基于富氧條件的生物質(zhì)顆粒燃燒特性實驗研究

朱艷艷1，張林華1,2,3，崔永章1,2,3，李凱1，呂文超4

　　(1.山東建筑大學熱能工程學院，山東濟南250101；2.山東建筑大學可再生能源建筑利用技術省部共建教育部重點實驗室，山東濟南250101；3.山東建筑大學山東省建筑節(jié)能技術重點實驗室，山東濟南250101；4.西安建筑科技大學環(huán)境與市政工程學院，陜西西安710055)

　　摘要：富氧燃燒是解決生物質(zhì)能源直接燃燒溫度低問題的重要方法。文章采用熱重分析法分別對玉米、棉稈以及木屑進行燃燒特性試驗，通過分析不同氧氣濃度下三種秸稈的TG—DTG曲線，研究富氧條件對三種典型生物質(zhì)顆粒燃料燃燒特性指數(shù)的影響。結(jié)果表明：富氧條件下三種生物質(zhì)顆粒燃料燃盡溫度區(qū)間比空氣中減少近100℃，揮發(fā)分最大析出速率是空氣中的2～2.75倍；富氧條件下，燃料的燃燒特性指數(shù)迅速上升，且玉米桿的上升幅度最大，表明富氧對玉米桿促進作用最強。

　　0引言

　　生物質(zhì)能占世界一次能源消耗的14％，具有清潔可再生及CO2近零排放的優(yōu)點。我國生物質(zhì)能分部廣泛，資源豐富，每年生物質(zhì)資源總量可以折合成6.5億t標煤。目前生物質(zhì)能主要以直燃的方式為居民提供生活用能，這種燃燒方式具有操作簡單，取材方便，成本低的優(yōu)點，但是利用效率很低，造成了很嚴重的能源浪費及環(huán)境污染。另外，生物質(zhì)成型燃料的燃燒火焰溫度一般不高于1000％，如果能解決生物質(zhì)直接燃燒溫度低的問題，將可廣泛應用于工業(yè)能源領域。富氧燃燒可以明顯提高生物質(zhì)直接燃燒溫度，是解決生物質(zhì)能源直接燃燒溫度低問題的重要方法。

　　近十多年來，富氧助燃在國內(nèi)外都有很大的發(fā)展。許多發(fā)達國家都投入了大量人力物力來研究富氧技術，特別是日本，曾在以氣、油及煤為燃料的不同場合進行了富氧應用試驗，得出如下結(jié)論：用23％的富氧助燃可節(jié)能10％一25％，用25％的富氧助燃可節(jié)能20％～40％，用27％的富氧助燃則節(jié)能高達30％一50％等。羅思義對生物質(zhì)微米燃料富氧燃燒特性進行了分析，并認為富氧能夠改善生物質(zhì)微米燃料的燃燒特性，指出當富氧率為40％時，爐膛溫度可達1600℃。生物質(zhì)顆粒燃料經(jīng)過了高壓作用，質(zhì)地比較密實，燃燒時與空氣接觸面積較小，因此，其點火及燃燒特性與生物質(zhì)微米燃料存在很大的差異。測量揮發(fā)分的析出量是最為傳統(tǒng)的判斷生物質(zhì)燃料燃燒性能的方法，這種方法簡單易行，但是不能顯示不同生物質(zhì)燃料揮發(fā)分析出的溫度水平、最大析出速率及生物質(zhì)的失重狀況。因此，采用美國TA公司生產(chǎn)的Q50熱重分析儀對三種典型生物質(zhì)顆粒燃料進行試驗，通過三種燃料燃燒的TG—DTG曲線，分析富氧條件對生物質(zhì)的揮發(fā)分析出特性指數(shù)、燃燒穩(wěn)定性判別指數(shù)及燃燒特性指數(shù)，為生物質(zhì)顆粒原料的選擇及大型生物質(zhì)燃燒爐的設計提供理論依據(jù)，另外對改善中國能源結(jié)構(gòu)，保護環(huán)境，促進農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展也具有重要的現(xiàn)實意義。

　　1生物質(zhì)顆粒燃燒特性判別指數(shù)

　　1.1揮發(fā)分析出特性指數(shù)

　　1.2燃燒穩(wěn)定性判別指數(shù)

　　燃燒穩(wěn)定性判別指數(shù)表征生物質(zhì)顆粒燃料的穩(wěn)定性，以純碳作為測試的基準，則

　　1.3燃燒特性指數(shù)

　　2實驗裝置及方法

　　2.1實驗裝置

　　本實驗采用美國TA公司生產(chǎn)的Q50熱重分析儀，該裝置由吹掃氣體系統(tǒng)、熱天平、爐體、溫度控制和測量系統(tǒng)五部分組成。吹掃氣體系統(tǒng)在加熱爐中，一部分吹掃氣體經(jīng)數(shù)字式質(zhì)量流量控制后水平流過樣品，另一部分為保護氣體，氣體經(jīng)過天平室后與水平吹掃氣體合并從加熱爐側(cè)口流出；熱天平安置在天平室內(nèi)，提供室溫～1000℃溫度范圍內(nèi)優(yōu)異的測量準確度和精確度；爐體是熱重分析儀的一個關鍵部件，可以以最迅速、精確的方式在室溫一1000℃溫度范圍進行溫度控制；數(shù)字式質(zhì)量流量控制器采用自動氣體切換裝置，不僅可以有效改善數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，還能進行惰性氣體和氧化氣氛間的快速切換。

　　2.2實驗方法

　　為了分析生物質(zhì)顆粒燃料富氧條件下的燃燒特性，采用Q50熱重分析儀對玉米秸稈、棉稈及木屑三種典型生物質(zhì)顆粒燃料進行多種不同條件下的實驗。首先采用程序控溫法在40％O2、21％O2、14％O2和熱解條件下對20mg左右樣品進行的燃燒試驗，升溫速率為2O℃／min，載氣流量為60mL／min，得到玉米秸稈、棉稈及木屑的TG—DTG曲線圖；其次在氧濃度及載氣流量分別為14％和60mL／min、21％和60mL／min、40％和60mL／min、min21％和50mL／min及21％和70mL／min五種條件下進行熱重實驗，進而分析富氧條件對三種秸稈的揮發(fā)分析出特性指數(shù)Rh、燃燒穩(wěn)定性的判別指數(shù)Rw燃燒特性指數(shù)P1的影響。

　　3實驗結(jié)果及分析

　　3.1富氧條件對生物質(zhì)顆粒燃料燃燒失重特性的影響

　　3.1.1玉米稈TG—DTG曲線圖

　　由圖1可以看出，以21％O2曲線為基準TG及DTG曲線均可以劃分為三個階段：第一階段為水分的析出階段，溫度區(qū)間為20～220℃。四條曲線基本一致，說明氧氣濃度的變化對玉米秸稈的水分析出過程影響不大；第二階段為揮發(fā)分燃燒階段。從TG曲線可以看出，40％O2的富氧條件下燃燒區(qū)間較短，揮發(fā)分燃燒溫度區(qū)間為220～29O℃，21％O2、14％O2及熱解曲線差別不大，溫度區(qū)間為220～330℃。從DTG曲線可以看出，四條曲線均出現(xiàn)了揮發(fā)分析出速率峰值。40％O2的富氧條件下最大析出速率為23％／min，21％O2、14％O2及熱解條件下最大析出速率分別為14％／min、13％／min及12％／min；第三階段為固定碳燃燒階段，從TG曲線可以看出，40％O2富氧條件下玉米的燃燒區(qū)間明顯縮短，燃燒溫度區(qū)間為390—440℃，21％O2及14％O2曲線差別不大，溫度區(qū)間為220～330℃。

　　熱解曲線與其他三種相比，揮發(fā)分燃燒階段與固定碳燃燒階段之間沒有明顯的過渡段，固定碳的燃燒區(qū)間較長，溫度區(qū)間為330—900℃。從DTG曲線可以看出，除熱解曲線沒有出現(xiàn)失重速率峰值外，其他三條均出現(xiàn)了失重速率峰值。40％O2的富氧條件下玉米稈的最大析出速率為11％／ain，21％O2最大析出速率為4％／min，40％O2富氧條件下最大析出速率是空氣中的2.75倍。說明富氧可以縮短木屑揮發(fā)分及固定碳的燃燒區(qū)間，增大揮發(fā)分析出速率，使玉米的燃燒性能更好。

　　3.1.2棉稈TG—DTG曲線圖

　　由圖2可以看出，棉稈TG及DTG曲線與玉米稈基本一致，劃分為三個階段。第一階段溫度區(qū)間為20～250℃。這一階段四條曲線基本一致，說明水分析出階段氧氣濃度的變化對棉桿的影響不大；第二階段為揮發(fā)分燃燒階段，溫度區(qū)間為250～3o0℃。從TG曲線可以看出，40％O2的富氧條件下棉稈揮發(fā)分燃燒溫度區(qū)間為250～29O℃，21％O2、14％O2及熱解曲線差別不大，溫度區(qū)間為220—350℃。從DTG曲線可以看出，四條曲線也均出現(xiàn)了揮發(fā)分析速率峰值，且富氧條件下峰值出現(xiàn)的最早。40％O2的富氧條件下棉桿的最大析出速率為19％／min，明顯高于其余三條曲線；第三階段為固定碳燃燒階段，從TG曲線可以看出，40％O2富氧條件下棉桿燃燒溫度區(qū)間為390～440℃，比21％O2條件下燃燒區(qū)間減少100℃。從DTG曲線可以看出，除熱解曲線沒有出現(xiàn)失重速率峰值外，其他三條均出現(xiàn)了失重速率峰值，且富氧條件下峰值出現(xiàn)的最早。40％O2的富氧條件下玉米稈的最大析出速率為12％／min，21％O2最大析出速率為5％／min，40％O2富氧條件下最大析出速率是空氣中的2.4倍。說明富氧可以縮短棉桿揮發(fā)分及固定碳的燃燒區(qū)間，增大揮發(fā)分析出速率，改善棉桿的燃燒性能。

　　3.1.3木屑TG—DTG曲線圖

　　由圖3可以看出，木屑TG及DTG曲線與棉稈更為相似，但是揮發(fā)分及固定碳燃燒分界處沒有玉米稈和棉稈明顯。第一階段為水分析出階段，四條曲線基本一致，說明氧氣濃度的變化對木屑的水分析出過程影響也不大；第二階段為揮發(fā)分燃燒階段。

　　從TG曲線可以看出，40％O2的富氧條件下棉稈揮發(fā)分燃燒溫度區(qū)間為250—310℃，比21％O2條件下減少30℃。從DTG曲線可以看出，40％O2的富氧條件下棉桿的最大析出速率為23％／min。21％O2、14％O2及熱解條件下最大析出速率分別為17％／min、16％／min和15％／min；第三階段為固定碳燃燒階段，從TG曲線可以看出，40％O2富氧條件下木屑燃燒溫度區(qū)間為320～440％，比21％O2條件下燃燒區(qū)間減少100℃。從DTG曲線可以看出，14％O2及熱解曲線沒有出現(xiàn)明顯的失重速率峰值，說明缺氧條件對木屑固定碳的燃燒階段阻礙較大。

　　40％O2的富氧條件下玉米稈的最大析出速率為12％／min，21％O2最大析出速率為6％／min，40％O2富氧條件下最大析出速率是空氣中的2倍。說明富氧可以縮短木屑揮發(fā)分及固定碳的燃燒區(qū)問，增大揮發(fā)分析出速率，使木屑的燃燒性能更好。

　　3.2富氧條件對生物質(zhì)顆粒燃料特性的影響

　　3.2.1富氧條件對生物質(zhì)顆粒揮發(fā)分析出特性的影響

　　不同載流理和氧氣濃度條件下，三種典型生物質(zhì)顆粒燃料的Rh值如圖4所示。

　　圖4表明，隨著氧氣含量的變化，三種典型生物質(zhì)顆粒燃料的揮發(fā)分析出特性指數(shù)變化很大。在缺氧的狀況下，玉米、棉桿及木屑的揮發(fā)分析出特性指數(shù)分別為7.1、7.8及7.90mg／(min·K)，這說明缺氧條件下木屑及棉桿揮發(fā)分最易析出，玉米揮發(fā)分析出最難。當達到21％O2條件時，玉米、棉桿及木屑的揮發(fā)分析出特性指數(shù)均呈上升趨勢，這說明隨著氧氣含量升高，三種秸稈的燃燒穩(wěn)定性有所增強。

　　40％O2的富氧條件下，玉米、棉桿及木屑的揮發(fā)分析出特性指數(shù)分別為16.3、12.2和13.7mg／(min·K)，表明富氧條件下，三種秸稈的燃燒穩(wěn)定性明顯改善。與空氣中相比，富氧條件下玉米揮發(fā)分析出特性指數(shù)增加了7.6mg／(min·K)，而玉米與木屑分別增加了4.1及4.8mg／(min·K)，說明富氧條件下玉米揮發(fā)分析出的促進作用最強。

　　3.2.2富氧條件對生物質(zhì)顆粒燃燒穩(wěn)定性的影響

　　不同條件下，三種典型生物質(zhì)顆粒燃料的尺值如圖5所示。

　　圖5表明，隨著氧氣含量的變化，三種典型生物質(zhì)顆粒燃料的燃燒穩(wěn)定性也有很大變化。在缺氧的狀況下，玉米、棉桿及木屑的燃燒穩(wěn)定性指數(shù)分別為800、740和880，這說明缺氧條件下木屑燃燒穩(wěn)定性最好，玉米稍次，棉稈最差；當達到21％O2條件時，玉米、棉桿及木屑的燃燒穩(wěn)定性指數(shù)分別為900、960和930，這說明隨著氧氣含量升高，三種秸稈的燃燒穩(wěn)定性有所增強，其中棉桿穩(wěn)定性指數(shù)增加了220，玉米與木屑大約增加100，說明缺氧條件下增加氧氣含量對棉桿的促進作用最強；與21％O2相比，40％O2的富氧條件下，玉米穩(wěn)定性指數(shù)增加了640，玉米與木屑分別增加了260和430，說明富氧條件下增加氧氣含量對玉米的促進作用最強，木屑次之，棉桿最差。另外，三種典型生物質(zhì)顆粒燃料的燃燒穩(wěn)定性隨著載氣流量的變化，呈開口向下的拋物線型變化。

　　3.2.3富氧條件對生物質(zhì)顆粒燃燒特性指數(shù)的影響

　　不同條件下，三種典型生物質(zhì)顆粒燃料的P1值如圖6所示。

　　P1值的變化趨勢Rh與Rw及值的變化趨勢基本相同，這表明生物質(zhì)顆粒揮發(fā)分的析出有利于降低顆粒的點火溫度，提高其燃燒穩(wěn)定性及燃燒速率。在缺氧的狀況下，玉米、棉桿及木屑的燃燒特性指數(shù)都比較低，這說明缺氧條件下三種生物質(zhì)顆粒燃料的點火性能及燃盡性能較差；21％O2條件時，玉米、棉桿及木屑的燃燒穩(wěn)定性指數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢，其中棉桿穩(wěn)定性指數(shù)增加了2.2mg／(min·K。)，玉米

　　與木屑分別增加了1.5、0.9mg／(min·K)，這說明隨著氧氣含量升高，三種秸稈的燃燒穩(wěn)定性有所增強，且增加氧氣含量對棉桿的促進作用最強；與

　　21％O2相比，40％O2的富氧條件時，玉米穩(wěn)定性指數(shù)增加了4.0mg／(min·K)，棉桿與木屑分別增加了2.4和3.6mg／(min·K)。表明富氧條件下，三種秸稈的燃燒特性明顯改善，且增加氧氣含量對玉米點火、燃燒及燃盡特性的促進作用最強，木屑次之，棉桿最差。另外，三種典型生物質(zhì)顆粒燃料的燃燒穩(wěn)定性隨著載氣流量的變化，也呈開口向下的拋物線型變化。

　　4結(jié)論

　　(1)TG—DTG曲線顯示，40％O2富氧條件下生物質(zhì)顆粒燃料揮發(fā)分燃燒區(qū)間比空氣中縮短30℃，，固定碳的燃燒區(qū)間縮短近100℃。富氧條件下?lián)]發(fā)分析出峰值是空氣中的2—2.75倍，且峰值出現(xiàn)的比較早，表明生物質(zhì)燃燒性能明顯改善。

　　(2)隨著氧氣含量的增加，玉米、棉桿及木屑的揮發(fā)分析出特性指數(shù)、燃燒穩(wěn)定性的判別指數(shù)及燃燒特性指數(shù)均呈現(xiàn)上升趨勢。在14％一21％O2濃度范圍內(nèi)，三種指數(shù)的增加量較小。21％～40％O2富氧條件下，三種指數(shù)均呈現(xiàn)明顯的上升趨勢。證明14％～21％O2濃度范圍內(nèi)增加氧氣含量可以改善生物質(zhì)的燃燒性能，但是效果不是很明顯；21％～40％O2富氧條件能夠大幅度改善生物質(zhì)燃料的燃燒性能。

　　(3)21％O2條件下，玉米、棉桿及木屑的三種指標差別都不大，而40％O2富氧條件下，玉米顆粒的三種指標均明顯高于棉桿及木屑，這說明富氧條件對玉米顆粒燃料的促進作用更強。