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王惺，李定凱，倪維斗，李政，張鶴丹
(清華大學熱能工程系，北京100084)
摘要：采用TG－DTG熱分析技術對麥秸、玉米秸、膠合板粉粒和松木粒4種生物質壓縮顆粒的燃燒特性進行了實驗研究，考察了其著火及燃盡特性，結合前人提出的綜合燃燒特性指數，提出用相對失重速率進行計算。結果表明：生物質壓縮顆粒與煤相比，其著火與燃盡溫度均較低，燃燒迅速且集中；與生物質粉末相比，其固定碳的燃燒更平穩，燃燒時間延長。4種物質之中，松木粒綜合燃燒特性最好，玉米秸最差。
工業化帶來的資源枯竭問題已經引起了廣泛關注和憂慮。作為可再生能源的一種，生物質能的利用已經受到國內外的高度重視[1－3]。
我國生物質資源豐富，在諸多利用途徑中，生物質成型燃料被認為是一種方便、易操作的分布式利用方式而受到青睞。成型燃料的迅猛發展，勢必會帶動其燃燒設備等相關產品的研制工作，這又離不開對成型燃料燃燒特性的基礎性研究。目前，國內外對生物質粉體燃燒特性研究較多[4－10]，而對生物質壓縮成型燃料的燃燒特性研究還非常少，因此，有必要開展這類工作，為開發更合適的生物質顆粒燃燒爐做必要的準備。
1實驗
1.1實驗樣品及其特性
實驗選用了麥秸粒、玉米秸粒、松木粒和膠合板粉粒4種壓縮顆粒來制備樣品，4種顆粒的原料均采自北京地區。壓縮顆粒的制備采用北京惠眾實(High－zones)公司研發的“生物質冷壓成型技術”。該技術將粉碎粒度10mm以下的生物質原材料，在常溫、自然干燥(含水率15％～25％)條件下，壓縮成直徑6～7mm、長度約20mm、密度約1.1g/cm3的成型顆粒。制備實驗樣品時，將上述顆粒截取成重約30mg的成型顆粒。 各樣品的工業分析和元素分析結果見表1。
1.2實驗條件
實驗采用美國HermoCahn公司的熱重分析系統thermax500熱重分析儀，工作氣氛為空氣，流量為200mL/min，常壓，升溫速率20℃/min，初始溫度為溫(約28℃)。樣品為約30mg的成型顆粒。
1.3實驗結果
4種樣品顆粒的TG、DTG曲線如圖1～圖4所示。
2分析與比較
2.1燃燒特性
從樣品的工業分析和元素分析可見，生物質顆粒的組分特征是明顯的，與煤樣相比，其揮發分含量高，固定碳要少很多。這種組分結構也決定了其燃燒特性。
表2描述了4種生物質顆粒的燃燒特性參數。其中，W1～W4分別表示在燃燒的4個階段失重百分率；t1和t2分別表示兩個失重速率最大時刻的溫度。圖5和圖6為4種樣品的TG曲線和DTG曲線。
從表2及圖5和圖6可見，4種生物質顆粒的燃燒具有相同的特點。
(1)4種生物質顆粒燃燒特性曲線相似，均可以分為4段(圖1)：水分析出，揮發分析出燃燒，固定碳燃燒，燃盡。這與文獻中報道的生物質燃燒的4個階段吻合[11－12]。
(2)水分含量差別不大，且水分析出時間集中。
(3)燃燒溫度較低，4種生物質顆粒開始明顯失重時刻的溫度在250℃附近，這也大大低于一般煤的初始明顯失重溫度[13－14]。樣品燃燒過程迅速且集中，失重主要在第2階段，即揮發分的析出與燃燒階段，這一階段的失重占初始質量的70％左右，這也反映了生物質顆粒揮發分含量高的特點。
(4)第3階段，即固定碳燃燒階段，燃燒速率相對平穩且緩慢，4種顆粒均未出現燃燒速率的峰值，這點與一些文獻報道的生物質粉體燃燒的第3階段燃燒情況不盡一致[15]。除了樣品的因素外，筆者認為顆粒大小及密度是一個原因。由于本實驗中的樣品均為壓縮顆粒，質量較大，進入第3階段固定碳燃燒時，緊密的結構使得樣品內部的物質不能即時接觸空氣，從而使燃燒更趨于平穩。
(5)400～450℃，樣品基本燃燒完畢，這樣，溫度比一般煤的燃盡溫度低了很多[13－14]，反映出生物質顆粒的整個燃燒過程是迅速的。圖5和圖6亦反映了4種生物質顆粒燃燒特性的區別。可以看到，麥秸和玉米秸兩種草本生物質的初始失重溫度要明顯低于膠合板粉粒和松木粒這兩種木本生物質，失重峰值時的溫度t2亦有此特點；其次，麥秸和玉米秸揮發分含量較另二者小，使得其固定碳燃燒時間相對后二者較長，且速率更緩慢；膠合板粉粒和松木粒可燃部分比例較大，燃燒更加集中而迅速，尤其松木粒，初始失重溫度最高，但卻最早燃盡，燃燒速率最快，燃燒持續性較差。
從樣品的TG圖和DTG圖反映的特點來看，本實驗中樣品的燃燒特性和文獻中報道的生物質粉體燃燒特性類似[11－12，16]，但第3階段固定碳燃燒更加平穩。
2.2著火特性
著火特性主要由著火溫度體現。熱重分析中著火溫度的定義有多種方法，本文中采用最常用的切線法來確定樣品的著火溫度，即把DTG曲線最高峰值點對應TG曲線上點的切線與初始失重時的基線交點定義為著火溫度(見圖7)。
按照上述定義方法，將4種樣品的著火溫度ti列于表3.不難看出，4種生物質顆粒的著火溫度除松木粒在304℃，其余均在300℃以下，說明生物質成型顆粒和生物質粉體一樣，均具有較低的著火溫度，與煤相比，更易著火燃燒。此外，和失重峰值溫度t2一樣，著火溫度ti從低到高依次是麥秸、玉米秸、膠合板粉粒和松木粒，說明草本生物質更易著火，與其相比木本生物質則較難著火。
2.3燃盡特性
本文將DTG的值基本變為0時(第4階段起始時)的溫度定義為燃盡溫度tend，4種生物質顆粒以及用來作對比的煤樣、粉末生物質的燃盡溫度和最終剩余物質的百分率R如表3所示。可以看到，4種生物質顆粒的燃盡溫度均不高，都未超過450℃，松木粒最低，385℃即燃燒完全，這個溫度甚至低于很多煤種的著火溫度，說明生物質顆粒物燃燒均比較迅速，相對煤而言，其燃燒溫度較低，持續性較差。但與文獻[14]中報道的粉末生物質相比，生物質壓縮顆粒的著火溫度與其差別不大，但燃盡溫度提高，說明壓縮成顆粒后生物質燃燒持續性有所增加。同時，4種生物質顆粒之間的燃盡特性也有較大差異。比較得出，麥秸和膠合板粉粒燃燒過程最長，溫度跨度為150℃左右；玉米秸其次；松木的燃燒過程最短，溫度跨度僅81℃。再結合燃盡溫度可以定性看出，松木的燃盡特性最好。
從剩余物百分率來看，玉米秸最大，其次是麥秸和松木，膠合板最小，與4種樣品的灰分含量吻合，這也說明了在燃燒完全的情況下，膠合板燃燒后排渣較少。
總結燃盡特性可知：膠合板粉粒燃燒持續時間最長，較其他3種物質不易燃燒；松木粒由于其燃燒時間集中，燃燒迅速，因此較易燃燒。燃燒剩余物方面，膠合板粉粒最少，而兩種草本生物質的燃燒剩余物較多，應注意排渣的清理。總體來看，生物質顆粒物燃盡溫度低，燃燒較快，燃盡特性好于煤，與煤相比更容易燃燒。與生物質粉末相比，壓縮后的顆粒燃燒持續性增加。
2.4綜合燃燒特性
為了綜合分析生物質顆粒的燃燒特性，諸多文獻[11，16－18]采用綜合燃燒特性指數S綜合反映物質著火和燃盡特性，即
從式(1)可見，燃燒速率的增大、著火溫度和燃盡溫度的減小均能使S增大，說明S越大，燃料燃盡越快，燃燒特性越好。值得注意的是，文獻[17－18]中采用式(1)計算煤及生物質綜合燃燒特性指數時，燃燒速率dW/dt直接采用DTG曲線上的值，即失重速率的絕對值。但是，此處采用相對失重速率更為妥當。
首先，從式(1)的推導過程可知，其來自于Arrhe-nius定律，公式中的dW/dt應為反應物濃度的變化率，對應燃燒特性實驗中的樣品而言，此dW/dt應為t時刻樣品相對質量的變化率，即認為
按照修正后的計算方式，松木粒的最大燃燒速率和平均燃燒速率均為最大，直接導致使其S參數最大，綜合燃燒特性最好。但不足之處在于，其著火溫度較其他3種生物質顆粒高，較難著火。麥秸的綜合燃燒特性指數較松木粒差，但卻好于其他兩種樣品；其優點是著火溫度最低，最容易著火。膠合板粉粒的綜合燃燒特性指數接近麥秸，二者差異不大，后者的燃燒速率較前者快，但著火和燃盡溫度都較前者高。玉米秸的綜合燃燒特性指數為4種樣品中的最低值，說明其綜合燃燒特性最差。原因在于其最大燃燒速率和平均燃燒速率均小于其他3種樣品。進一步地，通過對4種樣品進行熱解實驗研究表明，玉米秸的揮發分釋放速率最低，因此不難解釋其平均燃燒速率小于其他3種物質。
3結論
(1)雖然4種生物質壓縮顆粒的質量和密度都較大，但其燃燒特性依然明顯地體現了生物質燃燒的特征，燃燒分為4個階段：脫水，揮發分析出及燃燒，固定碳燃燒和燃盡階段。
(2)4種壓縮顆粒的著火特性不盡相同。麥秸最容易著火，玉米秸、膠合板其次，而松木粒最難。對于燃盡特性，膠合板粉粒燃盡溫度最高，而松木粒最低，燃盡特性最好。此外，兩種草本生物質(玉米秸、麥秸)的燃燒剩余物較多，設計燃燒設備時應注意排渣的清理。
(3)與煤相比，壓縮顆粒的著火點與燃盡溫度均較低，燃燒集中且迅速；與生物質粉體相比，燃燒第3階段固定碳的燃燒速率沒有峰值，更加穩定，且壓縮后顆粒的燃燒持續時間延長。
(4)本文對綜合燃燒特性指數S作了稍許修改，計算時采用“相對失重速率”，能更合理地比較不同物質間綜合燃燒特性指數。按照這種計算方法，得出4種生物質顆粒按S值從大到小(綜合燃燒特性從好到差)的排列順序依次為松木粒、麥秸、膠合板粉粒和玉米秸。
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