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劉圣勇，趙迎芳，張百良
(農業部可再生能源重點開放實驗室，河南鄭州，450002)
摘要：根據試驗結果，分析總結了生物質成型燃料的點火性能、燃燒機理、燃燒特性等燃燒規律，從而為確定生物質成型燃料燃燒設備的熱力特性參數打下基礎，為研制生物質成型燃料專用燃燒設備提供科學依據。
生物質成型燃料燃燒理論分析是研制生物質成型燃料燃燒設備的基礎，生物質成型燃料燃燒規律與木塊、煤的燃燒規律有一定差別。為了使生物質成型燃料燃燒設備能夠有較高的燃燒效率與較少的污染。必須對生物質成型燃料燃燒規律加以認真地研究與分析。根據國內外文獻檢索，關于生物質成型燃料層狀燃燒的點火性能、燃燒機理、動力學特性還未見報到。為此作者根據試驗結果對生物質成型燃料的點火性能、燃燒機理、燃燒特性等燃燒規律進行分析與總結。
1生物質成型燃料點火性能理論分析
1.1點火過程
生物質成型燃料的點火過程是指生物質成型燃料與氧分子接觸、混合后，從開始反應，到溫度升高至激烈的燃燒反應前的一段過程。實現生物質成型燃料的點火必須滿足：生物質成型燃料表面析出一定濃度的揮發物，揮發物周圍要有適量的空氣，并且具有足夠高的溫度。生物質成型燃料的點火過程是：(1)在熱源的作用下，水分被逐漸蒸發逸出生物質成型燃料表面；(2)隨后生物質成型燃料表面層燃料顆粒中有機質開始分解，在其過程中有一部分揮發性可燃氣態物質分解析出；(3)局部表面達到一定濃度的揮發物遇到適量的空氣并達到一定溫度，便開始局部著火燃燒；(4)隨后點火面漸漸擴大，同時也有其它局部表面不斷點火；(5)點火面迅速擴大為生物質成型燃料的整體火焰出現；(6)點火區域逐漸深入到生物質成型燃料內部一定深度，完成整個穩定點火過程。點火過程如圖1表示。
1.2影響點火的因素
點火溫度；生物質種類；外界的空氣條件；生物質成型密度；生物質成型燃料含水率；生物質成型燃料幾何尺寸等。
1.3點火特性
生物質成型燃料一般是高揮發分的生物質在一定溫度下擠壓而成。在高壓成型的生物質燃料中，其組織結構限定了揮發分由內向外的析出速度及熱量由外向內的傳遞速度減慢，且點火所需的氧氣比原生物質有所減少，因此生物質成型燃料的點火性能比原生物質有所降低，但遠遠高于型煤的點火性能。從總體趨勢分析，生物質成型燃料的點火特性更趨于生物質點火特性。
2生物質成型燃料燃燒理論分析
2.1生物質成型燃料燃燒機理
生物質成型燃料燃燒機理屬于靜態滲透式擴散燃燒，燃燒過程就從著火后開始。(1)生物質成型燃料表面可燃揮發物燃燒，進行可燃氣體和氧氣的放熱化學反應，形成火焰；(2)除了生物質成型燃料表面部分可燃揮發物燃燒外，成型燃料表層部分的碳處于過渡燃燒區，形成較長火焰；(3)生物質成型燃料表面仍有較少的揮發分燃燒，更主要的是燃燒向成型燃料更深層滲透。焦碳的擴散燃燒，燃燒產物CO2，CO及其它氣體向外擴散，行進中CO不斷與O2結合成CO2，成型燃料表層生成薄灰殼，外層包圍著火焰；(4)生物質成型燃料進一步向更深層發展，在層內主要進行碳燃燒(即C+O2→CO)，在球表面進行一氧化碳的燃燒(即CO+O2→CO2)，形成比較厚的灰殼，由于生物質的燃盡和熱膨脹，灰層中呈現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，至此完成了生物質成型燃料的整個燃燒過程，燃燒過程如圖2表示。
根據生物質成型燃料燃燒動力學分析，影響生物質成型燃料速度的主要因素有：生物質種類，生物質的含水率，生物質成型燃料密度，生物質成型燃料的幾何尺寸，生物質成型燃料燃燒溫度，燃燒時的通風條件等。
2.3生物質成型燃料燃燒特性
2.3.1生物質燃料特性
表1為六種主要生物質的工業分析，元素分析、發熱量的數值：
由表l可看出，生物質的揮發分遠高于煤，灰分和含碳量遠小于煤，其熱值小于煤，生物質這種燃料特點就決定了它的燃燒具有一定的特征。
2.3.2原生物質燃燒特性
原生物質特別是秸桿類生物質密度小，體積大，其揮發分高達60％～70％之間，點火溫度低，易點火。同時熱分解的溫度又比較低，一般在350℃就釋放出80％左右的揮發分，燃燒速度快，燃燒開始不久迅速由動力區進入擴散區，揮發分在短時期內迅速燃燒，放熱量劇增，在傳統燃燒設備中，高溫煙氣來不及傳熱就由煙囪排出，因此造成大量的排煙熱損失。另一方面，揮發分劇烈燃燒所需要的氧量遠遠大于外界擴散所供應的氧量，使供氧明顯不足，較多的揮發分不能燃盡，形成大量CO、H2、CH4等產物，產生大量的氣體不完全燃燒損失。
當揮發分燃燒完畢，進入焦炭燃燒階段時，由于生物質焦炭的結構為構散狀，氣流的擾動就可使其解體懸浮起來，脫離燃燒層，迅速進入爐膛的上方空間，經過煙道而進入煙囪，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。這時如不嚴格控制進入空氣量，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，燃燒過程不穩定。
2.3.3生物質成型燃料燃燒特性
由于生物質成型燃料是經過高壓而形成的塊狀燃料，其密度遠遠大于原生物質，其結構與組織特征就決定了揮發分的逸出速度與傳熱速度都大大降低。點火溫度有所升高，點火性能變差，但比型煤的點火性能要好，從點火性能考慮，仍不失生物質點火特性。燃燒開始時揮發分慢慢分解，燃燒處于動力區，隨著揮發分燃燒逐漸進入過渡區與擴散區，燃燒速度適中，能夠使揮發分放出的熱量及時傳遞給受熱面，使排煙熱損失降低。同時揮發分燃燒所需的氧與外界擴散的氧很好的匹配，揮發分能夠燃盡，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。
揮發分燃燒后，剩余的焦炭骨架結構緊密，像型煤焦炭骨架一樣，運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態滲透擴散的氧相當，燃燒穩定持續，爐溫較高，從而減少了固體與排煙熱損失。在燃燒過程中可以清楚地看到炭的燃燒過程，藍色火焰包裹著明亮的炭塊，燃燒時間明顯延長。
總之，生物質成型燃料燃燒速度均勻適中，燃燒所需的氧量與外界滲透擴散的氧量能夠較好的匹配，燃燒波浪減小，燃燒相對穩定。
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