生物质替代燃料燃烧特性分析

国家在“十四五”规划中提到要提升清洁能源消费比重，鼓励氢能、生物质燃料、垃圾衍生燃料等替代能源在钢铁、水泥、化工等行业的应用。日前，国家发改委发布的《水泥行业节能降碳改造升级实施指南》中明确指出，要推广替代燃料技术，利用生活垃圾、固体废弃物和生物质燃料等替代煤炭，减少化石燃料的消耗量。生物质替代燃料作为拥有广阔前景的可再生能源，对于水泥窑、流化床等各种工业窑炉来说，已成为仅次于煤炭、石油和天然气的第四大能源。燃烧时清洁卫生，有害气体极少，且碳排放量低，满足碳减排的政策要求，为企业节约成本，对环境保护有着重要意义。1、试验条件本试验使用梅特勒-托利多TGA/DSC3+TH1600同步热分析仪，在采用不带盖的氧化铝坩埚外套铂金坩埚30mL及燃烧性能稳定的4种生物质替代燃料，分别为树枝、谷壳、秸秆、枯棉，室温为22℃，吹扫气采用纯度为99.999%的氩气，其气流量为20mL/min，升温程序为30~1 000℃的固定条件下研究，反应气采用纯度为99.999%的高纯空气，其气流量为50mL/min，称样量固定（5±0.5）mg，升温速率采用10K/min，样品粒度采用拜杰BJ-800A多功能粉碎机粉碎至5mm，其他条件依据研究内容而变化。2、试验内容2.1煤粉将标煤采用相同的方法粉碎至满足条件的粒度，称取（5±0.5）mg样品，在上述试验条件下多次试验，得到以下稳定的数据，见表1，热重分析见图1。表1标煤的燃烧特性图1标煤热分析图谱2.2树枝将六种不同来源不同种类的树枝采用相同的方法粉碎至满足条件的粒度，称取（5±0.5）mg样品，在上述试验条件下多次试验，得到以下稳定的数据，见表2，热重分析见图2。图2树枝热分析图谱由表2可以分析出，树枝的着火温度较低，分布在285℃左右，远低于煤粉，但由于各地材料、水土、树种不同，导致其成分各不相同，使得燃尽温度各不相同，大部分树种集中在375℃附近；燃烧时间相对较短，平均燃烧速率与煤粉接近，但最大燃烧速率都远高于煤粉，挥发分较高，尤其是树枝2，燃烧时间长，但是各部分最大燃烧速率快，平均燃烧速率慢。表2不同种类树枝的燃烧特性可见树枝本身较煤粉而言易着火，局部燃烧速率快，但平均燃烧速率区别不大，热值较低，热分析图谱上出现分段燃烧的现象，是由于挥发分含量高和固定碳的着火温度差异明显引起的燃烧断层现象。2.3谷壳将六种不同来源的谷壳采用相同的方法粉碎至满足条件的粒度，称取（5±0.5）mg样品，在上述试验条件下多次试验，得到以下稳定的数据，见表3，热重分析见图3。图3谷壳热分析图谱表3不同谷壳的燃烧特性由表3可见，谷壳类替代燃料着火温度在275℃左右，不同地带谷壳的成分相对差异不大，其燃尽温度在385℃左右，平均燃烧速率在4%/min低于煤粉，燃烧时间在11min左右，最大燃烧速率在7%/min，都与煤粉接近。综合来看，谷壳相对煤粉易着火，但燃烧速度慢，由于其挥发分相对树枝来说更低，固定碳含量更高，固定碳燃烧过程缓慢所致，从DSC曲线来看，固定碳放热峰面积比挥发分大，其释放的热量也略高。2.4秸秆将六种不同来源的秸秆采用相同的方法粉碎至满足条件的粒度，称取（5±0.5）mg样品，在上述试验条件下多次试验，得到以下稳定的数据，见表4，热重分析见图4。图4秸秆热分析图谱由表4可分析出秸秆着火温度在270℃左右，由于秸秆种类不同，其成分差异导致燃尽温度差异明显，大致分布在435~465℃，燃烧过程中除了挥发分和固定碳燃烧还存在其他未知纤维燃烧峰，导致整体燃烧过程缓慢，平均燃烧速率慢，燃烧时间长，但最大燃烧速率均在7%/min左右与煤粉接近，为挥发分燃烧。表4不同秸秆的燃烧特性综合来看秸秆易着火，但燃尽温度不一，燃烧时间长，燃烧缓慢，导致秸秆难以燃尽、燃烧不彻底，挥发分燃烧峰面积大，最大燃烧速率快，表明其挥发分含量相对较高。2.5枯棉将六种不同来源的枯棉采用相同的方法粉碎至满足条件的粒度，称取（5±0.5）mg样品，在上述试验条件下多次试验，得到以下稳定的数据，见表5，热重分析见图5。图5枯棉热分析图谱由表5可知，枯棉着火温度在265℃左右，燃尽温度在440℃左右，平均燃烧速率4.5%/min左右，略低于煤粉，燃烧时间长，但最大燃烧速率快，在9.5%/min左右。从DSC曲线可以看出整体燃烧过程分为两段，挥发分燃烧速度最快，放热多，后续固定碳和纤维燃烧过程中出现第二个速率峰，可见枯棉纤维燃烧速度相对固定碳较快，着火温度低。综合来看，枯棉易着火，平均燃烧速率较慢，燃烧时间长，整体呈现分段燃烧，挥发分含量高，燃烧速率快，释放大量热，固定碳和纤维分段燃烧释放部分热量。表5不同枯棉的燃烧特性3、结论（1）树枝、谷壳、秸秆、枯棉等生物质燃料挥发分较高，着火温度分布在265~290℃，燃尽温度分布在350~450℃，燃烧时间较长，平均燃烧速率慢，分布在（3.5~6.0）%/min，最大燃烧速率快，分布在（7.0~10.0）%/min。（2）树枝、谷壳、秸秆、枯棉等生物质燃料含碳量低、含氧量高，挥发分燃烧释放主要热量，整体发热量低；密度明显较低，质地较疏松，灰烬中残留碳量明显低于