生物質(zhì)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(xué)學(xué)報JOURNAL OF NORTHEAST FORESTRY UNIVERSITYMay2009生物質(zhì)微米燃料富氧燃燒特性分析羅思義肖波郭獻(xiàn)軍(華中科技大學(xué),武漢,430074摘要采用熟重分析法對生物質(zhì)微米燃料在不同體積分?jǐn)?shù)氧條件下的燃燒特性進(jìn)行研究。結(jié)果表明:隨著氧體積分?jǐn)?shù)的增加,生物質(zhì)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(qiáng);平均和最大質(zhì)量損失速率呈增加趨勢,提高了燃燒強(qiáng)度。燃燒特性指數(shù)隨著氧體積分?jǐn)?shù)的增加而變大,當(dāng)氧體積分?jǐn)?shù)達(dá)到60%后,改善趨勢變緩。關(guān)鍵詞生物質(zhì);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(zhì)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(zhì)的燃燒溫度不高限制了這種方式的應(yīng)用。生物質(zhì)直接燃燒的溫度只有600oC,生物質(zhì)成型燃料的燃燒溫度一般不超過1000uj。華中科技大學(xué)清潔生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)室突破傳統(tǒng)的生物質(zhì)利用方式,運(yùn)用一種新思維去研究生物質(zhì),生物質(zhì)經(jīng)過其自行設(shè)計的破碎系統(tǒng)破碎后,制備成粒徑在250p.m以下的生物質(zhì)燃料(當(dāng)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(zhì),運(yùn)用粉塵爆炸高速燃燒的原理使其在特制的爐膛中進(jìn)行燃燒,提高了生物質(zhì)的燃燒效率和燃燒溫度.其最高燃燒溫度可達(dá)到1300“。目前,隨著富氧燃燒技術(shù)的成熟和發(fā)展伊“,研究生物質(zhì)微米燃料

6、在富氧條件下的燃燒特性。對于今后生物質(zhì)微米燃料富氧燃燒的具體應(yīng)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(zhì)微米燃料的可燃性能及氧化反應(yīng)性能方面已有廣泛應(yīng)用。筆者采用熱重分析法研究了助燃空氣中氧體積分?jǐn)?shù)的變化對生物質(zhì)微米燃料燃燒特性的影響,為其開發(fā)應(yīng)用提供了一些科學(xué)依據(jù)。1試驗(yàn)設(shè)計試驗(yàn)在德國Netzsch公司生產(chǎn)的STA409C型熱天平上進(jìn)行,采用SiC質(zhì)平坩堝,以利于樣層表面的氣體擴(kuò)散。熱分析的升溫速率為20/rain.從室溫升至750,樣品質(zhì)量為20 mg,爐內(nèi)氣氛為氮?dú)夂脱鯕獾幕旌蠚怏w(100mL/min,天平保護(hù)氣為氮?dú)?20ml-./min。試驗(yàn)所

7、采用的微米燃料取自華中科技大學(xué)清潔生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)室生物質(zhì)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(yàn)樣1.0kg,采用振動篩進(jìn)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(guān)項(xiàng)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(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院.博上研究生。收稿幾

8、期:2008年5月27日。責(zé)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(yàn)結(jié)果的影響,選取粒徑在80目以下的微米燃料進(jìn)行試驗(yàn)。2結(jié)果與分析TG曲線(熱重曲線表示試樣隨溫度變化時質(zhì)量的變化,可給出物料分解、燃燒、質(zhì)量損失的溫度(時間、質(zhì)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(zhì)量損失速率,表示某一時刻發(fā)生分解、燃燒而引起質(zhì)量損失的劇烈程度。筆者繪制了燃燒過程中生物質(zhì)微米燃料的TG曲線(圖1和DTG曲線(圖2,相應(yīng)的TG、DTG特性參數(shù)見表1。寥罨礎(chǔ)水g強(qiáng)鑒f敞/圖1微米燃料在不同體積分?jǐn)?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(zhì)量的微減,然后是少許增加,主要原因?yàn)槲⒚兹剂现猩倭克值恼舭l(fā)以及微米燃料外表面和孔隙內(nèi)表面對氣體的物理和化學(xué)吸附作用。TG曲線有明顯的2個質(zhì)量損失階段,對應(yīng)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(zhì)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(zhì)量的物質(zhì)首先分解氣化,到達(dá)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(zhì)大量析出燃燒,出現(xiàn)第1個反應(yīng)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(zhì)微米燃料富氧燃燒特性分析發(fā)分物質(zhì)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(yīng)速度加快,并出現(xiàn)第2個反應(yīng)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(jìn)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?jǐn)?shù)氧下的DTG曲線表1生物質(zhì)微米燃料在不同體積分?jǐn)?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(zhì)量損失平均質(zhì)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?jǐn)?shù)的增加,試樣的TG和DTG曲線向低溫區(qū)移動,最大質(zhì)量損失速率隨著氧體積分?jǐn)?shù)的增加而增大,說明氧體積分?jǐn)?shù)增加后微米燃料燃燒提前,可燃性增強(qiáng),燃燒速度增加。揮發(fā)分初析點(diǎn)是指試樣開始損失質(zhì)量時的點(diǎn),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(fù)值的點(diǎn),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?jǐn)?shù)的增加,生物質(zhì)微米燃料的揮發(fā)分初析出溫度不斷降低,由氧體積分?jǐn)?shù)為20%時的204降為60%時的187,當(dāng)在純氧條件下燃燒時,揮發(fā)分析出溫度為177。由于生物質(zhì)中揮發(fā)分的比例達(dá)到70.23%,揮發(fā)分析出的溫度越低,越有利于生物質(zhì)微米燃料的著火。著火溫度反映了生物質(zhì)樣著火的難易程度,在工程實(shí)際中,掌握著火溫度對于燃料的點(diǎn)燃和穩(wěn)定燃燒有重要的指導(dǎo)意義怕J。燃盡溫度是試樣基本燃盡時的溫度,國內(nèi)眾多文獻(xiàn)采用燒掉98%可燃質(zhì)的點(diǎn)作為燃盡溫度。燃燒試驗(yàn)中著火點(diǎn)和燃盡點(diǎn)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?jǐn)?shù)的增加,生物質(zhì)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(zhì)微米燃料的燃燒在較低的溫度區(qū)完成,對生物質(zhì)微米燃料的充分燃燒有較大影響。也就是說,隨著氧體積分?jǐn)?shù)的增加,在較低溫度下就能滿足生物質(zhì)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(zhì)量損失速率為著火點(diǎn)到結(jié)束點(diǎn)失質(zhì)量與反應(yīng)時間的比。用這個指標(biāo)衡量不同條件下著火燃燒過程的速率,從而找出影響反應(yīng)速率的因索及其之間的關(guān)系。根據(jù)以上的定義方法,求得變氧體積分?jǐn)?shù)下生物質(zhì)微米燃料平均燃燒速率。最大質(zhì)量損失速率點(diǎn)是反應(yīng)生物質(zhì)微米燃料特性的一個重要參數(shù)點(diǎn),對應(yīng)著反應(yīng)過程中最快

14、反應(yīng)速度點(diǎn),在DTG曲線上表現(xiàn)為最低峰值點(diǎn)。由表I可以看出,生物質(zhì)微米燃料樣燃燒的最大和平均質(zhì)量損失速率都隨氧體積分?jǐn)?shù)的增加而增大,說明氧體積分?jǐn)?shù)的增加,提高了生物質(zhì)微米燃料中易燃物質(zhì)整體燃燒速率,使生物質(zhì)微米燃料樣從開始燃燒到燃盡所需的時間縮短,生物質(zhì)微米燃料燃燒活性得到增強(qiáng)。文獻(xiàn)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(yīng)能力越高;d/dr (dw/dtT=瓦為燃燒速度在著火點(diǎn)的轉(zhuǎn)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(xiàng)的乘積包含了燃燒反應(yīng)開始、快速進(jìn)行和結(jié)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?jǐn)?shù)對生物質(zhì)微米燃料燃燒特性的影響。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)求出的生物質(zhì)微米燃料的燃燒特性指數(shù)隨氧體積分?jǐn)?shù)的變化關(guān)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?jǐn)?shù)的增加而增大,當(dāng)氧的體積分?jǐn)?shù)大于60

16、%后,作用趨弱。在具體應(yīng)用時,考慮到富氧的成本,可將氧的體積分?jǐn)?shù)控制在30%一40%范圍內(nèi)。3小結(jié)富氧對生物質(zhì)微米燃料燃燒特性的影響較大,隨著氧體積分?jǐn)?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(zhì)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(qiáng);富氧對燃盡溫度的影響更大一些。富氧提高了生物質(zhì)微米燃料的燃燒速率,燃燒的最大質(zhì)量損失速率和平均質(zhì)量損失速率呈增加趨勢。表征生物質(zhì)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(zhì)微米燃料的富氧燃燒提供了理論依據(jù)。參考文獻(xiàn)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,