摘 要：一般来说生物质燃料燃烧温度较低，通过研究促使生物质燃料充分燃烧，可以促使其应用于更加广泛的领域。本文就生物质粉体燃烧情况进行研究，并就其在不同富氧条件下的反应予以观察，了解不同氧气浓度对生物质粉体燃料燃烧的影响，从而探索生物质粉体燃料富氧燃烧的条件，为促进生物质粉体充分燃烧的研究提供借鉴。
关键词：生物质粉体；富氧燃烧；温度分析
生物质存在于生活、环境等多领域之中，从狭义角度来说，生物质专指植物，诸如农林废弃物、水生藻类、野生藤曼等植物是生物质燃料的重要来源；从广义角度来说，生物质所包括的内容广泛，诸如植物、动物、微生物、排泄物，以及城市生活垃圾等有机质都属于生物质范畴。做好生物质的利用开发，可以有效改善生物质与环境之间的关系，避免对环境所造成的影响和危害，实现资源的优化利用。生物质蕴含于生物之中，富有极为强大的能量，并能够实现能源的大量存储，探索其应用转化的路径，不仅是挖掘其内在价值的需要，更是当今世界发展研究的内在要求。因此，探索生物质粉体富氧燃烧的研究极为重要，已经引起相关人员的关注和重视。
1 富氧燃烧研究现状
生物质燃料的开发，包括化学、生物、物理三大类别，所涉及的技术也多种多样，但就主要类别可以分为热解、液化、气化直接燃烧等多种技术。对于生物质燃烧来说，直接燃烧可以说是其得以应用的最重要、最直接，也是使用最早的一种传统转化方式，所花费的成本也较低，正是因为此特点，生物质直接燃烧在国内外的研究发展也最快。
美国积极推行生物质燃烧技术，并通过对生物质的直接燃烧来进行热能发电，对于富氧燃烧的研究也不遗余力。早在80年代，诸如美国等发达国家便对富氧燃烧进行了深入研究，膜法富氧技术便是其中所研究的重要方向和领域。尤其日本，其在进行富氧燃烧实验时候，更多的是以气、煤、油灯做为主要燃料，通过不同燃料的应用进行实验，进而得出相应的富氧燃烧结论。其实验结论认为，富氧助燃能够达到更好地节能效果，一般情况下可以达到10-25%的节能效果，也正是在此基础上，日本在大型锅炉应用研究方面走在前列。我国更多的研究方向倾向于局部增氧助燃技术，此技术在玻璃窑炉，燃油、燃煤、燃气等小型的工业锅炉中具有广泛的应用作用，并得到了较好的社会效益和经济效益，其节能效应达到11.8%，不仅提高产品质量，而且延长了锅炉寿命。
2 生物质粉体富氧燃烧研究实验
为了更好地研究生物质粉体富氧燃烧情况，开展相应的实验研究就显得非常重要。本研究课题试验的燃烧系统主要包括富氧装置、测温数显、进料装置、燃烧炉等四部分。就富氧装置来说，其主要为氧气瓶、风量调节阀、配风管、转子流量计、测温数显系统、皮托管等系统组成；测温数显则主要是对燃烧炉内的温度予以监控，并对风粉浓度和流量予以反馈；进料装置则包括刮板、料斗、下粉管、螺旋进料器等装置组成。
2.1 实验原料和装置
2.1.1 实验原料
本实验所选用的实验原料为实验室破碎系统的破碎产物。该生物质粉体的工业分析，元素分析，以及发热值如下表：
2.1.2 实验用风机风量的测定与调节
在实验过程中需要对风机风量进行调节，这就需要对进风口大小予以调控。在进行分量调控之前需要对管道内压力差进行测试，此时可以应用皮托管予以测试开展，将计算结果折算成为流速，并对最佳风流量予以计算。需要注意的是，在进行内压力差测时候，应与风出口保持一定距离，一般来说为5D（D为管道直径），测试位置也应当处于横截面中心。
2.2 实验方法
燃烧过程中的温度、烟气和灰渣，都需要通过相关工具进行监测，并进行相应调节。对于温度的监控则主要通过测温数显系统予以进行，对于烟气的采集分析则主要通过KM900便携式烟气分析仪予以测定，通过此设备监测主要成分。采用美国EAGLEⅢ聚焦型扫描X-射线荧光能谱仪，对灰渣成分进行测量。实验方法如下：①粉体粒径对燃烧的影响。生物质粉粒粒径不同，对于燃烧的效果具有影响，通过破碎成本的结合，以及燃烧效率的权衡，挑选最佳的粉体粒径。在后续实验中，主要对适宜燃烧的粉体粒径予以应用；②风粉浓度对燃烧的影响。风量不变的情况下，螺旋给料机转速变化，则会对风粉浓度产生影响；③燃烧熔炉与进料量的关系。风粉浓度不变的情况下，并保持最佳基础上，风分量增大，则能够窥探燃烧炉与进料量之间的变化关系；④生物質粉体燃烧与氧气进入量的温度探讨；⑤燃烧炉炉温与富氧率之间的关系。控制好最优风粉浓度量，把控好其进料环节，在结合粒径的优化筛选，则可以了解空气富氧率对生物质粉体的燃烧影响，了解炉温与富氧率关系；⑥燃烧温度对灰分量、灰成分的影响；⑦探究助燃空气的富氧率对于烟气成分的作用。
3 实验结果及讨论
3.1 粉粒直径对燃烧的影响
粉粒直径对于燃烧具有一定影响，诸如进料、燃烧温度、点火、烟气成分等都会受到其影响。一般来说，粉粒直径越小，越具有团聚趋势，那么物料搭桥的现象就更加突出，但与此同时所具有的好处就是具有较好的点火性能。实验结果表明，粉体越细，烟气中的一氧化碳含量越低，燃烧的充分性也就越好。但是，实验数据表明，NOx受到粉粒直径的影响不大。
在进行实验过程中，对粉粒直径的筛选共计五种：d>0.420mm（40目）、d>0.250mm（60目）、d<0.177mm（80目）、d>0.149mm（100目）和d<0.125mm（120目），通过实验了解到d>0.420mm粉粒燃烧难度较大，并会在燃烧过程中产生黑烟，燃烧状态欠佳，实验结束还会在燃烧炉底部发现堆积；d<0.125mm粉粒在燃烧炉中燃烧则可以达到12330℃，燃烧效果较好；d<0.177mm的粉粒燃烧温度可以达到1153℃，较细粉粒的燃烧情况更好。综合多种粒径的燃烧情况来看，破碎产品中d<0.177mm的粉粒燃烧成本最为经济合理。
3.2 风粉浓度对燃烧的影响
生物质粉体具有较强的挥发性，气相燃烧在燃烧中占据较大比例，这就让其燃烧更加接近于气体燃烧，燃烧炉中极容易形成悬浮状的体积燃烧，风粉浓度对其燃烧影响较大。
通过实验可知，风流量保持在70m3/h的情况下，风粉浓度能够与炉膛内的最高温度呈现出最佳的燃烧状态；而风粉浓度一旦达到280g/m3以上，燃烧则不够充分，且点火时容易出现爆燃现象，炉內压强较大。同时，我们还观察到风粉浓度的增加会使烟气中的二氧化碳、氧气浓度降低，一氧化碳浓度增高。
对于燃烧的化学反应方程式，我们可以采用进行如下表达：
3.3 二次风对燃烧的影响
二次风于炉膛下部三分之一处进入主燃室，并在燃烧后5分钟开启，用于空气的补充，并对气粉予以混合搅拌。实验表明二次风对燃烧的影响较小，其与一次风的比例以35：1混合较为合适。
3.4 确定最佳进料量
该实验主要分成三个层次来对进料量进行观察。第一，进料量为200g/min，风机风量为54m3/h，其火焰占据炉膛整体，生物质粉体能够达到完全燃烧；第二，进料量为260g/min，风机风量为70m3/h，粉体在燃烧炉內存在适当停留，燃烧效果最佳；第三，进料量为320g/min，风机风量为87m3/h，粉体难以停留便被排出，燃烧效果较差。
3.5 通入氧气的最佳温度的确定
本实验选定的进料量为260g/min时，风粉浓度为260g/m3，风机风量调为70m3/h，炉温上升到1100℃时候，通入氧气效果最佳。
3.6 最佳富氧率确定
因考虑到进料量为260g/min时，风粉浓度为260g/m3情况下能够达到较好的燃烧效果，因此，依然选定此燃烧条件，并首先通过空气助燃的形式进行粉体燃烧。在温度达到1100℃时候，通入氧气。通过风机风量与氧气量的调节，让空气富氧率达到20%、25%、30%、35%、40%、50%，实验结果如下：
通过实验可知，如图2所示，仅空气燃烧情况下，炉膛最高温度为1230℃，助燃氧气浓度为30%时，炉膛温度可以达到1520℃，说明氧气的助燃效果极为明显。氧气浓度达到40%时，温度则相比较空气助燃情况下提升33.3%，氧气浓度在此基础上提升，其炉膛温度的提升情况趋于平稳。如图3所示，在富氧条件下，炉膛温度升高的时间缩短，从1100℃提升到1200℃仅需要14min；富氧率达到30%或者以上时，炉膛温度达到此温度仅需要2min。实验表明，炉膛温度1100℃，富氧浓度为25%，能够体现较为经济合理的燃烧效果。
爐膛温度从1200℃提升到1400℃，富氧率为25%，其温度攀升时间为12min，富氧率为30%及以上情况下，时间为4min，如果助燃空气量为Xm3/h，富氧率为25%情况下除氧气量为0.48Xm3，富氧率为30%则需要通入的氧气量为0.36Xm3，因此，富氧浓度为30%的情况下，能够达到较为经济合理的燃烧效果。
3.7 灰分分析
通过实验可知，生物质粉体在不完全燃烧时候，其灰分呈现出黑色，并伴有焦油、烟尘混合物附着于燃烧炉壁，具有一定粘性，这就对燃烧炉的温度提升，热能传递产生阻碍，不利于粉体燃烧。富氧燃烧条件下，则能够实现粉体的充分燃烧，保证其炉內温度均匀呈现，其粉末也成白色，没有粘着性，结渣情况减少。
富氧率的提升促使炉內温度提升，炉内温度变化对于灰质成分也会产生影响。通过XSAM800型电子能谱仪对不同温度下的燃烧灰分进行分析，可以了解到低温下的灰分量远远超过高温下的灰分量，高温条件下的元素也更容易挥发，通过基准值与高温灰分析，我们了解到生物质粉体中的硅、钙、铁、铝挥发性较小，而钠、钾的挥发性较大。
3.8 烟气分析
空气中的含氧量、生物质粉体的燃烧情况都与烟气中的氧气浓度具有一定关系，耗费氧气量与燃尽率具有正比例关系。通过对烟气出口处氧气浓度的测试，了解到氧气浓度与燃尽率的提高成反比，与进入炉內的氧气量成正比。
燃烧过程中生成的NOx包括三个来源，热力NOx、燃料NOx和快速NOx，一般来说，氮气的释放量与生物质的燃尽率呈现出线性关系，在炉内温度为1500℃条件下，空气中的氮气更容易生成氮氧化物，增加了粉体燃烧过程中氮氧化物的排放。
粉体在燃烧过程中也同样会产生SO2，主要是有机、无机硫燃烧之后的产物。在炉内温度超过200℃时候，可以分解出H2S、硫醚、硫醇等物质，这些物质燃点较低，SO2往往会在300℃情况下便产生。一般来说，氧浓度与SO2浓度增加呈现正比例关系。
4 结语
通过实验我们可以得出如下结论：生物质燃料粉体粒径与燃烧效果有密切的关系，直径为0.177mm的生物质粉体燃烧效果最好；风粉浓度为260g/m3情况下，能够达到经济燃烧的需要；二次风对于燃烧的效果影响甚微。进料量保持在260g/min时候，燃烧效果最好，并能够促使炉內温度较快提升；生物质粉体燃料在空气中的燃烧可以达到1200℃，富氧率的增加与温度提升成正比；富氧率为40%时候，温度可以达到1600℃，当富氧率超过40%，温度升高逐渐变慢。炉温达到1100℃时候，氧浓度为15%；炉温为1200℃，氧浓度为30%；炉温为1500℃时，氧浓度为40%，最为经济合理。氧浓度提高，烟气中的NOx和SO2含量增加。
参考文献：
[1]张啸天，李诗媛，李伟.生物质与煤混合富氧燃烧过程中NO和N2O的排放特性研究[J]. 可再生能源，2017（02）：159-165.
[2]冯涛，王龙飞，兰勇，解雪涛.富氧气氛下生物质/煤恒温混燃特性及同步NO释放规律的研究[J].华北电力技术，2016（11）：36-42.
[3]董静兰.富氧燃烧氛围下纯煤掺烧生物质的污染物排放模拟研究[J].热能动力工程，2016（07）：68-73+135.
[4]方立军，曹通，张晗，刘洪锟.微富氧环境污泥、煤、生物质混烧的热重实验研究[J].华北电力大学学报（自然科学版），2016（02）：92-98.
[5]王哲，冯涛，黄星智，邵欢，郭泰成，王春波.富氧气氛下生物质/煤恒温混燃NO释放特性[J].电力建设，2015（11）：135-140.
[6]杨松.生物质颗粒工业锅炉低氮燃烧技术改造及NOx排放监测[J].化学工程与装备，2015（07）：258-260.
[7]寿恩广，李诗媛，任强强，李伟，吕清刚.生物质与煤富氧混合燃烧特性研究[J].可再生能源，2014（10）：1551-1558.
[8]蒲舸，彭瑞祥.富氧条件下碱金属对煤与生物质混烧特性的影响[J].重庆大学学报，2014（07）：53-58.