1.2.6生物质固化成型燃料的基本特性
生物质固化成型
颗粒燃料中易燃部分主要是纤维素、半纤维素、木质素。燃烧时纤维素、半纤维素和木质素首先放出挥发分物质，最后转变成碳。几种典型的生物质组成成分见表1.1。
试验研究发现生物质挥发物的燃烧效率比炭化物质快。燃料着火前为吸热反应；到着火温度以后，生成气相燃烧火焰和固相表面燃烧的光辉火焰，为放热反应。具体的燃烧性能见表1.2。部分生物质燃烧特性曲线如图1-1、图1-2所示。
1.2.7生物质燃料相应炉具的开发
高效燃烧器具（或灶具）的利用可以明显提高燃烧效率，是有效利用生物质燃料的关键。
有关高效燃烧器具的研究，瑞典、挪威、新西兰、澳大利亚、德国等国做的较早。我国各地政府相继出台了扶植政策，在农村加大了推广农村户用高效低排放生物质炉具的力度。
但在生物质“热”的今天户用生物质炉具仅仅是起步阶段，市场上就出现了大量的假冒伪劣炉具，造成了资源的大量浪费。有人打着汽化炉的幌子，吧汽化炉吹的神乎其神，对很多人产生了误导。
户用汽化炉存在着许多显著的缺点；和灶具直接相连，产生的可燃气没有经过任何处理，因而灶具连接管及汽化炉都有焦油渗出，卫生条件很差，且易堵塞管道和灶具；由于户用汽化炉比较小，汽化条件不易控制，产生气体中的可燃气成分质量不稳，并且不连续，影响燃用甚至有安全问题；特别是新炉子，或者是隔了一段时间为使用的炉子，从点火到产气需要一定的起火时间，增加了劳动时间，而这段时间内烟气污染物排放很高；更重要的问题是含焦油的水无序排放，用户随意泼洒在土地或水沟中，对土地和地下水造成污染；早燃烧过程中，厨房弥漫着大量秸秆的气味，其中含有大量的有害气体成分，特别是一氧化碳大量超标，对人体会造成极大地损害。
用户对生物质炉具要求性能稳定、点火容易、操作简便、安全可靠、燃料适应性强、炉具价格要物有所值，并有3年以上的使用寿命，前提条件是一定要达到高效低排放。
目前户用生物质炉具多为半汽化炉，生物质燃料在炉膛内燃烧，并进行合理配风，伴有汽化成分，叫生物质半汽化炉，如图1-3示，但性能差别很大，达到下列指标的就属于高效低捧放汽化炉。
炊事炉：>35%
炊事采暖炉：>60%，
采暖炉：>65%
烟尘排放浓度：<50 mg/m3
S02排放浓度：<30mg/m3
NOx排放浓度：<150 mg/m3
CO排放浓度：<0.2%
1.3生物质成型燃料的燃烧理论
开展生物质半气化炉点火方法研究首先必须要了解生物质成型燃料的燃烧理论，然后，在此理论的指导下，针对生物质成型燃料和生物质半气化炉的燃烧特性和结构特点，才能有效地进行助燃剂的开发和点火技术的研究。
1. 3.1生物质成型燃料点火过程和特性分析
(l)点火过程
生物质成型燃料的点火过程是指生物质成型燃料与氧分子接触、混合后，从开始反应，到温度升高至激烈的燃烧反应前的一段过程。实现生物质成型燃料的点火必须满足：生物质成型燃料表面析出一定浓度的挥发物，挥发物周围要有适量的空气，并且具有足够高的温度。生物质成型燃料的点火过程是：
①在热源的作用下，水分被逐渐蒸发逸出生物质成型燃料表面；
②随后生物质成型燃料表面层燃料颗粒中有机质开始分解，在其过程中有一部分挥发性可燃气态物质分解析出；
③局部表面达到一定浓度的挥发物遇到适量的空气并达到一定温度，便开始局部着火燃烧；
④随后点火面渐渐扩大，同时也有其它局部表面不断点火；
⑤点火面迅速扩大为生物质成型燃料的整体火焰出现；
⑥点火区域逐渐深入到生物质成型燃料内部一定深度，完成整个稳定点火过程。点火过程如图1-4表示。
(2)影响点火的因素
点火温度；生物质种类；外界的空气条件；生物质成型密度；生物质成型燃料含水率；生物质成型燃料几何尺寸等。
(3)点火特性
生物质成型燃料一般是高挥发分的生物质在一定温度下挤压而成。在高压成型的生物质燃料中，其组织结构限定了挥发分由内向外的析出速度及热量由外向内的传递速度减慢，且点火所需的氧气比原生物质有所减少，因此生物质成型燃料的点火性能比原生物质有所降低，但远远高于型煤的点火性能。从总体趋势分析，生物质成型燃料的点火特性更趋于生物质点火特性。
1.3.2生物质成型燃料燃烧理论分析
(1)生物质成型燃料燃烧机理
生物质成型燃料燃烧机理属于静态渗透式扩散燃烧，燃烧过程就从着火后开始。
①生物质成型燃料表面可燃挥发物燃烧，进行可燃气体和氧气的放热化学反应，形成火焰；
②除了生物质成型燃料表面部分可燃挥发物燃烧外，成型燃料表层部分的碳处于过渡燃烧区，形成较长火焰.
③生物质成型燃料表面仍有较少的挥发分燃烧，更主要的是燃烧向成型燃料更深层渗透。焦碳的扩散燃烧，燃烧产物C02，co及其它气体向外扩散，行进中c0不断与02结合成C02，成型燃料表层生成薄灰壳，外层包围着火焰；
④生物质成型燃料进一步向更深层发展，在层内主要进行碳燃烧(即C +02→CO)，在球表面进行一氧化碳的燃烧(即CO+O2→C02)，形成比较厚的灰壳，由于生物质的燃尽和热膨胀，灰层中呈现微孔组织或空隙通道甚至裂缝，较少的短火焰包围着成型块；
⑤燃尽壳不断加厚，可燃物基本燃尽，在没有强烈干扰的情况下，形成整体的灰球，灰球表面几乎看不出火焰，灰球会变暗红色，至此完成了生物质成型燃料的整个燃烧过程，燃烧过程图1-5表示。
(2)生物质成型燃料燃烧速度的影响因素
生物质成型燃料燃烧速度常用烧失量来表示：
①生物质成型燃料烧失量(△m):在一定时间内，生物质成型燃料燃烧的
在式(1，2)中：mi为在tl时刻生物质成型燃料质量(g);m2为在t2时刻生物质成型燃料质量(g)；tl为生物质成型燃料的开始燃烧时刻(min); t2为生物质成型燃料的燃烧终止时刻( min)；
根据生物质成型燃料燃烧动力学分析，影响生物质成型燃料速度的主要因素有：生物质种类，生物质的含水率，生物质成型燃料密度，生物质成型燃料的几何尺寸，生物质成型燃料燃烧温度，燃烧时的通风条件等。
(3)生物质成型燃料燃烧特性
①生物质燃料特性
表1-3为六种主要生物质的工业分析，元素分析、发热量的数值：由表1-3可看出，生物质的挥发分远高于煤，灰分和含碳量远小于煤，其热值小于煤，生物质这种燃料特点就决定了它的燃烧具有一定的特征。
②原生物质燃烧特性
原生物质特别是秸杆类生物质密度小，体积大，其挥发分高达60%～70%之间，点火温度低，易点火。同时热分解的温度又比较低，一般在350℃就释放出80%左右的挥发分，燃烧速度快，燃烧开始不久迅速由动力区进入扩散区，挥发分在短时期内迅速燃烧，放热量剧增，在传统燃烧设备中，高温烟气来不及传热就由烟囱排出，因此造成大量的排烟热损失。另一方面，挥发分剧烈燃烧所需要的氧量远远大于外界扩散所供应的氧量，使供氧明显不足，较多的挥发分不能燃尽，形成大量CO、H2、CH4等产物，产生大量的气体不完全燃烧损失。
当挥发分燃烧完毕，进入焦炭燃烧阶段时，由于生物质焦炭的结构为构散状，气流的扰动就可使其解体悬浮起来，脱离燃烧层，迅速进入炉膛的上方空间，经过烟道而进入烟囱，形成大量的固体不完全燃烧热损失。此时燃烧层剩下的焦炭量很少，不能形成燃烧中心，使得燃烧后劲不足。这时如不严格控制进入空气量，将使空气大量过剩，不但降低炉温，而且增加排烟热损失。总之，生物质燃烧的速度忽快忽慢，燃烧所需的氧量与外界的供氧极不匹配，呈波浪式燃烧，燃烧过程不稳定。
⑨生物质成型燃料燃烧特性
由于生物质成型燃料是经过高压而形成的块状燃料，其密度远远大于原生物质，其结构与组织特征就决定了挥发分的逸出速度与传热速度都大大降低。点火温度有所升高，点火性能变差，但比型煤的点火性能要好，从点火性能考虑，仍不失生物质点火特性。燃烧开始时挥发分慢慢分解，燃烧处于动力区，随着挥发分燃烧逐渐进入过渡区与扩散区，燃烧速度适中，能够使挥发分放出的热量及时传递给受热面，使排烟热损失降低。同时挥发分燃烧所需的氧与外界扩散的氧很好的匹配，挥发分能够燃尽，又不过多的加入空气，炉温逐渐升高，减少了大量的气体不完全燃烧损失与排烟热损失。
挥发分燃烧后，剩余的焦炭骨架结构紧密，像型煤焦炭骨架一样，运动的气流不能使骨架解体悬浮，使骨架炭能保持层状燃烧，能够形成层状燃烧核心。这时炭的燃烧所需要的氧与静态渗透扩散的氧相当，燃烧稳定持续，炉温较高，从而减少了固体与排烟热损失。在燃烧过程中可以清楚地看到炭的燃烧过程，蓝色火焰包裹着明亮的炭块，燃烧时间明显延长。
总之，生物质成型燃料燃烧速度均匀适中，燃烧所需的氧量与外界渗透扩散的氧量能够较好的匹配，燃烧波浪减小，燃烧相对稳定。
1.4生物质成型压块点火助燃剂
目前还没有对生物质成型压块点火助燃剂的研究和报道，已有的煤用增燃剂、助燃剂、型煤粘结剂以及火锅煤球、易燃炭球等都只适用于煤的增燃和助燃。由于压缩成型前的玉米秸等生物质原料（被粉碎的）疏松质轻，不能和煤用增燃剂、助燃剂和粘结剂（坚硬固体）均匀掺和到一起，更重要的是在生物质原料压缩成型过程中成型机模具和物料都会产生较高的温度，如果在压缩成型过程中加入助燃剂将会在压制过程中引起火灾。在市场购买的易燃煤球和炭球也不能将成型燃料很好的引燃。因此，急需要研制适合于生物质固化成型燃料点火的专用引火助燃剂，用于解决普遍存在的成型燃料点火难问题。
1.5本文研究的主要内容
本课题来源是北京市科委。生物质半气化炉的推广对改善农民生活质量、减少秸秆的焚烧和环境污染等起到了积极的作用。但是，在推广过程中，由于生物质成型燃料与气化炉具没能形成良好的链接，农民在使用过程中存在点火难和使用不方便的问题，导致炉具使用率较低，严重影响了生物质成型技术的进一步推广。能否让农民方便快捷的将成型燃料迅速点燃是生物质半气化炉能否顺利推广的关键所在。
本文针对以上问题，主要进行一下三个方面的研究：
(1)助燃剂的研制；
(2)点火影响因素的研究；
(3)点火方法的研究。
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