PDF《生物质颗粒燃料热风点火性能的试验研究》

第27 卷第7期农业工程学报Vol.

27 No.7

288 2011 年7月Transactions of the CSAE Jul.

2011 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

8 mm 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

394 W,风速为 2.5 m/s,进料量为

300 g 时点火性能最好,平均点火时间为

197 s,平均污染物累积排放量为:CO

3 133 mg;

NOx

73 mg;

SO2 27.7 mg.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. 关键词:生物质,秸秆,点火,颗粒燃料,燃烧器 doi:10.3969/j.issn.1002-6819.2011.07.051 中图分类号:TK6 文献标志码:A 文章编号:1002-6819(2011)-07-0288-07 徐飞,赵立欣,孟海波,等. 生物质颗粒燃料热风点火性能的试验研究[J]. 农业工程学报,2011,27(7):288-294. Xu Fei, Zhao Lixin, Meng Haibo, et al. Experimental study on hot-air ignition of biofuel pellets[J]. Transactions of the CSAE, 2011, 27(7): 288-294. (in Chinese with English abstract)

0 引言? 生物质颗粒燃料指直径小于

25 mm 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~ 1.4 t/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 20~30 min 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 收稿日期:2010-10-15 修订日期:2011-06-07 基金项目:农业科技成果转化资金项目(2010GB23260580) ;

作者简介:徐飞(1988-) ,男,安徽舒城人,从事机械制造及自动化研 究.北京 中国农业大学工学院,100083.Email: [email protected];

通信作者:田宜水(1972-) ,男,高级工程师,从事节能、可再生能源 技术和设备的研究、开发与推广,以及能源政策的研究.北京 农业部规划 设计研究院,100125.Email: [email protected]. 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. Thomas Grotkj?r 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

8 mm,长度约 10~40 mm,颗粒密度约 1.2 g/cm3 . 试验原料工业分析和发热量见表 1. 表1秸秆颗粒燃料工业分析及发热量 Table

1 Composition analysis and heat value of straw pellets 一般分析样品水分 Mad/% 灰分 Aad/% 挥发份 Vad/% 低位发热量/ (MJ・ kg-1 ) 9.32 11.01 65.48 14.76 注:试验依据标准:NY/T 1881.1-8-2010《生物质固体成型燃料试验方法》 第7期徐飞等:生物质颗粒燃料热风点火性能的试验研究

289 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

20 kW.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. 1.燃烧筒 2.搅龙 3.火焰检测孔 4.进料筒 5.点火筒 6.点火丝 7.检测 摄像头 8.风机 图1PB-20 型生物质燃烧器结构示意图 Fig.1 Schematic of PB-20 pellets burner 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 φ

10 mm,位于出 烟口上方约

50 cm 处.生物质点火试验系统如图

2 所示. 1.进水管道 2.生物质锅炉 3.生物质颗粒燃烧器 4.进料机构 5.料仓 6.出水管道 7.烟气管道 8.烟气采样孔 图2生物质颗粒燃料点火试验系统 Fig.2 System of pellet ignition experiment 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. 图3试验流程图 Fig.3 Flowchart of experiment 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394 W;

单因素试验中风速分别设置为 2.

0、 2.

5、 3.

0、 3.

5、 4.0 m/s,5 个水平;

进料量设置为

200、

250、

300、

350、

400 g,5 个水平.试验中烟气分析仪自动记录的时间间 隔设置为

30 s. 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 NOx、 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=350 g,风速为 V=3.0 m/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=352 W 的情况下点火所消耗 的能量最多,Qmax=84

339 J,当P=394 W 的情况下点火消 耗的能量最少,Qmin=66

684 J,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290 注:进料量为

350 g,风速为 3.0 m/s. 图4点火丝功率对热风点火的影响 Fig.4 Effects of ignition wire power on hot air ignition 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=277 W 时污染........