（农业机械化工程专业论文）农作物秸秆阴燃特性及应用研究.pdf

山东理工太学硕士学位论文中文摘要 摘要 农作物秸秆作为我国生物质能的重要组成部分，其特点是分布分散，热值较低，集 中应用时收集、运输成本较高。根据这个特点，开发一种经济实用的应用技术，对解决 目前秸秆田间地头焚烧等造成的能源浪费，环境污染等问题，具有重要的意义。 本研究围绕利用农作物秸秆阴燃进行农村住宅供暖等思想，对农作物秸秆的热值特 性，阴燃特性进行了分析实验，在此基础上，设计制作了阴燃取暖炉，并进行了阴燃实 验。 首先，对山东省典型农作物秸秆特性进行了研究，实验检测了各秸秆的堆密度、含 水率、热值和元素含量。并建立了元素含量和热值间的神经网络模型，为阴燃设备的设 计提供了基础数据。其次，应用同步热分析仪对秸秆阴燃进行了分析实验，通过对实验 d s c 曲线的分析处理，得出结论，玉米秸、麦秸、豆秸和高粱秸的阴燃热效率都在5 5 以 上。在上述研究的基础上，设计制作了室内农作物秸秆阴燃取暖炉，对麦秸、玉米秸、 豆秸和高粱秸的实验表明：装料容积为4 6 0 哪x3 3 0 m i n x4 5 0 m m 的阴燃炉中，约3 6 k g 的 麦秸、玉米秸和高粱秸均能稳定的阴燃，炉腔中心点温度维持在4 0 0 4 c 以上分另达4 1 6 m i n 、 1 6 8 m i n 和1 6 5 m i n 。玉米秸和高粱秸在阴燃开始阶段出现明火现象，而豆秸在整个实验过 程中几乎都处于明火燃烧。 这些研究为作物秸秆阴燃或类似应用方式提供了参考。 关键词：农作物秸秆，阴燃。阴燃炉 a b s t r a c t a sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n to fb i o m a s se n e r g yi nc h i n a , a g r o - s t a l k sa l eo fs o m ef e a t u r e s ：s c a t t e r e d d i s t r i b u t i o n , l o wh e a l i n gv a l u ea n dh i g h e rt r a n s p o r t a t i o nc o s t 。t od e v e l o pa ne c o n o m i c a la n dp r a c t i c a l t e c h n o l o g ya c c o r d i n gt ot h e s ef e a t u r e si so f 删i m p o r t a n c et os o l v et h ei s s u e so fa i rp o l l u t i o na n de n e r g y w a s t ec a u s e db yf i e l db u r n i n go f a g r o - s t a l k s i no r d e rt ot a k e ! j s eo fa g r o - s t a l k ss m o l d e r i n ga sh e a tr e s o u r c eo fr e s i d e n c eh e a t i n gi nr u r a lp l a c ei n w i n t e r , i n v e s t i g a t i o no np r o p e r t yv a l u e sa n ds m o l d e r i n gc h a r a c t e r i s t i c so fa g r o - s t a l k sw e l ec o n d u c t e d b a s e d o nt h i sa na g r o - s l a l ks m o l d e r i n gn l n mw a sd e s i g n e d f i r s t l y , t h ep r o p e r t yv a l u e so f t y p i c a la g r o - s t a l k si ns h a n d o n gw e r ei n v e s t i g a t e d b ye x p e r i m e n t st h eb u l k d e n s i t y 、m o i s t u r ec o n t e n t 、h e a t i n g v a l u ea n d e l e m e n t a l e o n t e r l t s o f c o r ns t a l k 、w h e a ts t a l k 、b e a ns t a l k a n dd u r r a s t a l ka n de t c w e r em e a s u r e d t h e nt h em o d u l eb 酣d c e e nt h ee l e m e n t a lc o n t e n t sa n dh e a t i n gv a l u ew i t ht h e m e t h o do fa r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r kw e i se s t a b l i s h e s i tp r o v i d e st h eb a s i cd a t af o rt h ed e s i g no ft h e s m o l d e r i n ge q u i p m e n t s e c o n d l y , t h es m o l d e r i n ga n a l y s i se x p e r i m e n t sw e r ec o n d u c t e du s i n gs i m u l t a n e o u s t h e r m o g r a m e u i ea n a l y z e r a c c o r d i n gt ot h ec 1 u v e so b l a i n e df i - o me x p e r i m e n t s ，h e a te f f i c i e n to f s m o l d e r i n go f t h e mw a so b t a i n e dt 0b ea l ia b o v e5 5 b a s e do nt h i s ，ar e s i d e n t i a lh e a t i n gf u r n a c eu s i n gb i o m a s ss m o l d e r i n gw a sd e s i g n e d e x p e r i m e n t a lr e s u l t s s h o w e d t h a t i n t h e f i m a a c e w i t h t h es i z e o f 4 6 0 m m 3 3 0 m m 4 5 0 m m w h e a ts t a l k 、t o ms t a l k a n d d u r r a s t a l k a b o u t3 6 k ga r ea b l et os m o l d e rs t a b l y a n dt h et e m p e r a t m ea tt h ec e m e ro f m ef u r n a c ek e p t4 0 0 ( 2f o rm o r e t h a n4 1 6m i n u t e s 、1 6 8m i n u t e sa n d 1 6 5m i n u t e s t h ef l a m i n gc o m b u s t i o na r o s ei nt h eb e g i n n i n go f c o t t o n s t a l ka n dd u r r as t a l k ，h o w e v e r lt h ef l a m i n gc o m b u s t i o na r o s ei nt h ew h o l ee x p e r i m e n tp r o c e s so f b e a ns t a l k t h e s er e s e a r c h e s p r o v i d ear e f e r e n c e f o r n l es m o l d e r i n g o rs i m i l a r a p p l i c a t i o n m e t h o do f t h ea g r o - s t a l k s k e y w o r d ：a g r o - s t a l k s ，s m o l d e r i n g ，s m o l d e r i n gf u r n a c e 独创性声明 y8 9 0 1 9 本入声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得山东理工大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：疥竞时间：沙“年，月“日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解山东理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方 式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名： 导师 签 名： 蝌禽 司专j 时间：炒g 年一月“日 时间：洲年1 - 月“日 1 1 引言 第一章绪论 针对目前燃料短缺以及农村农作物秸秆被任意遗弃焚烧所带来的一系列不良影响， 山东理工大学近年来对生物质能，特别是农作物秸秆的应用进行了一系列研究，在研究 中发现，农作物秸秆这种生物质能具有分布分散，热值较低，集中应用时收集、运输成 本较高等特点，并且自然堆积呈多孔介质状，容易实现阴燃。 所谓阴燃，是一种缓慢、低温、无火焰的燃烧方式，氧气直接侵入固体燃料表面， 通过燃料本身燃烧释放的热量得以自维持传播川。其特点是，在温度较低、热量较小的环 境下就可以发生并维持。 随着农民生活水平的提高，农业设施、装备的广泛应用，农村住宅，蔬菜大棚、畜 禽舍等农业设施供暖，农产品干燥的能量需求不断增长。和发电、城市工业、民用耗能 相比，农村上述耗能分散分布、负荷强度小，更注重经济性。秸秆阴燃热释放速率低、 可就地取材、经济方便，特别适合用来满足农村上述热能的需求。利用秸秆阴燃来解决 我国广大农村较小负荷供热用能问题，在目前我国能源十分紧缺的情况下，将具有很好 的经济、社会效益和广泛的应用前景，也应该是秸秆能源利用的一个方向。 1 2 国内外研究现状及分析 121 利用农作物秸秆等生物质能的重要意义 1 世界能源已面临严重短缺 随着全球经济的发展，人类对能源的需求必然不断地增加，然而目前人类赖以生存 的化石能源却正在迅速地减少，世界各国己经充分认识到能源的重要性与短缺性，因此 开发新能源将是促进经济增长和解决环境保护的重要战略举措。据2 0 0 3 年6 月英国石油 公司的世晃能源统计回顾的资料显示：地球上蕴藏的可以开发利用的煤和石油化石能源 将分别在2 0 0 年、4 0 年内耗竭，而天然气也只能用6 0 年左右”。与此同时，由于化石能 源的过度开发利用带来环境污染和全球气候变暖的问题也日益突出。 目前，这种能源需求主要通过增加石油、煤炭的消耗量来满足，这不仅涉及到有限 的石油、煤炭资源的维持问题，而且会使危及人类的环境污染问题变得日趋严重。因此， 发展新能源，提高能源利用效率，尽可能多地利用可再生能源，己经成为世界各国优先 发展的战略目标。 山东理工太掌碗士宇位论文 第一章绪论 2 我国农林生物质资源严重浪费 我国生物质资源十分丰富，据有关资料统计，我国林业生物质能源薪材年资源量达 3 0 0 0 多万吨，农业生物质能源秸秆和稻壳分别达6 亿吨和0 1 5 亿吨，另外还有城镇有机 废物能源。全国的生物质的可再生能量按热量折合约为2 3 亿吨煤，相当于中国农村能 耗的5 3 ”“。特别秸秆作为一种十分重要的可再生能源，其开发及利用价值极高。 近年来，由于农村经济的发展和生活水平的提高，人们的消费观念、消费方式发生 了巨大变化。为追求高质量的生活标准，以及常规能源市场方便，农民已有条件和能力 大量使用煤炭等矿物能源，秸秆不再是农民能源消费的唯一选择，大量的剩余秸秆被遗 弃田间地头，有些地区将剩余的秸秆在田头焚烧，既浪费资源，又严重地污染了环境。 农作物秸秆随地燃烧、污染环境已成为社会普遍关注的问题，双流机场和石家庄机场 就曾因大量秸秆随地燃烧，造成集中污染，大气能见度大大降低，致使上述两个机场飞 机停飞，引起了中央领导和有关主管部门的高度重视。 据有关专家和部门估计，我国每年生产的秸秆扣除现有各种利用，尚有4 5 亿吨 5 5 亿吨农业秸秆、谷物壳皮和i 3 亿吨l _ 5 亿吨的林业树皮、锯末、枝丫等剩余生物 质由于没有先进、经济、高效的利用技术而被白白废弃“”1 ，严重忽视了生物质的能源 与生态环境作用，既污染了环境。又造成了资源的大量浪费，如此，不仅使国家的能源 交通业不堪重负，而且农村的生态环境问题也将日趋严重。 3 解决农村能源问题势在必行 从能源长远发展战略高度来审视，寻求一条可持续发展的能源道路，大力利用新能 源和可再生( 新) 能源以减少对环境的污染，加快新能源对传统能源的新旧更替，已经成 为我国近期急需解决的重大问题。因此改变能源生产和消费方式，开发利用生物质能等 可再生清洁能源、资源对建立可持续的能源系统，促进国民经济发展和环境保护具有重 大意义。 经过2 0 年左右的时间，我国生物质能开发利用取得了长足的进步，主要涉及到气化、 液化、热解、固化和直接燃烧技术。由于农作物秸秆分布比较分散，集中应用时收集比 较困难，而且运输费用较高，另外，目前应用于农村的大部分生物质利用装置如气化炉 等，普遍存在着成本较高，效率较低等缺点，不能满足广大农村广泛使用的要求，无法 达到大面积推广及产业化的目的。因此，立足于农村现有的生物质资源，开发一种简易 的生物质能利用设备，是农村发展的需要，又是减少污染、保护环境的需要。 1 2 。2 现有农作物秸秆能源利用主要技术。“2 1 近些年来，生物质废弃物的利用技术越来越受到世界各国的关注。特别是近一二十 年，人们普遍提高了能源与环保意识，对地球固有的化石燃料日趋减少有一种危机感， 在可再生能源方面寻求能源持续供给的今天，生物质利用新技术新途径的研究与应用， 山东理工大学硕士学位论文 第一章绪论 才有了快速的发展。 生物质自古以来就是人类赖以生存的主要能源，随着人类社会的不断进步，生物质 的利用已经有多种不同的方式，同样适合于农作物秸秆的利用，参见图卜1 ，总结起来主 要有以下几种。 图1 1 生物质利用途径 1 生物质直接燃烧 直接燃烧是目前生物质能利用的最主要方式。直接燃烧所耗用的生物质能源主要是 农作物秸秆和薪柴。在牧区也燃用少量的牲畜粪便。该方法燃料利用效率低，为5 1 5 ， 使得生物质燃料被认为是“贫穷燃料”，节能炉灶的推广将效率提高到了2 5 3 0 。垃圾 焚烧技术属于直接燃烧，目前主要的燃烧方式是改进后的链条炉和马丁炉等，循环流化 床垃圾锅炉等新技术的方式正处在发展阶段，德国、法国、美国等国家在垃圾的能源利 用方面处于领先地位。 2 固化成型技术 由于生物质燃料具有能量密度小的特点，将疏散的、低热值的农林废弃物固态生物 质燃料，如秸秆，木屑等压制成型燃料或进一步炭化制得所谓“机制木炭”。生物质中的 木质素( 木素) 属于非晶体，没有熔点，但有软化点，当温度为7 0 1 1 0 c 时粘合力开始增 加，在适当的温度( 2 0 0 3 0 0 c ) 下会软化，此时施以压力，则其与纤维素紧密粘接，并 与相邻颗粒互相胶接，冷却后即可固化成型。 3 生物质热裂解技术 热解是指生物质在缺氧的条件下受热后发生分解的现象。生物质热解后产生残炭和 热解气，热解气化的热解气主要含有c 0 、h 2 、c h 4 以及少量c 0 2 和n 2 ，热解气经过净化 后得到可燃气体，这就是生物质热解气化技术：在中等温度下热解产生较大分子有机气 体，对热解气进行冷凝制得生物油液体燃料，即生物质热解液化技术。热解燃料与生物 质原料相比，具有能量密度高、易运输等的优点。热解既可以作为独立的过程，也可以 是燃烧、炭化、液化或气化过程的一个中间过程，决定各热化学转化反应的动力学，也 决定产物的组成、特征和分布， 4 生物质液化制醇类燃料 常用的醇类燃料是甲醇和乙醇。甲醇可以用人工合成的方法高压催化制得，可行的 催化剂有高活性的铜基催化赳和锌一铬催化剂。乙醇可由生物质经糖化发酵制取。制取乙 醇的原料主要有两类，一类是木质纤维原料，一类是含糖丰富的植物原料，也可以选用 农业废弃物，如高粱秸、玉米秸、制糖废渣等。生物质成分不同，液化的方法也不同， 以木质纤维类为例，已经工业化的方法是硫酸渗透水解法，正在大力研究的是酶水解法。 温度和酸度是决定水解过程的主要因素。 5 生物质的生物转化技术 生物质的生物转化技术是指农林废弃物通过微生物的生物化学作用生成高品位气体 燃料或液体燃料的过程。目前主要的生物质转化方式为厌氧发酵和乙醇发酵。厌氧发酵 是指有机物在厌氧细菌的作用下进行代谢以产生以甲烷为主的可燃气体( 沼气) 的过程。 目前厌氧发酵主要分生物质发酵制沼气技术及垃圾填埋技术。 充分开发利用生物质能对建立可持续发展的能源体系，改变能源生产和消费方式， 促进全球经济发展和保护环境具有深远意义。生物质能转换利用技术对于加快能源现代 化进程，满足对优质能源的迫切需求，实施能源可持续发展战略都具有重要意义。 1 2 3 农作物穑秆直接燃烧技术现状及分析 人类自从发明了火，便开始以生物质为燃料使用，直接燃烧是最原始、最实用的利 用方式，一直延续到今天。就我国的基本国情和生物质利用开发水平而言，生物质直接 燃烧技术无疑是最简便可行的高效利用生物质资源的方式之一。 生物质直接燃烧主要分为炉灶燃烧和锅炉燃烧。炉灶燃烧操作简便、投资较省，但 燃烧效率普遍偏低，从而造成生物质资源的严重浪费；而锅炉燃烧采用先进的燃烧技术， 把生物质作为锅炉的燃料燃烧，以提高生物质的利用效率，适用于相对集中、大规模地 利用生物质资源。生物质燃料锅炉的种类很多，按照锅炉燃用生物质品种的不同可分为： 木材炉、薪柴炉、秸秆炉、垃圾焚烧炉等；按照锅炉燃烧方式的不同又可分为流化床锅 炉、层燃炉等“。 目前，国外采用流化床技术开发生物质能已具有相当的规模和一定的运行经验。美 国爱达荷能源产品公司已经开发生产出燃生物质媒体流化床锅炉，蒸汽锅炉出力为4 5 山东理工大学硕士学位论文 第一章绪论 t h 5 0t h ，供热锅炉出力为3 6 6 7 m w ；美国c e 公司利用鲁奇技术研制的大型燃 废木循环流化床发电锅炉出力为1 0 0t h - 1 ，蒸汽压力为8 7m p a ；美国b w 公司制造 的燃木柴流化床锅炉也于2 0 世纪8 0 年代末至9 0 年代初投入运行。此外，瑞典以树枝、 树叶等林业废弃物作为大型流化床锅炉的燃料加以利用，锅炉热效率可达到8 0 ；丹麦 采用高倍率循环流化床锅炉，将干草与煤按照6 ：4 的比例送入炉内进行燃烧，锅炉出力 为1 0 0t h 1 。，热功率达8 0m l v “。 我国自2 0 世纪8 0 年代末开始，别如山、鲍亦令等“”对燃生物质流化床锅炉进行 了深入细致地研究。为了提高锅炉燃烧效率，研究人员采用细砂等颗粒作为媒体床料， 以保证形成稳定的密相区料层，为生物质燃料提供充分的预热和干燥热源；采用稀相区 强旋转切向二次风形成强烈旋转上升气流，加强高温烟气、空气与生物质物料颗粒的混 合，促进可燃气体和固体颗进一步充分燃烧。根据以上研究成果，哈尔滨工业大学分别 与国内四家锅炉厂合作开发了一系列燃用甘蔗渣、稻壳、果穗、木屑等生物废料的流化 床锅炉，投入生产后运行效果良好，深受用户的好评。 刘皓、黄琳等“6 ”1 根据稻壳的物理、化学性质和燃烧特性，设计出以流化床燃烧方 式为主，辅之以悬浮燃烧和固定床燃烧的组合燃烧式流化床锅炉，并且为配合三段组合 燃烧采取了四段送风的方式。采用这种独特的燃烧方式和配风方式，其优点在于：流化 床中燃料颗粒的流化速度较低，有利于减少稻壳随烟气飞出流化床的份额，延长了稻壳 在床层的停留时间；提供了足够的悬浮燃烧空间，有利于挥发份中的可燃物在悬浮段迸 一步充分燃烧。通过试验研究证明，该锅炉具有流化性能良好、燃烧稳定、不易结焦等 优点，已经获得国家专利。 陈冠益、方梦祥等“”在试验研究的基础上，与无锡锅炉厂合作设计开发了3 5 t h 1 燃稻壳流化床锅炉。该锅炉设计的主要特点是：采用气力输送装置输送稻壳，不但输送 量大，而且输送安全，避免了因给料机堵塞引起的给科中断现象；采用厚壁管的防磨环 用以防止床层埋管的磨损，尾部加吹灰器吹风防止受热面积大；通过调整一、二次风风 量大小与烟气再循环实现炉内风速的改变，扩大了锅炉的燃料适用范围。 1 2 4 农作物秸秆阴燃技术研究现状及分析 阴燃作为直接利用技术的一种，与通常伴随有火焰产生的快速氧化反应的有焰燃烧 不同，有其自身的特点。阴燃是一种典型的无焰燃烧现象，一般发生在多孔固体燃料内 部的、以异相反应为主的表面燃烧过程，其显著特征有三：缓慢、低温和无焰。 8 0 年代，由于火灾危害日益严重，欧、美、日等发达国家对其研究加以重视。同时， 由于计算机的发展，使阴燃的数值模拟成为可能，通过对阴燃着火过程的模拟，结合试 验对比，使人们对阴燃机理有了进一步的了解。阴燃是燃烧学科中新兴的一个分支，目 前对于阴燃的研究，国外主要是以火灾预防为背景，侧重于研究阴燃的传播以及向明火 山东理工大学硕士学位论文 第一章绪论 转变的规律和特征u w 。 迄今为止，人们对阴燃反应机理的了解还不很深刻，通常认为阴燃包括热干燥、降 解和残炭氧化三个过程。燃料中除内部水分外还含有大量的自由水分，所以加热干燥是 一强烈的吸热过程。降解过程既包含吸热过程又包含放热过程，在缺氧的条件下燃料吸 热裂解释放出挥发成分，留下重量很轻、形状基本不变的多孔残炭，这是吸热过程，又 叫热解。在温度适宜的条件下，挥发气体遇氧发生放热的氧化反应。氧也可参加降解过 程，氧足够的情况下降解也可是净放热的。剩余的残炭与氧发生放热反应，维持阴燃的 传播。近些年来对阴燃的研究工作主要集中在阴燃波的传播规律和传播特性上，着重探 讨了影响阴燃波传播过程的主要因素。 1 实验方面 实验始终都是研究阴燃的主要手段。在实验中，阴燃传播被分为同向传播和逆向传 播分别加以研究。同向传播指阴燃传播方向和气流方向一致；而逆f 遗传播则相反。 o h e m i l l e r ，r j 。1 从实验的角度对两种形式的传播做了量级分析与比较，采用了热 解重量分析法和差异扫描量法得到：对于逆向传播，能较快达到稳定的传播速度，而正向 阴燃却是不稳定的，随碳氧化的当量值而变化。两种方式都将受氧的分布、供应控制。 t o r e r o ，j l 1 2 l3 ，实验研究了同向阴燃传播，结果表明：同向阴燃传播中有两个反应发 生：热解反应和炭的氧化反应。当空气流速小于1 o m m s 时，波的传播主要由传热、传质 过程控制，其特性与异向阴燃波传播特性相类似：当空气流速大于1 o i l s 时，位于阴燃 波前面的燃烧产物对流作用加强，产生一个吸热热解波位于氧化波前面。 o h l e m i l l e r 和l o c c a ”1 以松散绝热材料和高分子聚合物为研究对象，对同向和异向 两种不同的阴燃传播方式做了定量的比较。他们发现：异向传播阴燃很快就可达到一稳定 传播速率，且此波速率由传热率决定：而同向阴燃却不稳定，它以较高速率运动，由炭的 氧化反应控制，但这两种阴燃波的特性都由供氧率控制。 o h l e m i l l e 1 研究了纤维素物质的燃烧，通过实验研究了阴燃向明火的转化条件。他 们测定了两种传播方式下空气流速及可燃物质对转扳的影响。结果表明：空气流速增加 时，异向传播阴燃变化很小，且在空气流速达5 m s 之前未出现阴燃向明火的转化。但同 向传播阴燃对空气流速反映强烈，所以阴燃异向传播方式带来的着火危害性比同向传播 小。 t o r e r 和f e r n a n d e z 瞰3 对聚氨酯泡沫的同向阴燃进行了实验研究，空气作为氧化剂， 流动方向与阴燃的传播方向一致。通过阴燃传播的温度曲线来了解阴燃过程的特性和阴 燃的传播速度随氧化剂流速的变化情况。其研究结果表明随着空气流速的增加，阴燃过 程从由单一的放热氧化过程控制到由两个反应过程控制，这两个反应过程为氧化过程和 先于氧化过程发生的吸热的热解过程。 2 数学模型方面 阴燃机理的复杂性决定了单纯的实验不能揭示本质性问题，把实验与数学模型计算 山东理工大学坝士学位论文 第一章绪论 结合，才是深入研究阴燃过程的有效途径。 b u c k m a s t e r ”1 等比拟扩散燃烧讨论了正向一维阴燃模型及模型方程的解，所得结果 表明和前人的实验数据一致。 r o s t a m j 等。”建立了多孔柱状生物质阴燃的模型，包括热解和燃烧反应的动力学模型 和用c f d 进行的流动和能量的模拟。并用此模型预测了二维轴对称多孔介质正向阴燃中 气态和固态物质的温度，氧的浓度及压力分布。 t k i n b a r a 。”等人对一密布纤维材料的垂直杆做了一系列向下传播的阴燃实验，并建 立了模型。模型以一维稳态传导方程为基本方程，重点在于解释向下传播的阴燃速度与 燃料秆中样品的宽度、大气温度之间的关系。 f a t e h i ，m 等人研究了木材颗粒填充床减密度模型下的绝热异向阴燃。采用木材的 单步反应模型，分别讨论了氧气完全消耗和燃料完全转化两种情况下的解计算得出传播 速度、燃烧温度和固体燃烧程度主要由进入模型的气体流速决定，实验结果与预测结果 保持了很好的一致。 p d u r b e t a k i 汹1 认为当气流速度较低时，着火发生在固体、气体的分界面上，即所谓 的表面着火：当流速较高时，着火模式转化为气相着火。 k a n n a m a l a i 和p d u r b e t a k i 1 研究了煤的着火过程，认为：对于不热解的固体粒子， 着火发生在表面上；而对于完全热解的物质，着火一般发生在气相中；对于部分热解的 物质，如煤，着火模式取决于粒子尺寸、挥发份含量和外界氧气浓度。小粒子比大粒子 更有可能在表面处着火。 3 国内的进展以及应用研究 国内对阴燃的研究起步较晚，但也取得了一些成果。解茂昭等人在a d o m e i t 模型的 基础上，建立了一系列的碳粒填充床的数学模型，并进行了计算分析。 文献。“2 采用控制容积法，对受迫气流经过的水平碳粒床阴燃全过程做了数值模拟。 孙文策等对水平燃料床阴燃的传播及其向明火转化做了实验研究。发现在同向和 逆向传播的两种情况下燃料床不同高度层的阴燃传播有不同的规律。另外，实验结果也 表明，阴燃转化为明火的临界风速不仅为燃料本身性质( 空隙度、含水量等) 决定，还与 风速增加的规律有关。 国内大连理工大学的孙文策“等围绕着应用对于阴燃进行了较为全面的研究，先 后对应用阴燃进行取暖的燃池的工作特点和热能利用，纤维颗粒燃料阴燃引燃过程，燃 池内的阴燃过程的实验分析，水平燃料床、竖直阴燃的传播和气体成分多方面进行了实 验和理论研究。 浙江大学的马增益。”等也进行了强追对流下木屑水平床阴燃实验，实验发现增大气 流速度会增加阴燃传播速度，不同气流速度下阴燃气体中c o 和c o 。排放浓度变化不大。 李月宁1 在强迫气流下对阴燃形成过程中的影响因素以及阴燃过程的传播进行了实 验研究。实验结果表明加热功率、氧化剂流速和加热时间都对阴燃的形成有重要的影响， 山东理工大学硕士学位论文 第一章绪论 在相同的加热条件下，同向阴燃比反向阴燃更易形成。 刘炳民o ”建立了立式阴燃炉，以典型的生物质锯末为燃料，采用高速温检仪和气 相色谱仪，通过改变阴燃炉保温措施、加热温度、阴燃方式、进气量、排气方式及燃料 中水分含量，研究了这些控制因素对阴燃温度场和生成气成分的影响，得出一些规律。 另外，在农业设施等方面有许多应用阴燃的例子，沈阳农大的王铁良1 等对燃池在 日光温室中的加热进行了实验研究。关于燃池用于养蝎“、用于农村校舍的取暖、用于 农村住户的取暖也有相关文献报导。 1 3 课题主要研究内容 要对农作物秸秆阴燃过程进行研究，需要掌握其基本物理化学特性及阴燃的基本特 性，本研究内容主要包括以下四个方面： 1 ) 农作物秸秆的特性研究； 2 ) 农作物秸秆阴燃过程分析实验研究； 3 ) 农作物秸秆室内阴燃取暖炉的设计研究； 4 ) 农作物秸秆的阴燃实验研究。 1 4 论文依托的课题 本论文研究主要依托表卜1 列出的几个研究课题。 表卜1 论文依托的主要课题 课题名称 项目来源 生物质及其热解固、液产物元素分析及应用 生物质热解过程需热量的研究 生物质裂解液化技术 山东理工大学博士科研启动经费资助项目 山东省自然科学基金项目( 2 0 0 4 z x 2 1 ) 国家“8 6 3 ”( 2 0 0 1 a a 5 1 4 0 3 0 ，2 0 0 3 a a 5 1 4 0 3 0 ) 第二章农作物秸秆特性研究 由于农作物秸秆工业应用较少，基础数据缺乏，必须对其进行检测和研究。本章就 阴燃过程涉及的参数如含水率、堆密度、热值和元素含量等进行检测和分析，为相关计 算和研究提供基础数据。 2 。1 农作物秸秆等生物质燃料和煤炭的对比 典型的生物质燃料的元素组成和工业分析组成如表2 - 1 所示“，表中也列出了典型 的烟煤和无烟煤的相应的组成。 表2 _ 1 生物质燃料和煤炭在结构特性上的主要差别 从表2 - 1 中看出，生物质燃料和煤炭相比有以下一些主要差别： ( 1 ) 含碳量较少，含固定碳少。生物质燃料中含碳量最高的也仅有5 0 左右，相当于 生成年代较少的褐煤的含碳量。特别是固定碳的含量明显比煤炭少。因此，生物质燃料 不抗烧，需要频繁添加燃料，同时它的热值也较低。 ( 2 ) 含氢量稍多，挥发分明显较多。生物质燃料中的碳，多数和氢结合成较低分子 的碳氢化合物，遇到一定的温度后热分解而析出挥发物。所以，生物质燃料易被阴燃， 燃烧初期，析出量较大，在空气和温度不足的情况下易产生镶黑边的火焰。 ( 3 ) 含氧量多。从表中所列数字看出，生物质燃料的含氧量明显多于煤炭，它使得 生物质燃料热值低，但易于引燃。在燃烧时可相对她减少供空气量。 ( 4 ) 密度小。生物质燃料的密度明显较煤炭低，质地比较疏松，特别是农作物秸秆 和畜类。这样使得这类燃料易于燃烧和燃烬，灰渣中残留的碳量，一般较燃用煤炭者少。 由于生物质燃料包括农作物秸秆从结构组成上有以上这些特点，在农作物秸秆阴燃 实验装置的设计中，需要考虑其基本特性，下面对本实验选取的农作物秸秆进行一些基 本特性的研究。 2 2 实验物料的选取、收集和制备 选取山东省常见的八种农作物秸秆：玉米秸、麦秸、棉秆、高粱秸、地瓜秧、豆秸、 山东理工大学硕士学位论文 第二章农作物秸秆特性研究 谷秸和花生壳进行研究，并于2 0 0 4 年1 2 月收集山东省淄博市郊当年生长的上述农作物 秸秆。 为保证测量准确，对选定的农作物秸秆进行必要的预处理。首先将上述收集的各种 农作物秸秆在太阳光下适当晾晒，使其自然风干，并且去除里面可能的杂质，然后收集 上述秸秆样品各约l o k g ，将其轧成5 c m 左右的块状，利用s f - 2 5 0 组合式高速锤式粉碎机 分别进行粉碎。为了使样品能反映秸秆的总体特性，而且能够满足热值和元素含量测定 实验的条件，要求样品粒度最好在i 0 0 目以下。因此，将粉碎机配1 0 m 的筛孔，对各 种农作物秸秆进行粉碎。粉碎后分别用i 0 0 目的标准筛进行筛分，来验证粉碎后物料的 粒度。各物料中1 0 0 目以下部分占总物料的质量比如表2 2 所示，表中表明上述物料粒 度满足实验要求。 表2 - 2 八种农作物粉末样品10 0 目以下质量含量 2 3 农作物秸秆含水率和堆密度的测定 为了计算农作物秸秆干基热值和元素含量以及便于阴燃实验装置的制作，首先对各 种农作物秸秆的含水率以及堆密度进行测定。将制备的各类秸秆粉分别装在不同的坩锅 中，计量后将各坩锅加盖，一起放入敞开的干燥皿。然后将干燥皿放在1 0 1 型电热鼓风 干燥箱中，在3 7 8 3 8 3 k 下连续干燥2 4 小时，打开干燥箱，将干燥皿加盖。等温度下降 至4 0 度左右时打开干燥皿取出样品，称量干燥后的物质的量。根据干燥前后各生物质粉 质量就可以确定生物质含水率，实验时取干基值，其值用w 表示。实验数据如表2 - 3 所 示。 表2 3 元素分析和热馕实验含水率 在测含水率的同时，对上述制成的农作物秸秆粉进行堆密度的测定。所谓堆密度是 指粉状或粒状物料，在堆积自然状态下单位体积的质量，物料的堆积体积包括物料内部 孔隙和松散物料颗粒之间的外部空隙在内的体积。堆密度有疏松堆密度和紧堆密度之分， 本实验测量的是农作物秸秆粉的疏松堆密度，称取一定质量的秸秆粉，倒入量程为5 0 0 m l 山东理工大学硕士学位论文 第二章农作物秸秆特性研究 的量筒，轻微的振动量筒，直到秸秆粉体积不发生较大的变化，分别记下质量和对应的 体积，计算其堆密度，实验结果如下： 表2 - 4 农作物秸秆粉的堆密度 2 。4 农作物秸秆热值的测定 生物质热值是指单位质量的生物质燃烧释放出来的热量( k j k g ) 。生物质热值是衡 量生物质能量的一个重要特性指标，其有高位热值( h i g h e rh e a t i n gv a l u e ) 和低位热值 ( l o w e rh e a t i n gv a l u e ) 之分。高位热值是指化合物在一定温度下反应到达最终产物的焓 的变化。低位热值与高位热值的意义相同，只是产物的状态不同，前者水是液态，后者 水是气态。 从燃烧状态来看，生物质的发热量可以分为弹简发热量、高位发热量和低位发热量。 弹筒发热量：在氧弹中，在有过剩氧气的情况下，燃烧单位质量的生物质样所产生的热 量。弹筒内的燃烧产物为二氧化碳、硫酸、硝酸、呈液态的水和固态的灰渣。高位发热 量：生物质在空气中燃烧与在氧弹中燃烧是不同的，生物质在空气中燃烧时，其中硫只 生成二氧化硫，氮贝成为游离氮逸出，而在氧弹中有过剩的氧气时，可燃状态的硫生成 稀硫酸，氮则生成稀硝酸。稀硫酸和稀硝酸在形成过程中要生成热，从弹筒发热量中减 去上述两种稀酸的生成热后的热量就是生物质的高位发热量。生物质的低位发热量：生 物质在空气中燃烧与在氧弹中燃烧的另一个不同点是，生物质在空气中燃烧时，生物质 中的全部水分( 包括生物质中原有的和燃烧后生成的水) 都呈水蒸汽状态而排出，而在氧 弹中燃烧时，水蒸汽则凝集成液态水，保留在弹简内。生物质的高位发热量减去水的蒸 发热就是生物质的低位发热量“。 24 1 实验仪器及工作条件 本实验采用长沙仪器厂的w z r 一1 t 高精度微电脑自动量热仪，如图2 1 所示，仪器热 容量 o o o o j 6 c 左右，每次实验前要先做热容量的标定，热容量重复性误差0 2 ( 国家 标准) 。分析天平精度为o o o o l g 。氧气要用冷却氧，不得用电解氧，纯度大于9 9 9 9 6 。 采用的苯甲酸标准热值为2 6 4 9 4 k j k g ( 2 0 。c ) 。仪器采用恒温式测量模式，氧气钢瓶压力 要求在5 m p a 以上，减压阀输出压力2 8 3 m p a ，充氧时间不少于1 5 s a 山东理工大学硕士学位论文 第二章农作物秸秆特性研究 2 4 2 量热仪的校正 图2 1w z r 一1 t 微电脑自动量热仪 量热仪的热容量是影响测量精度的主要因素，所以应定期对量热仪进行校正。打开 仪器，待仪器达到稳定后，称取约0 9 1 1 9 的标准苯甲酸，按照实验步骤，制成氧弹， 放到仪器中，在选定的仪器工作条件下，按照仪器校正程序，对量热仪进行校正，取5 次以上实验结果的平均值作为该仪器的热容量。 24 3 实验步骤及结果 首先打开计算机，进入操作软件，进行条件设置，包括仪器的热容量和点火丝的热 值等。然后启动全自动量热仪，待仪器达到稳定后，将上述制成的样品进行热值测定。 实验用的点火丝是康铜丝，按照仪器的说明每段剪成l o c m ，准备数段。每个样品称取大 约l g ，利用压饼机压成圆柱体形状，放入坩埚中称取重量，把坩锅插入坩锅架上并装好 事先准备好的点火丝，放入弹筒里，拧紧弹盖，在充氧装置上充氧，压力保持在3 m p a ， 充氧时间不少于1 5s 。制成氧弹后，将氧弹放到量热仪内筒的氧弹架上，盖好内筒盖。 然后在计算机中输入样品质量，开始实验。实验结束，实验数据在屏幕上显示出来。所 得的实验结果如下： 表2 - 5 高热值测定结果( 分析基) 山东理工大学硕士学位论文 第二章农作物秸秆特性研究 2 4 4 玉米秸秆热解液体产物热值的测定 为了确定山东理工大学清洁能源中心生物质热解液化设备所得液体产物的热值，本 研究对玉米秸秆热解液体产物的热值进行了测定。本文提出了利用已知热值的无水乙醇 作为助燃剂，诱发生物油燃烧，来检测本实验室制取的生物油热值。 1 样品的来源 本实验的生物油样品是由本实验室自行研制的流化床制备，热解物料为2 0 0 4 年度淄 博地区的玉米秸秆，经粉碎后得到。热解温度为5 0 0 c ，喂料速率7 0 0 9 h ，生物油产品 得率为3 1 7 “。 2 助燃剂的选择和用量的确定 助燃剂的选择是方法的关键，助燃剂应为热值稳定的纯物质并保证燃烧后释放足够 的热量诱发生物油燃烧，同时引入的热值尽可能小，以确保测试精度“”。本实验分别使 用苯甲酸和无水乙醇作为助燃剂，实验时发现用苯甲酸作助燃剂，仍存在点火不着的现 象，而用无水乙醇作助燃剂，无水乙醇热值为2 9 6 6 7 9 k j k g ，符合g b t 6 7 8 2 0 0 2 。测试 效果比较理想。 另外，对无水乙醇的用量进行了考察，对于0 5 0 6 9 生物油，发现无水乙醇加入 量为大于0 0 8 9 时，生物油基本能完全燃烧，加入量为0 1 o 2 9 时，实际测得的生物 油的弹筒热值比较接近，重复性误差比较小，说明在该范围内无水乙醇的加入量对检测 生物油的热值无显著影响。因此，只要在生物油试样中加入适量精确称量的无水乙醇作 为助燃剂，就能保证试样完全燃烧，又使引入的外来热值较小，从而确保了检测方法的 精度。 3 实验及实验结果讨论 按照上述步骤，称取o 5 o 6 9 生物油试样于坩锅中，加入无水乙醇，制成氧弹， 开始实验。 由于生物油的低氮硫的特性，而且本实验中弹筒内未加入水，二氧化硫和二氧化氮 不会完全变成稀酸，因此，生物油的弹筒发热量约等于其高位发热量，根据6 8 5 1 8 6 8 5 1 可知，两者的差值通常可忽略不计，即用弹筒发热量代替高位发热量。而生物油的低位 发热量可以用公式( 2 1 ) 计算得到 绋= q g - 6 妒+ 9 h ) ( 2 一1 ) 式中：纯代表低位发热量，卡克；纯代表高位发热量，卡克j 代表试样水分含量， ；h 代表试样氢含量，；6 代表每l 水的汽化热，卡克；9 代表氢折算成水的系数。 另外，生物油的干基热值也可通过公式( 2 - 2 ) 计算得到 q 千基。翰豫。而i u 面u ( 2 - 2 ) 本实验对样品采用美国a g il e n t 公司生产的6 8 9 0 5 9 7 3 n 色质连用仪对生物油的组成 山东理工大学硕士学位论文 第二章农作物秸秆特性研究 成分进行了测定，得出其水峰的面积百分比为2 6 2 3 6 。另外，对玉米秸秆以及热解后的 残碳利用e a 3 0 0 0 元素分析仪测定了其氢含量，二者之差即约为热解液体产物的氢含量( 忽 略热解气体产物的氢含量) ，折算成水，实验样品的含水率为4 5 左右。 对生物油样品按照实验方法进行了6 次重复测试。由于生物油含水比例比较大，为 了比较数据的方便，通常也引入干基热值的概念，检测条件和结果如表2 - 6 所示。 表2 - 6 实验结果 按含水率为4 5 计算所得，测定结果的平均值为9 5 6 1k j k g ，干基热值的平均值为 1 7 3 8 3 k j k g ，这与文献“3 3 中给出的秸秆热解液体产物的干基热值比较相近。 在数理统计中常用相对标准偏差来衡量数据的离散程度，以表征测量的精密度。本 实验6 次实验数据精密度可由公式( 2 3 ) 和( 2 4 ) 计算得到 s =( 2 3 ) ， s ，：霉1 0 0 ( 2 圳 x 式中：s 、s ，分别表示标准偏差和相对标准偏差，x 。、x 分别表示第j 次的测定值和1 次结果的算术平均值，计算可得相对标准偏差为1 4 2 9 6 。 实验表明，在生物油中加入2 0 左右的乙醇，可以确保检测样品被点燃。此法能够 比较准确的测出生物油的弹筒热值，但是由于乙醇的易挥发性，存在一定的误差。另外， 这些数据的给出也为生物油的研究应用提供了依据。 2 5 农作物秸秆元素含量的测定 理论上讲，农作物秸秆能量含量是一定的，但就其发热量测定研究而言，假定其含 水量是不变的，则影响农作物秸秆发热量的因素主要是其元素成份，具体主要体现在农 作物秸秆的碳、氢、氧等元素的含量。因此，应对所选农作物秸秆的碳、氢、氧等元素 的含量进行准确测定，以便于对农作物秸秆的热值进行预澳4 研究。 山末理工大学硕士学位论文 第二章农作物秸秆特性研究 2 5 1 实验仪器及其工作原理 取上述制取的秸秆粉制成元素分析样品，同时 对其进行含水率的测定，利用e a 3 0 0 0c s o 高精 度元素分析仪进行元素分析，如图2 2 所示。该仪 器采用专利的f l a s h 燃烧