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生物质粉体燃料富氧燃烧探索

作者：袁凯恒 柯海 袁运强

来源：《中国化工贸易·中旬刊》2017年第05期

摘 要：一般来说生物质燃料燃烧温度较低，通过研究促使生物质燃料充分燃烧，可以促使其应用于更加广泛的领域。本文就生物质粉体燃烧情况进行研究，并就其在不同富氧条件下的反应予以观察，了解不同氧气浓度对生物质粉体燃料燃烧的影响，从而探索生物质粉体燃料富氧燃烧的条件，为促进生物质粉体充分燃烧的研究提供借鉴。 关键词：生物质粉体；富氧燃烧；温度分析

生物质存在于生活、环境等多领域之中，从狭义角度来说，生物质专指植物，诸如农林废弃物、水生藻类、野生藤曼等植物是生物质燃料的重要来源；从广义角度来说，生物质所包括的内容广泛，诸如植物、动物、微生物、排泄物，以及城市生活垃圾等有机质都属于生物质范畴。做好生物质的利用开发，可以有效改善生物质与环境之间的关系，避免对环境所造成的影响和危害，实现资源的优化利用。生物质蕴含于生物之中，富有极为强大的能量，并能够实现能源的大量存储，探索其应用转化的路径，不仅是挖掘其内在价值的需要，更是当今世界发展研究的内在要求。因此，探索生物质粉体富氧燃烧的研究极为重要，已经引起相关人员的关注和重视。

1 富氧燃烧研究现状

生物质燃料的开发，包括化学、生物、物理三大类别，所涉及的技术也多种多样，但就主要类别可以分为热解、液化、气化直接燃烧等多种技术。对于生物质燃烧来说，直接燃烧可以说是其得以应用的最重要、最直接，也是使用最早的一种传统转化方式，所花费的成本也较低，正是因为此特点，生物质直接燃烧在国内外的研究发展也最快。

美国积极推行生物质燃烧技术，并通过对生物质的直接燃烧来进行热能发电，对于富氧燃烧的研究也不遗余力。早在80年代，诸如美国等发达国家便对富氧燃烧进行了深入研究，膜法富氧技术便是其中所研究的重要方向和领域。尤其日本，其在进行富氧燃烧实验时候，更多的是以气、煤、油灯做为主要燃料，通过不同燃料的应用进行实验，进而得出相应的富氧燃烧结论。其实验结论认为，富氧助燃能够达到更好地节能效果，一般情况下可以达到10-25%的节能效果，也正是在此基础上，日本在大型锅炉应用研究方面走在前列。我国更多的研究方向倾向于局部增氧助燃技术，此技术在玻璃窑炉，燃油、燃煤、燃气等小型的工业锅炉中具有广泛的应用作用，并得到了较好的社会效益和经济效益，其节能效应达到11.8%，不仅提高产品质量，而且延长了锅炉寿命。 2 生物质粉体富氧燃烧研究实验

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为了更好地研究生物质粉体富氧燃烧情况，开展相应的实验研究就显得非常重要。本研究课题试验的燃烧系统主要包括富氧装置、测温数显、进料装置、燃烧炉等四部分。就富氧装置来说，其主要为氧气瓶、风量调节阀、配风管、转子流量计、测温数显系统、皮托管等系统组成；测温数显则主要是对燃烧炉内的温度予以监控，并对风粉浓度和流量予以反馈；进料装置则包括刮板、料斗、下粉管、螺旋进料器等装置组成。 2.1 实验原料和装置 2.1.1 实验原料

本实验所选用的实验原料为实验室破碎系统的破碎产物。该生物质粉体的工业分析，元素分析，以及发热值如下表：

2.1.2 实验用风机风量的测定与调节

在实验过程中需要对风机风量进行调节，这就需要对进风口大小予以调控。在进行分量调控之前需要对管道内压力差进行测试，此时可以应用皮托管予以测试开展，将计算结果折算成为流速，并对最佳风流量予以计算。需要注意的是，在进行内压力差测时候，应与风出口保持一定距离，一般来说为5D（D为管道直径），测试位置也应当处于横截面中心。 2.2 实验方法

燃烧过程中的温度、烟气和灰渣，都需要通过相关工具进行监测，并进行相应调节。对于温度的监控则主要通过测温数显系统予以进行，对于烟气的采集分析则主要通过KM900便携式烟气分析仪予以测定，通过此设备监测主要成分。采用美国EAGLEⅢ聚焦型扫描X-射线荧光能谱仪，对灰渣成分进行测量。实验方法如下：①粉体粒径对燃烧的影响。生物质粉粒粒径不同，对于燃烧的效果具有影响，通过破碎成本的结合，以及燃烧效率的权衡，挑选最佳的粉体粒径。在后续实验中，主要对适宜燃烧的粉体粒径予以应用；②风粉浓度对燃烧的影响。风量不变的情况下，螺旋给料机转速变化，则会对风粉浓度产生影响；③燃烧熔炉与进料量的关系。风粉浓度不变的情况下，并保持最佳基础上，风分量增大，则能够窥探燃烧炉与进料量之间的变化关系；④生物质粉体燃烧与氧气进入量的温度探讨；⑤燃烧炉炉温与富氧率之间的关系。控制好最优风粉浓度量，把控好其进料环节，在结合粒径的优化筛选，则可以了解空气富氧率对生物质粉体的燃烧影响，了解炉温与富氧率关系；⑥燃烧温度对灰分量、灰成分的影响；⑦探究助燃空气的富氧率对于烟气成分的作用。 3 实验结果及讨论 3.1 粉粒直径对燃烧的影响

粉粒直径对于燃烧具有一定影响，诸如进料、燃烧温度、点火、烟气成分等都会受到其影响。一般来说，粉粒直径越小，越具有团聚趋势，那么物料搭桥的现象就更加突出，但与此同

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时所具有的好处就是具有较好的点火性能。实验结果表明，粉体越细，烟气中的一氧化碳含量越低，燃烧的充分性也就越好。但是，实验数据表明，NOx受到粉粒直径的影响不大。 在进行实验过程中，对粉粒直径的筛选共计五种：d>0.420mm（40目）、d>0.250mm（60目）、d0.149mm（100目）和d0.420mm粉粒燃烧难度较大，并会在燃烧过程中产生黑烟，燃烧状态欠佳，实验结束还会在燃烧炉底部发现堆积；d 3.2 风粉浓度对燃烧的影响

生物质粉体具有较强的挥发性，气相燃烧在燃烧中占据较大比例，这就让其燃烧更加接近于气体燃烧，燃烧炉中极容易形成悬浮状的体积燃烧，风粉浓度对其燃烧影响较大。 通过实验可知，风流量保持在70m3/h的情况下，风粉浓度能够与炉膛内的最高温度呈现出最佳的燃烧状态；而风粉浓度一旦达到280g/m3以上，燃烧则不够充分，且点火时容易出现爆燃现象，炉內压强较大。同时，我们还观察到风粉浓度的增加会使烟气中的二氧化碳、氧气浓度降低，一氧化碳浓度增高。

对于燃烧的化学反应方程式，我们可以采用进行如下表达： 3.3 二次风对燃烧的影响

二次风于炉膛下部三分之一处进入主燃室，并在燃烧后5分钟开启，用于空气的补充，并对气粉予以混合搅拌。实验表明二次风对燃烧的影响较小，其与一次风的比例以35：1混合较为合适。

3.4 确定最佳进料量

该实验主要分成三个层次来对进料量进行观察。第一，进料量为200g/min，风机风量为54m3/h，其火焰占据炉膛整体，生物质粉体能够达到完全燃烧；第二，进料量为260g/min，风机风量为70m3/h，粉体在燃烧炉內存在适当停留，燃烧效果最佳；第三，进料量为320g/min，风机风量为87m3/h，粉体难以停留便被排出，燃烧效果较差。 3.5 通入氧气的最佳温度的确定

本实验选定的进料量为260g/min时，风粉浓度为260g/m3，风机风量调为70m3/h，炉温上升到1100℃时候，通入氧气效果最佳。 3.6 最佳富氧率确定

因考虑到进料量为260g/min时，风粉浓度为260g/m3情况下能够达到较好的燃烧效果，因此，依然选定此燃烧条件，并首先通过空气助燃的形式进行粉体燃烧。在温度达到1100℃