1.2.6生物質固化成型燃料的基本特性
生物質固化成型
顆粒燃料中易燃部分主要是纖維素、半纖維素、木質素。燃燒時纖維素、半纖維素和木質素首先放出揮發(fā)分物質，最后轉變成碳。幾種典型的生物質組成成分見表1.1。
試驗研究發(fā)現(xiàn)生物質揮發(fā)物的燃燒效率比炭化物質快。燃料著火前為吸熱反應；到著火溫度以后，生成氣相燃燒火焰和固相表面燃燒的光輝火焰，為放熱反應。具體的燃燒性能見表1.2。部分生物質燃燒特性曲線如圖1-1、圖1-2所示。
1.2.7生物質燃料相應爐具的開發(fā)
高效燃燒器具（或灶具）的利用可以明顯提高燃燒效率，是有效利用生物質燃料的關鍵。
有關高效燃燒器具的研究，瑞典、挪威、新西蘭、澳大利亞、德國等國做的較早。我國各地政府相繼出臺了扶植政策，在農村加大了推廣農村戶用高效低排放生物質爐具的力度。
但在生物質“熱”的今天戶用生物質爐具僅僅是起步階段，市場上就出現(xiàn)了大量的假冒偽劣爐具，造成了資源的大量浪費。有人打著汽化爐的幌子，吧汽化爐吹的神乎其神，對很多人產(chǎn)生了誤導。
戶用汽化爐存在著許多顯著的缺點；和灶具直接相連，產(chǎn)生的可燃氣沒有經(jīng)過任何處理，因而灶具連接管及汽化爐都有焦油滲出，衛(wèi)生條件很差，且易堵塞管道和灶具；由于戶用汽化爐比較小，汽化條件不易控制，產(chǎn)生氣體中的可燃氣成分質量不穩(wěn)，并且不連續(xù)，影響燃用甚至有安全問題；特別是新爐子，或者是隔了一段時間為使用的爐子，從點火到產(chǎn)氣需要一定的起火時間，增加了勞動時間，而這段時間內煙氣污染物排放很高；更重要的問題是含焦油的水無序排放，用戶隨意潑灑在土地或水溝中，對土地和地下水造成污染；早燃燒過程中，廚房彌漫著大量秸稈的氣味，其中含有大量的有害氣體成分，特別是一氧化碳大量超標，對人體會造成極大地損害。
用戶對生物質爐具要求性能穩(wěn)定、點火容易、操作簡便、安全可靠、燃料適應性強、爐具價格要物有所值，并有3年以上的使用壽命，前提條件是一定要達到高效低排放。
目前戶用生物質爐具多為半汽化爐，生物質燃料在爐膛內燃燒，并進行合理配風，伴有汽化成分，叫生物質半汽化爐，如圖1-3示，但性能差別很大，達到下列指標的就屬于高效低捧放汽化爐。
炊事爐：>35%
炊事采暖爐：>60%，
采暖爐：>65%
煙塵排放濃度：<50 mg/m3
S02排放濃度：<30mg/m3
NOx排放濃度：<150 mg/m3
CO排放濃度：<0.2%
1.3生物質成型燃料的燃燒理論
開展生物質半氣化爐點火方法研究首先必須要了解生物質成型燃料的燃燒理論，然后，在此理論的指導下，針對生物質成型燃料和生物質半氣化爐的燃燒特性和結構特點，才能有效地進行助燃劑的開發(fā)和點火技術的研究。
1. 3.1生物質成型燃料點火過程和特性分析
(l)點火過程
生物質成型燃料的點火過程是指生物質成型燃料與氧分子接觸、混合后，從開始反應，到溫度升高至激烈的燃燒反應前的一段過程。實現(xiàn)生物質成型燃料的點火必須滿足：生物質成型燃料表面析出一定濃度的揮發(fā)物，揮發(fā)物周圍要有適量的空氣，并且具有足夠高的溫度。生物質成型燃料的點火過程是：
①在熱源的作用下，水分被逐漸蒸發(fā)逸出生物質成型燃料表面；
②隨后生物質成型燃料表面層燃料顆粒中有機質開始分解，在其過程中有一部分揮發(fā)性可燃氣態(tài)物質分解析出；
③局部表面達到一定濃度的揮發(fā)物遇到適量的空氣并達到一定溫度，便開始局部著火燃燒；
④隨后點火面漸漸擴大，同時也有其它局部表面不斷點火；
⑤點火面迅速擴大為生物質成型燃料的整體火焰出現(xiàn)；
⑥點火區(qū)域逐漸深入到生物質成型燃料內部一定深度，完成整個穩(wěn)定點火過程。點火過程如圖1-4表示。
(2)影響點火的因素
點火溫度；生物質種類；外界的空氣條件；生物質成型密度；生物質成型燃料含水率；生物質成型燃料幾何尺寸等。
(3)點火特性
生物質成型燃料一般是高揮發(fā)分的生物質在一定溫度下擠壓而成。在高壓成型的生物質燃料中，其組織結構限定了揮發(fā)分由內向外的析出速度及熱量由外向內的傳遞速度減慢，且點火所需的氧氣比原生物質有所減少，因此生物質成型燃料的點火性能比原生物質有所降低，但遠遠高于型煤的點火性能。從總體趨勢分析，生物質成型燃料的點火特性更趨于生物質點火特性。
1.3.2生物質成型燃料燃燒理論分析
(1)生物質成型燃料燃燒機理
生物質成型燃料燃燒機理屬于靜態(tài)滲透式擴散燃燒，燃燒過程就從著火后開始。
①生物質成型燃料表面可燃揮發(fā)物燃燒，進行可燃氣體和氧氣的放熱化學反應，形成火焰；
②除了生物質成型燃料表面部分可燃揮發(fā)物燃燒外，成型燃料表層部分的碳處于過渡燃燒區(qū)，形成較長火焰.
③生物質成型燃料表面仍有較少的揮發(fā)分燃燒，更主要的是燃燒向成型燃料更深層滲透。焦碳的擴散燃燒，燃燒產(chǎn)物C02，co及其它氣體向外擴散，行進中c0不斷與02結合成C02，成型燃料表層生成薄灰殼，外層包圍著火焰；
④生物質成型燃料進一步向更深層發(fā)展，在層內主要進行碳燃燒(即C +02→CO)，在球表面進行一氧化碳的燃燒(即CO+O2→C02)，形成比較厚的灰殼，由于生物質的燃盡和熱膨脹，灰層中呈現(xiàn)微孔組織或空隙通道甚至裂縫，較少的短火焰包圍著成型塊；
⑤燃盡殼不斷加厚，可燃物基本燃盡，在沒有強烈干擾的情況下，形成整體的灰球，灰球表面幾乎看不出火焰，灰球會變暗紅色，至此完成了生物質成型燃料的整個燃燒過程，燃燒過程圖1-5表示。
(2)生物質成型燃料燃燒速度的影響因素
生物質成型燃料燃燒速度常用燒失量來表示：
①生物質成型燃料燒失量(△m):在一定時間內，生物質成型燃料燃燒的
在式(1，2)中：mi為在tl時刻生物質成型燃料質量(g);m2為在t2時刻生物質成型燃料質量(g)；tl為生物質成型燃料的開始燃燒時刻(min); t2為生物質成型燃料的燃燒終止時刻( min)；
根據(jù)生物質成型燃料燃燒動力學分析，影響生物質成型燃料速度的主要因素有：生物質種類，生物質的含水率，生物質成型燃料密度，生物質成型燃料的幾何尺寸，生物質成型燃料燃燒溫度，燃燒時的通風條件等。
(3)生物質成型燃料燃燒特性
①生物質燃料特性
表1-3為六種主要生物質的工業(yè)分析，元素分析、發(fā)熱量的數(shù)值：由表1-3可看出，生物質的揮發(fā)分遠高于煤，灰分和含碳量遠小于煤，其熱值小于煤，生物質這種燃料特點就決定了它的燃燒具有一定的特征。
②原生物質燃燒特性
原生物質特別是秸桿類生物質密度小，體積大，其揮發(fā)分高達60%～70%之間，點火溫度低，易點火。同時熱分解的溫度又比較低，一般在350℃就釋放出80%左右的揮發(fā)分，燃燒速度快，燃燒開始不久迅速由動力區(qū)進入擴散區(qū)，揮發(fā)分在短時期內迅速燃燒，放熱量劇增，在傳統(tǒng)燃燒設備中，高溫煙氣來不及傳熱就由煙囪排出，因此造成大量的排煙熱損失。另一方面，揮發(fā)分劇烈燃燒所需要的氧量遠遠大于外界擴散所供應的氧量，使供氧明顯不足，較多的揮發(fā)分不能燃盡，形成大量CO、H2、CH4等產(chǎn)物，產(chǎn)生大量的氣體不完全燃燒損失。
當揮發(fā)分燃燒完畢，進入焦炭燃燒階段時，由于生物質焦炭的結構為構散狀，氣流的擾動就可使其解體懸浮起來，脫離燃燒層，迅速進入爐膛的上方空間，經(jīng)過煙道而進入煙囪，形成大量的固體不完全燃燒熱損失。此時燃燒層剩下的焦炭量很少，不能形成燃燒中心，使得燃燒后勁不足。這時如不嚴格控制進入空氣量，將使空氣大量過剩，不但降低爐溫，而且增加排煙熱損失。總之，生物質燃燒的速度忽快忽慢，燃燒所需的氧量與外界的供氧極不匹配，呈波浪式燃燒，燃燒過程不穩(wěn)定。
⑨生物質成型燃料燃燒特性
由于生物質成型燃料是經(jīng)過高壓而形成的塊狀燃料，其密度遠遠大于原生物質，其結構與組織特征就決定了揮發(fā)分的逸出速度與傳熱速度都大大降低。點火溫度有所升高，點火性能變差，但比型煤的點火性能要好，從點火性能考慮，仍不失生物質點火特性。燃燒開始時揮發(fā)分慢慢分解，燃燒處于動力區(qū)，隨著揮發(fā)分燃燒逐漸進入過渡區(qū)與擴散區(qū)，燃燒速度適中，能夠使揮發(fā)分放出的熱量及時傳遞給受熱面，使排煙熱損失降低。同時揮發(fā)分燃燒所需的氧與外界擴散的氧很好的匹配，揮發(fā)分能夠燃盡，又不過多的加入空氣，爐溫逐漸升高，減少了大量的氣體不完全燃燒損失與排煙熱損失。
揮發(fā)分燃燒后，剩余的焦炭骨架結構緊密，像型煤焦炭骨架一樣，運動的氣流不能使骨架解體懸浮，使骨架炭能保持層狀燃燒，能夠形成層狀燃燒核心。這時炭的燃燒所需要的氧與靜態(tài)滲透擴散的氧相當，燃燒穩(wěn)定持續(xù)，爐溫較高，從而減少了固體與排煙熱損失。在燃燒過程中可以清楚地看到炭的燃燒過程，藍色火焰包裹著明亮的炭塊，燃燒時間明顯延長。
總之，生物質成型燃料燃燒速度均勻適中，燃燒所需的氧量與外界滲透擴散的氧量能夠較好的匹配，燃燒波浪減小，燃燒相對穩(wěn)定。
1.4生物質成型壓塊點火助燃劑
目前還沒有對生物質成型壓塊點火助燃劑的研究和報道，已有的煤用增燃劑、助燃劑、型煤粘結劑以及火鍋煤球、易燃炭球等都只適用于煤的增燃和助燃。由于壓縮成型前的玉米秸等生物質原料（被粉碎的）疏松質輕，不能和煤用增燃劑、助燃劑和粘結劑（堅硬固體）均勻摻和到一起，更重要的是在生物質原料壓縮成型過程中成型機模具和物料都會產(chǎn)生較高的溫度，如果在壓縮成型過程中加入助燃劑將會在壓制過程中引起火災。在市場購買的易燃煤球和炭球也不能將成型燃料很好的引燃。因此，急需要研制適合于生物質固化成型燃料點火的專用引火助燃劑，用于解決普遍存在的成型燃料點火難問題。
1.5本文研究的主要內容
本課題來源是北京市科委。生物質半氣化爐的推廣對改善農民生活質量、減少秸稈的焚燒和環(huán)境污染等起到了積極的作用。但是，在推廣過程中，由于生物質成型燃料與氣化爐具沒能形成良好的鏈接，農民在使用過程中存在點火難和使用不方便的問題，導致爐具使用率較低，嚴重影響了生物質成型技術的進一步推廣。能否讓農民方便快捷的將成型燃料迅速點燃是生物質半氣化爐能否順利推廣的關鍵所在。
本文針對以上問題，主要進行一下三個方面的研究：
(1)助燃劑的研制；
(2)點火影響因素的研究；
(3)點火方法的研究。
三門峽富通新能源生產(chǎn)銷售的
顆粒機、秸稈壓塊機、
木屑顆粒機專業(yè)處理農作物秸稈焚燒問題。
