生物質燃料燃燒機理及影響其燃燒的因素分析

田仲富，王述洋，曹有為

(東北林業大學機電工程學院，黑龍江哈爾濱 150040)

隨著全球經濟的迅猛發展，對能源的消耗也不斷地增長，作為人類生存和發展的重要資源——煤碳、天然氣以及石油為主的非再生能源將最終被耗盡，在大量使用這些非再生能源的同時會導致一系列嚴重的環境污染問題。所以，極大程度地努力提高現有能源的實際利用率，并通過高新科技開發出污染小、可再生的新能源，來逐漸取代那些高污染、非再生的石化能源，是解決人類能源和環境污染等危機問題的主要途徑。目前，在眾多的再生能源當中，生物質能是最有開發潛力的，因為其具有資源儲量大、清潔環保以及能再生等特點[1]。

生物質燃料燃燒機理是研制生物質燃料燃燒設備的基礎，這是因為生物質燃料燃燒機理與煤炭或木材的燃燒機理有很大區別。為了使生物質燃料燃燒設備能夠有較高的燃燒效率和較低的環境污染，對生物質燃料燃燒機理進行詳細的研究是一項非常有價值的工作[2]。為此，筆者查閱相關文獻，分析生物質燃料的燃燒機理，并概述影響其燃燒的因素。

1 生物質燃料燃燒機理

1.1生物質燃料特性生物質燃料的元素組成同煤炭的元素組成是有很大差別的，表1是生物質燃料與煤炭的元素組成對比表[3]。由表1可知，煤炭與生物質燃料相比存在以下差別：①含C量較高，含固定C高；②含O量低很多，含水量少；③含H量稍低；④揮發分含量較少；⑤密度大。

表1 生物質燃料與煤炭的元素組成對比表

由于生物質燃料在組分上同煤炭有以上差別，所以在燃燒時，為了使生物質燃燒設備經濟、高效和可靠地工作，應根據不同的生物質燃料，在供氣方式、燃燒室結構和燃料供給等方面加以適當的調整，從而使燃燒更充分、更高效。

1.2生物質燃料的燃燒階段

1.2.1各階段分析。生物質燃料的燃燒過程是劇烈的放熱/吸熱的理化反應。在燃燒過程中，由于燃料與空氣會發生傳質、傳熱過程，所以燃料燃燒所產生的熱量會使環境溫度升高，升高的環境溫度又會加快傳質過程的進行。因此，發生燃燒的前提條件是：不僅要有足夠的燃料，而且還要有適當的空氣供給和足夠的熱量供給[4-5]。

生物質燃料的燃燒過程如圖1所示。其燃燒過程可分為：燃料預熱、干燥、揮發分析出燃燒和焦炭燃燒4個階段。生物質燃料燃燒的各個階段雖然大都是串行的，但也有相當一部分是重疊進行的，因而沒有嚴格的區分線，每個階段所需時間和燃料種類、成分和燃燒方式等因素息息相關。為了使分析更有針對性，以下以秸稈為例，說明其燃燒過程的4個階段。

(1)預熱階段：把秸稈送進燃燒設備后，用特定的點火方式引燃秸稈表面的可燃物，環境溫度會逐漸升高。

(2)干燥階段：水會在逐漸升高的環境溫度中蒸發，使秸稈變得干燥，同時干燥的秸稈繼續吸熱增溫。

(3)揮發分析出燃燒階段：當溫度達到106～110 ℃時，秸稈表面的揮發分會以氣體的形式被析出，燃料的結構也開始變得蓬松；溫度進一步升高，當達到260～370 ℃時，揮發分首先著火燃燒。可知，要具備溫度和濃度這兩個前提條件的情況下，揮發分才能燃燒。隨著秸稈表面揮發分燃燒，其所放出的熱能逐漸積累，通過傳遞和輻射向秸稈內層擴散，進一步使秸稈內層的揮發分被析出，這部分揮發分和氧混合繼續燃燒，同時有大量的熱量放出，這時揮發分包圍了秸稈中剩余的焦炭，爐膛中的氧很難直接接觸到焦炭表面，所以焦炭不易燃燒。揮發分的燃燒為其后的焦炭燃燒準備了熱能條件[6]。

(4)焦炭燃燒階段：隨著揮發分的減少，焦炭逐漸與氧接觸，使焦炭開始燃燒。在焦炭的燃燒過程中會不斷地產生灰分，燃料內層的焦炭被這些灰分包裹，阻止其繼續燃燒。此時，若不時地攪動或加強爐膛中的供風，都能使剩余的焦炭繼續燃燒。

總之，上述燃燒的各個過程可歸納為兩大類：吸熱反應(預熱、干燥和揮發分析出)和放熱反應。揮發分燃燒和焦炭燃燒，前者占燃燒時間15%，但提供總熱量的65%，后者占燃燒時間的85%。

圖1 生物質燃料的燃燒過程

1.2.2溫度控制。下面先從化學的角度來看一下生物質燃料在灶膛中的反應過程，即只要表現為碳的燃燒過程[7]：

C+O2→CO2+412.6kJ

(1)

式(1)所產生的CO2在O2供給不足時，可能會和空氣中的C進行吸熱反應，導致環境溫度下降，反應式為：

C+CO2→2CO-158.6kJ

(2)

與此同時，空氣中的水蒸氣和C也可能進行吸熱反應，其反應式為：

C+H2O→H2+CO-131.8kJ

(3)

由反應式(2)和(3)可知，二者的產物CO和H均可以同O2進一步發生放熱反應，從而提高灶膛中的溫度：

3CO+3/2O2→3CO2+798.6kJ

(4)

H2+1/2O2→H2O+302kJ

(5)

從以上反應式可知，在生物質燃料的燃燒過程中，C即使不能完全燃燒，但只要有足夠的空氣并經過一定的時間，也能使灶膛的放熱強度達到要求。所以，在燃燒過程中循環引入一定量煙氣，通過吸熱反應來使灶膛溫度下降，以防灶膛焦炭結渣。

1.2.3燃燒所需空氣量。生物質燃料的可燃元素一般為C和H。燃燒過程中C和H分別與O2發生放熱反應。大多數燃燒設備都是從空氣中來獲得O2。所以，一般情況下應計算燃燒所需的空氣量，以此作為燃燒設備設計的依據。生物質燃料中的可燃成分，它們與 O2發生燃燒反應的反應式為：

CO+1/2O2→CO2

(6)

H2+1/2O2→H2O

(7)

CH4+2O2→2H2O+CO2

(8)

由生物質燃料的體積百分數及各可燃成分所需氧的量(體積)可由式(6)、(7)以及(8)直接計算出。燃料所需的理論空氣量V0可由下式求出：

V0=(1/2CO+2CH4+1/2H2)/21

(9)

燃燒過程中所需的空氣量為：

La=α×V0×Lg

(10)

式中，α為空氣過量系數，為了使燃料在不預混條件下能夠完全燃燒，其取值為1.5～2.8，最佳的取值為2.0；Lg為燃氣用量(Nm3/h)。

1.2.4排煙量。排煙量對于生物質燃料燃燒裝置的結構和尺寸設計有著重要的影響，所以排煙量的計算也很關鍵。生物質燃料燃燒過程中的排煙量和其元素組成、水分含量以及空氣過量系數有關。每kg生物質燃料燃燒過程中的排煙量計算式為：

Vpy=0.186 8(0.376Sy+Cy)=0.11Hy+0.013 4Wy+0.006Ny+(1.02αpy-0.32)V0

(11)

式中，Vpy是每kg生物質燃料的實際排煙量,單位為m3/kg；Sy、Cy、Hy、Wy以及Ny分別為生物質燃料S元素、C元素、H元素、水分以及N元素的應用基含量(%)；αpy為排煙處Q值。

爐膛中的排煙熱損失與排煙量溫度呈正比關系，因此排煙熱損失隨著排煙量的增大而增大。

1.2.5燃燒溫度。生物質燃料在燃燒時的燃燒溫度與燃料種類、成分、環境條件、燃燒設備等因素有直接的關系。燃燒溫度也是生物質燃料燃燒設備設計的關鍵參數之一。總地來看，生物質燃料燃燒過程中熱量吸入和熱量排出的平衡關系決定了實際燃燒溫度[8]。

生物質燃料燃燒的熱量吸入主要包括燃料的化學熱及燃料的發熱量QDW、燃料帶入的物理熱Qf、空氣帶入的物理熱Qa。

生物質燃料燃燒的熱量排出主要包括燃燒產物含有物理熱Qp(Qp=Vp×Cpp×Tp，其中，Vp為燃料的燃燒量，Cpp為燃燒產物的平均比熱，Tp為燃燒產物的溫度)、燃燒產物燃燒時向環境的傳熱量Q傳、燃料未能完全燃燒的熱損失Q不。

由熱量平衡原理可知，當熱量吸入和排出相等時，燃燒產物達到一個相對穩定的燃燒溫度，即列熱量平衡方程式為：

QDW+Qa+Qf=Vp×Cpp×Tp+Q傳+Q不

(12)

由式(12)整理得到燃燒產物的溫度為：

(13)

2 影響生物質燃料燃燒的因素

2.1爐膛溫度爐膛溫度是影響生物質燃料燃燒最直接的因素，在充分考慮焦炭結渣問題的前提下，必須最大程度地提高爐膛的溫度，才能促進生物質燃料燃燒的反應速率。

2.2空氣量燃燒反應的進程決定于燃料與空氣的供給。燃燒反應會由于空氣量供給太少，而使燃料燃燒不完全，進而造成燃料浪費；但空氣供給太多，過量的空氣將所吸收的熱量白白帶走，致使燃燒溫度降低，燃燒也會相應地變為不穩定。所以，空氣量需有個最佳范圍，故空氣過量系數的穩定性是保障燃燒過程穩定的前提條件。

2.3生物質燃料顆粒尺寸因固體顆粒反應一般在其表面進行，因而生物質燃料顆粒的表面積越大，對燃燒反應的進行越有利。顆粒尺寸與其表面積呈反比，所以，應盡量減小生物質燃料顆粒的尺寸，才能提高其燃燒反應效率。

2.4反應時間生物質燃料的燃燒也屬于化學反應范疇，所以其燃燒要經過一定的時間才能結束。充足的反應時間也是生物質燃料完成燃燒反應的重要因素之一。

2.5水分、灰分含量燃燒反應屬于放熱反應，而水分蒸發恰好會強烈地吸收熱量，生物質燃料的燃燒過程屬于自維持型燃燒，所以其水分含量不應超過70%，若超過，則需借助輔助燃料助燃。

因燃料中的灰分不可燃，因此生物質燃料灰分含量越高，其熱值和燃燒溫度越低。在燃燒過程中內層未燃燒的燃料可能會被灰分包裹，進而使燃料燃燒速度降低，同時灶膛溫度達到一定高度時，高灰分含量定會增加熔化量，所以應采取合理的措施，使燃料完全燃燒，同時減少對燃燒爐灶的腐蝕。

2.6氣固混合比在燃燒進行時，要有一定的氧擴散到燃料顆粒表面，在燃料燃燒反應的進行過程當中，其內層的灰分會慢慢暴露出來，進而包裹沒有燃燒完全的炭。所以在燃燒過程中應不時攪動來保證合理的氣固混合比，才能使灰分剝落并暴露出沒有燃燒完全的炭，最終使燃料進行充分的燃燒。

3 結論

分析表明，溫度、空氣量和固混合以及反應時間和空間是其(生物質燃料)充分燃燒的三要素。但是，因參與吸熱反應的生物質燃料和參與放熱反應的并不是直接接觸，因而生物質燃料的吸熱只能從灶膛內壁以及火焰的輻射獲得。所以，水分含量不同的生物質燃料，對燃燒設備的要求也有很大差異，水分較大的需很多的熱量來保證吸熱反應進行，故要盡量使灶膛內壁的溫度保持一定高度；對水分含量較小的燃料要注意對灶膛內壁的冷卻，以防止灰渣在灶膛內結渣。應根據不同生物質燃料的燃燒機理，探索不同類型的燃燒技術并研發相應的燃燒設備，以便于提高生物質燃料的燃燒效率。

該研究可為生物質燃料的燃燒特性分析和生物質燃料燃燒設備的設計提供參考。

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