0、引 言
目前生物質能源的研究蓬勃發展，氣化、熱解、液化、發酵等各種利用技術都取得了較大進展。生物質致密成型的利用方式也越來越受到人們的重視，中國在冷成型、熱成型技術方面的研究相繼見于報道，大多已處于中試階段，而相應的
顆粒燃料燃燒爐具的開發亟需完善。正確理解生物質成型顆粒燃料的燃燒特性對顆粒燃料成型過程和燃燒設備的開發有指導作用。研究證明，成型顆粒燃料的燃燒性能優于柴薪．可以實現高效燃燒、低污染排放。然而生物質中含有的堿性成分和氯成分，會在鍋爐中燃燒時產生腐蝕、結垢、結渣等危害；對于民用小型生物質顆粒燃料燃燒爐，重要的問題是同一爐子不能適應多種類生物質顆粒燃料的燃燒，因此限制了顆粒燃料燃燒爐的推廣。本文旨在改變低質的生物質顆粒燃料，使之具有與高質的木屑顆粒燃料相似的燃燒特性，則按照木屑顆粒燃料設計制造燃燒爐，亦可燃用改良秸稈等顆粒燃料，富通新能源生產銷售的
木屑顆粒機、
秸稈顆粒機專業壓制生物質顆粒燃料。
1、燃料分析及爐具介紹
試驗采用的燃料試樣是普通的農林廢棄物，有玉米秸稈、鋸末木屑、
履帶拋丸機枝葉和鋸末混合得到的混合木屑三種，由清華大學車戰斌開發的CZSN冷成型機進行粉碎、成型，圓柱體顆粒燃料直徑6～7mm，長小于2.5 cm。按煤分析標準，對各種顆粒燃料進行元素分析，計算各種成分的應用基，數據見表1。實驗室內采用美國TA公司生產的TA-2100型熱重分析儀進行燃燒特性分析。將成型顆粒燃料粉碎篩分，直至樣品粒度小于80 ~m,用天平稱取一定質量(10～15mg)放人熱重分析儀的坩堝內。
吊鉤拋丸機通人空氣，使試樣在適量空氣消耗系數下以30℃/min速率連續升溫，熱重分析儀記錄試樣質量變化，離線處理數據，分析各種顆粒燃料的燃燒特性。
顆粒燃料燃燒爐（圖1）是根據北京市懷柔區鄉鎮居民家庭生活和冬季供熱要求開發設計的，采用自動下料，自動清灰，手動調節一次、二次風，爐膛形狀不規則，能夠起到強化著火和燃燒的作用。該爐具系統由顆粒燃料燃燒爐、熱水器以及暖氣片組成循環管路，可連續運行，木屑顆粒燃料燃燒效率高，能很好滿足不同熱負荷時使用。
2、熱重分析儀中的燃燒特性分析
2.1生物質顆粒燃料燃燒過程的分析
由圖2、3中可以看到三種生物質顆粒燃料的質量變化，可將燃燒過程均劃分為脫水(A)、揮發分析出(B)、揮發分燃燒(c)、焦炭燃燒(D)和燃燼(E)階段。
三種顆粒燃料失重的溫度范圍不同。在脫水階段最為相近，由圖中看到，質量變化率在340 K處達到峰值，在375 K處趨于平坦，即脫水接近完成。木屑和玉米秸稈在此階段的失重緩慢，速率明顯低于未經成型處理的生物質。由于材質疏松度不同，混合木屑顆粒燃料的脫水速率最高，玉米秸稈顆粒燃料次之，木屑顆粒燃料的脫水速率最低。
在揮發分的析出與燃燒階段，將下降端（拐點處）切線與基線交點所對應的溫度定義為著火溫度。發現幾種經過擠壓成型過的生物質著火點較文獻，中未經擠壓處理的生物質著火點溫度低10 K左右，說明成型過程改變了生物質的纖維素結構，利于提高揮發分析出速率，著火點有所降低。而燃燒過程中，三種顆粒燃料揮發分析出速率不同，在空氣中擴散速度不同，故燃燒速率不同，燃燒維持的溫度范圍也不同。
燃料燃燒進入過渡階段，纖維素的熱解速度下降，揮發分物質仍能保持燃燒火焰。木質素被高溫碳化，并開始表面著火，以較慢的燃燒速度燃燒，直到燃料中的揮發分物質分解完畢，氣相火焰熄滅，此階段燃燒速率會有波動，較未擠壓處理而直接燃燒失重速率的波動大得多，圖3中甚至出現失重較大的峰值(c段后部)。
當揮發分燃燒完后，此時燃料中的木質素已全部碳化，空氣中的氧氣充分接觸到了焦炭，焦炭開始燃燒(D段)，燃燒反應速度加快，并出現第二次反應速度峰值，隨后燃燒速度變慢。這是由于先燃燒產生的灰燼包裹著剩余焦炭，妨礙了氧氣向焦炭表面的擴散，使燃燒速率減慢。燃燼時各生物質剩余量與成分分析中灰含量比較，玉米顆粒燃料剩余量為7.5%與含灰量7. 88%相似，而木屑顆粒燃料和混合木屑顆粒燃料的燃燼剩余量都遠大于含灰量，基本上是含灰量的兩倍。與文獻中數據比較可知，經過成型工序處理的生物質顆粒燃料燃燒效率高，燃燼度高。因此顆粒燃燒性能優于柴薪。
幾種生物質顆粒燃料雖然具有燃燒相似性，但著火點、燃燒速度和溫度范圍不同往往會對實際燃燒的相似性帶來很大影響。
2.2生物質燃料的燃燒動力學分析
通常用活化能及頻率因子兩個參數描述燃料的燃燒特性，目前有關生物質及其致密成型顆粒燃料的燃燒過程還不完全清楚，很難準確計算出生物質燃料的活化能和頻率因子，但進行一些近似計算獲得相對值以進行比較也是很有意義的。
將TG曲線上的數據進行整理，可以得到所有溫度對應的y，x。其中揮發分和焦炭的兩個動力燃燒階段(DT曲線的C、D范圍)具有線性關系的分布趨勢，可以分別進行直線擬合，由系數進而得到階段對應的活化能和頻率因子。根據實驗結果繪制出In (A)對和相應的擬合直線列于圖4、圖5中，結果顯示出試樣燃燒過程中兩階段均有良好的直線關系。比較而言，玉米秸稈燃燒的兩段擬合直線相關度最差R - 0.93左右。1由擬合直線的系數計算得到的活化能和頻率因子見表2。
2.3熱重分析儀中分析結果
通過分析和確定的熱化學動力學參數，將三種成型生物質顆粒燃料在熱重分析儀中的燃燒特點總結為表2。在揮發分析出和燃燒階段，玉米秸稈具有較低的活化能，揮發分析出速率快，易達到著火濃度而點燃，著火點溫度低(452K)。揮發分燃燒維持了較寬的溫度范圍，利于焦炭階段燃燒和燃燼。術屑顆粒燃料在揮發分析出和燃燒階段，具有較高的活化能，揮發分析出速率低，著火溫度較高，燃燒速率較慢，直到650K燃燒完全；焦炭燃燒階段，頻率因子高，具有較高的燃燒速率，放出大量的熱。因此有利于燃燒爐新加入顆粒燃料的預熱和燃燒過程連續進行。混合木屑顆粒燃料揮發分析出速率更低，著火點更高，但頻率因子高，燃燒速率較高，焦炭燃燒階段與木屑相似。
3、顆粒燃料燃燒爐中的燃燒特性分析
顆粒燃料爐中的燃燒，較鍋爐中燃燒容易調節，可調下料速度在10—100粒/min。燃用木屑顆粒燃料時，爐內溫度迅速升高，火焰伸出爐膛ioo～2somm，爐膛出口煙溫最高可達到920℃，可以滿足爐具做飯的同時，滿足熱水器的洗浴熱水和暖氣片的供熱要求，熱水器輸出熱水溫度可高達70～85℃。因生物質燃料的灰渣熔點在800—900℃之間，溫度過高會導致爐膛內結渣而造成排灰孔堵塞，可調節風量和給料量，控制爐膛內溫度；正常燃燒時，幾乎沒有冒黑煙現象�？捎^察到在爐膛內二次風口處，燃料揮發分可以充分燃燒，爐膛出口煙氣c0含量測得為21uL/L左右；還存在一定的積灰問題，通過凸輪機械震動得以解決。
燃用玉米秸稈顆粒燃料時，能夠達到同樣的火焰長度，但是達不到同樣的火焰溫度以及清潔度，黑煙現象較嚴重，揮發分在二次風口不能完全燃燒。定時震動清出的灰中，尚有“黑心”，可見存在著較大的不完全燃燒氣體和固體熱損失。而燃用混合木屑顆粒燃料時，給粒速度較低，即僅保持暖氣供熱的“燜燒”狀態時，能夠達到近似于木屑顆粒燃料的燃燒效果，但是，大負荷供熱，大給粒速度時，會出現冒黑煙、出口煙溫低、局部爐排上燃料不能燃盡及積灰問題。這些與理論分析中的結果比較一致，燃用玉米秸稈和較大給粒量的混合木屑顆粒燃料時，揮發分析出和燃燒速率快，二次風的供應不能與之充分混合，且混合木屑顆粒燃料的揮發分較難燃燒（活化能大），造成氣體不完全燃燒損失、黑煙和出爐煙溫較低的現象；同時爐溫低，熱輻射能力小，使得焦炭燃燒不充分，剩余量更多，對空氣與顆粒燃料內部焦炭的接觸反應阻礙更大，造成灰渣里的黑心。因此揮發分的析出及其與空氣間的擴散速度是影響爐溫和燃燒效率的主導因素，通過一定的改良措施，如成型顆粒燃料中摻加一定比例的煤粉，使得秸稈和混合顆粒燃料具有與木屑顆粒燃料相似的揮發分析出和燃燒速率，達到一定爐溫，從而改善焦炭燃燒，這是可行的，也是本研究下一步的工作。
4、結論與建議
1)比較了三種生物質顆粒燃料之間燃燒特性的異同，在燃燒過程每一階段上失重速率不同，維持的溫度范圍不同，燃燼度亦不同。
2)分段確定了揮發分和焦炭燃燒階段的動力學參數——活化能和頻率因子，可推斷木屑顆粒燃料燃燒性能優于玉米秸稈和混合木屑顆粒。
3)比較了三種生物質顆粒燃料與未經成型處理時的燃燒特征，結果表明：纖維素結構的改變使得生物質著火點低于未成型生物質燃料，燃燼度更高。
4)三種顆粒燃料在燃燒爐中的燃燒表現，說明了顆粒燃料的揮發分析出和燃燒速率是造成木屑顆粒燃燒爐不適應其它顆粒燃料的主要原因。
5)建議通過一定的改良措施，如成型顆粒燃料中摻加一定比例的煤粉來改變揮發分析出速率，從而改善燃燒爐的適應性，本研究下一步將對此開展工作，富通新能源生產銷售木屑顆粒機、秸稈顆粒機等生物質燃料成型機械設備，同時我們還大量銷售楊木木屑顆粒燃料。
