桃木質(zhì)成型燃料燃燒特性研究

魚銀虎,崔海婷,宋 靜

(運(yùn)城學(xué)院，山西 運(yùn)城 044000)

0 引言

生物質(zhì)能是綠色植物利用光合作用形成有機(jī)物，把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能，是一種可再生的綠色能源[1-3]。隨著常規(guī)能源供應(yīng)的緊缺和價(jià)格的不斷上漲，合理開發(fā)利用可再生的生物質(zhì)資源，將其轉(zhuǎn)化為優(yōu)質(zhì)燃料，已越來越引起人們的重視[1-3]。以生物質(zhì)為原料打造新的能源產(chǎn)業(yè)，不僅解決了長(zhǎng)期以來生物質(zhì)的浪費(fèi)，同時(shí)還增加了農(nóng)民的收入，而其清潔燃燒則可以代替煤炭，作為供能燃料，有利于區(qū)域環(huán)境的改善[3]。農(nóng)作物秸稈本身體積能量密度低，運(yùn)輸、燃用不方便，直接燃燒熱效率低，但經(jīng)破碎后在熱壓成型機(jī)上可制成生物質(zhì)成型燃料(Biomass Moulding Fuel，簡(jiǎn)稱BMF)[2,3]，密度可達(dá)1.0～1.2 g/cm3，運(yùn)輸、貯存方便，成型之后不僅能量密度值是未加工前的數(shù)倍，而且直接燃燒后所排放的污染物少，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于化石能源[2,3]。可以看作是一種環(huán)保煤炭，一種新型的清潔能源，因此可以大規(guī)模推廣使用。

山西運(yùn)城當(dāng)?shù)胤N植了大面積的桃樹，每年都會(huì)有大量的桃枝產(chǎn)生。直接燃燒易引起火災(zāi)，既浪費(fèi)能源又污染環(huán)境，如果能夠?qū)⑵渥鳛樯镔|(zhì)燃料利用起來，將會(huì)解決這一難題。本文利用熱重分析儀研究桃木成型生物質(zhì)顆粒在不同升溫速率過程中燃燒特性，為后續(xù)桃木質(zhì)成型燃料的深入研究提供一定的參考依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

原料為山西運(yùn)城當(dāng)?shù)靥覙涞闹U，將原料帶回實(shí)驗(yàn)室之后用蒸餾水洗凈，置于真空干燥箱在100℃下干燥24h，取出后研磨成很細(xì)的粉末，通過壓縮機(jī)壓縮成型，收集備用。

1.2 熱重測(cè)試

采用德國(guó)NETZSCH公司生產(chǎn)的STA 449F3型同步熱分析儀對(duì)成型生物質(zhì)原料進(jìn)行熱重分析測(cè)試。測(cè)試條件：參比樣為空氧化鋁坩堝，每次樣品質(zhì)量約10mg，吹掃氣體為30mL/min的氧氣和氮?dú)饣旌蠚怏w(流量比1∶5)，分別采用10、20、30℃/min的升溫速率從室溫加熱至800℃。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 熱重實(shí)驗(yàn)分析

圖1(a)和(b)分別為桃木質(zhì)成型燃料在空氣氛圍下以10℃/min升溫至800℃的TG和DTG測(cè)試曲線。桃木質(zhì)成型燃料主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等有機(jī)物構(gòu)成。熱分解產(chǎn)物包括可燃?xì)怏w、液體焦油和固體焦炭[4-6]。一般生物質(zhì)的燃燒過程分為生物質(zhì)的脫水、有機(jī)物熱解揮發(fā)、焦炭燃燒3個(gè)階段[4-6]。由圖1(a)中TG曲線分析得出桃木質(zhì)生物成型燃料的質(zhì)量變化符合文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)，其燃燒失重過程明顯分為干燥脫水、半纖維素和纖維素?zé)峤馊紵⒛举|(zhì)素?zé)峤馊紵徒固咳紵?個(gè)階段。其中干燥脫水是由于前期處理只是在100℃下干燥24h，內(nèi)部的結(jié)晶水需在更高的溫度100℃以上進(jìn)一步揮發(fā)；半纖維素和纖維素?zé)峤馊紵A段溫度范圍為248～343℃，該溫度區(qū)間失重率約50%；木質(zhì)素?zé)峤馊紵A段溫度范圍為343～429℃；焦炭燃燒階段溫度范圍為343～630℃，與木質(zhì)素?zé)峤馊紵A段有重疊，失重率約41%。各區(qū)間無(wú)明顯界限，彼此交叉，最終試樣剩余6%～7%，與其工業(yè)分析中灰分比例相吻合。圖1(b)中DTG曲線出現(xiàn)兩個(gè)明顯的失重峰328℃和428℃，分別對(duì)應(yīng)半纖維素、纖維素的熱解燃燒和木質(zhì)素轉(zhuǎn)化焦炭并燃燒的失重峰。438℃時(shí)又出現(xiàn)一個(gè)小的波峰，這是因?yàn)樘夷镜哪举|(zhì)素含量較高，生成的焦炭較多，在前一個(gè)階段燃燒不徹底，之后又繼續(xù)燃燒所造成的。DTG曲線的峰值代表燃燒速率的最大值，428℃峰值最大最窄可見木質(zhì)素轉(zhuǎn)化焦炭并燃燒更為劇烈。

2.2 不同升溫速率對(duì)燃燒特性的影響

圖2為桃木質(zhì)成型燃料分別在10、20和30℃/min加熱升溫速率下的熱失重曲線。由圖可知，隨著溫度的逐漸升高，樣品都有一個(gè)微失重的脫水過程，只是隨著升溫速率的加快，脫水終點(diǎn)溫度向高溫偏移，這是因?yàn)樯镔|(zhì)燃料導(dǎo)熱性較差，內(nèi)部溫度上升緩慢所致。對(duì)于10℃/min的TG曲線主要失重溫度范圍是248～438℃，而30℃/min的TG曲線主要失重溫度范圍是260～474℃，亦是因?yàn)閮?nèi)部溫度上升緩慢所致。

圖3為DTG曲線，結(jié)合圖2可知在248～500℃dm/dt值變化最大，說明在此溫度范圍內(nèi)，是生物質(zhì)燃燒失重的主要階段。升溫速率不同，完成熱解所需的溫度范圍不同。速率增大，范圍減小，主要因?yàn)槿紵艧岱磻?yīng)更加集中，30℃/min的升溫速率下，在353℃和408℃時(shí)反應(yīng)最為劇烈。

2.3 燃燒特征參數(shù)計(jì)算

燃燒穩(wěn)定性判別指數(shù)RW：判定燃料燃燒穩(wěn)定性。RW越大，表明生物質(zhì)燃料的燃燒穩(wěn)定性越好。計(jì)算所需基準(zhǔn)參數(shù)為碳粉熱分析測(cè)定參數(shù)[7-9]。

(1)

式中：655-碳粉的著火溫度，℃；763-碳粉燃燒速率最大時(shí)的溫度，℃；Ti-著火溫度，℃；Tm-最大失重速率溫度，℃；(dm/dt)max-最大燃燒速率，mg/min；8.73-碳粉的最大失重速率，mg/min；RW-燃燒穩(wěn)定性判別指數(shù)，mg/(min/K2)。

采用TG切線法[9,10]來確定著火溫度，如圖2所示。計(jì)算得到桃木生物質(zhì)燃料在不同升溫速率下的著火點(diǎn)溫度Ti如表1所示。燃盡溫度Th、最大失重速率溫度Tm和最大燃燒速率(dm/dt)max用NETZSCH Proteus熱分析軟件計(jì)算得到[10,11]。

據(jù)式1計(jì)算得出不同升溫速率下的燃燒穩(wěn)定性判別指數(shù)RW見表1。可以看出，升溫速率為30℃/min時(shí)，桃木顆粒的燃燒穩(wěn)定性最好。

表1 不同升溫速率下的燃燒特征參數(shù)

綜合燃燒特性指數(shù)SN：評(píng)價(jià)成型生物質(zhì)顆粒的燃燒情況[12, 13]。SN值越大，燃燒特性越佳，表明生物質(zhì)燃料品質(zhì)越佳[12, 13]。

(2)

式中：SN-綜合燃燒特性指數(shù)；(dm/dt)mean-平均燃燒速率，用NETZSCH Proteus熱分析軟件計(jì)算得到，mg/min；Th—燃盡溫度，℃。

表1中不同升溫速率下的綜合燃燒特性指數(shù)表明，隨著升溫速率的增大，燃燒特性指數(shù)SN值也增大，說明提高升溫速率可以提升燃料品質(zhì)。

3 結(jié)論

(1) 桃木質(zhì)成型燃料燃燒過程主要包括室溫至248℃的干燥脫水；248～343℃區(qū)間的半纖維素和纖維素?zé)峤馊紵?43～630℃區(qū)間的焦炭燃燒三個(gè)階段，各區(qū)間無(wú)明顯界限，彼此交叉，燃燒灰燼約占6%～7%。

(2) 空氣氛圍下，桃木質(zhì)成型燃料的著火點(diǎn)溫度隨著升溫速率的增大而略向高溫偏移，燃燒反應(yīng)更加集中，30℃/min的升溫速率下，著火點(diǎn)溫度為260℃，在353℃和408℃時(shí)反應(yīng)最為劇烈。

(3) 燃燒穩(wěn)定性判別指數(shù)RW和綜合燃燒特性指數(shù)SN表明，隨升溫速率的增大，會(huì)促使RW和SN也增大，表明增大升溫速率可以使生物質(zhì)的燃燒更穩(wěn)定更加高效。