生物質粉末化氣力輸送及燃燒實驗研究

黃衛疆

（廣西桂物能源工程設計有限公司，廣西南寧 530022）

0 引言

在我國，農業發展基礎良好，對應的生物質資源數量極為豐富，相關數據顯示，我國農林廢棄物每年產生量超過7 億t，能夠充當能源的數量有3.6 億t，能夠有效緩解我國能源短缺及環境污染壓力。從傳統生物質利用角度來說，存在污染嚴重、效率不足等問題，在生物質氣化技術幫助下，該類問題能夠得到充分解決。對于生物質粉末運輸，常見運輸形式有螺旋給料方式以及活塞式給料方式，但在運輸時，容易出現粉末壓實堆積堵塞管道等情況，為此，需要提升生物質粉末氣力輸送技術的重視度。

1 固體粉末氣力輸送

氣力輸送過程中，主要是以氣流充當載體，通過管道完成粉末、粒裝等固體物料運輸操作。由于輸送管兩端存在壓力差，能夠為管道內部空氣流動提供充分條件，使得物料顆粒獲得充足的移動能量。氣力輸送系統建設上，主要涉及的結構內容有氣源、供料裝置、輸送管道等等。相關人員通過對上述部件的正確選擇，能夠讓主體結構更具靈活性特點。現階段，很多企業均引入了氣力輸送技術，完成對不同顆粒物料的運輸，為其他工序開展創造有利條件。

1.1 氣固兩相流的基本性質

兩相流也被人們稱之為多相流動，各相之中具有較大的濃度變化范圍。相比于單相流，兩相流特點如下：①兩相之中的顆粒狀態以分散為主，粒徑大小存在明顯差異，而且呈現出不同的運行規律；②由于固體顆粒與氣體介質具有不同的運動慣性，顆粒相與氣相之間的運動速度存在較大差異，該運動速度也被稱之為相對速度；③固體顆粒在傳輸方面，顆粒與管壁之間會出現碰撞與摩擦情況，導致兩相運動出現明顯變化，增加靜電效應出現的可能性；④當出現紊流問題時，顆粒運動以及氣體運動規律會出現相互干擾的情況；⑤流場內部存在明顯的壓力和速度梯度，再加上顆粒形狀不規則，容易導致其出現顆粒與顆粒、顆粒與管壁之間的碰撞，內部作用力提升明顯[1]。

1.2 氣力輸送系統的分類

通過管道來輸送物料，由于其內部流動狀態十分復雜，當氣流速度、物料數量等出現變化后，內部流動狀態同樣會隨之改變。一般來說，物料在輸送管道中流動狀態分類，可根據輸送管道內部氣流速度大小，以及物料數量情況進行，常見類型包括兩種：①懸浮流，在氣流動壓作用下，物料顆粒能夠處于流動狀態；②栓流，在氣流動壓以及靜壓作用下，物料顆粒同樣能夠被推動。另外，針對氣力輸送系統分類，可按照輸送管道中形成氣流情況進行，常見類型有吸送式和壓送式。如果是按照輸送壓力進行劃分，主要包括高壓式和低壓式。

1.3 常見的氣力輸送系統

常見的氣力輸送系統形成包括以下幾方面：①正壓式氣力輸送系統。該類系統在應用時，相關人員需要在起點位置安裝風機或者是空氣壓縮機，保證更多高氣壓空氣進入供料裝置內部，最終到達貯罐，將過濾好的空氣排放至大氣層之中。相比之下，正壓式氣力輸送系統內部輸送壓差巨大，能夠在遠距離、大容量運輸中發揮出作用，對空氣質量要求較高，應避免水、油等雜質進入系統內。②負壓式氣力輸送系統。負壓式氣力輸送系統在應用時，主要是從幾個物料源中執行取料任務，之后將其轉移到具體收集點上。為了維護系統的穩定運轉，羅茨風機或真空泵應用顯得尤為重要，能夠實現對系統內部空氣的有效抽吸，讓輸送管內部負壓氣流低于大氣壓。

總的來說，負壓式氣力輸送系統進料方式，要比正壓式氣力輸送系統更加簡單，但在卸料器以及除塵器設定上，負壓式氣力輸送系統需要具有較高的嚴密性，排料時，也要具備良好的氣密條件，從這里也能夠看出，兩種設備內部構造內容十分復雜。另外，負壓式氣力輸送系統很難完成遠距離輸送任務，這主要是由于輸送距離越長，對應的真空度要求越高，氣固混合物也會越稀。為了維護系統的穩定運行，會對其壓力降限度進行設定，一般為44kPa[2]。

2 生物質粉末燃料的氣力輸送實驗

2.1 實驗目的

相比于煤粉，生物質粉末所呈現出的物理性質不同，自身密度較小，松軟程度較高，而且具備易吸濕特點。氣力輸送時，如果應用沒有經過干燥的空氣，很容易出現貼附問題，最終導致管路出現堵塞現象。生物質粉末本身具備獨特性質，為了更好地解決相關問題，本文通過氣力輸送裝置實驗操作進行論證，避免后續燃燒工況出現問題。

2.2 實驗方法

在實驗裝置設計上，主要內容有輸送罐、流量計、空壓機、收集布袋等等。為了更好地滿足實驗要求，相關人員還會對輸送罐進行改裝，將壓力表和流量計安裝其中。對于壓力表安裝位置，主要集中在罐頂充壓管路以及引射管路內部。對于實驗方案的設計，當空壓機沖壓操作結束后，總路氣閥將被打開，并確保罐頂閥門處于全開狀態，只有這樣，才能確保上部正壓數量滿足相關應用條件。首先，工作人員只需開引射管路，對其流量大小進行合理調節，了解輸送罐出口粉體流動情況，對氣體流量進行記錄。其次，設定新的旁通補氣管路。當引射風量保持不變時，改變旁路流量，了解此時的出口粉體流態，并對理想狀態下的管路氣體流量進行記錄。再次，將引射風量改變，此時，繼續上述旁路流量調節操作，之后再觀察出口粉體流態，記錄輸送效果相對理想時的各管理氣體流量。最后，對引射管的伸入長度進行合理調節，保證旁通補氣管路閥門開度處于最佳狀態，此時，對輸送罐出口粉體流動情況進行全面記錄和了解，明確此時的管路氣體流量狀態[3]。

2.3 實驗結果

氣體體積流量計算過程中，具體計算公式如下：

初始階段，旁通管路往往處于關閉狀態，當沖壓管路打開后，空壓機總氣體壓力數值為0.7MPa。當引射管伸入長度L 為25mm 時，工作人員可以將引射管路閥門打開，保證其開度逐步增加，結果顯示，當引射管路氣體流量超過24Nm3/h 時，粉體輸送工作無法繼續進行。此時，如果繼續將引射管路閥門開度提升，內部氣體流量達到28Nm3/h 左右時，粉體能夠處于稀相輸送狀態。當氣體流量達到30～32Nm3/h 后，粉體能夠處于連續濃相輸送，此時，旁通補氣管無須開啟。經過一段時間的輸送，內部壓力及流速會呈現出明顯的下降趨勢，此時，同樣需要加開旁通補氣管，保證旁通氣體流量維持在14Nm3/h 左右，對應的引射管氣體流量為23Nm3/h，此時，粉體依舊能夠維持濃相輸送。具體空氣流量計流速如表1 所示。

表1 空氣流量及流速

如果引射管深入長度數值為50mm，實驗主體操作流程同上，從試驗結果中能夠看出，當引射管路氣體流量在21Nm3/h 以上時，粉體能夠處于穩定輸送狀態。如果音色環路氣體流量在26Nm3/h 左右，粉體能夠處于連續稀相輸送，當引射管路氣體流量增加至26～30Nm3/h范圍時，粉體能夠處于連續濃相輸送，后續，當壓力和流速降低之后，同樣可以通過旁通補氣管加開操作，保證輸送工作的穩步開展。補氣時濃相輸送狀態如圖1所示。

圖1 補氣時濃相輸送狀態

從上述試驗結果中能夠看出，引射管路伸入長度越長，粉體能夠連續均勻地保持稀相輸送狀態，且所需要的引射空氣數量越少。如果引射管路伸入長度有限，錐體落下的粉體會直接被引射管外部負壓空氣卷吸噴出，粉體在懸浮狀態下的輸出，往往會消耗大量氣體動力。如果引射管深入輸送管數量較多，所產生的負壓數量，能夠讓附近粉體得到抽吸，此時，粉體連續稀相輸送操作，并不需要加入其他形式的空氣動力[4]。

3 生物質粉末燃料燃燒實驗

3.1 燃燒設備的基本要求

在燃燒器應用方面，主要應用目的是將燃料和空氣送入燃燒室內部，并對氣流進行組織，保證燃料和空氣能夠在燃燒室中有序混合，實現著火和燃燒過程。總的來說，燃燒器產生的風粉混合效果，與燃燒器形式存在直接關系。在燃燒設備應用時，應該以穩定和安全為基礎，避免燃燒過程出現更多污染物，降低實驗成本。

3.2 實驗方法和步驟

為了維護實驗操作的順利進行，相關人員需要在燃燒器風道內安裝上流量計，對一次和二次風量進行計量，還要在燃燒室內部安裝測溫熱電偶。首先，在粉體元素分析方面，能夠對完全燃燒狀態下的理論空氣需求量進行估算，明確生物質粉末元素組成情況。其次，輸送罐之中的供給內容為一次風粉，以及燃燒器中的一次、二次風需得到初步測量，明確具體的風速和流量數值。再次，對燃燒過程中的平均溫度進行計算。一般來說，熱電偶計算往往均會應用到數字溫度表，以接觸式測量形式為主。實際燃燒溫度范圍應集中在900～1500℃。最后，當燃燒溫度得到明確后，工作人員可針對一次和二次風的風速范圍進行確定，之后了解煙氣之中的具體組成成分，選擇合適的配比范圍。如果一次風處于固定不變的狀態，相關人員需要針對二次風流量進行合理調整，此時，還要觀察具體的火焰色度以及燃燒情況，針對不同二次風流量，保證燃燒溫度的多次測量。如果二次風固定不變，工作人員可依靠引射器料調整一次風流量[5]。

3.3 實驗結果

在點火燃燒實驗方面，操作人員可通過煤氣點火槍，將生物質粉末直接點燃，了解其具體的燃燒情況。從實驗結果中能夠了解到，煤氣點火槍能夠將生物質粉末迅速點燃，之前熱重實驗中所得到的生物質粉末著火溫度為220℃左右，相比于煤粉，生物質粉末點燃難度更低，并不需要在其中加入汽油等物質，燃燒過程不會出現較多碳煙。另外，在氣力輸送裝置中的燃燒實驗開展方面，操作人員應提前明確一次和二次風速確定原則。對于氣流離開燃燒器出口的一次風速，會對著火過程產生極大影響，如果一次風速較高，著火距離會大幅提升，影響整體燃燒穩定性。如果一次風速較低，著火時間也會提前，增加燃燒器噴口燒壞的風險。例如，在煤粉燃燒上，其燃用煤種與一次風速之間存在緊密聯系，如果煤的揮發分較高，對應的火焰傳播速度更快，能夠進一步提升一次風速。從燃燒火焰的狀態角度來說，如果燃燒器二次旋流風閥門處于關閉狀態，實際二次直流風流量數值保持在28Nm3/h 時，所呈現出的煤氣火焰長度較長，火焰集中度較高。如果將燃燒器二次直流風閥門關閉，二次旋流風的流量同樣保持在28Nm3/h，所呈現出的煤氣火焰長度較短，火焰外擴情況十分明顯。

4 結語

生物質直接燃燒工藝相對簡單，能夠保證對可再生能源的充分利用，最終實現生物質能源的燃燒效率得到更好展示。對于輸送系統構造設計，其緊湊性特點明顯，設計原理并不復雜，通過與生物質粉末燃燒裝置的配合，最終得到的燃燒溫度能夠達到1200℃以上，保證生物質燃料的應用能級，緩解不可再生能源的消耗壓力。