竹柳颗粒燃料燃烧性能实验研究

刘沙沙 张 健 马 楠 孙 军

竹柳(Bamboo-willow)是杨柳科柳属的植物，其生长潜力大，生长速度比速生杨木快，耐盐碱，耐水淹，适合高密度种植，种植成本低，树种产量大，具有非常大的能源利用价值，是建立生物质燃料基地的优良树种[1-3]。研究发现，具有开发和利用价值的生物质能源树种逐渐增多，柳树生长量明显高于其他常见的能源树种。吴远媚等[4]研究了竹柳的造林适应性和生长特性，并与桉树进行了比较，探索了竹柳的开发利用价值和造林效益。朱继军等[5]进行了竹柳生长势、抗性试验等研究，对能源柳无性系良种进行了初步筛选评价。我国选育出的某种柳树年生苗在密度为2 000株/hm2左右时，单株地上部生物量较高，4～6年平均单株成材体积达0.3～0.35m3，高度可达 20～25m[6]。由于具有高热值、高碳氮比，是最适合综合开发作为能源树种的种植，竹柳被称为最优秀的新能源树种。笔者采用生物质燃烧速率测定仪模拟竹柳颗粒燃料在层燃锅炉中的实际燃烧过程，对其燃烧性能进行初步研究。探究竹柳颗粒燃料的较优燃烧工艺，为竹柳颗粒燃料的燃用提供基础资料。

1 材料与方法

1.1 试验原料

竹柳取自江苏如东县沿海围垦滩涂基地；将竹柳粉碎至粒径小于1 mm，在含水率为10%、压缩比为5的工艺条件下利用红星机械有限公司生产的KAF67-Y5挤压式颗粒成型机制备成竹柳颗粒燃料；在灰熔融性测定时，使用竹柳颗粒燃料的灰分作为实验原料。

1.2 试验设备和方法

采用角锥法进行灰熔融性测定，试验仪器为鑫科分析仪器有限公司生产的XKHR-3000微机灰熔融性测定仪，最高加热温度1 500 ℃，升温速度1～20 ℃/min；采用数码摄像技术对试样进行图像采集，最后输出灰的变形温度、软化温度、半球温度和流动温度[7]。

采用自行研制的生物质燃烧速率测定仪模拟竹柳颗粒燃料在层燃锅炉中的实际燃烧过程，对竹柳颗粒燃料的燃烧速率进行了试验研究。生物质燃烧速率测定仪采用电加热，其炉膛温度调节范围：室温～1 200 ℃。试验采用称重法，根据试验过程中颗粒燃料质量的变化情况计算颗粒燃料的燃烧速率。燃烧速率用平均绝对燃烧速率（AV）和平均相对燃烧速率（RV）两个指标表示，其计算式为：

式中：AVi——第i时间段的平均绝对燃烧速率，g/min；

RVi——第i时间段的平均相对燃烧速率，%；

mi——第i时间段试样的起始质量，g；

m1——试验开始时试样的质量，g；

mn+1——试验结束时试样的质量，g；

τ——第i时间段时间长度，min， i=1,2,3,… ,n。

1.3 试验设计

根据燃料燃烧理论[8]可知，影响竹柳颗粒燃料燃烧速率的因素主要有：压缩比、炉膛温度和空气供给量。锅炉运行实践表明，层燃炉的过量空气系数一般控制在1.3～1.6，炉排上燃料层的平均温度一般在800～1 000 ℃。试验的压缩比分别选取4、4.5、5，过量空气系数分别选取1.1、1.3、1.5，炉膛温度分别选取800、900、1 000 ℃。因素水平表见表1，采用正交试验法设计试验条件。

表1 燃烧速率试验因素水平表Tab.1 Factors and levels of combustion rate experiment

2 结果与分析

竹柳颗粒的基本燃料性能如表2所示。从表2可以看出：竹柳颗粒含碳量较高，约为麦秸秆的1.25倍，氮、硫含量很低，直接燃烧更具有环保优势；灰分低，因此产生的炉渣量极少，挥发分高达80%左右，是烟煤（30%左右）的两倍多，因而易于着火和燃尽[9]。竹柳颗粒的发热量与褐煤（14 650 kJ/kg）、Ⅰ类烟煤（11 300～15 490 kJ/kg）相当，仅略低于工业上常用的锅炉燃料Ⅱ类烟煤（15 490～19 680 kJ/kg）[10]。

通常灰的软化温度高于1 425 ℃时为难熔性灰，在1 200～1 425 ℃之间的为可熔性灰，低于1 200 ℃的为易熔性灰[11]。竹柳颗粒的灰熔点试验结果见表3。

目前，研究的成果大致规律是：灰中高熔点的成分愈多，灰的熔点愈高，反之则愈低。灰的成分按其化学性质，可分为酸性氧化物和碱性氧化物[12]。一般认为灰中酸性成分增加，会使灰熔点提高；碱性成分增加，则会使灰熔点下降[13]。

表2 竹柳颗粒的元素分析、工业分析和低位发热量Tab.2 Element analysis,proximate analysis and lower heat value of bamboo-willow pellet

表3 原料的灰熔点Tab.3 The ash fusion point for raw materials ℃

从表3中可以看出，竹柳颗粒的灰熔点在1 360 ℃以下，工业中广泛应用的烟煤灰熔点接近1 390 ℃，略高于竹柳颗粒的灰熔点[14]。造成这一结果的主要原因可能是取自盐碱地的竹柳，其灰分中碱金属的含量较高所致。

试验过程当中，每隔5 min将试样取出称重，连续燃烧直到燃料燃烬为止。通过预试验发现当试样燃烧到第5个5 min时质量变化甚微，故试验称取4次即可。试验完成后按各次称重结果，根据式（1）和式（2），计算出各个时间段的燃料平均绝对燃烧速率和平均相对燃烧速率，计算结果见表4。

从表4可以看出，在0～5 min之间时，竹柳颗粒燃料的平均绝对燃烧速率和相对燃烧速率在整个燃烧阶段有最大值。从平均绝对燃烧速率的结果中看出，燃烧主要集中在前5 min进行，随后绝对燃烧速率大幅下降，9组试验的速率均维持在0.34 g/min左右。从平均相对燃烧速率看出，前5 min时，可燃成分的失重量高达整个失重阶段的89.36%～94.31%，随后，相对燃烧速率大幅度下降。总体而言，竹柳颗粒燃料极易着火燃烧，但燃烧时间不长，表现为不耐烧。

表4 L9(34)正交试验平均相对燃烧速率和平均绝对燃烧速率计算表Tab.4 Four factors and three levels orthogonal test dates of RV and AV

对诸因素在主要燃烧阶段的平均相对燃烧速率RV1（第一燃烧阶段0～5 min时的平均相对燃烧速率）进行直观分析，计算结果如表5。

从表5看出：影响竹柳颗粒燃料主要燃烧阶段相对燃烧速率的因素影响大小顺序为C＞B＞A，即：炉膛温度对相对燃烧速率的影响最大，其次是过量空气系数，影响最小的是颗粒燃料的压缩比。因为颗粒燃料在干燥过程中为吸热反应，所以炉膛温度高，挥发分容易着火燃烧；燃烧反应为氧化过程，必须提供充足的氧气保证燃烧正常进行，在过量空气系数为1.1时氧气充足，如果空气量过多，可能造成物质发生其他反应。表中看出，当压缩比为5，过量空气系数为1.1，炉膛温度为900 ℃时，有利于竹柳颗粒燃料的燃烧。但由于生物质燃料具有易着火，燃烧时间短等特点，且竹柳颗粒燃料的相对燃烧速率均在90%左右，表现为不耐烧，所以无论大小都不适宜单独燃烧。

表5 相对燃烧速率RV1直观分析Tab.5 Intuitive analysis of RV1

3 结论

竹柳颗粒燃料既具有良好的物理性能，其基本燃烧性能也与烟煤相当，其着火和燃烬性能甚至优于烟煤，将是更有市场前景的竹柳能源化利用方式，并且燃用挥发分含量高的烟煤锅炉设备，原则上更适合直接燃用竹柳颗粒燃料。

1）燃料中的S和N是有害物质，容易形成酸雨及光化学烟雾，竹柳颗粒中S、N含量极低，更利于环保。竹柳颗粒挥发分达到80%左右，约为烟煤的2.5倍，低位发热量约为烟煤的66%。因此，竹柳颗粒可以替代褐煤和Ⅰ类烟煤作为工业锅炉的燃料。

2）竹柳颗粒的平均相对燃烧速率前5 min内均在90%左右，表现为易着火但不耐烧，不适宜单独燃烧。影响相对燃烧速率的最大影响因素为炉膛温度，因此在实际燃烧过程中，要做好锅炉炉膛温度的合理调节。

3）竹柳颗粒的灰熔点低于烟煤，所以在应用于工业锅炉时，需结合炉膛工况考虑其可能结渣而造成的危害。可以通过增加某些高灰熔点煤提高竹柳颗粒燃料的灰熔点，但要合理控制燃烧温度，使炉膛出口的烟气温度控制在1 250 ℃以下为宜。

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