單顆粒海藻在流化床內燃燒試驗及灰色關聯分析

王 爽， 姜秀民， 王 謙， 吉恒松

（1.江蘇大學 能源與動力工程學院，鎮江 212013；2.上海交通大學 熱能工程研究所，上海 200240）

當今世界范圍內，化石燃料日趨枯竭，人們越來越重視非化石能源的開發與利用.生物質作為一種資源豐富的可再生能源，具有污染少、CO2零排放等優點，因此生物質能的利用受到世界各國的重視.除了傳統的木質纖維類生物質外，自然界還蘊藏一種非陸生生物質——海藻生物質，它們不占用耕地、生長周期短且繁殖快.不同于微藻類生物質，海藻生物質不僅可以在塘系統養殖，還可以在遠海和近海養殖，同時藻型較大，更易于收集和利用.在2008年奧運會帆船青島賽區近海領域，條滸苔和片滸苔（2種綠藻）大量聚集瘋狂生長，全民出動共清理了六十多萬噸滸苔.如今每年夏季時沿海地區依然湖苔泛濫.對于如此巨大的海藻量，作為加工品的消耗能力有限，可以考慮能源利用.海藻生物質具有低熱值、高水分、高灰分的特點，而流化床燃燒技術具有負荷調節范圍大、燃料適應性強的優點，處理該類生物質燃料具有獨特優勢.Chirone等［1-2］系統地研究了污泥、秸稈和木頭等生物質顆粒在流化床內的燃燒與磨損機理.Scala等［3］則系統研究了3種生物質在流化床內燃燒時床層結塊問題.

雖然目前越來越多的研究者都開始關注海藻生物質的利用［4-7］，但尚未見有關海藻生物質顆粒燃料在流化床內燃燒試驗的報道.筆者在小型流化床燃燒臺架上對海藻（條滸苔）單顆粒進行了燃燒試驗，研究了床高、床溫和流化風速對條滸苔顆粒燃燒的影響，并對其影響程度進行了灰色關聯分析.

1 試驗裝置、原料與方法

1.1 流化床試驗裝置及樣品

圖1為小型流化床燃燒試驗裝置圖.采用的樣品為條滸苔，其物性參數見表1.將海藻粉碎成0.18 mm以下，然后用壓片機壓制成圓柱顆粒狀，作為流化床燃燒試驗原料，具體物性參數見表2.

圖1 小型流化床燃燒試驗裝置Fig.1 Schematic diagram of the mall scale fluidized bed setup

1.2 試驗方法

試驗時把細砂（280～450μm）由投料口裝入床內，使床層高度達到90mm，并將給風流量調至4.28m3／h，此時流化數為4，加熱試驗臺，使布風板下風室內空氣的溫度和布風板上密相段的溫度均達到設定床溫750℃.待工況穩定后，打開加料口投入10顆海藻（條滸苔）顆粒，迅速用帶膠塞的不銹鋼細管（末端剛好伸入爐膛中部）封住投料口，開始計時.保持海藻顆粒在床內燃燒，待達到設定的時間（1 min）后立即關掉給風機和真空泵，并通過帶膠塞不銹鋼管通入高純氮氣，流量為25L／min以上.迅速開啟緊固風室和密相段法蘭的長螺栓，待旋開至足夠間隙后，用布風板（布風板呈矩形并足夠大）把細砂和剩余海藻顆粒輕輕托出.將取出的海藻顆?？焖俚谷脎釄鍍?，加蓋放入干燥器內冷卻，然后測量冷卻后殘留海藻顆粒的質量.床溫、流化風量和床高為影響單顆粒海藻在流化床內燃燒的3個因素.試驗中以床溫750℃、流化風量4.28m3／h（流化數為4）、床高90mm為標準設計工況，每次固定2個標準工況因素，改變第三個因素進行試驗，各因素的具體取值見表3.

表1 海藻類生物質的物性參數Tab.1 Physical properties of the seaweed biomass

表2 流化床燃燒試驗原料及相關參數Tab.2 Raw materials and relevant parameters applied in the fluidized bed combustion test

海藻顆粒在流化床內的燃燒實際上是顆粒在床內磨損、破碎和燃燒的耦合結果.觀察不同燃燒時間后剩余的顆粒，可以發現短時間內磨損程度很小，可以不考慮，同時破碎也沒有發生，因而該試驗主要反映出海藻在流化床內的燃燒規律.

2 試驗結果與分析

比較各工況下條滸苔顆粒燃燒后剩余質量占初始質量的比值（剩余質量份額），以及殘留固定碳占原始固定碳的比值（即固定碳殘留率），并作出單因素變化圖.試驗工況及結果見表4.

表3 單顆粒條滸苔海藻燃燒試驗工況Tab.3 Experimental conditions for combustion of single EN particle

圖2、圖3和圖4分別給出了床溫、流化數和床高對海藻顆粒燃燒后剩余質量份額和固定碳殘留率的影響，從圖2～圖4可以看出各因素對海藻顆粒在流化床內燃燒的影響程度.由圖2可知，當床溫高于750℃后，海藻的燃燒效果明顯優于低溫下的燃燒效果.因為顆粒投入床內后，外表面能瞬間達到床層溫度，由于顆粒內部需要傳熱，內部溫度升高需要一定的延遲，床層溫度較高使得顆粒升溫速率加快，揮發分析出加快，揮發分釋放后，氧氣通過顆?；覍拥目紫哆M入顆粒內部與碳反應.但溫度也不能過高，否則會使得海藻灰軟化甚至結渣.

表4 條滸苔顆粒的燃燒工況及試驗結果Tab.4 Combustion results of EN particles at different work conditions

由圖3可以看出，高流化數時海藻的燃燒效果明顯好于低流化數時，這是由于流化數增大，床料流化狀態越好，床料與顆粒的混合加強，碰撞傳熱增強，床料對海藻顆粒導熱更強烈，燃燒更容易.低風速時顆粒燃燒緩慢，高風速下的燃盡時間與低風速下相比明顯遞減，因為后期多相燃燒時灰層對燃燒有阻礙作用，增大流化風速能破壞表面灰層，促進燃燒進行.但當流化數大于4后，流化風速對燃燒的影響相對減弱.由圖4可以看出，床高升高使得熱載體增加，但對顆粒燃燒的影響不大.

圖2 床溫對海藻顆粒剩余質量份額和固定碳殘留率的影響Fig.2 Influence of bed temperature on the mass of residual seaweed and fixed carbon

圖3 流化數對海藻顆粒剩余質量份額和固定碳殘留率的影響Fig.3 Influence of fluidization number on the mass of residual seaweed and fixed carbon

圖4 床高對海藻顆粒剩余質量份額和固定碳殘留率的影響Fig.4 Influence of bed height on the mass of residual seaweed and fixed carbon

3 海藻顆粒流化床燃燒影響因素的灰色關聯分析

灰色關聯分析［8-9］主要基于小樣本量基礎對系統態勢發展變化進行分析，是對系統動態發展過程的量化分析，它根據因素之間發展態勢的相似或相異程度來衡量因素間接近的程度.兩個系統或兩個因素間關聯性大小的量度稱為關聯度.系統行為因子X0受多種因素影響、作用和制約，通過灰色關聯分析可以找出因素Xi對X0的灰關聯度，以關聯度的排列順序表示因素Xi對X0影響的大小.因為關聯度不是唯一的，所以關聯度本身大小并不是關鍵，而各關聯度大小的排列順序則更為重要.均值法是進行關聯性分析的一種重要方法，具體步驟與方法參見文獻［10］.

筆者利用灰色關聯分析方法研究不同因素對海藻顆粒流化床燃燒特性的影響，弄清流化床燃燒過程中各運行參數對海藻顆粒燃燒結果影響的主次關系，確定影響燃燒的主要因素.具體分析過程如下：

（1）數據的初始化

以表4中各工況燃燒后的固定碳殘留率為參考序列，以床溫、流化數和床高為比較序列.對表4中數據進行均值化處理，得到無量綱的特征向量矩陣，分辨系數為0.5，計算得到不同床溫、流化數和床高對固定碳殘留率影響的灰色關聯序列：

（2）按照灰色關聯度計算步驟進行計算，求得關聯系數矩陣

（3）進一步計算得到灰色關聯序列為

也即床溫＞流化數＞床高，可見在研究工況范圍內床溫是影響燃燒的最主要因素.但在實際工藝設計時，床溫及流化數的調整相對困難，因而可以調整床高.在考慮設計或運行參數時，通過調整爐膛高度、受熱面以及給料量等因素，保證顆粒在爐內停留時間足夠長，爐膛溫度不能過低，但也不能過高，因為海藻類生物質的灰熔點較低.

4 結 論

通過海藻單顆粒在流化床內燃燒的試驗研究，分析了床高、床溫、流化風速對海藻燃燒后剩余質量份額和固定碳殘留率的影響，并進一步利用灰色關聯分析得到各工況因素影響固定碳燃盡的主次依次是：床溫＞流化數＞床高，可見在研究工況范圍內床溫是影響海藻顆粒燃燒的最主要因素.

［1］CHIRONE R，SALATINO P，SCALA F，et al.Fluidized bed combustion of pelletized biomass and waste－derived fuels［J］.Combustion and Flame，2008，155（1／2）：21－36.

［2］SCALA F，SALATINO P.Fluidized bed combustion of a biomass char（Robinia pseudoacacia）［J］.Energy＆ Fuels，2000，14（4）：781－790.

［3］SCALA F，CHIRONE R.An SEM／EDX study of bed agglomerates formed during fluidized bed combustion of three biomass fuels［J］.Biomass and Bioenergy，2008，32（3）：252－266.

［4］王爽，姜秀民，王寧，等.海藻類生物質的熱解和燃燒特性的研究［J］.動力工程，2009，29（6）：596－601.WANG Shuang，JIANG Xiumin，WANG Ning，et al.Study on pyrolysis and combustion characteristics of seaweed biomass［J］.Journal of Power Engineering，2009，29（6）：596－601.

［5］WANG S，JIANG X M，WANG N，et al.Research on pyrolysis characteristics of seaweed［J］.Energy ＆Fuels，2007，21（6）：3723－3729.

［6］ANASTASAKIS K，ROSS A B，JONES J M.Pyrolysis behaviour of the main carbohydrates of brown macro－algae［J］.Fuel，2011，90（2）：598－607.

［7］WANG S，JIANG X M，HAN X X，et al.Fusion characteristic study on seaweed biomass ash［J］.Energy ＆Fuels，2008，22（4）：2229－2235.

［8］張雪平，殷國富.基于層次灰色關聯的產品綠色度評價研究［J］.中國電機工程學報，2005，25（17）：78－82.ZHANG Xueping，YIN Guofu.Research on evaluation method of product green defree based on layered grey relation［J］.Proceedings of the CSEE，2005，25（17）：78－82.

［9］董偉，陳海耿，李瑞陽，等.多目標灰色局勢決策在加熱爐動態操作中的應用［J］.化工學報，2003，54（11）：1575－1579.DONG Wei，CHEN Haigeng，LI Ruiyang，et al.Application of multiobjective gray state decision making to dynamic operation of reheating furnace［J］.Journal of Chemical Industry and Engineering，2003，54（11）：1575－1579.

［10］鄧聚龍.灰理論基礎［M］.武漢：華中科技大學出版社，2002.