生物制成型燃料共燃特性研究*
——以牛糞和青稞顆粒燃料為例

西藏農(nóng)牧學(xué)院 饒?jiān)?，李靜，于萍萍

顆粒燃料是指由生物質(zhì)壓縮制成的供暖型燃料，因此具有可再生性、低污染性和實(shí)用性[1-2]。目前生物質(zhì)顆粒燃料主要為木屑、花生殼、稻殼、秸稈、棉籽殼等經(jīng)過(guò)專(zhuān)業(yè)技術(shù)處理后，生產(chǎn)得到的塊狀能源，在鍋爐燃燒和高原地區(qū)供暖領(lǐng)域中具有較好的發(fā)展前景。西藏地區(qū)居民一般都是將牛糞經(jīng)自然風(fēng)干成牛糞餅后作燃料燒茶做飯，或者是簡(jiǎn)單堆漚后直接施用到農(nóng)田，資源的利用效率偏低。據(jù)測(cè)算，一頭成年牦牛一年可產(chǎn)生糞便2.65t左右（以平均一天產(chǎn)生7.25kg牛糞計(jì)算）[3]。青稞作為廣大藏區(qū)的主要糧食作物，保證其有效利用率也尤為重要。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外大量研究學(xué)者對(duì)這兩種生物質(zhì)的燃燒特性進(jìn)行了大量研究，付文軒[4]等進(jìn)行了廢棄牛糞生物質(zhì)燃燒特性的熱重分析，通過(guò)對(duì)燃燒特征參數(shù)提取和計(jì)算，討論樣品的著火、燃燒和燃燼性能指標(biāo)。結(jié)果表明，隨著升溫速率增大，可燃性指數(shù)、燃燼特性指數(shù)和燃燒特征指數(shù)均呈增加趨勢(shì)。楊鵬[5]等選取鋸末、谷糠、果樹(shù)殘枝三種常見(jiàn)的木質(zhì)類(lèi)和非木質(zhì)類(lèi)有機(jī)廢棄物為輔料，通過(guò)調(diào)節(jié)原料配比及含水率，采用擠壓成型和特性測(cè)定等方法，分析了原料含水率和原料配比對(duì)顆粒成型燃料成型率、全水分、灰分、揮發(fā)分、固定碳、含硫量和發(fā)熱量的影響。結(jié)果表明，牛糞與果樹(shù)殘枝2∶1混合是牛糞制備顆粒燃料的最優(yōu)組合配方。

可以看出，現(xiàn)階段對(duì)牛糞和青稞混合燃料燃燒特性的研究較少。本研究以牛糞和青稞顆粒燃料為原料，配置成不同比例（青稞含量為25%、50%、75%）的混合燃料，對(duì)比分析三種配比燃料在升溫速率為30℃/min時(shí)的可燃特性、揮發(fā)分析出特性和綜合燃燒特性。從多方面分析以上三種燃料的燃燒特性，為牛糞、青稞生物質(zhì)顆粒燃料開(kāi)發(fā)利用提供了更多理論參考和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

一、材料與方法

（一）材料處理

牛糞和青稞均取自西藏林芝，經(jīng)晾曬后打碎成2mm左右的粉末。根據(jù)GB/T28730-2012、GB/T28731-2012、GB/T28732-2012、GB/T3--0733-2014、GB/T30727-2014、GB/T28733-2012等國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)兩種原料主要進(jìn)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(cè)定，牛糞和青稞兩種原料的工業(yè)分析和元素分析見(jiàn)表1所示。將兩種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

（二）儀器及方法

試驗(yàn)儀器：該試驗(yàn)在DZSTA 200同步熱分析儀上進(jìn)行，該儀器的主要性能指標(biāo)為最高溫度可以達(dá)到1200℃；測(cè)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(yàn)方法：把做好的牛糞和青稞兩種顆粒燃料切成每份樣品質(zhì)量為6mg左右，試驗(yàn)時(shí)反應(yīng)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(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，每種樣品均做三組重復(fù)試驗(yàn)。

（三）數(shù)據(jù)處理

本試驗(yàn)的著火溫度用切線法來(lái)確定，在DTG曲線揮發(fā)分析出階段的峰值點(diǎn)做一條垂線與TG，這條垂線與TG曲線交于一點(diǎn)，然后過(guò)交點(diǎn)作TG曲線的切線并與失重起始平行線（質(zhì)量損失為5%時(shí)）相交，標(biāo)記為A點(diǎn)，該點(diǎn)A所對(duì)應(yīng)的溫度為著火溫度，記為T(mén)i。

二、結(jié)果與分析

（一）TG和DTG曲線分析

圖1為三種不同配比的燃料在升溫速率為30℃/min下的失重（TG）曲線和失重速率（DTG）曲線?？梢钥闯?，三種燃料的TG曲線下降的大體趨勢(shì)相似，均為一開(kāi)始略微下降，然后快速下降，最后趨于平緩的燃燒過(guò)程。

圖1 三種燃料的TG和DTG曲線

整個(gè)燃燒過(guò)程主要發(fā)生在TG曲線平緩之前，對(duì)應(yīng)DTG曲線上的不同峰值，即TG曲線上一開(kāi)始的輕微下降階段對(duì)應(yīng)為DTG曲線上的第一個(gè)小峰值，在這一階段，燃料的質(zhì)量損失較小，為燃料的水分蒸發(fā)階段。揮發(fā)分析出燃燒階段是TG曲線上下降最為迅速的一段，對(duì)應(yīng)DTG曲線上的最大的一個(gè)峰值，即最大燃燒速率，在這一階段，燃料內(nèi)部的揮發(fā)分快速析出并燃燒，可以看出，隨著燃料中青稞含量的增加，其最大燃燒速率也增大。DTG曲線上的第三個(gè)峰值對(duì)應(yīng)TG曲線上揮發(fā)分析出后的一段，這一燃燒階段為燃料的固定碳燃燒階段，最后為燃盡階段。還有一部分沒(méi)有燃燒完全。青稞含量為50%和75%時(shí)，燃料的剩余灰渣量相近，分別為14.7%和14.9%。即當(dāng)青稞顆粒的含量大于等于50%時(shí)，其剩余灰渣量較少，有利于燃料的燃燒。

表2列出了三種燃料在升溫速率為30℃/min時(shí)的著火與燃盡溫度等特性參數(shù)、燃燒速率等值。可以看出，三種燃料的著火溫度接近，差值在3℃左右，隨著青稞含量的增加，其燃盡溫度減小，燃料中青稞的含量在75%時(shí)，其燃燒速率最大為37.9%·min-1，是青稞含量為50%時(shí)的1.3倍，青稞含量為75%時(shí)的2.3倍，平均燃燒速率最大為9.1%·min-1。

表2 三種燃料的燃燒特性參數(shù)

（二）燃燒特性分析

為了綜合分析這兩種生物質(zhì)顆粒燃料共燃的燃燒特性，下面從可燃特性指數(shù)、揮發(fā)分析出特性指數(shù)和綜合燃燒特性指數(shù)這幾個(gè)方面對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

1.可燃特性指數(shù)

式中，Cr為生物質(zhì)的可燃特性指數(shù)，Cr值越大，著火溫度越低，生物質(zhì)越易燃燒，(dw/dt)max為最大燃燒速率；Ti為著火溫度，采用TG-DTG切線法確定。

2.揮發(fā)分析出特性指數(shù)

式中，Rh為生物質(zhì)的揮發(fā)分析出特性指數(shù)，Rh值越大，燃料內(nèi)部的揮發(fā)分越容易遇熱分解，析出速率也越快，揮發(fā)分析出也越徹底。Tmax為最大燃燒速率所對(duì)應(yīng)的溫度；△T為揮發(fā)分最大析出速率所對(duì)應(yīng)的溫度與著火溫度的溫度差。

3.綜合燃燒特性指數(shù)

式中，P為綜合燃燒特性指數(shù)，P值越大，燃燒過(guò)程越穩(wěn)定。(dw/dt)mean為平均燃燒速率；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(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度。

圖2為三種燃料剩余灰渣量的百分比，可以看出，燃料中青稞含量為25%時(shí)，其剩余灰渣量最多為40.8%，主要是由于牛糞的灰分含量高，牛糞和青稞顆粒燃料混合時(shí)，牛糞過(guò)多，在可燃物質(zhì)燃盡后會(huì)在沒(méi)燃盡的物質(zhì)外圍形成一層灰渣層，導(dǎo)致燃料中

圖2 三種燃料的剩余灰渣量

表3為三種燃料的可燃特性指數(shù)Cr、揮發(fā)分析出特性指數(shù)Rh和綜合燃燒特性指數(shù)P的值。從表3可以看出，燃料中青稞的含量為25%時(shí)，其可燃特性指數(shù)、揮發(fā)分析出特性指數(shù)和綜合燃燒特性指數(shù)的值均最小，分別為2.3×10-4mg·min-1·℃-2、1.92×10-4mg·min-1·℃-2和2.3×10-6 mg2·min-1·℃-2。隨著燃料中青稞含量的增加，三種指數(shù)的值也有不同程度的增大，青稞含量增加到50%時(shí)，三種指數(shù)分別增加0.85倍、1倍和2.1倍。青稞含量增加到75%時(shí)，三種指數(shù)分別增加1.3倍、1.7倍 和3.2倍。所以在青稞含量為75%時(shí)，燃料的這三種指數(shù)的值最大，分別為5.28×10-4mg·min-1·℃-2、5.13×10-4mg·min-1·℃-2和9.7×10-6mg2·min-1·℃-2。這三種燃燒特性指數(shù)能分別從燃料的可燃程度揮發(fā)分析出程度和燃燒過(guò)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、揮發(fā)分析出程度和燃燒的穩(wěn)定性能也越好。所以可以從表3中清晰地看出燃料中青稞的含量為75%時(shí)，其燃燒特性最佳。

表3 三種燃料的燃燒特性指數(shù)

三、結(jié)論

（1）燃料中青稞顆粒的含量大于等于50%時(shí)，其剩余灰渣量較少，有利于燃料的燃燒。青稞的含量在75%時(shí)，其燃燒速率最大為37.9%·min-1，是青稞含量為50%時(shí)的1.3倍，青稞含量為75%時(shí)的2.3倍。

（2）從三種特性指數(shù)分析可得，燃料中青稞含量為75%時(shí)，可燃特性指數(shù)Cr揮發(fā)分析出特性指數(shù)Rh和綜合燃燒指數(shù)P的值均最大，分別為5.28×10-4mg·min-1·℃-2、5.13×10-4mg·min-1·℃-2和9.7×10-6 mg2·min-1·℃-2。

相關(guān)鏈接

顆粒燃料（英語(yǔ)：Pellet fuel）是從生物質(zhì)壓縮制成的供暖燃料。最常用類(lèi)型是木顆粒。作為木頭燃料的一種形式，木顆粒通常從鋸木及其他木制品產(chǎn)生的壓實(shí)的鋸末或其他廢物制成。其他木本生物質(zhì)能源包括棕櫚核殼，椰子殼，以及整樹(shù)移除或在伐木之后剩余的樹(shù)梢和樹(shù)枝等，否則有助于補(bǔ)充土壤養(yǎng)分。還有草類(lèi)也可以顆?；?，形成草顆粒。顆粒被制造成幾種類(lèi)型和等級(jí)燃料用于發(fā)電廠，家庭，和在兩者之間其他應(yīng)用。顆粒是非常致密的并可制備低含水量（低于10%），使它們能夠以非常高的燃燒效率被焚燒。

此外，它們的規(guī)則的幾何形狀和小尺寸使自動(dòng)送料能做到非常精細(xì)的校準(zhǔn)。它們可以通過(guò)螺旋推運(yùn)器進(jìn)料或由氣動(dòng)輸送供給到燃燒器。它們的高密度也允許緊湊的存儲(chǔ)和合理的長(zhǎng)距離運(yùn)輸。它們可叢罐車(chē)方便地被吹入至在客戶(hù)的場(chǎng)所的儲(chǔ)倉(cāng)或筒倉(cāng)。

自1993年以來(lái)，范圍廣泛的顆粒爐，中央供暖爐，及其他供暖器具已經(jīng)被開(kāi)發(fā)和銷(xiāo)售。隨著2005年以來(lái)的化石燃料價(jià)格的飆升，對(duì)顆粒供暖的需求在歐洲和北美有所增加，并且一個(gè)龐大的產(chǎn)業(yè)正在興起。據(jù)國(guó)際能源署的任務(wù)40工作組，木屑顆粒的生產(chǎn)已由2006年到2010年間增加了一倍，至超過(guò)1400萬(wàn)噸。在2012年的報(bào)告中，生物質(zhì)能資源中心表示，它預(yù)計(jì)在北美地區(qū)木顆粒的生產(chǎn)在未來(lái)五年內(nèi)將會(huì)再增加一倍。

顆粒被制造是首先把木質(zhì)材料通過(guò)一個(gè)錘磨機(jī)變成均勻的生面團(tuán)狀物質(zhì)，再被壓縮而成。這些物質(zhì)被送入壓縮機(jī)，在那里通過(guò)模具擠成顆粒，模具通孔具有所需大小的尺寸 （直徑一般為6毫米，有時(shí)8毫米或更大)。壓縮機(jī)的高壓使木材的溫度大大增加，并且木質(zhì)素略微塑化形成天然“膠水”在它冷卻時(shí)把粒料粘一起。

顆?？梢员粡牟萆镔|(zhì)和不含有木質(zhì)素的其它非木本形式制成：干燥的酒糟谷粒（一種釀造工業(yè)副產(chǎn)品）可以被添加，以提供必要的耐久性?？的螤柎髮W(xué)新聞2005年的新聞報(bào)道表明，草顆粒生產(chǎn)在歐洲比北美更先進(jìn)。它建議作為原料草的好處包括其短生長(zhǎng)時(shí)間（70天），且易于種植和加工。