一维固定床反应器内生物质燃料层状燃烧特性分析

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(1.哈尔滨工业大学 燃烧工程研究所,黑龙江 哈尔滨 150001;2.黑龙江火电第三工程公司,黑龙江 哈尔滨 150024)

一维固定床反应器内生物质燃料层状燃烧特性分析

任霄汉1，李春光2，郭江滨2，孙锐1

(1.哈尔滨工业大学 燃烧工程研究所,黑龙江 哈尔滨 150001;2.黑龙江火电第三工程公司,黑龙江 哈尔滨 150024)

随着化石能源日益短缺，生物质的资源化利用引起世界广泛关注，而生物质的利用可以有效的解决能源短缺、环境污染问题。因此，热化学转换技术和燃烧技术等生物质能转换技术的开发利用越来越受到重视。基于国内外在生物质层状燃烧特性方面的不足，本文主要以中国典型的几种生物质为研究对象，研究其在固定床层状燃烧过程中一次风温以及生物质含水量对其燃烧特性的影响，进而揭示生物质固定床层燃特性。

生物质；层燃特性；含水量；一次风温

随着能源短缺和环境恶化,我国面临着一系列的经济和环境问题,我国有大量的秸秆等生物质资源，如能大力发展生物质能源产业，不仅可以解决能源短缺，还能解决由于燃烧秸秆产生的环境问题，改善生态环境，因此生物质的能源化利用正受到越来越多的重视。层燃是我国生物质一种主要的燃烧方式,根据我国国情,小型电站锅炉和工业链条炉需要进行改造,生物质层燃燃烧可以广泛应用于电站锅炉及工业锅炉中,因此生物质燃料层燃燃烧特性的研究可以用于指导实际锅炉的操作运行，具有重要的工业意义。

N.Ford详细分析了用小型层燃单元体炉模拟实际层燃炉的可行性，将小型一维单元体炉的各种测量参数与实际运行的三台层燃炉作了对比后发现：单元体炉中测得的灰渣成分、床层温度分布、烟气成分(除CO之外)等一系列参数与实际层燃炉很好的相符，可见单元体炉模拟实际层燃炉是一种简单，经济，有效的方法[1]。立陶宛能源研究院A.Kavaliauskas等人对不同形状的水稻秸秆(未粉碎的原稻草、粉碎的以及压制成型的稻草)进行了层燃炉试验并建立了相应的一维数学模型，实验中，采用不同的操作条件(给风量、给风预热程度、给风中的氧浓度、燃料湿度以及燃料类型)分析其对温度、烟气成分等参数的影响，并测定了层燃燃烧过程中NO的生成量[2]。德国斯图加特大学过程与电站技术研究所采用层燃炉研究木材等生物质的层燃特性，通过测量炉内床层燃烧速率、失重曲线和火焰锋面传播速度来研究影响生物质燃料着火和燃烧主要因素[3]。

我国许多专家也对层燃燃烧进行了研究。同济大学张鹤声教授建立了链条炉煤层在上部辐射引燃下的数学模型，该模型考虑了挥发份析出以及挥发份的燃烧，对影响煤层着火的各种因素进行了实验分析，其计算结果和试验结果吻合的很好[4]。陈冠益等对稻杆、稻壳、木屑在固定床热解反应器内的热解特性进行研究，考察热解反应温度和生物质种类对热解特性的影响，分析了热解产物的性质[5]。哈尔滨工业大学孙锐教授、梁立刚博士等采用层燃炉固定床反应器对城市生活垃圾的焚烧过程进行了试验研究及数值模拟，深入分析了一次风量、一次风温和物料本身特性对垃圾床层燃烧的影响规律，并利用计算流体力学的方法对层燃炉排上城市垃圾焚烧过程及NO生成特性进行了数值模拟研究，为深入认识床层内垃圾的焚烧过程和减少垃圾焚烧过程中污染物排放奠定了基础，同时设计并优化了城市生活垃圾焚烧炉[6-8]。

本文在前人研究的基础上，着重在一维层燃炉实验台上研究了一次风温以及在较高一次风温条件下水分对生物质层燃燃烧的影响，发现高一次风温以及高水分对生物质层燃产生较大影响，因此对实际层燃炉的设计和运行操作具有重要意义。

1 试验台介绍

本次实验采用一维层燃炉实验台进行，图1是一维层燃炉试验装置的布置简图。

一维层燃炉固定床反应器主体是圆柱形的燃烧室反应器，它垂直悬挂在称重传感器上。炉膛上方安置了燃气燃烧器，燃烧丙烷用以提高并维持实验过程中炉膛环境温度，并通过辐射换热启动生物质样品的燃烧过程。实验过程中生物质堆积高度大约600 mm，因此标号4-10测温孔都覆盖在生物质层内，实验过程中通过铠装K型热电偶对生物质床层温度进行测量。3#测温孔则测量燃烧过程中炉膛的环境温度，11#测温孔则用来测量一次风温(具体位置由表1给出)。由于整个生物质层燃炉是吊挂在称重传感器上的，因此实验过程中可以记录生物质样品在层燃试验期间重量的变化情况(即失重变化)，燃气和空气都是通过硅胶管送入炉膛的，实验期间启动引风机，使炉膛保持一个微负压的状况，这样就消除了由于温度上升气体膨胀对重量传感器造成的影响，同时也消除了通入一二次风对实验称重造成的影响。另外，硅胶管与炉体采用软性连接，也不会对称重装置造成影响。称重传感器的测量精确度为20 g。在炉膛的最下面，一次风的入口处是生物质层燃炉固定床反应器的炉排，直径为178 mm，炉排上孔直径为7 mm，由不锈钢板制成，可以承受约为800℃的温度，保证在实验过程中不被烧坏[2]。

本次实验的一次风是由压缩机供给的，空气流量的控制是通过手动阀门调节浮子流量计实现的。一次风则是通过层燃炉反应器底部的多孔炉排进入炉膛。为了研究一次风温对生物质燃烧的影响，在一次风通入炉膛前，设置一个电加热装置将一次风预热到需要的温度。

表1 炉体上各取样点位置

2 一次风温对生物质一维层燃炉固定床层状燃烧的影响

为探讨生物质燃烧过程中的影响因素，首先针对一次风温的影响进行了玉米芯一维层燃的实验研究。元素分析及工业分析数值见表2。

图2为玉米芯在一次风温24℃条件下的燃烧实验。实验过程中选取水分含量约为40%的玉米芯放置在层燃炉炉底，堆放的床层高度为0.6 m，生物质整个燃烧过程过量空气系数选取为1.5～1.6，而一次风量取为总量的50%，根据燃料分析折算出一次风量为8.3 Nm3/h，同时选取一次风温为室温的24℃进行实验。通过堆积密度实验测得玉米芯的堆积密度为209 kg/m3。图2中温度1代表的是炉膛中心火焰温度，图中测点温度2～8分别表示的图1中序号为4～10测点处测得的温度。

图1 层燃炉试验装置图

表2 玉米芯工业分析、元素分析

图2 一次风温24℃条件下40%水分玉米芯燃烧温度随时间变化图

从图2中可以看出40%水分的玉米芯在24℃一次风温条件下，燃烧缓慢，约4 000 s之后才能燃烧完全。在整个层燃过程中，生物质需要积累大量的能量才能着火燃烧，由此可见较低的一次风温，不利于生物质燃烧初期积累着火能量。此时生物质只能通过床层上方炉膛的辐射传热积累着火所需的能量，由于对流换热很小，因而处在层燃炉底部的生物质也只能等到上层生物质燃烧完全后才能通过与炉膛进行辐射换热积累到足够的热量，而且较低的一次风温还会对生物质的传热起到冷却作用，这样就延缓了生物质的燃烧，因此需要提高一次风温来加快生物质底层的能量积累速度。

图3所示一次风温为190℃条件下的玉米芯层燃实验。实验过程中也选取水分含量约为40%的玉米芯放置在层燃炉炉底，选取一次风温为190℃进行实验，其他实验条件相同。

图3 一次风温190℃条件下40%水分玉米芯燃烧温度随时间变化图

从图3与图2比较可以看出，玉米芯在190℃一次风温下燃烧时间大大缩短，在一次风温190℃条件下，温度2在250℃左右时开始剧烈上升，着火时间大大缩短，同时不同层的生物质升温速率剧烈上升，升温曲线的时间间隔也在缩小，剧烈燃烧区出现在1 000 s附近，比一次风温为24℃时缩短了大约2 000 s。由于受到从炉膛底部通入的一次风温度提高的影响，对流换热加强，温度8也有明显的提升，说明一次风温的提高有利于改善燃烧状况，加快燃烧，并且使燃烧温度显著提高。

3 水分的变化对生物质层燃的影响

本文同时对内部含水量不同的生物质物料进行了层燃实验研究，采用的生物质为树皮(全水量为35%)和玉米杆(全水量为56%)，物料的元素分析及工业分析数值见表3、表4。

表3 树皮工业分析、元素分析

表4 玉米秆工业分析、元素分析

图4为树皮在一次风温190℃条件下的燃烧实验。实验过程中选取水分含量约为35%的树皮放置在层燃炉炉底，堆放的床层高度为0.6 m，生物质整个燃烧过程过量空气系数选取为1.5～1.6，而一次风量取为总量的50%，根据燃料分析折算出一次风量为8 Nm3/h，同时选取一次风温为室温的190℃进行实验。树皮的堆积密度与玉米芯的相似，约为200 kg/m3。

由于树皮水分含量达到35%，生物质活化能较大，因此达到着火点时间相对增加，并且升温速率比较慢。在较高一次风温的作用下，2 000 s时，底部由于积累了足够的能量，温度8升温曲线开始的时刻比温度7升温曲线开始时刻提前，说明底部在较高一次风温的作用下，炉膛底部的生物质通过对流换热积累了足够的能量，进而通过自身热解产热积累热量，达到着火点，发生自燃现象。自燃现象的发生可能导致生物质燃烧不完全，这是因为一次风量不足以维持生物质完全燃烧所需的氧量，所以在整个炉膛底部会发生生物质的气化，产生出热解气体，因而会加快上层生物质燃烧过程。

图4 一次风温190℃条件下40%水分树皮燃烧温度随时间变化图

从图中还可以看出，测点7、8的最高温度可以达到1 100℃，这可能是因为生物质不完全燃烧产生热解气，热解气体接触氧气之后继续燃烧，使得整个炉膛温度上升到比较高的温度，对炉膛底部生物质结渣以及高温腐蚀产生不利影响。

为了得到在一次风温190℃下生物质发生多层生物质同时燃烧时具体的水分值，我们对玉米秆进行了实验，发现水分在50%以上时，生物质会发生下面几层同时燃烧的容积燃烧情况，图5 说明了发生容积燃烧时各层玉米秆温度情况，可见在炉排底层物料着火时，燃烧反应非常剧烈，而且几乎同时发生着火燃烧反应。

图5 一次风温190℃条件下35%水分玉米秆燃烧温度随时间变化图

4 结论

一次风温对生物质层状燃烧具有很大的影响，较高的一次风温可以加快生物质的层状燃烧速率，减少燃烧时间，并且能提高燃烧温度。

在本次实验较高一层风温条件下，对于易于燃烧的生物质(植物秸秆等)，底部通入的较高气温的一次风温通过对流换热作用可以使得底层生物质加快能量积累过程，通过自身不断进行氧化还原反应，释放热量，温度上升，当达到一定程度，会先于上层生物质达到着火点进而着火燃烧。并且由于不完全燃烧产生气化现象，进而影响燃烧过程和燃烧设备。

通过实验得到玉米秆发生同时反应的容积燃烧临界水分为35%。

[1]林鹏.秸秆类生物质层燃燃烧特性的试验研究[D].上海：上海交通大学，2008.

[2]张方时.玉米秸秆层燃特性的试验研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2008.

[3]Berger R, Unterberger S, Hein K.P.G, et al. Optimized Combustion of Wood and Wood-Waste Fuels in Stoker Fired Boilers. Mid-Term Assessment Report, 2000.

[4]张鹤声.链条炉内煤层的着火模型及实验[J].工程热物理学报,1987,8(2)：174-179.

[5]陈冠益,方梦祥,骆仲泱,等.生物质固定床热解特性的试验研究与分析[J].太阳能学报,1999,20(2):122-129.

[6]孙锐,梁立刚,吴少华,等.床层内固体垃圾焚烧过程及一次风温影响的研究[J].太阳能学报,2008,29(EI刊).

[7]梁立刚,孙锐,吴少华,等.水分变化对固定床内城市固体垃圾焚烧的影响[J].太阳能学报,2008,29(EI刊).

[8]梁立刚.城市生活垃圾层状燃烧过程试验研究及数值模拟[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2008.

[9]姚娜.生物质快速热解特性试验研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2008.

ExperimentalStudyonBiomassGrate-firedFurnaceCombustionCharacteristics

REN Xiao-han1, LI Chun-guang2,GUO Jiang-bin2,SUN Rui1

(1.Institute of Combustion Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001,China;2.The Third of Heilongjiang Thermo Power Engineering Company, Harbin 150024,China)

Along with the growing shortage of fossil energy, biomass utilization has attracted the worldwide attention, and also the use of biomass can effectively solve the energy shortage problem and environmental pollution. Therefore, thermo chemical biomass conversion technologies, such as combustion technology are paid more attention. Considering the problems and deficiencies about the stratified combustion characteristics of biomass, this paper mainly focused on the effects of primary air temperature and moisture content in a bed layered furnace, based on several Chinese typical biomass. Thus it has a great significance to reveal the characteristics of biomass fixed combustion.

biomass;stratified combustion characteristics;moisture;primary air temperature

2014-05-10修订稿日期2014-07-07

任霄汉(1984～),男，博士研究生，研究方向为生物质热解及混煤燃烧。

TK6:TK16

A

1002-6339 (2014) 04-0337-05