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生物質(zhì)燃燒機發(fā)展簡史

摘要：簡要敘述了生物質(zhì)燃燒機的發(fā)展歷史，以及相應的理論成果�？筛�深入地了解生物質(zhì)燃燒機的制作原理，以及促使其快速發(fā)展的客觀因素。

    然燒器從開始使用發(fā)展到現(xiàn)在的多樣化形式，走過了漫長的歷程。從早期熔爐和烤爐只裝配幾套空氣與燃氣開口的簡單燃燒方式，發(fā)展到本生發(fā)明的預混生物質(zhì)燃燒機及后來的噴嘴混合燃器和現(xiàn)在的特種生物質(zhì)燃燒機，生物質(zhì)燃燒機在理論及結構上都發(fā)生了深刻的變化，很大程度上促進了工業(yè)的發(fā)展。

1  早期生物質(zhì)燃燒機的發(fā)展

    19世紀中葉燃氣才被作為一種工業(yè)燃料而使用，那時使用的大多是由空氣或者蒸汽與煤、焦炭或者木炭反應制成的人工燃氣，燃氣的可燃組分是一氧化碳和氫氣，由于二氧化碳和氮氣的含量很高，燃氣的熱值比較低[2]。當時很少有設備被稱為生物質(zhì)燃燒機，熔爐和烤爐簡單裝配了幾套空氣與燃氣開口（圖1），而后兩股氣流在爐內(nèi)混合燃燒。這種燃燒方式的火焰太長、混合太慢，燃氣與空氣必須進行預熱否則很容易熄火。

    預混式生物質(zhì)燃燒機是*個為特定目的設計的生物質(zhì)燃燒機，它能追溯到100多年前本生發(fā)明的實驗室生物質(zhì)燃燒機，是今天預混式工業(yè)生物質(zhì)燃燒機的雛形。預混式生物質(zhì)燃燒機由頭部及混合器兩部分組成，混合器運用壓力混和燃氣和空氣，在噴嘴處找到穩(wěn)定點被點燃火焰并形成一定的火焰形狀。

    從事燃氣燃燒與輸配的研究和設計工作，

    本生設計的混和器是用燃氣射流來卷吸空氣形成預混，而后預混氣體通過噴嘴被點燃，這就是現(xiàn)在所說的大氣式生物質(zhì)燃燒機（圖2）。它只能預混理論空氣的40%左右，剩下的部分由噴嘴周圍區(qū)域供給。這種生物質(zhì)燃燒機主要用于有大量自由空氣的環(huán)境中。

    在有高壓燃氣供給的地方，生物質(zhì)燃燒機可以在完全預混的工況下工作。完全預混中的混合管與大氣式生物質(zhì)燃燒機中的文丘里管很相似，我們稱其為引射管（圖3）。高壓燃氣從噴嘴流出，依靠本身的能量吸入燃燒所需的全部空氣量，并在引射管內(nèi)進行混合，從而保證了較高的燃燒強度和燃燒溫度，這種生物質(zhì)燃燒機更適合于工業(yè)工藝。

    19世紀20年代早期出現(xiàn)了一種適用于低壓燃氣的比例式生物質(zhì)燃燒機（圖4）。它依照文丘里管的原理工作，就像一個引射器，不同之處在于它是空氣卷吸燃氣，即一定壓力下的空氣流過混和管的喉部產(chǎn)生吸力吸入燃氣。它使燃氣在大氣壓下供給，確保了燃氣與空氣的比例不會有太大波動。這種系統(tǒng)允許生物質(zhì)顆粒燃燒機在100%預混情況下工作，并且比犬氣式系統(tǒng)有著更好的靈活性，但需用風機驅動。

1.1  早期生物質(zhì)顆粒燃燒機的改進

    所有的生物質(zhì)顆粒燃燒機都有其獨特的特性曲線、流動范圍與燃氣空氣比例，在任何特性曲線外工作都會使生物質(zhì)顆粒燃燒機熄火。穩(wěn)定燃燒率是由燃料可燃性的極限定義的，比如空氣和天然氣的化學計量比大約是10：1，但是在5：1的富燃狀態(tài)到15：1的貧燃狀態(tài)范圍內(nèi)混合物就可能燃燒。這些性質(zhì)是由燃氣空氣混合物的化學物理性質(zhì)決定的。此外如果燃燒反應不能產(chǎn)生足夠的熱量以保持鏈反應進行，生物質(zhì)顆粒燃燒機將熄火。事實上，這些限制只能在嚴格控制的實驗室條件下才能得到。在現(xiàn)實的工業(yè)生產(chǎn)條件下，由于火焰的熱量被周圍的烤爐或熔爐吸收，這些限制變得更為嚴格。

    燃氣空氣混合物的流速對生物質(zhì)顆粒燃燒機的工作范圍也有影響。在低流速情況下，預混生物質(zhì)顆粒燃燒機有較廣泛的穩(wěn)定燃燒范圍。隨著燃燒負荷的增加，混和氣體穿過生物質(zhì)顆粒燃燒機的速度增加，此時容易出現(xiàn)離焰。為了保持火焰穩(wěn)定在生物質(zhì)顆粒燃燒機噴嘴處，將需要更多的熱量傳給后繼引入的燃氣空氣混合物，這就要求有更熱的火焰，并要求混合物的比例盡量接近化學計量比。在此情況下，生物質(zhì)顆粒燃燒機很難設置，極輕微的擾動都會使生物質(zhì)顆粒燃燒機熄火。在更高的流速下，氣體根本木能點燃，這就是我們定義的預混生物質(zhì)顆粒燃燒機的*大著火率。

    通過對混合物低速區(qū)的一體化設計可以改善生物質(zhì)顆粒燃燒機的工作范圍。通常為了使火焰穩(wěn)定，應當在局部地區(qū)保持氣流速度和火焰?zhèn)鞑ニ俣戎�間的平衡。隧道式生物質(zhì)顆粒燃燒機的噴嘴末端有一個突然的擴大，這樣提供了一個保護區(qū)，在保護區(qū)內(nèi)混合物以低速度循環(huán)燃燒，就像是混合物主流的點火環(huán)一樣（圖5）。

    輔助火焰型生物質(zhì)顆粒燃燒機依靠一圈小孔使部分混合氣沿噴嘴進入環(huán)形縫隙，在那里形成一圈穩(wěn)定的火焰，為通過中心的主體混合氣提供了可靠的點火環(huán)。

    線性紅外生物質(zhì)顆粒燃燒機有大量的小孔，其中一些火焰通過孔口周圍的凹緣來穩(wěn)定，其它的依靠反射屏反射火焰的熱量來穩(wěn)定。

1.2爐內(nèi)工況的改進

    使用稀薄空氣的烤爐可以從生物質(zhì)顆粒燃燒機周圍吸入空氣，冷卻小的熱點并攪拌爐內(nèi)空氣使其更為均勻(圖8);但當熔爐在更高溫度下工作時，*避免過熱的方法就是周期性的關閉生物質(zhì)顆粒燃燒機；有復合生物質(zhì)顆粒燃燒機的熔爐中的問題，是長時間在小著火率下工作，燃燒室內(nèi)的溫度極不均勻，燃燒器前方極熱而其它地方則很冷。對于有著大燃燒室的直燃烙爐的限制是，快速預混火焰太短且緊湊，不能在燃燒室內(nèi)均勻地投射熱量，這樣即使在高著火率下也有可能發(fā)生溫度的不一致性。增大生物質(zhì)顆粒燃燒機有助于這個問題的解決，但是就會出現(xiàn)回火問題。

    為了解決上述問題，設計者對烤爐、熔爐及生物質(zhì)顆粒燃燒機進行了大量不同工作區(qū)的模擬。在受溫度不均勻和微火情況下出力不足所困擾的復合生物質(zhì)顆粒燃燒機熔爐中，設計者在接近生物質(zhì)顆粒燃燒機的地方開了些小直徑的孔，助燃空氣經(jīng)小孔流入燃燒室形成發(fā)散冷卻的同時，還在燃燒室內(nèi)壁形成一層冷卻保護膜，防止熾熱煙氣對內(nèi)壁的破壞（圖9）。在需要更長更亮的火焰的地方，設計者有時采取額外燃氣或燃料油噴射，給火焰注入二次燃料(圖10)。但這個方法有許多缺點，它可能產(chǎn)生黑煙，高耗油率以及煙中存在大量一氧化碳、氧氣和其它一些可燃氣體。

2近代生物質(zhì)顆粒燃燒機的發(fā)展

    20世紀20年代早期，有幾款單機噴嘴混合生物質(zhì)顆粒燃燒機開始了商業(yè)銷售。大多數(shù)是相當簡單的，本質(zhì)上就是兩個同心管，一個走空氣，另一個走燃氣(圖11)。這兩股氣流保持分離狀態(tài)直到點火處，所以不會出現(xiàn)回火現(xiàn)象。除此以外，這種生物質(zhì)顆粒燃燒機與預混生物質(zhì)顆粒燃燒機在設計中沒有什么改進。在高著火率的條件下，火焰也不容易脫大，但混合比率的波動仍舊是有極限的，空氣與燃氣的速度一定要小心控制，以確保穩(wěn)定的火焰。

    此后，設計者們很快意識到，在燃氣與空氣出口處安裝一些火焰穩(wěn)定設備，如旋流葉片、圓盤或者突出物來輔助混合過程，有助于擴大著火范圍和混合比例范圍。對于擴展中的火焰，這些穩(wěn)定器同時也產(chǎn)生一些安全點來自我穩(wěn)定，這使得生物質(zhì)顆粒燃燒機的穩(wěn)定性大為改善。隨著時的推移，更多巧妙復雜的穩(wěn)定器被設計出來，生物質(zhì)顆粒燃燒機的特性曲線也得到了延展。它們可以達到比較高的著火率，并可以在比預混式生物質(zhì)顆粒燃燒機更寬泛的空燃比率下工作。

    二次*大戰(zhàn)和朝鮮戰(zhàn)爭促使新金屬與新材料得到發(fā)展，與此同時工業(yè)熱循環(huán)逐步被人們所認識。這就產(chǎn)生了使生物質(zhì)顆粒燃燒機要在比以前更寬泛的空燃氣比下工作的要求（特別是在空氣過剩的情況下）。通常通過控制氣流速度以及節(jié)流燃氣來滿足工藝溫度的需要，設計者們使燃器能在接近化學計量比和極貧工況下工作。分階段混合使生物質(zhì)顆粒燃燒機能在空燃氣比在50，100，200甚至更高的情況下工作。其基本理念就是控制燃氣與空氣的流速，這樣在任何地點空燃比都不會超出著火極限。圖12所示為現(xiàn)代噴嘴混合生物質(zhì)顆粒燃燒機，生物質(zhì)顆粒燃燒機的火焰穩(wěn)定器把一股氣流分散為幾股小氣流。當生物質(zhì)顆粒燃燒機在微火狀況下時，足有少量的燃氣穿過，火焰后退逐漸接近噴嘴，只有少量的空氣與燃氣接觸，此處的空燃比接近化學計量比，火焰是穩(wěn)定的。而燃燒產(chǎn)物在擴散過程中遇到了過量空氣，這樣燃燒產(chǎn)物與空氣混合可以把溫度降低到工藝需求值。如果熱負荷增大并且需要更高的溫度，控制系統(tǒng)就會增加燃氣的流量，隨著燃氣尋找足夠的空氣進行燃燒，火焰就會拉長，但在沿著氣流路徑所有的點上，實際與燃氣混合的空氣量并不超過理論空氣量。

3  當代生物質(zhì)顆粒燃燒機的發(fā)展

    隨著著火率與空燃比問題的解決，設計者們繼續(xù)迎接使火焰成形以適應特別工藝的挑戰(zhàn)。從20世紀20年代開始到50年代產(chǎn)生了許多有著高火焰穩(wěn)定性、寬泛的著火率和空燃比的生物質(zhì)顆粒燃燒機，通過控制燃氣及空氣的速度與方向，可以得到各種形狀的火焰，如平板型、碟型和長型與細鉛筆型(圖13)，生物質(zhì)顆粒燃燒機的多樣性使它們能適用于多種工藝。

    20世紀60年代開始出現(xiàn)了高速或者高動量生物質(zhì)顆粒燃燒機，這種生物質(zhì)顆粒燃燒機相當于在一個鼓風式生物質(zhì)顆粒燃燒機的出口處增設一個帶有煙氣噴嘴的燃燒室。燃氣和空氣在燃燒室內(nèi)進行強烈的混合和燃燒，完全燃燒的高溫煙氣以高流速噴進爐內(nèi)，與工件進行強烈的對流換熱。這種生物質(zhì)顆粒燃燒機的負荷可達2 330 kW，

    到了20世紀80年代，大部分工藝對生物質(zhì)顆粒燃燒機操作的靈活性和傳熱需要得到了滿足。生物質(zhì)顆粒燃燒機設計與發(fā)展的腳步好像要放慢了，但減少NOx的排放這一新的挑戰(zhàn)出現(xiàn)了，這是相當難的一個課題。許多高燃燒效率、低一氧化碳及烴類排放的生物質(zhì)顆粒燃燒機都會提高NOx的排放級別，在高溫應用需要下，預熱燃燒是一種流行的節(jié)能方法，但是它提高了火焰的溫度，而高溫火焰正是形成高NOx排放的主要因素。大多數(shù)NOx形成于火焰溫度達到峰值1 538℃～1 760℃的幾秒鐘里。如果溫度能控制在1 538℃以下，或者使達到峰值溫度以上的時間*短(圖14)，將會減少NOx的排放。

    目前國內(nèi)外已采用的多種新型低NOx生物質(zhì)顆粒燃燒機，其抑制原理大都是采用促進混合，分割火焰，煙氣再循環(huán)，階段燃燒，濃淡燃燒以及它們的組合形式。階段燃燒可以降低燃燒溫度，允許火焰有輻射熱損失�？諝夥侄紊�物質(zhì)顆粒燃燒機就是依照這個原理工作的。首先只有一部分空氣與燃氣接觸，形成了富燃低溫火焰，這種火焰允許燃氣在完成燃燒過程之前釋放部分熱量；燃料分段生物質(zhì)顆粒燃燒機則是燃氣流被分開，所以在生物質(zhì)顆粒燃燒機運行的早期是貧燃的，剩下的燃氣通過一個小的通道加入到火焰的下游，這時火焰已經(jīng)放出了部熱量并且降詆了溫度；此外在火焰達到*高燃燒溫度之前，向火焰內(nèi)注射一些熱阻性物質(zhì)（運用*廣泛的是冷的燃氣）也可以減少NOx的排放，這就是燃氣再循環(huán)技術。助燃空氣的低氧含量也可以降低火焰溫度，稱其為空氣損傷，這個技術通常采取煙氣與空氣的混合，使空氣的氧含量被稀釋到18%～19%。一些預混式生物質(zhì)顆粒燃燒機在此過程中獲得了新生，貧燃預混生物質(zhì)顆粒燃燒機在很接近貧燃穩(wěn)定極限的狀態(tài)下工作，形成了低NOx排放且相對冷的火焰[4]。

    紅外輻射生物質(zhì)顆粒燃燒機在接近正常比例或高火焰溫度情況下仍有著極低的NOx排放性能，它的火焰是燃燒的燃氣薄層，緊緊貼縛在生物質(zhì)顆粒燃燒機的表面，火焰中燃氣的停留時間很短，隨著火焰向外輻射能量使火焰迅速冷卻[5]。這種生物質(zhì)顆粒燃燒機不易回火且表面溫度較低，產(chǎn)生極少量的NOx。典型的有催化氧化紅外輻射生物質(zhì)顆粒燃燒機、多孔陶瓷板紅外輻射生物質(zhì)顆粒燃燒機和金屬纖維紅外輻射生物質(zhì)顆粒燃燒機。