劉 洋，姜 通，鄒 春，章海生

(1.華中科技大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.華中科技大學(xué) 煤燃燒國家重點實驗室，湖北 武漢 430074;3.佛山市公用事業(yè)控股有限公司，廣東 佛山 528000;4.佛燃能源集團(tuán)股份有限公司，廣東 佛山 528000)

0 引 言

生物質(zhì)能發(fā)展前景廣闊[1-4]，合理充分利用生物質(zhì)能受到廣泛關(guān)注[5]。目前純生物質(zhì)直接燃燒和生物質(zhì)摻混煤粉燃燒是生物質(zhì)最主要的利用方式，可直接使用現(xiàn)有燃煤電廠，大大節(jié)約生物質(zhì)利用成本。生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)一方面能緩解以煤炭、石油為主的化石能源的大量需求，另一方面由于生物質(zhì)碳中性的特點，能大大減少溫室氣體排放。但生物質(zhì)具有揮發(fā)分高、能量密度低等特點[6]，其著火燃燒特性不同于煤粉等固體燃料。因此，對生物質(zhì)的著火和燃燒特性進(jìn)行深入研究是大規(guī)模應(yīng)用生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)的前提。

GANI等[7]和LYU等[8]分別利用熱重分析儀研究了空氣中纖維素、木質(zhì)素對生物質(zhì)熱解和燃燒的影響。結(jié)果表明，生物質(zhì)的揮發(fā)分燃燒與纖維素分解有關(guān)，焦燃燒階段與木質(zhì)素分解有關(guān)，且纖維素的多孔狀和木質(zhì)素的塊狀結(jié)構(gòu)會影響熱解速率，纖維素含量越高，熱解速率越快，木質(zhì)素含量越高，熱解速率越慢。WU等[9]采用熱重分析儀和Kissinger-Akahira-Sunose方法研究了煙煤與生物質(zhì)模型組分共熱解熱行為的協(xié)同效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)煤和3種模型化合物共混物的活化能的非加性，活化能的變化與共熱解焦固體結(jié)構(gòu)的變化有關(guān)，表明木質(zhì)纖維素生物質(zhì)與煤共熱解過程中的協(xié)同效應(yīng)是由3種模型化合物的競爭效應(yīng)引起。CAO等[10]采用熱重試驗研究三組分相互作用對生物質(zhì)著火的影響，發(fā)現(xiàn)木質(zhì)素、半纖維素和纖維素的著火溫度分別為405、370和410 ℃，認(rèn)為通過三組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)可精準(zhǔn)預(yù)測生物質(zhì)燃料的著火行為。熱重分析法是研究生物質(zhì)三組分之間相互作用的重要手段[11-14]，但通常熱重分析儀的升溫速率很低，與實際工業(yè)鍋爐條件生物質(zhì)的著火及燃燒存在較大差異，因此使用升溫速率更快的設(shè)備研究生物質(zhì)的著火及燃燒成為研究熱點。

WANG等[15]在滴管爐中研究了粉末狀單顆粒三組分在空氣中對生物質(zhì)燃料著火機(jī)理的影響，研究表明較低的木質(zhì)素含量使生物質(zhì)的著火行為為非均相著火，木質(zhì)素含量增加會使生物質(zhì)由非均相著火轉(zhuǎn)變?yōu)榫嘀稹?/p>

已有部分學(xué)者采用熱重分析法或滴管爐對生物質(zhì)的著火行為及三組分相互作用進(jìn)行研究，但鮮見高升溫速率下生物質(zhì)中三組分及其結(jié)構(gòu)特性對生物質(zhì)燃燒行為的影響研究。筆者利用Hencken燃燒器，結(jié)合高速攝像儀，采用圖片分析及溫度測量方法，研究生物質(zhì)三組分及其混合物的燃燒行為，并與實際生物質(zhì)燃燒行為進(jìn)行對比，分析了生物質(zhì)中三組分的結(jié)構(gòu)特性對著火及燃燒過程的影響。

1 試驗與方法

1.1 試驗裝置

試驗臺架由一個多元件非預(yù)混火焰Hencken燃燒器、質(zhì)量流量計、一臺高速攝像機(jī)和電動平移臺組成，如圖1所示。燃燒器由一個陶瓷蜂窩(截面積:49.1 mm×49.1 mm)和數(shù)百根內(nèi)徑0.8 mm、外徑1.2 mm的不銹鋼管組成。這些不銹鋼管可以產(chǎn)生數(shù)百個非預(yù)混火焰，在燃燒器上方形成穩(wěn)定均勻的高溫?zé)崃?，為樣品的燃燒提供穩(wěn)定的高溫環(huán)境。設(shè)定空氣的流量36 L/min，甲烷流量1.1 L/min，在燃燒器上方10 mm處用熱電偶測定火焰溫度為1 500 K左右。采用高速攝像機(jī)記錄整個燃燒過程，拍攝速度為50幀/s，曝光時間為16.67 ms。

圖1 試驗臺架示意Fig.1 Schematic diagram of the experimental facility

試驗開始時將樣品置于電動平移臺上固定陶瓷棒的前端，當(dāng)電動平臺開始帶動樣品向燃燒器方向移動的同時，高速攝像機(jī)開始拍攝，直到陶瓷棒上方的樣品燃盡為止。上述過程記為一組試驗，每種樣品重復(fù)3組。

1.2 試驗樣品制備

試驗樣品的制備流程分為篩分、稱量和壓片。纖維素、半纖維素和木質(zhì)素購買于Sigma-aldrich公司，為排除堿金屬對燃燒行為的影響，木質(zhì)素采用脫堿木質(zhì)素，三組分的工業(yè)分析和元素分析見表1。對于原始的生物質(zhì)三組分樣品，首先使用篩分儀進(jìn)行篩分，獲得粒徑0.075～0.150 mm的生物質(zhì)三組分，然后使用天平對纖維素、半纖維素和木質(zhì)素樣品分別進(jìn)行稱量，保證每次壓制成型的樣品質(zhì)量為0.045 g。隨后使用壓片機(jī)以2 MPa壓力壓制稱量好的生物組三組分，獲得直徑5 mm的生物質(zhì)三組分樣品。

表1 生物質(zhì)三組分的工業(yè)分析和元素分析Table.1 Proximate and ultimate analysis of the three components of biomass

稻桿、竹子和板栗殼的工業(yè)分析、元素分析和生物質(zhì)三組分含量見表2。生物質(zhì)三組分測量方法可參照文獻(xiàn)[16]。樣品制備流程與三組分樣品制備流程相同。模擬生物質(zhì)，即三組分按生物質(zhì)中的比例進(jìn)行摻混得到的三組分共混物，其樣品制備流程同生物質(zhì)一致。

表2 3種生物質(zhì)的工業(yè)分析、元素分析和三組分含量Table 2 Proximate，ultimate analysis and three-component content of three kinds of biomass

獲得篩分后粒徑0.075～0.150 mm的生物質(zhì)三組分后，為使共混物中各組分混合均勻，達(dá)到試驗要求的摻混比，減小試驗誤差，引入錐進(jìn)四分法[17]，根據(jù)實際生物質(zhì)中所含三組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)制備對應(yīng)的模擬生物質(zhì)。

通過輻射能測溫技術(shù)對試驗獲得生物質(zhì)著火燃燒的溫度場進(jìn)行計算，具體實施方法可參照文獻(xiàn)[15]，采用黑體爐對溫度進(jìn)行標(biāo)定，對比標(biāo)定公式計算的溫度與實際溫度，發(fā)現(xiàn)誤差在±20 K以內(nèi)，因此測溫方法可以滿足本試驗的精度要求。

2 生物質(zhì)三組分著火及燃燒特性分析

2.1 著火時刻的定義

將試驗中獲取的的燃燒圖片轉(zhuǎn)變成灰度圖，如圖2所示。由圖2可知，著火發(fā)生時刻圖片的灰度值約為最大灰度值的12%。這與SIMES等[18]的研究結(jié)論相符，研究認(rèn)為著火時刻圖片的灰度為對應(yīng)圖片最大灰度的10%～15%。因此，研究中，以首張灰度值到達(dá)最大灰度的12%時，定義為該工況下著火發(fā)生的時刻。

圖2 纖維素著火時刻灰度圖片F(xiàn)ig.2 Grayscale picture of cellulose ignition

2.2 三組分的著火行為

纖維素的著火過程如圖3所示，圖片下方數(shù)值代表圖片對應(yīng)的幀數(shù)(定義著火時刻為第1幀)。由圖3可知，纖維素著火過程分為2個階段：分別為揮發(fā)分燃燒階段與焦燃燒階段。由于纖維素?fù)]發(fā)分中的易燃物質(zhì)H2和CH4含量相對較低[19]，因此揮發(fā)分燃燒的火焰并不劇烈；接著焦著火發(fā)生后，由于纖維素焦的碳含量較高，形成大量碳煙，火焰呈亮白色。通過拍攝的圖片不僅可以觀察到研究物質(zhì)的著火行為，也可以判斷著火延遲時間及著火溫度等燃燒行為。

圖3 纖維素的著火過程Fig.3 Ignition process of cellulose

對于半纖維素，大顆粒半纖維素在高升溫速率下，著火過程也分為揮發(fā)分燃燒與焦燃燒2個階段。半纖維素在著火初期，顆粒溫度較低時會熱解形成焦油，相比纖維素，半纖維素的著火階段因為有液體焦油形成[12]，因而更早發(fā)生焦著火。

對比木質(zhì)素與纖維素、半纖維素的著火過程，可以觀測出，在燃燒初期，相同時間內(nèi)木質(zhì)素的揮發(fā)分火焰面積擴(kuò)大幅度最小，這是因為木質(zhì)素?fù)]發(fā)分釋放速度慢，但木質(zhì)素焦最先著火，這一結(jié)論與王廷旭等[20]研究結(jié)果一致。此外，纖維素焦和半纖維焦著火后，亮度急劇增強(qiáng)，而木質(zhì)素焦著火后，其亮度增強(qiáng)相對緩慢，其揮發(fā)分燃燒更加穩(wěn)定，燃燒后期才會出現(xiàn)亮度迅速增大，這可能是由于木質(zhì)素釋放揮發(fā)分的速度較慢，燃燒難以在少量焦中快速傳播，導(dǎo)致溫度未急劇上升。焦著火后，隨溫度升高，焦燃燒區(qū)域的亮度才會迅速增大。

2.3 生物質(zhì)三組分著火延遲時間

基于高速攝像儀拍攝的圖片，分別計算纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的著火延遲時間。著火延遲時間的計算公式為：Δt=(t1-t2)/50；Δt為著火延遲時間；t1為顆粒著火時的幀數(shù)；t2為顆粒到達(dá)燃燒器火焰邊緣的幀數(shù)。

纖維素、半纖維素、木質(zhì)素著火延遲時間對比如圖4所示，試驗測得的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素各自著火延遲時間分別為7.52、4.16和2.08 s。顯然，纖維素的著火延遲時間是木質(zhì)素的3倍以上，這是由三組分的組成及結(jié)構(gòu)差異引起。雖然木質(zhì)素的脫揮發(fā)分速率最慢，但由于木質(zhì)素?zé)峤鉁囟茸畹蚚21]，且試驗所用木質(zhì)素顆粒直徑較大，揮發(fā)分中可燃物質(zhì)含量高，木質(zhì)素灰分高達(dá)18.71%，灰分中堿金屬的催化作用有利于著火[22-24]，因此木質(zhì)素著火最快。纖維素脫揮發(fā)分速率最快，但由于揮發(fā)分中可燃質(zhì)的含量最低，因此著火最慢。由于半纖維素?zé)岱€(wěn)定性是生物質(zhì)三組分中最差，在非常高的升溫速率下，液化非?？?，使其著火早于纖維素。

圖4 纖維素、半纖維素、木質(zhì)素著火延遲時間對比Fig.4 Comparison of ignition delay time of cellulose,hemicellulose and lignin

2.4 生物質(zhì)三組分燃燒過程的溫度變化

纖維素、半纖維素和木質(zhì)素火焰峰值溫度隨幀數(shù)變化曲線,如圖5所示。從圖5可以看出，纖維素在前70幀峰值溫度穩(wěn)定在750～800 K，該段時間為揮發(fā)分燃燒。第70幀后，纖維素的峰值溫度急劇上升，在20幀以內(nèi)溫度由800 K快速增長到1 000 K以上，燃燒進(jìn)入纖維素焦燃燒階段。至第92、93幀，纖維素燃燒的火焰圖片色彩飽和，達(dá)到輻射能測溫技術(shù)計算溫度的上限。

圖5 纖維素、半纖維素、木質(zhì)素火焰峰值溫度隨圖片幀數(shù)的變化Fig.5 Variation of the peak flame temperature of cellulose,hemicellulose,and lignin with the number of picture frames

對于半纖維素，從著火開始到第40幀是半纖維素的揮發(fā)分燃燒階段，半纖維素在該階段的溫度明顯高于纖維素，這可能是半纖維素產(chǎn)生的焦油揮發(fā)分燃燒導(dǎo)致。在第41幀對應(yīng)的時刻，半纖維素發(fā)生焦著火。半纖維素左側(cè)形成外部亮黃色、內(nèi)部亮白色的焦著火火焰，火焰的峰值溫度也大幅度提高。此后，半纖維素燃燒火焰開始變得不穩(wěn)定，可能是由于焦油的燃燒和大面積的焦著火，同時半纖維素的熔化變形加劇。第50幀后，半纖維素顆粒融化為球形并呈下墜趨勢(半纖維素和木質(zhì)素的燃燒過程圖片沒有展示)。到達(dá)第57幀，半纖維素燃燒的火焰圖片達(dá)到飽和。

木質(zhì)素焦燃燒后的升溫速率不同于纖維素和半纖維素，呈相對平緩持續(xù)升溫的狀態(tài)。由于溫度高且木質(zhì)素的焦易著火，木質(zhì)素?fù)]發(fā)分燃燒在第21幀對應(yīng)的時刻即引發(fā)了木質(zhì)素焦著火(相比于纖維素和半纖維素更早)。此外，焦燃燒過程中，由于木質(zhì)素的揮發(fā)分釋放速率隨溫度升高逐漸升高，成焦速率也逐漸提高，升溫速率加快，導(dǎo)致木質(zhì)素燃燒的火焰在第35幀達(dá)到最高溫度點(相比于其他兩組分更早)，木質(zhì)素著火后溫升速率最快。

分析生物質(zhì)三組分的燃燒過程和峰值溫度曲線可以發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)三組分著火初期的燃燒過程分為2個階段：揮發(fā)分燃燒階段和焦燃燒階段，其中揮發(fā)分燃燒階段三組分的溫度上升較慢，燃燒比較平穩(wěn)；焦燃燒階段溫度上升較快，燃燒較為劇烈。

3 實際生物質(zhì)與模擬生物質(zhì)的燃燒特性對比

3.1 實際生物質(zhì)與模擬生物質(zhì)著火延遲時間

3種實際生物質(zhì)(稻桿、竹子、板栗殼)與其對應(yīng)模擬生物質(zhì)的著火延遲時間如圖6所示?？芍獙τ诿糠N生物質(zhì)樣品，實際生物質(zhì)的著火延遲時間要長于模擬生物質(zhì)，這可能是由于生物質(zhì)中木質(zhì)素的塊狀結(jié)構(gòu)和纖維素的多孔狀特性造成的差異。另外，實際生物質(zhì)中堿金屬也能影響生物質(zhì)的著火行為，但通常認(rèn)為堿金屬能促進(jìn)生物質(zhì)的脫揮發(fā)分速率，促進(jìn)著火[22-24]。對于實際生物質(zhì)，稻桿的著火延遲時間最長，竹子最短；對于3種模擬生物質(zhì)，其著火延遲時間隨木質(zhì)素含量的增加而不斷降低，這也進(jìn)一步驗證了木質(zhì)素著火延遲時間最短的結(jié)論。

圖6 實際生物質(zhì)與模擬生物質(zhì)著火延遲時間對比Fig.6 Comparison of ignition delay time between actual biomass and simulated biomass

3.2 實際生物質(zhì)與模擬生物質(zhì)著火延遲時間

稻桿和模擬稻桿的火焰峰值溫度隨圖片幀數(shù)的變化如圖7所示。稻桿燃燒初期溫度變化較小，基本保持穩(wěn)定，在20幀左右溫度快速上升，迅速達(dá)到計算溫度的上限。模擬稻桿燃燒過程同樣表現(xiàn)出燃燒前期較穩(wěn)定，在51幀左右突然上升到計算溫度上限，且模擬稻桿的溫度曲線在纖維素和半纖維素之間變化。與此同時，試驗還觀測到稻桿達(dá)到溫度峰值的時間明顯短于模擬稻桿。

圖7 稻桿和模擬稻桿火焰峰值溫度隨圖片幀數(shù)的變化Fig.7 Variation of flame peak temperature of rice stalk and simulated-rice stalk with the number of picture frames

3.3 竹子與模擬竹子燃燒過程的溫度

竹子和模擬竹子的火焰峰值溫度隨圖片幀數(shù)的變化如圖8所示。由圖8可知，竹子與模擬竹子燃燒過程的溫度變化趨勢相近，在燃燒初期2樣品的溫度變化較小，基本保持穩(wěn)定，在70幀左右溫度快速上升，迅速達(dá)到計算溫度的上限。此外，竹子和模擬竹子的溫度曲線位于纖維素和半纖維素溫度曲線之間。值得注意的是，在燃燒初期(前60幀)，竹子燃燒過程的溫度明顯低于模擬竹子，根據(jù)第2章結(jié)論(燃燒初期半纖維素的溫度最高)，認(rèn)為相對于竹子，模擬竹子在燃燒前期有更多的半纖維素燃燒，竹子樣品存在木質(zhì)素的包裹結(jié)構(gòu)，燃燒初期半纖維素燃燒受到抑制；模擬竹子樣品由于三組分均勻混合，半纖維素燃燒充分，因此模擬竹子燃燒溫度明顯高于竹子。

圖8 竹子和模擬竹子火焰峰值溫度隨圖片幀數(shù)的變化Fig.8 Variation peak flame temperature of bamboo and simulated-bamboo with the number of picture frames

3.4 板栗殼與模擬板栗殼燃燒過程的溫度

板栗殼和模擬板栗殼的火焰峰值溫度隨圖片幀數(shù)的變化如圖9所示。由圖9可知，燃燒初期(前13幀)板栗殼溫度基本保持在穩(wěn)定狀態(tài)，25幀后溫度快速上升，迅速達(dá)到計算溫度的上限。對于模擬板栗，前90幀其溫度基本保持穩(wěn)定，90幀后溫度快速上升，迅速達(dá)到計算溫度的上限。需要注意的是，板栗殼和模擬板栗殼燃燒過程溫度變化存在巨大差異。一方面板栗殼樣品由于生物質(zhì)的結(jié)構(gòu)特性，木質(zhì)素優(yōu)先熱解燃燒，另一方面板栗殼樣品中木質(zhì)素含量較高，其燃燒溫度曲線和木質(zhì)素的燃燒溫度曲線接近。對于模擬板栗殼樣品，由于三組分均勻混合燃燒，纖維素?zé)峤忉尫诺膿]發(fā)分大量包裹在顆粒周圍，導(dǎo)致木質(zhì)素?zé)峤猱a(chǎn)生的焦難以接觸到氧氣。因此模擬板栗殼樣品的火焰溫度曲線呈現(xiàn)與模擬稻桿、模擬竹子類似的特性，即存在較長時間的溫度穩(wěn)定狀態(tài)和溫度陡增點。

圖9 板栗殼和模擬板栗殼火焰峰值溫度隨圖片幀數(shù)的變化Fig.9 Variation of peak flame temperature of chestnut shell and simulated chestnut shell with the number of picture frames

3.5 3種實際生物質(zhì)燃燒過程的溫度

3種實際生物質(zhì)的火焰峰值溫度隨圖片幀數(shù)的變化如圖10所示。由圖10可知稻桿樣品和板栗殼樣品溫度變化曲線類似，在前20幀左右溫度較為穩(wěn)定，30幀左右出現(xiàn)溫度陡增點，到達(dá)試驗所能測量的溫度飽和點較快。與此同時，在前20幀稻桿的火焰溫度明顯低于板栗殼。相比稻桿樣品，板栗殼樣品中木質(zhì)素含量較高，由于生物質(zhì)的結(jié)構(gòu)特性，木質(zhì)素包裹在樣品外側(cè)，燃燒初期板栗殼樣品中木質(zhì)素提供大量揮發(fā)分，由于木質(zhì)素燃燒速度較快，在較短時間內(nèi)溫度升高較快。而稻桿樣品中纖維素占比較高，纖維素在燃燒初期溫度較低，因此燃燒初期板栗殼的燃燒溫度比稻桿高。對于竹子樣品，其與稻桿和板栗殼樣品的溫度曲線的不同。燃燒初期，竹子樣品出現(xiàn)了較長時間(70幀左右)的溫度較穩(wěn)定的階段，在70幀左右出現(xiàn)溫度陡增點，這一現(xiàn)象和WANG等[25]試驗結(jié)果一致，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因可能是竹子樣品本身的結(jié)構(gòu)特性。

圖10 3種實際生物質(zhì)的火焰峰值溫度隨圖片幀數(shù)的變化Fig.10 Variation of flame peak temperature of three kinds of actual biomass with the number of picture frames

4 結(jié) 論

1)試驗測得纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的著火延遲時間分別為7.52、4.16和2.08 s。實際生物質(zhì)的著火延遲時間都長于模擬生物質(zhì)，模擬生物質(zhì)的著火延遲時間與木質(zhì)素含量呈負(fù)相關(guān)。

2)試驗結(jié)果表明三組分的燃燒過程都包括揮發(fā)分燃燒和焦燃燒階段。木質(zhì)素焦最易著火，纖維素焦最難。纖維素和半纖維素焦著火發(fā)生后燃燒溫度急劇增加至1 000 K以上，而木質(zhì)素焦著火后，顆粒溫度增加相對平緩。

3)3種生物質(zhì)與對應(yīng)模擬生物質(zhì)的燃燒溫度變化存在較大差異，尤其是板栗體現(xiàn)更為明顯。對于3種生物質(zhì)，稻桿和板栗殼的峰值溫度曲線相近，但燃燒初期溫度存在差異，而竹子溫度穩(wěn)定階段較長。