青稞顆粒燃料燃燒特性及動力學分析

饒 月 李 靜 羅紅英

（西藏農(nóng)牧學院，西藏 林芝 860000）

西藏高寒地帶環(huán)境污染日益嚴重，大部分居民以直接燃燒秸稈獲得能源，由于秸稈直接燃燒對外部環(huán)境壓力和氧氣濃度依賴性較大，長期性地燃燒不充分就會影響生態(tài)平衡，因此人們越來越多地把目光放在生物質(zhì)能的研究利用上。由于生物質(zhì)具備形狀不規(guī)則、能量密度和質(zhì)量密度小、熱效率低和燃燒性能差等特點，所以將其壓制成具有一定形狀、密度較大的成型燃料，可以提高其單位質(zhì)量的燃燒發(fā)熱量和燃燒時間。

近年來，國內(nèi)外大量研究學者對生物質(zhì)顆粒燃料的燃燒特性進行了研究，代莉[1]對馬尾松、濕地松和樟子松制備的顆粒燃料進行了熱重分折，結果表明：樟子松的著火溫度最高，燃盡溫度最低，平均燃燒速率最大，綜合燃燒特性指數(shù)最高，燃燒性能最好。任敏娜[2]等研究了8 種生物質(zhì)顆粒燃料的燃燒特性，結合傅一張著火指標和繆巖燃燒特性指標分別計算出 FZ和ZM 值，結果表明：裝飾紙的著火溫度最低，稻殼的著火溫度最高。彭好義[3]等通過熱重試驗研究了木制顆粒和玉米秸稈顆粒的燃燒特性，表明木制顆粒的可燃特性、燃盡特性和綜合燃燒特性指數(shù)均優(yōu)于玉米秸稈顆粒。王華山[4]等通過熱重分析法研究了生物質(zhì)在不同條件下的燃燒特性。結果表明：不同生物質(zhì)燃燒特性明顯不同。稻殼經(jīng)不同溫度水洗后綜合燃燒特性指數(shù)增加，最大燃燒速率提高6.0%/min～7.6%/min，燃燒活化能高于原樣，且在一定范圍內(nèi)水洗溫度越高，焦炭燃燒階段活化能越??；提高升溫速率，生物質(zhì)的著火溫度、燃盡溫度、殘余率、最大燃燒速率及綜合燃燒特性指數(shù)提高。趙璇[5]利用熱重試驗對玉米秸稈生物質(zhì)、聚乙烯塑料、無煙煤的混合燃燒展開實驗研究，結果表明：隨著升溫速率的增大,樣品著火點升高,最大反應速率增大，燃盡溫度升高。

可以看出，現(xiàn)階段對青稞顆粒燃料燃燒特性的研究較少。本研究以青稞為主要原料，通過對可燃特性和綜合燃燒特性對比分析了青稞顆粒燃料在不同升溫速率（10、15、30℃/min）下的燃燒特性，總結得出這三種燃料的燃燒特性。最后采用一級反應動力學模型計算3 種升溫速率下燃料的動力學參數(shù)。從以上多方面分析3 種升溫速率下燃料的燃燒特性，為青稞生物質(zhì)顆粒燃料開發(fā)利用提供參考和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料處理

青稞取自西藏林芝，晾曬后打碎成2mm 左右的粉末裝袋備用。根據(jù)GB/T28730-2012、GB/T28731-2012、GB/T28732-2012、GB/T3--0733-2014、GB/T30727-2014、GB/T28733-2012 等國家標準對青稞原料主要進行了工業(yè)分析、收到基恒容低位發(fā)熱量和碳、氫、氮、氧元素的測定，其工業(yè)分析和元素分析見表1 所示。將打碎的青稞粉末加工成致密成型燃料，用密封袋封裝保存，置于干燥器內(nèi)備用。

表1 原料的工業(yè)分析和元素分析

1.2 儀器及方法

試驗儀器：本試驗在DZ-STA 200 同步熱分析儀上進行，該儀器的主要性能指標為溫度范圍在室溫至1200℃；測量范圍為0-2000mg；加熱速率的范圍在1-80℃/min 之間；溫度分辨率為0.1℃；溫控方式為升溫、恒溫、降溫。

試驗方法：把做好的青稞顆粒燃料切成每份樣品質(zhì)量為6mg 左右，試驗時反應氣為空氣，流量為60ml/min，燃燒溫度范圍為室溫到1000℃。為保證本試驗數(shù)據(jù)的可靠性，每種樣品均做三組重復試驗。

2 結果與分析

2.1 TG 和DTG 曲線分析

圖1 為青稞顆粒燃料在不同升溫速率（10、15、30℃/min）下的失重（TG）曲線和失重速率（DTG）曲線。可以看出，青稞顆粒在3 種升溫速率下燃燒時，其質(zhì)量損失的總體趨勢相似，均有3 個較明顯的峰值。分析其TG 曲線的下降趨勢和DTG 曲線峰值的變化情況，可以把青稞顆粒燃料的燃燒過程分為4 個階段，即水分蒸發(fā)階段、揮發(fā)分燃燒階段、固定碳燃燒階段和燃盡階段。

圖1 燃料在不同升溫速率下的TG 與DTG 曲線

從圖1 中可以看出，在溫度上升到250℃左右時，青稞顆粒燃料已完成水分蒸發(fā)階段的燃燒，在這一階段，3 種升溫速率下的TG 曲線均出現(xiàn)略微下降，質(zhì)量損失較小，在相同溫度范圍的DTG 曲線上對應第一個峰值。升溫速率為15℃/min 時，青稞顆粒燃料在這一階段的燃燒速率最大，為3.1℃/min。170℃升高到350℃左右這個溫度范圍為青稞顆粒燃料的揮發(fā)分析出燃燒階段，這一階段，TG 曲線下降迅速且陡峭，即這一階段為最主要的質(zhì)量損失階段，對應DTG 曲線的第2 個峰值。3 種升溫速率下的質(zhì)量損失相差不大，但質(zhì)量損失速率相差較大。燃燒速率在升溫速率為30℃/min 時最大，為33.3℃/min，是升溫速率為10℃/min時的3.3 倍。第3 個階段為固定碳燃燒階段，對應DTG曲線上第3 個峰值，這一階段在不同升溫速率下的結束溫度相差較大，升溫速率為30℃/min 時，固定碳燃燒階段的結束溫度最大，為554.5℃，最主要的原因是升溫速率過大，燃料內(nèi)部的揮發(fā)分還沒燃燒完全，即在溫度上呈現(xiàn)滯后現(xiàn)象。

2.2 可燃特性指數(shù)分析

可燃特性指數(shù)Cr 可以用來描述燃料的易燃程度，其定義如下：

式中，Cr 為可燃特性指數(shù)，(dw/dt)max 為燃料的最大燃燒速率；Ti 為著火溫度，本文采用TG-DTG 切線法確定。

2.3 綜合燃燒特性指數(shù)分析

采用綜合燃燒特性指數(shù)P 來綜合描述青稞顆粒燃料的燃燒特性，其定義如下：

式中，P 為綜合燃燒特性指數(shù)，(dw/dt)mean 為燃料的平均燃燒速率；Th 為燃盡溫度，除了生物質(zhì)到燃盡階段燃燒的剩余灰渣外，生物質(zhì)顆粒燃料內(nèi)部可燃物燃燒到98%時所對應的溫度。

表2 列出了3 種升溫速率下青稞顆粒燃料的著火與燃盡溫度等特性參數(shù)、燃燒速率、可燃特性指數(shù)Cr和綜合燃燒指數(shù)P 的值。可以看出，升溫速率為10℃/min 時，著火溫度最小，為252.5℃；升溫速率為15℃/min 時，燃盡溫度最小，為467.5℃。升溫速率為30℃/min 時，309.5℃時的燃燒速率達到最大為33.3%·min-1，是升溫速率為10℃/min 時的3.26 倍，是升溫速率為15℃/min 時的2.12 倍，平均燃燒速率也最大為8.3℃·min-1。

從表2 中可以看出，隨著升溫速率的增大，青稞顆粒燃料的可燃特性指數(shù)Cr 和綜合燃燒指數(shù)P 的值也隨之增大。升溫速率為30℃/min 時，青稞顆粒燃料的Cr 和P 值均最大，分別為4.2×10-4mg·min-1·℃-2和6.3×10-6mg2·min-1·℃-2。這兩種燃燒特性指數(shù)能分別從燃料的可燃程度和燃燒過程的穩(wěn)定性等方面綜合分析燃料，其數(shù)值越大，燃燒的可燃程度和燃燒的穩(wěn)定性能也越好。所以從表2 中可以清晰地看出升溫速率為30℃/min 時，青稞顆粒燃料的燃燒特性最佳。

3 動力學參數(shù)分析

生物質(zhì)顆粒的燃燒過程取反應級數(shù)為1，質(zhì)量變化過程可以表示為：

式中W0為樣品的初始質(zhì)量。

WT為溫度為T 時的質(zhì)量。

W∞為反應終止時樣品殘余質(zhì)量。

熱失重過程是固體中的可分解產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為氣體的過程，采用微分方程法可以表示為：

熱失重速率K 用阿倫尼烏斯方程表示：

式中，Ea 為活化能；A 為指前因子；R 為摩爾氣體常數(shù)；為升溫速率，K/min；T 為熱力學溫度，K。

等式兩邊取對數(shù)

在3 種升溫速率下，青稞顆粒燃料的燃燒速率均有3 個明顯峰值，由于燃料第1 個峰值為燃料的水分蒸發(fā)階段，這一階段質(zhì)量損失較小，內(nèi)部分子間活躍不明顯。而第2 個峰值質(zhì)量損失最大，內(nèi)部分子間活躍程度最明顯，所以選擇第2 個峰值區(qū)間做動力學分析，擬合結果見圖2，其中線性擬合相關系數(shù)R2 均在0.9以上，擬合程度較好。

圖2 動力學參數(shù)擬合圖

表3 為計算得出的青稞顆粒燃料在3 種升溫速率下的燃燒反應活化能，從表3 中可以看出，升溫速率為30℃/min 時的活化能最高為61.82kJ·mol-1，升溫速率為10℃/min 時的活化能最低為49.5kJ·mol-1，此時燃料在燃燒時維持燃燒所需能量較少，燃燒較容易。

表3 3 種升溫速率下的動力學參數(shù)

4 結論

1.從3 種升溫速率下青稞顆粒燃料的著火、燃盡溫度和燃燒速率等方面分析，可知，升溫速率為30℃/min 時，燃料的最大燃燒速率和平均燃燒速率均最大，分別為33.3℃·min-1和8.3℃·min-1。

2.從兩種特性指數(shù)分析可得，升溫速率為30℃/min時，可燃特性指數(shù)Cr 和綜合燃燒指數(shù)P 均最大，分別為4.2×10-4mg·min-1·℃-2和6.3×10-6mg2·min-1·℃-2。

3.采用一級反應動力學模型計算3 種升溫速率下燃料的活化能，計算的相關系數(shù)均在0.9 以上，說明模型可行。計算結果得出3 種升溫速率下，燃料的活化能分別為49.5kJ·mol-1、54.4kJ·mol-1和61.82kJ·mol-1。