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矯振偉1，趙武子2，王瀚平1，蘇俊林1
（1.吉林大學熱能工程系，吉林長春130025；2.中國人民解放軍93279部隊，遼寧丹東118000）
摘要：從生物質燃料的灰熔融性和熱值兩個關鍵性的特性指標著手，以玉米秸稈和水稻稻殼作為主要原料，用試驗優化設計和分析的方法，尋求混合生物質顆粒燃料的優化配方，提高混合生物質顆粒的軟化溫度ST＞1400℃，有效地解決了玉米秸稈顆粒結渣問題。對混合生物質顆粒進行了熱重試驗研究和燃燒機理、動力學特性分析，結果表明：混合生物質顆粒具有易著火和單峰值熱解特性，燃燒性能良好。此研究為改善單一成分生物質燃料的燃燒性能，推廣利用生物質能提供指導性建議。
0引言
當前，許多國家將開發利用可再生能源作為能源戰略的重要組成部分，而生物質作為一種可存儲的可再生能源，引起了世界各國的廣泛關注。
生物質能資源豐富，約占世界能源總消耗的14%[1]～[3]。將生物質進行壓縮固化，使其轉化為高品位燃料是生物質能利用的重要方法。自20世紀30年代開始，許多發達國家（如美國、日本、芬蘭、丹麥）都投入了大量人力、物力研究生物質成型技術及顆粒燃料，80年代后期，該技術日趨成熟，形成了一定規模[4]，[5]。我國由于起步較晚，對生物質顆粒燃料燃燒所進行的理論和應用研究較少[6]，技術進步較慢。對生物質固體顆粒燃燒過程中物理化學反應機理尚不明確，灰渣的化學成分還不確定，結渣的原因有待于進一步的分析。劉圣勇認為，不同相對孔隙率的玉米秸稈成型燃料本身的空隙中含有的空氣對燃燒產生一定的影響，進行的試驗研究結果表明：在10～20MPa壓力下，玉米秸稈成型燃料具有較好的壓縮成型性能和燃燒性能[7]，[8]。
馬孝琴針對秸稈燃燒過程中的沉積物和灰的化學元素進行了分析，認為秸稈灰中的堿金屬化合物與SiO2反應生成低熔點的共晶體，熔化的共晶體流動、粘合形成結渣；提出了使用添加劑改變灰形成的化學過程、生物質與其他燃料（燃煤）混燒、堿金屬脫除、適宜的鍋爐設計等研究方法[9]。
筆者曾做過生物質型煤方面的研究，生物質型煤燃燒性能較好[10]。我們在實際應用中發現，摻有稻殼粉的玉米秸稈顆粒燃燒過程中結焦傾向小。而秸稈顆粒制造商是為了吸收秸稈擠壓成型過程中擠壓出的水分在物料中摻雜些磨米產生的副產品稻殼粉。對這種混合生物質顆粒在燃燒過程中抗結焦性和燃燒特性并沒有進行深入了解。針對這一現象我們進行了試驗研究。
1混合生物質顆粒燃料的設計與試驗研究
目前，生物質固體燃料有秸稈顆粒、稻殼棒、木質顆粒等，大多為單一成分。玉米秸稈顆粒的總量比例較大，玉米秸稈顆粒在燃燒過程中有易結焦的問題。為解決這個難題，我們利用不易結焦的稻殼粉、木屑摻混在秸稈粉中，進行不同組分配比在不同成型條件下的混合顆粒性能試驗研究。
選取玉米秸稈、稻殼粉、木屑為研究對象的原因，是因為玉米秸稈產量占生物質廢棄物總量的比重較大，且結焦問題阻礙其應用；大米是我國居民飲食中的主糧，其副產品稻殼粉在磨米廠堆積如山，成為磨米廠不易處理的東西。木屑具有很好的燃燒性能。采用長沙三德實業有限公司生產的SDACM－3000自動量熱儀、SDTGA－2000自動工業分析儀和SDAF2000d灰熔融性自動測試儀，進行玉米秸稈、稻殼粉、木屑的熱值、工業分析、灰熔融性測定（試驗氣氛均為氧化性），其數據如表1。
本試驗取玉米秸稈與稻殼粉組合、成型溫度，成型壓力3個因素；每個因素取3水平，取值見表2。分析認為，玉米秸稈和木屑的熱值都比較高，軟化溫度較低，且數值比較接近，木屑的灰分少，配比中木屑用量多，成本增加較大；水稻稻殼熱值相對較低，軟化溫度很高，不易結渣，水稻稻殼和玉米秸稈在熱值和灰熔融性方面具有互補性。
選用正交表L9（34）設計正交試驗方案，測試每個試驗的密度及外觀品質、灰熔融性、結渣特性，取其加權值為目標函數。遵循NY/T1880-2010《生物質固體成型燃料樣品制備方法》制取試樣，遵循NY/T1881.7-2010《生物質固體成型燃料試驗方法》第7部分：密度，檢驗試樣的密度；遵照國標GB/T219-1996《煤灰熔融性的測定方法》測定試樣的灰熔融性；燃料在鍋爐中燃燒的狀態是比較復雜的，鍋爐內溫度場分布不同，氧分布也不均勻，大多數是氧化性氣氛中燃燒，也有局部地方通風不良呈弱還原性氣氛燃燒，我們在SDAF2000d灰熔融性自動測試儀中，利用該儀器的圖像采集系統和控溫系統，模擬鍋爐實際燃燒的氧化氣氛和弱還原氣氛，試樣加熱到1200℃取出，檢驗其結焦性。試驗結果表明：生物質顆粒燃燒結渣性與其灰熔融性有很大的關聯，軟化溫度高，結渣傾向就小。經過目標函數的測算，F（2，2，2）組合為最優，即75%玉米秸稈∶25%水稻稻殼的組分、成型壓力為32MPa、成型溫度為180℃狀態下，成型顆粒最好。其軟化溫度＞1400℃，焦渣特性與普通煙煤相近。熱值15053.87kJ/kg，高于當前市場銷售的型煤熱值。
2混合顆粒的燃燒特性試驗研究
燃燒特性是衡量燃料的重要指標。很多人在研究生物質固體燃料的燃燒特性時，基于使用的熱重分析儀器的要求，將固體燃料再粉碎成粉末，取其10mg左右質量做熱重試驗。我們認為固體顆粒燃料粉碎后，與整體顆粒時揮發分析出的過程不同，燃燒過程中與氧分子接觸、反應的過程不同[8]。因此，得到的熱重曲線也就不同，燃燒特性也就不同。
我們做的混合生物質顆粒的燃燒特性試驗[11]是在自行研制的熱重實驗臺上進行的，試驗用顆粒與當前市場銷售的玉米秸稈顆粒的形狀、大小、重量相近，見圖1。試驗時不需將顆粒燃料粉碎，試樣質量較大，試樣保持實際使用時的性狀。這樣在試樣熱解和燃燒過程中存在成型因素的影響。
熱重試驗是在氧化性氣氛下進行的，升溫速率β=10℃/min。試驗中試樣由于受熱，伴有水分析出、揮發分分解析出，且隨著燃燒反應的進行，質量逐漸減小。試樣質量和試樣區域的溫度同步輸入計算機記錄和顯示，每隔1s測定一次，并繪制TG和DTG曲線。試驗結果如圖2、圖3和表3所示。
表中參數說明：TS為揮發分初始析出溫度，℃；Tmax為最大失重溫度，℃；TV為揮發分熱解、燃燒結束溫度，℃；Tf為燃燒基本結束溫度，℃；Tb燃燒全過程溫度范圍，℃；V∞為燃盡率，%；(dm/dt)max為揮發分最大失重速率，%/min。
為了便于分析，在圖表中引用了在同一熱重實驗臺上做的玉米秸稈顆粒的熱重試驗數據[12]，成型條件一致。由于顆粒燃料在成型時表觀水分已經揮發掉，其內部水分隨溫度的升高緩慢析出，因此TG曲線和DTG曲線沒出現水分揮發的峰值。
由表1可知，生物質顆粒中碳含量很少，僅為1.49%～2.52%，揮發分大量析出、燃燒，使炭粒充分接觸空氣中的氧和獲得熱量，焦炭的燃燒是連續進行的，故TG曲線和DTG曲線沒出現碳燃燒的峰值；生物質顆粒燃料的TG曲線和DTG曲線是單峰值的。
表3和圖2、圖3的試驗數據顯示，混合生物質顆粒的揮發分熱解、燃燒失重峰比玉米秸稈顆粒的揮發分熱解、燃燒失重峰向右偏移，溫度提高29℃左右，峰值高度減小近50%，燃燒維持的溫度范圍增大約300%。這一結果說明，玉米秸稈顆粒揮發分析出溫度較低，并且揮發分析出時即刻燃燒，前期揮發分燃燒速度很快，揮發分燃燒溫度集中在233～289℃內；混合生物質顆粒的揮發分析出溫度較玉米秸稈顆粒的揮發分析出溫度高27℃，前期揮發分燃燒速度也比較快，達到最大值后減緩下來，燃燒持續溫度范圍較寬，在260～426℃內。
3混合生物質顆粒的燃燒機理、動力學特性分析
燃燒反應動力學是化學反應中的一個分支，也遵循著化學反應的經典公式———阿累尼烏斯公式[13]～[15]：
從動力學參數的計算結果可見，在低溫區域，混合生物質顆粒熱解、燃燒的活化能比玉米秸稈顆粒熱解、燃燒的活化能高，這與混合生物質顆粒的揮發分析出和著火溫度均高于玉米秸稈顆粒是一致的。在碳燃燒區域，混合生物質顆粒的活化能也比玉米秸稈顆粒的活化能有增加。分析認為：混合生物質顆粒由于加入25％的水稻稻殼，使混合生物質顆粒中的固定碳和灰分的含量增加，達到8.63％，是純玉米秸稈顆粒固定碳和灰分含量（4.47％）的兩倍。
4結論
（1）試驗證明，在玉米秸稈中摻混25%的稻殼粉，使混合生物質顆粒燃燒過程灰行為發生改變，提高了灰的軟化溫度，達到1400℃，大大減小結渣傾向，說明改善生物質顆粒燃料的抗結焦性能，不限于僅采用添加劑的方法，本研究提出了以生物質廢棄物的混合搭配方法，解決了玉米秸稈顆粒結渣問題。
?。?）混合生物質顆粒的TG曲線和DTG曲線、動力學分析計算結果表明：混合生物質顆粒的揮發分析出溫度是比較低的，雖然比玉米秸稈顆粒的揮發分析出溫度高27℃，也只有260℃，且當達到析出溫度后，前期揮發分的熱解和燃燒速度也比較快，很有利于燃料的著火；混合生物質顆粒的DTG曲線峰值沒有玉米秸稈顆粒的DTG曲線峰值高，減小近50%，且燃燒維持的溫度范圍增大，揮發分析出、擴散速度減緩，有利于二次風的供應與可燃物質充分混合、反應。同時爐內溫度提高，增強了熱輻射能力，有利于焦炭充分燃燒。
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