王惺，李定凱，倪維斗，李政，張鶴丹

(清華大學(xué)熱能工程系，北京100084)

摘要：采用TG－DTG熱分析技術(shù)對(duì)麥秸、玉米秸、膠合板粉粒和松木粒4種生物質(zhì)壓縮顆粒的燃燒特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，考察了其著火及燃盡特性，結(jié)合前人提出的綜合燃燒特性指數(shù)，提出用相對(duì)失重速率進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果表明：生物質(zhì)壓縮顆粒與煤相比，其著火與燃盡溫度均較低，燃燒迅速且集中；與生物質(zhì)粉末相比，其固定碳的燃燒更平穩(wěn)，燃燒時(shí)間延長(zhǎng)。4種物質(zhì)之中，松木粒綜合燃燒特性最好，玉米秸最差。

工業(yè)化帶來(lái)的資源枯竭問(wèn)題已經(jīng)引起了廣泛關(guān)注和憂慮。作為可再生能源的一種，生物質(zhì)能的利用已經(jīng)受到國(guó)內(nèi)外的高度重視[1－3]。

我國(guó)生物質(zhì)資源豐富，在諸多利用途徑中，生物質(zhì)成型燃料被認(rèn)為是一種方便、易操作的分布式利用方式而受到青睞。成型燃料的迅猛發(fā)展，勢(shì)必會(huì)帶動(dòng)其燃燒設(shè)備等相關(guān)產(chǎn)品的研制工作，這又離不開(kāi)對(duì)成型燃料燃燒特性的基礎(chǔ)性研究。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)生物質(zhì)粉體燃燒特性研究較多[4－10]，而對(duì)生物質(zhì)壓縮成型燃料的燃燒特性研究還非常少，因此，有必要開(kāi)展這類(lèi)工作，為開(kāi)發(fā)更合適的生物質(zhì)顆粒燃燒爐做必要的準(zhǔn)備。

1實(shí)驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)樣品及其特性

實(shí)驗(yàn)選用了麥秸粒、玉米秸粒、松木粒和膠合板粉粒4種壓縮顆粒來(lái)制備樣品，4種顆粒的原料均采自北京地區(qū)。壓縮顆粒的制備采用北京惠眾實(shí)(High－zones)公司研發(fā)的生物質(zhì)冷壓成型技術(shù)。該技術(shù)將粉碎粒度10mm以下的生物質(zhì)原材料，在常溫、自然干燥(含水率15％～25％)條件下，壓縮成直徑6～7mm、長(zhǎng)度約20mm、密度約1.1g/cm3的成型顆粒。制備實(shí)驗(yàn)樣品時(shí)，將上述顆粒截取成重約30mg的成型顆粒。　各樣品的工業(yè)分析和元素分析結(jié)果見(jiàn)表1。

1.2實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)采用美國(guó)HermoCahn公司的熱重分析系統(tǒng)thermax500熱重分析儀，工作氣氛為空氣，流量為200mL/min，常壓，升溫速率20℃/min，初始溫度為溫(約28℃)。樣品為約30mg的成型顆粒。

1.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4種樣品顆粒的TG、DTG曲線如圖1～圖4所示。

2分析與比較

2.1燃燒特性

從樣品的工業(yè)分析和元素分析可見(jiàn)，生物質(zhì)顆粒的組分特征是明顯的，與煤樣相比，其揮發(fā)分含量高，固定碳要少很多。這種組分結(jié)構(gòu)也決定了其燃燒特性。

表2描述了4種生物質(zhì)顆粒的燃燒特性參數(shù)。其中，W1～W4分別表示在燃燒的4個(gè)階段失重百分率；t1和t2分別表示兩個(gè)失重速率最大時(shí)刻的溫度。圖5和圖6為4種樣品的TG曲線和DTG曲線。

從表2及圖5和圖6可見(jiàn)，4種生物質(zhì)顆粒的燃燒具有相同的特點(diǎn)。

(1)4種生物質(zhì)顆粒燃燒特性曲線相似，均可以分為4段(圖1)：水分析出，揮發(fā)分析出燃燒，固定碳燃燒，燃盡。這與文獻(xiàn)中報(bào)道的生物質(zhì)燃燒的4個(gè)階段吻合[11－12]。

(2)水分含量差別不大，且水分析出時(shí)間集中。

(3)燃燒溫度較低，4種生物質(zhì)顆粒開(kāi)始明顯失重時(shí)刻的溫度在250℃附近，這也大大低于一般煤的初始明顯失重溫度[13－14]。樣品燃燒過(guò)程迅速且集中，失重主要在第2階段，即揮發(fā)分的析出與燃燒階段，這一階段的失重占初始質(zhì)量的70％左右，這也反映了生物質(zhì)顆粒揮發(fā)分含量高的特點(diǎn)。

(4)第3階段，即固定碳燃燒階段，燃燒速率相對(duì)平穩(wěn)且緩慢，4種顆粒均未出現(xiàn)燃燒速率的峰值，這點(diǎn)與一些文獻(xiàn)報(bào)道的生物質(zhì)粉體燃燒的第3階段燃燒情況不盡一致[15]。除了樣品的因素外，筆者認(rèn)為顆粒大小及密度是一個(gè)原因。由于本實(shí)驗(yàn)中的樣品均為壓縮顆粒，質(zhì)量較大，進(jìn)入第3階段固定碳燃燒時(shí)，緊密的結(jié)構(gòu)使得樣品內(nèi)部的物質(zhì)不能即時(shí)接觸空氣，從而使燃燒更趨于平穩(wěn)。

(5)400～450℃，樣品基本燃燒完畢，這樣，溫度比一般煤的燃盡溫度低了很多[13－14]，反映出生物質(zhì)顆粒的整個(gè)燃燒過(guò)程是迅速的。圖5和圖6亦反映了4種生物質(zhì)顆粒燃燒特性的區(qū)別。可以看到，麥秸和玉米秸兩種草本生物質(zhì)的初始失重溫度要明顯低于膠合板粉粒和松木粒這兩種木本生物質(zhì)，失重峰值時(shí)的溫度t2亦有此特點(diǎn)；其次，麥秸和玉米秸揮發(fā)分含量較另二者小，使得其固定碳燃燒時(shí)間相對(duì)后二者較長(zhǎng)，且速率更緩慢；膠合板粉粒和松木粒可燃部分比例較大，燃燒更加集中而迅速，尤其松木粒，初始失重溫度最高，但卻最早燃盡，燃燒速率最快，燃燒持續(xù)性較差。

從樣品的TG圖和DTG圖反映的特點(diǎn)來(lái)看，本實(shí)驗(yàn)中樣品的燃燒特性和文獻(xiàn)中報(bào)道的生物質(zhì)粉體燃燒特性類(lèi)似[11－12，16]，但第3階段固定碳燃燒更加平穩(wěn)。

2.2著火特性

著火特性主要由著火溫度體現(xiàn)。熱重分析中著火溫度的定義有多種方法，本文中采用最常用的切線法來(lái)確定樣品的著火溫度，即把DTG曲線最高峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)TG曲線上點(diǎn)的切線與初始失重時(shí)的基線交點(diǎn)定義為著火溫度(見(jiàn)圖7)。

按照上述定義方法，將4種樣品的著火溫度ti列于表3.不難看出，4種生物質(zhì)顆粒的著火溫度除松木粒在304℃，其余均在300℃以下，說(shuō)明生物質(zhì)成型顆粒和生物質(zhì)粉體一樣，均具有較低的著火溫度，與煤相比，更易著火燃燒。此外，和失重峰值溫度t2一樣，著火溫度ti從低到高依次是麥秸、玉米秸、膠合板粉粒和松木粒，說(shuō)明草本生物質(zhì)更易著火，與其相比木本生物質(zhì)則較難著火。

2.3燃盡特性

本文將DTG的值基本變?yōu)?時(shí)(第4階段起始時(shí))的溫度定義為燃盡溫度tend，4種生物質(zhì)顆粒以及用來(lái)作對(duì)比的煤樣、粉末生物質(zhì)的燃盡溫度和最終剩余物質(zhì)的百分率R如表3所示。可以看到，4種生物質(zhì)顆粒的燃盡溫度均不高，都未超過(guò)450℃，松木粒最低，385℃即燃燒完全，這個(gè)溫度甚至低于很多煤種的著火溫度，說(shuō)明生物質(zhì)顆粒物燃燒均比較迅速，相對(duì)煤而言，其燃燒溫度較低，持續(xù)性較差。但與文獻(xiàn)[14]中報(bào)道的粉末生物質(zhì)相比，生物質(zhì)壓縮顆粒的著火溫度與其差別不大，但燃盡溫度提高，說(shuō)明壓縮成顆粒后生物質(zhì)燃燒持續(xù)性有所增加。同時(shí)，4種生物質(zhì)顆粒之間的燃盡特性也有較大差異。比較得出，麥秸和膠合板粉粒燃燒過(guò)程最長(zhǎng)，溫度跨度為150℃左右；玉米秸其次；松木的燃燒過(guò)程最短，溫度跨度僅81℃。再結(jié)合燃盡溫度可以定性看出，松木的燃盡特性最好。

從剩余物百分率來(lái)看，玉米秸最大，其次是麥秸和松木，膠合板最小，與4種樣品的灰分含量吻合，這也說(shuō)明了在燃燒完全的情況下，膠合板燃燒后排渣較少。

總結(jié)燃盡特性可知：膠合板粉粒燃燒持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，較其他3種物質(zhì)不易燃燒；松木粒由于其燃燒時(shí)間集中，燃燒迅速，因此較易燃燒。燃燒剩余物方面，膠合板粉粒最少，而兩種草本生物質(zhì)的燃燒剩余物較多，應(yīng)注意排渣的清理。總體來(lái)看，生物質(zhì)顆粒物燃盡溫度低，燃燒較快，燃盡特性好于煤，與煤相比更容易燃燒。與生物質(zhì)粉末相比，壓縮后的顆粒燃燒持續(xù)性增加。

2.4綜合燃燒特性

為了綜合分析生物質(zhì)顆粒的燃燒特性，諸多文獻(xiàn)[11，16－18]采用綜合燃燒特性指數(shù)S綜合反映物質(zhì)著火和燃盡特性，即

從式(1)可見(jiàn)，燃燒速率的增大、著火溫度和燃盡溫度的減小均能使S增大，說(shuō)明S越大，燃料燃盡越快，燃燒特性越好。值得注意的是，文獻(xiàn)[17－18]中采用式(1)計(jì)算煤及生物質(zhì)綜合燃燒特性指數(shù)時(shí)，燃燒速率dW/dt直接采用DTG曲線上的值，即失重速率的絕對(duì)值。但是，此處采用相對(duì)失重速率更為妥當(dāng)。

首先，從式(1)的推導(dǎo)過(guò)程可知，其來(lái)自于Arrhe-nius定律，公式中的dW/dt應(yīng)為反應(yīng)物濃度的變化率，對(duì)應(yīng)燃燒特性實(shí)驗(yàn)中的樣品而言，此dW/dt應(yīng)為t時(shí)刻樣品相對(duì)質(zhì)量的變化率，即認(rèn)為

按照修正后的計(jì)算方式，松木粒的最大燃燒速率和平均燃燒速率均為最大，直接導(dǎo)致使其S參數(shù)最大，綜合燃燒特性最好。但不足之處在于，其著火溫度較其他3種生物質(zhì)顆粒高，較難著火。麥秸的綜合燃燒特性指數(shù)較松木粒差，但卻好于其他兩種樣品；其優(yōu)點(diǎn)是著火溫度最低，最容易著火。膠合板粉粒的綜合燃燒特性指數(shù)接近麥秸，二者差異不大，后者的燃燒速率較前者快，但著火和燃盡溫度都較前者高。玉米秸的綜合燃燒特性指數(shù)為4種樣品中的最低值，說(shuō)明其綜合燃燒特性最差。原因在于其最大燃燒速率和平均燃燒速率均小于其他3種樣品。進(jìn)一步地，通過(guò)對(duì)4種樣品進(jìn)行熱解實(shí)驗(yàn)研究表明，玉米秸的揮發(fā)分釋放速率最低，因此不難解釋其平均燃燒速率小于其他3種物質(zhì)。

3結(jié)論

(1)雖然4種生物質(zhì)壓縮顆粒的質(zhì)量和密度都較大，但其燃燒特性依然明顯地體現(xiàn)了生物質(zhì)燃燒的特征，燃燒分為4個(gè)階段：脫水，揮發(fā)分析出及燃燒，固定碳燃燒和燃盡階段。

(2)4種壓縮顆粒的著火特性不盡相同。麥秸最容易著火，玉米秸、膠合板其次，而松木粒最難。對(duì)于燃盡特性，膠合板粉粒燃盡溫度最高，而松木粒最低，燃盡特性最好。此外，兩種草本生物質(zhì)(玉米秸、麥秸)的燃燒剩余物較多，設(shè)計(jì)燃燒設(shè)備時(shí)應(yīng)注意排渣的清理。

(3)與煤相比，壓縮顆粒的著火點(diǎn)與燃盡溫度均較低，燃燒集中且迅速；與生物質(zhì)粉體相比，燃燒第3階段固定碳的燃燒速率沒(méi)有峰值，更加穩(wěn)定，且壓縮后顆粒的燃燒持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)。

(4)本文對(duì)綜合燃燒特性指數(shù)S作了稍許修改，計(jì)算時(shí)采用相對(duì)失重速率，能更合理地比較不同物質(zhì)間綜合燃燒特性指數(shù)。按照這種計(jì)算方法，得出4種生物質(zhì)顆粒按S值從大到小(綜合燃燒特性從好到差)的排列順序依次為松木粒、麥秸、膠合板粉粒和玉米秸。

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