生物质微米燃料富氧燃烧特性分析_图文

1、第37卷第5期2009年5月东北林业大学学报JOURNAL OF NORTHEAST FORESTRY UNIVERSITYV01.37No.5May2009生物质微米燃料富氧燃烧特性分析罗思义肖波郭献军(华中科技大学,武汉,430074摘要采用熟重分析法对生物质微米燃料在不同体积分数氧条件下的燃烧特性进行研究。结果表明:随着氧体积分数的增加,生物质微米燃料的挥发分初析出温度、着火温度和燃尽温度不断降低,可燃性增强;平均和最大质量损失速率呈增加趋势,提高了燃烧强度。燃烧特性指数随着氧体积分数的增加而变大,当氧体积分数达到60%后,改善趋势变缓。关键词生物质;微米燃料;富氧;燃烧特性分类号S21

2、6.2Combustion Characteristies 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(5.一8687Thermogravimet

3、ry experiments were 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 maximu

4、m and the average masfl1s 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;Com

5、bustion characteristics生物质能的研究开发中燃烧是最简单、最早使用的传统方式,但是生物质的燃烧温度不高限制了这种方式的应用。生物质直接燃烧的温度只有600oC,生物质成型燃料的燃烧温度一般不超过1000uj。华中科技大学清洁生产实验室突破传统的生物质利用方式,运用一种新思维去研究生物质,生物质经过其自行设计的破碎系统破碎后,制备成粒径在250p.m以下的生物质燃料(当其80%的粒径在150岬以下时,称为微米燃料,采用空气作为输送介质,运用粉尘爆炸高速燃烧的原理使其在特制的炉膛中进行燃烧,提高了生物质的燃烧效率和燃烧温度.其最高燃烧温度可达到1300“。目前,随着富氧燃烧技

6、术的成熟和发展伊“,研究生物质微米燃料在富氧条件下的燃烧特性。对于今后生物质微米燃料富氧燃烧的具体应用具有重要的意义。热重分析法是近年来广泛使用的一种研究燃烧特性的手段,在研究生物质微米燃料的可燃性能及氧化反应性能方面已有广泛应用。笔者采用热重分析法研究了助燃空气中氧体积分数的变化对生物质微米燃料燃烧特性的影响,为其开发应用提供了一些科学依据。1试验设计试验在德国Netzsch公司生产的STA409C型热天平上进行,采用SiC质平坩埚,以利于样层表面的气体扩散。热分析的升温速率为20/rain.从室温升至750,样品质量为20 mg,炉内气氛为氮气和氧气的混合气体(100mL/min,天平保护

7、气为氮气(20ml-./min。试验所采用的微米燃料取自华中科技大学清洁生产实验室生物质破碎系统破碎后的松木刨花,工业分析和元素分析表明,其固定碳、挥发分、灰分和水分分别为15.06%、70.23%、1.12%和13.58%,主要由c、H和O组成,分别为“.48%、6.49%和31.42%,并含有少量的N (0.13%和S(0.01%元素。取试验样1.0kg,采用振动筛进行分级,其粒径分布如下:粒径小于120目的微米燃料占45.8%,介于120和80目之间的占40.6%,粒径在80到加目1湖北省科技攻关项目(2007AA204801甓助。第一作者简介:罗思义。男,1981年1月生.华中科技大学

8、环境科学与工程学院.博上研究生。收稿几期:2008年5月27日。责任编辑:程红。t的含量较少,占12.5%,粒径在40目之下的只有1.1%。为了减小粒径对试验结果的影响,选取粒径在80目以下的微米燃料进行试验。2结果与分析2.1燃烧TG和IYYG曲线的分析TG曲线(热重曲线表示试样随温度变化时质量的变化,可给出物料分解、燃烧、质量损失的温度(时间、质量损失量。DTG曲线(微商热重曲线是根据TG曲线计算出的瞬时质量损失速率,表示某一时刻发生分解、燃烧而引起质量损失的剧烈程度。笔者绘制了燃烧过程中生物质微米燃料的TG曲线(图1和DTG曲线(图2,相应的TG、DTG特性参数见表1。寥罨础水g强鉴30

9、130230330430530630730f敞/图1微米燃料在不同体积分数氧下的TG曲线由图1和图2可以看出,TG曲线首先显示出质量的微减,然后是少许增加,主要原因为微米燃料中少量水分的蒸发以及微米燃料外表面和孔隙内表面对气体的物理和化学吸附作用。TG曲线有明显的2个质量损失阶段,对应的DTG曲线有2个峰值。综合分析比较这些曲线可得出,生物质微米燃料的燃烧可以分为以下4个阶段:脱水:燃料中的水分受热蒸发汽化,从燃料中逸出。挥发分的析出与燃烧:燃料受热后,低分子质量的物质首先分解气化,到达着火温度后生成气相燃烧火焰。在这种火焰温度的影响下,燃料中挥发性物质大量析出燃烧,出现第1个反应速度的峰值,

10、即DTG曲线中的第1个峰值,之后热分解速度急速下降。过渡阶段o:固定碳通过氧化作用开始表面着火,以较慢的燃烧速度燃烧,此时出现气相、固相2种燃烧状态并存的现象,直到燃料中的挥加加O第5期罗思义等:生物质微米燃料富氧燃烧特性分析发分物质燃烧完毕,气相火焰熄灭。固定碳的表面燃烧:此时,燃料中的固定碳已全部碳化,表面生成光辉炙热的火焰,燃烧反应速度加快,并出现第2个反应速度峰值,即DTG曲线中的第2个峰值,之后燃烧速度变慢,表面炙热火焰由红变暗,逐渐消失,TG曲线基本平直,微米燃料进入燃尽阶段。毛量摹、桀幽水骚翎餐苔茧30130230330430530630720f箍J堡/图2微米燃料在不同体积分数

11、氧下的DTG曲线表1生物质微米燃料在不同体积分数氧下的TG、DTG特征参数9(o/挥发分析出着火温最大质量损失平均质琶损失燃尽温燃烧特性%iitlir/度Tt/6C速彰%min“速彰%而“度V指彤10-7 202舛27214.28.756818.1 30l钾25514.69.254l19.7 4018924716.010.452920.318723018.311.75”21.6l21120.112.850622.0 1001771粥23.915.541022.2从图1和图2中可看出,随着氧体积分数的增加,试样的TG和DTG曲线向低温区移动,最大质量损失速率随着氧体积分数的增加而增大,说明氧体积

12、分数增加后微米燃料燃烧提前,可燃性增强,燃烧速度增加。2.2氧的体积分数对挥发分初析点的影响挥发分初析点是指试样开始损失质量时的点,它是衡量试样挥发分析出难易的一个重要因素,通常取DTG曲线上开始恒定出现负值的点,将挥发分初析温度记作L。由表l可以看出:随着助燃空气中氧体积分数的增加,生物质微米燃料的挥发分初析出温度不断降低,由氧体积分数为20%时的204降为60%时的187,当在纯氧条件下燃烧时,挥发分析出温度为177。由于生物质中挥发分的比例达到70.23%,挥发分析出的温度越低,越有利于生物质微米燃料的着火。2.3氧的体积分数对着火温度及燃尽温度的影响着火温度反映了生物质样着火的难易程度

13、,在工程实际中,掌握着火温度对于燃料的点燃和稳定燃烧有重要的指导意义怕J。燃尽温度是试样基本燃尽时的温度,国内众多文献采用烧掉98%可燃质的点作为燃尽温度。燃烧试验中着火点和燃尽点的确定有很多种方法,笔者采用常用的TG. DTG。法。从表1可看出,随着氧体积分数的增加,生物质微米燃料燃烧的着火温度和燃尽温度均呈下降趋势,燃尽温度的下降幅度较着火温度更大,说明富氧可使生物质微米燃料的燃烧在较低的温度区完成,对生物质微米燃料的充分燃烧有较大影响。也就是说,随着氧体积分数的增加,在较低温度下就能满足生物质微米燃料稳定燃烧的条件。2.4氧的体积分数对生物质微米燃料的最大和平均质量损失速牢的影响根据热天

14、平曲线,定义平均质量损失速率为着火点到结束点失质量与反应时间的比。用这个指标衡量不同条件下着火燃烧过程的速率,从而找出影响反应速率的因索及其之间的关系。根据以上的定义方法,求得变氧体积分数下生物质微米燃料平均燃烧速率。最大质量损失速率点是反应生物质微米燃料特性的一个重要参数点,对应着反应过程中最快反应速度点,在DTG曲线上表现为最低峰值点。由表I可以看出,生物质微米燃料样燃烧的最大和平均质量损失速率都随氧体积分数的增加而增大,说明氧体积分数的增加,提高了生物质微米燃料中易燃物质整体燃烧速率,使生物质微米燃料样从开始燃烧到燃尽所需的时间缩短,生物质微米燃料燃烧活性得到增强。2.5氧的体积分势对生

15、物质微米燃料鳐冶滋明钟割钊臀数的影响文献7引入一个综合参数燃烧特性指数S来表征煤粉的整体燃烧特征,即:譬一盟幽.堡!.鱼=一。一d z'、出77n。,d埘、疋一面J r=rj”(dw挚dw。?(1砰瓦。¨7式(I中,(dw/dt为最大燃烧速度,(dw/dt.为平均燃烧速度,(dw/dtT=r为着火温度下的燃烧速度。在综合参数S中,R/E表示煤的活性,E值越小,反应能力越高;d/dr (dw/dtT=瓦为燃烧速度在着火点的转化率,其值越大,表明着火越猛烈;(dw/dt一/(dw/dtT=正为燃烧速度峰值与着火时燃烧速度之比;(dwldt。/瓦为平均燃烧速度与燃尽温度之比,其值越

16、大,表明燃尽越快。几项的乘积包含了燃烧反应开始、快速进行和结束时的主要特征量,综合反映了煤粉的燃烧特性,其值越大,表明煤粉的燃烧特性越好】。笔者用其来描述氧体积分数对生物质微米燃料燃烧特性的影响。根据试验数据求出的生物质微米燃料的燃烧特性指数随氧体积分数的变化关系见表1。从表l可看出,综合燃烧特性指数.s随助氧体积分数的增加而增大,当氧的体积分数大于60%后,作用趋弱。在具体应用时,考虑到富氧的成本,可将氧的体积分数控制在30%一40%范围内。3小结富氧对生物质微米燃料燃烧特性的影响较大,随着氧体积分数的增加,其燃烧特性增大或降低。TG和IYrG曲线向低温区移动,最大燃烧速率增大且出现得早。生物质微米燃料的挥发分析出温度、着火温度和燃尽温度均降低,可燃性增强;富氧对燃尽温度的影响更大一些。富氧提高了生物质微米燃料的燃烧速率,燃烧的最大质量损失速率和平均质量损失速率呈增加趋势。表征生物质微米燃料的综合燃烧特性指数S增大,表明燃烧特性得到极大的提高,为生物质微米燃料的富氧燃烧提供了理论依据。参考文献1陈喜龙。谭跃辉,王义强,等.我国生物质颗粒燃料推广应用中存在的问题与发展对策J.可再生能源,2005(1:4143. 2肖波,邹先枚,杨家宽,等.生物质燃料的破碎研究J.能源研