1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

一、课题研究的背景

1、研究背景

随着我国经济的迅速发展，我国对基础工业设施的需求量越来越大，同样，作为工业食粮等基础能源的需求量也愈发增多。据《石油情报周刊》显示，中国三家石油公司（中石化，中石油，中海油）在2009年至2013年的时间里，净买入外国石油资产达1041亿美元。作为对比，同时期美国最大的三家石油公司对外国石油资产的净收入额只有90亿美元。虽然我国是一个产煤大国，我国可以利用煤炭这种化石燃料代替石油在工业中的地位，但到2050年，我国将面临着前所未有的石油危机,全球可用的石油分配比例如图1-1所示，当前我国对煤炭供不应求，这仅靠传统能源产业是根本无法解决的，我国作为一个农业大国，生物质能资源丰富，若将这些生物质能得不到很好的利用，不仅不能成为服务于国家经济建设和提高人民生活水平的财富，而且加剧大气污染，造成环境破坏。因此，在我国开发生物质能具有巨大的潜力 。

图1-1 预计到2050年全球石油分配格局

从环境效益方面考虑，生物质能属于清洁能源，有助于实现CO 的零排放。生物质能源生产和利用过程CO的有害物含量仅为一般煤炭燃烧排放的10%左右，同时，生物质能源生产和利用过程CO可纳入自然界的碳循环，是CO减排和维持生态平衡的最优途径。

生物质与其他常规化石能源相比具有以下特点：

（1）生物质在开发利用中所排放的CO即是植物生长所吸收的CO，所以生物排放是CO零排放的清洁能源资源，提供能源的同时不会增加对自然界多余CO的排放；

（2）生物质成分中的硫、灰分含量相对其他的化石能源很少，在对其能量的利用转化过程中减少硫、氮有害化合物和粉尘的排放；

（3）生物质成分中的可燃挥发份含量较大，能够有效提高生物质的着火和燃烧效率；

（4）因其水分含量较大，生物质着火和燃烧稳定性相对较差，同时在燃烧过程中也会造成一定的能量损失；

（5）生物质的燃烧低位热值低，单燃烧时，不易实现碳的完全转化，出现了燃烧不充分现象，因此混合燃烧时，生物质燃料的含量一般不超20%，为了提高其转化率，必须增加了其能量转化过程中设备的空间和结构复杂性；

（6）生物质是可再生能源，原料具有分布广，成本低和多样性等特点，资源开发潜力较大。

随着现代化的科技水平逐步提高，人们对于清洁能源的开发和利用变得更加成熟、高效。由于国外的生物质燃料都是木质燃料，与之配套的燃烧器没有清渣装置。而中国的生物质成型燃料一农作物为主，灰分较高，燃烧过程中容易结渣，碱金属以及氯腐蚀、设备内积灰严重，因此，中国生物质燃烧器增加清渣装置，并提升生物质燃烧效率，以此来达到提高生物质燃烧机优化设计。

生物质能源座作为世界上第四大能源，占全球能源总消耗量的14%左右，我国生物质能源比较丰富，主要包括秸秆，薪柴和粪便等。每年的生物质能源总量折合成标准煤约3.5亿吨。这么丰富物质资源高效的利用，以生物质燃烧机设计理论的探索为指导，提高燃烧机的利用效率，丰富生物质能源的应用，对缓解我国的化石能源有重要意义。

另外，在合理利用的情况下，生物质能源对环境的污染问题。部分煤种和生物质成分对照见表1-1^[8]

表1-1 煤与生物质成分分析对照

同样，以北美和欧洲发达国家为例，美国各种形式的生物质能源占到可再生能源的45%，装机容量达7000MW，到2010年，生物质能发电将达到13000MW装机容量，欧盟生物质能源约占总能源消耗的4%，2025年后预计可达15%丹麦主要利用秸秆发电，使可再生能源占全国能源消费总量的24%^[9]，瑞典也十分重视生物质能的开发和利用技术，生物质能的利用已占到全国总能耗的16.1%，达到55亿kWh^[10]。生物质能的研究开发已成为世界热门课题之一，得到各国政府和科学家的普遍关注。图2给出生物质能综合利用方案^[11]。可以预计，未来二三十年内，生物质能最有可能成为21世纪主要的新能源之一。

图2 生物质能源综合利用示意图

一、研究现状

1、燃烧机的发展

目前很多关于生物质燃耗利用率的研究都是依托燃烧机开展的。生物质燃料是利用秸秆，薪柴，植物果壳等农林废弃物，经过粉碎#8212;#8212;混合#8212;#8212;挤压#8212;#8212;烘干等一系列工艺制作而成，生物质燃料经挤压成型热值与中质煤相当。随着生物质能利用的升温，生物质燃料在工业锅炉上的应用也相当广泛，促进了生物质燃料设备研究的发展。

对于生物质燃烧机的品牌、规格众多，但其结构原理基本相同于燃油燃气燃烧机。其自动上料系统、燃气喷嘴、启动过程的时间顺序要求，进仪运行阶段的功率调节及火焰监视等，国际标准均有明确规定，上料系统、燃气喷嘴、程控器、火焰传感器及安全保护装置的专业生产厂家都是按照有关标准和规定组织设计、生产。国外生产厂家对元器件不强调国产化程度，而着眼于产品的可靠性和竞争性，如美国UNTEC公司、HONEYWELL公司、STEINEN公司；瑞士LANDISamp;GYR公司；德国DUNGS公司等都是世界知名的燃烧机元器件生产商。

生物质成型燃料设备具有燃料单一、运行稳定、热输出均匀等优点^[12]。现有的燃料设备以生物质颗粒燃料自动燃烧器和成型燃烧炉排试锅炉为主，两种设备在结构、配套系统等方面相差很大，应用场所亦有所不同。欧盟的生物质燃烧设备以自动燃烧器为主，与料仓、锅炉等搭配使用，可以长时间地自动运行，通过与不同的热交换设备配套使用，可实现取暖、热水、工业干燥等多种功能^[13]。

2、燃烧机的模拟计算

市场上衍生出许多类型生物质燃烧设备，生物质燃烧机应运而生。生物质燃烧机一种是生物质半气化自动控制燃烧机，另外一种是以生物质为燃料的生物质高温裂解燃烧机。虽然生物质燃料和化石能源都可称之为燃料，但生物质燃料与化石能源的热值及特性不同，比如同体积煤和生物质，煤的燃烧时间要远大于生物质。在20世纪70年代前，对燃烧机过程主要采取实验测试手段进行研究，包括冷态模拟和热态模拟以及全尺寸装置实验。这些实验不仅消耗大量人力、物力，而且周期长，数据又有比较大的经验性和局限性，故所获得的成果难以进行大面积的推广。20世纪70年代开始随着计算机软、硬件技术的迅速发展，大范围的数值计算已经成为可能，伴随数值计算方法的深入研究，以此为基础针对复杂燃烧过程的数值计算日益成为能源动力领域研究燃烧过程的重要手段，综合实验对生物质燃烧机的一些特性研究。

在合理假设的基础上，通过建立湍流模型，传热模型和颗粒跟踪等模型，利用PRO-E软件进行建模分析，检验燃烧机的结构是否合理，并保证内部结构之间没有干涉，并按照产品的热学性能要求，根据燃烧原理，计算生物质燃料进料速度、通风量、燃烧温度等各因素的优化匹配数据，使燃烧机能够充分燃烧的同时又不浪费燃料，达到环保和经济两个方面的最优化。之后用Fluent软件对燃烧机内部燃烧特性进行数值分析，模拟不同参数条件下、不同结构内部结构的燃烧性能，从而确定影响生物质燃烧机燃烧性能的主要因素并根据分析结果对燃烧机进行结构优化，使生物质燃烧机的耗能更低，热效率更高。通过对生物质燃烧机的建模以及其结构进行仿真模拟，为这种设备的市场化生产打下可靠的基础。

3、燃烧机的控制

在20世纪90年代之前，我国生物质燃烧机大多依靠进口，但由于诸多因素，当时燃烧机的效果并不理想，随着内地工业的发展，为我国燃烧机制造业提供了有利的机会，陆续在江苏、浙江、上海沈阳等地诞生了多家燃烧机制造企业。^[14-17]

典型的生物质燃料系统自动燃烧机一般由火控系统，配风系统，燃烧室、清灰（排渣）系统和自动控制系统等几部分组成。图3（a）为一台典型的燃烧器，图3（b）为生物质颗粒燃烧机的工作系统^[18]。

（a）生物质颗粒燃料自动燃烧器

（b）燃烧器工作系统

图3 生物质颗粒燃料自动燃烧机及其工作系统

由于燃烧机的各个输入变量是独立的，且可以通过控制相应的电机来精确控制变量值，同时在燃烧器和配套锅炉内安置火焰传感器和温度传感器，可以对点火、燃烧状态进行较为精确的监测并反馈到控制系统中，进行判断，因果关系更加明确。 燃烧器可实现自动控制，连续燃烧，但其结构较为复杂并且价格昂贵。另外，此类燃烧器仅适用于颗粒燃料，压块燃料由于体积较大，不适用于均匀进料的燃烧设备。

4、生物质能的研发

对于生物质能的研发工作，主要聚集在气化、直燃、固化和液化等这几个方向。在生物质气化方向较为成功的案例有奥地利的以木材为主剩余物为主要燃料的区域供电计划，加拿大建设了12个成功的实验室效力于生物气化技术的研究等等。就目前而言，已被成功开发的直接燃烧技术有：能够使用林副产品（如枯枝落叶）和林产品加工领域的废弃物（如家具厂的边角料）的燃烧蒸汽锅炉。在国际上，固化成型技术有以下三类：螺旋挤压成棒状（以日本为主），活塞挤压成圆柱形（欧洲各国），内压滚筒成颗粒状（美国）。

5、国内的现状及现有标准

国内成型燃料燃烧机主要以炉排式生物质锅炉为主，应用面较广，但是自动化水平不高。现在最常见的是手烧炉排式锅炉，操作简单，燃料种类适用性广，压块和颗粒燃料均可。

生物质固体成型燃料在炉排上燃烧，上炉排的生物质屑和灰渣漏到下炉排上继续燃烧直至燃烬，成型燃料在上炉排燃烧形成的烟气和部分可燃气体透过燃料和灰渣进入上、 下炉排间的炉膛进行燃烧，并与下炉排燃料产生的烟气一起，通过出烟口流向燃烬室和对流受热面。炉排的燃烧方式，实现了生物质固体成型燃料的分步燃烧，缓解了生物质燃烧速度，达到燃烧需氧与供氧的匹配，

使生物质固体成型燃料可以持续稳定燃烧^[19-20]。

国内整个燃烧设备少有自动控制设备，监控系统也并未到位，且污染物排放量较大，与国外的相关产品还有很大差距。生物质固体成型燃料燃烧设备的燃烧情况优劣，需要明确监测指标，根据标准进行评判。目前，国内并没有针对生物质成型燃烧设备的燃烧测试标准。一般可参考《工业锅炉热工性能试验规程（GB10180-2003）》和《锅炉大气污染物排放标准(GB13271-2001)》，主要从热工性能方面，判断生物质固体成型燃料燃烧设备的燃烧性能以及烟气排放污染物排放等。

2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

主要研究目的和内容

1、研究目的

本论文的目标是在对现有燃烧机的理论研究基础上，主要针对”生物质燃烧机燃烧效率提高及其优化”问题，以生物质能作为燃料，改进燃烧机结构性能，提高燃烧效率，进而减少能量消耗，减少对环境的污染。为我国”十三五”生物质燃烧产业的发展提供动力，既高效地利用了生物质能，又改善了能源结构，缓解了国家能源危机，实现社会经济的可持续发展具有重要的战略意义。