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生物質燃燒機發展簡史

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

    然燒器從開始使用發展到現在的多樣化形式，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，發展到本生發明的預混生物質燃燒機及后來的噴嘴混合燃器和現在的特種生物質燃燒機，生物質燃燒機在理論及結構上都發生了深刻的變化，很大程度上促進了工業的發展。

1  早期生物質燃燒機的發展

    19世紀中葉燃氣才被作為一種工業燃料而使用，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。

    預混式生物質燃燒機是*個為特定目的設計的生物質燃燒機，它能追溯到100多年前本生發明的實驗室生物質燃燒機，是今天預混式工業生物質燃燒機的雛形。預混式生物質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，這就是現在所說的大氣式生物質燃燒機（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域供給。這種生物質燃燒機主要用于有大量自由空氣的環境中。

    在有高壓燃氣供給的地方，生物質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，這種生物質燃燒機更適合于工業工藝。

    19世紀20年代早期出現了一種適用于低壓燃氣的比例式生物質燃燒機（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。這種系統允許生物質顆粒燃燒機在100%預混情況下工作，并且比犬氣式系統有著更好的靈活性，但需用風機驅動。

1.1  早期生物質顆粒燃燒機的改進

    所有的生物質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顆粒燃燒機熄火。穩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的富燃狀態到15：1的貧燃狀態范圍內混合物就可能燃燒。這些性質是由燃氣空氣混合物的化學物理性質決定的。此外如果燃燒反應不能產生足夠的熱量以保持鏈反應進行，生物質顆粒燃燒機將熄火。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。在現實的工業生產條件下，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，預混生物質顆粒燃燒機有較廣泛的穩定燃燒范圍。隨著燃燒負荷的增加，混和氣體穿過生物質顆粒燃燒機的速度增加，此時容易出現離焰。為了保持火焰穩定在生物質顆粒燃燒機噴嘴處，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，生物質顆粒燃燒機很難設置，極輕微的擾動都會使生物質顆粒燃燒機熄火。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顆粒燃燒機的*大著火率。

    通過對混合物低速區的一體化設計可以改善生物質顆粒燃燒機的工作范圍。通常為了使火焰穩定，應當在局部地區保持氣流速度和火焰傳播速度之間的平衡。隧道式生物質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，在保護區內混合物以低速度循環燃燒，就像是混合物主流的點火環一樣（圖5）。

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

    線性紅外生物質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定，其它的依靠反射屏反射火焰的熱量來穩定。

1.2爐內工況的改進

    使用稀薄空氣的烤爐可以從生物質顆粒燃燒機周圍吸入空氣，冷卻小的熱點并攪拌爐內空氣使其更為均勻(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顆粒燃燒機；有復合生物質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，不能在燃燒室內均勻地投射熱量，這樣即使在高著火率下也有可能發生溫度的不一致性。增大生物質顆粒燃燒機有助于這個問題的解決，但是就會出現回火問題。

    為了解決上述問題，設計者對烤爐、熔爐及生物質顆粒燃燒機進行了大量不同工作區的模擬。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顆粒燃燒機熔爐中，設計者在接近生物質顆粒燃燒機的地方開了些小直徑的孔，助燃空氣經小孔流入燃燒室形成發散冷卻的同時，還在燃燒室內壁形成一層冷卻保護膜，防止熾熱煙氣對內壁的破壞（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近代生物質顆粒燃燒機的發展

    20世紀20年代早期，有幾款單機噴嘴混合生物質顆粒燃燒機開始了商業銷售。大多數是相當簡單的，本質上就是兩個同心管，一個走空氣，另一個走燃氣(圖11)。這兩股氣流保持分離狀態直到點火處，所以不會出現回火現象。除此以外，這種生物質顆粒燃燒機與預混生物質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，這些穩定器同時也產生一些安全點來自我穩定，這使得生物質顆粒燃燒機的穩定性大為改善。隨著時的推移，更多巧妙復雜的穩定器被設計出來，生物質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顆粒燃燒機更寬泛的空燃比率下工作。

    二次*大戰和朝鮮戰爭促使新金屬與新材料得到發展，與此同時工業熱循環逐步被人們所認識。這就產生了使生物質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所示為現代噴嘴混合生物質顆粒燃燒機，生物質顆粒燃燒機的火焰穩定器把一股氣流分散為幾股小氣流。當生物質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，火焰是穩定的。而燃燒產物在擴散過程中遇到了過量空氣，這樣燃燒產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  當代生物質顆粒燃燒機的發展

    隨著著火率與空燃比問題的解決，設計者們繼續迎接使火焰成形以適應特別工藝的挑戰。從20世紀20年代開始到50年代產生了許多有著高火焰穩定性、寬泛的著火率和空燃比的生物質顆粒燃燒機，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年代開始出現了高速或者高動量生物質顆粒燃燒機，這種生物質顆粒燃燒機相當于在一個鼓風式生物質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，與工件進行強烈的對流換熱。這種生物質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顆粒燃燒機操作的靈活性和傳熱需要得到了滿足。生物質顆粒燃燒機設計與發展的腳步好像要放慢了，但減少NOx的排放這一新的挑戰出現了，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。

    目前國內外已采用的多種新型低NOx生物質顆粒燃燒機，其抑制原理大都是采用促進混合，分割火焰，煙氣再循環，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。空氣分段生物質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；燃料分段生物質顆粒燃燒機則是燃氣流被分開，所以在生物質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，向火焰內注射一些熱阻性物質（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%。一些預混式生物質顆粒燃燒機在此過程中獲得了新生，貧燃預混生物質顆粒燃燒機在很接近貧燃穩定極限的狀態下工作，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]。這種生物質顆粒燃燒機不易回火且表面溫度較低，產生極少量的NOx。典型的有催化氧化紅外輻射生物質顆粒燃燒機、多孔陶瓷板紅外輻射生物質顆粒燃燒機和金屬纖維紅外輻射生物質顆粒燃燒機。