0、前言
    近年來隨著經(jīng)濟的迅猛增長，對能源的需求也日益高漲。如果不采取進一步的控制措施，到2010年、2020年和2030年，全國能源消費導(dǎo)致的NO.排放總量將分別達到1 677萬t—l 853萬t、2 363萬t—2914萬t和3154萬t—4 296萬t。政府面對著能源短缺和環(huán)境保護雙重壓力，而生物質(zhì)兼具綠色、可再生、來源豐富的特點。我國是農(nóng)業(yè)大國，也是秸稈資源最豐富的國家之一，其中以稻谷秸稈、小麥秸稈和玉米秸稈為典型的秸稈資源占據(jù)了農(nóng)業(yè)秸稈中的大部分。
    目前，生物質(zhì)層燃燃燒技術(shù)在國外得到了很大的發(fā)展和應(yīng)用，國內(nèi)對此技術(shù)的研究并不多。履帶拋丸機由于我國國情的需求，小型電站鍋爐和工業(yè)鏈爐繼續(xù)改造，而生物質(zhì)層燃燃燒是一種可行的改造途徑。基于生物質(zhì)燃料本身復(fù)雜的物理化學(xué)特性，本文利用單元體爐搭建層燃實驗爐對其層燃燃燒特性需要進行研究，并分析個體因素對層燃爐燃燒的影響，為生物質(zhì)能的開發(fā)與應(yīng)用提供理論與實驗基礎(chǔ)。
1、實驗臺設(shè)計和實驗方法
1.1單元體爐實驗臺原理
    單元體爐基于拉格朗日方法，即用局部變化來表征整體的變化，圖1為層燃爐燃燒單元體原理示意圖。圖1中，吊鉤拋丸機左邊是生物質(zhì)在實際層燃爐爐排上燃燒的示意圖，可以看作是把燃燒層劃分為一塊塊單元體，并隨爐排一起運動。單元體爐通過研究一個燃料單元體的燃燒特征，了解整個層燃爐排的燃燒規(guī)律。右圖為燃料在單元體爐內(nèi)的燃燒示意圖，全部燃料相當于爐排上的一個燃料單元體，在厚度方向上可以看成一維系統(tǒng)，水平方向上的各個參數(shù)認為是均勻的。單元體爐采用時間模擬空間的方法，層燃爐排上各燃燒參數(shù)隨位置的變化就可以用單元體爐內(nèi)各燃燒參數(shù)隨時間的變化來表征。單元體爐內(nèi)的燃料燃燒過程與實際層燃爐燃燒過程基本相似，可以代表實際爐中的燃燒單元體，因此在小型單元體爐實驗臺上測量得到的實驗數(shù)據(jù)可以較為全面地反應(yīng)大型真實燃燒系統(tǒng)的實際參數(shù)，富通新能源生產(chǎn)銷售的秸稈顆粒機、秸稈壓塊機專業(yè)壓制生物質(zhì)成型燃料，生物質(zhì)成型燃料主要供生物質(zhì)鍋爐燃燒使用。
1.2實驗臺設(shè)計
    圖2介紹了小型單元體爐實驗臺系統(tǒng)，整套系統(tǒng)包括爐體、風(fēng)機、燃燒器、JCP-SL/96煙氣預(yù)處理器、煙氣分析儀、熱電偶、溫度采集及轉(zhuǎn)換模塊和U形臂壓力計等。下面對該系統(tǒng)作簡單的介紹：
    (1)小型層燃爐實驗臺本體
    整個爐體的高度約為5 m.爐體外部有保溫層，爐體內(nèi)部為鋼板，并內(nèi)村有高溫耐火混凝土，中間燃燒段的腔體為直徑∮300 mm的圓形，下部燃料放置段高度為600 mm。爐體共分為5段，第1層主要用來層燃燃燒實驗，并布置了2個看火孔，第5段與煙道和卸料器相連，主要用來給料和排煙，中間3段結(jié)構(gòu)相似，每1段都預(yù)留了相應(yīng)的多用途孔，以便用來增加燃燒器、二次風(fēng)、熱電偶、積灰探針及取樣等裝置。
    (2)給風(fēng)及點燃著火系統(tǒng)
    實驗中采用羅茨風(fēng)機送風(fēng)，如圖2所示，通過轉(zhuǎn)子流量計控制給風(fēng)量，以便實現(xiàn)不同的風(fēng)量和配風(fēng)方式，同時在煙道出口還通過引風(fēng)機引出煙氣，由于生物質(zhì)燃料著火溫度低，容易被點燃，本實驗采用燃油燃燒器預(yù)熱點燃燃料，燃燒器布置在燃料床層的上方，待燃料著火后撤掉燃燒器。
    (3)爐排
    為了能夠很好的模擬燃秸稈層燃鍋爐的配風(fēng)情況，根據(jù)實際秸稈發(fā)電鍋爐的通風(fēng)截面比來選擇小型層燃爐實驗臺的布風(fēng)板（爐排）的空隙率。本次實驗采用的孔隙率為0.2，爐排為∮300mm的圓形，爐篦上設(shè)置有通風(fēng)孔。
    (4)熱電偶在爐膛中的布置
    床層溫度分布是燃料層燃燃燒放熱的結(jié)果，通過測量層燃爐燃料層溫度分布可對燃料層從著火到燃盡整個燃燒過程進行分析。在實際秸稈發(fā)電鍋爐的運行中，常常采用的床層厚度一般在500—600 mm，在實驗中選用的床層厚度為600 mm，在床層中安置6個熱電偶，并在其余4段爐膛上安置兩個熱電偶以測量煙氣溫度．燃料層的溫度通過上述安置的熱電偶來測量，熱電偶通過補償導(dǎo)線與熱電偶輸入模塊進行溫度采集，然后連接數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊，并用連接線與電腦相連以記錄溫度數(shù)據(jù)。
    (5)煙氣成分測量系統(tǒng)
    煙氣成分取樣孔布置在床層的上方，煙氣從取樣管中抽出，經(jīng)過除塵系統(tǒng)和干燥系統(tǒng)，進入紅外煤氣分析儀(可以分析C02、CO、H2、CH、02)進行成分分析，煙氣分析儀通過COM，用連接線與電腦相連接，以記錄煙氣各成分濃度。
1.3實驗方法
    實驗選用了水稻秸稈與玉米芯．對水稻秸稈進行粉碎處理，秸稈長度為0.2—1cm，玉米芯進行壓縮成型處理，顆粒形狀為圓柱形，長度為0～2cm，直徑大約為1cm。生物質(zhì)燃料的工業(yè)分析和元素分析見表1。實驗的給風(fēng)量為5m3／h，給料量以床層高度600mm為準。由燃燒器點燃床層燃料，著火后撤掉燃燒器，對床層溫度及煙氣成分進行在線連續(xù)分析。
2、實驗結(jié)果及討論
2.1層燃燃燒床層的溫度分布殛氣相產(chǎn)物分析
    在實驗中可以發(fā)現(xiàn)，一旦床層燃料被燃燒器點燃而著火，由揮發(fā)分和焦炭與氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量傳給床層，這樣燃燒就能在床層上持續(xù)下去。圖3為層燃燃燒過程中，床層的溫度分布及床層上方（y=650 mm）的氣體成分分析曲線（a、b為粉碎秸稈；c，d為為玉米芯成型燃料）。以圖3(a)為例，可以看到，在床層燃料著火之后，床層最頂端的熱電偶T6的溫度在100 s時間內(nèi)從室溫上升到844.9℃，當著火鋒面穿過T6熱電偶后，由于爐壁吸收了燃燒產(chǎn)生的熱量，熱電偶的溫度緩慢下降至300℃—500℃，其余熱電偶在燃燒過程中的溫度分布。相似。880 s后，最后一個熱電偶丁，的溫度達到最大值，然后溫度慢慢下降，這表明著火鋒面達到了爐篦的位置。在之后的180s，熱電偶Tz的溫度重新升高，這可能是由于未反應(yīng)的焦炭重新著火燃燒而引起的。
    整個燃燒過程可以假設(shè)是從第一個熱電偶溫度達到400℃時開始，當最后一個熱電偶溫度達到400℃時，著火鋒面達到爐篦，整個熱解過程結(jié)束，揮發(fā)分完全析出，未反應(yīng)的焦炭繼續(xù)燃燒直至燃燒完全結(jié)束。整個燃燒過程的結(jié)束以0z濃度恢復(fù)到開始值22%為標志。整個燃燒過程中的氣體成分濃度變化見圖3。
    圖3(b)、圖3cd)為層燃過程中床層上方的氣體成分分析。以圖3(b)為例，可以看到，在著火后的120 s內(nèi)，床層上方的氣體成分中氧氣濃度迅速降到0%左右，二氧化碳和一氧化碳濃度分別升至l4%和7%左右。在著火鋒面向下傳播過程中，各氣體成分相對比較穩(wěn)定。當著火鋒面?zhèn)鞑サ竭_爐篦位置時，一氧化碳濃度迅速下降至3%左右，氧氣濃度開始上升，這與溫度分布曲線很吻合。隨著焦炭燃燒反應(yīng)完全結(jié)束后，二氧化碳濃度開始下降，氧氣濃度繼續(xù)上升。在1500 s后，氧氣濃度恢復(fù)到接近開始值22%，二氧化碳和一氧化碳濃度下降到0%附近，這標志著整個燃燒過程完全結(jié)束，燃燒過程的氣體成分濃度變化曲線與溫度曲線吻合的很好。
2.2不同的給風(fēng)量對層燃燃燒的影響
    給風(fēng)量對層燃燃燒的燃燒特性有重要影響。在實驗中，采用了不同的給風(fēng)量(5、10、30、50、70、90 m3／h)．以分析風(fēng)量對燃料的燃盡時間和溫度的影響。網(wǎng)4為粉碎秸稈在不同風(fēng)量條件下燃燒過程中床層的溫度分布曲線。
    由圖4可以看出，不同風(fēng)量條件下，床層溫度分布曲線形狀相似，只是燃燒過程所需要的時間不同，這主要是由于風(fēng)量的不同而引起了著火鋒面?zhèn)鞑ニ俾拾l(fā)生改變，可以看到隨著給風(fēng)量的增加，燃燒完全所需要的時間縮短，同時在實驗中發(fā)現(xiàn)，當給風(fēng)量增加至90m3／h時，粉碎水稻秸稈燃料很難被點燃，這可能是由于過量空氣系數(shù)太高，使燃燒器產(chǎn)生的熱量被以對流的形式帶走，從而沒有足夠的熱量引燃燃料。同樣的情況也適用于玉米芯成型燃料，見圖5。從圖5中可以看出，在低給風(fēng)量30m3／h、50m3／h的條件下，著火鋒面在床層中的傳播速率并不是很均勻，著火鋒面的溫度峰值在床層中也很不均勻，可以看出，成型的玉米芯燃料更適合在高給風(fēng)量條件下燃燒。
3、結(jié)論
    通過設(shè)計并搭建了生物質(zhì)多功能實驗臺，并對生物質(zhì)燃料層燃燃燒過程進行了研究，對基于拉格朗日辦法的單元體爐設(shè)計原理，整個單元體爐爐體、給風(fēng)及點燃著火系統(tǒng)、爐排等各個系統(tǒng)分別做了詳盡的介紹。分析了床層上方的氣體成分濃度等參數(shù)及風(fēng)量對生物質(zhì)燃料層燃燃燒的影響：
    (1)通過對床層內(nèi)部分布的熱電偶的溫度和整個燃燒過程中床層上方氣體成分的濃度變化進行分析。發(fā)現(xiàn)燃燒過程的各氣體成分濃度變化曲線與溫度變化曲線吻合得很好。
    (2)實驗分析了不同風(fēng)量對燃料燃盡時間和溫度的影響。不通風(fēng)量下，床層溫度分布曲線形狀相似，隨著風(fēng)量增大，燃燒完全所需要的時間縮短，相對比粉碎秸稈，成型的玉米芯燃料更適合在高給風(fēng)量條件下燃燒。