朱豔豔, 張林華, 崔永章, 李凱, 呂文超,
(1.山東建築大學熱能工程學院, 山東濟南250101; 2.山東建築大學可再生能源建築利用技術省部共建教育部重點實驗室, 山東濟南250101; 3.山東建築大學山東省建築節能技術重點實驗室, 山東濟南250101; 4.西安建築科技大學環境與市政工程學院, 陝西西安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. 文章採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, 且玉米杆的上升幅度最大, 表明富氧對玉米杆促進作用最強.
0引言
生物質能佔世界一次能源消耗的14% , 具有清潔可再生及CO 2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摺合成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汙染. 另外, 生物質成型燃料的燃燒火焰溫度一般不高於1000% , 如果能解決生物質直接燃燒溫度低的問題, 將可廣泛應用於工業能源領域. 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, 並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, 採用美國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徵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
本實驗採用美國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後水平流過樣品, 另一部分為保護氣體, 氣體經過天平室後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℃溫度範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℃溫度範圍進行溫度控制; 數字式質量流量控制器採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, 採用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. 首先採用程序控溫法在40% O 2, 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% O 2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% O 2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% O 2, 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% O 2的富氧條件下最大析出速率為23% / min, 21% O 2, 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% O 2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% O 2及14% O 2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% O 2的富氧條件下玉米稈的最大析出速率為11% / min, 21% O 2最大析出速率為4% / min, 40% O 2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杆的影響不大; 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% O 2的富氧條件下棉稈揮發分燃燒溫度區間為250~ 290℃, 21% O 2, 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% O 2的富氧條件下棉杆的最大析出速率為19% / min, 明顯高於其餘三條曲線; 第三階段為固定碳燃燒階段, 從TG曲線可以看出, 40% O 2富氧條件下棉杆燃燒溫度區間為390~ 440℃, 比21% O 2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% O 2的富氧條件下玉米稈的最大析出速率為12% / min, 21% O 2最大析出速率為5% / min, 40% O 2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杆揮發分及固定碳的燃燒區間, 增大揮發分析出速率, 改善棉杆的燃燒性能.
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% O 2的富氧條件下棉稈揮發分燃燒溫度區間為250—310℃, 比21% O 2條件下減少30℃. 從DTG曲線可以看出, 40% O 2的富氧條件下棉杆的最大析出速率為23% / min. 21% O 2, 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% O 2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% O 2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% O 2最大析出速率為6% / min, 40% O 2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, 棉杆及木屑的揮發分析出特性指數分別為7.1, 7.8及7.90mg/ (min·K 2), 這說明缺氧條件下木屑及棉杆揮發分最易析出, 玉米揮發分析出最難. 當達到21% O 2條件時, 玉米, 棉杆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, 棉杆及木屑的揮發分析出特性指數分別為16.3, 12.2和13.7mg/ (min·K 2), 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·K 2), 而玉米與木屑分別增加了4.1及4.8mg/ (min·K 2), 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, 棉杆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% O 2條件時, 玉米, 棉杆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, 其中棉杆穩定性指數增加了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杆的促進作用最強; 與21% O 2相比, 40% O 2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, 棉杆最差. 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於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, 棉杆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% O 2條件時, 玉米, 棉杆及木屑的燃燒穩定性指數呈現上升趨勢, 其中棉杆穩定性指數增加了2.2mg 2/ (min·K 2), 玉米與木屑分別增加了1.5, 0.9mg 2/ (min·K 2), 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杆的促進作用最強; 與21% O 2相比, 40% O 2的富氧條件時, 玉米穩定性指數增加了4.0mg 2/ (min·K 2), 棉杆與木屑分別增加了2.4和3.6mg 2/ (min·K 2). 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, 棉杆最差. 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% O 2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, 棉杆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, 濃度範圍內, 三種指數的增加量較小. 21% ~ 40% O 2富氧條件下, 三種指數均呈現明顯的上升趨勢. 證明14% ~ 21% O 2濃度範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% O 2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, 棉杆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於棉杆及木屑, 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徵分析[J].山東建築大學學報, 2012, 27(3): 298—301.
[3]田賀忠, 趙丹, 王豔.中國生物質燃燒大氣汙染物排放清單[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].山東建築大學學報, 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.
