生物質微米燃料富氧燃燒特性分析_圖文

1、第37卷第5期2009年5月東北林業(yè)大學學報JOURNAL OF NORTHEAST FORESTRY UNIVERSITYMay2009生物質微米燃料富氧燃燒特性分析羅思義肖波郭獻軍(華中科技大學,武漢,430074摘要采用熟重分析法對生物質微米燃料在不同體積分數(shù)氧條件下的燃燒特性進行研究。結果表明:隨著氧體積分數(shù)的增加,生物質微米燃料的揮發(fā)分初析出溫度、著火溫度和燃盡溫度不斷降低,可燃性增強;平均和最大質量損失速率呈增加趨勢,提高了燃燒強度。燃燒特性指數(shù)隨著氧體積分數(shù)的增加而變大,當氧體積分數(shù)達到60%后,改善趨勢變緩。關鍵詞生物質;微米燃料;富氧;燃燒特性Combustion Chara

2、cteristies of Biomass Micron Fuel under Oxygen.Rich Conditions/Luo Siyl.Xiao Bo.Guo Xian. jun(School of Environmental Science and Engineering,Huazhong University of Science and Technology.Wuhan430074, P.R.China/Journal ofNortheast Forestry University.一2009.37(5.一8687Thermogravimetry experiments were

3、 performed on biomass miCl'On fuel under oxygen.rich conditions.Results show that,with oxygen concentration increasing,the volatile releasing temperature。ignition temperature and burnout tempera-ture of the biomass micron fuel decreased.the flammability enhanced,and the maximum and the average m

4、asfl1s rates increased.The integration index of combustion characteristics also gradually increased withoxygenconcentration increas.ing。while the increasing tendency tended to be slow when theoxygenconcentration exceeded60percent,Keywords Biomass:micron fuels;Oxygen.enrichment;Combustion characteris

5、tics生物質能的研究開發(fā)中燃燒是最簡單、最早使用的傳統(tǒng)方式,但是生物質的燃燒溫度不高限制了這種方式的應用。生物質直接燃燒的溫度只有600oC,生物質成型燃料的燃燒溫度一般不超過1000uj。華中科技大學清潔生產(chǎn)實驗室突破傳統(tǒng)的生物質利用方式,運用一種新思維去研究生物質,生物質經(jīng)過其自行設計的破碎系統(tǒng)破碎后,制備成粒徑在250p.m以下的生物質燃料(當其80%的粒徑在150岬以下時,稱為微米燃料,采用空氣作為輸送介質,運用粉塵爆炸高速燃燒的原理使其在特制的爐膛中進行燃燒,提高了生物質的燃燒效率和燃燒溫度.其最高燃燒溫度可達到1300“。目前,隨著富氧燃燒技術的成熟和發(fā)展伊“,研究生物質微米燃料

6、在富氧條件下的燃燒特性。對于今后生物質微米燃料富氧燃燒的具體應用具有重要的意義。熱重分析法是近年來廣泛使用的一種研究燃燒特性的手段,在研究生物質微米燃料的可燃性能及氧化反應性能方面已有廣泛應用。筆者采用熱重分析法研究了助燃空氣中氧體積分數(shù)的變化對生物質微米燃料燃燒特性的影響,為其開發(fā)應用提供了一些科學依據(jù)。1試驗設計試驗在德國Netzsch公司生產(chǎn)的STA409C型熱天平上進行,采用SiC質平坩堝,以利于樣層表面的氣體擴散。熱分析的升溫速率為20/rain.從室溫升至750,樣品質量為20 mg,爐內氣氛為氮氣和氧氣的混合氣體(100mL/min,天平保護氣為氮氣(20ml-./min。試驗所

7、采用的微米燃料取自華中科技大學清潔生產(chǎn)實驗室生物質破碎系統(tǒng)破碎后的松木刨花,工業(yè)分析和元素分析表明,其固定碳、揮發(fā)分、灰分和水分分別為15.06%、70.23%、1.12%和13.58%,主要由c、H和O組成,分別為“.48%、6.49%和31.42%,并含有少量的N (0.13%和S(0.01%元素。取試驗樣1.0kg,采用振動篩進行分級,其粒徑分布如下:粒徑小于120目的微米燃料占45.8%,介于120和80目之間的占40.6%,粒徑在80到加目1湖北省科技攻關項目(2007AA204801甓助。第一作者簡介:羅思義。男,1981年1月生.華中科技大學環(huán)境科學與工程學院.博上研究生。收稿幾

8、期:2008年5月27日。責任編輯:程紅。t的含量較少,占12.5%,粒徑在40目之下的只有1.1%。為了減小粒徑對試驗結果的影響,選取粒徑在80目以下的微米燃料進行試驗。2結果與分析TG曲線(熱重曲線表示試樣隨溫度變化時質量的變化,可給出物料分解、燃燒、質量損失的溫度(時間、質量損失量。DTG曲線(微商熱重曲線是根據(jù)TG曲線計算出的瞬時質量損失速率,表示某一時刻發(fā)生分解、燃燒而引起質量損失的劇烈程度。筆者繪制了燃燒過程中生物質微米燃料的TG曲線(圖1和DTG曲線(圖2,相應的TG、DTG特性參數(shù)見表1。寥罨礎水g強鑒f敞/圖1微米燃料在不同體積分數(shù)氧下的TG曲線由圖1和圖2可以看出,TG曲線

9、首先顯示出質量的微減,然后是少許增加,主要原因為微米燃料中少量水分的蒸發(fā)以及微米燃料外表面和孔隙內表面對氣體的物理和化學吸附作用。TG曲線有明顯的2個質量損失階段,對應的DTG曲線有2個峰值。綜合分析比較這些曲線可得出,生物質微米燃料的燃燒可以分為以下4個階段:脫水:燃料中的水分受熱蒸發(fā)汽化,從燃料中逸出。揮發(fā)分的析出與燃燒:燃料受熱后,低分子質量的物質首先分解氣化,到達著火溫度后生成氣相燃燒火焰。在這種火焰溫度的影響下,燃料中揮發(fā)性物質大量析出燃燒,出現(xiàn)第1個反應速度的峰值,即DTG曲線中的第1個峰值,之后熱分解速度急速下降。過渡階段o:固定碳通過氧化作用開始表面著火,以較慢的燃燒速度燃燒,

10、此時出現(xiàn)氣相、固相2種燃燒狀態(tài)并存的現(xiàn)象,直到燃料中的揮加加O第5期羅思義等:生物質微米燃料富氧燃燒特性分析發(fā)分物質燃燒完畢,氣相火焰熄滅。固定碳的表面燃燒:此時,燃料中的固定碳已全部碳化,表面生成光輝炙熱的火焰,燃燒反應速度加快,并出現(xiàn)第2個反應速度峰值,即DTG曲線中的第2個峰值,之后燃燒速度變慢,表面炙熱火焰由紅變暗,逐漸消失,TG曲線基本平直,微米燃料進入燃盡階段。毛量摹、桀幽水騷翎餐苔繭f箍J堡/圖2微米燃料在不同體積分數(shù)氧下的DTG曲線表1生物質微米燃料在不同體積分數(shù)氧下的TG、DTG特征參數(shù)9(o/揮發(fā)分析出著火溫最大質量損失平均質琶損失燃盡溫燃燒特性%iitlir/度Tt/6C

11、速彰%min“速彰%而“度V指彤10-7 202舛27214.28.756818.1 30l鉀25514.69.254l19.7 4018924716.010.452920.318723018.311.75”21.6l21120.112.850622.0 1001771粥23.915.541022.2從圖1和圖2中可看出,隨著氧體積分數(shù)的增加,試樣的TG和DTG曲線向低溫區(qū)移動,最大質量損失速率隨著氧體積分數(shù)的增加而增大,說明氧體積分數(shù)增加后微米燃料燃燒提前,可燃性增強,燃燒速度增加。揮發(fā)分初析點是指試樣開始損失質量時的點,它是衡量試樣揮發(fā)分析出難易的一個重要因素,通常取DTG曲線上開始恒定出

12、現(xiàn)負值的點,將揮發(fā)分初析溫度記作L。由表l可以看出:隨著助燃空氣中氧體積分數(shù)的增加,生物質微米燃料的揮發(fā)分初析出溫度不斷降低,由氧體積分數(shù)為20%時的204降為60%時的187,當在純氧條件下燃燒時,揮發(fā)分析出溫度為177。由于生物質中揮發(fā)分的比例達到70.23%,揮發(fā)分析出的溫度越低,越有利于生物質微米燃料的著火。著火溫度反映了生物質樣著火的難易程度,在工程實際中,掌握著火溫度對于燃料的點燃和穩(wěn)定燃燒有重要的指導意義怕J。燃盡溫度是試樣基本燃盡時的溫度,國內眾多文獻采用燒掉98%可燃質的點作為燃盡溫度。燃燒試驗中著火點和燃盡點的確定有很多種方法,筆者采用常用的TG. DTG。法。從表1可看出

13、,隨著氧體積分數(shù)的增加,生物質微米燃料燃燒的著火溫度和燃盡溫度均呈下降趨勢,燃盡溫度的下降幅度較著火溫度更大,說明富氧可使生物質微米燃料的燃燒在較低的溫度區(qū)完成,對生物質微米燃料的充分燃燒有較大影響。也就是說,隨著氧體積分數(shù)的增加,在較低溫度下就能滿足生物質微米燃料穩(wěn)定燃燒的條件。失速牢的影響根據(jù)熱天平曲線,定義平均質量損失速率為著火點到結束點失質量與反應時間的比。用這個指標衡量不同條件下著火燃燒過程的速率,從而找出影響反應速率的因索及其之間的關系。根據(jù)以上的定義方法,求得變氧體積分數(shù)下生物質微米燃料平均燃燒速率。最大質量損失速率點是反應生物質微米燃料特性的一個重要參數(shù)點,對應著反應過程中最快

14、反應速度點,在DTG曲線上表現(xiàn)為最低峰值點。由表I可以看出,生物質微米燃料樣燃燒的最大和平均質量損失速率都隨氧體積分數(shù)的增加而增大,說明氧體積分數(shù)的增加,提高了生物質微米燃料中易燃物質整體燃燒速率,使生物質微米燃料樣從開始燃燒到燃盡所需的時間縮短,生物質微米燃料燃燒活性得到增強。文獻7引入一個綜合參數(shù)燃燒特性指數(shù)S來表征煤粉的整體燃燒特征,即:譬一盟幽.堡!.魚=一。一d z'、出77n。,d塒、疋一面J r=rj”(dw摯dw。?(1砰瓦。¨7式(I中,(dw/dt為最大燃燒速度,(dw/dt.為平均燃燒速度,(dw/dtT=r為著火溫度下的燃燒速度。在綜合參數(shù)S中,R/E

15、表示煤的活性,E值越小,反應能力越高;d/dr (dw/dtT=瓦為燃燒速度在著火點的轉化率,其值越大,表明著火越猛烈;(dw/dt一/(dw/dtT=正為燃燒速度峰值與著火時燃燒速度之比;(dwldt。/瓦為平均燃燒速度與燃盡溫度之比,其值越大,表明燃盡越快。幾項的乘積包含了燃燒反應開始、快速進行和結束時的主要特征量,綜合反映了煤粉的燃燒特性,其值越大,表明煤粉的燃燒特性越好】。筆者用其來描述氧體積分數(shù)對生物質微米燃料燃燒特性的影響。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)求出的生物質微米燃料的燃燒特性指數(shù)隨氧體積分數(shù)的變化關系見表1。從表l可看出,綜合燃燒特性指數(shù).s隨助氧體積分數(shù)的增加而增大,當氧的體積分數(shù)大于60

16、%后,作用趨弱。在具體應用時,考慮到富氧的成本,可將氧的體積分數(shù)控制在30%一40%范圍內。3小結富氧對生物質微米燃料燃燒特性的影響較大,隨著氧體積分數(shù)的增加,其燃燒特性增大或降低。TG和IYrG曲線向低溫區(qū)移動,最大燃燒速率增大且出現(xiàn)得早。生物質微米燃料的揮發(fā)分析出溫度、著火溫度和燃盡溫度均降低,可燃性增強;富氧對燃盡溫度的影響更大一些。富氧提高了生物質微米燃料的燃燒速率,燃燒的最大質量損失速率和平均質量損失速率呈增加趨勢。表征生物質微米燃料的綜合燃燒特性指數(shù)S增大,表明燃燒特性得到極大的提高,為生物質微米燃料的富氧燃燒提供了理論依據(jù)。參考文獻存在的問題與發(fā)展對策J.可再生能源,2005(1:4143. 2肖波,鄒先枚,楊家寬,