生物質(zhì)在增氧氣氛下燃燒行為的研究

李 昊， 經(jīng)慧祥， 盧丙舉， 鄒 春

(1. 海軍裝備部裝備審價中心，北京 100071； 2. 中國船舶重工集團公司第七一三研究所，鄭州 450015； 3. 河南省水下智能裝備重點實驗室，鄭州 450015；4. 華中科技大學(xué) 煤燃燒國家重點實驗室，武漢 430074)

生物質(zhì)能源是一種可再生、分布廣泛的清潔能源，被認為是一種能夠滿足能源需求且零溫室氣體排放的清潔能源[1]，生物質(zhì)能源的利用是解決能源危機和溫室效應(yīng)的有效途徑。增氧燃燒是一種低氮、減排CO2的燃燒方式，同時能夠增強燃燒的穩(wěn)定性。研究生物質(zhì)在不同程度增氧條件下的著火及燃燒行為是生物質(zhì)增氧燃燒技術(shù)的關(guān)鍵點，同時可以為該技術(shù)在電力行業(yè)的推廣應(yīng)用提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。

熱重分析法被廣泛用于研究生物質(zhì)的著火及燃燒特性，研究者利用熱重分析法研究發(fā)現(xiàn)隨著O2摩爾分數(shù)的增加，生物質(zhì)的著火溫度和燃盡溫度均降低，而燃料的反應(yīng)性增加[2-3]。滴管爐由于其具有高溫(遠高于1 000 K)和高加熱速率(104K/s)的特點，可以提供與工業(yè)條件相似的燃燒環(huán)境，因此眾多學(xué)者對生物質(zhì)的燃燒行為已在滴管爐或類滴管爐裝置中進行了廣泛研究。LEI K等[4-5]研究了在O2摩爾分數(shù)為21%～50%的空氣和O2/CO2氣氛中，溫度為1 273 K或1 400 K條件下，單顆粒生物質(zhì)在滴管爐中的燃燒行為。結(jié)果表明：所有的生物質(zhì)(松木鋸末、玉米秸稈、芒、甘蔗渣、稻殼、山毛櫸、油松鋸末和橄欖渣)顆粒在空氣和所研究的增氧氣氛下都是均相著火。O2摩爾分數(shù)的增加提高了生物質(zhì)的燃燒強度、球形火焰的亮度和火焰的絕熱溫度，同時降低了揮發(fā)分和殘焦的著火延遲時間和燃盡時間。然而，KHATAMI R等[6]觀察到，在高O2摩爾分數(shù)(如68%)的N2或CO2氣氛中，粒徑為75～90 μm的單顆粒甘蔗渣發(fā)生非均相著火，這表明高O2摩爾分數(shù)會導(dǎo)致生物質(zhì)著火機理的改變。此外，SIMES G等[7]重點研究了粒徑為75～90 μm、212～224 μm和224～250 μm的單顆粒松樹皮和麥秸在3種不同的平均O2摩爾分數(shù)(3.5%～6.5%)和5種平均溫度(1 500～1 800 K)下，在麥肯納平焰燃燒器中的著火行為。結(jié)果表明：松樹皮和麥秸在O2摩爾分數(shù)為6.5%時部分顆粒會發(fā)生非均相著火，原因為O2分壓力增加導(dǎo)致臨界粒徑的增加。以上研究表明，O2摩爾分數(shù)會對生物質(zhì)著火行為產(chǎn)生重要影響，特別是會使著火機理發(fā)生改變。但目前在滴管爐中缺乏對高O2摩爾分數(shù)下生物質(zhì)著火行為的研究，特別是21%～100%O2摩爾分數(shù)下，逐漸增加O2摩爾分數(shù)對生物質(zhì)著火機理的影響。

筆者采用滴管爐對粒徑為500～700 μm的稻谷殼、竹子和黃豆稈顆粒在不同O2摩爾分數(shù)的O2/N2氣氛下的燃燒特性進行研究。利用高速攝像機拍攝記錄生物質(zhì)著火及燃燒過程，并分析O2摩爾分數(shù)和生物質(zhì)組成對生物質(zhì)著火行為和燃燒特性的影響。

1 實驗

1.1 生物質(zhì)樣品

研究選用稻谷殼、竹子和黃豆稈3種生物質(zhì)，并將生物質(zhì)分別研磨，選取粒徑為500～700 μm的顆粒(見圖1)。3種樣品的工業(yè)分析、元素分析和組分分析見表1。

圖1 生物質(zhì)顆粒原始圖片

表1 生物質(zhì)的工業(yè)分析，元素分析和組分分析

1.2 實驗設(shè)備及方法

圖2為實驗裝置簡圖。該實驗裝置主要包括供氣系統(tǒng)、給粉系統(tǒng)、反應(yīng)爐體，以及高速攝像機[8]。實驗中使用的高速攝像機為FASTCAM Mini系列，型號為FASTCAM Mini WX100，實驗中高速攝像機每秒拍攝1 000幀，曝光時間為1 ms。在實驗之前，反應(yīng)器從室溫以15 K/min升溫至1 273 K，然后保持其溫度不變。在燃燒實驗中，分別采用O2摩爾分數(shù)為21%、30%、50%、70%和100%的O2/N2氣氛。

圖2 實驗裝置簡圖

2 結(jié)果與討論

記錄著火過程的最小時間間隔為1 ms。圖3～圖5為生物質(zhì)顆粒在滴管爐中從著火到燃盡整個過程的火焰圖片，圖片下部的數(shù)字表示從記時時刻(著火發(fā)生時刻前1 ms)到圖片拍攝的時間，單位為ms；1 ms即為顆粒著火時刻。判斷著火時刻和燃盡時刻時，根據(jù)SIMES G等[7]的定義，先將拍攝到的火焰圖片轉(zhuǎn)化為灰度圖，著火時刻即為顆粒灰度達到最大灰度的15%時，而燃盡時刻即為顆?；叶扰c環(huán)境灰度相同時的前1 ms。

圖3 稻谷殼在不同氣氛下著火燃燒過程圖片

圖4 竹子在不同氣氛下著火燃燒過程圖片

圖5 黃豆稈在不同氣氛下著火燃燒過程圖片

2.1 生物質(zhì)著火機理

生物質(zhì)顆粒的著火機理可以歸納為3種：均相著火機理、非均相著火機理和聯(lián)合著火機理[9]。均相著火機理為生物質(zhì)揮發(fā)分最先開始著火，然后生物質(zhì)焦發(fā)生著火；非均相著火機理為生物質(zhì)焦先于揮發(fā)分發(fā)生著火；聯(lián)合著火機理為生物質(zhì)揮發(fā)分和焦一起著火。從拍攝的圖片上看，如果著火時刻的火焰形狀明顯不同于生物質(zhì)顆粒本來形狀(如帽形或者圓球形)，并且火焰形狀隨著時間迅速變大，則發(fā)生的著火為揮發(fā)分著火。如果著火時刻的火焰形狀類似生物質(zhì)本來形狀，并且隨著時間變化不大，則是生物質(zhì)焦著火。

從圖3可以看出：稻谷殼在O2摩爾分數(shù)小于或等于70%的氣氛下為均相著火，釋放的揮發(fā)分先于焦著火，其中揮發(fā)分火焰在O2摩爾分數(shù)為21%、30%的氣氛下形成帽形火焰，而在O2摩爾分數(shù)為50%、70%的氣氛下形成包裹顆粒的包絡(luò)火焰；稻谷殼在O2摩爾分數(shù)為100%的氣氛中則發(fā)生非均相著火，即焦先于揮發(fā)分著火。從圖4可以看出：竹子在O2摩爾分數(shù)為21%、30%和50%的氣氛下發(fā)生均相著火，其中揮發(fā)分火焰在O2摩爾分數(shù)為21%、30%的氣氛下形成帽形火焰；而在O2摩爾分數(shù)為50%的氣氛下形成包絡(luò)火焰，竹子在O2摩爾分數(shù)為70%、100%的氣氛下發(fā)生非均相著火，即生物質(zhì)焦率先著火。從圖5可以看出：黃豆稈在O2摩爾分數(shù)為21%的氣氛下發(fā)生均相著火，形成包絡(luò)火焰；黃豆稈在O2摩爾分數(shù)等于或者大于30%的氣氛下發(fā)生非均相著火，即在生物質(zhì)表面發(fā)生著火。

通過對生物質(zhì)著火行為的分析可以得到生物質(zhì)著火機理與生物質(zhì)種類及O2摩爾分數(shù)的關(guān)系(見表2)。

表2 生物質(zhì)著火機理與種類及O2摩爾分數(shù)的關(guān)系

O2摩爾分數(shù)的增加會使3種生物質(zhì)的著火機理由均相著火機理轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷嘀饳C理，很多學(xué)者也在生物質(zhì)和煤粉富O2氣氛下著火的研究中得出該結(jié)果。CAI L等[10]通過數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致煤粉在不同O2摩爾分數(shù)中著火機理改變的主要原因是著火時刻揮發(fā)分燃燒速率的顯著降低和煤焦的燃燒速率顯著增加。從表2可以看出：稻谷殼直到O2摩爾分數(shù)為100%時，才發(fā)生非均相著火?？赡艿脑蚴堑竟葰ぞ哂凶罡叩幕曳仲|(zhì)量分數(shù)(16.35%)及最低的碳質(zhì)量分數(shù)(37.35%)，這表明稻谷殼焦的活性相比其他2種生物質(zhì)低，O2摩爾分數(shù)增加導(dǎo)致的焦反應(yīng)速率增加程度低，直到O2摩爾分數(shù)為100%時，其生物質(zhì)焦的燃燒速率才超過揮發(fā)分的反應(yīng)速率。黃豆稈在較低O2摩爾分數(shù)(30%)下，著火機理從均相著火機理轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷嘀饳C理。MENG X X等[11]發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)的水分質(zhì)量分數(shù)大于10%時，生物質(zhì)焦的著火速率會顯著增加，這與本研究中觀察到的實驗現(xiàn)象一致，黃豆稈的水分質(zhì)量分數(shù)高達14.68%，這很可能是黃豆稈焦在O2摩爾分數(shù)為30%的氣氛下發(fā)生非均相著火的原因之一。顯然，O2摩爾分數(shù)可以導(dǎo)致生物質(zhì)著火機理從均相著火機理轉(zhuǎn)化為非均相著火機理，但是生物質(zhì)焦的活性和生物質(zhì)的水分質(zhì)量分數(shù)對生物質(zhì)著火機理轉(zhuǎn)變的影響也是不可忽視的。

2.2 生物質(zhì)著火距離

著火距離指生物質(zhì)顆粒著火位置與滴管爐注入管出口之間的距離，對每種生物質(zhì)選取至少100個著火事件來確定著火點位置。著火距離受到顆粒升溫速率、環(huán)境氣體成分及生物質(zhì)組分的影響。圖6為3種生物質(zhì)在不同O2摩爾分數(shù)的氣氛下的著火距離。從圖6可以看出：O2摩爾分數(shù)的增加可以使顆粒著火提前。特別是當(dāng)生物質(zhì)處于均相著火時，O2摩爾分數(shù)的增加對著火距離的影響更加明顯。在O2摩爾分數(shù)為21%的氣氛下，3種生物質(zhì)均為均相著火，著火距離從長到短依次為竹子、黃豆稈和稻谷殼。從表1可知：稻谷殼的灰分含量遠大于黃豆稈和稻谷殼，其灰分中堿土金屬的催化效應(yīng)明顯，所以其著火最快。根據(jù)AMUTIO M等[12-13]的研究，纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的熱解活化能分別為115 kJ/mol、218 kJ/mol和35 kJ/mol，其中木質(zhì)素?zé)峤獾幕罨茏畹?，因此在相同的加熱條件下，木質(zhì)素最先開始分解。由于黃豆稈中的木質(zhì)素含量高于竹子，導(dǎo)致黃豆稈能先于竹子發(fā)生著火。采用黑體爐輻射能測溫法[14-15]測量得到生物質(zhì)在O2摩爾分數(shù)為21%的氣氛下均相著火發(fā)生時刻的顆粒溫度，稻谷殼、竹子、黃豆稈的顆粒溫度分別為1 217 K、1 221 K和1 218 K，3種生物質(zhì)在著火時刻的生物質(zhì)顆粒溫差在5 K之內(nèi)。這也表明了3種生物質(zhì)顆粒的傳熱屬性存在差異。稻谷殼與周圍環(huán)境熱交換效率最高，黃豆稈次之，竹子最低。

圖6 生物質(zhì)在不同O2摩爾分數(shù)的氣氛下的著火距離

2.3 生物質(zhì)燃盡時間

對生物質(zhì)在增氧燃燒中的燃盡時間進行統(tǒng)計，圖7為3種生物質(zhì)在不同O2摩爾分數(shù)的氣氛下的燃盡時間。由圖7可以看出：對于3種生物質(zhì)而言，O2摩爾分數(shù)的增加均可以增大燃燒速率，減少燃盡時間。從表1可知：竹子具有最高的揮發(fā)分含量和固定碳含量，因此燃燒所需要的時間也最長。盡管黃豆稈的揮發(fā)分含量略高于稻谷殼，但固定碳含量遠低于稻谷殼，因此黃豆稈的燃盡時間短于稻谷殼。

圖7 生物質(zhì)在不同O2摩爾分數(shù)的氣氛下的燃盡時間

3 結(jié)語

(1) 在O2/N2氣氛下，隨O2摩爾分數(shù)的增加，生物質(zhì)著火機理由均相著火機理向非均相著火機理轉(zhuǎn)變。竹子的著火機理發(fā)生轉(zhuǎn)變時O2摩爾分數(shù)為70%；黃豆稈的著火機理發(fā)生轉(zhuǎn)變時O2摩爾分數(shù)為30%；稻谷殼的著火機理發(fā)生轉(zhuǎn)變時O2摩爾分數(shù)為100%。黃豆稈具有最高的水分質(zhì)量分數(shù)，使得其著火機理轉(zhuǎn)變時的O2摩爾分數(shù)最低；稻谷殼具有最高的灰分質(zhì)量分數(shù)(16.35%)及最低的碳質(zhì)量分數(shù)(37.35%)，使得其著火機理轉(zhuǎn)變時的O2摩爾分數(shù)最高。

(2) 3種生物質(zhì)的著火距離均隨O2摩爾分數(shù)的增加而減小，并且這種影響隨O2摩爾分數(shù)的增加而減弱。稻谷殼灰分中堿土金屬的催化作用使得其著火距離最短，而黃豆稈中高木質(zhì)素含量使得其著火距離短于竹子。

(3) 對3種生物質(zhì)而言，O2摩爾分數(shù)的增加可以減少燃盡時間。竹子具有最高的揮發(fā)分含量及固定碳含量，燃盡時間最長；黃豆稈具有最低的固定碳含量，燃盡時間最短。