生物质颗粒燃料热风点火性能的试验研究

徐飞^1,2，赵立欣²，孟海波²，侯书林¹，田宜水²

（1.中国农业大学工学院，北京100083；2.农业部规划设计研究院，北京100125）

　　摘要：为了深入研究生物质颗粒燃料的热风点火性能，总结最佳的点火控制条件，该文以PB-20型生物质颗粒燃烧器为试验装置，以直径为8mm的秸秆颗粒为试验材料，分别研究了点火丝功率、风速、进料量这3组因素对热风点火过程的影响。试验结果显示，当点火丝功率为394W，风速为2.5m/s，进料量为300g时点火性能最好，平均点火时间为197s，平均污染物累积排放量为：CO₃133mg；NO_x73mg；SO227.7mg。该研究在生物质颗粒燃料热风点火方面的结论，为燃烧器自动点火系统的设计提供了理论基础。

　　0引言

　　生物质颗粒燃料指直径小于25mm的圆柱状固体成型燃料，体积只有压缩前的1/8～1/6，密度可达1.2～1.4t/m³，使用时具有流动性强、燃烧效率高、便于自动化控制、环保、高效等优点，近年来在民用和工业领域都得到了应用^[1-6]。现阶段，在中国市场上比较常见的生物质颗粒燃料燃烧设备多为手动或半自动型，实际使用中普遍存在点火不方便的问题，部分设备每次点火甚至需要20～30min的时间^[7]，而且点火过程中还伴有浓烟，严重污染环境，这些问题严重影响了生物质颗粒燃料燃烧设备的推广应用。因此，研究针对生物质颗粒燃料的高效、环保、自动化控制的点火技术设备是非常有必要的。

　　目前，国内外在生物质燃料的点火机理方面开展了相关研究。王翠苹等[8]利用热重分析仪比较了几种生物质颗粒燃料与未经成型处理时的燃烧特性，得出生物质成型燃料的着火点低于未成型生物质燃料的结论；王惺等^[9]利用TG-DTG热分析技术研究了生物质颗粒燃料的着火特性，结果表明：生物质压缩颗粒与煤相比，其着火与燃尽温度均较低，燃烧迅速且集中；侯中兰等^[10]通过试验得出燃料密度是影响点火性能的最显著因素，其次为燃料含水率、炉膛初始温度和通风状况；罗娟等^[11]研究了生物质颗粒燃料的挥发份与含水率对点火特性的影响；袁海荣等^[7]研究了不同助燃剂对生物质固体成形燃料点火过程的影响；蒋绍坚等^[12]研究了生物质成型燃料在不同助燃空气温度下的点火过程中污染物（NO，CO）的排放规律。ThomasGrotkjær等^[13]研究了秸秆、木屑生物质燃料在不同条件下的点火温度及其对点火特性的影响。

　　热风点火是指利用风机将点火丝通电后产生的热量吹入燃烧筒内，加热放置于其中的生物质颗粒燃料，燃料被加热后开始升温，当其温度高于点火温度时，燃料即被点燃。由于其简单可靠，安全高效，控制方式简单，便于实现自动化控制，因此在国外被广泛应用于自动型生物质颗粒燃烧器。中国目前在该领域的研究相对较少，相关的理论还不够完善，需要开展进一步的研究。

　　本文通过对生物质颗粒燃料热风点火的性能开展研究，分析点火丝功率、进料量和风速等3个主要控制因素对热风点火性能的影响及最佳参数，为今后进一步研究燃烧器的自动点火提供了理论基础。

　　1材料与方法

　　1.1原料

　　本试验原料为玉米秸秆和花生壳混合秸秆颗粒燃料，于2010年9月取自北京市大兴区礼贤生物质成型燃料生产厂，由农业部规划设计研究院设计研制的485型生物质颗粒燃料成型机压制而成，基本外形尺寸为直径8mm，长度约10～40mm，颗粒密度约1.2g/cm³。

　　试验原料工业分析和发热量见表1。

　　1.2仪器与装置

　　1.2.1试验仪器

　　本试验主要使用的仪器包括KM9106型综合烟气分析仪（英国凯恩公司）、UT-55型数字万用表（广东优利德科技有限公司）、testo417型叶轮式风速计（德国TESTO公司）、ZN48型时间继电器（北京东昊科技有限公司）、秒表等。

　　1.2.2试验装置

　　本试验主要使用的试验装置为农业部规划设计研究院设计的PB-20型生物质颗粒燃烧器^[14]，设计热功率20kW。该燃烧器为上进料式，上端为落料筒，水平方向从左到右依次是燃烧筒、搅龙、点火筒、点火丝和离心风机，其中点火丝安装在点火筒里面，点火筒对准燃烧筒后壁的点火孔并且与其接触严密，点火筒的后端正对风机口，在燃烧器后端的火焰检测孔处安装一个摄像头，用来实时监测点火情况，如图1所示。

　　除了燃烧器外，本试验系统还包括生物质锅炉、料仓、进料机构等，其中烟气分析仪的烟气采样孔设计在生物质锅炉的烟气管道上，孔的直径为φ10mm，位于出烟口上方约50cm处。生物质点火试验系统如图2所示。

　　1.3试验方法

　　试验在室内进行，试验的操作流程如图3所示。试验前，需对样品取样，进行工业分析和发热量测定等。试验中同一条件至少重复3次，结果取平均值。

　　由于热风点火主要是利用对流的方式将热量从发热物体传递到受热物体上。点火试验过程中，功率的大小、对流的快慢和受热物体的质量对点火影响较大。因此，本试验选取点火丝功率、风速和进料量为主要控制因素。

　　试验中用的点火丝为市场上直接采购的电阻发热管，功率是固定值，设为3个水平，分别是277、352和394W；单因素试验中风速分别设置为2.0、2.5、3.0、3.5、4.0m/s，5个水平；进料量设置为200、250、300、350、400g，5个水平。试验中烟气分析仪自动记录的时间间隔设置为30s。试验记录的点火时间主要指的是点火丝的通电时间，用来衡量点火的快慢；能耗是点火丝功率和点火时间的乘积，表征点火过程所消耗的能量；污染物排放量是以烟气分析仪监测的NO_x、SO₂和CO浓度对时间的积分来计算的，主要用来定量分析点火过程对环境的污染程度。

　　2结果与分析

　　2.1点火丝功率对热风点火的影响

　　进料量为m=350g，风速为V=3.0m/s，然后试验不同点火丝功率条件下的点火性能，试验结果如图4所示。

　　试验结果显示：点火丝功率和点火时间呈反比，即点火丝功率越高点火所需要的时间越短，这是因为功率越高，热空气、颗粒燃料的升温速度就越快，所以点火所需要的时间就短；其次，点火丝功率与能耗之间呈下开口抛物线型关系，即当P=352W的情况下点火所消耗的能量最多，Qmax=84339J，当P=394W的情况下点火消耗的能量最少，Qmin=66684J，这说明点火丝的功率与点火时间呈反比关系，仅当功率和点火时间均居中等水平农业工程学报2011年时，两者的乘积是最大的，呈抛物线型规律；最后，点火丝功率与污染物排放量之间也呈现下开口抛物线型关系，并且当P=277W时污染物排放量最低，3种主要污染物排放量分别为mNO_x=21.0mg，mSO₂=21.2mg，mCO=1442.3mg；当P=352W时排放量最高，3种主要污染物排放量最高为mNO_x=93.0mg，mSO₂=118.8mg，mCO=4055.5mg。因为污染物排放量与点火丝所消耗的能量之间是密切相关的，点火丝消耗的能量越多，则污染物排放量越高。综合以上分析，当点火丝功率为394W时，生物质颗粒燃料的点火效果较好。

　　2.2风速对热风点火的影响

　　进料量为m=350g，点火丝功率为P=352W时，将风速设置为5个水平试验其对点火性能的影响规律，试验结果如图5所示。

　　试验结果显示，风速对点火时间、能耗和污染物中NO_x与CO排放量的影响规律大致相同，都是呈现上升型趋势，只有对SO₂的排放量呈下降型趋势。当风速低于3.0m/s时，点火时间大致不变，可能是因为风速较低时对流的效果相近，对点火性能的影响也基本一致；当风速较高时，燃烧筒内吹进大量空气，使得燃烧筒内聚集的热量迅速散失，产生较大的热损失，因此导致点火时间较长，不利于点火的进行，而SO₂的生成受温度影响较大，当热损失较多时燃烧筒内的温度必然有所降低，所以SO₂的排放量也会降低。

　　此外，当风速设置较低的情况下，风速稳定性较差，容易受到电压波动等因素的干扰。当风速V=3.0m/s时，点火综合效果较为理想。

　　2.3初始进料量对热风点火的影响

　　当点火丝功率为P=352W，风速为V=3.0m/s时，将进料量设置为5个水平开展试验，研究其对点火性能的影响规律，试验结果如图6所示。试验结果表明：进料量对点火时间和能耗的影响规律均呈上开口抛物线型关系，进料量与污染物排放量则呈波浪上升型关系。这说明，初始进料量与风速之间存在一种匹配关系，当风速一定时，初始进料量过大或者过小均对点火是不利的，当进料量为300g时，热风点火的效果较佳。

　　2.4正交试验结果

　　考虑到不同的控制因素之间可能会有交互影响，因此设计了正交试验。正交试验选择的是3水平3因素带交互作用的正交试验表L18(37)，结合前面的单因素试验结果，正交试验的控制因素水平设置如表2所示，正交试验设置和其结果的分析如表3和表4所示。

　　根据上表可以得出：

　　1）对于点火时间来说，各因素的影响从主到次依次为A、B、C。对点火时间影响最大的是点火丝功率，点火丝功率越大，点火时间越短；风速对点火时间的影响居中，当风速较低时点火时间较短；进料量对点火时间的影响最小，当进料量为300g时点火所需要的时间最短。影响点火时间因素的最佳组合为A3B1C2，即当点火丝功率为394W，风速为2.5m/s，进料量为300g时点火需要的时间最短。另外，由于RA×C>RB×C>RC，说明对点火时间的影响中，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）各因素对点火时能耗的影响与点火时间的影响相同，从主到次也是A、B、C。影响点火时能量消耗的最佳组合也是A3B1C2，即当点火丝功率为394W，风速为2.5m/s，进料量为300g时点火所消耗的能量最低。由于RB×C>RA×C>RC，说明对点火过程能耗的影响中，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）对于污染物排放量来说，影响NO_x的主次顺序是B、A、C，最佳组合是B1A2C1。因为生物质燃烧装置中生成NO_x的反应机理主要是燃料型反应机制，当氧气量充足时，燃料中NH₃和HCN主要通过不同的反应步骤转化成NOx[15]，因此NOx的生成与燃烧器的风速关系最大；其次N元素的氧化效率还和温度有关，因此点火丝功率对NOx的影响居次，最后才是进料量；影响SO₂的主次顺序是A、C、B，最佳组合是A2C1B3，这是因为SO₂的生成与温度关系最大，因此对其影响最大的点火丝功率，其次，因为S元素来自于颗粒燃料当中，因此进料量对其的影响也很大，最后才是风速；影响CO主次顺序为C、A、B，最佳组合是C1A2B3，主要原因是CO是由于燃料不完全燃烧产生的，所以CO与进料量关系最为密切，其次才是点火丝功率，这是由于点火时的温度和CO的生成也有很大关系。

　　虽然影响3种污染物排放量的主次顺序有所不同，但三者的组合条件基本一致，综合起来最佳的组合为C1A2B3，即当进料量为250g，点火丝功率为352W，风速为3.5m/s时，点火过程中的污染物排放最为理想。

　　综合以上3组分析结果：影响点火时间和能耗的最佳组合相同，均为A3B1C2，即点火丝功率为394W，风速为2.5m/s，进料量为300g；影响污染物排放量的最佳组合为C1A2B3，即进料量为250g，点火丝功率为352W，风速为3.5m/s。显然，点火时间和能耗2个因素的权重要比污染物排放量大，并且在实际生产应用过程中，点火时间和能耗的重要性也要比污染物排放量更重要。所以，结合上述分析，最佳的热风点火控制条件应当为A3B1C2，即当点火丝功率为394W，风速为2.5m/s，进料量为300g时，点火的综合性能最为理想。

　　3结论

　　1）点火丝功率P与热风点火时间t成反比，当P越高时t越短；P与能耗Q呈下开口抛物线型关系，当P=352W时能耗最高，最高值为Qmax=84339J；P与污染物排放量也呈下开口抛物线型关系，当P=352W时污染物排放量最高，最高值分别为mNOx=93mg、mSO2=118mg、mCO=4055mg。

　　2）风速V对热风点火过程的影响为：当V<3.0m/s时，对点火过程的影响变化不是很大，当V>3.0m/s时，V越高点火性能就越差，因为此时V与t、Q和污染物排放量之间大致呈正比关系。

　　3）进料量m对点火的影响也比较显著，其中m对t和Q的影响相同，均呈上开口抛物线型关系，且当m=250～350g之间时效果比较好；m对mNO_x、mSO₂和mCO的影响都呈波浪上升趋势，在m=200g或300g时效果较为理想，当m>300g时基本呈正比关系。

　　4）正交试验结果显示，对点火时间t和能耗Q的影响中，P和m的交互作用、V和m的交互作用都比较明显，综合考虑3个指标，最佳的控制条件为A3B1C2，即当P=394W、V=2.5m/s、m=300g时，生物质颗粒燃料热风点火的效果最好。

　　[参 考 文 献]

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