0、前 言
我國每年產(chǎn)生秸稈6億多t．能利用的有4億多t。廣大農(nóng)村主要用于直接燃燒，不僅利用率低，而且污染環(huán)境，因此對秸稈資源的合理利用應(yīng)引起高度重視。我國秸稈主要有玉米秸、麥秸、稻草、棉柴等，秸稈的密度低（一般為50～200 kg/m3），揮發(fā)分含量較高（一般為50%～75%），對秸稈燃燒技術(shù)的研究目前還不夠深入全面。應(yīng)用循環(huán)流化床燃燒可以很好地利用秸稈資源，筆者通過大量的實(shí)驗(yàn)，總結(jié)出一些秸稈燃燒的影響因素，為將來秸稈循環(huán)流化床的設(shè)計(jì)應(yīng)用提供參考。
1、秸稈循環(huán)流化床燃燒機(jī)理
流化床燃燒與普通燃燒最大的區(qū)別在于原料顆粒燃燒時(shí)的狀態(tài)，流化床中燃料顆粒處于流態(tài)化的燃燒反應(yīng)和熱交換過程。生物質(zhì)秸稈循環(huán)流化床燃燒的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1。氣流的吹托力和顆粒在氣流中的浮力之和大于或者等于顆粒重量時(shí)，顆粒就會(huì)在氣流中懸浮，顆粒間距離加大。隨著氣流速度的增大，運(yùn)動(dòng)加劇，質(zhì)量大的顆粒多集中在流化床底部（密相區(qū)）燃燒、分解，質(zhì)量輕的顆粒就被氣流帶到床的上部（稀相區(qū)）繼續(xù)燃燒，當(dāng)氣流速度達(dá)到一定時(shí)，這些未燃燒充分的小顆粒就被帶出爐膛。為了提高燃燒效率，飛出小顆粒被收集后重新送回爐膛繼續(xù)燃燒，這就是所謂循環(huán)流化床燃燒。
循環(huán)流化床的燃燒過程與一般燃燒有相似之處，也有不同之處。對于單個(gè)顆粒來說，其在流化床中的燃燒過程和一般鼓泡床基本相同：但是循環(huán)流化床的特殊之處在于顆粒燃燒過程并非是一個(gè)獨(dú)立的過程。可燃物與惰性物形成混合物料并受氣流沖擊，這種氣固兩相流的燃燒與鼓泡床的燃燒是完全不同的。進(jìn)入循環(huán)流化床的原料要經(jīng)歷圖2所示的過程，其中每個(gè)過程之間是連續(xù)的又是相互重疊的。
2、秸稈原料特性對燃燒的影響
2.1原料的顆粒度對燃燒的影響
富通新能源生產(chǎn)銷售的
秸稈顆粒機(jī)、
木屑顆粒機(jī)等生物質(zhì)成型機(jī)械設(shè)備。產(chǎn)品如下所示：
秸稈的幾何尺寸千差萬別，這就使得秸稈燃燒有一定的困難。流化床燃燒爐對秸稈的尺寸有一定要求，尺寸太大，一方面原料的輸送困難，且秸稈的纖維含量較高，很容易纏繞傳動(dòng)設(shè)備，另一方面不利于流化。所以，流化床的燃燒要求秸稈尺寸必須在一定范圍內(nèi)，一般來說長度應(yīng)小于30mm。對于較粗的秸稈應(yīng)盡量短點(diǎn)，如玉米稈；對較細(xì)的可以適當(dāng)長點(diǎn)，如麥稈。
顆粒大小直接影響到秸稈揮發(fā)分的析出速率以及析出量。揮發(fā)分的析出受溫度、停留時(shí)間、顆粒度、壓力、水分含量以及原料種類等影響，這里只分析原料顆粒度對揮發(fā)分析出的影響。在其他條件相同的情況下，顆粒度越大揮發(fā)分析出速率越慢，顆粒度越小揮發(fā)分析出速率越快，析出量也就越多。這是由于顆粒度小的原料升溫快，顆粒內(nèi)部可以在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到高溫，從而有利于揮發(fā)分析出，
顆粒度對傳熱的影響也很明顯，秸稈顆粒在流化床內(nèi)受到空氣沖擊，在每個(gè)顆粒周圍形成一定厚度的邊界層，如果顆粒與氣流間的相對位置不變也就是邊界層不變，則氣流與顆粒間的換熱較差。要想得到較好換熱效果就必須不斷地破壞這個(gè)邊界層，而顆粒間的碰撞正是破壞邊界層的最好方式。在相同加料量的情況下，顆粒度越小，單位體積內(nèi)的顆粒數(shù)量就越多，顆粒密集度增加，從而使得顆粒間的碰撞幾率增大，顆粒間的碰撞破壞空氣邊界層的次數(shù)也增加，使得換熱加強(qiáng)，大大提高顆粒和氣流間、顆粒與顆粒間的傳熱，提高整個(gè)系統(tǒng)燃燒效率。
2.2原料密度對燃燒的影響
秸稈的密度較低，即使粉碎的秸稈其堆積密度也只有400kg/m3左右。密度對燃燒的影響主要表現(xiàn)在密度大的原料有利于循環(huán)。在循環(huán)流化床燃燒過程中，主流化床燃燒后的未燃盡炭粒要經(jīng)過旋風(fēng)收集到回料器，這就是循環(huán)料，主要是惰性床料（一般是石英砂）和炭粒的混合物。這些回料被送入爐膛內(nèi)再次燃燒，實(shí)現(xiàn)循環(huán)過程。該過程中，從旋風(fēng)器到回料器之間的壓差近似為零，而收集的回料就要靠自身的重力下落到回料器，如果炭粒密度偏小，受重力作用就小，流動(dòng)性就差，不利于回料，也就不利于循環(huán)。在生物質(zhì)秸稈循環(huán)流化床燃燒爐中通常都要加入適當(dāng)石英砂，一方面作為熱載體，幫助燃燒：另一方面就是為了幫助炭粒循環(huán)。
循環(huán)流化床燃燒的一個(gè)重要參數(shù)就是循環(huán)倍率，即循環(huán)料量與新加入原料量之比。
物料循環(huán)對燃燒的影響有以下幾點(diǎn)：(1)物料循環(huán)量增加使得燃燒溫度下降，當(dāng)循環(huán)物料溫度較低時(shí)尤為明顯；(2)固體顆粒的再循環(huán)使得原料能夠燃燒充分，提高燃燒效率；(3)物料的循環(huán)使得爐膛內(nèi)的溫度趨于均勻，相應(yīng)地降低燃燒室溫度，從而避免高溫結(jié)渣；(4)負(fù)荷變化對系統(tǒng)的影響小，原料進(jìn)入量減少時(shí)可改變循環(huán)系統(tǒng)的循環(huán)量，也就是改變循環(huán)倍率，即可滿足負(fù)荷變化。降低循環(huán)倍率使得燃燒溫度上升，從而彌補(bǔ)低負(fù)荷的影響。
根據(jù)馬孝琴對循環(huán)倍率的研究經(jīng)驗(yàn)，稻殼中硫含量較低，在稻殼燃燒時(shí)不需要考慮脫硫問題，另外揮發(fā)分含量高達(dá)70%以上，熱值也偏低，這種特性的原料可選取較低循環(huán)倍率，因此稻殼燃燒實(shí)驗(yàn)中循環(huán)倍率可選取3～5。
秸稈密度還影響揮發(fā)分的析出。隨著升溫速率的增加，玉米秸稈和麥秸稈的揮發(fā)分初析溫度降低，稻稈的揮發(fā)分初析溫度隨升溫速度的增加而升高。因此，增大升溫速率可以降低玉米稈和小麥稈揮發(fā)分的初析溫度，改善其著火性能。但升溫速率的增大不能改善稻稈的著火性能，這可能是由于稻稈的密度相對較大的緣故。
2.3原料的表面粗糙度對燃燒的影響
每種原料的表面狀況都不相同，這里只粗略地分為光滑型（如稻殼等）和粗糙型（如花生殼）。原料表面狀況主要影響原料的換熱，下面從對流換熱和輻射換熱兩個(gè)方面加以分析。
(1)對流換熱的影響。表征物體對流換熱強(qiáng)弱的參數(shù)是對流換熱系數(shù)，為了增強(qiáng)換熱就必須提高對流換熱系數(shù)。對于處于層流狀態(tài)的氣流，顆粒表面粗糙度對換熱系數(shù)的影響較小，起主要作用的是流體粘滯力和層流底層的厚度：對于紊流狀態(tài)而言，表面粗糙度就會(huì)對換熱系數(shù)影響較大，表面粗糙，使得慣性力增大，從而增加流體與顆粒間的傳熱。
(2)對輻射換熱的影響。在爐膛內(nèi)，顆粒的吸熱過程以輻射換熱為主。當(dāng)熱輻射的能量投射到物體表面上時(shí)，熱量在物體表面會(huì)發(fā)生吸收、發(fā)射以及穿透現(xiàn)象，也就是說投射到物體表面的總熱量Q中，一部分Q被物體吸收，一部分Q，被物體發(fā)射，其余部分Q。穿透過物體。
實(shí)際上，當(dāng)輻射能進(jìn)入生物質(zhì)顆粒的表面后，在極短的距離( <1 mm)內(nèi)就會(huì)被吸收，所以對于大多數(shù)秸稈顆粒而言，穿透率幾乎為零（除非一些較小顆粒）。原料外表面的影響主要是反射率，反射率的大小取決于原料的表面粗糙度。當(dāng)原料表面比較光滑時(shí)，其反射量大：當(dāng)表面比較粗糙時(shí)，反射量小，原料吸收的熱輻射多。
3、結(jié) 語
目前生物質(zhì)秸稈的循環(huán)流化床燃燒技術(shù)還不夠完善，但是隨著常規(guī)能源的日益緊缺，生物質(zhì)秸稈的循環(huán)流化床燃燒技術(shù)必將得到重視。燃煤技術(shù)給秸稈燃燒提供了大量技術(shù)依據(jù)和參考，但是由于秸稈和煤的差別，使得秸稈燃燒和煤的燃燒有很大差別。因此，在秸稈循環(huán)流化床燃燒技術(shù)的研究發(fā)展中，要結(jié)合原料的實(shí)際情況，不可盲目模仿燃煤循環(huán)流化床鍋爐。
生物質(zhì)秸稈在循環(huán)流化床內(nèi)的燃燒過程較難控制，這主要是秸稈自身特點(diǎn)造成的。一般來說，燃燒溫度控制在800～900℃之間為宜，不同秸稈即使顆粒度相同，其密度、表面粗糙度也可能差別很大，燃燒特性也會(huì)有很大差異。
