时间与颗粒燃料的堆积密度有关，燃料堆积得越疏松，空气的传播速率以及热量的传播速率就越高，从而加速了着火过程，缩短了燃烧时间。由燃烧的温度曲线看出，颗粒燃料点火成功后，料层为100mm的燃烧较稳定，温度场波动不大，而料层为200mm的温度曲线有明显的下滑和回升阶段。因为料层为200mm的玉米秸秆颗粒燃料点火成功后温度直线升高到911℃，温度稳定的时间极短，热量低，传播过程中颗粒之间的孔隙率较小，降低了热量的传播速度，出现了温度的下滑。但随着燃烧反应的进行，颗粒燃烧放出的热量逐渐积聚起来，通过辐射、对流及热传导的形式传给下层新燃料，燃烧过程逐渐稳定，温度曲线回升，直到燃尽，燃烧后的产物轻微结渣。
3.3水分对玉米秸秆颗粒燃料燃烧的影响
一般地讲，水分是燃烧过程中的杂质，含水量越多，颗粒燃料的其他可燃成分就越少，热值越低。试验时取料层为100mm的玉米秸秆颗粒燃料两组，一组不做任何处理，测得含水量为3. 88%，另一组在105℃的条件下干燥6h，使大部分水分析出，测得含水量为0. 12%。未经过干燥处理的颗粒在点火过程中，有浓郁的黑烟冒出，主要是由于不完全燃烧造成的。燃烧初始阶段，挥发分大量析出，在空气量供给充足的条件下，含水量大的颗粒燃料，干燥水分消耗的热量就多，当温度达不到挥发分燃烧的温度时，造成挥发分燃烧的不充分，产生大量浓烟，经过干燥处理的颗粒燃料点火时则没有浓郁的黑烟冒出，燃烧过程中的平均温度略高。
3.4空气量对玉米秸秆颗粒燃料燃烧的影响
空气是影响燃烧过程的重要因素之一。点火时，炉膛温度较低，颗粒表面的化学反应速度很慢，耗氧量也不大，所以空气量过大会带走大量的热量，影响点火特性；若供给的空气量过低，则达不到点火时所需的氧气量，颗粒燃料无法点燃。点火成功后，为了保证其完全燃烧则需要加大鼓风，以提供燃烧所需的氧气。试验选取不同的过量空气系数来分析空气量对玉米秸秆颗粒燃料燃烧特性的影响，两次典型性试验如表2所示。
从表2中可以看出：玉米秸秆颗粒燃料点火时间较短，这是与水分、挥发分含量相对应的，挥发分含量越高，含水量越低，颗粒燃料越易点燃。燃烧时，过量空气系数为1.2时，最高燃烧温度可以达到1122℃，燃烧时间可持续9 min，过量空气系数为2.5时，最高燃烧温度为970℃，燃烧时间持续了5 min，燃烧后的产物分别如图4所示。过量空气系数为1.2时，结渣现象严重，过量空气系数为2.5时，几乎不结渣。颗粒燃料的结渣率与其化学组成有关，燃料中Si元素含量越高，结渣趋势越明显；碱金属元素(K、Na)含量越高，燃料结渣现象亦越明显；碱土金属( Mg、Ca)含量越高，燃料结渣趋势越小。对于玉米秸秆颗粒燃料本身的化学组成是不可改变的，除了在燃烧过程中人为添加抗结渣的添加剂外，可以通过改变空气量来降低结渣率。玉米秸秆颗粒燃料在过量空气系数提高了1.3后，结渣现象明显减少，证明增大空气量可以改善颗粒燃料的结渣现象。过量的空气可以带走大量的热量，降低炉膛内的温度，致使温度低于燃料的软化温度，从而降低结渣率。
4、结论
通过自行设计的试验台，反复试验，得出了玉米秸秆颗粒燃料的燃烧特性。玉米秸秆颗粒燃料的挥发分含量高，含水量低，易点燃，燃烧过程中温度较高，但是燃烧时间短，点火时有浓烟、结渣现象严重。干燥处理可以改善点火时冒烟严重的现象；增大过量空气系数可以降低玉米秸秆颗粒燃料的结渣率，是降低生物质颗粒燃料结渣率的一种有效方法，富通新能源生产销售的秸秆颗粒机专业压制农作物秸秆颗粒燃料。
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