王帥超， 柳善建， 李永軍， 劉亞亞， 張凱真

（山東理工大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院， 山東 淄博 255000）

0 引言

農(nóng)林生物質(zhì)具有硫含量低、揮發(fā)分含量高、環(huán)?？稍偕葍?yōu)點(diǎn)，可用于綠色電力、清潔供暖等領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)規(guī)模化利用農(nóng)林廢棄物的目的，而且農(nóng)林生物質(zhì)具有與煤、天然氣、電力等能源相競(jìng)爭(zhēng)的價(jià)格優(yōu)勢(shì)[1]，[2]。國家《生物質(zhì)能發(fā)展“十三五”規(guī)劃》指出： 大力推進(jìn)生物質(zhì)鍋爐等技術(shù)在當(dāng)?shù)赜脩魝?cè)直接替代燃煤，實(shí)現(xiàn)到2020 年生物質(zhì)燃料年利用量達(dá)到3 000 萬t。

由于農(nóng)林生物質(zhì)種類繁多、燃燒特性差別大、含水率高（一般為15%～50%）、難以穩(wěn)定燃燒，當(dāng)農(nóng)林生物質(zhì)燃燒不充分時(shí)， 往往會(huì)產(chǎn)生較多的煙塵、CO、 揮發(fā)性有機(jī)化合物 （VOC） 和多環(huán)芳烴（PAHs），從而造成嚴(yán)重的環(huán)境污染[3]～[5]。 同時(shí)，農(nóng)林生物質(zhì)的氯元素和鉀、鈉、鎂等堿金屬元素的含量較高，當(dāng)爐內(nèi)燃燒溫度較高時(shí)，不僅會(huì)產(chǎn)生較多的NOx，也容易引起積灰、結(jié)渣和受熱面腐蝕等問題[6]～[8]。 隨著人們對(duì)環(huán)境污染問題的重視，國家及地方《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》要求生物質(zhì)燃燒設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)高效、低污染物、潔凈燃燒，而合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是生物質(zhì)燃燒設(shè)備能夠高效、 低污染物排放運(yùn)行的關(guān)鍵。 賈國海設(shè)計(jì)了一種生物質(zhì)顆粒回轉(zhuǎn)燃燒器，并基于Fluent 軟件研究了燃燒器冷態(tài)內(nèi)部流動(dòng)和壓力分布情況，研究結(jié)果表明：燃燒器內(nèi)部的氣體壓力、 速度和湍動(dòng)能隨著風(fēng)機(jī)引風(fēng)速度的增大逐漸增大； 風(fēng)機(jī)出口到回轉(zhuǎn)燃燒室間的氣體壓力、速度和湍動(dòng)能較大，并在二次風(fēng)口處達(dá)到最大值[9]。 程超對(duì)現(xiàn)有的一種生物質(zhì)壓塊燃料鍋爐進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析和數(shù)值模擬， 通過對(duì)鍋爐溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)和組分濃度場(chǎng)的分析，提出了鍋爐改造方案， 并得出改造后的鍋爐后拱高度不宜過高，后拱高度增加后會(huì)導(dǎo)致爐內(nèi)火焰中心上移，使?fàn)t膛煙氣出口溫度升高和容易結(jié)渣的結(jié)論[10]。

生物質(zhì)燃燒機(jī)是近年出現(xiàn)的一種以生物質(zhì)顆粒、木屑、木粉等為主要燃料的生物質(zhì)燃燒設(shè)備，主要為滿足冶金、化工、陶瓷、供暖等領(lǐng)域?qū)τ诹畠r(jià)熱源的需求，一般與鍋爐、換熱器等配合使用[11]。粉體生物質(zhì)燃料具有燃燒完全、 燃燒效率高等優(yōu)點(diǎn)。作者在前期研究的基礎(chǔ)上，提出了一種燃燒生物質(zhì)粉的束腰型燃燒機(jī)，以提供高溫火焰為目的，后續(xù)配合換熱器或鍋爐等設(shè)備使用。 本文基于Fluent 軟件研究了束腰型結(jié)構(gòu)傾角、 束腰口間距和過量空氣系數(shù)對(duì)束腰型生物質(zhì)粉燃燒機(jī)的爐內(nèi)溫度場(chǎng)、NO 濃度場(chǎng)、出火口的平均溫度、物質(zhì)平均質(zhì)量濃度、O2，CO2，NO 和CO 濃度等參數(shù)的影響， 最終得到了較優(yōu)的束腰型生物質(zhì)粉燃燒機(jī)結(jié)構(gòu)及運(yùn)行工況參數(shù)。

1 束腰型生物質(zhì)粉燃燒機(jī)的數(shù)學(xué)模型及邊界條件

1.1 束腰型生物質(zhì)粉燃燒機(jī)系統(tǒng)

束腰型生物質(zhì)粉燃燒機(jī)由喂料系統(tǒng)、 送風(fēng)系統(tǒng)、束腰型燃燒室、出火口、溫度檢測(cè)裝置、煙氣監(jiān)測(cè)裝置和管道等部件組成。 束腰型生物質(zhì)粉燃燒機(jī)的結(jié)構(gòu)原理如圖1 所示。由圖1 可知，喂料系統(tǒng)由第一級(jí)螺旋喂料和第二級(jí)送風(fēng)喂料裝置組成，第一級(jí)螺旋喂料在進(jìn)料電機(jī)的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)， 通過準(zhǔn)確控制電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)粉進(jìn)料量的控制，第二級(jí)送風(fēng)喂料則將落入的生物質(zhì)粉吹入燃燒室內(nèi)燃燒。 為防止第一級(jí)螺旋喂料管內(nèi)出現(xiàn)搭橋或返料的現(xiàn)象，在料倉上部加入送料風(fēng)，以平衡第二級(jí)送風(fēng)喂料系統(tǒng)的風(fēng)壓。

圖1 束腰型生物質(zhì)粉燃燒機(jī)的結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 Structural schematic diagram of thin waist type biomass powder combustion machine

束腰型生物質(zhì)粉燃燒機(jī)的束腰型結(jié)構(gòu)通過連接部件連接，可方便更換。燃燒機(jī)的出火口處安裝WRP-230S 型熱電偶， 采用抽風(fēng)方式利用紅外煙氣分析儀對(duì)尾氣中的CO，CO2，O2和NO 含量進(jìn)行檢測(cè)。為保證生物質(zhì)粉在燃燒室內(nèi)更好地燃燒，引入尾部煙氣對(duì)配風(fēng)進(jìn)行預(yù)熱。 束腰型生物質(zhì)粉燃燒機(jī)的基本參數(shù)見表1。

表1 束腰型生物質(zhì)粉燃燒機(jī)的基本參數(shù)Table 1 The parameters of thin waist type biomass powder combustion machine

1.2 束腰型生物質(zhì)粉燃燒機(jī)數(shù)學(xué)模型的建立

生物質(zhì)粉在燃燒室內(nèi)的燃燒過程十分復(fù)雜，包含多種物理化學(xué)反應(yīng)， 涉及氣固兩相傳熱傳質(zhì)問題[12]～[14]。 為簡(jiǎn)化分析，假設(shè)：

①一次風(fēng)將生物質(zhì)粉從入口均勻吹入束腰型燃燒機(jī)的燃燒室；

②爐壁絕熱保溫，為簡(jiǎn)化模型，只對(duì)爐排以上的束腰型燃燒機(jī)的燃燒室進(jìn)行模擬；

③不考慮生物質(zhì)粉在爐底因積存而產(chǎn)生的燃燒帶來的影響。

采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε 兩方程模型描述燃燒室內(nèi)的湍流氣相流動(dòng)，采用P-1 輻射模型模擬生物質(zhì)粉燃燒時(shí)的內(nèi)部輻射情況。 顆粒運(yùn)動(dòng)采用隨機(jī)軌道模型，揮發(fā)分析出采用兩步競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)模型，焦炭燃燒選擇動(dòng)力-擴(kuò)散控制燃燒模型。 建模過程中涉及的一些控制方程包括：

（1）質(zhì)量守恒方程

式中：t 為時(shí)間，s；ρ 為物質(zhì)密度，kg/m3；u，v，w 分別為速度矢量在坐標(biāo)軸x，y，z 方向上的分量，m/s。

（2）能量守恒方程

（3）兩步競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)模型

式中：av為揮發(fā)分析出的質(zhì)量，kg；a1，a2分別為揮發(fā)分在兩個(gè)反應(yīng)中所占的當(dāng)量百分比，%；ac為生物質(zhì)粉的質(zhì)量，kg；k1，k2均為揮發(fā)分競(jìng)爭(zhēng)析出速率常數(shù)。

（4）k-ε 兩方程模型

式中：μt為湍流粘性系數(shù)，Pa·s；μ 為動(dòng)力粘度系數(shù)，Pa·s；Ck為由于平均速度梯度引起的湍流動(dòng)能的產(chǎn)生項(xiàng)；Gb為由于浮力引起的湍動(dòng)能的產(chǎn)生項(xiàng)；YM為可壓湍流中脈動(dòng)擴(kuò)張的貢獻(xiàn)；Sk，Sε均為源項(xiàng)；C1ε，C2ε和C3ε均為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；σk，σε分別為k和ε 對(duì)應(yīng)的Prandtl 數(shù)，通常σk取1.0，σε取1.3；k為湍流動(dòng)能；ε 為湍流耗散率。

（5）P-1 輻射模型

式中：εw為壁面發(fā)射率；ρw為壁面反射率；Tw和Gw均為壁面處的物理量。

（6）動(dòng)力-擴(kuò)散控制燃燒模型

式中：mp為顆粒質(zhì)量，kg；dp為顆粒直徑，m；pox為顆粒周圍的氣相氧化劑分壓，Pa；D0為模型擴(kuò)散速率常數(shù)；R 為考慮焦炭的內(nèi)表面反應(yīng)及其擴(kuò)散的動(dòng)力學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)。

1.3 生物質(zhì)原料的物化分析

選擇楊木為原料，經(jīng)FY600 型木材切片機(jī)和93ZRG-680 型多功能粉碎機(jī)處理后， 篩選150～200 目的楊木粉備用， 楊木粉的平均粒徑為0.15 mm，堆積密度為700 kg/m3。 楊木粉的工業(yè)分析和元素分析見表2。

表2 楊木粉的工業(yè)分析和元素分析Table 2 Industrial analysis and elemental analysis of poplar power

1.4 風(fēng)速修正計(jì)算

空氣干燥基和收到基之間的換算系數(shù)為

式中：Mar為楊木粉收到基的含水量，%；Mad為楊木粉空氣干燥基的含水量，%。

1 kg 空氣干燥后楊木粉完全燃燒所需氧氣量為

由于對(duì)配風(fēng)進(jìn)行預(yù)熱，因此，根據(jù)克拉伯龍方程[15]，應(yīng)對(duì)風(fēng)速進(jìn)行修正：

式中：V0為理論 空氣量，m3/kg；α 為過量 空氣系數(shù)；Vk為實(shí)際空氣量，m3/kg； m˙為燃料的質(zhì)量流量，kg/s；βi為配風(fēng)所占份額；Ai為各風(fēng)口的面積，m2；Vi0為理論空氣量下未修正的風(fēng)速，m/s；T0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)溫度，K；Ti為各入口的實(shí)際溫度，K；Vi為修正后的實(shí)際風(fēng)速，m/s。

2 燃燒過程的模擬結(jié)果與分析

2.1 束腰型結(jié)構(gòu)傾角對(duì)燃燒效果的影響

為得到生物質(zhì)粉燃燒機(jī)較優(yōu)的束腰型結(jié)構(gòu)，研究不同的束腰型結(jié)構(gòu)傾角對(duì)于燃燒效果的影響， 并與相應(yīng)的直筒型燃燒機(jī)的燃燒性能進(jìn)行對(duì)比。所謂直筒型生物質(zhì)粉燃燒機(jī)，是指與束腰型生物質(zhì)粉燃燒機(jī)相比， 僅在是否存在束腰型結(jié)構(gòu)上存在差別，其喂料量、風(fēng)量、出火口位置等參數(shù)均相同。

根據(jù)式（10）～（13）計(jì)算得出，當(dāng)系統(tǒng)的實(shí)際空氣量為理論空氣量的1.1 倍時(shí)， 修正后的一次風(fēng)速度V1=12.3 m/s，此時(shí)不同傾角束腰型生物質(zhì)粉燃燒機(jī)與直筒型生物質(zhì)粉燃燒機(jī)爐內(nèi)溫度場(chǎng)的對(duì)比如圖2 所示。

圖2 傾角不同的束腰型生物質(zhì)粉燃燒機(jī)與直筒型生物質(zhì)粉燃燒機(jī)爐內(nèi)溫度場(chǎng)的對(duì)比Fig.2 The comparison of temperature field in the furnace of thin waist type biomass powder combustion machine with different θ and the straight cylinder type combustion machine

從圖2 可以看出： 由于直筒型生物質(zhì)粉燃燒機(jī)在爐內(nèi)沒有結(jié)構(gòu)阻礙， 且楊木粉的入口風(fēng)速較高，楊木粉進(jìn)入爐膛后會(huì)形成細(xì)窄的弧形分布燃燒火焰，并吹向?qū)ο虻臓t膛壁，容易從出火口噴出；束腰型生物質(zhì)粉燃燒機(jī)由于增加了束腰型結(jié)構(gòu)，楊木粉火焰氣流在行程中受到阻礙，增加了爐內(nèi)擾動(dòng)，使得部分未燃盡的燃料返回爐膛下部繼續(xù)燃燒，楊木粉在爐內(nèi)的行程變長(zhǎng)，釋放出更多的反應(yīng)熱，可以達(dá)到充分燃燒的效果，降低了出火口未燃盡可燃物的濃度；在束腰型生物質(zhì)粉燃燒機(jī)內(nèi)， 火焰中心未到達(dá)對(duì)向的爐膛壁即上升，火焰的高溫帶分布較寬，爐內(nèi)溫度分布相對(duì)較均勻。

NO 排放是評(píng)價(jià)鍋爐等燃燒設(shè)備性能的重要指標(biāo)，其生成途徑可分為燃料型、熱力型和快速型[16]。 NO 的生成與生物質(zhì)燃料的種類、進(jìn)口氧氣濃度、燃燒溫度、過量空氣系數(shù)等諸多因素相關(guān)[17]，[18]。 通過Fluent 軟件對(duì)生物質(zhì)粉燃燒機(jī)的爐內(nèi)NO 濃度分布進(jìn)行模擬分析， 生物質(zhì)粉燃燒機(jī)爐內(nèi)NO 濃度場(chǎng)的分布云圖如圖3 所示。 從圖3可以看出，燃燒火焰中心附近的NO 濃度最高，這是由于生物質(zhì)燃料的燃燒火焰中心溫度較高，燃料型NO 和熱力型NO 迅速大量產(chǎn)生[19]。在溫度較低的區(qū)域，NO 的生成量較少。

圖3 傾角不同的束腰型生物質(zhì)粉燃燒機(jī)與直筒型生物質(zhì)粉燃燒機(jī)爐內(nèi)NO 濃度場(chǎng)分布云圖Fig.3 NO concentration distribution of thin waist type biomass powder combustion machine with different θ and straight cylinder type combustion machine

表3 列出了傾角不同的束腰型生物質(zhì)粉燃燒機(jī)、 直筒型生物質(zhì)粉燃燒機(jī)出火口的平均溫度（T1）、物質(zhì)平均質(zhì)量濃度（D）以及CO，CO2，NO 和O2濃度（占煙氣的摩爾分?jǐn)?shù)）。

表3 相同入口條件下束腰型、直筒型生物質(zhì)粉燃燒機(jī)的出火口參數(shù)Table 3 The parameters of the outlet of thin waist type and straight cylinder type biomass combustion machine under the same inlet conditions

由表3 可知，在相同入口條件下，直筒型生物質(zhì)粉燃燒機(jī)出火口的CO 濃度和D 均遠(yuǎn)高于束腰型生物質(zhì)粉燃燒機(jī)，出火口的T1低于束腰型生物質(zhì)粉燃燒機(jī)， 兩種類型生物質(zhì)粉燃燒機(jī)出火口的O2濃度相差不大。 考慮到設(shè)計(jì)本燃燒機(jī)的主要目的是提供高溫火焰，因此，束腰型生物質(zhì)粉燃燒機(jī)的爐內(nèi)燃燒效果較好。當(dāng)θ 分別為15，30，45，60°時(shí)， 束腰型生物質(zhì)粉燃燒機(jī)出火口的NO 濃度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)； 當(dāng)θ 分別為30，45°時(shí)，束腰型生物質(zhì)粉燃燒機(jī)出火口的T1和NO 濃度均高于直筒型生物質(zhì)粉燃燒機(jī)； 當(dāng)θ 分別為15，60°時(shí)，束腰型生物質(zhì)粉燃燒機(jī)出火口的T1和NO 濃度與直筒型生物質(zhì)粉燃燒機(jī)相差不大。 由此可知，當(dāng)θ 分別為30，45°時(shí)，束腰型結(jié)構(gòu)對(duì)爐內(nèi)燃燒的影響較為明顯，造成爐內(nèi)燃燒溫度較高，從而產(chǎn)生較多的NO。

對(duì)比圖2 和表3 可知：當(dāng)θ=30°時(shí)，束腰型生物質(zhì)粉燃燒機(jī)出火口的D 以及CO 和NO 的濃度均低于θ=45°時(shí)， 而出火口的T1高于θ=45°時(shí)；當(dāng)θ=30，45°時(shí)，束腰型生物質(zhì)粉燃燒機(jī)出火口的CO2和O2的濃度相當(dāng)。 因此可以認(rèn)為，當(dāng)θ=30°時(shí)，束腰型生物質(zhì)粉燃燒機(jī)的燃燒效果更好。這是因?yàn)榕cθ=45°時(shí)相比，當(dāng)θ=30°時(shí)，燃料經(jīng)束腰型結(jié)構(gòu)的阻礙而返回爐膛下部燃燒的現(xiàn)象更為明顯，延長(zhǎng)了爐內(nèi)燃料燃燒的停留時(shí)間，爐內(nèi)溫度分布更為均勻，燃燒更加充分，這一點(diǎn)也可以從圖2（b），（c）看出。

2.2 燃燒機(jī)模擬結(jié)果可靠性驗(yàn)證

為檢驗(yàn)上述生物質(zhì)粉燃燒機(jī)燃燒模擬結(jié)果的可靠性， 將模擬結(jié)果與直筒型農(nóng)林生物質(zhì)燃燒機(jī)的實(shí)際測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。 在楊木粉喂料量為150 kg/h，實(shí)際空氣量為理論空氣量1.1 倍的工況下進(jìn)行燃燒試驗(yàn)， 并將直筒型生物質(zhì)粉燃燒機(jī)出火口的T1以及CO，CO2和O2濃度的試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果相對(duì)比，結(jié)果如表4 所示。由表4 可以看出，對(duì)于直筒型生物質(zhì)粉燃燒機(jī)而言，其出火口的T1以及CO，CO2和O2濃度的模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，相對(duì)誤差均在17%以內(nèi)，說明仿真結(jié)果可以接受。

表4 直筒型生物質(zhì)粉燃燒機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果的對(duì)比Table 4 Comparison of test results and simulation results of straight cylinder type biomass combustion machine

2.3 束腰口間距對(duì)燃燒效果的影響

束腰型燃燒機(jī)的束腰口尺寸會(huì)對(duì)爐內(nèi)燃燒產(chǎn)生較大的影響，為確定較優(yōu)的束腰型結(jié)構(gòu)，在一次風(fēng)速為12.3 m/s，未加入二次風(fēng)的工況下，研究束腰口間距（L）對(duì)束腰型生物質(zhì)粉燃燒機(jī)爐內(nèi)溫度場(chǎng)、NO 濃度場(chǎng)、出火口的T1，D 以及CO，CO2，NO，O2的濃度等參數(shù)的影響。 當(dāng)θ=30 °，L 分別為0.4，0.5，0.6，0.7 m 時(shí)， 束腰型生物質(zhì)粉燃燒機(jī)的爐內(nèi)溫度場(chǎng)云圖如圖4 所示。從圖4 可以看出，當(dāng)L=0.4，0.5，0.6 m 時(shí)，束腰型生物質(zhì)粉燃燒機(jī)爐內(nèi)的高溫區(qū)域分布較寬，當(dāng)L=0.7 m 時(shí)，右側(cè)的高溫區(qū)域相對(duì)較窄，這是因?yàn)長(zhǎng) 越大，爐內(nèi)燃燒、流動(dòng)傳熱情況越接近于直筒型燃燒機(jī)， 火焰受束腰型結(jié)構(gòu)的影響越小， 楊木粉火焰易吹向右側(cè)爐壁且吹出爐膛外，因此，在爐膛左側(cè)區(qū)域形成較大低溫區(qū)域。 同時(shí)，與L=0.5，0.6 m 時(shí)相比，當(dāng)L=0.4 m時(shí)，爐膛中下部也會(huì)形成較大的低溫區(qū)，這是因?yàn)橐淮物L(fēng)速較高且溫度較低， 在束腰型結(jié)構(gòu)的影響下，一次風(fēng)回流會(huì)導(dǎo)致左側(cè)區(qū)域溫度變低。

圖4 束腰口間距不同的束腰型生物質(zhì)粉燃燒機(jī)爐內(nèi)溫度場(chǎng)云圖Fig.4 The distribution of temperature in the furnace of thin waist type biomass powder combustion machine under different thin waist mouth diameter

當(dāng)θ=30°，L 分別為0.4，0.5，0.6，0.7 m 時(shí)，束腰型生物質(zhì)粉燃燒機(jī)爐內(nèi)NO 濃度場(chǎng)云圖如圖5所示。 當(dāng)θ=30°，L 分別為0.4，0.5，0.6，0.7 m 時(shí)，束腰型生物質(zhì)粉燃燒機(jī)出火口的T1和D 以及CO，CO2，NO 和O2濃度見表5。

圖5 束腰口間距不同的束腰型生物質(zhì)粉燃燒機(jī)的爐內(nèi)NO 濃度場(chǎng)云圖Fig.5 NO concentration field of thin waist type biomass powder combustion machine with different thin waist mouth diameter

結(jié)合圖5 和表5 可知，當(dāng)L=0.4，0.5，0.6，0.7 m時(shí)，束腰型生物質(zhì)粉燃燒機(jī)出火口的CO2和O2濃度及D 相差不大。 但是，隨著L 的增大，T1呈現(xiàn)出先升高后降低的變化趨勢(shì)， 并在L=0.6 m 時(shí)達(dá)到最大， 最大值為1 197 K；CO 濃度呈現(xiàn)出不斷增大的變化趨勢(shì)，NO 濃度呈現(xiàn)出先降低后升高再降低的變化趨勢(shì)。 這是因?yàn)椋?dāng)L=0.7 m 時(shí)，束腰型結(jié)構(gòu)對(duì)于爐內(nèi)的燃燒影響較小， 趨于直筒型燃燒機(jī)的燃燒方式，因此出現(xiàn)出火口的T1和NO 濃度變低，CO 濃度變高的現(xiàn)象。 另外，值得注意的是，當(dāng)束腰口間距（L=0.4 m）較小時(shí)，出火口的CO濃度較低，但NO 濃度較高。 因此，經(jīng)過綜合考慮可知，當(dāng)L=0.5 m 時(shí)，束腰型生物質(zhì)粉燃燒機(jī)的燃燒特性較優(yōu)。

表5 束腰口間距不同的束腰型生物質(zhì)粉燃燒機(jī)出火口參數(shù)的對(duì)比Table 5 Comparison of the outlet parameters of thin waist type biomass powder combustion machine with different thin waist mouth diameter

2.4 不同過量空氣系數(shù)對(duì)燃燒效果的影響

為研究不同空氣過量系數(shù)對(duì)束腰型生物質(zhì)粉燃燒機(jī)燃燒效果的影響，在θ=30°，L=0.5 m，喂料量為150 kg/h，未加入二次風(fēng)的工況下，研究過量空氣系數(shù)（分別為1.1，1.2 和1.3）對(duì)束腰型生物質(zhì)粉燃燒機(jī)燃燒效果的影響。 在不同過量空氣系數(shù)下束腰型生物質(zhì)粉燃燒機(jī)爐內(nèi)溫度場(chǎng)云圖如圖6所示。

圖6 不同空氣系數(shù)下束腰型生物質(zhì)粉燃燒機(jī)爐內(nèi)溫度場(chǎng)云圖Fig.6 Temperature field of thin waist type biomass powder combustion machine under different air coefficients

圖7 為不同過量空氣系數(shù)下束腰型生物質(zhì)粉燃燒機(jī)爐內(nèi)NO 濃度場(chǎng)云圖。 表6 列出了不同過量空氣系數(shù)下束腰型生物質(zhì)粉燃燒機(jī)出火口的T1和D 以及CO，CO2，NO 和O2濃度。

圖7 不同空氣系數(shù)下束腰型生物質(zhì)粉燃燒機(jī)爐內(nèi)NO 濃度場(chǎng)云圖Fig.7 NO concentration of thin waist type biomass powder combustion machine with different air coefficients

表6 不同過量空氣系數(shù)下束腰型生物質(zhì)粉燃燒機(jī)的出火口參數(shù)對(duì)比Table 6 Comparison of the outlet parameters of thin waist type biomass powder combustion machine with different air coefficients

結(jié)合圖6，7 和表6 可知， 隨著過量空氣系數(shù)的增大，束腰型生物質(zhì)粉燃燒機(jī)出火口的T1以及CO，CO2和NO 濃度顯著減小，D 和O2濃度有所增大。 這是因?yàn)檫M(jìn)口帶入大量空氣導(dǎo)致入口風(fēng)速增加，燃料在爐膛內(nèi)停留時(shí)間減少，從而導(dǎo)致出火口的T1以及CO，CO2和NO 濃度的顯著減小。 對(duì)比圖6 和表6 可知，當(dāng)過量空氣系數(shù)為1.2 時(shí)，盡管出火口的T1略低于過量空氣系數(shù)為1.1 時(shí)，但出火口的CO，CO2和NO 濃度較低， 更符合環(huán)保要求。當(dāng)過量空氣系數(shù)為1.3 時(shí)，由于進(jìn)風(fēng)量的進(jìn)一步提高， 會(huì)使得出火口的CO，CO2和NO 濃度達(dá)到一個(gè)較低值，但出火口的T1較低，會(huì)限制后續(xù)換熱器及鍋爐等設(shè)備對(duì)高溫?zé)嵩吹囊螅?使得束腰型生物質(zhì)粉燃燒機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)合變窄；此外，在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)過量空氣系數(shù)為1.3 時(shí)，由于風(fēng)速較高會(huì)造成燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象， 過量空氣系數(shù)越高，由此產(chǎn)生的風(fēng)速越高，導(dǎo)致大量灰分及未燃盡生物質(zhì)被吹出爐膛，造成出火口的D 增大。 因此，當(dāng)過量空氣系數(shù)為1.2 時(shí)，束腰型生物質(zhì)粉燃燒機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)均較好。

3 結(jié)論

①與直筒型生物質(zhì)粉燃燒機(jī)相比， 束腰型生物質(zhì)粉燃燒機(jī)出火口的D 和CO 濃度均較低；當(dāng)θ 分別為15，30，45，60°時(shí)，束腰型生物質(zhì)粉燃燒機(jī)出火口的CO 濃度僅為直筒型生物質(zhì)粉燃燒機(jī)的5%，2.6%，2.8%，1.6%；當(dāng)θ=30，45°時(shí)，束腰型結(jié)構(gòu)對(duì)爐內(nèi)燃燒的影響較為明顯， 造成爐內(nèi)燃燒溫度較高。

②當(dāng)L=0.4，0.5，0.6，0.7 m 時(shí)，束腰型生物質(zhì)粉燃燒機(jī)出火口的CO2和O2濃度及D 相差不大，但是，隨著L 的增大，T1呈現(xiàn)出先升高后降低的變化趨勢(shì)。

③隨著過量空氣系數(shù)的增大，出火口的T1以及CO，CO2和NO 濃度顯著減小，D 和O2濃度有所增大。

④通過對(duì)比θ，L 和過量空氣系數(shù)對(duì)束腰型生物質(zhì)粉燃燒機(jī)燃燒效果的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)θ=30°，L=0.5 m，過量空氣系數(shù)為1.2 時(shí)，束腰型生物質(zhì)粉燃燒機(jī)的燃燒效果較好。