朱艳艳, 张林华, 崔永章, 李凯, 吕文超,
(1.山东建筑大学热能工程学院, 山东济南250101; 2.山东建筑大学可再生能源建筑利用技术省部共建教育部重点实验室, 山东济南250101; 3.山东建筑大学山东省建筑节能技术重点实验室, 山东济南250101; 4.西安建筑科技大学环境与市政工程学院, 陕西西安710055)
摘要: 富氧燃烧是解决生物质能源直接燃烧温度低问题的重要方法. 文章采用热重分析法分别对玉米, 棉秆以及木屑进行燃烧特性试验, 通过分析不同氧气浓度下三种秸秆的TG—DTG曲线, 研究富氧条件对三种典型生物质颗粒燃料燃烧特性指数的影响. 结果表明: 富氧条件下三种生物质颗粒燃料燃尽温度区间比空气中减少近1000℃, 挥发分最大析出速率是空气中的2~ 2.75倍; 富氧条件下, 燃料的燃烧特性指数迅速上升, 且玉米杆的上升幅度最大, 表明富氧对玉米杆促进作用最强.
0引言
生物质能占世界一次能源消耗的14% , 具有清洁可再生及CO 2近零排放的优点. 我国生物质能分部广泛, 资源丰富, 每年生物质资源总量可以折合成6.5亿t标煤. 目前生物质能主要以直燃的方式为居民提供生活用能, 这种燃烧方式具有操作简单, 取材方便, 成本低的优点, 但是利用效率很低, 造成了很严重的能源浪费及环境污染. 另外, 生物质成型燃料的燃烧火焰温度一般不高于1000% , 如果能解决生物质直接燃烧温度低的问题, 将可广泛应用于工业能源领域. 富氧燃烧可以明显提高生物质直接燃烧温度, 是解决生物质能源直接燃烧温度低问题的重要方法.
近十多年来, 富氧助燃在国内外都有很大的发展. 许多发达国家都投入了大量人力物力来研究富氧技术, 特别是日本, 曾在以气, 油及煤为燃料的不同场合进行了富氧应用试验, 得出如下结论: 用23% 的富氧助燃可节能10% ~ 25% , 用25% 的富氧助燃可节能20% ~ 40% , 用27% 的富氧助燃则节能高达30% ~ 50% 等. 罗思义对生物质微米燃料富氧燃烧特性进行了分析, 并认为富氧能够改善生物质微米燃料的燃烧特性, 指出当富氧率为40% 时, 炉膛温度可达1600℃.
生物质颗粒燃料经过了高压作用, 质地比较密实, 燃烧时与空气接触面积较小, 因此, 其点火及燃烧特性与生物质微米燃料存在很大的差异. 测量挥发分的析出量是最为传统的判断生物质燃料燃烧性能的方法, 这种方法简单易行, 但是不能显示不同生物质燃料挥发分析出的温度水平, 最大析出速率及生物质的失重状况. 因此, 采用美国TA公司生产的Q50热重分析仪对三种典型生物质颗粒燃料进行试验, 通过三种燃料燃烧的TG—DTG曲线, 分析富氧条件对生物质的挥发分析出特性指数, 燃烧稳定性判别指数及燃烧特性指数, 为生物质颗粒原料的选择及大型生物质燃烧炉的设计提供理论依据, 另外对改善中国能源结构, 保护环境, 促进农村经济发展也具有重要的现实意义.
1生物质颗粒燃烧特性判别指数
1.1挥发分析出特性指数
挥发分析出特性指数表征燃烧过程中挥发分的析出性能, 是判断生物质颗粒燃料燃烧特性的一个重要指标.
2实验装置及方法
2.1实验装置
本实验采用美国TA公司生产的Q50热重分析仪, 该装置由吹扫气体系统, 热天平, 炉体, 温度控制和测量系统五部分组成. 吹扫气体系统在加热炉中, 一部分吹扫气体经数字式质量流量控制后水平流过样品, 另一部分为保护气体, 气体经过天平室后与水平吹扫气体合并从加热炉侧口流出; 热天平安置在天平室内, 提供室温~ 1000℃温度范围内优异的测量准确度和精确度; 炉体是热重分析仪的一个关键部件, 可以以最迅速, 精确的方式在室温一1000℃温度范围进行温度控制; 数字式质量流量控制器采用自动气体切换装置, 不仅可以有效改善数据的稳定性, 还能进行惰性气体和氧化气氛间的快速切换.
2.2实验方法
为了分析生物质颗粒燃料富氧条件下的燃烧特性, 采用Q50热重分析仪对玉米秸秆, 棉秆及木屑三种典型生物质颗粒燃料进行多种不同条件下的实验. 首先采用程序控温法在40% O 2, 21% O2, 14% O2和热解条件下对20mg左右样品进行的燃烧试验, 升温速率为20℃/ min, 载气流量为60mL/ min, 得到玉米秸秆, 棉秆及木屑的TG—DTG曲线图; 其次在氧浓度及载气流量分别为14% 和60mL/ min, 21% 和60mL/ min, 40% 和60mL/ min, 21% 和50mL/ min及21% 和70mL/ min五种条件下进行热重实验, 进而分析富氧条件对三种秸秆的挥发分析出特性指数Rh, 燃烧稳定性的判别指数Rw燃烧特性指数P1的影响.
3实验结果及分析
3.1富氧条件对生物质颗粒燃料燃烧失重特性的影响
3.1.1玉米秆TG—DTG曲线图
由图1可以看出, 以21% O 2曲线为基准TG及DTG曲线均可以划分为三个阶段: 第一阶段为水分的析出阶段, 温度区间为20~ 220℃. 四条曲线基本一致, 说明氧气浓度的变化对玉米秸秆的水分析出过程影响不大; 第二阶段为挥发分燃烧阶段. 从TG曲线可以看出, 40% O 2的富氧条件下燃烧区间较短, 挥发分燃烧温度区间为220~ 290℃, 21% O 2, 14% O2及热解曲线差别不大, 温度区间为220~ 330℃. 从DTG曲线可以看出, 四条曲线均出现了挥发分析出速率峰值. 40% O 2的富氧条件下最大析出速率为23% / min, 21% O 2, 14% O2及热解条件下最大析出速率分别为14% / min, 13% / min及12% / min; 第三阶段为固定碳燃烧阶段, 从TG曲线可以看出, 40% O 2富氧条件下玉米的燃烧区间明显缩短, 燃烧温度区间为390—440℃, 21% O 2及14% O 2曲线差别不大, 温度区间为220~ 330℃.
热解曲线与其他三种相比, 挥发分燃烧阶段与固定碳燃烧阶段之间没有明显的过渡段, 固定碳的燃烧区间较长, 温度区间为330~ 900℃. 从DTG曲线可以看出, 除热解曲线没有出现失重速率峰值外, 其他三条均出现了失重速率峰值. 40% O 2的富氧条件下玉米秆的最大析出速率为11% / min, 21% O 2最大析出速率为4% / min, 40% O 2富氧条件下最大析出速率是空气中的2.75倍. 说明富氧可以缩短木屑挥发分及固定碳的燃烧区间, 增大挥发分析出速率, 使玉米的燃烧性能更好.
3.1.2棉秆TG—DTG曲线图
由图2可以看出, 棉秆TG及DTG曲线与玉米秆基本一致, 划分为三个阶段. 第一阶段温度区间为20~ 250℃. 这一阶段四条曲线基本一致, 说明水分析出阶段氧气浓度的变化对棉杆的影响不大; 第二阶段为挥发分燃烧阶段, 温度区间为250~ 300℃. 从TG曲线可以看出, 40% O 2的富氧条件下棉秆挥发分燃烧温度区间为250~ 290℃, 21% O 2, 14% O2及热解曲线差别不大, 温度区间为220—350℃. 从DTG曲线可以看出, 四条曲线也均出现了挥发分析速率峰值, 且富氧条件下峰值出现的最早. 40% O 2的富氧条件下棉杆的最大析出速率为19% / min, 明显高于其余三条曲线; 第三阶段为固定碳燃烧阶段, 从TG曲线可以看出, 40% O 2富氧条件下棉杆燃烧温度区间为390~ 440℃, 比21% O 2条件下燃烧区间减少100℃. 从DTG曲线可以看出, 除热解曲线没有出现失重速率峰值外, 其他三条均出现了失重速率峰值, 且富氧条件下峰值出现的最早. 40% O 2的富氧条件下玉米秆的最大析出速率为12% / min, 21% O 2最大析出速率为5% / min, 40% O 2富氧条件下最大析出速率是空气中的2.4倍. 说明富氧可以缩短棉杆挥发分及固定碳的燃烧区间, 增大挥发分析出速率, 改善棉杆的燃烧性能.
3.1.3木屑TG—DTG曲线图
由图3可以看出, 木屑TG及DTG曲线与棉秆更为相似, 但是挥发分及固定碳燃烧分界处没有玉米秆和棉秆明显. 第一阶段为水分析出阶段, 四条曲线基本一致, 说明氧气浓度的变化对木屑的水分析出过程影响也不大; 第二阶段为挥发分燃烧阶段.
从TG曲线可以看出, 40% O 2的富氧条件下棉秆挥发分燃烧温度区间为250—310℃, 比21% O 2条件下减少30℃. 从DTG曲线可以看出, 40% O 2的富氧条件下棉杆的最大析出速率为23% / min. 21% O 2, 14% 02及热解条件下最大析出速率分别为17% / min, 16% / min和15% / min; 第三阶段为固定碳燃烧阶段, 从TG曲线可以看出, 40% O 2富氧条件下木屑燃烧温度区间为320~ 440% , 比21% 02条件下燃烧区间减少100cc. 从DTG曲线可以看出, 14% O 2及热解曲线没有出现明显的失重速率峰值, 说明缺氧条件对木屑固定碳的燃烧阶段阻碍较大.
40% O2的富氧条件下玉米秆的最大析出速率为12% / min, 21% O 2最大析出速率为6% / min, 40% O 2富氧条件下最大析出速率是空气中的2倍. 说明富氧可以缩短木屑挥发分及固定碳的燃烧区问, 增大挥发分析出速率, 使木屑的燃烧性能更好.
3.2富氧条件对生物质颗粒燃料特性的影响
3.2.1富氧条件对生物质颗粒挥发分析出特性的影响
不同载流理和氧气浓度条件下, 三种典型生物质颗粒燃料的Rh值如图4所示.
图4表明, 随着氧气含量的变化, 三种典型生物质颗粒燃料的挥发分析出特性指数变化很大. 在缺氧的状况下, 玉米, 棉杆及木屑的挥发分析出特性指数分别为7.1, 7.8及7.90mg/ (min·K 2), 这说明缺氧条件下木屑及棉杆挥发分最易析出, 玉米挥发分析出最难. 当达到21% O 2条件时, 玉米, 棉杆及木屑的挥发分析出特性指数均呈上升趋势, 这说明随着氧气含量升高, 三种秸秆的燃烧稳定性有所增强.
40% O2的富氧条件下, 玉米, 棉杆及木屑的挥发分析出特性指数分别为16.3, 12.2和13.7mg/ (min·K 2), 表明富氧条件下, 三种秸秆的燃烧稳定性明显改善. 与空气中相比, 富氧条件下玉米挥发分析出特性指数增加了7.6mg/ (min·K 2), 而玉米与木屑分别增加了4.1及4.8mg/ (min·K 2), 说明富氧条件下玉米挥发分析出的促进作用最强.
3.2.2富氧条件对生物质颗粒燃烧稳定性的影响
不同条件下, 三种典型生物质颗粒燃料的Rw值如图5所示.
图5表明, 随着氧气含量的变化, 三种典型生物质颗粒燃料的燃烧稳定性也有很大变化. 在缺氧的状况下, 玉米, 棉杆及木屑的燃烧稳定性指数分别为800, 740和880, 这说明缺氧条件下木屑燃烧稳定性最好, 玉米稍次, 棉秆最差; 当达到21% O 2条件时, 玉米, 棉杆及木屑的燃烧稳定性指数分别为900, 960和930, 这说明随着氧气含量升高, 三种秸秆的燃烧稳定性有所增强, 其中棉杆稳定性指数增加了220, 玉米与木屑大约增加100, 说明缺氧条件下增加氧气含量对棉杆的促进作用最强; 与21% O 2相比, 40% O 2的富氧条件下, 玉米稳定性指数增加了640, 玉米与木屑分别增加了260和430, 说明富氧条件下增加氧气含量对玉米的促进作用最强, 木屑次之, 棉杆最差. 另外, 三种典型生物质颗粒燃料的燃烧稳定性随着载气流量的变化, 呈开口向下的抛物线型变化.
3.2.3富氧条件对生物质颗粒燃烧特性指数的影响
不同条件下, 三种典型生物质颗粒燃料的P1值如图6所示.
P1值的变化趋势Rh与Rw及值的变化趋势基本相同, 这表明生物质颗粒挥发分的析出有利于降低颗粒的点火温度, 提高其燃烧稳定性及燃烧速率.
在缺氧的状况下, 玉米, 棉杆及木屑的燃烧特性指数都比较低, 这说明缺氧条件下三种生物质颗粒燃料的点火性能及燃尽性能较差; 21% O 2条件时, 玉米, 棉杆及木屑的燃烧稳定性指数呈现上升趋势, 其中棉杆稳定性指数增加了2.2mg 2/ (min·K 2), 玉米与木屑分别增加了1.5, 0.9mg 2/ (min·K 2), 这说明随着氧气含量升高, 三种秸秆的燃烧稳定性有所增强, 且增加氧气含量对棉杆的促进作用最强; 与21% O 2相比, 40% O 2的富氧条件时, 玉米稳定性指数增加了4.0mg 2/ (min·K 2), 棉杆与木屑分别增加了2.4和3.6mg 2/ (min·K 2). 表明富氧条件下, 三种秸秆的燃烧特性明显改善, 且增加氧气含量对玉米点火, 燃烧及燃尽特性的促进作用最强, 木屑次之, 棉杆最差. 另外, 三种典型生物质颗粒燃料的燃烧稳定性随着载气流量的变化, 也呈开口向下的抛物线型变化.
4结论
(1)TG—DTG曲线显示, 40% O 2富氧条件下生物质颗粒燃料挥发分燃烧区间比空气中缩短30℃, 固定碳的燃烧区间缩短近100℃. 富氧条件下挥发分析出峰值是空气中的2—2.75倍, 且峰值出现的比较早, 表明生物质燃烧性能明显改善.
(2)随着氧气含量的增加, 玉米, 棉杆及木屑的挥发分析出特性指数, 燃烧稳定性的判别指数及燃烧特性指数均呈现上升趋势. 在14% 一21% 0, 浓度范围内, 三种指数的增加量较小. 21% ~ 40% O 2富氧条件下, 三种指数均呈现明显的上升趋势. 证明14% ~ 21% O 2浓度范围内增加氧气含量可以改善生物质的燃烧性能, 但是效果不是很明显; 21% ~ 40% O 2富氧条件能够大幅度改善生物质燃料的燃烧性能.
(3)21% O2条件下, 玉米, 棉杆及木屑的三种指标差别都不大, 而40% 0: 富氧条件下, 玉米颗粒的三种指标均明显高于棉杆及木屑, 这说明富氧条件对玉米颗粒燃料的促进作用更强.
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