基于富氧条件的生物质颗粒燃烧特性实验研究

2019-10-25      1116 次浏览

朱艳艳,张林华,崔永章,李凯,吕文超,


(1.山东建筑大学热能工程学院,山东济南250101;2.山东建筑大学可再生能源建筑利用技术省部共建教育部重点实验室,山东济南250101;3.山东建筑大学山东省建筑节能技术重点实验室,山东济南250101;4.西安建筑科技大学环境与市政工程学院,陕西西安710055)


摘要:富氧燃烧是解决生物质能源直接燃烧温度低问题的重要方法。文章采用热重分析法分别对玉米、棉秆以及木屑进行燃烧特性试验,通过分析不同氧气浓度下三种秸秆的TG—DTG曲线,研究富氧条件对三种典型生物质颗粒燃料燃烧特性指数的影响。结果表明:富氧条件下三种生物质颗粒燃料燃尽温度区间比空气中减少近1000℃,挥发分最大析出速率是空气中的2~2.75倍;富氧条件下,燃料的燃烧特性指数迅速上升,且玉米杆的上升幅度最大,表明富氧对玉米杆促进作用最强。


0引言


生物质能占世界一次能源消耗的14%,具有清洁可再生及CO2近零排放的优点。我国生物质能分部广泛,资源丰富,每年生物质资源总量可以折合成6.5亿t标煤。目前生物质能主要以直燃的方式为居民提供生活用能,这种燃烧方式具有操作简单,取材方便,成本低的优点,但是利用效率很低,造成了很严重的能源浪费及环境污染。另外,生物质成型燃料的燃烧火焰温度一般不高于1000%,如果能解决生物质直接燃烧温度低的问题,将可广泛应用于工业能源领域。富氧燃烧可以明显提高生物质直接燃烧温度,是解决生物质能源直接燃烧温度低问题的重要方法。


近十多年来,富氧助燃在国内外都有很大的发展。许多发达国家都投入了大量人力物力来研究富氧技术,特别是日本,曾在以气、油及煤为燃料的不同场合进行了富氧应用试验,得出如下结论:用23%的富氧助燃可节能10%~25%,用25%的富氧助燃可节能20%~40%,用27%的富氧助燃则节能高达30%~50%等。罗思义对生物质微米燃料富氧燃烧特性进行了分析,并认为富氧能够改善生物质微米燃料的燃烧特性,指出当富氧率为40%时,炉膛温度可达1600℃。


生物质颗粒燃料经过了高压作用,质地比较密实,燃烧时与空气接触面积较小,因此,其点火及燃烧特性与生物质微米燃料存在很大的差异。测量挥发分的析出量是最为传统的判断生物质燃料燃烧性能的方法,这种方法简单易行,但是不能显示不同生物质燃料挥发分析出的温度水平、最大析出速率及生物质的失重状况。因此,采用美国TA公司生产的Q50热重分析仪对三种典型生物质颗粒燃料进行试验,通过三种燃料燃烧的TG—DTG曲线,分析富氧条件对生物质的挥发分析出特性指数、燃烧稳定性判别指数及燃烧特性指数,为生物质颗粒原料的选择及大型生物质燃烧炉的设计提供理论依据,另外对改善中国能源结构,保护环境,促进农村经济发展也具有重要的现实意义。


1生物质颗粒燃烧特性判别指数


1.1挥发分析出特性指数


挥发分析出特性指数表征燃烧过程中挥发分的析出性能,是判断生物质颗粒燃料燃烧特性的一个重要指标。


2实验装置及方法


2.1实验装置


本实验采用美国TA公司生产的Q50热重分析仪,该装置由吹扫气体系统、热天平、炉体、温度控制和测量系统五部分组成。吹扫气体系统在加热炉中,一部分吹扫气体经数字式质量流量控制后水平流过样品,另一部分为保护气体,气体经过天平室后与水平吹扫气体合并从加热炉侧口流出;热天平安置在天平室内,提供室温~1000℃温度范围内优异的测量准确度和精确度;炉体是热重分析仪的一个关键部件,可以以最迅速、精确的方式在室温一1000℃温度范围进行温度控制;数字式质量流量控制器采用自动气体切换装置,不仅可以有效改善数据的稳定性,还能进行惰性气体和氧化气氛间的快速切换。


2.2实验方法


为了分析生物质颗粒燃料富氧条件下的燃烧特性,采用Q50热重分析仪对玉米秸秆、棉秆及木屑三种典型生物质颗粒燃料进行多种不同条件下的实验。首先采用程序控温法在40%O2、21%O2、14%O2和热解条件下对20mg左右样品进行的燃烧试验,升温速率为20℃/min,载气流量为60mL/min,得到玉米秸秆、棉秆及木屑的TG—DTG曲线图;其次在氧浓度及载气流量分别为14%和60mL/min、21%和60mL/min、40%和60mL/min、21%和50mL/min及21%和70mL/min五种条件下进行热重实验,进而分析富氧条件对三种秸秆的挥发分析出特性指数Rh、燃烧稳定性的判别指数Rw燃烧特性指数P1的影响。


3实验结果及分析


3.1富氧条件对生物质颗粒燃料燃烧失重特性的影响


3.1.1玉米秆TG—DTG曲线图


由图1可以看出,以21%O2曲线为基准TG及DTG曲线均可以划分为三个阶段:第一阶段为水分的析出阶段,温度区间为20~220℃。四条曲线基本一致,说明氧气浓度的变化对玉米秸秆的水分析出过程影响不大;第二阶段为挥发分燃烧阶段。从TG曲线可以看出,40%O2的富氧条件下燃烧区间较短,挥发分燃烧温度区间为220~290℃,21%O2、14%O2及热解曲线差别不大,温度区间为220~330℃。从DTG曲线可以看出,四条曲线均出现了挥发分析出速率峰值。40%O2的富氧条件下最大析出速率为23%/min,21%O2、14%O2及热解条件下最大析出速率分别为14%/min、13%/min及12%/min;第三阶段为固定碳燃烧阶段,从TG曲线可以看出,40%O2富氧条件下玉米的燃烧区间明显缩短,燃烧温度区间为390—440℃,21%O2及14%O2曲线差别不大,温度区间为220~330℃。


热解曲线与其他三种相比,挥发分燃烧阶段与固定碳燃烧阶段之间没有明显的过渡段,固定碳的燃烧区间较长,温度区间为330~900℃。从DTG曲线可以看出,除热解曲线没有出现失重速率峰值外,其他三条均出现了失重速率峰值。40%O2的富氧条件下玉米秆的最大析出速率为11%/min,21%O2最大析出速率为4%/min,40%O2富氧条件下最大析出速率是空气中的2.75倍。说明富氧可以缩短木屑挥发分及固定碳的燃烧区间,增大挥发分析出速率,使玉米的燃烧性能更好。


3.1.2棉秆TG—DTG曲线图


由图2可以看出,棉秆TG及DTG曲线与玉米秆基本一致,划分为三个阶段。第一阶段温度区间为20~250℃。这一阶段四条曲线基本一致,说明水分析出阶段氧气浓度的变化对棉杆的影响不大;第二阶段为挥发分燃烧阶段,温度区间为250~300℃。从TG曲线可以看出,40%O2的富氧条件下棉秆挥发分燃烧温度区间为250~290℃,21%O2、14%O2及热解曲线差别不大,温度区间为220—350℃。从DTG曲线可以看出,四条曲线也均出现了挥发分析速率峰值,且富氧条件下峰值出现的最早。40%O2的富氧条件下棉杆的最大析出速率为19%/min,明显高于其余三条曲线;第三阶段为固定碳燃烧阶段,从TG曲线可以看出,40%O2富氧条件下棉杆燃烧温度区间为390~440℃,比21%O2条件下燃烧区间减少100℃。从DTG曲线可以看出,除热解曲线没有出现失重速率峰值外,其他三条均出现了失重速率峰值,且富氧条件下峰值出现的最早。40%O2的富氧条件下玉米秆的最大析出速率为12%/min,21%O2最大析出速率为5%/min,40%O2富氧条件下最大析出速率是空气中的2.4倍。说明富氧可以缩短棉杆挥发分及固定碳的燃烧区间,增大挥发分析出速率,改善棉杆的燃烧性能。


3.1.3木屑TG—DTG曲线图


由图3可以看出,木屑TG及DTG曲线与棉秆更为相似,但是挥发分及固定碳燃烧分界处没有玉米秆和棉秆明显。第一阶段为水分析出阶段,四条曲线基本一致,说明氧气浓度的变化对木屑的水分析出过程影响也不大;第二阶段为挥发分燃烧阶段。


从TG曲线可以看出,40%O2的富氧条件下棉秆挥发分燃烧温度区间为250—310℃,比21%O2条件下减少30℃。从DTG曲线可以看出,40%O2的富氧条件下棉杆的最大析出速率为23%/min。21%O2、14%02及热解条件下最大析出速率分别为17%/min、16%/min和15%/min;第三阶段为固定碳燃烧阶段,从TG曲线可以看出,40%O2富氧条件下木屑燃烧温度区间为320~440%,比21%02条件下燃烧区间减少100cc。从DTG曲线可以看出,14%O2及热解曲线没有出现明显的失重速率峰值,说明缺氧条件对木屑固定碳的燃烧阶段阻碍较大。


40%O2的富氧条件下玉米秆的最大析出速率为12%/min,21%O2最大析出速率为6%/min,40%O2富氧条件下最大析出速率是空气中的2倍。说明富氧可以缩短木屑挥发分及固定碳的燃烧区问,增大挥发分析出速率,使木屑的燃烧性能更好。


3.2富氧条件对生物质颗粒燃料特性的影响


3.2.1富氧条件对生物质颗粒挥发分析出特性的影响


不同载流理和氧气浓度条件下,三种典型生物质颗粒燃料的Rh值如图4所示。


图4表明,随着氧气含量的变化,三种典型生物质颗粒燃料的挥发分析出特性指数变化很大。在缺氧的状况下,玉米、棉杆及木屑的挥发分析出特性指数分别为7.1、7.8及7.90mg/(min·K2),这说明缺氧条件下木屑及棉杆挥发分最易析出,玉米挥发分析出最难。当达到21%O2条件时,玉米、棉杆及木屑的挥发分析出特性指数均呈上升趋势,这说明随着氧气含量升高,三种秸秆的燃烧稳定性有所增强。


40%O2的富氧条件下,玉米、棉杆及木屑的挥发分析出特性指数分别为16.3、12.2和13.7mg/(min·K2),表明富氧条件下,三种秸秆的燃烧稳定性明显改善。与空气中相比,富氧条件下玉米挥发分析出特性指数增加了7.6mg/(min·K2),而玉米与木屑分别增加了4.1及4.8mg/(min·K2),说明富氧条件下玉米挥发分析出的促进作用最强。


3.2.2富氧条件对生物质颗粒燃烧稳定性的影响


不同条件下,三种典型生物质颗粒燃料的Rw值如图5所示。


图5表明,随着氧气含量的变化,三种典型生物质颗粒燃料的燃烧稳定性也有很大变化。在缺氧的状况下,玉米、棉杆及木屑的燃烧稳定性指数分别为800、740和880,这说明缺氧条件下木屑燃烧稳定性最好,玉米稍次,棉秆最差;当达到21%O2条件时,玉米、棉杆及木屑的燃烧稳定性指数分别为900、960和930,这说明随着氧气含量升高,三种秸秆的燃烧稳定性有所增强,其中棉杆稳定性指数增加了220,玉米与木屑大约增加100,说明缺氧条件下增加氧气含量对棉杆的促进作用最强;与21%O2相比,40%O2的富氧条件下,玉米稳定性指数增加了640,玉米与木屑分别增加了260和430,说明富氧条件下增加氧气含量对玉米的促进作用最强,木屑次之,棉杆最差。另外,三种典型生物质颗粒燃料的燃烧稳定性随着载气流量的变化,呈开口向下的抛物线型变化。


3.2.3富氧条件对生物质颗粒燃烧特性指数的影响


不同条件下,三种典型生物质颗粒燃料的P1值如图6所示。


P1值的变化趋势Rh与Rw及值的变化趋势基本相同,这表明生物质颗粒挥发分的析出有利于降低颗粒的点火温度,提高其燃烧稳定性及燃烧速率。


在缺氧的状况下,玉米、棉杆及木屑的燃烧特性指数都比较低,这说明缺氧条件下三种生物质颗粒燃料的点火性能及燃尽性能较差;21%O2条件时,玉米、棉杆及木屑的燃烧稳定性指数呈现上升趋势,其中棉杆稳定性指数增加了2.2mg2/(min·K2),玉米与木屑分别增加了1.5、0.9mg2/(min·K2),这说明随着氧气含量升高,三种秸秆的燃烧稳定性有所增强,且增加氧气含量对棉杆的促进作用最强;与21%O2相比,40%O2的富氧条件时,玉米稳定性指数增加了4.0mg2/(min·K2),棉杆与木屑分别增加了2.4和3.6mg2/(min·K2)。表明富氧条件下,三种秸秆的燃烧特性明显改善,且增加氧气含量对玉米点火、燃烧及燃尽特性的促进作用最强,木屑次之,棉杆最差。另外,三种典型生物质颗粒燃料的燃烧稳定性随着载气流量的变化,也呈开口向下的抛物线型变化。


4结论


(1)TG—DTG曲线显示,40%O2富氧条件下生物质颗粒燃料挥发分燃烧区间比空气中缩短30℃,固定碳的燃烧区间缩短近100℃。富氧条件下挥发分析出峰值是空气中的2—2.75倍,且峰值出现的比较早,表明生物质燃烧性能明显改善。


(2)随着氧气含量的增加,玉米、棉杆及木屑的挥发分析出特性指数、燃烧稳定性的判别指数及燃烧特性指数均呈现上升趋势。在14%一21%0,浓度范围内,三种指数的增加量较小。21%~40%O2富氧条件下,三种指数均呈现明显的上升趋势。证明14%~21%O2浓度范围内增加氧气含量可以改善生物质的燃烧性能,但是效果不是很明显;21%~40%O2富氧条件能够大幅度改善生物质燃料的燃烧性能。


(3)21%O2条件下,玉米、棉杆及木屑的三种指标差别都不大,而40%0:富氧条件下,玉米颗粒的三种指标均明显高于棉杆及木屑,这说明富氧条件对玉米颗粒燃料的促进作用更强。


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