固體生物質(zhì)燃料發(fā)熱量檢測防止爆燃的研究

劉 福，楊 旭，李亮亮，張錦暉，江 浩，向南宏

(廣東省特種設(shè)備檢測研究院 惠州檢測院，廣東 惠州 516003)

0 前言

生物質(zhì)燃料作為一種可再生、環(huán)境友好型的清潔能源，具有良好的產(chǎn)業(yè)化前景和巨大的發(fā)展?jié)摿?，近年來得到各國大力發(fā)展，在能源結(jié)構(gòu)中占有越來越重要的地位［1－3］。隨著國家對節(jié)能減排的日益重視，燃煤工業(yè)鍋爐將逐步被淘汰。越來越多的企業(yè)將生物質(zhì)作為鍋爐燃料。發(fā)熱量是固體生物質(zhì)燃料的重要經(jīng)濟指標和性能指標，對其推廣、應(yīng)用有著十分重要的作用。凡是利用生物質(zhì)熱能時都必須準確了解其發(fā)熱量值［4］。

國內(nèi)以前參照《煤的發(fā)熱量測定方法》GB/T 213 －2008 檢測固體生物質(zhì)燃料的發(fā)熱量［5］。但生物質(zhì)的揮發(fā)分遠大于煤，且結(jié)構(gòu)松散，密度相對較小，其燃燒特性與煤比較存在較大的差異。樣品在氧彈高壓、純氧條件下燃燒，極易發(fā)生爆燃，發(fā)生飛濺，造成不完全燃燒，從而產(chǎn)生較大的測量誤差。

隋艷等人參照歐盟和美國標準，以及我國煤的發(fā)熱量測定方法標準，采用擦鏡紙裹試樣、降低氧彈充氧壓強、減少氧彈內(nèi)加水量等方法的研究［4］，但不能完全防止各類生物質(zhì)燃料氧彈法發(fā)熱量檢測時爆燃現(xiàn)象?！豆腆w生物質(zhì)燃料發(fā)熱量測定方法》GB/T 30727 －2014，對于高揮發(fā)分的固體生物質(zhì)燃料，用已知熱值的擦鏡紙包裹并壓緊后再進行發(fā)熱量測定［6］，采用目前市場普遍使用的煤樣壓餅機進行處理，并不能有效地防止爆燃。

因此采取能有效防止樣品爆燃的檢測方法，提高檢測的準確度、精密度，對生物質(zhì)燃料的質(zhì)量提高和推廣應(yīng)用具有十分重要的意義。

根據(jù)生物質(zhì)燃料爆燃的機理，本文擬研究一種樣品處理以減緩燃燒速度、防止爆燃的方法。

1 原理探討

根據(jù)燃燒機理，燃料的燃燒速度主要由燃料與氧的化學反應(yīng)速度和氧與燃料的接觸混合速度兩者確定?；瘜W反應(yīng)速度，也稱化學條件;后者稱物理混合速度，也稱物理條件。

化學反應(yīng)速度與反應(yīng)空間的壓強、溫度、反應(yīng)物質(zhì)的特性、濃度有關(guān)。對于氧彈法測燃料發(fā)熱量的燃燒中，影響化學反應(yīng)速度的主要因素是燃料的揮發(fā)分含量和溫度。生物質(zhì)燃料密度相對較小，點火溫度低，揮發(fā)分含量高，熱分解的溫度又比較低，一般在350℃就釋放出80%左右的揮發(fā)分。燃燒開始不久迅速由動力區(qū)進入擴散區(qū)，揮發(fā)分在短時期內(nèi)迅速燃燒，放熱量劇增［7］，劇烈燃燒產(chǎn)生氣體急劇膨脹，使火焰外圍部分燃料未達到燃燒溫度已飛濺。

燃燒速度除與化學反應(yīng)速度有關(guān)外，還取決氧氣向燃料表面輸送的快慢，即物理混合速度。對于氧彈內(nèi)的燃料燃燒來說，在高純氧、高壓條件下，塊狀燃料比粉狀燃料輸送慢，用擦鏡紙包裹比粉狀燃料直接與氧氣接觸輸送慢，均能降低燃燒速度?；瘜W反應(yīng)速度、物理混合速度是相互關(guān)聯(lián)的，對燃燒速度和燃燒的完全均起制約作用。

基于此，高揮發(fā)分的粉狀生物質(zhì)燃料在高純氧的條件下，為確保其完全燃燒，避免爆燃、飛濺現(xiàn)象，應(yīng)降低燃燒速度。為此，我們提出采用壓餅的方法，在高壓強壓餅機的作用下，將生物質(zhì)粉末制成結(jié)構(gòu)緊湊、相對密度大(密實度大)的餅狀試樣，可以有效減緩揮發(fā)分的析出，降低氧氣與燃料的混合速度，從而有效控制生物質(zhì)的燃燒速度。

2 試驗內(nèi)容

根據(jù)生物質(zhì)種類多、吸水性強的特點，選取秸稈、稻殼、麥稈、樹皮、鋸末、松枝、果殼等10 種具有代表性的固體生物質(zhì)燃料。在不同含水量條件下先制成粒度小于1 mm 的粉末，再在不同壓強條件下制成不同密實度的餅狀試樣，采用長沙開元儀器廠的5E－AC/PL 量熱儀進行發(fā)熱量測試，在氧彈充氧壓力為2．8 ～3．0 MPa，加水量為10 ml 的條件下，針對生物質(zhì)種類、含水量及試樣的緊密度進行研究。在此基礎(chǔ)上，研制出一種操作方便，可靠性強的生物質(zhì)燃料化驗壓餅機。建立適用于固體生物質(zhì)燃料化驗的樣品處理方法。

3 結(jié)果分析

3．1 同一生物質(zhì)燃料、相同水分試樣，不同壓強條件下制成的餅狀樣品測定

選取易爆燃的秸稈燃料，制成粉狀，在壓力試驗機上分別以30 MPa、100 MPa、200 MPa、250 MPa、300 MPa、350 MPa、400 MPa、450 MPa、500 MPa 壓強條件下壓制成餅狀試樣，發(fā)熱量測定結(jié)果和爆燃現(xiàn)象如表1 所示。

表1 同一生物質(zhì)不壓餅及不同壓強條件下制成的樣品發(fā)熱量測定結(jié)果和爆燃現(xiàn)象

試驗表明，在壓強為30 MPa 條件下所制的餅樣，仍然發(fā)生爆燃、噴濺現(xiàn)象。根據(jù)計算，煤樣壓餅機的壓強為30 MPa 左右。故采用煤樣壓餅機對生物質(zhì)試樣進行壓餅處理，其密實度不能有效防止爆燃。在壓強為100 ～200 MPa 條件下壓餅，試驗時爆燃現(xiàn)象反而加劇。這是因為樣品密實度不夠大，樣品外層急劇燃燒所產(chǎn)生的熱量導致樣品中心揮發(fā)分析出，少量氧氣進入樣品中心，揮發(fā)分劇烈燃燒所需要的氧量遠遠大于外界擴散所供應(yīng)的氧量，使供氧明顯不足，較多的揮發(fā)分不能燃盡，形成大量CO、H2、CH4等產(chǎn)物，產(chǎn)生大量的不完全燃燒氣體。隨著燃燒的進一步進行，大量可燃氣體在純氧條件下瞬間燃燒，產(chǎn)生的大量氣體快速擴散而使樣品發(fā)生爆炸。在壓強達到300 MPa 以上時，未發(fā)生爆燃現(xiàn)象。測定的熱值比爆燃時大，且相互很接近。說明在該條件下，餅樣的密實度能夠有效控制樣品的燃燒速度，防止爆燃。

3．2 同一生物質(zhì)燃料、在350 MPa 壓強條件下壓餅，不同含水量試樣的發(fā)熱量測試

由于生物質(zhì)燃料吸水性強，含水量變化范圍寬，因此需要研究不同含水量對壓餅及發(fā)熱量測試的影響。

仍選取秸稈易爆燃生物質(zhì)，選擇含水量分別為5．16%、12．79%、23．25%的3 個樣品進行試驗，試驗結(jié)果如表2 所示。

表2 不同含水量生物質(zhì)燃料在350 MPa 壓強下壓餅后的發(fā)熱量測定統(tǒng)計結(jié)果

對不同含水量的生物質(zhì)在相同壓強下壓餅后的發(fā)熱量試驗結(jié)果進行顯著性檢驗，發(fā)現(xiàn)不同含水量的生物質(zhì)對測試結(jié)果之間均無顯著性差異，平均差值都很小，差值的95%概率置信區(qū)間的端值，都落在GB/T 213 規(guī)定的重復性限之內(nèi)，說明不同含水量對壓餅密實度的影響較小。

3．3 不同生物質(zhì)燃料在300 MPa、350 MPa 下壓餅后的發(fā)熱量測定

根據(jù)上述試驗，當壓餅壓強達到300 MPa 以上時，能有效防止生物質(zhì)的爆燃。為證實不同生物質(zhì)燃料在此條件試驗的可行性，選取了9 個固體生物質(zhì)燃料樣品的不壓餅和300 MPa、350 MPa 下壓餅后發(fā)熱量測定。試驗結(jié)果和試驗中的記錄如表3所示。

表3 不同試樣不壓餅和300 MPa、350 MPa 壓餅的發(fā)熱量測定結(jié)果和現(xiàn)象記錄

從表3 的數(shù)據(jù)和記錄現(xiàn)象可知，在300 MPa 以上壓餅處理后的試樣，均能有效防止生物質(zhì)試樣的爆燃。

3．4 實驗室采用高壓強壓餅處理的可行性

選用一定出力的氣液增壓缸制作成生物質(zhì)燃料化驗壓餅機可有效進行壓餅處理。圖1 為本單位制作的壓餅處理設(shè)備。該設(shè)備操作方便，使用安全，經(jīng)壓餅后的生物質(zhì)燃料發(fā)熱量檢測時未發(fā)生爆燃現(xiàn)象，結(jié)果準確。

圖1 固體生物質(zhì)燃料化驗壓餅機1 －氣液壓增壓缸;2 －箱體;3 －電控箱;4 －壓桿;5 －模具

4 結(jié)論

(1)生物質(zhì)燃料是未來的支柱能源之一，其環(huán)境效益非常好。但是準確檢測固體生物質(zhì)發(fā)熱量比較困難，發(fā)熱量檢測過程中的爆燃現(xiàn)象始終未合理解決。本文從應(yīng)用需要出發(fā)，對生物質(zhì)燃燒的原理進行了初步研究，通過減緩揮發(fā)分的析出，降低氧氣與燃料的混合速度，從而有效控制生物質(zhì)的燃燒速度，防止爆燃。

(2)本項目通過大量的試驗研究，確定了防止固體生物質(zhì)發(fā)熱量檢測噴燃的方法—壓餅法。采用高壓強壓餅機，在固體生物質(zhì)燃料發(fā)熱量測定前先對樣品進行壓餅處理，能獲得精密度好、準確度高的發(fā)熱量測定結(jié)果。

［1］魏偉，張緒坤． 生物質(zhì)固體成型燃料的發(fā)展現(xiàn)狀與前景展望［J］．廣東農(nóng)業(yè)科學，2012(5):135 －138．

［2］陳曦，韓志群，孔繁華，等． 生物質(zhì)能源的開發(fā)與利用［J］．化學進展，2007，19(7/8):1091 －1097．

［3］易桂平，胡仁杰． 分布式電源接入電網(wǎng)的電能質(zhì)量問題研究綜述［J］．電網(wǎng)與清潔能源，2014，30(6):38 －46．

［4］隋艷，李英華． 固體生物質(zhì)燃料發(fā)熱量測定方法研究［J］．中國科技成果，2013(12):44 －46．

［5］煤炭科學研究總院煤炭分析實驗室．煤的發(fā)熱量測定方法:GB/T 213 －2008［S］．2008．

［6］煤炭科學研究總院檢測研究分院．固體生物質(zhì)燃料發(fā)熱量測定方法:GB/T 30727 －2014［S］．2014．

［7］劉圣勇，趙迎芳，張百良．生物質(zhì)成型燃料燃燒理論分析［J］．能源研究與利用，2002(6):26 －28．