袁家睿，李建波，龍瀟飛，王泉海，盧嘯風(fēng)

廢輪胎熱解半焦的單顆粒燃燒特性實驗研究

袁家睿，李建波，龍瀟飛，王泉海，盧嘯風(fēng)

(重慶大學(xué)低品位能源利用及系統(tǒng)教育部重點實驗室，重慶 400044)

在單顆粒燃燒系統(tǒng)上研究了廢舊輪胎熱解半焦顆粒的燃燒特性，并探究了溫度與顆粒粒徑對燃燒的具體影響．結(jié)果表明，半焦顆粒在850℃及以下燃燒時經(jīng)歷揮發(fā)分析出及著火、揮發(fā)分燃燒、焦炭著火及焦炭燃燒4個階段，在機理上屬于典型的均質(zhì)著火機理；在950℃以上時，焦炭著火早于揮發(fā)分著火，其著火機理轉(zhuǎn)變?yōu)槁?lián)合著火．此外，溫度升高會縮短半焦顆粒著火時間等特征時間，而半焦顆粒粒徑的增加則會增大揮發(fā)分火焰的體積并顯著延遲焦炭的著火時間．研究結(jié)果為高效清潔利用輪胎衍生燃料提供了一定的基礎(chǔ)研究數(shù)據(jù)．

半焦；廢舊輪胎；燃燒特性；著火機理

輪胎是在各種車輛或機械上裝配的接地滾動的圓環(huán)形彈性橡膠制品，主要由橡膠、炭黑和鋼絲制成[1].全球新輪胎年產(chǎn)量為14億條[2]，經(jīng)3～5年使用后進入報廢環(huán)節(jié)，由此產(chǎn)生大量廢舊輪胎．報告[3-5]顯示，2018年中國廢輪胎產(chǎn)生量為1460萬噸，且以6%～8%的年增長率增加．目前對廢舊輪胎的處理方式主要包括填埋、翻新與再利用、制造碎橡膠以及熱化學(xué)回收法(熱解或燃燒)等方式[6-8]．但由于技術(shù)條件限制，僅有15%～20%的廢舊輪胎被回收利用，未被回收利用的廢輪胎則對環(huán)境造成了很大污染[9-10].因此，亟需探索清潔高效利用廢舊輪胎的途徑．

工業(yè)界對廢舊輪胎及其熱解半焦的燃燒利用進行了不斷的嘗試．例如，日本的新日鐵制煙廠使用廢輪胎代替煤粉作為廢料熔煉爐的碳源和熱源；美國的Norfolk公司[11]也嘗試將廢輪胎噴入電弧爐以向鋼水提供化學(xué)能的工藝．截至2017年，美國廢舊輪胎用作衍生燃料的利用量占比總利用量的50%左右；日本2016～2018年廢舊輪胎用作衍生燃料的利用量占比總利用量的68%左右，而在作燃料利用中，用于水泥窯協(xié)同處置則約占10%[12]．然而，由于磨削能力差、處理過程繁瑣、針對廢輪胎作為燃料的處理政策發(fā)布時間較晚等原因，廢輪胎作為燃料在爐內(nèi)燃燒的方法尚未在中國得到廣泛推廣和應(yīng)用．

廢舊輪胎可熱解產(chǎn)生半焦以及熱解油和氣體等具有高利用價值的組分[13]．其中輪胎熱解半焦具有熱值高，制備方法簡單的優(yōu)點，在“雙碳”目標(biāo)下具有良好的應(yīng)用前景．因此，研究輪胎熱解半焦的著火及燃燒特性對于幫助市場自行消化廢舊輪胎，以應(yīng)對龐大的廢棄輪胎產(chǎn)生量．具有重要的意義．在廢棄輪胎的燃燒方面，Tan等[14]研究發(fā)現(xiàn)，未熱解的廢棄輪胎屑的燃燒受到溫度、尺寸大小的影響；姜雪丹[15]研究了富氧條件下廢棄輪胎顆粒的燃燒特性，發(fā)現(xiàn)未經(jīng)熱解處理的廢棄輪胎顆粒燃料均表現(xiàn)出揮發(fā)分的均相著火模式．在半焦燃燒方面，彭暄格[16]研究了多種半焦的著火與燃燒過程，發(fā)現(xiàn)不同類型的半焦著火及燃盡特性具有一定差異，但經(jīng)熱解后，其差異遠小于熱解前原料本身的差異；閆永宏等[17]等研究了粒徑對煤熱解半焦與煙煤摻混燃燒的影響，發(fā)現(xiàn)隨著粒徑的增大，燃燒初期反應(yīng)速率減弱而整體燃燒強度先增加后減弱．對于固體燃料，其燃燒火焰是燃燒過程的直接反映[18]．對單顆粒燃料進行燃燒能直觀地觀察到燃料的燃燒過程，加深對燃料燃燒過程的認(rèn)識．國內(nèi)外學(xué)者[19-20]通過建立不同的燃燒模型并測量顆粒燃燒時環(huán)境氣氛與溫度的變化，將煤粉等固體燃料的著火及燃燒模式分為均相著火、非均相著火以及均相-非均相聯(lián)合著火，顆粒以不同的方式著火會有不同的燃燒現(xiàn)象．其中，均相著火指煤粉顆粒析出的揮發(fā)分在顆粒周圍產(chǎn)生氣相火焰，非均相著火指氧氣直接與顆粒固體表面接觸并發(fā)生氧化反應(yīng)，而聯(lián)合著火則是顆粒與氧氣反應(yīng)放熱，并促進揮發(fā)分的析出，從而發(fā)生均相著火[21]．這些工作可為研究輪胎熱解半焦的著火和燃燒機理研究提供一定的參考．然而，目前對輪胎熱解半焦顆粒的著火及燃燒特性研究十分有限．將輪胎熱解半焦作為燃料使用，需要對輪胎熱解半焦的燃燒機理有更深入、更基本的了解．

本文擬通過實驗的方法，在單顆粒燃燒系統(tǒng)上利用電荷耦合(CCD)相機記錄顆粒燃燒火焰的變化過程，研究輪胎熱解半焦顆粒在不同溫度下的燃燒特性，并探討顆粒大小對著火和燃燒的影響，旨在獲得輪胎熱解半焦顆粒的著火和燃燒機理，從而加深對輪胎熱解半焦顆粒著火和燃燒特性的理解，為其工業(yè)應(yīng)用提供基礎(chǔ)研究數(shù)據(jù)．

1?實驗材料和方法

1.1?材料

本次實驗以輪胎熱解后的半焦作為研究對象．實驗所用的輪胎熱解半焦通過在350℃、氮氣氣氛下充分熱解制備．熱解半焦僅進行初步熱解以保證揮發(fā)分含量較高，半焦利用價值高．其工業(yè)分析、元素分析和灰成分分析見表1．由表1可知，輪胎熱解半焦的水分含量較少，僅為0.14%，而揮發(fā)分含量高達35.17%，固定碳和灰分則分別占54.29%和10.40%．同時，半焦中C含量達到了76.5%，N、S和H含量則占比較少，分別為0.3%、2.8%和3.6%．在灰成分特性方面，半焦燃燒后殘回中的金屬元素以Zn為主，同時包含著少量的Ca、Fe、Al、Ti元素，這些金屬元素在輪胎中通常為添加劑和鋼絲的組分．同時，半焦的灰中也包括一定量的SiO2，可能為填料或從外部引入．此外，S元素在灰中占很大比例(34.26%)，其在半焦中可能以硫化鋅和脂肪族硫化物的形式存在[22]．

表1?輪胎熱解半焦的工業(yè)分析、元素分析及其灰成分分析

為研究輪胎熱解半焦的著火及燃燒特性，將輪胎熱解半焦打磨至粒徑為2.0mm、2.5mm、3.0mm、3.5mm和4.0mm左右的球形顆粒．這些顆粒便于制備且方便測量，測量誤差較?。畬嶒灢捎迷摿椒秶鷥?nèi)的顆粒進行燃燒研究，能夠為其在循環(huán)流化床等燃燒系統(tǒng)內(nèi)的燃燒提供一定的理論指導(dǎo)．

1.2?實驗方法及步驟

實驗在圖1所示的單顆粒燃燒系統(tǒng)上進行．該系統(tǒng)由管式爐、電荷耦合器件(charge coupled device，CCD)相機和步進電機等組成．其中管式爐兩端與大氣連通以保證管內(nèi)的空氣氣氛；爐內(nèi)溫度可通過電加熱升高至1000℃以上以提供半焦顆粒燃燒的高溫環(huán)境．CCD相機(36MHz，幀率15幀/s)用于捕獲并記錄顆粒在管式爐內(nèi)的燃燒過程；步進電機則用于送入或取出樣品．

實驗開始前，首先利用K型熱電偶對爐內(nèi)的溫度分布進行測量，以獲得設(shè)定溫度下的爐內(nèi)各區(qū)域真實爐溫．在實驗過程中，首先將打磨好的輪胎熱解半焦顆粒用細針定位于石英棒上并固定在步進電機前端；隨后利用步進電機將顆?？焖偎腿胍鸭訜嶂猎O(shè)定溫度(450～950℃)的指定區(qū)域；在管式爐末端開啟CCD相機，對顆粒在高溫下著火和燃燒的具體情況進行記錄．實驗重復(fù)至少5次以獲得可靠的實驗數(shù)據(jù)．實驗結(jié)束后，對拍攝的視頻進行逐幀分析，獲得顆粒燃燒過程的圖像并得到著火時間、揮發(fā)分停止析出時間、焦炭燃盡時間等特征參數(shù)．

圖1?單顆粒燃燒系統(tǒng)

此外，顆粒的加熱主要來自管式爐，升溫速率與壁溫正相關(guān)．不同溫度的管式爐壁溫可能影響顆粒的升溫速率，進而影響顆粒著火的時間，但對顆粒著火至顆粒燃盡基本不產(chǎn)生影響．因此，本研究暫時不考慮顆粒升溫速率對燃燒特性的影響．

1.3?數(shù)據(jù)處理及誤差分析

實驗研究中發(fā)現(xiàn)，相同粒徑顆粒的著火時間、揮發(fā)分完全析出時間以及焦炭燃盡時間有一定區(qū)別，這主要與磨制時顆粒的形狀、表面粗糙度、揮發(fā)分占比等個體因素有關(guān)．因此實驗至少重復(fù)５次，并對其燃燒特征參數(shù)進行算數(shù)平均，以盡最大可能消除顆粒個體差異導(dǎo)致的誤差．此外，由于CCD相機幀率限制，圖像截取的時間讀數(shù)只能精確到小數(shù)點后兩位，實際時間可能會與所讀取數(shù)據(jù)存在一定偏差，但其誤差在0.1s以內(nèi)，不會對特征時間的獲取產(chǎn)生很大影響．

2?實驗結(jié)果及分析

2.1?輪胎熱解半焦顆粒的著火及燃燒特性

圖2為粒徑為3.0mm的輪胎熱解半焦顆粒在850℃下的燃燒過程(從左至右依次為顆粒送至指定區(qū)域、揮發(fā)分著火、典型揮發(fā)分火焰、揮發(fā)分火焰消失、焦炭外表面完全點燃和焦炭燃盡)．從圖中可以看到顆粒在＝0s送至指定區(qū)域，經(jīng)0.35s后顆粒表面出現(xiàn)白色亮光且在下一幀出現(xiàn)明顯的揮發(fā)分火焰，并伴有輕微爆鳴聲．這說明顆粒析出的揮發(fā)分在該時刻著火．在＝6.59s時則能觀察到典型的揮發(fā)分火焰，該階段為揮發(fā)分燃燒階段，揮發(fā)分火焰形狀呈團狀．在＝7.39s時揮發(fā)分火焰消失，同時顆粒表面局部區(qū)域出現(xiàn)白色亮點，說明該時刻焦炭表面發(fā)生著火．在＝20.60s時光點擴散至整個顆粒表面，表明顆粒外表面完全點燃．在＝85.03s時焦炭火焰消失，且顆粒的粒徑不再隨時間發(fā)生改變，說明此刻焦炭已經(jīng)燃盡．由此可知，輪胎熱解半焦顆粒在燃燒過程經(jīng)歷揮發(fā)分析出及著火、揮發(fā)分燃燒、焦炭著火和焦炭燃燒4個階段，著火方式屬于均質(zhì)著火[23]．

圖2?3.0mm輪胎熱解半焦顆粒燃燒過程

2.2?粒徑的影響

圖3展示了粒徑為2.0～3.0mm的輪胎熱解半焦顆粒在750℃下的燃燒過程(從左至右依次為顆粒送至指定區(qū)域、揮發(fā)分著火、典型揮發(fā)分火焰、揮發(fā)分火焰消失和焦炭燃盡)．由圖3可知，當(dāng)半焦粒徑為2.0mm時，半焦顆粒在＝0.76s時出現(xiàn)揮發(fā)分火焰，經(jīng)2.96s觀察到典型的揮發(fā)分火焰．在＝6.56s時揮發(fā)分火焰消失，此時焦炭外表面已發(fā)生著火，隨后進入焦炭燃燒階段并在＝20.04s后燃盡．當(dāng)粒徑增大到2.5mm和3.0mm時，顆粒燃燒仍然經(jīng)歷揮發(fā)分著火、揮發(fā)分燃燒、焦炭著火、焦炭燃燒4個階段．但是，粒徑大的顆粒，其揮發(fā)分火焰更大，這主要是因為大顆粒中含有更多的揮發(fā)分，其在短時間內(nèi)釋放燃燒形成較大的揮發(fā)分火焰．

圖3?2.0～3.0mm輪胎熱解半焦顆粒燃燒過程

圖4展示了粒徑為3.5～4.0mm的輪胎熱解半焦顆粒在750℃下的燃燒過程(從左至右依次為顆粒送至標(biāo)定溫度區(qū)域、揮發(fā)分著火、揮發(fā)分反應(yīng)、顆粒出現(xiàn)、焦炭外表面完全點亮和焦炭燃盡)．當(dāng)半焦粒徑為3.5mm時，半焦顆粒著火時顆粒表面無亮點，下一幀出現(xiàn)火焰且伴有爆鳴聲，出現(xiàn)揮發(fā)分著火．但是，利用CCD相機無法觀察到和小粒徑顆粒類似的揮發(fā)分火焰，這可能是因為揮發(fā)分析出過快導(dǎo)致其無法迅速反應(yīng)完畢．在＝12.34s時，則能觀察到焦炭顆粒，說明揮發(fā)分已經(jīng)擴散遠離半焦顆粒，但焦炭表面無白色亮點，說明此時焦炭并沒有燃燒，只有在＝28.22s時焦炭外表面完全點燃并點亮，且著火過程中并無單一亮點的產(chǎn)生．這是由于顆粒表面揮發(fā)分消耗了顆粒周圍的氧氣，導(dǎo)致氧氣無法擴散至顆粒表面與焦炭反應(yīng)，進而延遲了焦炭的著火時間．當(dāng)粒徑增大至4.0mm時，揮發(fā)分析出后出現(xiàn)自由擴散，且揮發(fā)分析出氣體中并沒有出現(xiàn)明顯的亮白色光點，顆粒外部未形成揮發(fā)分火焰．這說明該粒徑下?lián)]發(fā)分的大量釋放無法使其完全與空氣發(fā)生反應(yīng)．從CCD相機拍攝處也觀察到黑煙逃離管式爐，證實了揮發(fā)分的未完全燃燒．在＝25.86s時觀察到焦炭顆粒但其表面無明顯白色亮點，只在＝38.22s后焦炭外表面完全點燃．上述研究說明隨著粒徑的增大，輪胎熱解半焦揮發(fā)分火焰的體積、火焰尖端高度會不斷增加．但當(dāng)粒徑增大至一定程度后，大量揮發(fā)分的析出導(dǎo)致周圍空氣/氧氣相對不足，揮發(fā)分難以完全發(fā)生燃燒反應(yīng)．

表2列出了不同粒徑半焦顆粒的揮發(fā)分著火時間、揮發(fā)分火焰消失時間、焦炭燃盡時間等特征燃燒時間．由表2可知，粒徑為2.0mm的輪胎熱解半焦顆粒著火時間為0.58s，揮發(fā)分火焰消失時間為6.30s，焦炭燃盡時間為19.43s；隨著粒徑增大至2.5～4.0mm，半焦顆粒的揮發(fā)分著火時間分別增加至0.91s、1.20s、1.38s和1.93s；揮發(fā)分火焰消失時間增加至6.45s、11.01s、12.80s和24.45s，而其燃盡時間則增加至48.39s、95.06s、116.23s和202.64s.半焦顆粒粒徑增大，輪胎熱解半焦顆粒的燃燒過程由動力控制轉(zhuǎn)變?yōu)閿U散控制．而爐內(nèi)空氣濃度恒定，粒徑較大時氧氣擴散所需時間增加導(dǎo)致顆粒著火時間增加．著火及燃燒時間隨即變長[24]．輪胎熱解半焦顆粒燃燒過程與于海鵬[25]對于煤單顆粒的燃燒過程模擬結(jié)果相近．

表2?不同粒徑輪胎熱解半焦顆粒的特征燃燒時間

Tab.2　　Combustion time of single semi-coke particle with different sizes pyrolysed from waste tire

2.3?溫度的影響

圖5為粒徑3.0mm的輪胎熱解半焦顆粒在550～750℃下的燃燒現(xiàn)象及其特征燃燒時間(從左至右依次為顆粒送至指定區(qū)域、揮發(fā)分著火、揮發(fā)分火焰、揮發(fā)分停止析出、焦炭外表面完全點亮和焦炭燃盡)．當(dāng)溫度為450℃時，CCD相機無法觀察到揮發(fā)分火焰，一方面是因為低溫下?lián)]發(fā)分析出和反應(yīng)速率緩慢，不會出現(xiàn)揮發(fā)分著火和燃燒等劇烈反應(yīng)現(xiàn)象，另一方面，在低溫下CCD相機捕捉的畫面比較黑暗，也可能是無法觀察到揮發(fā)分火焰的原因之一．因此，本文不對該溫度下的著火及燃燒特性進行討論．

當(dāng)溫度升高至550℃，如圖5所示，輪胎熱解半焦顆粒在＝10.14s時出現(xiàn)揮發(fā)分火焰，表明該溫度下?lián)]發(fā)分能夠著火．但揮發(fā)分著火的位置距顆粒中心較遠．這說明揮發(fā)分析出、擴散且吸熱一段時間后才與周圍環(huán)境空氣混合并升至反應(yīng)所需溫度．在＝14.38s時能觀察到典型的揮發(fā)分火焰，該火焰形狀較為細長，存在較高的火焰尖端．這是因為顆粒揮發(fā)分反應(yīng)速率較慢導(dǎo)致?lián)]發(fā)分氣體與空氣的混合氣體無法快速反應(yīng)，隨后吸收已反應(yīng)揮發(fā)分氣體釋放的熱量發(fā)生膨脹后上升，在顆粒上方進行反應(yīng)，形成細長火焰[26]．在＝24.38s時揮發(fā)分火焰消失．在＝47.48s時焦炭表面完全被點亮，隨后進入焦炭燃燒階段并在＝146.22s時焦炭燃盡．當(dāng)溫度升高至650℃和750℃時，顆粒的著火階段與溫度為550℃時的燃燒現(xiàn)象相近．但是，燃燒形成的揮發(fā)分火焰更靠近顆粒中心．這是由于溫度的升高導(dǎo)致反應(yīng)揮發(fā)分析出更快，揮發(fā)分達到著火所需濃度的時間降低，擴散范圍變小[27]．同時在揮發(fā)分燃燒階段，揮發(fā)分火焰尖端高度更低．這是由于溫度的升高導(dǎo)致?lián)]發(fā)分與空氣的混合氣體反應(yīng)速度加快，混合氣體上升的幅度變?。@是由于溫度的升高導(dǎo)致?lián)]發(fā)分反應(yīng)速度加快，混合氣體吸熱上升幅度減小，因此出現(xiàn)明顯的火焰尖端減小現(xiàn)象．

圖5?550～750℃輪胎熱解半焦顆粒燃燒過程

當(dāng)溫度升高至850℃時，如圖6所示(從左至右依次為顆粒送至指定區(qū)域、揮發(fā)分著火、典型揮發(fā)分火焰、揮發(fā)分火焰消失、焦炭外表面完全點亮和焦炭燃盡)．半焦顆粒在揮發(fā)分著火、焦炭著火與燃燒階段與750℃顆粒燃燒過程相同，且850℃下?lián)]發(fā)分火焰呈團狀、火焰尖端消失．這說明隨著溫度的進一步增大，輪胎熱解半焦顆粒的燃燒過程主要受氧濃度限制，此時反應(yīng)發(fā)生在顆粒剩余焦炭與空氣的接觸面，因此揮發(fā)分火焰尖端消失且逐漸趨于團狀．而在950℃時，顆粒在揮發(fā)分燃燒、焦炭著火與焦炭燃燒階段與850℃顆粒燃燒過程相同．不同的是，950℃下顆粒表面局部產(chǎn)生光點，隨后顆粒外部形成團狀揮發(fā)分火焰．揮發(fā)分著火晚于焦炭著火，著火方式變?yōu)槁?lián)合著火[28]．這主要是因為顆粒在950℃下的升溫速率大于其在850℃的升溫速率，導(dǎo)致焦炭表面局部溫度過高，同時出現(xiàn)焦炭著火以及揮發(fā)分著火的現(xiàn)象.

此外，從圖5～6可看出，輪胎熱解半焦顆粒在550℃下的揮發(fā)分著火時間為10.14s，揮發(fā)分停止析出時間為24.38s，焦炭燃盡時間為146.22s．隨著溫度從650℃升高至950℃，輪胎熱解半焦的揮發(fā)分著火時間縮短至至4.75s、1.62s、0.35s和0.13s，而揮發(fā)分火焰消失時間縮短至19.15s、11.34s、7.39s和6.93s；燃盡時間則縮短為131.83s、108.54s、85.03s和70.17s．與此同時，半焦顆粒外表面出現(xiàn)亮點時間從47.48s縮短為30.44s、26.12s、20.60s和950℃為20.80s．這說明隨著燃燒溫度的升高，輪胎熱解半焦顆粒的揮發(fā)分著火時間、揮發(fā)分火焰消失時間、焦炭燃盡時間顯著降低．溫度的升高促進了揮發(fā)分或焦炭與氧氣的反應(yīng)，相應(yīng)地降低了特征燃燒時間．但是，在850℃或更高溫度時，剩余焦炭外表面完全點亮的時間幾乎相同，根據(jù)姜天馳等[29]的研究，這可能是因為該溫度范圍內(nèi)揮發(fā)分反應(yīng)生成的具有一定溫度的氣體存在于剩余焦炭周圍未完全擴散，形成了中間輻射體，影響了剩余焦炭的升溫速率．

圖6?850～950℃輪胎熱解半焦顆粒燃燒過程

2.4?與煤燃燒特性的差異

將輪胎熱解半焦顆粒的燃燒過程與煤顆粒的燃燒過程進行對比，能夠進一步了解輪胎熱解半焦顆粒相對于煤燃料，其燃料性質(zhì)、燃燒過程以及燃燒機理轉(zhuǎn)變規(guī)律的差別．準(zhǔn)東煤燃燒活化能小，表現(xiàn)為著火溫度低、分解燃燒快和易燃盡．同時在準(zhǔn)東煤的燃燒方面研究也較為豐富．因此選用準(zhǔn)東煤顆粒的燃燒過程與之進行對比．圖7為粒徑為3.0mm的準(zhǔn)東煤顆粒在850℃下的燃燒過程(從左至右依次為顆粒送至指定區(qū)域、顆粒邊緣著火、揮發(fā)分火焰和焦炭燃盡)．從拍攝的圖像中可以看出顆粒在點火和燃燒過程中幾乎保持球形．此外，通過對圖像的分析也可以得出準(zhǔn)東煤顆粒的著火經(jīng)過焦炭著火、焦炭燃燒、揮發(fā)分析出、揮發(fā)分燃燒4個階段，著火方式屬于聯(lián)合著火，與Zhang等[21]的研究結(jié)果一致．這是因為在準(zhǔn)東煤顆粒送至指定區(qū)域后，受管式爐內(nèi)爐壁的輻射以及熱空氣的熱傳導(dǎo)和對流加熱，顆粒表面溫度快速升高．隨后在準(zhǔn)東煤顆粒表面出現(xiàn)亮點．隨著燃燒的進行，亮點區(qū)域逐漸發(fā)展并發(fā)散到顆粒表面，表明著火后顆粒表面進一步著火燃燒．顆粒燃燒到一定程度時，揮發(fā)分從準(zhǔn)東煤顆粒中釋放，并在顆粒周圍形成微弱的淡黃色火焰，表明揮發(fā)分被點燃并燃燒．揮發(fā)性火焰消失時，準(zhǔn)東煤顆粒的焦炭已完全著火，表明準(zhǔn)東煤顆粒燃燒過程中揮發(fā)分燃燒與焦炭燃燒同時進行．這與Qi等[30]對煤顆粒燃燒方式的研究中關(guān)于煤顆粒燃燒行為的結(jié)論相符，揮發(fā)性火焰消失時，剩余的焦炭繼續(xù)燃燒直至完全燃盡．

與準(zhǔn)東煤的著火和燃燒特性相比，輪胎熱解半焦顆粒在燃燒過程中揮發(fā)分的燃燒先于焦炭燃燒，且揮發(fā)分火焰的消失早于焦炭外表面完全燃燒．這主要因為在850℃下輪胎熱解半焦顆粒著火方式屬于均相著火而準(zhǔn)東煤顆粒著火方式屬于聯(lián)合著火，導(dǎo)致其與準(zhǔn)東煤顆粒的燃燒特性有所差異．同時，輪胎熱解半焦顆粒揮發(fā)分更多，實際燃燒過程中火焰體積較煤顆粒更大，燃盡時間更短．在實際燃燒中可考慮與其它燃料摻混燃燒以增強燃料的點火能力，以應(yīng)對龐大的廢棄輪胎產(chǎn)生量．

圖7?準(zhǔn)東煤顆粒燃燒實驗圖像

3?結(jié)?論

(1) 在實驗研究范圍內(nèi)，隨著粒徑的增大，揮發(fā)分火焰的體積增大、揮發(fā)分著火和焦炭燃盡等特征時間延遲，與煤顆粒燃燒特性隨粒徑的變化規(guī)律近似．當(dāng)粒徑小于2.5mm時，揮發(fā)分火焰消失時焦炭外表面已完全點亮；粒徑大于等于3.0mm時，揮發(fā)分火焰消失時，焦炭外表面未完全點亮．

(2) 半焦顆粒在550℃燃燒時出現(xiàn)揮發(fā)分火焰；隨著溫度的升高，揮發(fā)分火焰體積逐漸減?。粶囟仍?50℃時，揮發(fā)分火焰的形狀發(fā)生顯著改變；在950℃時，半焦顆粒的著火方式由均相著火轉(zhuǎn)變?yōu)槁?lián)合著火，溫度的升高使得顆粒內(nèi)部的各類反應(yīng)速率加快，進而顯著縮短輪胎熱解半焦的燃燒時間．

(3) 850℃下典型高鈉準(zhǔn)東煤顆粒的著火方式屬于聯(lián)合著火，揮發(fā)分的燃燒與焦炭燃燒同時進行．輪胎熱解半焦的著火方式轉(zhuǎn)變規(guī)律與煤顆粒近似，但著火溫度較煤顆粒更低，且相同條件下燃盡時間更短．

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Combustion Characteristics of Single Semi-Coke Particle Pyrolysed from Waste Tire

Yuan Jiarui，Li Jianbo，Long Xiaofei，Wang Quanhai，Lu Xiaofeng

(Key Laboratory of Low Grade Energy Utilization Technology and System，Ministry of Education，Chongqing University，Chongqing 400044，China)

In this paper，the combustion characteristics of a single semi-char particle pyrolysed from waste tire were investigated on a single-particle combustion system and the effects of combustion temperature and particle size were analysed. Results indicated that the combustion of semi-coke particle at temperatures of 850℃ and below underwent four stages，namely volatile release and ignition，volatile combustion，coke ignition and coke combustion，showing that the ignition mechanism is of classic homogeneous type. As the temperature increased to 950℃，coke ignited before volatile ignition，indicating that its ignition mechanism belongs to join the tero-homogeneous mechanism. Moreover，an increase in combustion temperature would decrease the characteristic time such as ignition time，and an increase in particle size would increase the volume of volatile flame and delay the ignition time of coke significantly. This study provides fundamental research data for clean and effective utilization of tire-derived fuels.

semi-coke；waste tire；combustion characteristic；ignition mechanism

TK11

A

1006-8740(2023)01-0119-08

10.11715/rskxjs.R202111020

2022-01-27．

國家自然科學(xué)基金資助項目(52176101)．

袁家睿（1999—??），男，碩士研究生，2079795051@qq.com.

李建波，男，博士，副教授，jianbo.li@cqu.edu.cn.

(責(zé)任編輯：梁?霞)