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任敏娜1，崔永章2，3，李曉1，曲云霞2，3，張林華2，3
（1.山東建筑大學熱能工程學院，山東濟南250101；2.山東建筑大學可再生能源建筑利用技術省部共建教育部重點實驗室，山東濟南250101；3.山東建筑大學山東省建筑節能技術重點實驗室，山東濟南250101）
摘要：生物質成型顆粒燃料具有易儲存、運輸及使用方便、清潔環保、燃燒效率高等優點。本文通過實驗得到八種生物質顆粒燃料的工業分析值，結合傅—張著火指標和繆巖燃燒特性指標分別計算出FZ和ZM值，得出裝飾紙的著火溫度最低，稻殼的著火溫度最高。通過觀察燃料燃燒后焚燒灰的形貌，指出在740～920℃溫度范圍內，生物質顆粒燃料燃燒后的灰顏色由黑逐漸變白，硬度由軟逐漸變硬，甚至結焦渣。
0引言
生物質能是可再生能源，取之不盡，用之不竭。生物質壓制成型為顆粒燃料是目前一種利用方式，通常是指直徑小于25mm的圓柱體狀固體成型燃料，顆粒密度較壓縮前明顯增大，可達1.2～1.4kg/m3；體積縮小75%～90%，便于貯存和運輸；尺寸均勻，流動性好，便于實現自動化傳輸和燃燒，是燃燒效率高的清潔能源，有利于環保等。生物質顆粒燃料的幾何特性和成型壓力對燃燒特性有一定的影響。固體顆粒燃盡時間是和它的直徑平方成正比的，即顆粒越粗，燃燒時間越長；成型壓力所決定的孔隙率大的顆粒燃料相對較易燃燒，具有較好的燃燒性能；孔隙率小的顆粒燃料相對燃燒困難，其燃燒性能較差；壓縮成型過程中，密度隨壓力增加而增加的幅度較大，當壓力增加到一定值以后，成型密度的增加就變得緩慢。
本文主要從生物質顆粒燃料的工業分析角度分析其著火特性，在不同標準的的基礎上，得出各原料的著火溫度，用以比較生物質顆粒燃料的燃燒性能。
1燃燒模型與理論
1.1顆粒燃燒模型
為了能更好地理解生物質顆粒的點火特性，引入顆粒燃燒模型。模型假設：燃燒過程是準穩態，顆粒在靜止的無窮大環境中燃燒，介質中只含有氧氣和惰性氣體，顆粒為圓柱形，其燃燒為縮核反應，核心密度不變，不考慮破裂，考慮一個單截面的燃燒。生物質顆粒燃料的密度增大，燃燒時近似固體燃料的“顆粒燃燒模型”。顆粒燃燒模型過程如圖1所示。
圖1表現了一個顆粒燃料的著火燃燒全過程。首先燃料被加熱干燥，隨后揮發分開始析出。在足夠高的溫度和充足氧氣的條件下，揮發出來的可燃氣體就會在顆粒周圍著火燃燒，形成光亮的火焰。因氧氣被快速析出的揮發燃燒消耗，不能到達焦炭表面，焦炭受熱但中心溫度不超過600～700℃，這時揮發分的搶氧燃燒阻礙了焦炭的燃燒。由于揮發分在焦炭顆粒附近燃燒，焦炭被揮發分釋放的熱量所加熱，當揮發分接近燃盡，需氧量急劇減少的時候，焦炭即能迅速地著火燃燒，這時候揮發分的燃燒促進了焦炭的燃燒。焦炭顆粒首先在表面局部開始燃燒、發亮，然后逐漸擴展到整個表面，其時焦炭的溫度亦逐漸上升，達到最高值后幾乎保持不變。
這時在炭粒周圍只有極短的藍色火焰，它主要是由一氧化碳燃燒所形成的。在焦炭燃燒階段，仍有少量揮發分繼續析出，但這時它對燃燒過程已不起決定性作用。
1.2不同燃燒指標
生物質顆粒著火溫度的高低是燃料被點燃難易程度的一種外在反映，可以直接用來比較生物質顆粒本身的燃燒性能。
1.2.1傅—張著火特性指標
傅—張著火指標是在煤焦非均相著火理論假設條件下得出的理論，對于生物質顆粒來說，目前還沒有完善的理論，故本文以此理論來研究生物質顆粒的著火性能。傅維標等提出煤的著火指標為：
2試驗方法與內容
本試驗采用國產5E－MACⅢ紅外快速煤質分析儀進行生物質顆粒燃料工業分析指標的測試，坩堝材料為Al2O3。陶瓷纖維高溫爐溫度由溫控系統控制，在1000℃下可以精確測量溫度，通過計算機按設定的程序控制升溫過程和進行數據采集。根據樣品在不同溫度下的失重計算出試樣的水分、揮發分及灰分等工業指標。在試驗過程中采用電子天平稱取樣品質量，其測量靈敏度為0.0001g，量程為0～200g。
3試驗結果與分析
3.1原料工業分析
本文對直徑為8mm、密度為1100kg/m3的八種不同的生物質顆粒進行試驗，試驗測試的結果如表1所示。
從表中可以看出，與常規化石燃料煤相比，生物質揮發分含量高，達到60%～70%左右，固定碳含量低，只有15%左右，這決定了生物質的兩個基本燃燒特性：著火容易、發熱量低。
3.1.1水分對燃燒特性的影響
一般來講，水分的存在使生物質中可燃物質的含量相對減少，熱值降低。水分含量多使著火困難，影響燃燒速度。盡管水分不是一種可燃成份，但是其析出過程中的“造孔效應”使其起到了與可燃成份同樣重要的作用。從表1可以看出，各種生物質顆粒燃料的水分含量均小于10%，其中，玉米秸稈相對來說更容易著火。
3.1.2揮發分對燃燒特性的影響
生物質顆粒燃料中的揮發分及其熱值對著火和燃燒情況都有較大影響。對于熱值高的揮發分，逸出的初始溫度也高，當燃料受熱時，揮發分首先析出，并著火燃燒。從表1可以看出，裝飾紙的揮發分含量最高，最易于著火，燃燒也穩定。
3.1.3灰分對燃燒特性的影響
灰分亦是生物質顆粒燃料的不可燃成分，灰分含量越高，可燃成分相對減少，熱值相對降低，燃燒溫度也低。從圖2可以看出，稻殼的灰分含量最高，故其熱值較低，著火越困難。
3.2各生物質顆粒燃料的著火性能
根據1.2不同指標得到的各生物質顆粒燃料的FZ和ZM值如圖2所示。
依據FZ指標，著火溫度由最低至最高排列的燃燒性能為：裝飾紙＞紙顆粒＞中藥渣＞玉米桿＞木屑＞咖啡殼＞棉桿＞稻殼。該指標強調了揮發分和內在水分析出對碳燃燒過程的影響，認為兩者析出后在碳內部形成空隙，FZ是和（Vad+Mad）的平方成正比，（Vad+Mad）與FCad比較而言，前者對于著火的影響要比后者大得多。
據ZM指標，著火溫度由最低至最高排列的燃燒性能為：裝飾紙＞中藥渣＞紙顆粒＞玉米桿＞木屑＞咖啡殼＞棉桿＞稻殼。該指標是依賴于不同組分對著火溫度的影響關系，不同組分，如揮發分或固定碳對著火溫度的影響不同，揮發分對著火溫度的影響是積極的，揮發分含量越高，生物質的著火溫度就越低；而固定碳含量對著火溫度的影響是消極的，固定碳含量越高，著火溫度反而有所升高。因此，可以認為揮發分和內在水分對于著火溫度有重大影響。
燃燒特性指標ZM與傅—張FZ指標相類似的地方是強調了揮發分及水分析出對生物質顆粒燃料燃燒過程的積極影響；不同的是固定碳含量對燃燒過程的影響，FZ指標認為是積極影響，ZM指標認為是消極影響。由于生物質顆粒燃料的揮發分含量高，固定碳含量低，故ZM指標更接近于實際情況。裝飾紙的值最大，說明它的著火溫度最低；相反，稻殼的值最小，它的著火溫度最高。
4焚燒灰的形貌分析
不同生物質燃料焚燒灰有不同的形貌，如圖3、圖4所示。
圖3從左到右依次為稻殼、棉桿、木屑、玉米顆粒在920℃下的焚燒灰形貌。從圖中可以看出，稻殼的結渣程度最為嚴重，灰發白；木屑的結渣程度為輕度，灰黑白相間且較軟。雖然玉米秸稈的灰分含量只有10.54%，但其灰偏硬，有部分結焦渣。圖4從左到右依次為稻殼在740℃、840℃、920℃下的焚燒灰形貌，隨著溫度的升高，稻殼燃燒后的灰渣顏色由黑逐漸變白，硬度由軟逐漸變硬，甚至結焦。焚燒灰形貌的多樣性反映出生物質顆粒中無機物存在的形式不同。焚燒灰中的酸性氧化物具有提高生物質顆粒燃料灰熔點的作用，其含量越大，熔融溫度越高，包括Al2O3和SiO2；相反，堿性氧化物卻有降低煤灰熔融溫度的作用，其含量越多，熔融溫度就越低，如K2O、Na2O、CaO、MgO和Fe2O3等。從上文可知，玉米秸稈的結焦程度比較嚴重，故在秸稈類生物質中，玉米秸稈的堿性氧化物含量比較高。
5結論
通過對生物質顆粒燃料工業分析和著火指標的分析，得到如下結論：
（1）與常規化石燃料煤相比，生物質揮發分含量高，如玉米秸稈達到70.96%；固定碳含量低，如稻殼只有13.91%。這決定了顆粒燃料的兩個基本燃燒特性：著火容易、發熱量低。
（2）通過ZM與FZ指標的計算值可以看出，本文采用的8種顆粒燃料的著火溫度從低至高依次為：裝飾紙＞中藥渣＞紙顆粒＞玉米桿＞木屑＞咖啡殼＞棉桿＞稻殼。
（3）溫度從740～920℃，生物質顆粒燃料燃燒后的灰渣顏色由黑逐漸變白，硬度由軟逐漸變硬，甚至結焦。玉米秸稈因堿金屬氧化物含量比較高，更易熔融、易結焦。 |
