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矯振偉1，趙武子2，王瀚平1，蘇俊林1
（1.吉林大學(xué)熱能工程系，吉林長春130025；2.中國人民解放軍93279部隊(duì)，遼寧丹東118000）
摘要：從生物質(zhì)燃料的灰熔融性和熱值兩個關(guān)鍵性的特性指標(biāo)著手，以玉米秸稈和水稻稻殼作為主要原料，用試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)和分析的方法，尋求混合生物質(zhì)顆粒燃料的優(yōu)化配方，提高混合生物質(zhì)顆粒的軟化溫度ST＞1400℃，有效地解決了玉米秸稈顆粒結(jié)渣問題。對混合生物質(zhì)顆粒進(jìn)行了熱重試驗(yàn)研究和燃燒機(jī)理、動力學(xué)特性分析，結(jié)果表明：混合生物質(zhì)顆粒具有易著火和單峰值熱解特性，燃燒性能良好。此研究為改善單一成分生物質(zhì)燃料的燃燒性能，推廣利用生物質(zhì)能提供指導(dǎo)性建議。
0引言
當(dāng)前，許多國家將開發(fā)利用可再生能源作為能源戰(zhàn)略的重要組成部分，而生物質(zhì)作為一種可存儲的可再生能源，引起了世界各國的廣泛關(guān)注。
生物質(zhì)能資源豐富，約占世界能源總消耗的14%[1]～[3]。將生物質(zhì)進(jìn)行壓縮固化，使其轉(zhuǎn)化為高品位燃料是生物質(zhì)能利用的重要方法。自20世紀(jì)30年代開始，許多發(fā)達(dá)國家（如美國、日本、芬蘭、丹麥）都投入了大量人力、物力研究生物質(zhì)成型技術(shù)及顆粒燃料，80年代后期，該技術(shù)日趨成熟，形成了一定規(guī)模[4]，[5]。我國由于起步較晚，對生物質(zhì)顆粒燃料燃燒所進(jìn)行的理論和應(yīng)用研究較少[6]，技術(shù)進(jìn)步較慢。對生物質(zhì)固體顆粒燃燒過程中物理化學(xué)反應(yīng)機(jī)理尚不明確，灰渣的化學(xué)成分還不確定，結(jié)渣的原因有待于進(jìn)一步的分析。劉圣勇認(rèn)為，不同相對孔隙率的玉米秸稈成型燃料本身的空隙中含有的空氣對燃燒產(chǎn)生一定的影響，進(jìn)行的試驗(yàn)研究結(jié)果表明：在10～20MPa壓力下，玉米秸稈成型燃料具有較好的壓縮成型性能和燃燒性能[7]，[8]。
馬孝琴針對秸稈燃燒過程中的沉積物和灰的化學(xué)元素進(jìn)行了分析，認(rèn)為秸稈灰中的堿金屬化合物與SiO2反應(yīng)生成低熔點(diǎn)的共晶體，熔化的共晶體流動、粘合形成結(jié)渣；提出了使用添加劑改變灰形成的化學(xué)過程、生物質(zhì)與其他燃料（燃煤）混燒、堿金屬脫除、適宜的鍋爐設(shè)計(jì)等研究方法[9]。
筆者曾做過生物質(zhì)型煤方面的研究，生物質(zhì)型煤燃燒性能較好[10]。我們在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，摻有稻殼粉的玉米秸稈顆粒燃燒過程中結(jié)焦傾向小。而秸稈顆粒制造商是為了吸收秸稈擠壓成型過程中擠壓出的水分在物料中摻雜些磨米產(chǎn)生的副產(chǎn)品稻殼粉。對這種混合生物質(zhì)顆粒在燃燒過程中抗結(jié)焦性和燃燒特性并沒有進(jìn)行深入了解。針對這一現(xiàn)象我們進(jìn)行了試驗(yàn)研究。
1混合生物質(zhì)顆粒燃料的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究
目前，生物質(zhì)固體燃料有秸稈顆粒、稻殼棒、木質(zhì)顆粒等，大多為單一成分。玉米秸稈顆粒的總量比例較大，玉米秸稈顆粒在燃燒過程中有易結(jié)焦的問題。為解決這個難題，我們利用不易結(jié)焦的稻殼粉、木屑摻混在秸稈粉中，進(jìn)行不同組分配比在不同成型條件下的混合顆粒性能試驗(yàn)研究。
選取玉米秸稈、稻殼粉、木屑為研究對象的原因，是因?yàn)橛衩捉斩挳a(chǎn)量占生物質(zhì)廢棄物總量的比重較大，且結(jié)焦問題阻礙其應(yīng)用；大米是我國居民飲食中的主糧，其副產(chǎn)品稻殼粉在磨米廠堆積如山，成為磨米廠不易處理的東西。木屑具有很好的燃燒性能。采用長沙三德實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的SDACM－3000自動量熱儀、SDTGA－2000自動工業(yè)分析儀和SDAF2000d灰熔融性自動測試儀，進(jìn)行玉米秸稈、稻殼粉、木屑的熱值、工業(yè)分析、灰熔融性測定（試驗(yàn)氣氛均為氧化性），其數(shù)據(jù)如表1。
本試驗(yàn)取玉米秸稈與稻殼粉組合、成型溫度，成型壓力3個因素；每個因素取3水平，取值見表2。分析認(rèn)為，玉米秸稈和木屑的熱值都比較高，軟化溫度較低，且數(shù)值比較接近，木屑的灰分少，配比中木屑用量多，成本增加較大；水稻稻殼熱值相對較低，軟化溫度很高，不易結(jié)渣，水稻稻殼和玉米秸稈在熱值和灰熔融性方面具有互補(bǔ)性。
選用正交表L9（34）設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)方案，測試每個試驗(yàn)的密度及外觀品質(zhì)、灰熔融性、結(jié)渣特性，取其加權(quán)值為目標(biāo)函數(shù)。遵循NY/T1880-2010《生物質(zhì)固體成型燃料樣品制備方法》制取試樣，遵循NY/T1881.7-2010《生物質(zhì)固體成型燃料試驗(yàn)方法》第7部分：密度，檢驗(yàn)試樣的密度；遵照國標(biāo)GB/T219-1996《煤灰熔融性的測定方法》測定試樣的灰熔融性；燃料在鍋爐中燃燒的狀態(tài)是比較復(fù)雜的，鍋爐內(nèi)溫度場分布不同，氧分布也不均勻，大多數(shù)是氧化性氣氛中燃燒，也有局部地方通風(fēng)不良呈弱還原性氣氛燃燒，我們在SDAF2000d灰熔融性自動測試儀中，利用該儀器的圖像采集系統(tǒng)和控溫系統(tǒng)，模擬鍋爐實(shí)際燃燒的氧化氣氛和弱還原氣氛，試樣加熱到1200℃取出，檢驗(yàn)其結(jié)焦性。試驗(yàn)結(jié)果表明：生物質(zhì)顆粒燃燒結(jié)渣性與其灰熔融性有很大的關(guān)聯(lián)，軟化溫度高，結(jié)渣傾向就小。經(jīng)過目標(biāo)函數(shù)的測算，F(xiàn)（2，2，2）組合為最優(yōu)，即75%玉米秸稈∶25%水稻稻殼的組分、成型壓力為32MPa、成型溫度為180℃狀態(tài)下，成型顆粒最好。其軟化溫度＞1400℃，焦渣特性與普通煙煤相近。熱值15053.87kJ/kg，高于當(dāng)前市場銷售的型煤熱值。
2混合顆粒的燃燒特性試驗(yàn)研究
燃燒特性是衡量燃料的重要指標(biāo)。很多人在研究生物質(zhì)固體燃料的燃燒特性時，基于使用的熱重分析儀器的要求，將固體燃料再粉碎成粉末，取其10mg左右質(zhì)量做熱重試驗(yàn)。我們認(rèn)為固體顆粒燃料粉碎后，與整體顆粒時揮發(fā)分析出的過程不同，燃燒過程中與氧分子接觸、反應(yīng)的過程不同[8]。因此，得到的熱重曲線也就不同，燃燒特性也就不同。
我們做的混合生物質(zhì)顆粒的燃燒特性試驗(yàn)[11]是在自行研制的熱重實(shí)驗(yàn)臺上進(jìn)行的，試驗(yàn)用顆粒與當(dāng)前市場銷售的玉米秸稈顆粒的形狀、大小、重量相近，見圖1。試驗(yàn)時不需將顆粒燃料粉碎，試樣質(zhì)量較大，試樣保持實(shí)際使用時的性狀。這樣在試樣熱解和燃燒過程中存在成型因素的影響。
熱重試驗(yàn)是在氧化性氣氛下進(jìn)行的，升溫速率β=10℃/min。試驗(yàn)中試樣由于受熱，伴有水分析出、揮發(fā)分分解析出，且隨著燃燒反應(yīng)的進(jìn)行，質(zhì)量逐漸減小。試樣質(zhì)量和試樣區(qū)域的溫度同步輸入計(jì)算機(jī)記錄和顯示，每隔1s測定一次，并繪制TG和DTG曲線。試驗(yàn)結(jié)果如圖2、圖3和表3所示。
表中參數(shù)說明：TS為揮發(fā)分初始析出溫度，℃；Tmax為最大失重溫度，℃；TV為揮發(fā)分熱解、燃燒結(jié)束溫度，℃；Tf為燃燒基本結(jié)束溫度，℃；Tb燃燒全過程溫度范圍，℃；V∞為燃盡率，%；(dm/dt)max為揮發(fā)分最大失重速率，%/min。
為了便于分析，在圖表中引用了在同一熱重實(shí)驗(yàn)臺上做的玉米秸稈顆粒的熱重試驗(yàn)數(shù)據(jù)[12]，成型條件一致。由于顆粒燃料在成型時表觀水分已經(jīng)揮發(fā)掉，其內(nèi)部水分隨溫度的升高緩慢析出，因此TG曲線和DTG曲線沒出現(xiàn)水分揮發(fā)的峰值。
由表1可知，生物質(zhì)顆粒中碳含量很少，僅為1.49%～2.52%，揮發(fā)分大量析出、燃燒，使炭粒充分接觸空氣中的氧和獲得熱量，焦炭的燃燒是連續(xù)進(jìn)行的，故TG曲線和DTG曲線沒出現(xiàn)碳燃燒的峰值；生物質(zhì)顆粒燃料的TG曲線和DTG曲線是單峰值的。
表3和圖2、圖3的試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，混合生物質(zhì)顆粒的揮發(fā)分熱解、燃燒失重峰比玉米秸稈顆粒的揮發(fā)分熱解、燃燒失重峰向右偏移，溫度提高29℃左右，峰值高度減小近50%，燃燒維持的溫度范圍增大約300%。這一結(jié)果說明，玉米秸稈顆粒揮發(fā)分析出溫度較低，并且揮發(fā)分析出時即刻燃燒，前期揮發(fā)分燃燒速度很快，揮發(fā)分燃燒溫度集中在233～289℃內(nèi)；混合生物質(zhì)顆粒的揮發(fā)分析出溫度較玉米秸稈顆粒的揮發(fā)分析出溫度高27℃，前期揮發(fā)分燃燒速度也比較快，達(dá)到最大值后減緩下來，燃燒持續(xù)溫度范圍較寬，在260～426℃內(nèi)。
3混合生物質(zhì)顆粒的燃燒機(jī)理、動力學(xué)特性分析
燃燒反應(yīng)動力學(xué)是化學(xué)反應(yīng)中的一個分支，也遵循著化學(xué)反應(yīng)的經(jīng)典公式———阿累尼烏斯公式[13]～[15]：
從動力學(xué)參數(shù)的計(jì)算結(jié)果可見，在低溫區(qū)域，混合生物質(zhì)顆粒熱解、燃燒的活化能比玉米秸稈顆粒熱解、燃燒的活化能高，這與混合生物質(zhì)顆粒的揮發(fā)分析出和著火溫度均高于玉米秸稈顆粒是一致的。在碳燃燒區(qū)域，混合生物質(zhì)顆粒的活化能也比玉米秸稈顆粒的活化能有增加。分析認(rèn)為：混合生物質(zhì)顆粒由于加入25％的水稻稻殼，使混合生物質(zhì)顆粒中的固定碳和灰分的含量增加，達(dá)到8.63％，是純玉米秸稈顆粒固定碳和灰分含量（4.47％）的兩倍。
4結(jié)論
（1）試驗(yàn)證明，在玉米秸稈中摻混25%的稻殼粉，使混合生物質(zhì)顆粒燃燒過程灰行為發(fā)生改變，提高了灰的軟化溫度，達(dá)到1400℃，大大減小結(jié)渣傾向，說明改善生物質(zhì)顆粒燃料的抗結(jié)焦性能，不限于僅采用添加劑的方法，本研究提出了以生物質(zhì)廢棄物的混合搭配方法，解決了玉米秸稈顆粒結(jié)渣問題。
（2）混合生物質(zhì)顆粒的TG曲線和DTG曲線、動力學(xué)分析計(jì)算結(jié)果表明：混合生物質(zhì)顆粒的揮發(fā)分析出溫度是比較低的，雖然比玉米秸稈顆粒的揮發(fā)分析出溫度高27℃，也只有260℃，且當(dāng)達(dá)到析出溫度后，前期揮發(fā)分的熱解和燃燒速度也比較快，很有利于燃料的著火；混合生物質(zhì)顆粒的DTG曲線峰值沒有玉米秸稈顆粒的DTG曲線峰值高，減小近50%，且燃燒維持的溫度范圍增大，揮發(fā)分析出、擴(kuò)散速度減緩，有利于二次風(fēng)的供應(yīng)與可燃物質(zhì)充分混合、反應(yīng)。同時爐內(nèi)溫度提高，增強(qiáng)了熱輻射能力，有利于焦炭充分燃燒。
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