李運泉¹，彭浩斌²，梁建活³

(1．廣東省特種設備檢測研究院順德檢測院，廣東佛山528300；2．華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東廣州510640；3．中國特種設備檢測研究院，北京100029)

　　摘要：選取柚木、云杉兩種生物質原料為研究對象，并以印尼煤和市政污泥為參照對象，利用熱重分析儀研究生物質燃燒特性。結果表明：柚木的著火溫度、燃盡溫度、最大燃燒效率及其溫度、殘余物質量等燃燒特征指標均高于云衫木，而其平均燃燒速率低于后者，云衫木在燃用綜合性能上的表現更佳；柚木中某一性質的揮發分含量較高，是造成其最大燃燒速率高的主要因素。

　　生物質能是重要的可再生能源，在應對全球氣候變化、能源供需矛盾、保護生態環境等方面發揮著重要作用，是全球繼石油、煤炭、天然氣之后的第四大能源，成為國際能源轉型的重要力量^[1]。我國生物質資源豐富，能源化利用潛力大。《生物質能發展“十三五”規劃》指出：到2020年，我國生物質能年利用量約5800萬噸標準煤。

　　國內外對生物質的燃用進行了相對深入的探討。早期的研究以生物質能的熱解、燃燒的機理和應用技術為主^[2-4]，隨著環保壓力的日益增加和社會給予的高度重視，越來越多的學者著手于生物質高效潔凈利用的研究[5-8]。針對生物質燃燒特性的研究主要從靜態樣品和連續流動樣品兩個方向進行，前者主要通過熱重分析儀或微型管式爐獲取燃燒特性參數，后者則是基于連續進料燃燒。然而，已有研究中對燃燒特征參數并未給予過多關注，更未能從整體上分析參數之間的相互聯系，且缺少與其他燃用燃料的橫向對比。

　　因此，本文選取柚木、云杉兩種生物質原料為研究對象，利用熱重分析儀研究生物質燃燒特性。同時，選取燃煤、市政污泥為參照對象，橫向比較生物質和其他燃料之間的燃燒特性差異。基于實驗結果，探討燃燒特性與燃料基礎參數及其他變量的關聯性，為指導生物質高效潔凈利用和研發高效的生物質燃用設備提供依據。

　　1實驗部分

　　1.1實驗原料

　　為體現實驗研究的工程價值，本文選用家具或輕工行業中典型的柚木(TS)和云杉木(DS)基材為實驗原料，并選用印尼煤(PC)和佛山某污水處理廠處置后的市政污泥(SS)為參照對象。原料在溫度為105℃下連續干燥24h，利用粉碎機粉碎，并篩選粒徑≤60目粉末作為實驗樣品，置于干燥箱備用。4種原料的基礎參數見表1。

　　1.2實驗設備和方法

　　采用德國NETZSCH公司生產的STA449F5同步熱分析儀，測定燃燒特性試驗過程的熱重(TG)曲線和微商熱重(DTG)曲線。實驗過程如下：

　　(1)將未裝樣品的坩堝放在熱電偶端點處的載樣臺，蓋上加熱爐體。升溫程序從室溫以20℃/min的速率升溫至900℃，進氣流量為氬氣(或氮氣)80ml/min，空氣20ml/min。啟動程序開始試驗，待試驗結束后命名并保存基線。

　　(2)調取(1)的基線，稱取試樣(10±1)mg，稱準至0.02mg，平攤于坩堝中。把裝有樣品的坩堝放置在載樣臺，按(1)的試驗條件升溫至900℃，記錄燃燒TG-DTG曲線。

　　2實驗結果與分析

　　2.1燃燒過程分析

　　TS和DS的TG和DTG曲線如圖1所示，特征相似。兩種生物質燃燒DTG曲線均有兩個明顯的失重峰，可將燃燒過程分為3個階段。第一階段為干燥階段，水分在120℃前已完成蒸發，小分子揮發分開始受熱分解。第二階段為揮發分析出和燃燒階段，大量的揮發分析出并燃燒，燃燒產生的熱量進一步加劇燃燒反應，進而形成明顯的失重峰。第三階段為焦炭燃燒階段，溫度達到400℃左右，揮發分燃燒殆盡，第二階段所形成的焦炭便開始燃燒，DTG曲線形成第二個明顯的失重峰。

　　圖2為PC和SS的燃燒TG和DTG曲線，與TS、DS差異明顯。從圖1和圖2的DTG曲線特征可看出，TS和DS的燃燒過程為兩段式，而PC和SS為一段式，與其各自的燃料特性密切相關。當燃燒過程表現為兩段式時，DTG曲線第一個失重峰是由揮發分析出燃燒反應所形成，第二個失重峰是由固定碳燃燒反應所形成；而一段式燃燒時，DTG曲線僅表現出一個明顯的失重峰，為揮發分析出燃燒反應形成。

　　2.2燃燒特性

　　根據TG-DTG曲線(如圖3)確定樣品的著火溫度Ti、燃盡溫度Tf、最大燃燒速率vp、最大燃燒速率溫度Tp、殘余物質量分數αo、平均燃燒速率va，方法如下：

　　(1)著火溫度Ti：過DTG曲線峰值點P作垂線與TG曲線交于A點，過A點作TG曲線的切線L2，該切線與TG曲線上揮發分開始失重時水平線L1的交點i，i點所對應的橫坐標值即為著火溫度(℃)。

　　(2)燃盡溫度Tf：切線L2與TG曲線重量損失結束時的水平線L3的交點f，f所對應的橫坐標值即為燃盡溫度(℃)。

　　(3)最大燃燒速率vp：P點所對應的DTG曲線上的縱坐標值即為最大燃燒速率(%/min)。

　　(4)最大燃燒速率溫度Tp：P點所對應的DTG曲線上的橫坐標值即為最大燃燒速率溫度(℃)。

　　(5)殘余物質量分數αo：重量損失結束時的剩余樣品百分數(%)。

　　(6)平均燃燒速率va：其計算公式見式(1)：

　　由表2可知，DS著火溫度較TS低，說明DS含有較多熱分解溫度低的小分子揮發分。各種原料的燃盡溫度差異明顯，與其固定碳含量和灰分含量有關。一般情況下，固定碳比例低、灰分高的原料，其燃盡溫度則高，主要是因為固定碳成分高時，可持續為燃燒過程提供較高的熱量，進而促進固定碳或剩余樣品的燃燒，而灰分高的原料易于在燃盡階段形成灰殼，阻礙氧氣向內滲透和燃燒產物向外擴散，不利于整體燃燒[9]，燃盡溫度高是最直觀的表現。TS的最大燃燒速率高于DS，但其平均燃燒速率明顯低于后者，綜合其有效燃燒時間區間和工業分析結果，可判斷TS中某一性質揮發分含量較高，并集中于某一時間區間析出和燃燒，使得其最大燃燒速率偏高。

　　綜合表1和表2數據可分析，生物質燃燒殘余物質量分數與其灰分含量成正相關關系，平均燃燒速率一定程度上也受到灰分的影響，但與最大燃燒速率無直接聯系。PC和SS的試驗結果，也能夠很好證實燃燒殘余物與灰分的正相關這一現象。基于工程應用角度，DS在使用過程的可控性更高，其平均燃燒速率、燃盡溫度等特性指標更接近于PC。TS在工程應用時，應注重瞬間劇烈燃燒并可從給料環節進行燃燒過程調節。SS的熱值、平均燃燒速率、殘余物等指標明顯劣于其他3種原料，不宜單獨燃用，建議通過摻燒形式進行減量化的處理。

　　3結論

　　(1)TS著火溫度、燃盡溫度、最大燃燒效率及其溫度、殘余物質量均高于DS，而其平均燃燒速率低于后者。

　　(2)TS中某一性質的揮發分含量較高，是造成其最大燃燒速率高的主要因素，結合其他特性指標，可判斷DS在燃用綜合性能上的表現更佳。

　　(3)DS具有與PC較多相似的特性指標，SS各種指標劣于其他3種燃料，宜通過摻燒的形式燃用。

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