纖維素、半纖維素和木質素對生物質燃燒行為影響研究

劉 洋，姜 通，鄒 春，章海生

(1.華中科技大學 能源與動力工程學院，湖北 武漢 430074；2.華中科技大學 煤燃燒國家重點實驗室，湖北 武漢 430074;3.佛山市公用事業控股有限公司，廣東 佛山 528000;4.佛燃能源集團股份有限公司，廣東 佛山 528000)

0 引 言

生物質能發展前景廣闊[1-4]，合理充分利用生物質能受到廣泛關注[5]。目前純生物質直接燃燒和生物質摻混煤粉燃燒是生物質最主要的利用方式，可直接使用現有燃煤電廠，大大節約生物質利用成本。生物質發電技術一方面能緩解以煤炭、石油為主的化石能源的大量需求，另一方面由于生物質碳中性的特點，能大大減少溫室氣體排放。但生物質具有揮發分高、能量密度低等特點[6]，其著火燃燒特性不同于煤粉等固體燃料。因此，對生物質的著火和燃燒特性進行深入研究是大規模應用生物質發電技術的前提。

GANI等[7]和LYU等[8]分別利用熱重分析儀研究了空氣中纖維素、木質素對生物質熱解和燃燒的影響。結果表明，生物質的揮發分燃燒與纖維素分解有關，焦燃燒階段與木質素分解有關，且纖維素的多孔狀和木質素的塊狀結構會影響熱解速率，纖維素含量越高，熱解速率越快，木質素含量越高，熱解速率越慢。WU等[9]采用熱重分析儀和Kissinger-Akahira-Sunose方法研究了煙煤與生物質模型組分共熱解熱行為的協同效應，發現煤和3種模型化合物共混物的活化能的非加性，活化能的變化與共熱解焦固體結構的變化有關，表明木質纖維素生物質與煤共熱解過程中的協同效應是由3種模型化合物的競爭效應引起。CAO等[10]采用熱重試驗研究三組分相互作用對生物質著火的影響，發現木質素、半纖維素和纖維素的著火溫度分別為405、370和410 ℃，認為通過三組分質量分數可精準預測生物質燃料的著火行為。熱重分析法是研究生物質三組分之間相互作用的重要手段[11-14]，但通常熱重分析儀的升溫速率很低，與實際工業鍋爐條件生物質的著火及燃燒存在較大差異，因此使用升溫速率更快的設備研究生物質的著火及燃燒成為研究熱點。

WANG等[15]在滴管爐中研究了粉末狀單顆粒三組分在空氣中對生物質燃料著火機理的影響，研究表明較低的木質素含量使生物質的著火行為為非均相著火，木質素含量增加會使生物質由非均相著火轉變為均相著火。

已有部分學者采用熱重分析法或滴管爐對生物質的著火行為及三組分相互作用進行研究，但鮮見高升溫速率下生物質中三組分及其結構特性對生物質燃燒行為的影響研究。筆者利用Hencken燃燒器，結合高速攝像儀，采用圖片分析及溫度測量方法，研究生物質三組分及其混合物的燃燒行為，并與實際生物質燃燒行為進行對比，分析了生物質中三組分的結構特性對著火及燃燒過程的影響。

1 試驗與方法

1.1 試驗裝置

試驗臺架由一個多元件非預混火焰Hencken燃燒器、質量流量計、一臺高速攝像機和電動平移臺組成，如圖1所示。燃燒器由一個陶瓷蜂窩(截面積:49.1 mm×49.1 mm)和數百根內徑0.8 mm、外徑1.2 mm的不銹鋼管組成。這些不銹鋼管可以產生數百個非預混火焰，在燃燒器上方形成穩定均勻的高溫熱流，為樣品的燃燒提供穩定的高溫環境。設定空氣的流量36 L/min，甲烷流量1.1 L/min，在燃燒器上方10 mm處用熱電偶測定火焰溫度為1 500 K左右。采用高速攝像機記錄整個燃燒過程，拍攝速度為50幀/s，曝光時間為16.67 ms。

圖1 試驗臺架示意Fig.1 Schematic diagram of the experimental facility

試驗開始時將樣品置于電動平移臺上固定陶瓷棒的前端，當電動平臺開始帶動樣品向燃燒器方向移動的同時，高速攝像機開始拍攝，直到陶瓷棒上方的樣品燃盡為止。上述過程記為一組試驗，每種樣品重復3組。

1.2 試驗樣品制備

試驗樣品的制備流程分為篩分、稱量和壓片。纖維素、半纖維素和木質素購買于Sigma-aldrich公司，為排除堿金屬對燃燒行為的影響，木質素采用脫堿木質素，三組分的工業分析和元素分析見表1。對于原始的生物質三組分樣品，首先使用篩分儀進行篩分，獲得粒徑0.075～0.150 mm的生物質三組分，然后使用天平對纖維素、半纖維素和木質素樣品分別進行稱量，保證每次壓制成型的樣品質量為0.045 g。隨后使用壓片機以2 MPa壓力壓制稱量好的生物組三組分，獲得直徑5 mm的生物質三組分樣品。

表1 生物質三組分的工業分析和元素分析Table.1 Proximate and ultimate analysis of the three components of biomass

稻桿、竹子和板栗殼的工業分析、元素分析和生物質三組分含量見表2。生物質三組分測量方法可參照文獻[16]。樣品制備流程與三組分樣品制備流程相同。模擬生物質，即三組分按生物質中的比例進行摻混得到的三組分共混物，其樣品制備流程同生物質一致。

表2 3種生物質的工業分析、元素分析和三組分含量Table 2 Proximate，ultimate analysis and three-component content of three kinds of biomass

獲得篩分后粒徑0.075～0.150 mm的生物質三組分后，為使共混物中各組分混合均勻，達到試驗要求的摻混比，減小試驗誤差，引入錐進四分法[17]，根據實際生物質中所含三組分質量分數制備對應的模擬生物質。

通過輻射能測溫技術對試驗獲得生物質著火燃燒的溫度場進行計算，具體實施方法可參照文獻[15]，采用黑體爐對溫度進行標定，對比標定公式計算的溫度與實際溫度，發現誤差在±20 K以內，因此測溫方法可以滿足本試驗的精度要求。

2 生物質三組分著火及燃燒特性分析

2.1 著火時刻的定義

將試驗中獲取的的燃燒圖片轉變成灰度圖，如圖2所示。由圖2可知，著火發生時刻圖片的灰度值約為最大灰度值的12%。這與SIMES等[18]的研究結論相符，研究認為著火時刻圖片的灰度為對應圖片最大灰度的10%～15%。因此，研究中，以首張灰度值到達最大灰度的12%時，定義為該工況下著火發生的時刻。

圖2 纖維素著火時刻灰度圖片Fig.2 Grayscale picture of cellulose ignition

2.2 三組分的著火行為

纖維素的著火過程如圖3所示，圖片下方數值代表圖片對應的幀數(定義著火時刻為第1幀)。由圖3可知，纖維素著火過程分為2個階段：分別為揮發分燃燒階段與焦燃燒階段。由于纖維素揮發分中的易燃物質H2和CH4含量相對較低[19]，因此揮發分燃燒的火焰并不劇烈；接著焦著火發生后，由于纖維素焦的碳含量較高，形成大量碳煙，火焰呈亮白色。通過拍攝的圖片不僅可以觀察到研究物質的著火行為，也可以判斷著火延遲時間及著火溫度等燃燒行為。

圖3 纖維素的著火過程Fig.3 Ignition process of cellulose

對于半纖維素，大顆粒半纖維素在高升溫速率下，著火過程也分為揮發分燃燒與焦燃燒2個階段。半纖維素在著火初期，顆粒溫度較低時會熱解形成焦油，相比纖維素，半纖維素的著火階段因為有液體焦油形成[12]，因而更早發生焦著火。

對比木質素與纖維素、半纖維素的著火過程，可以觀測出，在燃燒初期，相同時間內木質素的揮發分火焰面積擴大幅度最小，這是因為木質素揮發分釋放速度慢，但木質素焦最先著火，這一結論與王廷旭等[20]研究結果一致。此外，纖維素焦和半纖維焦著火后，亮度急劇增強，而木質素焦著火后，其亮度增強相對緩慢，其揮發分燃燒更加穩定，燃燒后期才會出現亮度迅速增大，這可能是由于木質素釋放揮發分的速度較慢，燃燒難以在少量焦中快速傳播，導致溫度未急劇上升。焦著火后，隨溫度升高，焦燃燒區域的亮度才會迅速增大。

2.3 生物質三組分著火延遲時間

基于高速攝像儀拍攝的圖片，分別計算纖維素、半纖維素和木質素的著火延遲時間。著火延遲時間的計算公式為：Δt=(t1-t2)/50；Δt為著火延遲時間；t1為顆粒著火時的幀數；t2為顆粒到達燃燒器火焰邊緣的幀數。

纖維素、半纖維素、木質素著火延遲時間對比如圖4所示，試驗測得的纖維素、半纖維素和木質素各自著火延遲時間分別為7.52、4.16和2.08 s。顯然，纖維素的著火延遲時間是木質素的3倍以上，這是由三組分的組成及結構差異引起。雖然木質素的脫揮發分速率最慢，但由于木質素熱解溫度最低[21]，且試驗所用木質素顆粒直徑較大，揮發分中可燃物質含量高，木質素灰分高達18.71%，灰分中堿金屬的催化作用有利于著火[22-24]，因此木質素著火最快。纖維素脫揮發分速率最快，但由于揮發分中可燃質的含量最低，因此著火最慢。由于半纖維素熱穩定性是生物質三組分中最差，在非常高的升溫速率下，液化非常快，使其著火早于纖維素。

圖4 纖維素、半纖維素、木質素著火延遲時間對比Fig.4 Comparison of ignition delay time of cellulose,hemicellulose and lignin

2.4 生物質三組分燃燒過程的溫度變化

纖維素、半纖維素和木質素火焰峰值溫度隨幀數變化曲線,如圖5所示。從圖5可以看出，纖維素在前70幀峰值溫度穩定在750～800 K，該段時間為揮發分燃燒。第70幀后，纖維素的峰值溫度急劇上升，在20幀以內溫度由800 K快速增長到1 000 K以上，燃燒進入纖維素焦燃燒階段。至第92、93幀，纖維素燃燒的火焰圖片色彩飽和，達到輻射能測溫技術計算溫度的上限。

圖5 纖維素、半纖維素、木質素火焰峰值溫度隨圖片幀數的變化Fig.5 Variation of the peak flame temperature of cellulose,hemicellulose,and lignin with the number of picture frames

對于半纖維素，從著火開始到第40幀是半纖維素的揮發分燃燒階段，半纖維素在該階段的溫度明顯高于纖維素，這可能是半纖維素產生的焦油揮發分燃燒導致。在第41幀對應的時刻，半纖維素發生焦著火。半纖維素左側形成外部亮黃色、內部亮白色的焦著火火焰，火焰的峰值溫度也大幅度提高。此后，半纖維素燃燒火焰開始變得不穩定，可能是由于焦油的燃燒和大面積的焦著火，同時半纖維素的熔化變形加劇。第50幀后，半纖維素顆粒融化為球形并呈下墜趨勢(半纖維素和木質素的燃燒過程圖片沒有展示)。到達第57幀，半纖維素燃燒的火焰圖片達到飽和。

木質素焦燃燒后的升溫速率不同于纖維素和半纖維素，呈相對平緩持續升溫的狀態。由于溫度高且木質素的焦易著火，木質素揮發分燃燒在第21幀對應的時刻即引發了木質素焦著火(相比于纖維素和半纖維素更早)。此外，焦燃燒過程中，由于木質素的揮發分釋放速率隨溫度升高逐漸升高，成焦速率也逐漸提高，升溫速率加快，導致木質素燃燒的火焰在第35幀達到最高溫度點(相比于其他兩組分更早)，木質素著火后溫升速率最快。

分析生物質三組分的燃燒過程和峰值溫度曲線可以發現，生物質三組分著火初期的燃燒過程分為2個階段：揮發分燃燒階段和焦燃燒階段，其中揮發分燃燒階段三組分的溫度上升較慢，燃燒比較平穩；焦燃燒階段溫度上升較快，燃燒較為劇烈。

3 實際生物質與模擬生物質的燃燒特性對比

3.1 實際生物質與模擬生物質著火延遲時間

3種實際生物質(稻桿、竹子、板栗殼)與其對應模擬生物質的著火延遲時間如圖6所示。可知對于每種生物質樣品，實際生物質的著火延遲時間要長于模擬生物質，這可能是由于生物質中木質素的塊狀結構和纖維素的多孔狀特性造成的差異。另外，實際生物質中堿金屬也能影響生物質的著火行為，但通常認為堿金屬能促進生物質的脫揮發分速率，促進著火[22-24]。對于實際生物質，稻桿的著火延遲時間最長，竹子最短；對于3種模擬生物質，其著火延遲時間隨木質素含量的增加而不斷降低，這也進一步驗證了木質素著火延遲時間最短的結論。

圖6 實際生物質與模擬生物質著火延遲時間對比Fig.6 Comparison of ignition delay time between actual biomass and simulated biomass

3.2 實際生物質與模擬生物質著火延遲時間

稻桿和模擬稻桿的火焰峰值溫度隨圖片幀數的變化如圖7所示。稻桿燃燒初期溫度變化較小，基本保持穩定，在20幀左右溫度快速上升，迅速達到計算溫度的上限。模擬稻桿燃燒過程同樣表現出燃燒前期較穩定，在51幀左右突然上升到計算溫度上限，且模擬稻桿的溫度曲線在纖維素和半纖維素之間變化。與此同時，試驗還觀測到稻桿達到溫度峰值的時間明顯短于模擬稻桿。

圖7 稻桿和模擬稻桿火焰峰值溫度隨圖片幀數的變化Fig.7 Variation of flame peak temperature of rice stalk and simulated-rice stalk with the number of picture frames

3.3 竹子與模擬竹子燃燒過程的溫度

竹子和模擬竹子的火焰峰值溫度隨圖片幀數的變化如圖8所示。由圖8可知，竹子與模擬竹子燃燒過程的溫度變化趨勢相近，在燃燒初期2樣品的溫度變化較小，基本保持穩定，在70幀左右溫度快速上升，迅速達到計算溫度的上限。此外，竹子和模擬竹子的溫度曲線位于纖維素和半纖維素溫度曲線之間。值得注意的是，在燃燒初期(前60幀)，竹子燃燒過程的溫度明顯低于模擬竹子，根據第2章結論(燃燒初期半纖維素的溫度最高)，認為相對于竹子，模擬竹子在燃燒前期有更多的半纖維素燃燒，竹子樣品存在木質素的包裹結構，燃燒初期半纖維素燃燒受到抑制；模擬竹子樣品由于三組分均勻混合，半纖維素燃燒充分，因此模擬竹子燃燒溫度明顯高于竹子。

圖8 竹子和模擬竹子火焰峰值溫度隨圖片幀數的變化Fig.8 Variation peak flame temperature of bamboo and simulated-bamboo with the number of picture frames

3.4 板栗殼與模擬板栗殼燃燒過程的溫度

板栗殼和模擬板栗殼的火焰峰值溫度隨圖片幀數的變化如圖9所示。由圖9可知，燃燒初期(前13幀)板栗殼溫度基本保持在穩定狀態，25幀后溫度快速上升，迅速達到計算溫度的上限。對于模擬板栗，前90幀其溫度基本保持穩定，90幀后溫度快速上升，迅速達到計算溫度的上限。需要注意的是，板栗殼和模擬板栗殼燃燒過程溫度變化存在巨大差異。一方面板栗殼樣品由于生物質的結構特性，木質素優先熱解燃燒，另一方面板栗殼樣品中木質素含量較高，其燃燒溫度曲線和木質素的燃燒溫度曲線接近。對于模擬板栗殼樣品，由于三組分均勻混合燃燒，纖維素熱解釋放的揮發分大量包裹在顆粒周圍，導致木質素熱解產生的焦難以接觸到氧氣。因此模擬板栗殼樣品的火焰溫度曲線呈現與模擬稻桿、模擬竹子類似的特性，即存在較長時間的溫度穩定狀態和溫度陡增點。

圖9 板栗殼和模擬板栗殼火焰峰值溫度隨圖片幀數的變化Fig.9 Variation of peak flame temperature of chestnut shell and simulated chestnut shell with the number of picture frames

3.5 3種實際生物質燃燒過程的溫度

3種實際生物質的火焰峰值溫度隨圖片幀數的變化如圖10所示。由圖10可知稻桿樣品和板栗殼樣品溫度變化曲線類似，在前20幀左右溫度較為穩定，30幀左右出現溫度陡增點，到達試驗所能測量的溫度飽和點較快。與此同時，在前20幀稻桿的火焰溫度明顯低于板栗殼。相比稻桿樣品，板栗殼樣品中木質素含量較高，由于生物質的結構特性，木質素包裹在樣品外側，燃燒初期板栗殼樣品中木質素提供大量揮發分，由于木質素燃燒速度較快，在較短時間內溫度升高較快。而稻桿樣品中纖維素占比較高，纖維素在燃燒初期溫度較低，因此燃燒初期板栗殼的燃燒溫度比稻桿高。對于竹子樣品，其與稻桿和板栗殼樣品的溫度曲線的不同。燃燒初期，竹子樣品出現了較長時間(70幀左右)的溫度較穩定的階段，在70幀左右出現溫度陡增點，這一現象和WANG等[25]試驗結果一致，出現這一現象的原因可能是竹子樣品本身的結構特性。

圖10 3種實際生物質的火焰峰值溫度隨圖片幀數的變化Fig.10 Variation of flame peak temperature of three kinds of actual biomass with the number of picture frames

4 結 論

1)試驗測得纖維素、半纖維素和木質素的著火延遲時間分別為7.52、4.16和2.08 s。實際生物質的著火延遲時間都長于模擬生物質，模擬生物質的著火延遲時間與木質素含量呈負相關。

2)試驗結果表明三組分的燃燒過程都包括揮發分燃燒和焦燃燒階段。木質素焦最易著火，纖維素焦最難。纖維素和半纖維素焦著火發生后燃燒溫度急劇增加至1 000 K以上，而木質素焦著火后，顆粒溫度增加相對平緩。

3)3種生物質與對應模擬生物質的燃燒溫度變化存在較大差異，尤其是板栗體現更為明顯。對于3種生物質，稻桿和板栗殼的峰值溫度曲線相近，但燃燒初期溫度存在差異，而竹子溫度穩定階段較長。