达冠生物质燃烧机发展简史
生物质燃烧机发展简史摘要：简要叙述了生物质燃烧机的发展历史，以及相应的理论成果。可更深入地了解生物质燃烧机的制作原理，以及促使其快速发展的客观因素。然烧器从开始使用发展到现在的多样化形式，走过了漫长的历程。从早期熔炉和烤炉只装配几套空气与燃气开口的简单燃烧方式，发展到本生发明的预混生物质燃烧机及后来的喷嘴混合燃器和现在的特种生物质燃烧机，生物质燃烧机在理论及结构上都发生了深刻的变化，很大程度上促进了工业的发展。1 早期生物质燃烧机的发展19世纪中叶燃气才被作为一种工业燃料而使用，那时使用的大多是由空气或者蒸汽与煤、焦炭或者木炭反应制成的人工燃气，燃气的可燃组分是一氧化碳和氢气，由于二氧化碳和氮气的含量很高，燃气的热值比较低[2]。当时很少有设备被称为生物质燃烧机，熔炉和烤炉简单装配了几套空气与燃气开口（图1），而后两股气流在炉内混合燃烧。这种燃烧方式的火焰太长、混合太慢，燃气与空气必须进行预热否则很容易熄火。预混式生物质燃烧机是第一个为特定目的设计的生物质燃烧机，它能追溯到100多年前本生发明的实验室生物质燃烧机，是今天预混式工业生物质燃烧机的雏形。预混式生物质燃烧机由头部及混合器两部分组成，混合器运用压力混和燃气和空气，在喷嘴处找到稳定点被点燃火焰并形成一定的火焰形状。从事燃气燃烧与输配的研究和设计工作，本生设计的混和器是用燃气射流来卷吸空气形成预混，而后预混气体通过喷嘴被点燃，这就是现在所说的大气式生物质燃烧机（图2）。它只能预混理论空气的40%左右，剩下的部分由喷嘴周围区域供给。这种生物质燃烧机主要用于有大量自由空气的环境中。在有高压燃气供给的地方，生物质燃烧机可以在完全预混的工况下工作。完全预混中的混合管与大气式生物质燃烧机中的文丘里管很相似，我们称其为引射管（图3）。高压燃气从喷嘴流出，依靠本身的能量吸入燃烧所需的全部空气量，并在引射管内进行混合，从而保证了较高的燃烧强度和燃烧温度，这种生物质燃烧机更适合于工业工艺。19世纪20年代早期出现了一种适用于低压燃气的比例式生物质燃烧机（图4）。它依照文丘里管的原理工作，就像一个引射器，不同之处在于它是空气卷吸燃气，即一定压力下的空气流过混和管的喉部产生吸力吸入燃气。它使燃气在大气压下供给，确保了燃气与空气的比例不会有太大波动。这种系统允许生物质颗粒燃烧机在100%预混情况下工作，并且比犬气式系统有着更好的灵活性，但需用风机驱动。1.1 早期生物质颗粒燃烧机的改进所有的生物质颗粒燃烧机都有其独特的特性曲线、流动范围与燃气空气比例，在任何特性曲线外工作都会使生物质颗粒燃烧机熄火。稳定燃烧率是由燃料可燃性的极限定义的，比如空气和天然气的化学计量比大约是10：1，但是在5：1的富燃状态到15：1的贫燃状态范围内混合物就可能燃烧。这些性质是由燃气空气混合物的化学物理性质决定的。此外如果燃烧反应不能产生足够的热量以保持链反应进行，生物质颗粒燃烧机将熄火。事实上，这些限制只能在严格控制的实验室条件下才能得到。在现实的工业生产条件下，由于火焰的热量被周围的烤炉或熔炉吸收，这些限制变得更为严格。燃气空气混合物的流速对生物质颗粒燃烧机的工作范围也有影响。在低流速情况下，预混生物质颗粒燃烧机有较广泛的稳定燃烧范围。随着燃烧负荷的增加，混和气体穿过生物质颗粒燃烧机的速度增加，此时容易出现离焰。为了保持火焰稳定在生物质颗粒燃烧机喷嘴处，将需要更多的热量传给后继引入的燃气空气混合物，这就要求有更热的火焰，并要求混合物的比例尽量接近化学计量比。在此情况下，生物质颗粒燃烧机很难设置，极轻微的扰动都会使生物质颗粒燃烧机熄火。在更高的流速下，气体根本木能点燃，这就是我们定义的预混生物质颗粒燃烧机的*大着火率。通过对混合物低速区的一体化设计可以改善生物质颗粒燃烧机的工作范围。通常为了使火焰稳定，应当在局部地区保持气流速度和火焰传播速度之间的平衡。隧道式生物质颗粒燃烧机的喷嘴末端有一个突然的扩大，这样提供了一个保护区，在保护区内混合物以低速度循环燃烧，就像是混合物主流的点火环一样（图5）。辅助火焰型生物质颗粒燃烧机依靠一圈小孔使部分混合气沿喷嘴进入环形缝隙，在那里形成一圈稳定的火焰，为通过中心的主体混合气提供了可靠的点火环。线性红外生物质颗粒燃烧机有大量的小孔，其中一些火焰通过孔口周围的凹缘来稳定，其它的依靠反射屏反射火焰的热量来稳定。1.2炉内工况的改进使用稀薄空气的烤炉可以从生物质颗粒燃烧机周围吸入空气，冷却小的热点并搅拌炉内空气使其更为均匀(图8);但当熔炉在更高温度下工作时，*避免过热的方法就是周期性的关闭生物质颗粒燃烧机；有复合生物质颗粒燃烧机的熔炉中的问题，是长时间在小着火率下工作，燃烧室内的温度极不均匀，燃烧器前方极热而其它地方则很冷。对于有着大燃烧室的直燃烙炉的限制是，快速预混火焰太短且紧凑，不能在燃烧室内均匀地投射热量，这样即使在高着火率下也有可能发生温度的不一致性。增大生物质颗粒燃烧机有助于这个问题的解决，但是就会出现回火问题。为了解决上述问题，设计者对烤炉、熔炉及生物质颗粒燃烧机进行了大量不同工作区的模拟。在受温度不均匀和微火情况下出力不足所困扰的复合生物质颗粒燃烧机熔炉中，设计者在接近生物质颗粒燃烧机的地方开了些小直径的孔，助燃空气经小孔流入燃烧室形成发散冷却的同时，还在燃烧室内壁形成一层冷却保护膜，防止炽热烟气对内壁的破坏（图9）。在需要更长更亮的火焰的地方，设计者有时采取额外燃气或燃料油喷射，给火焰注入二次燃料(图10)。但这个方法有许多缺点，它可能产生黑烟，高耗油率以及烟中存在大量一氧化碳、氧气和其它一些可燃气体。2近代生物质颗粒燃烧机的发展20世纪20年代早期，有几款单机喷嘴混合生物质颗粒燃烧机开始了商业销售。大多数是相当简单的，本质上就是两个同心管，一个走空气，另一个走燃气(图11)。这两股气流保持分离状态直到点火处，所以不会出现回火现象。除此以外，这种生物质颗粒燃烧机与预混生物质颗粒燃烧机在设计中没有什么改进。在高着火率的条件下，火焰也不容易脱大，但混合比率的波动仍旧是有极限的，空气与燃气的速度一定要小心控制，以确保稳定的火焰。此后，设计者们很快意识到，在燃气与空气出口处安装一些火焰稳定设备，如旋流叶片、圆盘或者突出物来辅助混合过程，有助于扩大着火范围和混合比例范围。对于扩展中的火焰，这些稳定器同时也产生一些安全点来自我稳定，这使得生物质颗粒燃烧机的稳定性大为改善。随着时的推移，更多巧妙复杂的稳定器被设计出来，生物质颗粒燃烧机的特性曲线也得到了延展。它们可以达到比较高的着火率，并可以在比预混式生物质颗粒燃烧机更宽泛的空燃比率下工作。二次*大战和朝鲜战争促使新金属与新材料得到发展，与此同时工业热循环逐步被人们所认识。这就产生了使生物质颗粒燃烧机要在比以前更宽泛的空燃气比下工作的要求（特别是在空气过剩的情况下）。通常通过控制气流速度以及节流燃气来满足工艺温度的需要，设计者们使燃器能在接近化学计量比和极贫工况下工作。分阶段混合使生物质颗粒燃烧机能在空燃气比在50，100，200甚至更高的情况下工作。其基本理念就是控制燃气与空气的流速，这样在任何地点空燃比都不会超出着火极限。图12所示为现代喷嘴混合生物质颗粒燃烧机，生物质颗粒燃烧机的火焰稳定器把一股气流分散为几股小气流。当生物质颗粒燃烧机在微火状况下时，足有少量的燃气穿过，火焰后退逐渐接近喷嘴，只有少量的空气与燃气接触，此处的空燃比接近化学计量比，火焰是稳定的。而燃烧产物在扩散过程中遇到了过量空气，这样燃烧产物与空气混合可以把温度降低到工艺需求值。如果热负荷增大并且需要更高的温度，控制系统就会增加燃气的流量，随着燃气寻找足够的空气进行燃烧，火焰就会拉长，但在沿着气流路径所有的点上，实际与燃气混合的空气量并不超过理论空气量。3 当代生物质颗粒燃烧机的发展随着着火率与空燃比问题的解决，设计者们继续迎接使火焰成形以适应特别工艺的挑战。从20世纪20年代开始到50年代产生了许多有着高火焰稳定性、宽泛的着火率和空燃比的生物质颗粒燃烧机，通过控制燃气及空气的速度与方向，可以得到各种形状的火焰，如平板型、碟型和长型与细铅笔型(图13)，生物质颗粒燃烧机的多样性使它们能适用于多种工艺。20世纪60年代开始出现了高速或者高动量生物质颗粒燃烧机，这种生物质颗粒燃烧机相当于在一个鼓风式生物质颗粒燃烧机的出口处增设一个带有烟气喷嘴的燃烧室。燃气和空气在燃烧室内进行强烈的混合和燃烧，完全燃烧的高温烟气以高流速喷进炉内，与工件进行强烈的对流换热。这种生物质颗粒燃烧机的负荷可达2 330 kW，到了20世纪80年代，大部分工艺对生物质颗粒燃烧机操作的灵活性和传热需要得到了满足。生物质颗粒燃烧机设计与发展的脚步好像要放慢了，但减少NOx的排放这一新的挑战出现了，这是相当难的一个课题。许多高燃烧效率、低一氧化碳及烃类排放的生物质颗粒燃烧机都会提高NOx的排放级别，在高温应用需要下，预热燃烧是一种流行的节能方法，但是它提高了火焰的温度，而高温火焰正是形成高NOx排放的主要因素。大多数NOx形成于火焰温度达到峰值1 538℃～1 760℃的几秒钟里。如果温度能控制在1 538℃以下，或者使达到峰值温度以上的时间*短(图14)，将会减少NOx的排放。目前国内外已采用的多种新型低NOx生物质颗粒燃烧机，其抑制原理大都是采用促进混合，分割火焰，烟气再循环，阶段燃烧，浓淡燃烧以及它们的组合形式。阶段燃烧可以降低燃烧温度，允许火焰有辐射热损失。空气分段生物质颗粒燃烧机就是依照这个原理工作的。首先只有一部分空气与燃气接触，形成了富燃低温火焰，这种火焰允许燃气在完成燃烧过程之前释放部分热量；燃料分段生物质颗粒燃烧机则是燃气流被分开，所以在生物质颗粒燃烧机运行的早期是贫燃的，剩下的燃气通过一个小的通道加入到火焰的下游，这时火焰已经放出了部热量并且降诋了温度；此外在火焰达到*高燃烧温度之前，向火焰内注射一些热阻性物质（运用*广泛的是冷的燃气）也可以减少NOx的排放，这就是燃气再循环技术。助燃空气的低氧含量也可以降低火焰温度，称其为空气损伤，这个技术通常采取烟气与空气的混合，使空气的氧含量被稀释到18%～19%。一些预混式生物质颗粒燃烧机在此过程中获得了新生，贫燃预混生物质颗粒燃烧机在很接近贫燃稳定极限的状态下工作，形成了低NOx排放且相对冷的火焰[4]。红外辐射生物质颗粒燃烧机在接近正常比例或高火焰温度情况下仍有着极低的NOx排放性能，它的火焰是燃烧的燃气薄层，紧紧贴缚在生物质颗粒燃烧机的表面，火焰中燃气的停留时间很短，随着火焰向外辐射能量使火焰迅速冷却[5]。这种生物质颗粒燃烧机不易回火且表面温度较低，产生极少量的NOx。典型的有催化氧化红外辐射生物质颗粒燃烧机、多孔陶瓷板红外辐射生物质颗粒燃烧机和金属纤维红外辐射生物质颗粒燃烧机。
