黃色秸稈與灰色秸稈混配燃燒特性研究

趙光華 張旭 洪慶超 曾志豪 劉海力

(湖南人文科技學院能源與機電工程學院，湖南 婁底 417000)

0 引言

隨著生活水平的提高，家用電器、煤氣使用日益廣泛，農民朋友對柴草的需求急劇下降。一把火將秸稈連同作物殘渣一起燒掉是農民朋友不誤農時和整好地的“最佳選擇”，這造成霧霾天氣，并產生大量有毒有害物質，對人與其它生物健康形成威脅。因此，2008年國務院辦公廳下發了《關于加快推進農作物秸稈綜合利用的意見》，2009年國家發改委、農業部又聯合下發了《關于印發編制秸稈綜合利用規劃的指導意見的通知》，要求省、市、縣三級政府要明確鼓勵農作物秸稈綜合利用的政策保障體系，秸稈利用的產業布局和重點項目。利用秸稈直燃發電與制取生物質成型燃料不但實現了秸稈的“變廢為寶”，還增加了農民收入，因而得到了各級政府的大力支持[1]。

農作物秸稈分為灰色秸稈和黃色秸稈兩種，在我國的農作物秸稈中，灰色秸稈與黃色秸稈所占比例分別約為59%與41%，灰色秸稈主要包括棉花稈、麻稈、大豆稈等，黃色秸稈主要是麥稈和稻稈。目前，國內外生物質直燃發電廠絕大多數以灰色秸稈為燃料，鮮有能夠做到純用黃色秸稈正常發電的廠家，這主要是由于黃色秸稈體積大、密度小，從而導致以黃色秸稈為燃料的生物質直燃發電機組要比以灰色秸稈為燃料的生物質發電機組技術復雜程度和難度大得多。因此，為了避免黃色秸稈資源的浪費，以理昂新能源股份有限公司為代表的生物質直燃發電企業正嘗試將黃色秸稈與灰色秸稈混配燃燒；以山東大林生物科技有限公司為代表的企業成功研制出可將黃色秸稈壓縮制成密度大、熱值高的生物質成型燃料。混配比例對混合物料的燃燒特性產生怎樣的影響？黃色秸稈與灰色秸稈的最佳配比如何？這些都是混配燃燒和制備成型燃料時亟待解決的問題。

近年來，不同燃料的混合燃燒引起了國內外廣大學者的研究興趣。國內主要有晏建波等人[2]研究了油頁巖與煤的摻混燃燒特性，閆云飛等人[3]分析了劣質煤與生活污泥混合的燃燒特性，王永征等人[4]研究了生物質混煤燃燒過程中硫氯協同腐蝕特性。國外主要有泰國的Songpol等人[5]對桉樹皮與橡膠木屑的混合燃燒特性進行了研究。然而，鮮有黃色秸稈與灰色秸稈混合燃燒的研究報道。

1 實驗設備與方案

1.1 實驗設備

實驗采用熱重分析采用德國STA 409型熱綜合分析儀。

1.2 實驗材料

黃色秸稈為玉米秸稈，灰色秸稈為大豆秸稈與棉花秸稈。

1.3 實驗方法

實驗在空氣氛圍下進行，初始溫度為環境溫度，終溫為600℃。

實驗一：將三種不同秸稈在20K/min的升溫速率下進行實驗，得出物料的失重曲線(TG曲線)與失重速率曲線(DTG曲線)。

實驗二：將玉米秸稈與大豆秸稈1:1混合，玉米秸稈與棉花秸稈1:1混合，在熱重分析儀中以20K/min的升溫速率下進行實驗得出物料的失重曲線(TG曲線)與失重速率曲線(DTG曲線)。

1.4 數據處理

選取著火溫度(Ti)、最大燃燒速率(DTGmax)及最大燃燒速率對應的溫度(Tmax)等指標進行分析。計算方式參考文獻[6]。

2 實驗結果及分析

2.1 灰色秸稈與黃色秸稈燃燒特性比較

由圖1可以看出，當溫度達到800K時，玉米秸稈剩余重量為17%，大豆秸稈剩余重量為20%，而棉花秸稈還有25%剩余，因此玉米秸稈失重速度較大豆秸稈與棉花秸稈快。由DTG曲線可看出，玉米秸稈在559.9K的溫度下失重速率就達到了峰值，而對應的大豆秸稈達到峰值溫度為580.9K，棉花秸稈則為600.0K，因此，在在燃燒速率上，玉米秸稈＞大豆秸稈＞棉花秸稈，這意味著在同樣情況下，作為黃色秸稈的玉米比灰色秸稈大豆秸稈與玉米秸稈燃燒的時間要短。

圖1 三種秸稈TG與DTG曲線

表1是三種秸稈熱重特征參數，從中可知，玉米秸稈的著火點為514.0K，小于大豆秸稈的529.0K和棉花秸稈的531.7K。玉米秸稈的最大燃燒速率為0.687%/K，高于大豆秸稈的0.598%/K和棉花秸稈的0.512%/K。

表1 三種秸稈熱重特征參數

2.2 黃色秸稈與灰色秸稈混配燃燒特性分析

由圖2和圖3可知，比較黃色秸稈與灰色秸稈及其混合后可知，混合后的基本介于黃色秸稈與灰色秸稈之間。對混合后的的秸稈采用切線法分析，得出數據如表2。

圖2 玉米秸稈、大豆秸稈及其混合秸稈的TG與DTG曲線

表2 三種秸稈與兩種混合秸稈熱重特征參數

對于玉米秸稈與大豆秸稈，經過混合后，其著火點(Ti)特征為大豆秸稈＞混合秸稈＞玉米秸稈，混合秸稈著火點較玉米秸稈高10.0K，較大豆秸稈低5.0K；其最大燃燒速率DTGmax特征為玉米秸稈＞混合秸稈＞大豆秸稈，混合秸稈最大燃燒速率較玉米秸稈低0.042%/K，較大豆秸稈高0.047%/K；其最快燃燒速率下溫度Tmax特征為大豆秸稈＞混合秸稈＞玉米秸稈，混合秸稈最大燃燒速率所對應的溫度較玉米秸稈高10.6K，較大豆秸稈低10.4K。

圖3 玉米秸稈、棉花秸稈及其混合秸稈的TG與DTG曲線

對于玉米秸稈與棉花秸稈，經過混合后，其著火點(Ti)特征為棉花秸稈＞混合秸稈＞玉米秸稈，混合秸稈著火點較玉米秸稈高9.5K，較棉花秸稈低8.2K；其最大燃燒速率DTGmax特征為玉米秸稈＞混合秸稈＞棉花秸稈，混合秸稈最大燃燒速率較玉米秸稈低0.072%/K，較棉花秸稈高0.103%/K；其最快燃燒速率下溫度Tmax特征為棉花秸稈＞混合秸稈＞玉米秸稈，混合秸稈最大燃燒速率所對應的溫度較玉米秸稈高1.3K，較棉花秸稈低38.8K。

3 結語

通過黃色秸稈與灰色秸稈的合理混配，其燃燒參數能夠很好地滿足生物質電廠燃料要求，可促進生物質電廠對黃色秸稈的利用，從而較好地消納黃色秸稈，貫徹了資源節約型、環境友好型的發展理念，在保護環境的同時又合理利用了資源，為祖國綠水青山做出了貢獻。