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王月喬1,2,3，田宜水1,3，侯書林2，趙立欣1,3，孟海波1,3
（1.農業部規劃設計研究院，北京100125；2.中國農業大學工學院，北京100083；3.農業部農業廢棄物能源化利用重點實驗室，北京100125）
摘要：為深入研究生物質顆粒燃料的燃燒特性，探討自動燃燒器的燃料適應性，該文基于PB-20型生物質顆粒燃燒器，選擇了5種灰分小于25%（空氣干燥基）的顆粒燃料，分別研究了燃燒工況中進料量和空氣量對燃燒性能的影響。試驗結果表明灰分含量大于20%的顆粒燃料燃燒不充分，工況不穩定，效率低，結渣大，易熄火，不適用于此類生物質顆粒燃燒器；灰分含量為12.40%的顆粒燃料推薦參數為進料量4kg/h，風機轉速2600～2800r/min，清渣速度為3r/min，轉5s/停35s；灰分在7.21%的顆粒燃料推薦控制參數為進料量3～4kg/h，風機轉速2600～2800r/min，清渣速度相對應為3r/min，轉5s/停60～55s；灰分值低于1%的顆粒燃料均以進料量3～4kg/h，風機轉速2600～2800r/min，不需清渣為推薦參數。該研究總結了生物質顆粒燃燒器的燃料適用控制參數，為燃燒器的推廣應用提供了數據支持。
0引言
生物質能具有環境友好和可再生的雙重屬性，其中，生物質固體成型燃料取之于農林廢棄物，燃燒特性明顯改善，成為生物質能的主要利用方向之一[1-5]。
生物質顆粒燃料作為一種典型的生物質固體成型燃料，直徑小于25mm，體積只有壓縮前的1/8～1/6，且體積和質量較為均勻，流動性較強。燃燒使用過程中，點火容易，燃燒高效，易于自動控制，且CO2零排放，SO2低排放[6-10]。
生物質顆粒燃料燃燒器是一種典型的燃燒生物質顆粒的設備，在日本及歐洲一些國家應用比較成熟，已經實現產業化經營[11-14]。
國外的顆粒燃料以木質為主，種類單一[15]。但是中國生物質顆粒燃料原料種類多樣化[16]，理化特性差異大，不同顆粒燃料的燃燒特性有所不同，使得生物質顆粒燃料燃燒器的燃料適應性不佳，造成生物質顆粒燃料燃燒器使用范圍不廣等問題。
目前，國內生物質顆粒燃料燃燒方面的文獻多為研究顆粒燃料本身的燃燒特性，王惺等[17]、王翠蘋等[18]利用熱重分析技術研究了多種生物質顆粒的點火及燃燼特性，蘇俊林等[19]重點研究了玉米秸稈顆粒的熱工特性，羅娟等[20]研究了生物質顆粒燃料的燃燒特性及污染物排放特性，侯中蘭等[21]、袁海榮等[22]研究了點火的影響因素，徐飛等[23]研究了生物質顆粒燃料的熱風點火性能，總結了最佳點火控制條件。
由于農作物秸稈具有周期性，為保證周年生產，一般采取原料來源多元化的方式，而同一地區不同種類的秸稈其特性差異較大[24]，造成同一燃燒設備需要適應多種生物質燃料。但是，設備制造后，一般難以調整。因此，需要針對生物質燃料燃燒設備的燃料適應性方面開展研究，明確運行工況。
羅娟等[20]、姚宗路等[25]的文章中均指出顆粒燃料的灰熔融點、灰分值對燃燒的結渣情況等有影響，同時，實際燃燒中，發現不同灰含量的生物質顆粒燃料的燃燒狀態有很大不同。因此，本文將灰分值作為選擇燃料的主要依據，探討不同灰分的顆粒燃料的適應性。
本文擬基于農業部規劃設計研究院研制的PB-20型生物質顆粒燃料燃燒器[26-28]，使用多種不同灰分的生物質顆粒燃料，選取不同進料量，不同風機轉速，測試燃燒器的熱工性能，分析生物質顆粒燃料燃燒的效率變化以及其成因，得出適用于15～25kW生物質顆粒燃料燃燒器的燃料最佳匹配進料和進風，為今后生物質顆粒燃燒設備的推廣研究提供數據支持。
1原料及試驗設備
1.1試驗原料
本試驗所用的生物質顆粒燃料依據燃料灰分值介于0～25%之間依次選擇了秸稈和木質共5種。所有顆粒燃料均采用環模成型工藝[2,29]，基本外形尺寸為直徑6～8mm，長度10～30mm，顆粒密度約為1.2～1.8g/cm3。5種生物質顆粒燃料的工業分析、元素分析以及熱值見表1。其中，顆粒1的灰份偏高，為24.41%，主要原因可能為收獲和加工過程混入土壤等雜質。
1.2試驗裝置及平臺
1.2.1試驗儀器及裝置
試驗儀器：GJ-2封裝式化驗制樣粉碎機（河南省天弘儀器有限公司）、6100氧彈熱量計（Parr公司）、SA223S-CW型分析天平（賽多利斯科學儀器（北京）有限公司）、101-1A型電熱鼓風干燥箱（河南省天弘儀器有限公司）、XL-1箱型高溫爐（河南省天弘儀器有限公司）、2400SeriesⅡCHNS/O元素分析儀（PE公司）、3012H型煙塵/煙氣分析儀（青島嶗山應用技術研究所）、KM9106煙氣分析儀（英國凱恩公司）、6mm孔徑篩（安平分樣篩廠）、熱電偶（0～1200℃，定做）。
試驗裝置：農業部規劃設計研究院研究制作的PB-20型生物質顆粒燃燒器[26-28]，設計熱功率為15～25kW，點火絲300W，風機25W，進料電機25W，清渣電機15W。如圖1所示，該燃燒器為上進料式，主要由點火絲、風機、清渣電機及進料電機（位于落料管上方，通過耐熱軟管與落料管連接，圖中未畫出）組成，點火時間、進料量、風機轉速及清渣頻率等控制參數可通過生物質燃燒設備監控平臺進行調節。
1.2.2試驗平臺
本文試驗是在農業部規劃設計研究院依據《工業鍋爐熱工性能試驗規程GB/T10180-2003》[31]研發的生物質燃燒設備監控平臺[32]上完成，如圖2所示。本生物質燃燒設備監控平臺包括上位機、燃燒器和鍋爐系統以及多個數據采集傳感器，可對生物質顆粒燃燒器的燃燒控制參數進行調節，也對生物質鍋爐的進出水溫、進出冷熱空氣溫、循環水流量、O2/CO等多個燃燒性能熱工參數進行采集和處理。
1.3試驗方法
1.3.1測試燃燒特性
PB-20型生物質顆粒燃燒器設計功率為15～25kW，所以每種顆粒均分別選擇3種進料量，為3、4、5kg/h，顆粒燃料的熱輸入如表3所示；風機轉速分為0～9等，正弦波調速，0～2800r/min，5級以下風量過小，不適用于正常燃燒狀態。通過前期試驗我們發現，由于風量與壓力有關，微調風機轉速，風量及過量空氣系數變化不敏感，因此選擇了5、7和9共3種轉速，為2600、2700、2800r/min，做3×3種工況測試。
每種工況單獨測試，清渣電機則在燃燒過程中多次調試，取燃燒狀況最好的情況下的電機轉速和停機占空比；待燃燒穩定后，連續測試1h。每隔1min記錄測試參數，煙塵排放每隔15min測量1次。
1.3.2測試灰渣特性
試驗開始前，將爐膛內底灰清理干凈，試驗結束后，使用熱電偶測量灰渣溫度，并取出全部底灰及渣塊，迅速平攤散熱，防止在空氣中繼續燃燒，稱量灰渣質量。將全部灰渣研磨成粒徑小于100目的粉末，取空氣干燥基測取底灰可燃物含量。
2性能指標
鍋爐熱工性能是指鍋爐的熱力學效率，用來評判鍋爐性能。由于國家未發布生物質顆粒燃燒器測試標準，可測試配套鍋爐熱工性能，反推燃燒器性能。本文依據《工業鍋爐熱工性能試驗規程GB/T10180-2003》[31]重點考察燃燒器的燃燒效率、其中的各項熱損失以及煙塵排放，通過分析可以得到不同灰分值的燃料在不同風機轉速下的燃燒狀態及原因，為研究燃料的適應性和燃燒器及燃燒系統的改進優化提供參考。
2.1燃燒效率
2.2熱損失
2.4煙塵排放
測量煙塵排放濃度，觀測煙氣黑度。由于國家未出臺生物質燃料燃燒的相關污染物排放標準，因此根據《鍋爐大氣污染物排放標準GB13271-2001》[34]，選取自然通風燃煤鍋爐的排放要求。燃燒器所處地區為二類區，因此煙塵最高排放濃度為120mg/m3，煙氣黑度（林格曼黑度）為1級。
通過上述多組試驗，得到燃燒試驗結果。除對比各個工況的燃燒效率外，根據各項熱損失的成因，重點選取氣體不完全燃燒熱損失、固體不完全燃燒熱損失、灰渣物理熱損失3種熱量損失，從中分析熱量損失成因。
3結果與分析
3.1不同顆粒的燃燒熱損失分析
3.1.1顆粒1的燃燒性能指標分析
試驗發現，顆粒1不管進料量、進風機轉速，清渣量如何改變，燃燒均不能持續到1h以上，燃燒狀態變化較大，不能穩定測量熱損失，初步測定效率在60%甚至少于50%，甚至在進料5kg/h的情況下，燃燒約15min即熄滅，沒有試驗數據。原因是顆粒1屬于高灰燃料（24.41%），發熱量低，燃燒時熱量傳導差，結渣嚴重，使得火焰不能持續，如表4所示。這說明此類燃燒器并不適用于燃用高灰分燃料，需要優化調整燃燒器結構。
3.1.2顆粒2的燃燒性能指標分析
顆粒2燃燒時的清渣電機均為3r/min，啟停間斷時間分別為：進料量3kg/h，轉5s/停40s；進料量4kg/h，轉5s/停35s；進料量5kg/h，轉5s/停30s。顆粒2的9種工況結果如表4所示。
試驗結果顯示，顆粒2在進料3和4kg/h時的燃燒效率η均在90%以上，且不同風機轉速時相差不大；進料5kg/h的η下降到70%左右，且隨風機轉速增加而增加。
進料3和4kg/h的氣體未完全燃燒熱損失q3在0.10%～0.27%之間，其過量空氣系數α在1.48以上，與進料量匹配較好，熱損失較小。進料5kg/h的q3，高至18%以上，主要原因在于其進料量較高，α在0.92～1.13之間，空氣量明顯偏小，與顆粒燃料之間燃燒不充分，造成煙氣中CO含量偏高，進而造成其燃燒效率η較低。
進料3kg/h在轉速2800r/min時，固體未完全燃燒熱損失q4有所增長，可能原因是進料量少，轉速大，將部分燃料或燃燒中的顆粒物吹出燃燒筒，造成飛灰中未燃盡的碳增加。此外，進料5kg/h的q4在轉速2600r/min時,高于其他2種進料4%以上，且隨轉速增多而減小。主要是因為進料量增大，且顆粒燃料含灰量比較高，空氣與固定碳混合不均勻，燃燒不完全，產生較多的灰渣；轉速增加，則空氣和固定碳混合的越好，使得q4下降。
顆粒2的灰渣物理熱損失q6整體較高，進料3和4kg/h均在0.05%～0.08%之間，進料5kg/h在0.08%～0.10%之間，主要是因為灰含量較大。
顆粒2在進料3kg/h時煙塵排放量很高，轉速2800r/min時，高達393mg/m3。顆粒2灰分大，同時進料3kg/h時燃燒較為完全，灰分結成渣塊較小，飛灰較多，由煙氣夾帶飛灰排出，造成煙塵量大，轉速大夾帶飛灰更多，建議在煙道添加排煙過濾裝置。進料4和5kg/h的煙塵排放和煙氣黑度在國家排放標準之內。
3.1.3顆粒3的燃燒性能指標分析
顆粒3燃燒時的清渣電機均為3r/min，啟停間斷時間分別為：進料量3kg/h，轉5s/停60s；進料量4kg/h，轉5s/停55s；進料量5kg/h，轉5s/停50s。顆粒3的9種工況結果如表4所示。
試驗結果顯示,針對η而言，有隨著進料量增大而減小的趨勢，進料3和4kg/h的η均在90%以上，轉速對其影響較小，進料5kg/h的η隨轉速增大而提高，在85.01%～87.76%之間。
顆粒3的α值均在1.45以上，相較于同等工況的其他顆粒是最大的，主要原因在于顆粒3通過化學元素組成計算出的理論空氣量是最小的。進料量3和4kg/h的α均大于2，其q3在1%以下，說明空氣量與進料量比較匹配。進料5kg/h的α則在1.5左右，相對空氣量較少，q3在3%左右，比進料3和4kg/h稍高，但不是影響η的主要因素。
進料3kg/h時，q4隨轉速增加而減小，因為轉速增加，空氣量增加，燃料燃燒更加充分，灰渣可燃物含量下降，灰渣量也有所減少。進料4kg/h在轉速2700r/min時，q4有所突變，也是造成該工況效率降低的主要因素，主要原因是轉速2700r/min的灰渣可燃物含量相較于轉速2600和2800r/min偏高7%左右，可能是在燃燒過程中清渣電機速度有所波動，清出較多的未完全燃燒顆粒物。進料5kg/h的q4在10%上下，明顯高于進料3和4kg/h，且均隨轉速增大而減小，固體未完全燃燒熱損失是影響燃燒效率的變化的主要原因。可能原因是進料量增大，加之空氣量不夠，固定碳與氧氣接觸不充分，導致燃燒不充分，灰渣中可燃物含量會有所提高。
3種進料量的q6均在0.04%以下，主要由于顆粒燃料灰含量減小，灰渣物理熱損失也均相應減小。顆粒3的煙塵排放量和煙氣黑度均符合國家排放要求。
3.1.4顆粒4的燃燒性能指標分析
顆粒4燃燒時無需清渣。顆粒4的9種工況結果如表4所示。試驗結果顯示，進料3kg/h時，η最高，其次是4kg/h，并且均在95%以上，進料5kg/h時，η最低，不同轉速對其影響較大，隨轉速增大而增大，從86.91%增長到96.45%。
進料3和4kg/h的α在1.2～1.7之間，進風量比較適合，燃燒相對完全，CO排放值小，使得q3均小于1.5%，同時風機轉速變化對其影響較小。而進料5kg/h在轉速2600r/min和轉速2700r/min時，q3較大，最高達到4.29%，主要原因是空氣量相對小，顆粒的可燃部分燃燒非常不充分，轉速2600r/min時的空氣流速小，與固定碳接觸時間長，CO排放值少于轉速2700r/min，而轉速2800r/min的空氣量增大，CO排放值也少于轉速2600和2700r/min。
針對q4，進料3和4kg/h的整體燃燒充分，灰渣量小，灰渣可燃物含量小，q4低于4%，而進料5kg/h在轉速2600r/min時q4高達9.88%，也是造成該工況η僅為86.91%的主要原因，該工況灰渣量為0.226kg/h，其他工況的灰渣量僅為0.04～0.05kg/h，可能由于顆粒4灰分含量較小，燃燒過程中幾乎沒有結到一起的渣塊，無需清渣，灰渣均為進風吹出的灰沉積而得，測量的灰渣量會稍有偏差，另外也有帶出的未完全燃燒的顆粒，密度大于飛灰，使得灰渣量與灰渣可燃物含量稍大。3種進料的q6除進料5kg/h在轉速2600r/min時在0.03%外，其余工況均在0.01%以下，得益于顆粒4的低灰含量。
顆粒4的進料3和4kg/h的煙塵煙氣排放符合國家排放標準，其中，進料3kg/h在轉速2800r/min時，煙塵排放大可能是因為測量的時段燃燒稍有不穩定，排放顆粒物較多。而進料5kg/h的煙塵排放量均超出國家標準，煙氣黑度均為林格曼黑度2級，主要是進料量大，同時灰含量小、可燃物多，燃燒相對不完全，煙氣夾帶的飛灰多所致。
3.1.5顆粒5的燃燒性能指標分析
顆粒5燃燒時無需清渣。顆粒5的9種工況結果如表4所示。試驗結果表明，顆粒5在進料3kg/h時，η在不同風機轉速下持平，進料4kg/h的η則隨轉速增長有所提高，進料5kg/h為最低，但也在91%以上。
同為低灰顆粒，且燃燒效率相差不多的情況下，對比表4中顆粒5和顆粒4的熱損失數值，發現，顆粒5的q3要比顆粒4的低，可能原因是顆粒5單顆顆粒短小且輕，較為松散，不如顆粒4單顆顆粒緊實，留在燃燒筒內的燃料與空氣接觸的更為充分，燃燒得較為徹底。
同時，排除個別工況，顆粒5的q4整體比顆粒4要高，主要原因也在于顆粒5的單顆顆粒比顆粒4長度短、質量小，特別是進料量小時，有些顆粒未完全燃燒就被風吹出燃燒筒，構成灰渣，使得灰渣可燃物含量高達80%～90%。進料4kg/h在轉速2800r/min時比進料3kg/h在轉速2800r/min時的η值高主要也是由于進料4kg/h比3kg/h進料量要多，壓在進風口的顆粒多，被吹出的燃料要少于進料3kg/h，使得q4較小。因此，在燃燒此類顆粒燃料時可在燃燒器上添加相應的攔網類配件。
顆粒4和5的q6均在0.03%以下，也得益于灰含量非常低。顆粒5的煙塵排放量表明，進料3和4kg/h的燃燒工況均能滿足國家標準，煙塵排放量在40mg/m3左右。但進料5kg/h的煙塵量較高，林格曼黑度也為2級，其原因同顆粒4的進料5kg/h一樣。
3.2不同顆粒燃料的效率與煙氣排放分析及結果分別對5種顆粒燃料的3×3種工況的燃燒狀態匯總分析，均為兩因素三水平，3個觀測值，觀測值中重點考察燃燒效率，越高越好。《工業鍋爐熱工性能試驗規程GB/T10180－2003》[31]中指出符合標準的鍋爐最低效率為69%，本文考察燃燒器的燃燒效率水平，相較于鍋爐熱效率中的排煙熱損失和散熱損失，燃燒器的排煙熱損失和散熱損失可按常規排煙溫度140℃計算排煙熱損失為8%，散熱損失為2.9%，排除鍋爐系統的影響因素，計算可知：燃燒器燃燒效率低于70.9%為不符合標準，煙塵排放和煙氣黑度兩個觀測值滿足國家排放標準[34]（120mg/m3、林格曼黑度1級）即可。
匯總試驗結果，優選出其中推薦的控制參數，如表5所示。
4結論及建議
基于15～25kW生物質顆粒燃燒器，測試不同灰分的5種顆粒燃料的燃燒情況，可得以下結論：
1）顆粒2（灰分12.40%）進料量3kg/h，顆粒4（灰分0.87%）、顆粒5（灰分0.32%）在進料量5kg/h時需要添加排煙過濾裝置，降低煙塵濃度；燃燒顆粒5（灰分0.32%）時，可以添加攔網類配件，減少未完全燃燒的顆粒的被吹出率；
2）灰分含量大于20%的顆粒燃料燃燒不充分，工況不穩定，效率低，結渣大，易于熄火，不適用小型生物質顆粒燃燒器；灰分含量為12.40%的顆粒燃料推薦參數為進料量4kg/h，風機轉速2600～2800r/min均可，清渣速度為3r/min，轉5s/停35s；灰分在7.21%的顆粒燃料的推薦控制參數為進料量3～4kg/h，風機轉速2600～2800r/min，清渣速度相對應為3r/min，轉5s/停60～55s；灰分值低于1%的顆粒燃料均以進料量3～4kg/h，風機轉速2600～2800r/min，不需清渣為推薦參數。
建議：1）對高灰分的顆粒燃料展開更為詳細的燃料適應性試驗；2）對生物質顆粒燃料燃燒的影響因素很多，顆粒水分、大小、密度，清渣速度，分級進風等，可從其他角度多次試驗燃料的適應性。
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