（农业生物环境与能源工程专业论文）阴燃过程简化理论分析.pdf

独创性声明 本人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：譬终格 时间：勐p年 ，其中有三个热电偶用来监测阴燃炉中心温度，三种燃料的 直径为：草1 5m m ；麦秸壶径3 5 掰m ；玉米秸2 2 糯璐，与表2 和表3 中根据碳氢燃料堆 积燃烧时的淬熄距离计算出的燃料的褊界尺寸比较可冕：草堆积燃烧时床层内部不会出 现火焰，麦秸、玉米秸堆积燃烧时床层内部又出现火焰的霹熊性。由于有焰燃烧比阴燃 的燃烧速度快，所以当燃料阴燃时只要床层内部出现火焰，那么燃料的失重速率就会加 快，这点从秸秆阴燃数据中也可以看出。如图2 。7 和2 8 。从图申可以看出孳的阴燃失 重速率最小，玉米秸的最大，这就说明了燃料阴燃的失重速率随燃料壹径的减小丽降低。 + 革一麦秸+ 玉米秸 岳 - 一 呻 3 褂 蚓 j 删 水 。王s 0 1 0 5 o 圭9 02 9 8 时问m i n 图2 7 豹吲矗下失重速率酶变化鳇线 1 4 山东理t 大学硕1 j 学位论文 第二章物料尺寸对阴燃过程影响的理论分析 口 - _ _ 姆 蝈 恻 水 2 5 本章小结 0 1 0 一草一麦秸一玉米秸 01 0 02 0 03 0 04 0 0 时间m i n 图2 8 砷蚶下失重速率的变化曲线 给出了堆积燃料床层内部燃烧时出现火焰的条件。首先分析了堆积燃料的排放方式， 包括有序排列和无序排列，计算出燃料两种排列方式时，床层的孔隙尺寸的特征参数当 量直径与燃料直径的关系，然后利用淬熄距离概念计算了燃料床层不出现火焰燃料的临 界尺寸，进一步分析得出：堆积燃烧时内部不出现火焰燃料临界尺寸的确定以碳氢燃料 的计算结果做为参考，并与p a l l l l e r 的实验结果基本一致。同时也解释了玉米秸、麦秸的 堆积阴燃传播速度远大于草的堆积阴燃传播速度的原因。 函东莲i 火鬈琰1 ：学位沦文第三牵焚壁戮燃过程中冻垂 冬热豹麓纯瑾论分摄 第三章典型阴燃过程中床层传热的简化理论分析 秸秆等生物质阴燃过程豳燃料的干燥，热解，炭的氧化过程组成。其中在秸 秆阴燃过程中燃料质量的变化主要发生在于燥和热解阶段，并且这两个阶段谴l 温度决定， 燃料的温度场又有传热过程决定。所以对燃料的干燥和热解过程的分析应从传热入乎。 由东省清洁麓源中心做了大量的秸秆骥燃试验，试验发现阴燃床中传热很快，最下瑟热 电偶的温度很快就可以升上来。下面对阴燃床中传热速度与阴燃传播速度的大小做出比 较分析； 3 1 典型阴燃过程的选取 本文研究自然流动条件下竖直向下阴燃，向下阴燃中重力加速度与反应区域传播方 向褶反。盘然赛和嗣常生活中经常发生焦炭的向下臻燃。其中典型的例子就是有焰火过 后或森林火灾瞄域田间焚烧之后残炭的燃烧一或人工扑灭或自然灭。甚至有时是从内部 点燃的，因为从内部到外部的反向传播是正向的十倍( 就本文的向下阴燃丽说的) ，有时 焦炭在阴燃前锋过后也存在l 凋，就可以很快地转化为向下阴燃。同样的原理烧烤炉就是 利用快速向上阴燃过后的向下阴燃的优势。国内在生物质阴燃应用方面，因为由粗纤维 组成的多孔分质( 不是粒状的也不是粉末状的) 床干燥和热解比焦炭氧化快，那么炭的 向下阴燃决定这个过程的长短。 正向阴燃氧化蠢| j 的传播方向与反应区域传播方向摆同，关于随上爰向阴燃的研究很 多，但是向下阴燃的相关研究很少。阴燃本身包括多孔介质中的传热传质、流体的运动 以及材料表面的化学反应等复杂过程，这些物理和化学过程之间的相互作用决定了阴燃 的特性，所以影响阴燃过程的参数的交互作用使对阴燃物理杌理的研究挚| ：较匾难，所以 研究者一般通过简化方法对阴燃进行研究，本文通过以生物质粉为燃料理论分析多孔介 质床层中的传热速度，就是从简优理论分析这一点出发的。 3 2 阴燃过程中床层传热简化理论分析 3 。2 1 物理模型 如下图所示，阴燃床的高度足够嵩，阴燃床中填充某种生物质粉，它的粒径小于l 1 6 山东理工人学顾i ：学位论文第三章典型阴燃过程中眯层传热的简化理论分析 l 姗，所以在床层内部热量散失的方式只有导热。在自然对流条件下，燃料进行向下的正 向阴燃燃烧的形式。在床体外面包以保温层，防止热量的散失，保温层的外表面是一层 铝箔，从而阻止了辐射的影响，床体四周热量的散失形式为导热和对流，在床层底部热 量的散失形式为导热。所以阴燃床中心温度场可以看作是一维的。 在阴燃床中从上到下取三个截面a 、b 、c ，其中截面a 与b ，b 与c 均相距1 5 0m m ， 阴燃过程是非常薄的阴燃前锋的移动，当阴燃前锋罩面进行的化学反应具有一定的热量， 可以忽略其中的化学反应，而把它假设为内热源。所以当阴燃前锋到达某一截面时，给 这一截面一定的热量从而使截面的温度升高，如果忽略这一截面升温的过程，那么可以 表述为：截面有初温，某一时刻受到热源的加热，温度突然升高到某一值，然后只向其 下部传热。 童x 三 - 水。一。_ 。_ 。_ 。_ 肆一- 一。_ “。“_ * l j 软本属 一曲孵州。柑一一一一褂_ 婶- 一_ _ - 椭一舳一一- * 肆- _ _ l j 3 2 2 数学模型 图3 1向下阴燃的物理模型示意图 上述物理模型中的传热过程就是半无限大物体的非稳态导 热。半无限大物体导热( s e m i i n f i n i t eb o d y ) 可以看成一维平板的i 一种特殊情况。所谓半无限大物体是指几何上如图( 3 2 ) 所示。l 、 半无限大物体的特点是从x = o 的界面开始可以向正向以及上、 【 下方向上无限延伸，而在每一个与x 坐标垂直的截面上物体的玲一垒一一、 温度都相等。o 卜1j 现实世界中不存在半无限大物体，但是在研究物体中非 匕 稳态导热的初始阶段时，则有可能把实际物体当作半无限大f 物体处理。例如，假设有一块几何上为有限厚度的平板，起- 一 初具有均匀温度，然后其中一侧的表面突然受到扰动，如壁图3 2 半无限大物体 温突然升高到一定值并保持不变，或者受到温度恒定的流体 的加热或冷却。当扰动的影响还局限在表面附近而尚未深入到平板内部中去时，就可有 条件地把该平板视为一“半无限大物体”。工程导热问题中有不少情形可按半无限大物体 处理。 1 7 山东理t 人学f i j ；i i ：学位论文 笫三章典型阴燃过程中床层传热的简化理论分析 半无限大物体温度场的分析解如下： 涎 图3 3 三种边界条件的示意圈 x 秭毒襄= 陪稻埘 如图( 3 0 ) 所示，有一半无限大物体，初始温度均匀为韬。在f = 0 时刻，x = o 的侧面 突然受到扰动，这种情况可以归纳为以下三种边界条件：( 1 滚面温度突然变化到t w ，并 保持恒定( 第一类) ；( 2 ) 受到恒定的热流密度加热( 第二类) ；( 3 ) 与温度为f 。的流体进行 热交换( 第三类) 。这三类边界条件定性地示于图3 3 中。假定物体的热物性为常数，没 有热源。 上述条件下物体中温度的控制方程和初始条件为 甜a 2 f 磊2 口，o x 删( 3 1 )鑫f缸。l ， z = 0 ，f ( x ，z ) = f o 边界条件：x = o ，图3 - 3 所示的三种条件之一 下面是在三种边界条件下的温度场的分析解为： 第一类边界条件堕警车垒。町( _ 每习( 3 2 ) f o f 。 2 0 露管 第二类边界条件删吒：华唧e 一专等彬嘲 ( 3 0 ) 第三类边界条件等三挚= 彬与暑) 一e x p ( 等+ 等弦咖夏蔷+ 坠乒) ( 3 q 其中、h 为传热系数，w ( m 2 。k ) ；亢为导热系数，脚k ) ；热扩散率露= 二l ，嗽；f 为 c 矾 。 时间，s ；f 坩为环境温度，；f o 为壁斌初温，；x 为距离，m 。 1 8 山东理工大学硕十学位论文第三章典型阴燃过程中床层传热的简化理论分析 g 巧云畚) 称为误差函数；e ，弦云畚) = 1 一e 玎云南) 称为余误差函数。误差函数的部 分数值在文献附录中给出。 3 3 传热速度与阴燃速度的对比 ( 1 ) 用半无限大物体| f 稳态导热的分析解求物理模型的传热速度。假设截面a 受到 阴燃前锋加热温度升到7 3 0 ，分析当与截面a 相距1 5 0m m 的截面b 温度升到2 5 0 时所用的时间，和当与截面a 相距3 0 0m m 的截面c 的温度升到2 5 0 ( 燃料热解的 温度) 所需的时间f c 。把上述问题归为第一类边界条件下的半无限大物体的非稳态。把 f o ，f ) = 2 5 0 ，f ，= 5 0 0 ，f o = 2 5 代入公式( 3 2 ) 得p r 厂( 辜) = o 5 2 6 3 ，由文献【2 5 】 z 、，口f 附录查得： _ 每= o 5 1 ( 3 5 ) 2 口z 、 式( 3 5 ) 给出了距离与时间的关系，下面确定公式( 3 1 ) 和( 3 2 ) 中的其它参数。 空隙率本文取空隙率的公式为 够：1 一笠 以 ( 3 6 ) 其中n 为物料的堆积密度，1 4 0k 咖3 ；以为物料的真实密度，忽略生物质内部的气 孔结构。本文取轻质木泡桐的密度3 4 7k g m 3 作为燃料的实密度【2 6 】，所以多孔介质床层 的空隙率为0 5 9 r 7 。 导热系数由文献【2 7 】中知气固两相热导率 a2 畋+ ( 1 一妒阢 ( 3 7 ) 式中：妒为床层的空隙率； 为床层中空气的导热系数，w m k ； 九为燃料的导热系数，w m k 。 由于阴燃床中的压力近似等于大气压，所以床层中的气体为空气，并且2 5 时空气 的导热系数为o 0 2 6 3w 细k i 冽，由文献【4 】取软木屑的导热系数为0 2 7w m k 。 把以上参数代入公式( 3 - 7 ) 1 9 山东理下人学硕i ：学位论文 第三章典型阴燃过程中床层传热的简化艘论分析 a 一够a 。+ u 一驴 k ；0 5 9 7 o 0 2 6 3 + ( 1 0 5 9 7 ) o 2 7 = o 1 2 5 矽柳k 文献f 2 网知密度为3 粥l ( g 细3 的稻草板的导热系数为0 1 潞w 细k ，所以本文假设的 生物质物料的密度为3 4 7k 咖3 时计算感的多孑l 介质床层的导热系数是可以接受的。 比热 参考文献【3 0 】取软木属的比热为1 6 8 0j 压g k 。 把a 的值代入热扩散率的公式得a = 5 3 5 1 盯7m s 。 把a = 5 3 5 量o - 7 和2u 1 5 ，x f ；o 3 代入公式( 3 。5 ) 得： 截面b 温度达到2 5 0 所用的时间：f r = 7 髓； 截面c 湿度达到2 5 0 所用的时阆：f r = 2 9 。6 蠹 ( 2 ) 用阴燃的传播速度计算阴燃床中温度传播时间 如图3 5 阴燃前锋到达截预a ，确定当阴燃自订锋到达截面b 、c 时各需的时间。 o h l e 面l l e r 总结出自然对流条件下，以煤粉、锯末为燃料得到横向阴燃的传播速度为 1 0 2m 瑚厂m 抓2 4m m m i n ，以密度为2 7 0k g ，m 3 的纤维板、圆柱状的纸为燃料得到向上阴 燃的传播速度为2 7m m m i n 、3 5 0 4m m a n i n8 秘。霹前关于向下正向阴燃的传播速度的 文献没有。本文研究的向下阴燃同时也是正向鬻燃，所以采用正囱阴燃的阴燃传播速度， p a l 糖懿用一定高度的软木在自然对流下做正向阴燃实验，得到了在一定厚度燃料床中阴 燃传播所需的时间。本文所要研究的物理模型、实验时的钋界条件和物料的特性与p a h n e r 的实验很相近，所以传播速度借鉴如下公式。 p a l m c r 啦! 得到堆积密度为1 4 0k g ，m 3 ，床层高度为3 0c m 的软木塞，在自然对流条 件下，自下而上阴燃所用的时间 t ：斌 式中f 为时间，s ；p 是常数；k 的单位为c 内之s ：l 为床层沿反应区移动方向的厚度，c 趣。 并且p 鑫h e f 给如：p = 2 ，圣女3 。6 l o 2 锄。所以f 拉一8 。携，= 3 2 锄。 由上蕊的计算结果可以看出：在一定厚度多孔介质阴燃床中传热的时间比阴燃前锋 传播所用的时间长，即床层中的传热速度小于阴燃锋的传播速度。 山东理t 大学硕上学位论文第三章 典型阴燃过程中床层传热的简化理论分析 3 4 秸秆阴燃实验整体床层几乎同时升温现象的解释 7 6 5 p4 心 赠3 0 0 2 0 0 1 0 0 0 髓 晒 田 01 猫3 0 04 5 0 0 6 0 07 0 08 9 0 0 时间腼n 图3 _ 4 麦秸阴燃过程中内部温度随时问的变化曲线 一一t 1 p v _ _ 一t 2 p v 叫卜一t 3 p vt 4 p v+ t 5 p v _ - - 一t 6 p v 卜一t 7 p v t 8 p v t 9 p v 8 0 0 7 0 0 6 0 0 u 5 0 。 越4 0 0 赠3 0 0 2 0 0 10 0 o 04 0 08 0 012 0 0 时问向i n 图3 - 5 麦秸阴燃过程中内部温度随时间的变化曲线 图3 4 为用第一代阴燃炉内部温度变化曲线图，从图中可以看出从上到下的内部热 电偶的温度是依次升高的，与燃料在阴燃炉中从上到下依次阴燃所得温度曲线相似，但 2 1 山东理t 人学硕 ? 学位论义第三章典型阴燃过程中床层传热的简化理论分析 经过进一步的观察发现，出现这种现象的原因是由于内部热电偶的径向尺寸为1 5m m ， 相对于燃料太粗，架空燃料，如图3 6 ，才使内部热电偶的温度依次升高。针对这种情况 图3 6 第一代阴燃取暖炉内部热电偶的布置示意图及实物图 图3 7 第二代阴燃炉内部热电偶结构 在设计第二代阴燃炉时，热电偶结做了改进，每根热电偶的径向尺寸为2 - 5m m ，并且同 一水平位置的三根热电偶是捆在一起的，如图3 7 ，大大降低了刘燃料的架空效果。在第 二代阴燃炉中做秸秆阴燃试验，得到温度曲线图( 图3 5 ) ，从图中可以看出：阴燃炉中 内部热点偶的温度从上到下几乎是同时升高的，把这种现象称为整体阴燃。并且第二代 阴燃炉的阴燃情况与实际中的阴燃现象较第一代阴燃炉相符。 下面看第二代阴燃炉中的质量变化l f n 线图。 一 时问m i n 图3 8 草坪草不同堆积密度下燃料质量变化曲线 8 7 6 5 4 3 2 1 o 叫鳖 山东理t 人学硕一l j 学位论文第三章典型阴燃过程中床层传热的简化理论分析 从图中可以看出：燃料质量变化曲线在开始的前一段时间斜率很大，接下来曲线比 较平缓，这就说明秸秆阴燃床中燃料的重量只是在开始阶段迅速减小，以后基本保持不 变，一方面是由于燃料有一定的含水率，水分的蒸发；另一方面是由于上下层燃料同时 进行阴燃过程，即为整体阴燃方式。 上面在假设床层内部热量散失的方式只有导热时对典型阴燃床中的传热与阴燃传播 速度分析得出：床层中传热速度小于阴燃前锋的传播速率，而秸秆阴燃实验中整个床层 几乎是同时升温的，传热的速度应大于阴燃前锋的传播速度，所以用半无限大物体的一 维非稳态导热计算阴燃床层的传热是不对的。因为在理论分析过程中在阴燃床层内部只 散热方式只考虑了导热，而秸秆阴燃床层的孔隙比较大，床层内部存在辐射作用；当温 度升到2 5 0 时，燃料开始发生热解反应，而只要有氧气的存在，燃料的热解反应就会 放出热量1 3 3 j ，由于这一方面的原因又加快了秸秆阴燃床中传热的过程。 3 5 本章小结 选取了典型阴燃实例，建立了物理模型，并对其进行简化，利用半无限大物体的非稳 态导热计算了传热过程，通过和文献中阴燃传播速度的对比，发现传热的速度大于阴燃 的传播速度，这就解释了以往秸秆实验中床层底部温度可以很快升高的现象。 山淼理_ 丁人学碳。仁学位论文第p q 带炭粉阴燃实验方案的提出及顶实验 第四章炭粉阴燃实验方案的提出及预实验 4 。l 炭粉阴燃实验方案的提出 阴燃本身就是一个物理和化学机理非常复杂的燃烧现象，影响参数很多，有关燃料 的物性参数和燃料床的特性参数，如燃料的组分、含水率、密度、热容，灰分的密度， 热容，气、固导热系数，气体扩散系数，燃料床密度，床层阻力系数，空隙率，孔隙尺 寸等，生物质残炭相 艺其它的溺燃物料来说粒径比较均匀，并且主要由碳和灰分组成，水 分含量极低，可以认为为零。所以用生物质炭 乍燃料做理论分析时减少了一部分参数， 同时众多参数影响的交互性得到了一定的简化作用。回时在预试验中发现生物质残炭很 容易引燃并且可以迅速转化为阴燃燃烧，与同等质量的秸秆相比它的阴燃时间也比较长。 要建立一个完整的阴燃理论必须要进行适当的假设和简化，用生物质炭做物料就是从阴 燃燃料简化出发的。另外生物质炭内部结构疏松，气孑乙分布均匀，既有利于阴燃的传播， 也起到了很好的保温效果，使阴燃能自维持下去。 以农作物秸秆为燃料的弱燃实验过程中发现：实验过程中释放出烟气并且具有刺激 气味，对环境造成了一定的污染。炭在燃烧时是无烟、无味的，所以以炭作为燃料对环 境污染较小例。 4 2 预实验 4 2 1 实验目的 目前对阴燃的研究所用的物料有锯末、香烟、聚氨脂泡沫、木材、农作物秸秆等， 这些燃料物理性质比较复杂，对阴燃的研究造成了一定的困难。热裂解后产生的生物质 炭的成分为碳和灰分，本文通过简化物料用生物质炭为燃料进行阴燃实验。为了尽量减 少实验因素，每次做实验都采用栩同质量的物料，并且使物糕每次实验中的堆积密度相 同，在自然对流条件下进行实验。验证炭阴燃实验的可行性，计算阴燃传播速度。 4 2 2 实验方案 ( 1 ) 为了验证炭阴燃实验是否可行，设计了一个小型阴燃试验台，本章主要目的是 山东理工大学硕j j 学位论文 第网章炭粉阴燃实验方案的提出及预实验 为了得到炭阴燃的传播速度和传热情况( 即得到温度的分布) ，实验设备原理图如图4 1 。 宇 试验设备原理图 ( 2 ) 温度监测装置 热电偶是工业上最常用的温度检测元件之。由于热电偶直接与被测对象接触，不受 中间介质的影响，具有感温快速、测量精度高、测量范围广、耐压高、可弯曲性能好、 抗氧化性能好及使用寿命长等优点，因此选用热电偶来对阴燃温度的变化进行检测。常 用热电偶的测温范围为5 0 + 1 6 0 0 ，根据以前的实验数据可知阴燃的最高温度一般不会 超过1 0 0 0 1 3 引，而且考虑到燃料燃烧过程的塌陷，测温的热电偶要有一定的刚性以保证 待测点的准确定位，从而阴燃炉内部采用的铠装k 型热电偶。补偿导线长度2 m ，以保 证参考端温度保持在比较稳定的环境中，亦以便于接线，另一方面利用接线柱再接5 0c m 的补偿导线，以便于拆装对阴燃炉进行烘热，同时也起到了对参考端的保护作用。补偿 导线跟中泰力控的r m 4 1 0 温度采集模块相接，通过r s 2 3 2 与计算机相连接，直接把电 压信号转化为摄式度，并自动存入微机，测试过程不需人为干预。三根热电偶的长度及 结构如图所示。热电偶在炉体上的和置如上图，其中热电偶与炉体的结合处用玻璃胶密 封好，起到保温及密封作用。 一 图4 2 热电偶结构示意图 热电偶采集的温度模拟信号由温度采集模块经由数据转换模块，通过r s 2 3 2 与计算 机相连接，保存数据。数据采集系统的核心部分是中泰力控组态软件，最大的特点是能 以灵活多样的“组态方式”而不是编程方式来进行系统集成，它提供了良好的用户丌发界 面和简洁的工程实现方法，只要将其预设置的各种软件模块进行简巾的“组态”，便可以 l jj 东理1 ：人学倾上学位论文 第p q 章炭粉阴燃实验方案的提出及预实验 非常容易地实现和完成监控层的各项功能，缩短了自动化工程师的系统集成时间，大大 的提高了集成效率，可以使用户方便、快速地构造不同需求的数据采集与监控系统。下 图是温度采集界面，其中本文设定每一分钟把采集的温度数据自动存储到计算机。从图 4 3 可以看出九个热电偶开始时刻收集到的温度上下均匀，一方面说明了热电偶的准确 性；另一方面说明开始时刻小型阴燃炉内的温度上下均匀，这究避免了九个热电偶起始 温度的差异对温度场造成的误差。 阴燃实验台 譬 _ 殂 _ f 妇 _ _ r _ 殂 _ _ _ _ j 互 _ 0 1 妇 - p 1 正】 - 鼍 _ 卫 匝口 _ 一：吨匠 ：。， j 黧i j 蠢；皇。 ! ， 一，蔓 爱。j 誓 。? ：。 图4 3 测温采集界面 ( 3 ) 物料的制备 本文选用生物质热裂解后的残炭( 如图 4 4 ) 为物料。生物质热裂解指的是生物质在高 温缺氧条件下利用热能切断大分子量的生物 质，使之转变为含碳更少的低分子量物质的过 程。热解的主要产物是焦炭，热解油( 焦油和 生物油) ，可燃气，残炭是热裂解的附产物， 本实验所用的生物质炭是在热解温度为4 7 5 的温度下得到的。热裂解后收集到的残炭山于 温度比较高，先把炭放在密封瓶驰，防止与氧 2 6 图4 4 生物质炭 山东理l + 大学硕：学位论文第p q 葶炭粉阴燃实验方案的提及顶实验 气接触，燃烧掉并且可以阻止生物质炭吸水，等到温度降下来之后再装入编织袋，每次 热裂解试验后都如上所述把残炭收集起来，然后把每次热裂解试验的残炭均匀混合起来， 装入编织袋，尽量防止物料与空气接触，阻止生物质炭吸水。所以本实验所用的生物质 炭由碳和灰分组成，在对生物质炭进行成分和特性分析时只测定热值和灰分含量。 ( i ) 试验物料热值的测定 燃料的热值是指单位绝干重量的可燃物在燃烧时所放出的总热量，是能量释放的主 要依据，单位为“l ( g 。热值即发热量是衡量燃料的主要质量指标和计价指标，在物质燃 烧过程中是确定燃烧发热量的必需参数。 热值的高低决定于燃料中含有可燃成分的多少和化学组成，与燃烧条件也有关系。 根据不同的燃烧条件等有关情况，燃料的热值有三种表示方法1 3 6 j ： 1 弹筒热值( b o m bh e a t i n gv a l u e ) 弹筒热值是专业实验室用氧弹式热量计的实验值，是指燃料( 气体燃料除外) 在充 有2 ，5 心8 m p a 过量氧的氧弹内完全燃烧( 约1 5 0 0 左右) ，然后使燃烧产物冷却到燃料 的原始温度( 约2 5 ) ，在此条件下单位质量的燃料所放出的热值。其终态产物为2 5 的过量氧气、氮气、二氧化碳、硫酸和液态水及固态灰分。这时燃料是碳完全燃烧生成 二氧化碳，氢燃烧并经冷却变成液态水，硫和氮( 包括弹筒内空气中的游离氮) 在氧弹 内的燃烧温度下( 约1 5 0 0 左右) 与过剩氧作用生成三氧化硫和少量氮氧化合物，并溶 于水形成硫酸和硝酸。由于这些化学反应都是放热反应，因而弹筒热值较实际燃烧过程 ( 常压、在空气中) 放出的热量数要高，故弹筒热值是燃料的最高热值，在实际应用时， 还要换算成下面的两种热值。 2 高位热值( h i 曲e r h e a t i i l gv a l u e ) 燃料在常压下的空气中燃烧时，燃料中的硫只能形成二氧化硫，氮变为游离氮，燃 烧产物冷却到燃料的原始温度( 约2 5 ) 时，水呈液体状态，以上这些与燃料在弹筒内 的燃烧情况有所不同。由弹筒热值减去硝酸形成热和硫酸与二氧化硫形成热之差后所得 的热值，即为高位热值。高位热值是燃料在空气中完全燃烧时所放出的热量，能表征燃 料的质量，评价燃料的质量时可用高位热值作为标准值。 3 低位热值( l 0 w e r h e a 缅gv a l u e ) 在实际燃烧中，燃烧后产生的烟气排出装置时温度仍相当高，一般都超过1 0 0 ， 且水汽在烟气中的分压力又比大气压力低得多，故此时燃烧反应所生成的水汽仍是水汽 状态，因此这部分汽化潜热后所剩的值，就是低位热值( 也称净热值) 。在实际工程应用 中，燃料热值都是采用低位热值，因为低位热值切合实际情况，比较合理。 生物质炭热值是指单位质量的生物质炭燃烧释放出来的热量( 呲g ) 。生物质炭热值 是衡量生物质炭能量的一个重要特性指标，其有高位热值( h i 曲e r h e a t i l l g v a l u e ) 和低位 热值( k w e r h 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， 2 7 山东理t 人学顺l j 学位论文第p q 章炭粉阴燃实验方案的提及预实验 后者水是气态。 从燃烧状态来看，其它生物质的发热量可以分为弹筒发热量、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炭样所 产生的热量。本文所用的生物质炭由碳和狄分组成，所以它在弹筒内的燃烧产物为二氧 化碳和吲念的狄渣，所以生物质炭的三种热值是相同的。 本研究中选用长沙仪器厂的w z r 一1 t 高精度微电脑自动量热仪( 如图4 5 所示) 对 三种燃料的含水率进行测定。 1 1 实验仪器及工作条件 仪器热容量1 0 0 1 0 0j 左右，每次实验前要先做热容量的标定，热容量重复性误差 = o 2 ( 国家标准) 。分析天平精度为0 0 0 0 1g 。氧气要用冷却氧，不得用电解氧，纯度大 于9 9 9 。采用的苯甲酸标准热值为2 6 4 9 4l ( j l ( 2 ( 2 0 ) 。仪器采用恒温式测量模式，氧 气钏瓶压力要求在5m p a 以上，减压阀输出压力2 8 3m p a ，充氧时间不少于1 5s 。 2 ) 实验步骤及结果 a ) 实验前准备： 实验用的- 文火丝是康铜丝，按照仪器 的说明每段剪成1 0c m ，准备数段。 制样：取粉术状的，卜物质炭，每个样 品称取人约】g ，利用压饼机压成圆柱体 形状，称其重是以备用。在压制过程中发 现生物质炭很难成型，是山于生物质炭中 含水分极低，使颗粒之问的粘结力小；并 且生物质炭为纵向的纤维结构也不利于 颗粒之间的粘结，所以在测热值之自，j i 先用 图4 5w z r 一1 t 高精度微电脑自动 研钵把生物质炭研磨一下，得到比较小颗粒的生物质炭粉，这样容易压制成型。 b 1 实验步骤： 首先打丌计算机，进入操作软件，进行条件设置。本实验是刈物料的热值进行测定， 冈此选择“发热量”选项，样品为固态，仪器的热容量为前面量热仪校j f 中测得的结果， 点火丝的热值为一定值，按照规定取默认值，这样实验条件准备完毕。 启动全自动量热仪，待仪器达到稳定后，打丌热值测定的界面进行热值测定。 装氧弹：用镊子将实验前准备的待测物料的样品放入坩埚巾，把坩埚插入坩埚架上 并装好事先准备好的点火丝，用万用表测量两极之问的电阻保汪在3 7 欧姆之i 、自j ，然后 将其放入弹筒早，拧紧弹盖后充氧，压力保持在2 8 3m p a ，充氧时问不少于1 5s 。制成 氧弹后再次测量电阻，若在允许范围内则进行下+ 步，符电阻值不对则需要放氧后重新 操作，直至符合要求。 将装好的氧弹放到量热仪内筒的氧掸架l ，盖好内简盖。然后扫：计算机一 】输入样品 山东理丁大学硕上学位论文第四章炭粉阴燃实验方案的提出及预实验 质量，丌始实验。 实验完成将自动结束，并将实验数据在屏幕上显示出来。 进行3 次测量取其平均值，所得的实验结果如下： 表1 生物质炭热值的测量结果 ( i i ) 试验物料灰分含量的测定 灰分是影响燃料燃烧性能的一个重要指标，被定义 为燃料的主要杂质成分，在燃料的燃烧过程中起着吸热 和阻隔热量传递的作用，所以对燃料进行灰分含量的测 定非常重要1 3 7 j 。灰分为干物质充分燃烧后，剩余下一些 不能挥发的灰白色残渣，一般燃烧的环境温度为。 6 0 0 8 0 0 。本文灰分含量即为灰分占生物质炭的百分。 比。公式为： 霪 爹 一 灰分含量) 2 意x l o o 黔”；w，鬟熬 ：7 式中，w 1 为狄分的重量；w 2 为生物质炭的重量。麓笺鬟i ，荔? “滗，。 i 1 实验设备缀4 渗黪一黎鳓，。 一； 陶瓷坩埚( 2 0 m 1 ) 6 个，马弗炉( 图4 6 ) ，电子天平，图4 6 马弗炉设备 干燥皿，坩埚钳，其中马弗炉为加热热源并可控制加热的温度：电子天平的精确度为0 1 m g 并可以迅速得到物质的重量。 2 实验步骤 1 ) 把空坩埚放进马弗炉，在6 0 5 温度下加热三个小时后取出并放进干燥皿，大约 半小时后冷却到室温，记录其质量。称完后，再把坩埚放进马弗炉在6 0 5 温度下加 热1 小时，在干燥皿中冷却后称重。重复上述步骤直到坩埚质量的变化与前一次相比小 于0 3m g 。记录下此时的坩埚质量。然后把称量好的坩埚放在干燥皿待用。 2 ) 从已经制备好的生物质炭粉中取大约1g 左右的生物质炭放入已待用的坩埚中，记 下生物质炭的质量w 2 。 3 ) 将坩蜗放入马弗炉中，接通电源，从室温开始缓慢加热，马弗炉的设定温度为6 0 5 。 4 ) 六小时后关闭马弗炉电源，再经半小时取出坩埚放到干燥皿中，冷却到室温，用 电子天平迅速称重并记录此时狄分的质量w ，实验结果如表： 2 9 山东理工人学坝j ：学位论文笫p q 章炭粉阴燃实验方案的提及预实验 表2 生物质炭灰分含量的实验测量 4 2 3 实验设备 ( 熏) 小型阴燃炉概述 f 曩 ，7 彩z ；炉体 数甄i ：笼 0 嚣 顼稿器 图舢7 试验装置示意图图4 8 阴燃炉中热电偶的布置 路长等用聚氨酯泡沫做阴燃试验( 试验设备如图4 7 ) ，试验装置长度为4 0c m ，内 截面1 5 锄1 2c i i l ，热电偶位于中心线上，并且相邻两热电偶问题为3c m 。得蹴阴燃的 传播速率为0 6 旌鞠翩i 珏幽l 。 中国科技大学邵占杰等入用聚氨酯泡沫对自然流动条l 牛下向上正向阴燃和传撰过 程进行试验研究，其中热电偶在炉体上的布置如图4 8 ，其中热电偶2 、4 、6 、8 与1 、3 、 5 、7 、9 是互相垂直的，相邻两个热电偶之间的距离为4c m ，得出阴燃传播速率为o 0 6 7 m i l l m i n 【3 9 l 。 孙文策等得出自然流动条件下生物质燃料竖直阴燃的传播速度很慢，大约晓王饶9 m 舳钿j n l 嘲。 ( 2 ) 实验装置的设计 投据文献的数据以及本文的要求设计小型阴燃炉，其中实验装置图如下： “j 东删t 人学倾 “学位论文 第p q 章炭粉阴燃实验方案的提j j 及预实验 ：一 ： ： ： o 期露 黉蚕羹辫鬻霪蚕爨 1 点火、进气及出气口；2 保温层；3i ；月燃炉内胆；4 热电 偶插口( ：到卜依次为t l 眄) 图4 9 阴燃试验装置示意图及实物图 阴燃炉体的设计炉体由1 1 3 1 1 3 6 0c m 保温砖砌成，减少热量的散失使阴燃能自维持 f 去，在保温砖的中心钻6 0 2 4 0c m 的孑l 作为炉胆，在炉外面包有2 3 5c m 的保温棉，这 样可以认为炉体四周和底部是绝热的。其中点火处、进气口和出气口均为图4 9 中1 ，在 点火稳定之后，在点火上方放| 二块中问带有圆孔( 直径为6 0c m ) 的保温棉。 炉体中热电偶的布置在炉胆的底部装一个热电偶，然后沿炉胆的中心线往上每3 锄 布置一个热电偶，一共9 个热电偶，用来豁测燃料床中心温度的变化。 小型阴燃炉的设计对实验研究理论分析的好处为：炉胆为圆柱形，并且四周和底部 保温性很好，因此燃料在炉中燃烧过程可以认为一维的；热点偶在炉中分布比较密集， 因此收集到的温度数据可以准确地描述阴燃过程中的温度场。 4 2 4 实验过程 因为本文主要是验证炭阴燃实验的可行性以及观察炭阴燃实验现象，所以实验次数确 定以得到数据变化趋势的重复与否以及侮次实验现象是否一致为准则，并且此实验为单 因素单水平，每次实验均加入1 0 02 生物质炭粉。 ( 1 ) 装料把生物质炭装入小型阴燃炉中。每次装的质量大约均为1 0 02 ，把生物质炭均分 为四份，每装入一份，把小型阴燃炉颇五下，每次颠的e 下幅度大约为1 5c m ，这样每次 装物料时均要颠2 0 下，这样每次实验时物料的堆积密度相等。装的物料高度与小型阴燃 炉炉体的上表面水平。 i i j 东艘r ：人学坝f j 学位论文第p q 亭炭粉阴燃实验力案的提及颅实验 ( 2 ) 烘小型阴燃炉把装好料的小型阴燃炉放入上海一 恒科学仪器有限公司开发的d h g 9 6 2 0 a 型电热恒温 鼓风干燥箱中，把温度定在5 0 ，烘十二小时后。 打开总电源，打开温度检测的电源开关，打开温 度监测的软件，察看温度是否f 常，井记录环境温度。 ( 3 ) 接热电偶把小型阴燃炉从干燥箱中取出，迅速把 热电偶的补偿导线接到中泰上，观察九个热电偶显示 的温度是否上下均匀。 ( 4 ) 点火阴燃的发生需要一个很强的热源，本实验中 采用明火点燃的方式引燃。温度显示正常后，用纸张 均匀地引燃炉中最上面的生物质炭，在自然通风的条件图4 1 0 电热恒温鼓风干燥箱 下，燃料迅速形成阴燃的燃烧方式，然后把留在燃料上 面的纸灰去掉。 ( 5 ) 待第九个热电偶的温度降到5 0 之后，本次实验就可以结束了。实验结束之后把收集 到的温度数据保存到电脑里，关掉温度监测软件，关闭电脑，最后把热电偶与中泰系统 断丌，以备下次实验使用，把阴燃后的灰倒出，测阴燃狄中狄分含量。 4 2 5 实验结果 山东理工大学清洁能源中心做了大量的生物质炭的竖直向下一向阴燃实验，本文阴 燃实验的目的是为了观察生物质炭阴燃实验的可行性，进而得到阴燃传播速度和阴燃温 度场的分布。试验分为两部分：第一部分实验是小型阴燃炉没有经过烘温过程，而是直 接在环境温度下进行实验；第二部分实验是先利用烘箱把小型阴燃炉烘到5 0 ，目的是 给阴燃炉一个保温温度。对第一部分实验与第二部分实验产生的灰进行狄分分析，比较 两部分实验的阴燃程度。对试验后得到的灰分中的碳的百分含量进行测定，因为生物质 炭= 灰分+ 碳，所以根据上文测生物质炭中灰分的百分含量的方法可得到阴燃后灰中的 碳百分含量如表： 表3 阴燃炉未烘的生物质炭灰中碳的含量 3 2 山东理t 大学硕，j j 学位论文第叫章炭粉阴燃实验方案的提h j 及顶实验 表4 烘过的阴燃炉的生物质炭灰中碳的含量 从表中可以看出生物质炭阴燃后灰中的可燃成分百分含量在阴燃炉未烘时比阴燃炉 被烘到5 0 时大，就是说阴燃炉经过烘温后生物质炭的阴燃情况比较好，本文将对阴燃 炉被烘到5 0 的实验数据作出分析。 4 2 5 1 阴燃速度 本文用阴燃锋面的传播速度来表示阴燃的传播速度。 4 5 0 一t 1 p v t 2 p v t 3 p v + t 4 p v t 5 p v 一t 6 p v t 7 p v + t 8 p v 一一t 9 p v 01 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 07 0 08 0 0 时间m i n 一 图4 1 1阴燃炉中t 1 四在不同时刻的温度曲线 由于第九个热电偶与炉胆的最底面处于同一水平线上，所以当它的温度开始发生变 化的时候，说明外部环境对炉内的燃烧已经产生干扰，所以在计算阴燃的传播速度时， 采用第九个热电偶的温度没有发生变化之前的数据。阴燃的传播速度，公式为： z v = 一 f 式中f 为两个相邻热电偶之间的距离，m m ；f 为两个相邻热电偶先后达到最高温度所用 的时间，m i n 。本文中z 为3 0m m ，f 的数值可以在实验所得的数据中取得。生物质炭在 小型阴燃炉中向下阴燃的传播速度如表5 。 3 3 o 0 0 o 巧 坫 5 p 巡赠 出东理工大学鬏l j 学位论文第卿磬炭捡蹦燃实验方案的提出及顶实验 表5 阴燃传播速度值 4 2 5 2 阴燃温度场+ 图4 一l l 中的温度变化曲线与图今2 1 中的温度变化曲线相比，没有水蒸发的曲线段， 是因为生物质炭是出灰分和碳组成，经过一段时间的持续升温后生物质炭进入热解阶段。 2 0 0唾o o6 0 08 0 0 时间m i n 图4 1 2t 1 在不同时刻的温度曲线 图4 1 3t 2 在不同时刻的温度曲线 4 5 0 p 3 5 0 运2 5 0 赠1 5 0 驰 l 一姥l 一热2 一实验3 l p qi 一 。| k ： 彬弋 02 4 0 06 0 0 对湾蕊n t 4 的温度曲线图 图厶1 4 耶在不同时刻的温度曲线 4 5 0 d 3 5 0 雠2 5 0 黧1 5 0 5 0 l 一实验l 一船2 一实到 ，岁咒，配 扩乞二厂飞 飞吣 8 0 0o2 0 04 0 06 0 08 对溺秸i 珏 t 3 的温度曲线图 图4 1 5t 4 在不同时刻的温度曲线 4 卯 d 3 5 0 途2 5 0 鳕1 5 0 5 0 一实验l 一靴+ 实验3 1 、 。j 绷气 1 i 5 、去基 6 0 0 5 0 0 u4 0 0 趟3 0 0 鳕2 0 0 1 0 0 0 l 一实验1 一实验2 + 实验3 l 烈 1 ，a“ ， 一； _ 。w i ，。； o2 0 0 时靓。 6 0 08 0 0 o 2 0 0 时舰n 印0 咖 时间肺n_ 1 日j 蚀9 图4 1 6t 5 在不同时刻的温度曲线图4 1 7t 6 在不同时刻的温度曲线 4 0 0 u 3 0 0 、 越2 0 0 厘1 0 0 0 一实验1 一实验2 一实验3 础1 x 、! r 剐。飞 _ - _ 、h 呐 4 5 0 u 3 5 0 逮2 5 0 厦1 5 0 5 0 一实验1 一实验2 一实验3 j 蚰1 。n 疗心八 j j f 跫 02 0 04 0 06 0 08 0 0o2 0 04 0 06 0 08 0 0 时间风n ，晰蜘? 一 图4 1 8t 7 在不同时刻的温度曲线图4 1 9r 在不同时刻的温度曲线 5 0 0 4 0 0 u3 0 0 簧2 0 0 1 0 0 0 0z u u4 u 06 0 08 0 0 吐问伽2 卫一 图4 2 0t 9 在不同时刻的温度曲线 从图4 1 1 中可以看出：t 1 升温速率最快，是由于t 1 与氧气的接触比较充分，阴燃 的速率就比较快。但是从每次试验数据可以看出1 7 、t 8 和t 9 曲线的波动比较大，通过 实验发现当温传到第七个热电偶时，床层的塌陷很明显。在达到峰值温度之前有一个温 度的陡升，这是由于燃料在转化为稳定阴燃之前都有一个升温的过程。其具体描述为： 燃料温度升高使得它发生热分解反应，热解析出产物和生物质炭颗粒与氧气发生表面化 学反应，放出热量，这时燃料已经丌始阴燃燃烧。伴随着阴燃反应前锋的逼进，氧扩散 或者输运到此处的量逐步增加，氧化反应也随之加剧，因为阴燃为贫氧状态下的燃烧， 其反应速率往往取决于氧传输速率，所以阴燃炉中从上到下各点从开始到温度到达阴燃 峰值温度之前的温度上升的速率逐渐减小。氧化反应放出的热量和外界达到了热平衡之 3 5 出客理i 大学壤1 ：学位论文籀嚣窜炭投骥燃实验方察豹挝澎及颓实验 后，温度达到最高值( 即阴燃峰值温度) 。然后温度慢慢降低，直至燃料耗尽。 滋 菠 图| 艺重燃料鼹燃过程中的反应过程示意臻 时瓣 下丽对某一截面上燃料在阴燃过程中经历的几个反应过程进行分析，如图禾2 l 。阴 燃转播过程中，参与反应的燃料在鞠燃萎誊锋懑未到达它所在的缀置之前，已经吸收鞲燃 前锋通过传导和对流或者外加热源传递过来的热量，温度上升，在最初的一段时间，燃 料会发生热失重过程，主要是其内部水分的蒸发，生成酶水蒸气会带走部分热量，可 燃物温度进步升高使得它发生热分解反应，析出挥发性气体产物；同时，若祷氧气存 在的话，箕析出产物翔固体燃料颗粒本身就会与氧气发生表蔼化学反应，放出热壁，这 就标志着此处的燃料已经开始戮燃燃烧。俸随着鬻燃反应前锋的逼迸，氧扩敖或者输运 到此处的量逐步增加，氧化反应也随之加剧，因为阴燃为贫氧状态下的燃烧，其反应速 率往往取决予氧传输速率，大量热量的生成，使褥此处幽原来的吸热区变成了向别处， 尤其是前方新鲜燃料的放热区。此处成为阴燃前锋的标志就是其不再吸收后方传递过来 的热量。等此处氧化反应放出的热量和外界达到了热平衡之籍，温度就不再继续升高， 这个平衡状态的维持要靠生成炭区的氧佬反应放出的热量。 此餍瞬燃的发展有两个趋势：继续传播下去；在外界条件改变的情况下发生转化( 燃 料帮籍耗尽或者环境中氧气突然降低劐麓燃传播所需的最低极限之下，溺燃熄灭；氧浓 度突然增大，将馊燃料发生剧烈的氧化反应，放出大量的热量，阴燃转为有焰燃烧) 1 4 。 山东理t 大学硕j 二学位论文笫四章炭粉阴燃实验方案的提f l j 及顶实验 一系列l 一系列2 系列3 5 01 5 02 5 03 5 04 5 0 1 一一 ： 主 5 ； 8 9 。 图禾2 2 阴燃炉中t 1 t 9 在同一近似时刻的温度曲线 上图为阴燃炉中同一近似时刻各点温度值，同一近似时刻是指在不同的实验中实验 进行到相同程度的时刻。其中系列1 、2 、3 各为三次试验中第二个热电偶达到峰值温度 时刻，小型阴燃炉中中心各点温度变化曲线图，从图中可以看出，三条曲线的变化趋势 一致，说明小型阴燃炉中生物质炭粉在同一时刻的传热过程是一致的，同时也说明了试 验的可重复性。并且当阴燃温度场传到第五个热电偶时，温度开始回升，在第六个热电 偶位置附近温度回升的值最大。生物质炭阴燃后的颜色比阴燃前的颜色没有多大的变化， 主要是因为小型阴燃炉的炉胆直径偏小，阴燃炉中心的温度场受到了周围燃料的影响。 4 3 本章小结 根据收集到的试验数据作出的九个热电偶在不同时刻的温度变化曲线及九个热电偶 在同一时刻的温度曲线，可以看出生物质炭在小型阴