0、引 言
目前生物质能源的研究蓬勃发展，气化、热解、液化、发酵等各种利用技术都取得了较大进展。生物质致密成型的利用方式也越来越受到人们的重视，中国在冷成型、热成型技术方面的研究相继见于报道，大多已处于中试阶段，而相应的
颗粒燃料燃烧炉具的开发亟需完善。正确理解生物质成型颗粒燃料的燃烧特性对颗粒燃料成型过程和燃烧设备的开发有指导作用。研究证明，成型颗粒燃料的燃烧性能优于柴薪．可以实现高效燃烧、低污染排放。然而生物质中含有的碱性成分和氯成分，会在锅炉中燃烧时产生腐蚀、结垢、结渣等危害；对于民用小型生物质颗粒燃料燃烧炉，重要的问题是同一炉子不能适应多种类生物质颗粒燃料的燃烧，因此限制了颗粒燃料燃烧炉的推广。本文旨在改变低质的生物质颗粒燃料，使之具有与高质的木屑颗粒燃料相似的燃烧特性，则按照木屑颗粒燃料设计制造燃烧炉，亦可燃用改良秸秆等颗粒燃料，富通新能源生产销售的
木屑颗粒机、
秸秆颗粒机专业压制生物质颗粒燃料。
1、燃料分析及炉具介绍
试验采用的燃料试样是普通的农林废弃物，有玉米秸秆、锯末木屑、
履带抛丸机枝叶和锯末混合得到的混合木屑三种，由清华大学车战斌开发的CZSN冷成型机进行粉碎、成型，圆柱体颗粒燃料直径6～7mm，长小于2.5 cm。按煤分析标准，对各种颗粒燃料进行元素分析，计算各种成分的应用基，数据见表1。实验室内采用美国TA公司生产的TA-2100型热重分析仪进行燃烧特性分析。将成型颗粒燃料粉碎筛分，直至样品粒度小于80 ~m,用天平称取一定质量(10～15mg)放人热重分析仪的坩埚内。
吊钩抛丸机通人空气，使试样在适量空气消耗系数下以30℃/min速率连续升温，热重分析仪记录试样质量变化，离线处理数据，分析各种颗粒燃料的燃烧特性。
颗粒燃料燃烧炉（图1）是根据北京市怀柔区乡镇居民家庭生活和冬季供热要求开发设计的，采用自动下料，自动清灰，手动调节一次、二次风，炉膛形状不规则，能够起到强化着火和燃烧的作用。该炉具系统由颗粒燃料燃烧炉、热水器以及暖气片组成循环管路，可连续运行，木屑颗粒燃料燃烧效率高，能很好满足不同热负荷时使用。
2、热重分析仪中的燃烧特性分析
2.1生物质颗粒燃料燃烧过程的分析
由图2、3中可以看到三种生物质颗粒燃料的质量变化，可将燃烧过程均划分为脱水(A)、挥发分析出(B)、挥发分燃烧(c)、焦炭燃烧(D)和燃烬(E)阶段。
三种颗粒燃料失重的温度范围不同。在脱水阶段最为相近，由图中看到，质量变化率在340 K处达到峰值，在375 K处趋于平坦，即脱水接近完成。木屑和玉米秸秆在此阶段的失重缓慢，速率明显低于未经成型处理的生物质。由于材质疏松度不同，混合木屑颗粒燃料的脱水速率最高，玉米秸秆颗粒燃料次之，木屑颗粒燃料的脱水速率最低。
在挥发分的析出与燃烧阶段，将下降端（拐点处）切线与基线交点所对应的温度定义为着火温度。发现几种经过挤压成型过的生物质着火点较文献，中未经挤压处理的生物质着火点温度低10 K左右，说明成型过程改变了生物质的纤维素结构，利于提高挥发分析出速率，着火点有所降低。而燃烧过程中，三种颗粒燃料挥发分析出速率不同，在空气中扩散速度不同，故燃烧速率不同，燃烧维持的温度范围也不同。
燃料燃烧进入过渡阶段，纤维素的热解速度下降，挥发分物质仍能保持燃烧火焰。木质素被高温碳化，并开始表面着火，以较慢的燃烧速度燃烧，直到燃料中的挥发分物质分解完毕，气相火焰熄灭，此阶段燃烧速率会有波动，较未挤压处理而直接燃烧失重速率的波动大得多，图3中甚至出现失重较大的峰值(c段后部)。
当挥发分燃烧完后，此时燃料中的木质素已全部碳化，空气中的氧气充分接触到了焦炭，焦炭开始燃烧(D段)，燃烧反应速度加快，并出现第二次反应速度峰值，随后燃烧速度变慢。这是由于先燃烧产生的灰烬包裹着剩余焦炭，妨碍了氧气向焦炭表面的扩散，使燃烧速率减慢。燃烬时各生物质剩余量与成分分析中灰含量比较，玉米颗粒燃料剩余量为7.5%与含灰量7. 88%相似，而木屑颗粒燃料和混合木屑颗粒燃料的燃烬剩余量都远大于含灰量，基本上是含灰量的两倍。与文献中数据比较可知，经过成型工序处理的生物质颗粒燃料燃烧效率高，燃烬度高。因此颗粒燃烧性能优于柴薪。
几种生物质颗粒燃料虽然具有燃烧相似性，但着火点、燃烧速度和温度范围不同往往会对实际燃烧的相似性带来很大影响。
2.2生物质燃料的燃烧动力学分析
通常用活化能及频率因子两个参数描述燃料的燃烧特性，目前有关生物质及其致密成型颗粒燃料的燃烧过程还不完全清楚，很难准确计算出生物质燃料的活化能和频率因子，但进行一些近似计算获得相对值以进行比较也是很有意义的。
将TG曲线上的数据进行整理，可以得到所有温度对应的y，x。其中挥发分和焦炭的两个动力燃烧阶段(DT曲线的C、D范围)具有线性关系的分布趋势，可以分别进行直线拟合，由系数进而得到阶段对应的活化能和频率因子。根据实验结果绘制出In (A)对和相应的拟合直线列于图4、图5中，结果显示出试样燃烧过程中两阶段均有良好的直线关系。比较而言，玉米秸秆燃烧的两段拟合直线相关度最差R - 0.93左右。1由拟合直线的系数计算得到的活化能和频率因子见表2。
2.3热重分析仪中分析结果
通过分析和确定的热化学动力学参数，将三种成型生物质颗粒燃料在热重分析仪中的燃烧特点总结为表2。在挥发分析出和燃烧阶段，玉米秸秆具有较低的活化能，挥发分析出速率快，易达到着火浓度而点燃，着火点温度低(452K)。挥发分燃烧维持了较宽的温度范围，利于焦炭阶段燃烧和燃烬。术屑颗粒燃料在挥发分析出和燃烧阶段，具有较高的活化能，挥发分析出速率低，着火温度较高，燃烧速率较慢，直到650K燃烧完全；焦炭燃烧阶段，频率因子高，具有较高的燃烧速率，放出大量的热。因此有利于燃烧炉新加入颗粒燃料的预热和燃烧过程连续进行。混合木屑颗粒燃料挥发分析出速率更低，着火点更高，但频率因子高，燃烧速率较高，焦炭燃烧阶段与木屑相似。
3、颗粒燃料燃烧炉中的燃烧特性分析
颗粒燃料炉中的燃烧，较锅炉中燃烧容易调节，可调下料速度在10—100粒/min。燃用木屑颗粒燃料时，炉内温度迅速升高，火焰伸出炉膛ioo～2somm，炉膛出口烟温最高可达到920℃，可以满足炉具做饭的同时，满足热水器的洗浴热水和暖气片的供热要求，热水器输出热水温度可高达70～85℃。因生物质燃料的灰渣熔点在800—900℃之间，温度过高会导致炉膛内结渣而造成排灰孔堵塞，可调节风量和给料量，控制炉膛内温度；正常燃烧时，几乎没有冒黑烟现象。可观察到在炉膛内二次风口处，燃料挥发分可以充分燃烧，炉膛出口烟气c0含量测得为21uL/L左右；还存在一定的积灰问题，通过凸轮机械震动得以解决。
燃用玉米秸秆颗粒燃料时，能够达到同样的火焰长度，但是达不到同样的火焰温度以及清洁度，黑烟现象较严重，挥发分在二次风口不能完全燃烧。定时震动清出的灰中，尚有“黑心”，可见存在着较大的不完全燃烧气体和固体热损失。而燃用混合木屑颗粒燃料时，给粒速度较低，即仅保持暖气供热的“焖烧”状态时，能够达到近似于木屑颗粒燃料的燃烧效果，但是，大负荷供热，大给粒速度时，会出现冒黑烟、出口烟温低、局部炉排上燃料不能燃尽及积灰问题。这些与理论分析中的结果比较一致，燃用玉米秸秆和较大给粒量的混合木屑颗粒燃料时，挥发分析出和燃烧速率快，二次风的供应不能与之充分混合，且混合木屑颗粒燃料的挥发分较难燃烧（活化能大），造成气体不完全燃烧损失、黑烟和出炉烟温较低的现象；同时炉温低，热辐射能力小，使得焦炭燃烧不充分，剩余量更多，对空气与颗粒燃料内部焦炭的接触反应阻碍更大，造成灰渣里的黑心。因此挥发分的析出及其与空气间的扩散速度是影响炉温和燃烧效率的主导因素，通过一定的改良措施，如成型颗粒燃料中掺加一定比例的煤粉，使得秸秆和混合颗粒燃料具有与木屑颗粒燃料相似的挥发分析出和燃烧速率，达到一定炉温，从而改善焦炭燃烧，这是可行的，也是本研究下一步的工作。
4、结论与建议
1)比较了三种生物质颗粒燃料之间燃烧特性的异同，在燃烧过程每一阶段上失重速率不同，维持的温度范围不同，燃烬度亦不同。
2)分段确定了挥发分和焦炭燃烧阶段的动力学参数——活化能和频率因子，可推断木屑颗粒燃料燃烧性能优于玉米秸秆和混合木屑颗粒。
3)比较了三种生物质颗粒燃料与未经成型处理时的燃烧特征，结果表明：纤维素结构的改变使得生物质着火点低于未成型生物质燃料，燃烬度更高。
4)三种颗粒燃料在燃烧炉中的燃烧表现，说明了颗粒燃料的挥发分析出和燃烧速率是造成木屑颗粒燃烧炉不适应其它颗粒燃料的主要原因。
5)建议通过一定的改良措施，如成型颗粒燃料中掺加一定比例的煤粉来改变挥发分析出速率，从而改善燃烧炉的适应性，本研究下一步将对此开展工作，富通新能源生产销售木屑颗粒机、秸秆颗粒机等生物质燃料成型机械设备，同时我们还大量销售杨木木屑颗粒燃料。
