朱艷艷，張林華*，2，3，崔永章，2，3，李凱，呂文超，

(1.山東建筑大學(xué)熱能工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101;2.山東建筑大學(xué)可再生能源建筑利用技術(shù)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250101;3.山東建筑大學(xué)山東省建筑節(jié)能技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250101;4.西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，陜西 西安 710055)

0 引言

生物質(zhì)能占世界一次能源消耗的14%[1]，具有清潔可再生及CO2近零排放的優(yōu)點(diǎn)。我國生物質(zhì)能分部廣泛，資源豐富，每年生物質(zhì)資源總量可以折合成6.5億t標(biāo)煤[2]。目前生物質(zhì)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(yōu)點(diǎn)，但是利用效率很低，造成了很嚴(yán)重的能源浪費(fèi)及環(huán)境污染[3]。另外，生物質(zhì)成型燃料的燃燒火焰溫度一般不高于1000℃，如果能解決生物質(zhì)直接燃燒溫度低的問題，將可廣泛應(yīng)用于工業(yè)能源領(lǐng)域。富氧燃燒可以明顯提高生物質(zhì)直接燃燒溫度，是解決生物質(zhì)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(nèi)外都有很大的發(fā)展。許多發(fā)達(dá)國家都投入了大量人力物力來研究富氧技術(shù)，特別是日本，曾在以氣、油及煤為燃料的不同場合進(jìn)行了富氧應(yīng)用試驗(yàn)，得出如下結(jié)論:用23%的富氧助燃可節(jié)能10% ～25%，用25%的富氧助燃可節(jié)能20%～40%，用27%的富氧助燃則節(jié)能高達(dá)30% ～50%等[4]。羅思義對生物質(zhì)微米燃料富氧燃燒特性進(jìn)行了分析，并認(rèn)為富氧能夠改善生物質(zhì)微米燃料的燃燒特性，指出當(dāng)富氧率為40%時(shí)，爐膛溫度可達(dá)1600℃[5]。生物質(zhì)顆粒燃料經(jīng)過了高壓作用，質(zhì)地比較密實(shí)，燃燒時(shí)與空氣接觸面積較小，因此，其點(diǎn)火及燃燒特性與生物質(zhì)微米燃料存在很大的差異[6]。測量揮發(fā)分的析出量是最為傳統(tǒng)的判斷生物質(zhì)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(zhì)燃料揮發(fā)分析出的溫度水平、最大析出速率及生物質(zhì)的失重狀況[7]。因此，采用美國TA公司生產(chǎn)的Q50熱重分析儀對三種典型生物質(zhì)顆粒燃料進(jìn)行試驗(yàn)，通過三種燃料燃燒的TG－DTG曲線，分析富氧條件對生物質(zhì)的揮發(fā)分析出特性指數(shù)、燃燒穩(wěn)定性判別指數(shù)及燃燒特性指數(shù)，為生物質(zhì)顆粒原料的選擇及大型生物質(zhì)燃燒爐的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，另外對改善中國能源結(jié)構(gòu)，保護(hù)環(huán)境，促進(jìn)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展也具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[8]。

1 生物質(zhì)顆粒燃燒特性判別指數(shù)

1.1 揮發(fā)分析出特性指數(shù)

式中，(dw/dt)max為揮發(fā)分最大析出質(zhì)量速率，mg/min;Tmax為最大析出速率對應(yīng)溫度值，K;ΔT為開始析出到析出最大時(shí)的溫度差，K。

不同生物質(zhì)顆粒由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)及化學(xué)成分不同會(huì)表現(xiàn)出不用的燃燒特性，揮發(fā)分析出特性指數(shù)代表生物質(zhì)顆粒燃燒過程揮發(fā)份析出的快慢，Rh值越大表示揮發(fā)分析出越快，燃盡所需的時(shí)間越短，揮發(fā)段TG－DTG曲線越陡峭。

1.2 燃燒穩(wěn)定性判別指數(shù)

燃燒穩(wěn)定性判別指數(shù)表征生物質(zhì)顆粒燃料的穩(wěn)定性，以純碳作為測試的基準(zhǔn)，則

揮發(fā)分析出特性指數(shù)Rh表征燃燒過程中揮發(fā)分的析出性能，是判斷生物質(zhì)顆粒燃料燃燒特性的一個(gè)重要指標(biāo)[8]。

式中:928為碳著火溫度，K;0.00582為三種秸稈燃燒峰下的失重速率，mg/min;1036為燒速率最大時(shí)對應(yīng)的溫度，K。

不同生物質(zhì)燃料由于水分、揮發(fā)分及灰分含量的差異，其固定碳的燃燒也會(huì)受到不同程度的影響。Rw值越大，說明生物質(zhì)點(diǎn)火后溫度上升越快，生物質(zhì)顆粒燃料燃燒越穩(wěn)定[10]。

1.3 燃燒特性指數(shù)

燃燒特性指數(shù)P1是一個(gè)新的判別生物質(zhì)點(diǎn)火、燃燒及燃盡特性的綜合指標(biāo)。

式中，(dm/dt)max為燃燒峰值時(shí)的著火速率，mg/min;(dm/dt)mean/Th為生物質(zhì)平均燃燒溫度與燃盡溫度之比，其值越大表明燃盡所需時(shí)間越短。

P1值越大，預(yù)示生物質(zhì)顆粒燃料點(diǎn)火越容易，燃盡所需的時(shí)間越短，燃燒性能越好[11]。如果兩種生物質(zhì)的P1相差不大，那么其燃燒性能也就比較相近。

2 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)采用美國TA公司生產(chǎn)的Q50熱重分析儀，該裝置由吹掃氣體系統(tǒng)、熱天平、爐體、溫度控制和測量系統(tǒng)五部分組成。吹掃氣體系統(tǒng)在加熱爐中，一部分吹掃氣體經(jīng)數(shù)字式質(zhì)量流量控制后水平流過樣品，另一部分為保護(hù)氣體，氣體經(jīng)過天平室后與水平吹掃氣體合并從加熱爐側(cè)口流出;熱天平安置在天平室內(nèi)，提供室溫 ～1000℃溫度范圍內(nèi)優(yōu)異的測量準(zhǔn)確度和精確度;爐體是熱重分析儀的一個(gè)關(guān)鍵部件，可以以最迅速、精確的方式在室溫 ～1000℃溫度范圍進(jìn)行溫度控制;數(shù)字式質(zhì)量流量控制器采用自動(dòng)氣體切換裝置，不僅可以有效改善數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，還能進(jìn)行惰性氣體和氧化氣氛間的快速切換。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

為了分析生物質(zhì)顆粒燃料富氧條件下的燃燒特性，采用Q50熱重分析儀對玉米秸稈、棉稈及木屑三種典型生物質(zhì)顆粒燃料進(jìn)行多種不同條件下的實(shí)驗(yàn)。首先采用程序控溫法在40%O2、21%O2、14%O2和熱解條件下對20mg左右樣品進(jìn)行的燃燒試驗(yàn)，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、min21% 和50mL/min及21%和70mL/min五種條件下進(jìn)行熱重實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而分析富氧條件對三種秸稈的揮發(fā)分析出特性指數(shù)Rh、燃燒穩(wěn)定性的判別指數(shù)Rw、燃燒特性指數(shù)P1的影響。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 富氧條件對生物質(zhì)顆粒燃料燃燒失重特性的影響

3.1.1 玉米稈TG－DTG曲線圖

圖1 玉米秸稈在不同氧氣濃度氣氛下的TG－DTG曲線

由圖1可以看出，以21%O2曲線為基準(zhǔn)TG及DTG曲線均可以劃分為三個(gè)階段:第一階段為水分的析出階段，溫度區(qū)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(fā)分燃燒階段。從TG曲線可以看出，40%O2的富氧條件下燃燒區(qū)間較短，揮發(fā)分燃燒溫度區(qū)間為220～290℃，21%O2、14%O2及熱解曲線差別不大，溫度區(qū)間為220～330℃。從DTG曲線可以看出，四條曲線均出現(xiàn)了揮發(fā)分析出速率峰值。40%O2的富氧條件下最大析出速率為 23%/min，21%O2、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%O2富氧條件下玉米的燃燒區(qū)間明顯縮短，燃燒溫度區(qū)間為390～440℃，21%O2及14%O2曲線差別不大，溫度區(qū)間為220～330℃。熱解曲線與其他三種相比，揮發(fā)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(qū)間較長，溫度區(qū)間為330～900℃。從DTG曲線可以看出，除熱解曲線沒有出現(xiàn)失重速率峰值外，其他三條均出現(xiàn)了失重速率峰值。40%O2的富氧條件下玉米稈的最大析出速率為11%/min，21%O2最大析出速率為4%/min，40%O2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(fā)分及固定碳的燃燒區(qū)間，增大揮發(fā)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

圖2 棉稈在不同氧氣濃度氣氛下的TG－DTG曲線

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(gè)階段。第一階段溫度區(qū)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桿的影響不大;第二階段為揮發(fā)分燃燒階段，溫度區(qū)間為250～300℃。從TG曲線可以看出，40%O2的富氧條件下棉稈揮發(fā)分燃燒溫度區(qū)間為250～290℃，21%O2、14%O2及熱解曲線差別不大，溫度區(qū)間為220～350℃。從DTG曲線可以看出，四條曲線也均出現(xiàn)了揮發(fā)分析速率峰值，且富氧條件下峰值出現(xiàn)的最早。40%O2的富氧條件下棉桿的最大析出速率為19%/min，明顯高于其余三條曲線;第三階段為固定碳燃燒階段，從TG曲線可以看出，40%O2富氧條件下棉桿燃燒溫度區(qū)間為390～440℃，比21%O2條件下燃燒區(qū)間減少100℃。從DTG曲線可以看出，除熱解曲線沒有出現(xiàn)失重速率峰值外，其他三條均出現(xiàn)了失重速率峰值，且富氧條件下峰值出現(xiàn)的最早。40%O2的富氧條件下玉米稈的最大析出速率為12%/min，21%O2最大析出速率為5%/min，40%O2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桿揮發(fā)分及固定碳的燃燒區(qū)間，增大揮發(fā)分析出速率，改善棉桿的燃燒性能。

3.1.3 木屑TG－DTG曲線圖

圖3 木屑在不同氧氣濃度氣氛下的TG－DTG曲線

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(fā)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(fā)分燃燒階段。從TG曲線可以看出，40%O2的富氧條件下棉稈揮發(fā)分燃燒溫度區(qū)間為250～310℃，比21%O2條件下減少30℃。從DTG曲線可以看出，40%O2的富氧條件下棉桿的最大析出速率為23%/min。21%O2、14%O2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%O2富氧條件下木屑燃燒溫度區(qū)間為320～440℃，比21%O2條件下燃燒區(qū)間減少100℃。從DTG曲線可以看出，14%O2及熱解曲線沒有出現(xiàn)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%O2最大析出速率為 6%/min，40%O2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(fā)分及固定碳的燃燒區(qū)間，增大揮發(fā)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(zhì)顆粒燃料特性的影響

3.2.1 富氧條件對生物質(zhì)顆粒揮發(fā)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(zhì)顆粒燃料的Rh值如圖4所示。

圖4 不同條件下的揮發(fā)分析出特性指數(shù)

圖4表明，隨著氧氣含量的變化，三種典型生物質(zhì)顆粒燃料的揮發(fā)分析出特性指數(shù)變化很大。在缺氧的狀況下，玉米、棉桿及木屑的揮發(fā)分析出特性指數(shù)分別為7.1、7.8 及7.90mg/(min·K2)，這說明缺氧條件下木屑及棉桿揮發(fā)分最易析出，玉米揮發(fā)分析出最難。當(dāng)達(dá)到21%O2條件時(shí)，玉米、棉桿及木屑的揮發(fā)分析出特性指數(shù)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(wěn)定性有所增強(qiáng)。40%O2的富氧條件下，玉米、棉桿及木屑的揮發(fā)分析出特性指數(shù)分別為 16.3、12.2 和 13.7mg/(min·K2)，表明富氧條件下，三種秸稈的燃燒穩(wěn)定性明顯改善。與空氣中相比，富氧條件下玉米揮發(fā)分析出特性指數(shù)增加了7.6mg/(min·K2)，而玉米與木屑分別增加了4.1及4.8mg/(min·K2)，說明富氧條件下玉米揮發(fā)分析出的促進(jìn)作用最強(qiáng)。

3.2.2 富氧條件對生物質(zhì)顆粒燃燒穩(wěn)定性的影響

不同條件下，三種典型生物質(zhì)顆粒燃料的Rw值如圖5所示。

圖5 不同條件下燃燒穩(wěn)定性的判別指數(shù)

圖5表明，隨著氧氣含量的變化，三種典型生物質(zhì)顆粒燃料的燃燒穩(wěn)定性也有很大變化。在缺氧的狀況下，玉米、棉桿及木屑的燃燒穩(wěn)定性指數(shù)分別為800、740和880，這說明缺氧條件下木屑燃燒穩(wěn)定性最好，玉米稍次，棉稈最差;當(dāng)達(dá)到21%O2條件時(shí)，玉米、棉桿及木屑的燃燒穩(wěn)定性指數(shù)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(wěn)定性有所增強(qiáng)，其中棉桿穩(wěn)定性指數(shù)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桿的促進(jìn)作用最強(qiáng);與21%O2相比，40%O2的富氧條件下，玉米穩(wěn)定性指數(shù)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(jìn)作用最強(qiáng)，木屑次之，棉桿最差。另外，三種典型生物質(zhì)顆粒燃料的燃燒穩(wěn)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(zhì)顆粒燃燒特性指數(shù)的影響

不同條件下，三種典型生物質(zhì)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(zhì)顆粒揮發(fā)分的析出有利于降低顆粒的點(diǎn)火溫度，提高其燃燒穩(wěn)定性及燃燒速率。在缺氧的狀況下，玉米、棉桿及木屑的燃燒特性指數(shù)都比較低，這說明缺氧條件下三種生物質(zhì)顆粒燃料的點(diǎn)火性能及燃盡性能較差;21%O2條件時(shí)，玉米、棉桿及木屑的燃燒穩(wěn)定性指數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢，其中棉桿穩(wěn)定性指數(shù)增加了2.2mg2/(min·K3)，玉米與木屑分別增加了 1.5、0.9mg2/(min·K3)，這說明隨著氧氣含量升高，三種秸稈的燃燒穩(wěn)定性有所增強(qiáng)，且增加氧氣含量對棉桿的促進(jìn)作用最強(qiáng);與21%O2相比，40%O2的富氧條件時(shí)，玉米穩(wěn)定性指數(shù)增加了4.0mg2/(min·K3)，棉桿與木屑分別增加了2.4和3.6mg2/(min·K3)。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(diǎn)火、燃燒及燃盡特性的促進(jìn)作用最強(qiáng)，木屑次之，棉桿最差。另外，三種典型生物質(zhì)顆粒燃料的燃燒穩(wěn)定性隨著載氣流量的變化，也呈開口向下的拋物線型變化。

圖6 不同條件下的燃燒特性指數(shù)

4 結(jié)論

(1)TG－DTG曲線顯示，40%O2富氧條件下生物質(zhì)顆粒燃料揮發(fā)分燃燒區(qū)間比空氣中縮短30℃，，固定碳的燃燒區(qū)間縮短近100℃。富氧條件下?lián)]發(fā)分析出峰值是空氣中的2～2.75倍，且峰值出現(xiàn)的比較早，表明生物質(zhì)燃燒性能明顯改善。

(2)隨著氧氣含量的增加，玉米、棉桿及木屑的揮發(fā)分析出特性指數(shù)、燃燒穩(wěn)定性的判別指數(shù)及燃燒特性指數(shù)均呈現(xiàn)上升趨勢。在14% ～21%O2濃度范圍內(nèi)，三種指數(shù)的增加量較小。21% ～40%O2富氧條件下，三種指數(shù)均呈現(xiàn)明顯的上升趨勢。證明14%～21%O2濃度范圍內(nèi)增加氧氣含量可以改善生物質(zhì)的燃燒性能，但是效果不是很明顯;21% ～40%O2富氧條件能夠大幅度改善生物質(zhì)燃料的燃燒性能。

(3)21%O2條件下，玉米、棉桿及木屑的三種指標(biāo)差別都不大，而40%O2富氧條件下，玉米顆粒的三種指標(biāo)均明顯高于棉桿及木屑，這說明富氧條件對玉米顆粒燃料的促進(jìn)作用更強(qiáng)。

[1]中國國家統(tǒng)計(jì)局.2009中國統(tǒng)計(jì)年鑒[M].北京:中國統(tǒng)計(jì)出版社，2009.

[2]任敏娜，崔永章，李曉，等.八種生物質(zhì)顆粒燃燒特征分析[J].山東建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，27(3):298 －301.

[3]田賀忠，趙丹，王艷.中國生物質(zhì)燃燒大氣污染物排放清單[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2011，2(31):349 －357.

[4]羅思義.生物質(zhì)粉體富氧燃燒的初步研究[D].武漢:華中科技大學(xué)，2007.

[5]羅思義.生物質(zhì)微米燃料富氧燃燒特性分析[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，5(5):86 －87.

[6]陳建原，孫學(xué)信.煤的揮發(fā)分釋放特性指數(shù)及燃燒特性指數(shù)的確定[J].動(dòng)力工程，1987，5:13 －18.

[7]景振濤，梁喆，王欽，等.兩種秸稈類生物質(zhì)燃燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)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(shí)驗(yàn)研究[J].山東建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，27(2):167 －171.

[9]魏兆龍，郭朝令，楊義波.煤種燃燒穩(wěn)定性試驗(yàn)研究[J].鍋爐技術(shù)，1999，10(1):6 －9.

[10]林鵬.秸稈類生物質(zhì)層燃燃燒特性的試驗(yàn)研究[D].上海:上海交通大學(xué)，2008.

[11]Paulrud S.，Nilsson C..The effects of particle characteristics on emissions from burning wood fuel powder[J].Fuel，2004(83):813－821.