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劉建禹，翟國勛，陳榮耀
(東北農業大學工程學院黑龍江省哈爾濱150030)
摘要：主要介紹生物質燃料的直接燃燒過程，它包括生物質燃料的組成特性、熱分解及燃燒過程、空氣需要量、煙氣量、熱值和理論燃燒溫度等。為利用生物質作為燃料的供熱設備設計和生物質氣化的研究提供理論依據。
0前言
生物質能是地球上最普遍的一種可再生能源，量大面廣，開發利用潛力巨大。自從人類發現火，開始使用這種能源至今，全世界仍有15億以上的人口在使用著這種原始的生物質能源。尤其在發展中國家，生物質能幾乎是農村燃料的主要依靠。我國是一個生物質能源耗用大國，大部分生物質燃料為直接燃燒，這種農村能源結構在一個相當長的時期內不會發生變化，這是由農村聯產承包體制及我國經濟基礎所決定的。因此，對生物質作為能源的直接燃燒技術和裝置的研究還是十分必要的。
目前，我們已掌握了許多有關生物質燃料燃燒方面的物理、化學機理，并在有些方面進行了計量。但是，對于生物質燃料的直接燃燒尚未達到完全了解的程度，本文主要從生物質燃料的組成特性方面，說明其直接燃燒過程特點以助生物質燃料的有效利用，同時也為進一步科學、合理利用生物質能，向生物質氣化方向發展提供研究的理論依據。
1生物質燃料和固體礦物質燃料(煤)的主要差別
表1列出了典型生物質燃料和典型的煙某和無煙煤的元素組成和工業分析成分組成。
從表1中看出，生物質燃料和煤碳相比有以下一些主要差別(見表2)：
1)含碳量較少，含固定碳少。生物質燃料中含碳量最高的也僅50%左右，相當于生成年代較少的褐煤的含碳量。特別是固定碳的含量明顯地比煤炭少。因此，生物質燃料不抗燒，熱值較低(見表1)。
2)含氫量稍多，揮發分明顯較多。生物質燃料中的碳多數和氫結合成低分子的碳氫化合物，遇一定的溫度后熱分解而折出揮發物。所以，生物質燃料易被引燃，燃燒初期，析出量較大，在空氣和溫度不足的情況下易產生鑲黑邊的火焰。在使用生物質為燃料的設備設計中必須注意到這一點。
3)含氧量多。從表2所列數字看出，生物質燃料含氧量明顯地多于煤炭，它使得生物質燃料熱值低，但易于引燃。在燃燒時可相對地減少供給空氣量。
4)密度小。生物質燃料的密度明顯地較煤炭低(見表2)，質地比較疏松，特別是農作物秸桿和糞類。這樣使得這類燃料易于燃燒和燃盡，灰燼中殘留的碳量較燃用煤炭者少。
5)含硫量低。生物質燃料含硫量大多少于0120%，燃燒時不必設置氣體脫硫裝置，降低了成本，又有利于環境的保護。
2生物質燃料的燃燒過程
生物質燃料的燃燒過程是強烈的化學反應過程，又是燃料和空氣間的傳熱、傳質過程。燃燒除去燃料存在外，必須有足夠溫度的熱量供給和適當的空氣供應。圖1為燃料燃燒過程的圖示。它可分作：預熱、干燥(水分蒸發)、揮發分析出和焦碳(固定碳)燃燒等過程。
燃料送入燃燒室后，在高溫熱量(由前期燃燒形成)作用下，燃料被加熱和析出水分。隨后，然料由于溫度的繼續增高，約250℃左右，熱分解開始，析出揮發分，并形成焦碳。氣態的揮發分和周圍高溫空氣摻混首先被引燃而燃燒。一般情況下，焦碳被揮發分包圍著，燃燒室中氧氣不易滲透到焦碳表面，只有當揮發分的燃燒快要終了時，焦碳及其周圍溫度已很高，空氣中的氧氣也有可能接觸到焦碳表面，焦碳開始燃燒，并不斷產生灰燼。
從上述說明可以看出，產生火焰的燃燒過程為兩個階級：即揮發分析出燃燒和焦碳燃燒，前者約占燃燒時間的10%，后者則占90%。同時也可看出，生物質燃料在燃燒過程中有以下一些特點：
1)物質燃料的密度小，結構比較松散，揮發分含量高，在250℃時熱分解開始，在325℃時就已開始十分活躍，350℃時揮發分能析出80%。可以看到，揮發分析出時間較短，若空氣供應不當，有機揮發分容易不被燃燼而排出，排煙為黑色，嚴重時為濃黃色煙。所以在設計燃用生物質燃料的設備時，必須有足夠的擴散型空氣供給，燃燒室必須有足夠的容積和一定的攔火，以便有一定的燃燒空間和燃燒時間。同時空氣供給量的多少也是生物質氣化爐設計的關鍵之一。
2)揮發分逐漸析出和燒完后，燃料的剩余物為疏松的焦碳，氣流運動會將一部分碳粒裹入煙道，形成黑絮，所以，通風過強會降低燃燒效率。
3)揮發分燒完，焦碳燃燒受到灰燼包裹和空氣滲透較難的影響，妨礙了焦碳的燃燒，造成灰燼中殘留余碳。為促進焦碳的燃燒充分，此時應適當加以捅火或加強爐蓖的通風。
3空氣供給量
適合的空氣量和空氣供給方式是保證燃料燃燒充分的條件之一。過多的空氣供給，會吸收燃燒產生的熱量，降低燃燒溫度，淡化可燃氣體的濃度，使化學反應減慢;過少的空氣供給或空氣受阻，分配不良，會使可燃氣體未經燃燒而逸出。
單位質量燃料的理論需要空氣量可根據化學反應式獲得。生物質燃料中磷含量極少，而鉀都以氧化鉀的形式出現，故二者可以忽略不計，單位質量燃料的理論需要空氣量可按下式計算：
爐灶中的排煙損失和排煙量及排煙溫度有關，排煙量大，排煙損失也隨之增大。同時，排煙量的多少直接關系到爐灶的喉口、煙囪截面和火炕炕洞截面尺寸的確定。
在家用生物質燃料的爐灶中，難以像工業鍋爐可以用調節法加以控制空氣過量系數值。從實際測試中可以看出，凡是煙囪抽力不佳，攔火過分，喉口小等情況都會減少空氣的進入，排煙中一氧化碳量明顯增多;而燒火旺，攔火小，煙囪抽力大的情況下，則空氣過量系數增大，最大時可達410以上。一般情況下空氣過量系數a值在1170～3100之間。最佳的空氣過量系數a值為2100左右。
空氣過量系數可以采用煙氣分析儀測定，其值可按下式計算獲得：
4排煙量
每千克燃料燃燒產生的煙氣量除與燃料的元素組成、水分含量有關外，尚和空氣過量系數有關。每千克燃料燃燒實際產生的煙氣量可按下式計算：
5理論燃燒溫度
目前尚不能用計算方法來獲得實際燃燒溫度，因為它受外界許多因素的影響。為了評價燃料燃燒過程本身的程度，設想使燃料在一理想條件下燃燒，理想條件是：沒有散熱損失和完全燃燒。這一條件下計算出來的燃燒溫度稱為理論燃燒溫度，它可以按下式進行計算：
以分析基玉米為例(數據見表1)，若a=214時，其理論燃燒溫度約為940℃，明顯地低于煤炭的理論燃燒溫度。實測實際燃用生物質燃料的爐灶的結果是：焦碳層的燃燒溫度為：850℃～900℃，火焰溫度：500℃～700℃，在a減小時此值尚能提高。
6結束語
生物質燃料直接燃燒和煤炭的直接燃燒有所不同，特別在空氣供給、燃燒室形狀和體積的要求等方面有著顯著的差別。了解上述基礎性知識將有助于生物質燃料直接燃燒時燃燒效率的提高。同時也為生物質氣化的研究提供理論依據。 |
