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徐飛1,2，趙立欣2，孟海波2，侯書林1，田宜水2
（1.中國農業大學工學院，北京100083；2.農業部規劃設計研究院，北京100125）
摘要：為了深入研究生物質顆粒燃料的熱風點火性能，總結最佳的點火控制條件，該文以PB-20型生物質顆粒燃燒器為試驗裝置，以直徑為8mm的秸稈顆粒為試驗材料，分別研究了點火絲功率、風速、進料量這3組因素對熱風點火過程的影響。試驗結果顯示，當點火絲功率為394W，風速為2.5m/s，進料量為300g時點火性能最好，平均點火時間為197s，平均污染物累積排放量為：CO3133mg；NOx73mg；SO227.7mg。該研究在生物質顆粒燃料熱風點火方面的結論，為燃燒器自動點火系統的設計提供了理論基礎。
0引言
生物質顆粒燃料指直徑小于25mm的圓柱狀固體成型燃料，體積只有壓縮前的1/8～1/6，密度可達1.2～1.4t/m3，使用時具有流動性強、燃燒效率高、便于自動化控制、環保、高效等優點，近年來在民用和工業領域都得到了應用[1-6]。現階段，在中國市場上比較常見的生物質顆粒燃料燃燒設備多為手動或半自動型，實際使用中普遍存在點火不方便的問題，部分設備每次點火甚至需要20～30min的時間[7]，而且點火過程中還伴有濃煙，嚴重污染環境，這些問題嚴重影響了生物質顆粒燃料燃燒設備的推廣應用。因此，研究針對生物質顆粒燃料的高效、環保、自動化控制的點火技術設備是非常有必要的。
目前，國內外在生物質燃料的點火機理方面開展了相關研究。王翠蘋等[8]利用熱重分析儀比較了幾種生物質顆粒燃料與未經成型處理時的燃燒特性，得出生物質成型燃料的著火點低于未成型生物質燃料的結論；王惺等[9]利用TG-DTG熱分析技術研究了生物質顆粒燃料的著火特性，結果表明：生物質壓縮顆粒與煤相比，其著火與燃盡溫度均較低，燃燒迅速且集中；侯中蘭等[10]通過試驗得出燃料密度是影響點火性能的最顯著因素，其次為燃料含水率、爐膛初始溫度和通風狀況；羅娟等[11]研究了生物質顆粒燃料的揮發份與含水率對點火特性的影響；袁海榮等[7]研究了不同助燃劑對生物質固體成形燃料點火過程的影響；蔣紹堅等[12]研究了生物質成型燃料在不同助燃空氣溫度下的點火過程中污染物（NO，CO）的排放規律。ThomasGrotkjær等[13]研究了秸稈、木屑生物質燃料在不同條件下的點火溫度及其對點火特性的影響。
熱風點火是指利用風機將點火絲通電后產生的熱量吹入燃燒筒內，加熱放置于其中的生物質顆粒燃料，燃料被加熱后開始升溫，當其溫度高于點火溫度時，燃料即被點燃。由于其簡單可靠，安全高效，控制方式簡單，便于實現自動化控制，因此在國外被廣泛應用于自動型生物質顆粒燃燒器。中國目前在該領域的研究相對較少，相關的理論還不夠完善，需要開展進一步的研究。
本文通過對生物質顆粒燃料熱風點火的性能開展研究，分析點火絲功率、進料量和風速等3個主要控制因素對熱風點火性能的影響及最佳參數，為今后進一步研究燃燒器的自動點火提供了理論基礎。
1材料與方法
1.1原料
本試驗原料為玉米秸稈和花生殼混合秸稈顆粒燃料，于2010年9月取自北京市大興區禮賢生物質成型燃料生產廠，由農業部規劃設計研究院設計研制的485型生物質顆粒燃料成型機壓制而成，基本外形尺寸為直徑8mm，長度約10～40mm，顆粒密度約1.2g/cm3。
試驗原料工業分析和發熱量見表1。
1.2儀器與裝置
1.2.1試驗儀器
本試驗主要使用的儀器包括KM9106型綜合煙氣分析儀（英國凱恩公司）、UT-55型數字萬用表（廣東優利德科技有限公司）、testo417型葉輪式風速計（德國TESTO公司）、ZN48型時間繼電器（北京東昊科技有限公司）、秒表等。
1.2.2試驗裝置
本試驗主要使用的試驗裝置為農業部規劃設計研究院設計的PB-20型生物質顆粒燃燒器[14]，設計熱功率20kW。該燃燒器為上進料式，上端為落料筒，水平方向從左到右依次是燃燒筒、攪龍、點火筒、點火絲和離心風機，其中點火絲安裝在點火筒里面，點火筒對準燃燒筒后壁的點火孔并且與其接觸嚴密，點火筒的后端正對風機口，在燃燒器后端的火焰檢測孔處安裝一個攝像頭，用來實時監測點火情況，如圖1所示。
除了燃燒器外，本試驗系統還包括生物質鍋爐、料倉、進料機構等，其中煙氣分析儀的煙氣采樣孔設計在生物質鍋爐的煙氣管道上，孔的直徑為φ10mm，位于出煙口上方約50cm處。生物質點火試驗系統如圖2所示。
1.3試驗方法
試驗在室內進行，試驗的操作流程如圖3所示。試驗前，需對樣品取樣，進行工業分析和發熱量測定等。試驗中同一條件至少重復3次，結果取平均值。
由于熱風點火主要是利用對流的方式將熱量從發熱物體傳遞到受熱物體上。點火試驗過程中，功率的大小、對流的快慢和受熱物體的質量對點火影響較大。因此，本試驗選取點火絲功率、風速和進料量為主要控制因素。
試驗中用的點火絲為市場上直接采購的電阻發熱管，功率是固定值，設為3個水平，分別是277、352和394W；單因素試驗中風速分別設置為2.0、2.5、3.0、3.5、4.0m/s，5個水平；進料量設置為200、250、300、350、400g，5個水平。試驗中煙氣分析儀自動記錄的時間間隔設置為30s。試驗記錄的點火時間主要指的是點火絲的通電時間，用來衡量點火的快慢；能耗是點火絲功率和點火時間的乘積，表征點火過程所消耗的能量；污染物排放量是以煙氣分析儀監測的NOx、SO2和CO濃度對時間的積分來計算的，主要用來定量分析點火過程對環境的污染程度。
2結果與分析
2.1點火絲功率對熱風點火的影響
進料量為m=350g，風速為V=3.0m/s，然后試驗不同點火絲功率條件下的點火性能，試驗結果如圖4所示。
試驗結果顯示：點火絲功率和點火時間呈反比，即點火絲功率越高點火所需要的時間越短，這是因為功率越高，熱空氣、顆粒燃料的升溫速度就越快，所以點火所需要的時間就短；其次，點火絲功率與能耗之間呈下開口拋物線型關系，即當P=352W的情況下點火所消耗的能量最多，Qmax=84339J，當P=394W的情況下點火消耗的能量最少，Qmin=66684J，這說明點火絲的功率與點火時間呈反比關系，僅當功率和點火時間均居中等水平農業工程學報2011年時，兩者的乘積是最大的，呈拋物線型規律；最后，點火絲功率與污染物排放量之間也呈現下開口拋物線型關系，并且當P=277W時污染物排放量最低，3種主要污染物排放量分別為mNOx=21.0mg，mSO2=21.2mg，mCO=1442.3mg；當P=352W時排放量最高，3種主要污染物排放量最高為mNOx=93.0mg，mSO2=118.8mg，mCO=4055.5mg。因為污染物排放量與點火絲所消耗的能量之間是密切相關的，點火絲消耗的能量越多，則污染物排放量越高。綜合以上分析，當點火絲功率為394W時，生物質顆粒燃料的點火效果較好。
2.2風速對熱風點火的影響
進料量為m=350g，點火絲功率為P=352W時，將風速設置為5個水平試驗其對點火性能的影響規律，試驗結果如圖5所示。
試驗結果顯示，風速對點火時間、能耗和污染物中NOx與CO排放量的影響規律大致相同，都是呈現上升型趨勢，只有對SO2的排放量呈下降型趨勢。當風速低于3.0m/s時，點火時間大致不變，可能是因為風速較低時對流的效果相近，對點火性能的影響也基本一致；當風速較高時，燃燒筒內吹進大量空氣，使得燃燒筒內聚集的熱量迅速散失，產生較大的熱損失，因此導致點火時間較長，不利于點火的進行，而SO2的生成受溫度影響較大，當熱損失較多時燃燒筒內的溫度必然有所降低，所以SO2的排放量也會降低。
此外，當風速設置較低的情況下，風速穩定性較差，容易受到電壓波動等因素的干擾。當風速V=3.0m/s時，點火綜合效果較為理想。
2.3初始進料量對熱風點火的影響
當點火絲功率為P=352W，風速為V=3.0m/s時，將進料量設置為5個水平開展試驗，研究其對點火性能的影響規律，試驗結果如圖6所示。試驗結果表明：進料量對點火時間和能耗的影響規律均呈上開口拋物線型關系，進料量與污染物排放量則呈波浪上升型關系。這說明，初始進料量與風速之間存在一種匹配關系，當風速一定時，初始進料量過大或者過小均對點火是不利的，當進料量為300g時，熱風點火的效果較佳。
2.4正交試驗結果
考慮到不同的控制因素之間可能會有交互影響，因此設計了正交試驗。正交試驗選擇的是3水平3因素帶交互作用的正交試驗表L18(37)，結合前面的單因素試驗結果，正交試驗的控制因素水平設置如表2所示，正交試驗設置和其結果的分析如表3和表4所示。
根據上表可以得出：
1）對于點火時間來說，各因素的影響從主到次依次為A、B、C。對點火時間影響最大的是點火絲功率，點火絲功率越大，點火時間越短；風速對點火時間的影響居中，當風速較低時點火時間較短；進料量對點火時間的影響最小，當進料量為300g時點火所需要的時間最短。影響點火時間因素的最佳組合為A3B1C2，即當點火絲功率為394W，風速為2.5m/s，進料量為300g時點火需要的時間最短。另外，由于RA×C>RB×C>RC，說明對點火時間的影響中，A和C的交互作用要大于B和C的交互作用，并且都比C本身要大。
2）各因素對點火時能耗的影響與點火時間的影響相同，從主到次也是A、B、C。影響點火時能量消耗的最佳組合也是A3B1C2，即當點火絲功率為394W，風速為2.5m/s，進料量為300g時點火所消耗的能量最低。由于RB×C>RA×C>RC，說明對點火過程能耗的影響中，B和C的交互作用要大于A和C的交互作用，并且都比C因素要大。
3）對于污染物排放量來說，影響NOx的主次順序是B、A、C，最佳組合是B1A2C1。因為生物質燃燒裝置中生成NOx的反應機理主要是燃料型反應機制，當氧氣量充足時，燃料中NH3和HCN主要通過不同的反應步驟轉化成NOx[15]，因此NOx的生成與燃燒器的風速關系最大；其次N元素的氧化效率還和溫度有關，因此點火絲功率對NOx的影響居次，最后才是進料量；影響SO2的主次順序是A、C、B，最佳組合是A2C1B3，這是因為SO2的生成與溫度關系最大，因此對其影響最大的點火絲功率，其次，因為S元素來自于顆粒燃料當中，因此進料量對其的影響也很大，最后才是風速；影響CO主次順序為C、A、B，最佳組合是C1A2B3，主要原因是CO是由于燃料不完全燃燒產生的，所以CO與進料量關系最為密切，其次才是點火絲功率，這是由于點火時的溫度和CO的生成也有很大關系。
雖然影響3種污染物排放量的主次順序有所不同，但三者的組合條件基本一致，綜合起來最佳的組合為C1A2B3，即當進料量為250g，點火絲功率為352W，風速為3.5m/s時，點火過程中的污染物排放最為理想。
綜合以上3組分析結果：影響點火時間和能耗的最佳組合相同，均為A3B1C2，即點火絲功率為394W，風速為2.5m/s，進料量為300g；影響污染物排放量的最佳組合為C1A2B3，即進料量為250g，點火絲功率為352W，風速為3.5m/s。顯然，點火時間和能耗2個因素的權重要比污染物排放量大，并且在實際生產應用過程中，點火時間和能耗的重要性也要比污染物排放量更重要。所以，結合上述分析，最佳的熱風點火控制條件應當為A3B1C2，即當點火絲功率為394W，風速為2.5m/s，進料量為300g時，點火的綜合性能最為理想。
3結論
1）點火絲功率P與熱風點火時間t成反比，當P越高時t越短；P與能耗Q呈下開口拋物線型關系，當P=352W時能耗最高，最高值為Qmax=84339J；P與污染物排放量也呈下開口拋物線型關系，當P=352W時污染物排放量最高，最高值分別為mNOx=93mg、mSO2=118mg、mCO=4055mg。
2）風速V對熱風點火過程的影響為：當V<3.0m/s時，對點火過程的影響變化不是很大，當V>3.0m/s時，V越高點火性能就越差，因為此時V與t、Q和污染物排放量之間大致呈正比關系。
3）進料量m對點火的影響也比較顯著，其中m對t和Q的影響相同，均呈上開口拋物線型關系，且當m=250～350g之間時效果比較好；m對mNOx、mSO2和mCO的影響都呈波浪上升趨勢，在m=200g或300g時效果較為理想，當m>300g時基本呈正比關系。
4）正交試驗結果顯示，對點火時間t和能耗Q的影響中，P和m的交互作用、V和m的交互作用都比較明顯，綜合考慮3個指標，最佳的控制條件為A3B1C2，即當P=394W、V=2.5m/s、m=300g時，生物質顆粒燃料熱風點火的效果最好。
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