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生物質(zhì)顆粒燃料燃燒過程的分析

    （內(nèi)容簡介]對熱設備進行堋平衡計算可以評價熱設備熱力學過程的完善程度。生物質(zhì)顆粒燃料燃燒過程是極強的不可逆過程，生物質(zhì)顆粒燃料燃燒過程的炯損在燜平衡計算中占有很重要的地位。本文主要介紹生物質(zhì)顆粒燃料燃燒前后的炯值及燃燒過程炯損的計算法，通過討論燃燒模型，著重介紹絕熱燃燒過程炯損計算法。根據(jù)本文提供的公式及計算方法，可以進行各種生物質(zhì)顆粒燃料燃燒過程的炯損計算。本文還介紹了I-S圖解法計算燃燒過程蝴損的方法．這種計算方法，對于種類及成份比較穩(wěn)定的熱設備是*方便的。

    1  生物質(zhì)顆粒燃料燃燒過程的嫻

    對加熱爐進行熱平天用及炯平衡計算指．出fl，，生物質(zhì)顆粒燃料燃燒過程不可逆煳損失占炯支出的30.86%,而熱支出中煙氣所帶走的34.6%的熱損失，在炯平衡中只占堋支曲的17.79%，而且燃燒過程的J，甩損在熱平衡中是反映不出來的。可以明顯地看出，生物質(zhì)顆粒燃料燃燒過程的炯及炯損計算在炯平衡中的重要性。

    首先討論一下生物質(zhì)顆粒燃料燃燒前后的峽用值及其基本計算方法。生物質(zhì)顆粒燃料在燃燒前有化學炯（燃燒后部份轉(zhuǎn)換為生物質(zhì)顆粒燃料產(chǎn)物的熘炯，--湖5份因不可逆而造成炯損）。如果生物質(zhì)顆粒燃料預熱到一定溫度時，則生物質(zhì)顆粒燃料具有熘炯，一般用燃燒后的廢氣進行頇熱，所以生物質(zhì)顆粒燃料的古畬炯來自燃料的化學炯。若生物質(zhì)顆粒燃料具有一定的壓力，因壓力要作功生物質(zhì)顆粒燃料還具有壓力炯，空氣預熱時同樣要計入女隹炯，這些就是燃燒過程前的炯收入。燃燒后產(chǎn)生高溫廢氣，這種高溫廢氣所具有的女召炯就是炯支出。燃燒過程由于反應

前后成份不同，理應計算成份變化的煳，但因其數(shù)值相對而言比較小，故可忽略。

    生物質(zhì)顆粒燃料的化學炯依生物質(zhì)顆粒燃料種類而異。在工程上常采用一些比較方便的實用公式。式(1)就是常采用的公式

EF =∑Xi EFj+R To∑Xi InXi ( 1)

式中  Xi-可燃組分的模爾分數(shù)；

    E Fi-可燃組分的化學炯，  (見

    表1)；

    R——混合氣體生物質(zhì)顆粒燃料單位體積的氣體.

    常數(shù)；

    To-環(huán)境溫度。

    從公式(1)可看出計算炯值與計算發(fā)熱值一樣服從相加原理，公式右邊第二項是考慮到生物質(zhì)顆粒燃料混合炯值有所減低。因求Xi往往IJL 1小，所以第二項常為負值，在實際計算中忽略此項也無關大局。

    *簡單的計算式是朗特( Rant)近似式‘2’

    燃燒產(chǎn)物的Z含炯及空氣（有時還有氣體生物質(zhì)顆粒燃料）預熱到一定溫度時的t含煳，按常用的女含炯計算式：

E產(chǎn)(I-I.)(1_TT T01.To)  (2)

式中  El——傭值，

    I、I�！�—對應于物質(zhì)溫度及環(huán)境溫

    度的舶；

    T、Ta-物質(zhì)及環(huán)境溫度。

    環(huán)境溫庋在計算舶及炯時常取273K，、《四川_冶金：》

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表1    單一生物質(zhì)顆粒燃料的發(fā)熱值及化學炯

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┃    ┃        ┃          ┃          ┃  化學炯  ┃

┃    ┃  生物質(zhì)顆粒燃料  ┃          ┃    Qs    ┃    EF    ┃

┃    ┃        ┃高發(fā)熱值  ┃低發(fā)熱值  ┃          ┃

┃    ┃        ┃    QH    ┃          ┃          ┃

┣━━╋━━━━╋━━━━━╋━━━━━╋━━━━━┫

┃    ┃        ┃千焦／    ┃干焦／    ┃  干焦／  ┃

┃    ┃  單位  ┃標米3     ┃標米3     ┃  標米3   ┃

┃    ┣━━━━╋━━━━━╋━━━━━╋━━━━━┫

┃    ┃H2 .    ┃   12 760 ┃   10 740 ┃10580     ┃

┃氣  ┃CO      ┃12630     ┃  126 30  ┃11480     ┃

┃    ┃CH4     ┃39710     ┃35670     ┃36480     ┃

┃    ┃CzHz    ┃57950     ┃55930     ┃55090     ┃

┃    ┃C3H4    ┃62510     ┃5'8470    ┃58950     ┃

┃    ┃C2He    ┃69530     ┃63480     ┃65420     ┃

┃體  ┃        ┃          ┃          ┃          ┃

┃    ┃C3He    ┃   918 70 ┃85820     ┃87350     ┃

┃    ┃C3H8    ┃   9 9100 ┃   910 30 ┃94110     ┃

┃    ┃C4HIO   ┃128480    ┃118400    ┃122650    ┃

┗━━┻━━━━┻━━━━━┻━━━━━┻━━━━━┛

┏━━┳━━━━━┳━━━━━┳━━━━━━━━┳━━━━━┓

┃    ┃          ┃千焦／    ┃干焦／          ┃  千焦／  ┃

┃    ┃  單位’  ┃          ┃                ┃          ┃

┃    ┃          ┃  千克    ┃  千克          ┃  千克    ┃

┃    ┣━━━━━╋━━━━━╋━━━━━━━━╋━━━━━┫

┃    ┃CsHio     ┃46900     ┃43680           ┃45900     ┃

┃    ┃C6H12     ┃48760     ┃45000           ┃47060     ┃

┃液  ┃          ┃          ┃                ┃          ┃

┃    ┃CoHe      ┃41960     ┃40220           ┃41120     ┃

┃    ┃CaHiz     ┃46800     ┃43580           ┃45580     ┃

┃    ┃C8H12     ┃46610     ┃43380           ┃45380     ┃

┃    ┃COH14     ┃49060     ┃.44550          ┃46580     ┃

┃    ┃C7H8      ┃42520     ┃40550           ┃41590     ┃

┃體  ┃          ┃          ┃                ┃          ┃

┃    ┃          ┃4810 0    ┃44500           ┃46630     ┃

┃    ┃C8H10     ┃4 3170    ┃      4.10 4 0  ┃42320     ┃

┃    ┃C8Hie     ┃49410     ┃45840           ┃47890     ┃

┣━━╋━━━━━╋━━━━━╋━━━━━━━━╋━━━━━┫

┃    ┃          ┃干焦／    ┃干焦／          ┃  干焦／  ┃

┃固  ┃  單位    ┃          ┃                ┃          ┃

┃    ┃          ┃  千克    ┃  千克          ┃  千克    ┃

┃    ┣━━━━━╋━━━━━╋━━━━━━━━╋━━━━━┫

┃    ┃  C       ┃    33910 ┃    33910       ┃    33980 ┃

┃體  ┃  S       ┃    9250  ┃    9250        ┃    9350  ┃

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茌生物質(zhì)顆粒燃料及空氣預熱時，T是預熱溫度。在計算燃燒產(chǎn)物的炯值時，T就是燃燒溫度，此時，T的計算問題就要牽涉到燃燒滇型了。

    2  生物質(zhì)顆粒燃料燃燒模型(4)

    生物質(zhì)顆粒燃料燃燒是極其復雜的物理化學過程，伴隨著燃燒反應同時進行放熱及熱傳輸。熱傳輸又包括高溫體以熱傳導、熱對流及熱輻射向低溫體的傳熱。燃燒反應機理相當復雜，且依生物質(zhì)顆粒燃料是固體、液體凝或氣體而異。這就使得討論和計算生物質(zhì)顆粒燃料燃燒過程的炯及J損失是很困難的。

    將生物質(zhì)顆粒燃料燃燒過程模型化，對問題的討論將會簡化

    2.1燃燒的一般模型

    燃燒反應的一般模型是這樣考慮的：燃料與空氣反應形成火焰，火焰中反應繼續(xù)進行，在達到*高溫度Tf以前熱支出qi;  火焰中存在溫度分布且以輻射方式向外傳熱，此項熱支出記)Jq2;過程基本終了時燃燒產(chǎn)物的溫度Tc，從Tc到Tg為單純的傳熱過程，熱傳遞量記為q3。該模型從燃燒工程學的角度看是過于簡單化了。但是從炯計算出發(fā)認為它還是太復雜了。問題發(fā)生在Tf到Tc這個f孓閘。該區(qū)間溫度是變化的，而且是火焰行捏的函數(shù)。要計算炯值必須知道溫度務布�；鹧娴某煞莘植技盁崃鞣植级�進行積分。確定這些參數(shù)是困難的，理淪計算并非不可能，然而太復雜了，對工程實用計算不方便，因此必須將模型進一步簡化為絕熱燃燒模型。

    2.2絕熱燃燒模型

    絕熱燃燒模型是理想的、*化的模

    此模型認為生物質(zhì)顆粒燃料與空氣在理想條件下快速完成燃燒反應。由于反應極快，可認為在生成溫度為Tad絕熱燃燒產(chǎn)物以前，沒有熱支出（損失），故稱為絕熱燃燒。這樣就可以很方便地計算出T。d溫度下絕熱燃燒產(chǎn)物的炯值，將其與炯收入相比很容易算出燃燒過程的炯損。從T。d到Tg之間為向被加熱的傳熱過程，可計算傳熱不可逆炯損，但不在本文討論之例。

    現(xiàn)著重討論一下Tad的問題。

    假定燃燒的條件是供給充足的空氣，從而達到完全燃燒，  則生成的燃燒產(chǎn)物為C02、H20、Nz、0 2。眾所周知，在燃燒過程中，  火焰內(nèi)生成OH、O、及H等活化分子，COz及Hz0要熱分解（C02 <-;CO+-}O。，H。o三二；H2+ 10。），有氮化物形成（Nz+0z*}2NO）等。這些反應為吸熱反應。由于吸熱反應產(chǎn)生，燃燒溫度將降低。在絕熱燃燒模型中，考慮了吸熱反應后的絕熱燃燒溫度叫絕熱平衡燃燒溫度，如果不考慮這些吸熱反應叫絕熱理論燃燒溫其理由是：

    (1)要確定絕熱平衡燃燒溫度，必須確定平衡氣體的成份，為此要通過逼近法解非線性方程，需要做出大量的計算，對于普及炯的計算不利。

    (2)在假定絕熱平衡燃燒時，因冷卻而變成煙道廢氣前，由吸熱反應而分解出的成份又會重新生成CO。、Hz0等物質(zhì)，使得從T。d到Tg的變化過程，不單純是熱傳遞過程，造成炯損計算復雜化。

    絕熱理論燃燒溫度與綸熱平衡燃燒溫度之差，在不同過�？諝鈼l件下，其數(shù)值不同。圖3繪出了CH,在一大氣壓，250c條件下燃燒不同過�？諝庀禂�(shù)時的兩種溫度曲線。從圖中可以看出在n=l．O時兩者相差

    1絕熱理論燃燒溫度，2絕熱平衡燃燒溫度

    圖3  甲烷的燃燒溫度曲線100K,隨隨n的增加差值減小，  當n增加到1.3時，差值僅10K左右，兩者*接近。因此，在一般冶金熱工過程中應用絕熱理論燃燒溫度代替絕熱平衡燃燒溫度不會造成很大誤差。

    計算絕熱理論燃燒溫度可根據(jù)女臺平衡法，即

    生物質(zhì)顆粒燃料的炸+空氣的i臺=燃燒產(chǎn)物的舶

    (3)

    此外，對于不可能在瞬間達到完全燃燒的情況下，可以用恒溫（定溫）燃燒模型。示于圖4。因為實際應用較少不多贅述。

    娜收入生物質(zhì)顆粒燃料的化學炯( EF)及生物質(zhì)顆粒燃料（氣

3  燃燒過程燜損計算

    這項計算比較簡單。化學炯可根據(jù)生物質(zhì)顆粒燃料種類用式(1)計算，也可用朗特公式或一些統(tǒng)計公式計算‘㈧。預熱的炸炯(E-)在已知預熱溫度時可算出該溫度下的女臺(I)，

  從計算中可以看到，當生物質(zhì)顆粒燃料供給熱設備加熱時在未進行熱交換時巳損失了生物質(zhì)顆粒燃料有效能的42.45%（或22.5%）。這項損失在熱平衡中．是無法發(fā)現(xiàn)和計算的。燃燒過程J分析的意義正在于此。

    3.2用炸一熵圖（I-S圖）進行計算。

    這種方法是圖解法。圖解法作圖過程比較復雜，但是一旦將圖作好，則可以根據(jù)發(fā)熱值、燃燒過程開始狀態(tài)、過�？諝庀禂�(shù)及空氣預熱溫度、燃燒產(chǎn)物狀戀等很方便地查出燃燒不可逆炯損百分率。  ．

    岡5是一個實際用圖。用圖中A點表示生物質(zhì)顆粒燃料的炸（低發(fā)熱值）。空氣的I-S線根據(jù)空氣預熱溫度與煒及)m關系作出。從A點出發(fā)在空氣I-S線上找到空氣預熱溫度（比如B點）就是燃燒開始時的狀態(tài)點。從B點做水平線即等焰線與燃燒產(chǎn)物的I-S線交于D點。由D點做垂線與無效能直線CE交于百分率。若測得實際燃燒溫度，DW可在燃燒產(chǎn)物I-S曲線上找到該溫度的狀態(tài)點Di，從Di做垂直同樣可計算炯損。限于篇幅，作圖的詳細方法及其原理請參閱有關文獻內(nèi)）。

結(jié)    語

    生物質(zhì)顆粒燃料燃燒過程是極強的不可逆過程，其嫻損很大而且是不可避免的。通過燃燒過程的加分析可以計算出煳損，但更重要的問題在于如何減少J炯損。已如前述，對空氣預熱可以大大減少炯損，很明顯這是由于提高了絕熱燃燒溫度所致。因此，凡是能提高燃燒溫度的措施都會對減少．J甩損有利。比如，用相同的生物質(zhì)顆粒燃料燃燒，如果采用富氧就比普通燃燒法可以提高燃燒溫度降低炯損。此外，粉爆炸性認識有重要意義，但對于高壓狀態(tài)下的煤粉性能，還缺乏指導意義。對這種試驗臺作一些改進，可制成長管式高壓試驗其示意圖如下圖8:

    以上裝置，配置上試驗臺振動測定堤置，和聲強測定等設備�？蓪Ω哂诖髿鈮旱臒熋阂豢諝饣旌衔镞M行一次性爆燃火焰返回度、爆炸*大壓力，反作用力，聲強、振動等數(shù)據(jù)測定。若去除圖中隋性氣體管9部分，或裝上這部分，并充入一定壓力隋性氣體，可進行兩種情況下泄壓威力比較及不同隋性氣滅火降壓作用大小比較等試驗。該裝置如能達到預期效果，我們對煤粉爆炸性能約認識將會前進一步，無疑地會對煙煤高壓噴吹起到促進作用。

    該試驗臺制造比較困難的是：煤燃試管要承受很高的壓力和溫度，并且要透明，便于觀察。據(jù)有關資料記載‘：煤粉爆燃的一次性爆炸壓力不超過初始壓力的10倍。如果試管試驗壓力為o.sMPa，則試管需承接5-7 MPa的壓力才能適用。而且要求點火源溫度達1000℃～iioo oC，這對于透明材料是難辦的。另外，接頭、密封等引起的結(jié)構(gòu)要求，選透明材料也有困難。不過，我們主要希望測定的是煙煤在高壓狀態(tài)下爆燃泄壓威力的有關資料，對管內(nèi)爆燃狀態(tài)的觀察是次嫻損與生物質(zhì)顆粒燃料種類有關，有的研究者指出純碳比純氫燃燒時的炯損小，但對工程上常用燒料燃燒時的炯損研究的尚不夠充分。從理論上講燃燒器結(jié)構(gòu)與炯損無關，但從!-S圖上可以看出一般情況下實際燃燒溫度比絕熱理論燃燒溫度低，故前者炯損比后者大。從這個意義上，改進燃燒器結(jié)構(gòu)提高實際燃燒溫度對降低．廂損仍有實際意義。