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邵東偉，劉文斌，欒積毅，韓平，鐘海濤，馮海城
（佳木斯大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，黑龍江佳木斯154007）
摘要：為了研究不同過量空氣系數(shù)（α）對生物質(zhì)成型燃料層燃特性的影響，以我國東北糧食主產(chǎn)區(qū)典型的玉米秸稈顆粒燃料為研究對象，搭建生物質(zhì)成型燃料固定床試驗(yàn)臺，模擬生物質(zhì)成型燃料沿爐膛高度和爐排行進(jìn)方向上的燃燒過程，分別進(jìn)行了風(fēng)量為30、40、50、60和70Nm³·h-1共5個工況的25組燃燒試驗(yàn)。應(yīng)用巡檢儀采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采集步長為1min，將采集到的數(shù)據(jù)用矩陣化、多項(xiàng)式擬合等方法進(jìn)行處理分析。結(jié)果表明：當(dāng)一次風(fēng)量（Qao）≥50Nm³·h-1時，燃料的著火延遲時間（td）、火焰向下傳遞速率（Rf）及灰渣中可燃物含量（ηa）均隨Qao的增加而降低；當(dāng)Qao<50Nm³·h-1時，燃料的td、Rf、ηa參量均隨Qao的增加而增加；在距離爐排高度200~150和100~50mm燃燒區(qū)內(nèi)，隨著Qao的增加，Rf呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。在距離爐排高度150~100mm燃燒區(qū)內(nèi)，當(dāng)Qao≤40Nm³·h-1時，Rf隨Qao的增加而增加，當(dāng)Qao>40Nm³·h-1時，Rf趨于平穩(wěn)。由試驗(yàn)分析可知，當(dāng)Qao的值為50Nm³·h-1（α的值為1.163）時，td為3.34min，燃燒溫度水平較高且時間較短（約為45min），燃燒后ηa為0.71%，層燃特性較為理想。
我國是富煤、貧油、少氣的資源稟賦，不可再生的化石能源日漸枯竭，能源危機(jī)和環(huán)境污染日益嚴(yán)重，迫切需要尋求替代或輔助的新能源來緩解危機(jī)和降低污染[1-3]。《“十四五”工業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃》中鼓勵生物燃料等替代能源在我國工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。生物質(zhì)是零碳排放的可再生能源，生物質(zhì)能源替代化石能源是實(shí)現(xiàn)我國雙碳目標(biāo)的重要途徑[4]。
秸稈類生物質(zhì)成型燃料鍋爐供熱是一種低碳、分布式、能源可再生的供熱方式，在民用熱水、建筑采暖、工業(yè)熱水和熱力等領(lǐng)域的應(yīng)用規(guī)模逐年大幅增長。目前，由于國內(nèi)行業(yè)管理部門及科研、制造單位尚未提出系統(tǒng)而通用的生物質(zhì)燃料鍋爐相關(guān)設(shè)計(jì)和制造標(biāo)準(zhǔn)，部分企業(yè)在尚未明確生物質(zhì)成型燃料燃燒特性及設(shè)計(jì)參數(shù)的條件下，按照燃煤鍋爐設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行生物質(zhì)成型燃料鍋爐的設(shè)計(jì)生產(chǎn)，導(dǎo)致裝備運(yùn)行故障多、技術(shù)參數(shù)無法保證[5-7]。
目前，關(guān)于生物質(zhì)成型燃料層燃特性的研究主要以單顆粒燃燒特性試驗(yàn)和固定床試驗(yàn)為主，研究著火溫度、著火延遲時間、最大燃燒速率、燃盡率等，通過計(jì)算燃燒特性指數(shù)、揮發(fā)分析出特性指數(shù)建立燃燒動力學(xué)方程[8-11]。Christofer等[12]研究了不同木質(zhì)顆粒燃料的燃燒特性，結(jié)果表明，不同木質(zhì)顆粒的焦炭產(chǎn)量不同，導(dǎo)致其燃燒時間不同，并且單個木質(zhì)顆粒的燃燒時間主要取決于其原料組成，密度對其影響很小。張艷玲等[13]通過玉米秸稈成型燃料和木質(zhì)成型燃料管式爐燃燒試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，玉米秸稈成型顆粒熱解階段揮發(fā)分較少，但燃盡時間較長，所以需要比木質(zhì)顆粒燃燒較少的二次風(fēng)和更長的滯留時間。Shin等[14]通過固定床試驗(yàn)來解釋固體廢棄物在爐排上的燃燒過程，得出燃料層中的輻射傳熱對火焰鋒面的初始形成及向冷燃料層傳熱十分關(guān)鍵，一次風(fēng)率、低位發(fā)熱量、顆粒尺寸是影響燃燒過程的重要參數(shù)，并建立固體廢棄物燃燒數(shù)學(xué)模型。姚云隆等[15]以棉稈、木屑及二者混合原料為對象，制備生物質(zhì)成型燃料并考察成型燃料的燃燒性能與物理性能，發(fā)現(xiàn)棉稈成型燃料燃燒性能較好，而木屑成型燃料灰分產(chǎn)率低、熱值較高，將2種生物質(zhì)原料混合制得的成型燃料綜合燃燒性能提高。但目前國內(nèi)外對于典型生物質(zhì)成型燃料，尤其是玉米秸稈顆粒燃料從著火到燃盡全過程中燃燒特性隨著供風(fēng)量變化的規(guī)律缺乏系統(tǒng)性研究。因此，本文搭建了固定床試驗(yàn)臺，針對黑龍江省糧食主產(chǎn)區(qū)內(nèi)采用通用收、儲、運(yùn)及成型模式的玉米秸稈顆粒燃料，在不同過量空氣系數(shù)下對層燃特性進(jìn)行了深入研究，包括著火特性、燃燒特性和燃盡特性，為完善秸稈類生物質(zhì)成型燃料燃燒技術(shù)和裝備研制提供理論依據(jù)和方法。
1材料與方法
1.1試驗(yàn)原料
試驗(yàn)原料選用黑龍江玉米主產(chǎn)區(qū)生產(chǎn)的典型玉米秸稈，經(jīng)過破碎及冷壓成型制成玉米秸稈顆粒燃料，其粒徑為（8.21±0.09）mm，密度為（1.15±0.04）g·cm-3，其工業(yè)分析、元素分析及發(fā)熱量見表1。
1.2生物質(zhì)成型燃料固定床試驗(yàn)臺
固定床試驗(yàn)臺（圖1）由試驗(yàn)爐、供風(fēng)系統(tǒng)和排煙系統(tǒng)3部分組成，可以模擬生物質(zhì)成型燃料層燃中沿爐膛高度和爐排行進(jìn)方向的燃燒過程。試驗(yàn)爐內(nèi)自爐排沿高度方向按照50mm等間距布置6個溫度測點(diǎn)，標(biāo)號分別為T1~T6。其中，T1~T4測量料層的溫度，距離爐排高度分別為50、100、150、200mm；T5測量著火溫度，距離爐排高度250mm；T6測量爐膛溫度，距離爐排高度30mm。利用WRNB-2306鎧裝熱電偶（上海儀器儀表有限公司）測量溫度，測量范圍0~1200℃。每個熱電偶都布置到爐膛中線位置，并通過溫度變送器連接到巡檢儀上。
供風(fēng)系統(tǒng)主要由空氣流量計(jì)、輸氣管、儲氣罐、氣體壓力表、送氣管、空氣壓縮機(jī)和流量調(diào)節(jié)閥組成。供風(fēng)采用中間平衡儲罐式，確保試驗(yàn)過程中壓力和流量均勻穩(wěn)定，并聯(lián)2臺空氣壓縮機(jī)，最大空氣流量可達(dá)到70Nm³·h-1，可以滿足本試驗(yàn)所有工況條件。排煙系統(tǒng)主要由引風(fēng)機(jī)、調(diào)節(jié)閥門、煙道和煙囪構(gòu)成。
1.3試驗(yàn)方法
1.3.1著火及燃燒特性試驗(yàn) 試驗(yàn)前，先檢查固定床試驗(yàn)臺的密閉性，確認(rèn)試驗(yàn)臺氣密性良好后在固定床試驗(yàn)臺中填入玉米秸稈顆粒燃料至床層高度為200mm處，將燃料鋪平后密封進(jìn)料孔。打開點(diǎn)火門并插入點(diǎn)火器，打開空氣壓縮機(jī)向平衡氣罐中通入空氣，使平衡氣罐中空氣壓力達(dá)到0.5~0.8MPa。
試驗(yàn)時，給點(diǎn)火器供電加熱，觀察燃料表面出現(xiàn)火苗后打開引風(fēng)機(jī)，調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)閥向試驗(yàn)臺內(nèi)通入8~10Nm³·h-1助燃風(fēng)。點(diǎn)火過程中觀察到整個床層表面布滿火苗后，關(guān)閉并拿出點(diǎn)火器，密封點(diǎn)火門，將供風(fēng)量調(diào)節(jié)至試驗(yàn)確定的流量并保持恒定。從點(diǎn)火開始，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)每隔1min在線記錄1次爐膛內(nèi)各個位置的溫度數(shù)據(jù)，直至燃料燃盡。
1.3.2灰渣中可燃物含量檢查 為了探究不同供風(fēng)量對玉米秸稈顆粒燃料燃盡率的影響，將玉米秸稈顆粒燃料燃燒后形成的灰渣粉碎，取1g樣品放入馬弗爐中，關(guān)上爐門并使?fàn)t門留有15mm左右的縫隙，設(shè)定馬弗爐升溫程序?yàn)?0min，緩慢升至500℃，并保持30min，之后繼續(xù)升溫到（815±10）℃，保持此溫度下灼燒1h后放入干燥皿中冷卻至室溫后稱重，得到灰渣中可燃物含量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。
1.3.3火焰向下傳遞速率計(jì)算
2結(jié)果與分析
2.1玉米秸稈顆粒燃料著火特性分析
當(dāng)玉米秸稈顆粒燃料著火時，揮發(fā)分燃燒瞬間釋放出大量的熱量，使處于能量中心的熱電偶測得的溫度瞬間增大。由于燃料瞬間燃燒釋放大量的熱量，此時熱電偶測得的溫度要高于實(shí)際著火溫度。因此，溫度突變后回落至拐點(diǎn)的溫度可視為玉米秸稈顆粒燃料的著火溫度。如圖2所示，當(dāng)一次風(fēng)量為40Nm³·h-1時，測試工況下玉米秸稈顆粒燃料的著火溫度（Tf）約為269℃。過量空氣系數(shù)的增加可以促進(jìn)燃料氧化放熱，但同時也對床層有冷卻作用，一次風(fēng)量過大，冷卻作用加強(qiáng)，會延長燃料的著火延遲時間[16]。因此，研究過量空氣系數(shù)對著火延遲時間（td）的影響是必要的。表2為一次風(fēng)量（Qao）和過量空氣系數(shù)（α）對照表。
研究著火延遲時間，通常是以料層發(fā)光為著火標(biāo)志，計(jì)量從點(diǎn)火開始到燃料層發(fā)光之間的時間。由于燃料層發(fā)光時，其溫度早已超過燃料的著火點(diǎn)。為準(zhǔn)確測量玉米秸稈顆粒燃料的著火延遲時間，本文嚴(yán)格按照dT2/d2t=0進(jìn)行計(jì)算[17-18]，其中，T表示床層穩(wěn)定，燃料在不同的一次風(fēng)量下燃燒時，得到表面升溫曲線并通過Origin軟件進(jìn)行三項(xiàng)式擬合，得到擬合公式如下。
通過公式（2）~（6）繪制著火溫度擬合曲線，如圖3所示，各工況下溫度點(diǎn)在擬合曲線附近浮動，結(jié)合各工況下R2值可知，擬合結(jié)果較理想。因此，將公式（2）~（6）通過dT2/d2t=0求出不同風(fēng)量下的著火延遲時間（td），結(jié)果如表3所示。
由表3可見，由于玉米秸稈顆粒燃料在著火時需要足夠多的氧氣擴(kuò)散到燃料表面，當(dāng)Qao≤50Nm³·h-1時，氧氣擴(kuò)散起到主導(dǎo)作用。隨著Qao的增大，氧氣在燃料表面擴(kuò)散速率加快，增加燃料表面的氧氣含量，有利于燃料與氧氣之間的燃燒反應(yīng)。此時，若燃料吸收的熱量大于燃料著火時所需要的熱量時，玉米秸稈顆粒燃料能夠迅速著火。當(dāng)Qao>50Nm³·h-1時，隨著Qao的增加，燃料與冷空氣之間的對流換熱增強(qiáng)，床層溫度逐漸降低，使得燃料吸收的熱量短時間內(nèi)無法超過燃料著火所需的熱量，因此著火延遲時間逐漸增大。當(dāng)Qao=50Nm³·h-1時，玉米秸稈顆粒燃料的著火延遲時間最短，更容易著火。
2.2玉米秸稈顆粒燃料燃燒特性研究
2.2.1玉米秸稈顆粒燃料燃燒階段分析 選取一次風(fēng)量Qao為40Nm³·h-1的工況，研究玉米秸稈顆粒燃料燃燒特性的變化規(guī)律。玉米秸稈顆粒燃料中主要含有揮發(fā)分和焦炭2種可燃成分，其燃燒特性存在差異，所以燃燒歷程可主要分為揮發(fā)分燃燒、焦炭燃燒及燃盡3個階段（圖4）。由圖4可知，燃料燃燒初期大量揮發(fā)分會快速析出并燃燒，使溫度在短時間內(nèi)迅速從102℃上升至906℃，形成峰值。當(dāng)溫度達(dá)到峰值后，揮發(fā)分析出殆盡，燃料中的焦炭開始燃燒，床層溫度略有下降后穩(wěn)步上升，直到燃料中的揮發(fā)分完全燃燒后，氧氣全部與焦炭反應(yīng)。焦炭燃燒釋放的熱量比揮發(fā)分高，燃燒時間長且燃燒相對穩(wěn)定，因此焦炭燃燒階段的曲線在較長的時間內(nèi)平穩(wěn)上升并在燃盡前溫度達(dá)到1143℃，此溫度是T4處的最高溫度[19]，隨后進(jìn)入燃盡階段，溫度開始下降，直至燃料中焦炭完全燃燒。
2.2.2玉米秸稈顆粒燃料燃燒歷程分析 由圖5可知，越靠近爐排處燃料從著火到燃盡的時間越短，峰值溫度越高，且揮發(fā)分燃燒階段和焦炭燃燒階段之間的界限越不明顯。這是因?yàn)樯蠈尤剂先紵a(chǎn)生的熱量會隨著火焰鋒面向下傳遞，火焰鋒面的溫度不斷提高，而下層新燃料在沒有受到火焰鋒面?zhèn)鳠釙r，由于經(jīng)歷室溫下一次風(fēng)的沖刷，使得下層新燃料的溫度基本維持在室溫，因此火焰鋒面和下層新燃料間的溫度梯度逐漸增大，加快揮發(fā)分燃燒速率，提高火焰鋒面的溫度，使焦炭更容易著火。當(dāng)火焰鋒面移動至50mm處時溫度最高，此時揮發(fā)分和焦碳幾乎同時著火。隨著燃料的燃燒，燃料間的傳熱加強(qiáng)，使得燃燒速率逐漸加快，燃料從點(diǎn)火到燃盡的時間逐漸縮短。
隨著火焰鋒面向下移動，氧氣向燃料表面擴(kuò)散的阻力逐漸減小，更多氧氣進(jìn)入爐膛內(nèi)與燃料接觸，加強(qiáng)燃料與氧氣之間的燃燒反應(yīng)，釋放出更多熱量，加之上層燃料燃燒產(chǎn)生的熱量隨火焰鋒面向下移動。因此，隨著火焰鋒面向下移動，火焰鋒面的溫度會逐漸提高。
2.2.3玉米秸稈顆粒燃料床層溫度分布分析 玉米秸稈顆粒燃料的燃燒過程分為干燥、熱解、燃燒和燃盡4個階段。由圖6可見，玉米秸稈顆粒燃料首先要經(jīng)歷干燥階段，水分在床層溫度在140℃左右時蒸發(fā)，整個床層的干燥時間為37min，占整個床層燃燒時間的68.5%，是決定玉米秸稈顆粒燃料燃燒時間長短的重要因素。在140℃附近沒有出現(xiàn)平臺區(qū)，從加熱到水分蒸發(fā)的時間較短。在280℃等溫線處，燃料內(nèi)部的纖維素和半纖維素開始熱解生成可燃?xì)怏w。280℃等溫線沒有出現(xiàn)平臺區(qū)，與140℃等溫線間隔較小，說明玉米秸稈顆粒燃料干燥后快速升溫?zé)峤猓龀鰮]發(fā)分。由著火特性可知，玉米秸稈顆粒燃料在269℃時著火放熱，此時熱解吸收的熱量要小于燃燒放出的熱量，床層溫度會以較高的速率持續(xù)升高，不會出現(xiàn)平臺區(qū)。
由圖6可知，在100和50mm處存在2個高溫區(qū)，且溫度達(dá)到1200~1400℃。由于上層燃料燃燒產(chǎn)生的熱量隨著火焰鋒面向下傳遞至這2個區(qū)域時聚集熱量較高，并且此時爐膛溫度較高，向這2個區(qū)域輻射大量的熱量，使2個區(qū)域熱量比較集中，但由于高溫加劇2個區(qū)域內(nèi)的燃燒反應(yīng)，消耗了大量的氧氣。當(dāng)火焰鋒面在100mm處附近時，由于火焰鋒面距爐排的距離較高，氧氣擴(kuò)散到該位置時阻力較大，擴(kuò)散速率較慢，導(dǎo)致劇烈的燃燒反應(yīng)無法持續(xù)，因此100mm處高溫區(qū)存在時間較短。當(dāng)火焰鋒面到達(dá)50mm處附近時，氧氣擴(kuò)散的阻力較小，擴(kuò)散速率加快，劇烈的燃燒反應(yīng)能持續(xù)進(jìn)行，此時高溫區(qū)能夠維持較長的時間，這與王大偉[20]和趙偉[21]的研究成果相近。
2.3過量空氣系數(shù)對玉米秸稈顆粒燃料燃燒歷程的影響
2.3.1一次風(fēng)量對溫度變化的影響 由圖7可知，當(dāng)Qao由30Nm³·h-1增加至60Nm³·h-1時，玉米秸稈顆粒燃料的燃燒時間由53min縮短至41min，燃料燃燒釋放的熱量逐漸提高，使燃料燃燒所達(dá)到的峰值溫度由1056℃增加至1189℃。這是因?yàn)樵龃驫ao使得擴(kuò)散到燃料表面的氧氣含量增大，加劇燃料與氧氣間的氧化反應(yīng)，釋放更多的熱量，加快燃料的燃燒速率。
當(dāng)Qao進(jìn)一步增大時，冷空氣的大量進(jìn)入加強(qiáng)了與床層間的對流換熱作用，帶走床層中大量的熱量，使床層溫度降低。由阿倫尼烏斯定律可知，溫度的降低會使燃料與氧氣間的氧化反應(yīng)速率變緩，延長燃料的燃燒時間。因此，Qao由60Nm³·h-1增加至70Nm³·h-1后，玉米秸稈顆粒燃料的燃燒時間延長至43min，燃料燃燒達(dá)到的峰值溫度降低至1147℃。
2.3.2一次風(fēng)量對火焰向下傳遞速率影響分析 根據(jù)2.3.1分析可知，影響燃料燃燒狀態(tài)主要有床層溫度和氧氣含量2個因素，因此玉米秸稈顆粒燃料燃燒狀態(tài)將隨著Qao的變化而變化，這種燃燒狀態(tài)的變化可以用火焰向下傳遞速率表征。
不同Qao下，200~50mm火焰向下傳遞速率（Rf）如圖8所示。當(dāng)Qao≤50Nm³·h-1（α≤1.163）時，隨著Qao的增加，冷空氣以對流形式帶走一部分熱量。而進(jìn)入爐膛內(nèi)的氧氣較少，氧氣接觸燃料的物理時間要遠(yuǎn)小于燃料與氧氣的化學(xué)反應(yīng)時間，燃燒反應(yīng)的速率較低，釋放的熱量較少，床層溫度成為影響燃燒速率的主要因素，Rf隨Qao的增加而降低，新燃料干燥、熱解及著火時間均有所延長。當(dāng)Qao>50Nm³·h-1（α>1.163）時，氧含量的增加加快了燃燒反應(yīng)的速率，釋放的熱量增加，加快下層燃料干燥、熱解及燃燒速率，床層溫度對燃燒的影響減弱，氧氣接觸燃料的物理時間遠(yuǎn)大于燃料與氧氣的化學(xué)反應(yīng)時間，氧氣含量成為影響燃燒的主要因素，Rf隨Qao的增加而增加，加快下層燃料燃燒，縮短燃料的著火時間[22-23]。
2.3.3不同燃燒區(qū)火焰向下傳遞速率變化分析 將燃料層分為3個燃燒區(qū)間，分別是上層燃燒區(qū)（200~150mm）、中層燃燒區(qū)（150~100mm）和下層燃燒區(qū)（100~50mm）。由圖9可知，由于上層燃燒區(qū)在床層最上面，燃料剛被點(diǎn)燃，爐膛內(nèi)的溫度和氧氣含量較低，且離爐排較高，床層阻力較大，氧氣很難擴(kuò)散到該區(qū)域。當(dāng)Qao較小時，進(jìn)入該區(qū)域的氧氣較少，燃燒反應(yīng)較弱，釋放的熱量較少，且冷空氣的進(jìn)入會降低該區(qū)域的溫度。隨著一次風(fēng)量Qao的增加，會使更多熱量被冷空氣帶走，因此Rf降低。但Qao的增加會讓進(jìn)入該區(qū)域的氧氣增多，燃料與氧氣之間的燃燒反應(yīng)增強(qiáng)，釋放較多熱量，冷空氣對床層溫度的影響逐漸減弱。當(dāng)進(jìn)入該區(qū)域的氧氣足夠多（α>1.163）時，氧氣含量主導(dǎo)火焰向下傳遞速率Rf。因此，隨著Qao的增加，Rf逐漸增大。
中層燃燒區(qū)存在高溫區(qū)，且冷空氣擴(kuò)散到該區(qū)域的阻力較大，對該區(qū)域溫度的影響較小，隨著Qao的增加，燃料燃燒產(chǎn)生更多的熱量，Rf隨之增加。當(dāng)Qao≥40Nm³·h-1時，Rf基本保持穩(wěn)定，但存在一定的波動；當(dāng)Qao>40Nm³·h-1后，Qao的增加對燃料燃燒反應(yīng)速率產(chǎn)生影響，使該區(qū)域內(nèi)Rf在較小的范圍內(nèi)波動。
下層燃燒區(qū)離爐排的距離較近，床層阻力較小，冷空氣更容易到達(dá)該區(qū)域。并且下層燃燒區(qū)存在高溫區(qū)，燃燒反應(yīng)劇烈，氧氣消耗的速率較快。由表3可知，當(dāng)Qao≤50Nm³·h-1時，α較小，該區(qū)域內(nèi)氧氣含量較低。劇烈的燃燒反應(yīng)消耗大量的氧氣，燃燒反應(yīng)速率較低，釋放的熱量較少，而冷空氣的進(jìn)入會帶走該區(qū)域的熱量。因此，隨著Qao的增加，下層燃燒區(qū)內(nèi)Rf會隨之減小。但Qao持續(xù)增加會使該區(qū)域內(nèi)的氧氣濃度逐漸增加。當(dāng)Qao>50Nm³·h-1時，α急劇增加，充足的氧氣能夠維持劇烈的燃燒反應(yīng)，此時Qao的增加會加快下層燃燒區(qū)的Rf。
2.4玉米秸稈顆粒燃料燃盡特性
灰渣中可燃物含量如表4所示，著火延遲時間（td）與灰渣中可燃物含量（ηa）變化曲線如圖10所示。
由表4和圖10可知，ηa隨α的增加先減小后增大，并且與td的變化規(guī)律較為相似。當(dāng)Qao≤50Nm³·h-1時，ηa隨Qao的增大而減小。這是因?yàn)檫M(jìn)入燃盡階段后，當(dāng)α較小時，玉米秸稈顆粒燃料的td較短，焦炭有充足的時間與氧氣反應(yīng)，且燃料燃燒釋放的熱量要大于冷空氣帶走的熱量，床層溫度較高，燃燒反應(yīng)較劇烈，有利于焦炭的燃盡。當(dāng)α增大時，更多的氧氣進(jìn)入爐內(nèi)與燃料中可燃物接觸反應(yīng)，使得燃料燃燒更加充分，因此ηa隨α的增大而減小。
當(dāng)Qao>50Nm³·h-1時，td增加，焦炭與氧氣反應(yīng)時間被縮短。冷空氣帶走的熱量要高于燃料燃燒釋放的熱量，床層溫度降低，燃料中焦炭與氧氣的反應(yīng)速率降低，使更多的焦炭在燃盡之前來不及和氧氣反應(yīng)燃燒而殘留于灰渣中。此時增大α會使床層溫度進(jìn)一步降低，不利于焦炭與氧氣的反應(yīng)，因此ηa隨著α的增加而增大[24]。
3討論
由于玉米秸稈顆粒燃料層燃特性受到火焰鋒面溫度和氧氣含量的影響，燃燒過程中過量空氣系數(shù)的改變會影響其層燃特性，進(jìn)而影響燃料的燃燒效率。本研究針對黑龍江省玉米主產(chǎn)區(qū)生產(chǎn)的玉米秸稈顆粒燃料，基于固定床試驗(yàn)研究不同過量空氣系數(shù)（α）對玉米秸稈顆粒燃料層燃特性的影響。
玉米秸稈顆粒燃料著火主要是由燃燒室上方高溫輻射到料層表面，燃料表面溫度上升，使燃料中水分和揮發(fā)分析出，過程中燃料主要是吸收聚集熱量。當(dāng)料層表面溫度和氧氣含量均達(dá)到著火條件時，燃料層表面的揮發(fā)分開始著火放熱，并出現(xiàn)火焰，而整個吸熱過程為燃料的著火延遲時間（td），其影響因素主要與燃燒室內(nèi)溫度及燃料顆粒大小有關(guān)。當(dāng)燃料為均勻顆粒且燃燒室內(nèi)沒有外加熱源時，燃燒室內(nèi)溫度與一次風(fēng)量（Qao）的大小有關(guān)。隨Qao增大，進(jìn)入爐膛內(nèi)的氧氣量增加，單位面積內(nèi)燃料可以和更多的氧氣接觸，并使揮發(fā)分和氧氣混合更加均勻，燃料在相同的輻射換熱的條件下能夠快速著火燃燒。與此同時，Qao的增大會加強(qiáng)床層和冷空氣間的對流換熱，床層溫度降低，影響燃料升溫，使得燃料干燥和揮發(fā)分析出時間滯后，延長td。當(dāng)床層散失的熱量大于床層聚集的熱量時，燃料可能無法著火，所以td隨Qao的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，并且當(dāng)Qao=50Nm³·h-1（α=1.163）時，td為3.34min，著火延遲時間最短。
由于玉米秸稈顆粒燃料中存在揮發(fā)分和焦炭2種可燃成分，且其燃燒特性存在差異，可將玉米秸稈顆粒燃料燃燒過程分為揮發(fā)分燃燒、焦炭燃燒及燃盡3個階段，其中揮發(fā)分燃燒階段和焦炭燃燒階段為燃料的主燃燒階段。揮發(fā)分作為氣體可燃物，燃燒速率較快，而經(jīng)過干燥的燃料表面空隙增多，吸熱能力增強(qiáng)，燃料在有機(jī)質(zhì)受熱分解，在短時間內(nèi)析出大量的揮發(fā)分并快速燃燒，因此在揮發(fā)分析出階段，床層溫度快速升高。焦炭燃燒時，由于其燃燒較為穩(wěn)定，且燃燒速率相對緩慢，使得焦炭燃燒階段床層溫度的上升相對平穩(wěn)，不會產(chǎn)生較大的波動。但由于焦炭燃燒時會在燃料外部產(chǎn)生致密的灰殼，阻礙氧氣向燃料內(nèi)部擴(kuò)散，在焦炭燃燒末期（37min后）受到灰殼阻力的影響，床層溫度會產(chǎn)生波動，無法持續(xù)平穩(wěn)地上升。
在燃料燃燒的過程中，由于上層燃料燃燒所產(chǎn)生的熱量會隨著火焰鋒面向下傳遞，使新燃料著火時周圍溫度較高，揮發(fā)分燃燒的速率加快，且較高的溫度使焦炭更容易著火。隨著燃料的燃燒，沿著新燃料方向上的溫度梯度越來越大，加強(qiáng)燃料間的傳熱，使得沿新燃料方向上燃燒速率加快，加之越靠近爐排處氧氣向火焰鋒面擴(kuò)散的阻力越小，較高的溫度削弱了冷空氣對床層溫度的影響，而氧氣含量的增加強(qiáng)化了氧氣與燃料之間的燃燒反應(yīng)，釋放出更多熱量，加快燃燒反應(yīng)速率。因此當(dāng)火焰鋒面下行至T1處時，與其他測點(diǎn)相比T1處火焰鋒面的峰值溫度最高，燃燒速率最大，進(jìn)入燃盡階段的時間最短。
當(dāng)燃料特性不變時，燃料燃燒過程中火焰向下傳遞速率（Rf）主要與α有關(guān)。α增加，一方面可以加強(qiáng)氧氣向火焰鋒面的擴(kuò)散速率，強(qiáng)化燃料的燃燒，使火焰鋒面向下移動的速率加快，Rf增大；另一方面，冷空氣大量的進(jìn)入會降低火焰鋒面的溫度，弱化燃料的燃燒，使火焰鋒面向下移動的速率減慢，Rf減小。因此，當(dāng)Qao≤50Nm³·h-1（α≤1.163）時，爐膛內(nèi)氧氣含量較低，燃料與氧氣間的燃燒反應(yīng)速率較緩慢，燃料燃燒釋放熱量較低，火焰鋒面的升溫速率較慢，此時床層溫度成為影響燃料燃燒速率的主要因素，Rf隨α的增大而降低；當(dāng)Qao>50Nm³·h-1（α>1.163）時，隨著α的增加，爐膛內(nèi)氧氣含量逐漸增大，使燃料與氧氣間的燃燒反應(yīng)速率不斷增強(qiáng)，此時燃燒反應(yīng)的速率很大，燃料燃燒釋放熱量大于床層散失的熱量，火焰鋒面的溫度受冷空氣的影響逐漸減小，而α的增大將增加爐膛內(nèi)氧氣的含量，氧氣含量成為影響燃料燃燒的主要因素，加快燃料的燃燒速率，Rf隨著α的增大而增大。
進(jìn)入燃盡階段，由于燃料中的可燃物含量較少，灰殼較厚，可燃物與氧氣間燃燒反應(yīng)強(qiáng)度減弱，降低燃料燃燒時釋放出的熱量，同時冷空氣與床層間的對流換熱帶走床層中一部分熱量。此時，可燃物燃燒釋放的熱量要小于冷空氣對流換熱從床層中帶走的熱量，床層溫度開始下降，當(dāng)溫度下降到600℃左右時，燃料中可燃物基本完全燃燒，燃燒過程結(jié)束，此時灰渣中會殘存一些未燃盡的可燃物。本研究表明，灰渣中可燃物含量（ηa）隨α變化規(guī)律與td的變化規(guī)律相似，這是由于當(dāng)α較小時，玉米秸稈顆粒燃料的td較短，燃料中可燃物有充足的時間與氧氣反應(yīng)，并且當(dāng)α較低時，床層溫度下降的速率較慢，燃料經(jīng)過燃盡階段的時間較長，有利于燃料中可燃物的充分燃燒。隨著α的逐漸增大，更多的氧氣進(jìn)入爐膛內(nèi)與燃料中可燃物接觸反應(yīng)釋放更多的熱量，延長燃料燃盡時間，使得ηa逐漸減小。但當(dāng)α較大（α>1.163）時，td增加，燃料中可燃物與氧氣反應(yīng)時間被縮短，并且隨著α的增大，冷空氣換熱效率提高，床層溫度下降較快，使得燃料中可燃物與氧氣的反應(yīng)速率降低，燃盡階段持續(xù)的時間較短，更多的可燃物在燃盡之前來不及燃燒而殘留于灰渣中。此時增大α會使td進(jìn)一步升高而縮短燃盡時間，更多未燃盡的可燃物殘留在灰渣中，使ηa逐漸增大。
在本研究中，依據(jù)燃燒試驗(yàn)，綜合玉米秸稈顆粒燃料的著火特性、燃燒特性和燃盡特性的結(jié)果可知，當(dāng)α=1.163（Qao為50Nm³·h-1）時，td為3.34min，燃燒溫度較高且燃燒時間較短，燃燒后ηa為0.71%，層燃特性較為理想。
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