生物質(zhì)顆粒度對燃燒特性影響

摘要:以稻殼為例考察了不同稻殼粒徑對熱解及燃燒特性、傳熱系數(shù)、焦炭燃燒的影響，利用TG/DTG6200熱重差熱分析儀對不同顆粒度稻殼粉做了熱解實驗，得到了不同的TG、DTG、DTA曲線。結(jié)果表明，稻殼顆粒度越小，其揮發(fā)分析出溫度越低，析出時間越短，傳熱系數(shù)增大，升溫速率增大，有利于燃燒，但過小的顆粒度同時增大了散熱損失，當(dāng)粒徑低于臨界尺度時，易出現(xiàn)熄火現(xiàn)象。焦炭燃燒過程受粒徑大小的影響，粒徑減小，燃燒反應(yīng)速率加快，燃燒時間縮短，有利于燃燒。 　　生物質(zhì)是一種理想的可再生能源，由于它的廣泛性、可再生性、清潔性而受到人們的關(guān)注。生物質(zhì)種類繁多，我國是農(nóng)業(yè)大國，每年生物質(zhì)秸稈的產(chǎn)量在6億t左右，主要集中在玉米秸(2817%)、麥秸(2514%)和水稻稈(1413%)，因此下面對生物質(zhì)的研究也是針對農(nóng)作物廢棄物而言的。 　　目前對于生物質(zhì)熱解的研究很多，而對于生物質(zhì)燃燒特性研究的報道不多。生物質(zhì)的形狀復(fù)雜，密度偏小，熱值偏低，這使其應(yīng)用變得困難。煤和生物質(zhì)摻燒技術(shù)、生物質(zhì)造粒燃燒技術(shù)等已經(jīng)有了一些報道，而直接燃燒生物質(zhì)的裝置還少有報道。生物質(zhì)直接燃燒主要是爐灶燃燒和鍋爐燃燒。爐灶燃燒利用效率低，造成能源浪費;鍋爐燃燒技術(shù)大大提高了燃燒效率，主要鍋爐燃燒方式有流化床鍋爐和層燃爐等，而流化床對于生物質(zhì)燃料的適應(yīng)性較好。流化床燃燒與普通燃燒最大的區(qū)別在于原料顆粒燃燒時的狀態(tài)，流化床顆粒是處于流態(tài)化的燃燒反應(yīng)和熱交換的過程。這種燃燒方式對生物質(zhì)直接燃燒非常適合。本實驗以稻殼為研究對象，通過研究總結(jié)出了生物質(zhì)顆粒度對燃燒的影響，為流化床的設(shè)計提供依據(jù)，同時這對生物質(zhì)能源的利用提供了有利的參考。 　　1　稻殼特性 　　1．1　物理特性 　　稻殼是一種表面粗糙、有細(xì)小毛刺的梭形狀空心原料，長度一般在10mm左右，最大直徑處有2～3mm。其主要的物理特性及其工業(yè)元素分析見表1和表2(工業(yè)分析所取稻殼產(chǎn)地為濟南市郊區(qū))。稻殼與其他秸稈的特性很類似，主要不同之處在于稻殼灰分中的成分基本上都是SiO2，所以稻殼也是提取SiO2的最佳生物質(zhì)原料之一。 　　1．2　化學(xué)特性 　　通過表1和表2中的數(shù)據(jù)可以看出，稻殼密度偏小，在稻殼成分中N、S的含量很低，對于燃燒煙氣不需要考慮脫硫脫氮問題。稻殼揮發(fā)分含量高達70%以上，說明容易著火，同時也說明了稻殼燃燒釋放的熱量主要是來自揮發(fā)分燃燒，因此對于稻殼等生物質(zhì)而言，揮發(fā)分的燃燒狀況很大程度上直接影響到燃燒效率。稻殼的這一系列特性都要求對其利用時特別注意。 　　2　顆粒度對燃燒特性影響研究 　　2．1　顆粒度大小對熱解影響 　　取3種顆粒度不同的稻殼，這里以長度來區(qū)別其顆粒度大小，稻殼a長度8～10mm，稻殼b長度015～2mm，稻殼c長度0101～0105mm。利用型號為TG/DTG6200熱重差熱分析儀，測溫范圍:室溫～1100℃，質(zhì)量靈敏度:012μg，加熱速率為50℃/min，得出了稻殼a、b、c的TG、DTA與DTG曲線，如圖1所示。通過曲線可以看出稻殼的燃燒大體分為3個階段。 　　　水分析出階段(AB)，這一階段主要是水分析出階段，且能看出在AB段之間有一個明顯的波峰，代表著水分析出最大速率。揮發(fā)分析出及燃燒階段(CD)，一般來講，取DTG=011mg/min時的溫度為揮發(fā)分析出溫度，在氧氣環(huán)境中析出的揮發(fā)分會很快燃燒。焦炭燃盡階段(DE)，從圖中可以看出，不管是TG還是DTG曲線在FG段的變化相對減弱，尤其DTG曲線更為明顯，由此可見稻殼焦炭的燃燒比較緩慢。 　　從表3中的數(shù)據(jù)可以看出，3種稻殼揮發(fā)分析出溫度及稻殼達到最高析出量時所需溫度Ta>Tb>Tc，也就是說隨著顆粒度減小，稻殼揮發(fā)分析出溫度降低，同時所需要的時間也減少;揮發(fā)分的燃燒可以分為析出和燃燒2個階段，氣體燃燒速率快，其燃燒所需時間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其析出時間，所以這里可以近似忽略燃燒時間。從表3中析出量數(shù)據(jù)看出稻殼a的揮發(fā)分析出時間是稻殼b的1161倍，是稻殼c的1164倍，這說明稻殼顆粒度對其揮發(fā)分析出時間影響較大，隨著顆粒減小揮發(fā)分析出時間減少;稻殼c的溫度最高，也是由于其顆粒度小的緣故。 　　稻殼b與c的參數(shù)基本相近，與稻殼a的參數(shù)相差卻甚大，一方面是因為稻殼a的顆粒度較大，不利于燃燒進行;另一方面可以看出，當(dāng)?shù)練ゎw粒度小到一定程度時，再減小稻殼顆粒度對其熱解或者燃燒的影響逐漸減弱，同時處理稻殼粒度越小將會需要消耗動力越大，現(xiàn)在處理到10～20mm粒徑生物質(zhì)消耗動力為5kW/t左右，如果處理到011mm以下，所需動力就要20kW/t左右。所以，對于稻殼燃燒也不是無限制的減小顆粒度，綜合經(jīng)濟評價來選取合理的顆粒度。為了全面評價生物質(zhì)的燃燒情況，引入文獻燃燒特性指數(shù)P進行描述: 　　式中，P為燃燒特性指數(shù);(dw/dt)max為最大燃燒速率，mg/min;(dw/dt)mean為平均燃燒速率，mg/min;Te揮發(fā)分開始析出溫度(著火溫度)，℃;Th為燃盡溫度，℃。 　　燃燒特性指數(shù)P是反映稻殼著火和燃盡的綜合指標(biāo)，P值越大，說明稻殼的燃燒特性越好。升溫速度、樣品粒度及樣品質(zhì)量的變化對稻殼的燃燒特性指數(shù)均有一定的影響。燃燒特性指數(shù)隨著顆粒度的減小和而增大。對3種稻殼分別計算其燃燒特性指數(shù)P，得出結(jié)果為Pa<Pb<Pc。因此，稻殼c的燃燒特性指數(shù)最大，其燃燒性能也最好。與煤相比，稻殼燃燒特性指數(shù)明顯大于煤，其值比煤大2個數(shù)量級。 　　2．2　顆粒度大小對換熱的影響 　　從原料吸熱方面來講，顆粒度減小，原料換熱面積增加，有利于快速吸熱而升溫，一般來說，粒度小，傳熱系數(shù)就大。當(dāng)顆粒溫度與環(huán)境溫度之差衰減到初始值的1%時，也就是說顆粒溫度與環(huán)境溫度基本上達到熱平衡時所需要時間與粒度有如下關(guān)系式: 　　式中，τ99%為氣體與顆粒間溫度平衡到99%時所需時間，s;cp，p為顆粒定壓比熱，kJ/(kg·K);ρp為顆粒密度，kg/m3;dp為顆粒直徑，m;hgp為氣固間傳熱系數(shù)，W/(m2·K)。 　　所以粒度減小，減少了顆粒溫升時間。同時顆粒度減小，增大了傳熱系數(shù)，根據(jù)鄭洽余等在研究循環(huán)流化床時發(fā)現(xiàn)，傳熱系數(shù)隨小球探頭直徑的減小而增加。因此顆粒度的減小，有利于原料的燃燒。 　　從原料處于自然工況(即熱力著火工況)方面來講，顆粒度的減小對原料燃燒有其不利因素。粒徑大小對放熱量是沒有影響的，但是對流散熱卻隨著直徑的減少成反比的增加，從而使得原料溫度降低，不利于燃燒。對同種原料在固定床中燃燒來言，顆粒度減小，堆積密度增加，空隙率減少，阻力增加，從而使得原料處于缺氧狀態(tài)，不利于燃燒，其原理很簡單，不過多論述。這里重點討論對流散熱對燃燒的影響。通常對流放熱系數(shù)與Nusselt準(zhǔn)則有如下關(guān)系式: 　　式(3)中，α為對流換熱系數(shù)，W(m2·K);Nu為努塞爾數(shù);λ為原料導(dǎo)熱系數(shù)，W(m2·K);d為顆粒直徑。 　　當(dāng)原料粒徑d減小時，準(zhǔn)則Nu降低不多，λ為物性參數(shù)基本不變，則α增加;同時顆粒度的減小，比表面積增大，顆粒數(shù)增加，增加了顆粒之間相互碰撞幾率，增強了換熱，所以當(dāng)顆粒度減小時，一方面有利于原料的燃燒，釋放熱量Qf;另一方面原料本身與周圍環(huán)境散熱Qs，當(dāng)Qf>Qs時，原料燃燒釋放出大量熱，溫度上升;當(dāng)Qf=Qs時，原料燃燒釋放熱量與原料散熱平衡，此時處于一種相對穩(wěn)定狀態(tài)。但當(dāng)對流放熱系數(shù)足夠大時，有Qf<Qs，原料釋放熱量不能滿足原料的散熱，這樣原料本身就會隨著散熱損失而逐漸降低溫度，如果沒有得到合理的控制，原料溫度最終會降低到使其本身熄火。當(dāng)Qf=Qs時所確定的粒徑稱之為臨界直徑d臨。上述自然工況理論是建立在熱平衡的基礎(chǔ)上，其只能是適應(yīng)既有放熱過程又有散熱過程的工況，同時沒有涉及熱力著火達到平衡狀態(tài)所需要時間，用其可以定性解釋一些燃燒技術(shù)問題。 　　生物質(zhì)熱值偏低，單位質(zhì)量釋放熱量比煤小得多，在同樣粒徑下，生物質(zhì)所蓄備的熱量只有標(biāo)準(zhǔn)煤的一半。當(dāng)散熱量較大時，生物質(zhì)更容易出現(xiàn)熄火現(xiàn)象。圖2中是稻殼a與稻殼c在流化床中的燃燒溫度曲線，從圖中可以看出，稻殼a溫度變化較小，相對穩(wěn)定;而稻殼c雖然某一瞬間溫度達到1000℃，超過稻殼a最高溫度，但其溫度變化大，最低溫度低于200℃，已經(jīng)處于熄火狀態(tài)。從熱解角度來看，稻殼c熱解速率大于稻殼a，揮發(fā)分析出速率快，從而使得稻殼c出現(xiàn)短時高溫。綜合來看，稻殼a的燃燒工況要好于稻殼c。因此在實際燃燒設(shè)備中，原料由冷態(tài)進入到高溫燃燒爐堂內(nèi)，初期是高溫?zé)煔鈱υ系募訜?，此時顆粒度越小，加熱時間就越短，有利于原料快速的達到燃燒溫度;但是當(dāng)原料燃燒繼續(xù)提高溫度時就變成原料向煙氣散熱，顆粒度越小，散熱越多，不利于原料完全燃燒，增加了原料機械未完全燃燒損失。 　　2．3　顆粒度大小對焦炭燃燒影響 　　稻殼的燃燒過程可以分為揮發(fā)分燃燒和焦炭燃燒2個過程。氣體燃燒速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于固體燃燒速率，這樣稻殼燃燒時間長短主要決定于焦炭的燃燒時間。稻殼揮發(fā)分含量高，析出快，短時間內(nèi)完全燃燒需要足夠的氧，揮發(fā)分析出后的焦炭被包裹在中間，阻滯其與氧的反應(yīng)，因此稻殼焦炭的燃燒較為緩慢。碳與氧的反應(yīng)有如下4種可能: 　　(1)碳與氧氣完全反應(yīng): 　　(2)氧氣在碳表面不足，生成CO: 　　(3)氣體的燃燒速率很快，在反應(yīng)2條件下，生成的CO在碳附近與氧迅速反應(yīng)生成CO2: 　　(4)氧受到阻滯，無法到達碳表面，在碳表面只有氣相擴散過來的CO2，產(chǎn)生C與CO2的還原發(fā)應(yīng): 　　對這4種反應(yīng)機理，Wicke和Wurzbacher提出這樣結(jié)論，碳的燃燒按(4)反應(yīng)機理。尤其在溫度達到1100℃以上時，反應(yīng)4較為明顯。在溫度較低時，引入文獻中2種產(chǎn)物比例關(guān)系公式如下，當(dāng)溫度為457～897℃時: 　　這里取平均值677℃，該溫度下不發(fā)生碳的還原反應(yīng)。則計算得其比值為314，CO所占比例較大，由此看來碳燃燒反應(yīng)主要是按反應(yīng)(3)進行。稻殼灰熔點較低，在實際應(yīng)用中的燃燒溫度一般控制在800～900℃，其燃燒反應(yīng)主要是按反應(yīng)3進行。 　　原料顆粒度減小而比表面積大，單位質(zhì)量的碳反應(yīng)速率較大。比表面積增大，單位體積內(nèi)與氧的混合加強，接觸面積增加，從而加強了碳的燃燒反應(yīng)。氧在碳表面的擴散，一方面受可燃?xì)怏w阻滯，另一方面受碳表面燃燒后灰的阻滯，原料顆粒減小，碳燃燒時形成的灰阻滯就小，有利于氧的擴散。細(xì)化碳粒，能提高氧擴散至碳表面的傳質(zhì)系數(shù)。所以原料顆粒度的減小，有利于焦炭的燃燒。 　　3結(jié)論 　　(1)通過對稻殼的熱重分析可知，顆粒度越小，其揮發(fā)分析出溫度越低，完成同量揮發(fā)分析出時間越短，燃燒速率也越快;對焦炭而言，顆粒度越小，其燃燒速率越快，原料燃燼時間也越短;顆粒度越小，傳熱系數(shù)就越大，原料生溫速率就快，達到燃燒所需要的時間也越短;但是顆粒度減小同樣會增大了原料散熱量，當(dāng)粒徑減小到某一臨界d臨以下時，就會因散熱過多而出現(xiàn)熄火現(xiàn)象。 　　(2)原料粒徑的選擇也應(yīng)考慮到經(jīng)濟性。當(dāng)原料需要處理到顆粒度很小時，其所需要消耗的動力也將很大，處理到10～20mm粒徑生物質(zhì)消耗動力為5kW/t左右，如果處理到011mm以下，所需動力就要20kW/t左右。因此對原料的粒徑處理要結(jié)合其臨界值的選擇以及經(jīng)濟性來定。