兩種典型生物質(zhì)燃料放熱功率測(cè)定

端木琳王宗山徐策劉穎朱俊亮

1大連理工大學(xué)建筑工程學(xué)部

2大連市建筑設(shè)計(jì)研究院

兩種典型生物質(zhì)燃料放熱功率測(cè)定

端木琳1王宗山1徐策1劉穎1朱俊亮2

1大連理工大學(xué)建筑工程學(xué)部

2大連市建筑設(shè)計(jì)研究院

本文對(duì)兩種典型的生物質(zhì)燃料在火墻中的放熱功率進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。得出了玉米芯和玉米秸稈的放熱功率曲線。在相同燃燒條件下，玉米秸稈的燃燒速率和放熱功率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于玉米芯。通過用氧氣消耗法和二氧化碳產(chǎn)生法兩種方法得到計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了放熱曲線的可靠性，為進(jìn)一步建立生物質(zhì)燃料的燃燒模型提供了參考。

生物質(zhì)燃料 放熱功率 燃燒

0 引言

我國(guó)村鎮(zhèn)地區(qū)地廣人多，建筑面積龐大，隨著社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè)的迅速展開，農(nóng)村能源需求量和品位上升，商品性能源支出增加，這將給我國(guó)在能源供給方面帶來更大壓力[1]；同時(shí)，農(nóng)村大量生物質(zhì)燃料直接焚燒，不僅造成大量資源的浪費(fèi)，而且增加火災(zāi)隱患、污染環(huán)境[2]。如果有效利用這些生物質(zhì)燃料的話，能夠緩解能源的壓力，減輕農(nóng)民經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

中國(guó)北方農(nóng)村的采暖方式主要依賴于燃燒生物質(zhì)燃料。燃料燃燒放熱的情況將直接影響采暖的效果。因此，為提高傳統(tǒng)采暖方式效率，需要研究生物質(zhì)的燃燒過程，包括放熱功率和燃燒模型，從而進(jìn)一步展開對(duì)火炕、火墻等采暖設(shè)施的模型的研究。

本文對(duì)農(nóng)村采暖常用的兩種生物質(zhì)燃料進(jìn)行了元素分析和工業(yè)分析，對(duì)兩種燃料在火墻內(nèi)燃燒過程中的放熱功率進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，并利用氧氣消耗法[3～5]和二氧化碳產(chǎn)生法[6]進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 氧氣消耗法和二氧化碳產(chǎn)生法

文獻(xiàn)[7]對(duì)多種由C、H、O三種元素組成的燃料燃燒時(shí)的消耗1mol氧氣和產(chǎn)生1mol二氧化碳放出的熱量進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明，由C、H、O三種元素組成的各種生物質(zhì)燃料燃燒時(shí)消耗1mol氧氣和產(chǎn)生1mol二氧化碳放出的熱量差距很小，波動(dòng)在10%以內(nèi)。利用氧氣消耗法和二氧化碳產(chǎn)生法計(jì)算燃料的放熱功率的基本原理是得到燃燒過程中氧氣的消耗量和二氧化碳的產(chǎn)生量，利用氧氣的消耗量和二氧化碳的產(chǎn)生量反推燃料單位時(shí)間內(nèi)放出的熱量，從而得到其放熱功率。因此，利用這兩種方法進(jìn)行生物質(zhì)燃料放熱功率的預(yù)測(cè)具有較高的可信度。

本文采用芬蘭學(xué)者T.Paloposki等人對(duì)生物質(zhì)燃料的放熱功率的研究經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算[8]，最后得出氧氣消耗法和二氧化碳產(chǎn)生法計(jì)算燃料放熱功率的計(jì)算公式。

式中：Q為瞬時(shí)放熱量，kW；NWFG為濕煙氣的瞬時(shí)摩爾流速，mol/s；k為空氣中干空氣的摩爾分?jǐn)?shù)；QF為燃料消耗1mol O2能夠放出的熱量，kJ/mol；Q′F為燃料燃燒產(chǎn)生1mol CO2能夠放出的熱量，kJ/mol；xO2為干煙氣中O2的摩爾分?jǐn)?shù)；ΔxO2為干煙氣與助燃空氣中O2的摩爾分?jǐn)?shù)之差；xCO2為干煙氣中CO2的摩爾分?jǐn)?shù)；ΔxCO2為干煙氣與助燃空氣中CO2的摩爾分?jǐn)?shù)之差；meff、neff為考慮水分影響后修正后m和n的真實(shí)值。NWFG，xO2，ΔxO2，xco2，ΔxCO2通過測(cè)量各氣體煙氣量求得。

式中：MC，MH，MO，MH2O分別為C，H，O元素和水的摩爾質(zhì)量；wC，wH，wO，wH2O，wAsk分別為C，H，O元素以及水和灰分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；qDF為燃料低位發(fā)熱量，MJ/kg；L水的汽化潛熱，kJ/mol。

2 生物質(zhì)燃料燃燒實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)及測(cè)試方法

此次實(shí)驗(yàn)的火墻結(jié)構(gòu)是完全按照火墻式火炕內(nèi)部的火墻尺寸進(jìn)行搭建，其長(zhǎng)度、寬度和高度分別為2200mm，500mm和500mm。材料為實(shí)心紅磚和混凝土板，煙囪為鋁合金制成，添柴口尺寸為300mm× 300mm。

圖1為火墻的實(shí)驗(yàn)臺(tái)。室內(nèi)空氣作為助燃?xì)怏w被直接送進(jìn)火墻，一根鐵皮圓管與火墻相連作為煙囪，煙囪直徑約為14mm。

圖1 火墻實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)體圖

所要測(cè)設(shè)的參數(shù)包括：

1）煙氣：干煙氣的成分（O2，CO2），煙氣的流速，煙氣溫度。其中使用煙氣分析儀直接測(cè)試出干煙氣中氣體組成；使用畢托管測(cè)試煙囪煙氣動(dòng)壓間接測(cè)試煙氣流速；熱電偶測(cè)試煙氣溫度。

2）助燃空氣：使用溫濕度自記儀測(cè)試空氣溫濕度。

3）燃料的工業(yè)分析：包括水分含量、灰分、揮發(fā)分、固定碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（水分含量不超過30%時(shí)對(duì)燃料放熱影響不是太大）。

4）干燃料的元素成分：質(zhì)量百分比和低位發(fā)熱量。

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

1）選擇晴好的天氣，將秸稈和玉米芯晾干。

2）實(shí)驗(yàn)分為兩個(gè)工況。秸稈正常燃燒：定量9kg，等分為3份，分三次添加；玉米芯正常燃燒：定量6kg，等分為3份，分三次添加。

3）每個(gè)工況做3～4次，保證同一人燒火，盡量保證燃燒工況相同。

4）實(shí)驗(yàn)需要兩人，一人負(fù)責(zé)添柴及記錄添柴時(shí)間。另一人負(fù)責(zé)煙氣成分和微壓計(jì)讀數(shù)記錄。

整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，煙氣的成分和壓差需要連續(xù)測(cè)試，時(shí)間步長(zhǎng)為10s。煙囪的直徑為140mm，煙氣成分測(cè)點(diǎn)選擇在煙囪橫截面的中心位置。圖2為實(shí)驗(yàn)過程中的測(cè)點(diǎn)布置示意圖。

圖2 火墻結(jié)構(gòu)尺寸和測(cè)點(diǎn)分布

3 測(cè)試結(jié)果

3.1 燃料分析結(jié)果

采用農(nóng)村地區(qū)豐富的玉米秸稈和玉米芯作為燃料。分別對(duì)兩種燃料進(jìn)行了元素分析和工業(yè)分析，詳見表1和2。

表1 燃料的工業(yè)分析

表2 燃料的元素分析

根據(jù)元素分析和工業(yè)分析，得出玉米芯和玉米桿的各項(xiàng)數(shù)值分別為的qDF(c)=15.91MJ/kg，qDF(s)=15.44 MJ/kg，wH2O(c)=9.09%，wH2O(s)=6.72%，wAsk(c)=2.70%，wAsk(s)=4.28%，wc(c)=7.64%，wc(s)=9.24%。

根據(jù)式（3）～（8）從而可以得出，玉米芯燃料消耗1mol O2能夠放出的熱量Q（Fc）=404.48kJ/mol；燃料燃燒產(chǎn)生1mol CO2能夠放出熱量Q′（Fc）=442.21kJ/mol；以及考慮水分影響后修正后m和n的真實(shí)值me（ffc）= 0.99，ne（ffc）=0.81。相應(yīng)的，玉米秸稈燃料消耗1mol O2能夠放出的熱量Q（Fs）=419.60kJ/mol；燃料燃燒產(chǎn)生1mol CO2能夠放出的熱量Q′（Fs）=445.24kJ/mol；以及考慮水分影響后修正后m和n的真實(shí)值me（ffs）=0.97，ne（ffs）=0.85。

3.2 數(shù)據(jù)結(jié)果及分析

圖3是實(shí)驗(yàn)過程中煙囪中煙氣流速變化過程。對(duì)于玉米芯，煙氣的摩爾流速大部分時(shí)間在1.0～1.6mol/s之間波動(dòng)。很明顯的是，燃燒玉米秸稈時(shí)煙氣的摩爾流速要比玉米芯高很多，基本上在1.4～2.0mol/s之間波動(dòng)。

圖4是干煙氣中O2的摩爾分?jǐn)?shù)變化過程。對(duì)于O2的摩爾分?jǐn)?shù)變化，燃燒玉米秸稈時(shí)O2的摩爾分?jǐn)?shù)下降速率要比燃燒玉米芯時(shí)快很多。相似的現(xiàn)象也發(fā)生在CO2變化過程中，不同的是，燃燒玉米秸稈時(shí)的CO2摩爾分?jǐn)?shù)上升速率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于燃燒玉米芯。

圖3 實(shí)驗(yàn)過程中的煙氣流速變化

圖4 干煙氣中O2的摩爾分?jǐn)?shù)變化

圖5是利用氧氣消耗法進(jìn)行計(jì)算的燃料放熱功率。在計(jì)算過程中，燃料的熱值、水分含量以及各元素的比例都是已知條件。對(duì)于玉米芯，QF（c）= 404.48kJ/mol，mef（fc）=0.99，nef（fc）=0.81；對(duì)于玉米秸稈，Q（Fs）=419.60kJ/mol，me（ffs）=0.97，ne（ffs）=0.85。由圖5可以看出，玉米芯的放熱功率在0～80kW之間波動(dòng)，玉米秸稈的放熱功率在0～120kW之間波動(dòng)。這種現(xiàn)象說明，在相同的燃燒條件下，玉米芯要放出與玉米秸稈相同的熱量需要更長(zhǎng)的時(shí)間。與氧氣消耗法相同，圖6列出了利用二氧化碳產(chǎn)生法得出的玉米芯和玉米秸稈的放熱功率。經(jīng)計(jì)算得出的結(jié)果與氧氣消耗法幾乎完全一致。計(jì)算過程中Q′（Fc）=442.21kJ/mol，Q′（Fs）= 445.24kJ/mol。

圖5 利用氧氣消耗法計(jì)算的燃料放熱功率

圖6 利用二氧化碳產(chǎn)生法計(jì)算的燃料放熱功率

表3 總放熱量的比較

圖5和圖6顯示的放熱功率可以通過積分的方式得到整個(gè)燃燒過程燃料的總放熱量。表3是通過兩種方法得到的總放熱量與利用燃料的低位發(fā)熱量計(jì)算出來的總放熱量之間的比較。通過比較分析可以看出，通過兩種方法計(jì)算出來的燃料總放熱量與輸入火墻的總熱量之間的誤差是很小的。因此，利用氧氣消耗法和二氧化碳產(chǎn)生法對(duì)生物質(zhì)燃料的放熱功率進(jìn)行測(cè)試計(jì)算是完全可行。

4 結(jié)論

本文對(duì)農(nóng)村采暖常用的生物質(zhì)燃料進(jìn)行了元素分析和工業(yè)分析，二者的主要元素組成成分非常相近；利用氧氣消耗法和二氧化碳產(chǎn)生法對(duì)兩種燃料在火墻中的放熱功率進(jìn)行了研究，得出了玉米芯和玉米秸稈的放熱功率曲線。

通過系統(tǒng)的分析和比較，可以得出如下結(jié)論：

1）相同燃燒條件下，利用氧氣消耗法進(jìn)行計(jì)算的玉米芯的放熱功率在0～80kW之間波動(dòng)，玉米秸稈的放熱功率在0～120kW之間波動(dòng)，利用二氧化碳產(chǎn)生法得出的結(jié)果與氧氣消耗法幾乎完全一致。玉米秸稈的燃燒速率和放熱功率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于玉米芯。

2）通過兩種方法得到的總放熱量與利用燃料的低位發(fā)熱量計(jì)算出來的總放熱量之間的比較，誤差較小。因此，利用氧氣消耗法和二氧化碳產(chǎn)生法對(duì)生物質(zhì)燃料的放熱功率進(jìn)行測(cè)試計(jì)算是完全可行的。以此驗(yàn)證了放熱曲線的可靠性。

[1]Yang X D,Jiang Y.Energy and environment in Chinese rural hou -sing:road to sustainability:Tianjin University and Dalian Univer -sity of Technology[A].In:The First International Conference on Building Energy and Environment[C].Dalian,2008.

[2]周春艷,周春濤.嚴(yán)寒地區(qū)農(nóng)村住宅在應(yīng)用被動(dòng)式太陽能技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)[J].吉林建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào),2005,22(4):35-38

[3]Huggett C.Estimation of rate of heat release by means of oxygen consumption Technique[J].Fire and Materials,1980,4(2):61-65

[4]Krause R F,Gann R G.Rate of heat release measurements using oxygen consumption[J].Journal of Fire and Flammability,1980, 12(2):117-130

[5]Parker W J.Calculations of the heat release rate by oxygen consumption for various applications[J].Journal of Fire Sciences,1984, 2(5):380-395

[6]DiNenno P J.SFPE Handbook of Fire Protection Engineering[M]. Quincy:NFPA,2002

[7]Janssens M L.Measuring rate of heat release by oxygen consumpt -ion[J].Fire Technology,1991,27(8):234-249.

[8]Saastamoinen J,Tuomaala P,Paloposki T,et al.Simplified dynamic model for heat input and output of heat storing stoves[J].App -lied Thermal Engineering,2005,34:786-792

Me thod on the He a t Re le a s e Ra te of Tw o Kinds of Biom a s s Fue l

DUANMU Lin1,WANG Zong-shan1,XU Ce1,LIU Ying1,ZHU Jun-liang2
1 Faculty of Infrastructure Engineering,Dalian University of Technology
2 Architectural Design and Research Institute of Dalian

Theoretical basis and calculation method of oxygen consumption method and carbon dioxide generation method are introduced in this paper.Also they are used to predict the heat release rate of fuel when they are burned in hot-wall.The results show that the heat release rate of corn stalk is far higher than corn cob when they are burned in the same hot-wall.Error analysis is done to examine the reliability of the heat release rate curves.These results can be used to provide foundation for combustions model’s building.

biomass fuel,heat release rate of fuel,burn

1003-0344（2015）01-015-4

2013-11-28

端木琳（1959～）女，博士，教授；大連理工大學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)四號(hào)樓228室（116024）；0411-84709612；E-mail:duanmulin@sina.com

國(guó)家自然科學(xué)基金（No.51178074）