|
文／隋艷1，李英華2
(1國家煤炭質量監督檢驗中心，北京100013；2煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京100013）
摘要：本文照歐盟和美國標準，以及我國煤的發熱量測定方法標準，選取具有代表性的不同類型的固體生物質燃料，針對氧彈內加水量、充氧壓力、輔助燃燒條件等因素進行試驗研究，考察氧彈量熱法不同條件試驗的準確度和精密度，提出適合的發熱量最佳測定條件，為合理利用固體生物質燃料提供依據。
發熱量是固體生物質燃料的一項重要特性指標，凡利用固體生物質燃料的熱能時都必須準確了解其發熱量值。如在發電鍋爐燃燒中，發熱量測定的準確與否直接關系到鍋爐的燃燒效率的高低，影響到電廠的經濟效益。
利用固體生物質燃料代替煤炭等燃燒，既解決了能源的再生問題，又減少了由于煤炭燃燒帶來的污染物排放，同時實現節能減排，符合實現可持續發展的要求，許多國家加大了生物質能的研究與開發力度。固體生物質燃料特性的試驗方法研究及相關標準的制定是科學和高效利用固體生物質燃料能源的基礎工作。目前國際標準化組織和我國都還未建立成熟的、現行有效的固體生物質燃料發熱量測定方法標準。美國和歐盟現行的技術規范尚未完善。我國上世紀80年代制定過《生物質燃料發熱量測定方法》，當時受條件制約，試驗研究不夠充分，現已廢除。本項目采用國際上普遍使用的氧彈量熱方法研究適用于我國固體生物質燃料特性的發熱量測定方法，并制定相應的國家標準，滿足快速發展的固體生物質燃料應用技術的需要，提高我國固體生物質燃料的開發和高效利用。
1試驗部分
1.1研究原理
采用氧彈量熱法，模擬固體生物質燃料在工業鍋爐里的燃燒情況，將一定量的試樣放在充有過量氧氣的氧彈內燃燒，放出的熱量被一定量的水吸收，根據燃燒前后水溫的升高來計算試樣的發熱量。量熱系統的熱容量(水溫升高IK吸收的熱量)預先用已知熱值的基準量熱物質(苯甲酸)標定。
1.2研究內容
根據固體生物質燃料結構松散，密度較小，揮發分高，易爆燃，易噴濺，吸水性較強等特性，選擇10～20種具有代表性的固體生物質燃料，品種包括各種秸稈、稻殼、麥草、松枝、樹皮、木薯、紅柳等，熱值(Qb,ad)在(14～21)MJ／kg之間，制成粒度<1mm或0.5mm(可能時)的空氣干燥狀態分析試樣。用已知熱值的擦鏡紙包裹粉末狀樣品進行燃燒試驗，針對氧彈內加水量、充氧壓力、輔助燃燒條件等因素進行研究，考察結果的精準度，對試驗條件做進一步的改進，建立適用于固體生物質燃料的、準確可靠的發熱量測定方法。
2結果與討論
采用德國的IKAC2000型自動量熱儀，選擇兩個燃燒時易爆燃噴濺的壓縮秸稈樣品，分別在不同加水量和不同充氧壓力下進行發熱量測定試驗，觀察其爆燃噴濺的現象，發現降低充氧壓力可以有效減少某些樣品燃燒時的噴濺現象；減少氧彈內加水量，也可適當減少樣品燃燒時的噴濺現象。
2.1相同加水量下不同充氧壓力對測定的影響
對15個固體生物質燃料樣品，分別在氧彈內加水量為1mL和5mL、充氧壓力為(2.8～3.0)MPa和(1.8～2.0)MPa條件下進行發熱量測定試驗，測定統計結果如表1所示。
試驗表明，當氧彈加水量為5mL時，2種不同充氧壓力下發熱量的測定結果沒有顯著性差異，2種試驗條件可以相互替代；當氧彈加水量為lmL時，盡管2種不同充氧壓力下發熱量測定結果存在顯著性差異，但差值的95％概率置信區間仍在GB／T213規定的再現性臨界差(0.300MJ／kg)之內，認為2種試驗條件可以相互替代。
無論氧彈內加水量為lmL還是5mL，多數樣品在充氧壓力(2.8～3.0)MPa下的發熱量測定值比在充氧壓力(1.8～2.0)MPa下的測定值系統偏高，說明固體生物質燃料樣品在充氧壓力(2.8～3.0)MPa下燃燒釋放的熱量更完全，充氧壓力高、氧氣過量的多，能更好的保證樣品燃燒完全。
因此，通常選擇充氧壓力為(2.8～3.0)MPa，遇到特別容易噴濺的樣品時，可將充氧壓力降至(1.8—2.0)MPa。
2.2充氧壓力為(2.8～3.0)MPa時氧彈內不同加水量對測定的影響
氧彈內充氧壓力為(2.8～3.0)MPa，對l3個固體生物質燃料樣品，分別在氧彈內加水量為10mL、5mL和1mL條件下進行發熱量測定試驗，測定統計結果如表2所示。
對不同加水量的試驗方法進行顯著性檢驗，發現5mL加水量測定結果與10mL加水量和lmL加水量測定結果之間均無顯著性差異，平均差值也都很小(分別為0.018MJ／kg和0.023MJ／kg)，差值的95％概率置信區間的端值，都落在GB／T213規定的重復性限(0.120MJ／kg)之內，說明5mL加水量的發熱量測定結果比較穩定。
氧彈內加水量的多少，主要影響到燃燒產物如CO2和灰渣中的金屬氧化物的溶解熱，以及酸性氧化物溶解于水中如硫酸、鹽酸等的形成熱。固體生物質燃料中的硫含量較低，硫酸形成熱影響較小；但其氯含量大多遠高于煤炭，鹽酸形成熱影響可能較大；其它副化學反應熱可能很小，情況復雜，加水量取中間值為佳。并且5mL加水量的爆燃噴濺現象比10mL加水量時少，雖然比1mL加水量時稍多，但發熱量測定結果比lmL加水量時略高。
因此，選擇通常氧彈內的加水量為5mL，遇到特別容易噴濺的樣品時，可將加水量減少至1mL。
2.3輔助燃燒條件對測定的影響
試樣壓餅后進行燃燒試驗是歐盟標準中推薦的防止樣品爆燃噴濺的方法之一。為證實其可行性，進行了10個固體生物質燃料樣品的包紙、不壓餅和不包紙、壓餅試驗。試驗在氧彈內5mL加水量、(2.8～3.0)MPa充氧壓力下進行。試驗結果和試驗中記錄到的噴濺現象如表3所示。
從表3數據和記錄到的現象可以看出，10個樣品的20次測定，用包紙不壓餅的方式，只出現2次爆燃噴濺現象；而用壓餅、不包紙的方式，出現了16次爆燃噴濺的現象。同樣在不爆燃的情況下，試樣包紙的發熱量測定結果高于試樣壓餅的發熱量測定結果。固體生物質燃料不易磨制成粒度很小的試樣，缺乏粘緒陛，很難壓成完整的、沒有裂紋的餅，幾乎試驗的所有樣品壓餅后無法完整的夾起，轉移至坩堝內的樣品已有部分變成碎末，在燃燒過程中更易噴濺。因此，試圖用壓餅的方式解決樣品在燃燒試驗中爆燃噴濺和燃燒不完全問題是不可取的。
歐盟標準推薦的另一種防止樣品爆燃噴濺的方法是將試樣裝入燃燒袋或膠囊后再進行燃燒試驗，目前的市場上很難購買到適當容積(能裝1g固體生物質燃料試樣)、均勻一致并且有準確熱值的燃燒袋或膠囊，該方法不具可操作性。
因此，試驗選擇采用預先標定了熱值的擦鏡紙包裹試樣的方法，不僅可以有效防止樣品在燃燒過程中的爆燃噴濺現象，保證樣品完全燃燒，并且廉價易得，操作簡單。
3結論
本項目通過大量的試驗研究，確定了適用于固體生物質燃料的發熱量測定方法一氧彈量熱法，該方法與固體礦物燃料煤的發熱量測定方法原理和試驗程序，以及使用的儀器設備基本一致，通過改變某些試驗條件和給出防止樣品爆燃噴濺時應采取的有效措施，給出了適用于固體生物質燃料特性的，能獲得精密度好、準確度高的發熱量測定結果的創新性的試驗方法：
(1)通常充氧壓力為(2.8～3.0)MPa，遇到特別容易噴濺的樣品時，可將充氧壓力降至(1.8～2.0)MPa，保證樣品燃燒和釋放熱能完全，獲取更準確的測定結果。
(2)通常氧彈內加水量為5mL，遇到特別容易噴濺的樣品時，可將加水量減少至1mL有效防止的樣品爆燃和噴濺，保證測量結果的準確可靠性。
(3)用預先標定了熱值的擦鏡紙包裹樣品再進行燃燒試驗，比CEN／TS14918：2005中規定的將試樣壓餅，或裝入燃燒袋或膠囊后再進行試驗，更簡單和方便實用，且能有效防止樣品的爆燃和噴濺。 |
