|
朱艷艷，張林華，崔永章，李凱，呂文超，
(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能技術重點實驗室，山東濟南250101；4.西安建筑科技大學環境與市政工程學院，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顆粒燃料燃燒特性指數的影響。結果表明：富氧條件下三種生物質顆粒燃料燃盡溫度區間比空氣中減少近1000℃，揮發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近零排放的優點。我國生物質能分部廣泛，資源豐富，每年生物質資源總量可以折合成6.5億t標煤。目前生物質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，成本低的優點，但是利用效率很低，造成了很嚴重的能源浪費及環境污染。另外，生物質成型燃料的燃燒火焰溫度一般不高于1000％，如果能解決生物質直接燃燒溫度低的問題，將可廣泛應用于工業能源領域。富氧燃燒可以明顯提高生物質直接燃燒溫度，是解決生物質能源直接燃燒溫度低問題的重要方法。
近十多年來，富氧助燃在國內外都有很大的發展。許多發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，得出如下結論：用23％的富氧助燃可節能10％～25％，用25％的富氧助燃可節能20％～40％，用27％的富氧助燃則節能高達30％～50％等。羅思義對生物質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℃。
生物質顆粒燃料經過了高壓作用，質地比較密實，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微米燃料存在很大的差異。測量揮發分的析出量是最為傳統的判斷生物質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燃料揮發分析出的溫度水平、最大析出速率及生物質的失重狀況。因此，采用美國TA公司生產的Q50熱重分析儀對三種典型生物質顆粒燃料進行試驗，通過三種燃料燃燒的TG—DTG曲線，分析富氧條件對生物質的揮發分析出特性指數、燃燒穩定性判別指數及燃燒特性指數，為生物質顆粒原料的選擇及大型生物質燃燒爐的設計提供理論依據，另外對改善中國能源結構，保護環境，促進農村經濟發展也具有重要的現實意義。
1生物質顆粒燃燒特性判別指數
1.1揮發分析出特性指數
揮發分析出特性指數表征燃燒過程中揮發分的析出性能，是判斷生物質顆粒燃料燃燒特性的一個重要指標。
2實驗裝置及方法
2.1實驗裝置
本實驗采用美國TA公司生產的Q50熱重分析儀，該裝置由吹掃氣體系統、熱天平、爐體、溫度控制和測量系統五部分組成。吹掃氣體系統在加熱爐中，一部分吹掃氣體經數字式質量流量控制后水平流過樣品，另一部分為保護氣體，氣體經過天平室后與水平吹掃氣體合并從加熱爐側口流出；熱天平安置在天平室內，提供室溫～1000℃溫度范圍內優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；數字式質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據的穩定性，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20℃／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、21％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分析出特性指數Rh、燃燒穩定性的判別指數Rw燃燒特性指數P1的影響。
3實驗結果及分析
3.1富氧條件對生物質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；第二階段為揮發分燃燒階段。從TG曲線可以看出，40％O2的富氧條件下燃燒區間較短，揮發分燃燒溫度區間為220～290℃，21％O2、14％O2及熱解曲線差別不大，溫度區間為220～330℃。從DTG曲線可以看出，四條曲線均出現了揮發分析出速率峰值。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間明顯縮短，燃燒溫度區間為390—440℃，21％O2及14％O2曲線差別不大，溫度區間為220～330℃。
熱解曲線與其他三種相比，揮發分燃燒階段與固定碳燃燒階段之間沒有明顯的過渡段，固定碳的燃燒區間較長，溫度區間為330～900℃。從DTG曲線可以看出，除熱解曲線沒有出現失重速率峰值外，其他三條均出現了失重速率峰值。40％O2的富氧條件下玉米稈的最大析出速率為11％／min，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分及固定碳的燃燒區間，增大揮發分析出速率，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；第二階段為揮發分燃燒階段，溫度區間為250～300℃。從TG曲線可以看出，40％O2的富氧條件下棉稈揮發分燃燒溫度區間為250～290℃，21％O2、14％O2及熱解曲線差別不大，溫度區間為220—350℃。從DTG曲線可以看出，四條曲線也均出現了揮發分析速率峰值，且富氧條件下峰值出現的最早。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間為390～440℃，比21％O2條件下燃燒區間減少100℃。從DTG曲線可以看出，除熱解曲線沒有出現失重速率峰值外，其他三條均出現了失重速率峰值，且富氧條件下峰值出現的最早。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分及固定碳的燃燒區間，增大揮發分析出速率，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分燃燒溫度區間為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％02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間為320～440％，比21％02條件下燃燒區間減少100cc。從DTG曲線可以看出，14％O2及熱解曲線沒有出現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分及固定碳的燃燒區問，增大揮發分析出速率，使木屑的燃燒性能更好。
3.2富氧條件對生物質顆粒燃料特性的影響
3.2.1富氧條件對生物質顆粒揮發分析出特性的影響
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，三種典型生物質顆粒燃料的揮發分析出特性指數變化很大。在缺氧的狀況下，玉米、棉桿及木屑的揮發分析出特性指數分別為7.1、7.8及7.90mg／(min·K2)，這說明缺氧條件下木屑及棉桿揮發分最易析出，玉米揮發分析出最難。當達到21％O2條件時，玉米、棉桿及木屑的揮發分析出特性指數均呈上升趨勢，這說明隨著氧氣含量升高，三種秸稈的燃燒穩定性有所增強。
40％O2的富氧條件下，玉米、棉桿及木屑的揮發分析出特性指數分別為16.3、12.2和13.7mg／(min·K2)，表明富氧條件下，三種秸稈的燃燒穩定性明顯改善。與空氣中相比，富氧條件下玉米揮發分析出特性指數增加了7.6mg／(min·K2)，而玉米與木屑分別增加了4.1及4.8mg／(min·K2)，說明富氧條件下玉米揮發分析出的促進作用最強。
3.2.2富氧條件對生物質顆粒燃燒穩定性的影響
不同條件下，三種典型生物質顆粒燃料的Rw值如圖5所示。
圖5表明，隨著氧氣含量的變化，三種典型生物質顆粒燃料的燃燒穩定性也有很大變化。在缺氧的狀況下，玉米、棉桿及木屑的燃燒穩定性指數分別為800、740和880，這說明缺氧條件下木屑燃燒穩定性最好，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定性指數分別為900、960和930，這說明隨著氧氣含量升高，三種秸稈的燃燒穩定性有所增強，其中棉桿穩定性指數增加了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，玉米穩定性指數增加了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，三種典型生物質顆粒燃料的燃燒穩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富氧條件對生物質顆粒燃燒特性指數的影響
不同條件下，三種典型生物質顆粒燃料的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，這表明生物質顆粒揮發分的析出有利于降低顆粒的點火溫度，提高其燃燒穩定性及燃燒速率。
在缺氧的狀況下，玉米、棉桿及木屑的燃燒特性指數都比較低，這說明缺氧條件下三種生物質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定性指數呈現上升趨勢，其中棉桿穩定性指數增加了2.2mg2／(min·K2)，玉米與木屑分別增加了1.5、0.9mg2／(min·K2)，這說明隨著氧氣含量升高，三種秸稈的燃燒穩定性有所增強，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，玉米穩定性指數增加了4.0mg2／(min·K2)，棉桿與木屑分別增加了2.4和3.6mg2／(min·K2)。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，三種典型生物質顆粒燃料的燃燒穩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結論
(1)TG—DTG曲線顯示，40％O2富氧條件下生物質顆粒燃料揮發分燃燒區間比空氣中縮短30℃，固定碳的燃燒區間縮短近100℃。富氧條件下揮發分析出峰值是空氣中的2—2.75倍，且峰值出現的比較早，表明生物質燃燒性能明顯改善。
(2)隨著氧氣含量的增加，玉米、棉桿及木屑的揮發分析出特性指數、燃燒穩定性的判別指數及燃燒特性指數均呈現上升趨勢。在14％一21％0，濃度范圍內，三種指數的增加量較小。21％～40％O2富氧條件下，三種指數均呈現明顯的上升趨勢。證明14％～21％O2濃度范圍內增加氧氣含量可以改善生物質的燃燒性能，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％0：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。
參考文獻：
[1]中國國家統計局.2009中國統計年鑒[M].北京：中國統計出版社，2009.
[2]任敏娜，崔永章，李曉，等.八種生物質顆粒燃燒特征分析[J].山東建筑大學學報，2012，27(3)：298—301.
[3]田賀忠，趙丹，王艷.中國生物質燃燒大氣污染物排放清單[J].環境科學學報，2011，2(31)：349—357.
[4]羅思義.生物質粉體富氧燃燒的初步研究[D].武漢：華中科技大學，2007.
[5]羅思義.生物質微米燃料富氧燃燒特性分析[J].東北林業大學學報，2009，5(5)：86—87.
[6]陳建原，孫學信.煤的揮發分釋放特性指數及燃燒特性指數的確定[J].動力工程，1987，5：13—18.
[7]景振濤，梁晶，王欽，等.兩種秸稈類生物質燃燒反應動力學研究[J].水電與新能源，2010，3(3)：69—71.
[8]崔永章，李曉，任敏娜，等.空氣量對秸稈顆粒燃料燃燒影響的實驗研究[J].山東建筑大學學報，2012，27(2)：167—171.
[9]魏兆龍，郭朝令，楊義波.煤種燃燒穩定性試驗研究[J].鍋爐技術，1999，10(1)：6—9.
[10]林鵬.秸稈類生物質層燃燃燒特性的試驗研究[D].上海：上海交通大學，2008. |
