Jiao Zhenwei 1, Zhao Wuzi 2Wang Hanping 1, Su Junlin1
(1. Département de génie thermique, Université Jilin, Changchun 130025, Chine; 2. 93279, Armée populaire de libération de l'APL, 118000, Liaoning, Chine)
Résumé: Sur la base des deux principaux indices caractéristiques de la fusion des cendres et du pouvoir calorifique du combustible de biomasse, la tige de maïs et la coquille de riz ont été utilisées comme principales matières premières et l'optimisation de la conception et de l'analyse a été réalisée pour trouver l'optimisation du combustible à granulés de biomasse mixte Et la température de ramollissement ST> 1400 ℃ des particules de biomasse mixtes a été améliorée et le problème de scories de la paille de maïs a été effectivement résolu. L'analyse thermogravimétrique et le mécanisme de combustion et les caractéristiques cinétiques des particules de biomasse mixtes ont été analysés. Les particules de biomasse ont les caractéristiques de l'allumage facile et de la pyrolyse à un seul pic, et la performance de la combustion est bonne. Cette étude fournit des conseils pour améliorer les performances de combustion du combustible à biomasse monomoteur et promouvoir l'utilisation de l'énergie de la biomasse.
0 Introduction
À l'heure actuelle, de nombreux pays développent et utilisent les énergies renouvelables comme une partie importante de la stratégie énergétique, et la biomasse comme stockage d'énergie renouvelable, a suscité de nombreuses préoccupations à travers le monde.
La biomasse est riche en ressources, représentant environ 14% de la consommation totale d'énergie dans le monde[1]~ [3]C'est une façon importante d'utiliser la biomasse comme carburant de haute qualité pour la compression et le durcissement de la biomasse, et depuis les années 1930, de nombreux pays développés (comme les États-Unis, le Japon, la Finlande et le Danemark) ont investi beaucoup de main-d'œuvre, Recherche de matériaux La technologie de moulage de biomasse et le combustible à granulés, à la fin des années 80, la technologie mûrit, formant une certaine échelle [4], [5]La Chine a peu de recherches sur la théorie et l'application de la combustion de la biomasse en pellets en raison de son démarrage tardif [6], Le progrès technologique est lent. Il n'est pas clair que le mécanisme de la réaction physique et chimique dans le processus de combustion des particules solides de biomasse n'est pas clair, la raison du slagging doit encore être analysée. Liu Shengyong pense que le maïs de porosité relative différente L'air contenu dans les vides du combustible formant la paille a un certain effet sur la combustion. Les résultats expérimentaux montrent que le combustible formant des tiges de maïs a de bonnes performances de moulage par compression et des performances de combustion sous la pression de 10 ~ 20 MPa[7], [8].
Ma Youqin Les éléments chimiques des sédiments et des cendres pendant le processus de combustion de la paille ont été analysés, et on a considéré que les composés de métaux alcalins dans la cendre 2Réaction pour produire un faible point de fusion de l'eutectique, fusion du flux eutectique, collage pour former des scories, proposition d'utilisation d'additifs pour modifier la formation des processus chimiques gris, de la biomasse et d'autres combustibles (charbon) mélangés à l'élimination des métaux alcalins, adaptés Conception de chaudières et autres méthodes de recherche[9].
J'ai fait une recherche sur le biogaz, la performance de combustion des briquettes de biomasse est meilleure [10]Dans notre application pratique, nous avons constaté que les tiges de maïs mélangées à la poudre de cire de riz dans le processus de combustion, la tendance à la cokéfaction est faible. Si le fabricant de granulés de paille absorbe le processus d'extrusion de paille dans l'extrusion d'eau dans le matériau mélangé avec un peu de meulage Riz produit par le sous-produit de la poudre de cire de riz. Pour ces particules de biomasse mixtes dans le processus de combustion des caractéristiques anti-cokéfaction et de combustion et n'a pas conduit à une compréhension approfondie de ce phénomène, nous avons mené une étude pilote.
Conception et étude expérimentale sur le carburant à granules de biomasse mixte
À l'heure actuelle, le combustible solide de la biomasse possède des particules de paille, des tiges de riz, des particules de bois, etc., la plupart du temps, une composante unique. La proportion totale de particules de paille de maïs est plus grande et les particules de paille de maïs sont faciles à coke dans le processus de combustion. , Nous avons utilisé la poudre de croûte de riz qui n'était pas facile à cocer et les copeaux de bois ont été mélangés dans la poudre de paille pour effectuer l'étude expérimentale sur les particules mélangées avec différents rapports de composition dans différentes conditions de moulage.
Les raisons de la sélection des tiges de maïs, de la poudre de riz et de la sciure de bois sont les principales raisons du calcul des tiges de maïs dans la quantité totale de déchets de biomasse et le problème de la cokéfaction entrave son application. Le riz est le grain principal des régimes de résidents chinois, La sciure de riz en poudre dans les tas de montagnes des usines de moulin, car le moulin n'est pas facile à traiter. La sciure a une bonne performance de combustion. À l'aide de Changsha trois German Industrial Co., Ltd. calorimètre automatique SDACM-3000, analyse industrielle automatique SDTGA-2000 Instrument et testeur automatique de fusion de cendres SDAF2000d, les tiges de maïs, la poudre de ris de riz, les copeaux de bois du pouvoir calorifique, l'analyse industrielle, la détermination de la fonte des cendres (atmosphère d'essai sont oxydantes), les données indiquées dans le tableau 1.
Cette expérience prend la combinaison de la tige de maïs et de la cocotte de riz, la température de moulage, la pression de moulage, trois facteurs: chaque facteur prend 3 niveaux, la valeur indiquée dans le tableau 2. Analyse selon laquelle les tiges de maïs et les copeaux de bois ont une valeur calorifique relativement élevée et une température d'adoucissement Faible et la valeur est relativement proche, la teneur en cendres de la sciure de bois est inférieure, la quantité de copeaux de bois dans le rapport est plus grande et le coût est plus important. La valeur calorifique de la coque de riz est relativement faible, la température de ramollissement est très élevée, le laitier n'est pas facile, la coquille de riz et la tige de maïs sont chaudes La valeur et la fusion des cendres sont complémentaires.
Le protocole de test orthogonal a été conçu pour tester la densité et la qualité de l'apparence, la fusion des cendres et les caractéristiques de scories de chaque test, et la valeur pondérée a été prise comme fonction objective. Suivez NY / T1880-2010 "Solides en biomasse Préparation de la méthode de préparation des échantillons de carburant "Préparation des échantillons, suivre NY / T1881.7-2010" Méthode d'essai de carburant de moulage solide de biomasse "Partie 7: Densité, tester la densité des échantillons, conformément au GB GB / T219-1996" charbon La méthode de fusion de la détermination de la fonte des cendres de l'échantillon, la combustion du carburant à l'état de la chaudière est plus complexe, la distribution du champ de température de la chaudière est différente de la distribution de l'oxygène n'est pas uniforme, la plupart de l'atmosphère d'oxydation de la combustion, il existe des locaux Dans le testeur automatique de fusion SDF2000d, le système d'acquisition d'image et le système de contrôle de la température de l'instrument sont utilisés pour simuler l'atmosphère oxydante et l'atmosphère faiblement réductrice de la combustion réelle de la chaudière. L'échantillon est chauffé à 1200. Dans cet article, Les résultats montrent que la scorie des particules de biomasse a une grande corrélation avec la fusion des cendres et que la température de ramollissement est élevée et que la tendance à la scories est faible. Grâce à la fonction objective (2, 2, 2) est le meilleur, c'est-à-dire 75% de tiges de maïs: 25% de composants de cire de riz, la pression de moulage est de 32 MPa, la température de moulage est de 180 ℃, les meilleures particules. Température> 1400 ℃, caractéristiques des scories de coca et charbon bitumineux ordinaire semblable au pouvoir calorifique de 15053,87kJ / kg, plus élevé que le prix actuel du marché de la valeur calorifique du charbon.
Étude expérimentale sur les caractéristiques de combustion des particules mixtes
Les caractéristiques de combustion sont des indicateurs importants de la mesure du carburant. Beaucoup de personnes dans l'étude des caractéristiques de combustion de la biomasse des combustibles solides, en fonction de l'utilisation des exigences d'équipement d'analyse thermogravimétrique, du combustible solide et ensuite écrasées en poudre, ont une qualité d'environ 10 mg pour effectuer le test thermogravimétrique. On considère que les particules solides sont pulvérisées et sont différentes du processus de volatilisation des particules entières. Le processus de contact avec les molécules d'oxygène dans le processus de combustion est différent [8]Par conséquent, la courbe thermogravimétrique résultante est différente et les caractéristiques de combustion différentes.
Les caractéristiques de combustion des particules mixtes de biomasse 11 ont été réalisées sur un banc d'essai thermogravimétrique auto-développé. Les particules d'essai ont une forme, une taille et un poids similaires aux tiges de maïs vendues sur le marché actuel. Les échantillons n'étaient pas pulvérisés, la qualité des échantillons était importante et les échantillons étaient maintenus dans une utilisation pratique, de sorte qu'il y avait un facteur de moulage dans la pyrolyse et la combustion des échantillons.
Le test thermogravimétrique a été effectué sous une atmosphère oxydante à une vitesse de chauffage de β = 10 ° C / min. Les échantillons d'essai ont été chauffés, accompagnés de précipitations d'eau et de fractionnement volatil, et avec l'avancement de la réaction de combustion La qualité de l'échantillon et la température de la zone d'échantillonnage sont synchronisées avec l'ordinateur pour l'enregistrement et l'affichage, mesurées une fois toutes les 1 s et tracées avec les courbes TG et DTG. Les résultats du test sont présentés à la Figure 2, à la Figure 3 et au Tableau 3.
Tmax est la température finale maximale, ℃, la combustion Tb de la température totale du processus (℃); Tc est la température maximale, ℃; Tmax est la température maximale de perte de température, ℃; TV est la pyrolyse de volatilisation, la température de fin de combustion, (Dm / dt) max est le taux maximal de perte de poids des substances volatiles,% / min.
Pour faciliter l'analyse, les données de test thermogravimétrique pour les particules de tiges de maïs sur le même banc de test thermogravimétrique ont été citées dans le tableau [12], Les conditions de moulage sont constantes. Comme le combustible granulaire sous la forme de l'humidité apparente a été évaporé, l'eau interne avec la température augmente lentement les précipitations, de sorte que la courbe TG et la courbe DTG n'apparaissent pas le pic d'évaporation de l'eau.
On constate dans le tableau 1 que la teneur en carbone dans les particules de biomasse est très faible, seulement 1,49% ~ 2,52%, les matières volatiles sont précipitées et brûlées de sorte que les particules de carbone sont en contact direct avec l'oxygène dans l'air et la chaleur. La combustion du coke est continue, Ainsi, la courbe TG et la courbe DTG n'apparaissent pas le pic de combustion du carbone, la courbe TG du combustible de particules de biomasse et la courbe DTG est un seul pic.
Les données expérimentales du tableau 3 et de la figure 2 et de la figure 3 montrent que la pyrolyse volatile et la perte de poids de la combustion des particules de biomasse mixtes sont supérieures à celles des particules de tiges de maïs, le pic de perte de poids de la combustion est déplacé vers la droite, la température est d'environ 29 ℃, La hauteur du pic est réduite de près de 50% et la plage de température de combustion augmente d'environ 300%. Ce résultat montre que les particules de tiges de maïs volatilisent la température inférieure et s'évaporent immédiatement lorsque les matières volatiles sont décomposées, La température de combustion des particules de biomasse mixtes est supérieure à celle des particules de paille de maïs. La température est de 27 ℃ supérieure à celle de la paille de maïs. Le taux de combustion de la biomasse volatile est également plus rapide que ce qui précède le maximum. La plage de température continue est large, dans les 260 ~ 426 ℃.
Analyse du mécanisme de combustion et caractéristiques cinétiques des particules de biomasse mixtes
La cinétique de la réaction de combustion est une branche de la réaction chimique et suit également la formule classique de la réaction chimique - la formule d'Arrhenius[13]~ [15]:
À partir des résultats de calcul des paramètres cinétiques, on constate que la pyrolyse des particules de biomasse mixtes dans la région à basse température est supérieure à celle des particules de paille de maïs et que l'énergie d'activation de la combustion est élevée, ce qui est lié à la volatilisation et à la température d'inflammation des particules de biomasse mixtes Et l'énergie d'activation des particules de biomasse mixtes est également supérieure à celle des particules de paille de maïs. On conclut que les particules de biomasse mixtes sont composées de 25% de cire de riz et la biomasse des particules de biomasse mixtes est supérieure à celle de la tige de maïs. Le contenu du carbone et des cendres fixes dans les particules de biomasse mixtes a augmenté à 8,63%, soit deux fois le taux de carbone et de cendres fixé (4,47%) de la tige de maïs pur.
4 Conclusion
(1) L'expérience a prouvé que 25% de la pâte de riz en poudre a été mélangée avec de la paille de maïs, et le comportement gris des particules de biomasse mixtes a été changé et la température de ramollissement des cendres a été augmentée à 1400 ℃, ce qui a considérablement réduit la tendance à la scories. Pour améliorer les performances anti-cokéfaction des combustibles à particules de biomasse, il ne se limite pas à la méthode d'utilisation des additifs. Dans cette étude, nous proposons une méthode hybride de déchets de biomasse pour résoudre le problème de la scorie de la paille de maïs.
(2) Les courbes TG et les courbes DTG des particules de biomasse mixtes montrent que la température des particules mixtes de biomasse est relativement faible, soit 27 ℃ supérieure à celle des particules de paille de maïs, Seulement 260 ℃, et lorsque la température de précipitation est atteinte, la pyrolyse et le taux de combustion de la fraction pré-volatile sont relativement rapides, ce qui est très favorable à l'allumage du carburant. Le pic de la courbe DTG des particules de biomasse mixtes n'a pas le pic de la courbe DTG de la paille de maïs Près de 50%, et la combustion pour maintenir la gamme de température augmente, l'analyse volatile, le taux de diffusion ralenti, favorise l'apport d'air secondaire et de matériaux combustibles complètement mélangés, tandis que la température du four augmente, le rayonnement thermique amélioré, Conduite à la combustion complète du coke.
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