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镇江八种生物质颗粒燃料燃烧特征分析

来源: 发布时间:2019-02-15 6087 次浏览

  摘要:生物质(Biomass)成型颗粒燃料具有易储存、运输及使用方便、清洁环保、燃烧效率高等优点。本文通过实验得到八种生物质能源颗粒的 工业分析值,结合傅—张着火指标和缪岩燃烧特性指标分别计算出FZ和ZM值,得出装饰纸的 着火温度更低,稻壳的 着火温度更高。通过观察燃料燃烧后焚烧灰的 形貌,指出在740~920℃温度范围内,生物质能源颗粒燃烧后的 灰颜色由黑逐渐变白,硬度由软逐渐变硬,甚至结焦渣。
  0引言
  生物质能是可再生能源(说明:向自然界提供能量转化的物质),取之不尽,用之不竭。生物质压制成型为颗粒燃料是目前一种利用方式,通常是指直径小于25mm的 圆柱体状固体成型燃料,颗粒密度较压缩前明显增大,可达1.2~1.4kg/m3;体积缩小75%~90%,便于贮存和运输;尺寸均匀,流动性好,便于实现自动化传输和燃烧,是燃烧效率高的 清洁能源,有利于环保等。生物质能源颗粒的 几何特性和成型压力对燃烧特性有一定的 影响。固体颗粒燃尽时间是和它的 直径平方成正比的 ,即颗粒越粗,燃烧时间越长;成型压力所决定的 孔隙率大的 颗粒燃料相对较易燃烧,具有较好的 燃烧性能;孔隙率小的 颗粒燃料相对燃烧困难,其燃烧性能较差;压缩成型过程(process)中,密度随压力增加而增加的 幅度较大,当压力增加到一定值以后,成型密度的 增加就变得缓慢。
  本文主要从生物质能源颗粒的 工业分析角度分析其着火特性,在不同标准的 的 基础上,得出各原料的 着火温度,用以比较生物质能源颗粒的 燃烧性能。
  1燃烧模型与理论
  1.1颗粒燃烧模型(model)
  为了能更好地理解生物质(material)颗粒燃料的 点火特性,引入颗粒燃烧模型。模型假设:燃烧过程是准稳态,颗粒在静止的 无穷大环境中燃烧,介质中只含有氧气和惰性气体,颗粒为圆柱形,其燃烧为缩核反应,核心密度不变,不考虑破裂,考虑一个单截面的 燃烧。生物质能源颗粒的 密度增大,燃烧时近似固体燃料的 ;颗粒燃烧模型 ;。颗粒燃烧模型过程如1所示。
  1表现了一个颗粒燃料的 着火燃烧全过程。首先燃料被加热干燥,随后挥发分开始析出。在足够高的 温度和充足氧气的 条件(tiáo jiàn)下,挥发出来的 可燃气体就会在颗粒周围着火燃烧,形成光亮的 火焰。因氧气被快速析出的 挥发燃烧消耗,不能到达焦炭表面,焦炭受热但中心温度不超过600~700℃,这时挥发分的 抢氧燃烧阻碍了焦炭的 燃烧。由于挥发分在焦炭颗粒附近燃烧,焦炭被挥发分释放的 热量所加热,当挥发分接近燃尽,需氧量急剧减少的 时候,焦炭即能迅速地着火燃烧,这时候挥发分的 燃烧促进了焦炭的 燃烧。焦炭颗粒首先在表面局部开始燃烧、发亮,然后逐渐扩展到整个表面,其时焦炭的 温度亦逐渐上升,达到更高值后几乎保持不变。
  这时在炭粒周围只有极短的 蓝色火焰,它主要是由一氧化碳燃烧所形成的 。在焦炭燃烧阶段,仍有少量挥发分继续析出,但这时它对燃烧过程已不起决定性作用。
  1.2不同燃烧指标(target aim)
  生物质颗粒燃料着火温度的 高低是燃料被点燃难易程度的 一种外在反映,可以直接用来比较生物质颗粒燃料本身的 燃烧性能。
  1.2.1傅—张着火特性指标
  傅—张着火指标是在煤焦非均相着火理论假设条件下得出的 理论,对于生物质颗粒燃料来说,目前还没有完善的 理论,故本文以此理论来研究生物质颗粒燃料的 着火性能。傅维标等提出煤的 着火指标为:
  2试验方法与内容
  本试验采用国产5E-MACⅢ红外快速煤质分析(Analyse)仪进行生物质能源颗粒工业分析指标的 测试,坩埚材料为Al2O3。陶瓷纤维高温炉温度由温控系统控制,在1000℃下可以测量温度,通过计算机按设定的 程序控制升温过程和进行数据(data)采集。根据样品在不同温度下的 失重计算出试样的 水分、挥发分及灰分等工业指标。在试验过程中采用电子天平称取样品质量,其测量灵敏度为0.0001g,量程为0~200g。
  3试验结果与分析
  3.1原料工业分析(Analyse)
  本文对直径(diameter)为8m
  M、密度为1100kg/m3的 八种不同的 生物质颗粒燃料进行试验,试验测试的 结果如表1所示。
  从表中可以看出,与常规化石燃料煤相比,生物质(Biomass)挥发分含量高,达到60%~70%左右,固定碳含量低,只有15%左右,这决定了生物质的 两个基本燃烧特性:着火容易、发热量低。
  3.1.1水分对燃烧特性的 影响
  一般来讲,水分的 存在使生物质中可燃物质的 含量相对减少,热值降低。水分含量多使着火困难,影响燃烧速度。尽管水分不是一种可燃成份,但是其析出过程中的 ;造孔效应 ;使其起到了与可燃成份同样重要的 作用。从表1可以看出,各种生物质能源颗粒的 水分含量均小于10%,其中,玉米秸秆相对来说更容易着火。
  3.1.2挥发分对燃烧特性的 影响
  生物质能源颗粒中的 挥发分及其热值对着火和燃烧情况都有较大影响。对于热值高的 挥发分,逸出的 初始温度也高,当燃料受热时,挥发分首先析出,并着火燃烧。从表1可以看出,装饰纸的 挥发分含量更高,最易于着火,燃烧也稳定。
  3.1.3灰分对燃烧特性的 影响
  灰分亦是生物质能源颗粒的 不可燃成分,灰分含量越高,可燃成分相对减少,热值相对降低,燃烧温度也低。生物质颗粒是在常温条件下利用压辊和环模对粉碎后的生物质秸秆、林业废弃物等原料进行冷态致密成型加工。从2可以看出,稻壳的 灰分含量更高,故其热值较低,着火越困难。
  3.2各生物质能源颗粒的 着火性能(xìng néng)
  根据1.2不同指标得到的 各生物质能源颗粒的 FZ和ZM值如2所示。
  依据FZ指标,着火温度由更低至更高排列的 燃烧性能为:装饰纸>纸颗粒>中药渣>玉米杆>木屑>咖啡壳>棉杆>稻壳。该指标强调了挥发分和内在水分析出对碳燃烧过程的 影响,认为两者析出后在碳内部形成空隙,FZ是和(Vad+Mad)的 平方成正比,(Vad+Mad)与FCad比较而言,前者对于着火的 影响要比后者大得多。
  据ZM指标,着火温度由更低至更高排列的 燃烧性能(xìng néng)为:装饰纸>中药渣>纸颗粒>玉米杆>木屑>咖啡壳>棉杆>稻壳。该指标是依赖于不同组分对着火温度的 影响关系,不同组分,如挥发分或固定碳对着火温度的 影响不同,挥发分对着火温度的 影响是积极的 ,挥发分含量越高,生物(Organism)质的 着火温度就越低;而固定碳含量对着火温度的 影响是消极的 ,固定碳含量越高,着火温度反而有所升高。因此,可以认为挥发分和内在水分对于着火温度有重大影响。
  燃烧特性指标ZM与傅—张FZ指标相类似的 地方是强调了挥发分及水分析出对生物质(Biomass)能源颗粒燃烧过程的 积极影响;不同的 是固定碳含量对燃烧过程的 影响,FZ指标认为是积极影响,ZM指标认为是消极影响。由于生物质能源颗粒的 挥发分含量高,固定碳含量低,故ZM指标更接近于实际情况。装饰纸的 值更大,说明它的 着火温度更低;相反,稻壳的 值最小,它的 着火温度更高。
  4焚烧灰的 形貌分析
  不同hjc黄金城官网焚烧灰有不同的 形貌,如3、4所示。
  3从左到右依次为稻壳、棉杆、木屑、玉米颗粒在920℃下的 焚烧灰形貌。生物质锅炉燃料生物质颗粒燃料纯度高,不含其他不产生热量的杂物,其含炭量75—85%,灰份3—6%,含水量1—3%,不含煤矸石,石头等不发热反而耗热的杂质,将直接为企业降低成本。从中可以看出,稻壳的 结渣程度最为严重,灰发白;木屑的 结渣程度为轻度,灰黑白相间且较软。虽然玉米秸秆的 灰分含量只有10.54%,但其灰偏硬,有部分结焦渣。4从左到右依次为稻壳在740℃、840℃、920℃下的 焚烧灰形貌,随着温度的 升高,稻壳燃烧后的 灰渣颜色由黑逐渐变白,硬度(Hardness)由软逐渐变硬,甚至结焦。焚烧灰形貌的 多样性反映出生物(Organism)质颗粒燃料中无机物存在的 形式不同。焚烧灰中的 酸(Acerbity)性氧化物具有提高生物质能源颗粒灰熔点的 作用,其含量越大,熔融温度越高,包括Al2O3和SiO2;相反,碱性氧化物却有降低煤灰熔融温度的 作用,其含量越多,熔融温度就越低,如K2
  O、Na2
  O、Ca
  O、MgO和Fe2O3等。生物质颗粒燃料生物质颗粒的直径一般为6~8毫米,长度为其直径的4~5倍,破碎率小于1.5%~2.0%,干基含水量小于10%~15%,灰分含量小于1.5%,硫含量和氯含量均小于0.07%,氮含量小于0.5%。从上文可知,玉米秸秆的 结焦程度比较严重,故在秸秆类生物质中,玉米秸秆的 碱性氧化物含量比较高。
  5结论
  通过对生物质能源颗粒工业分析和着火指标的 分析,得到如下结论:
  (1)与常规化石燃料煤相比,生物质挥发分含量高,如玉米秸秆达到70.96%;固定碳含量低,如稻壳只有13.91%。这决定了颗粒燃料的 两个基本燃烧特性:着火容易、发热量低。
  (2)通过ZM与FZ指标的 计算值可以看出,本文采用的 8种颗粒燃料的 着火温度从低至高依次为:装饰纸>中药渣>纸颗粒>玉米杆>木屑>咖啡壳>棉杆>稻壳。
  (3)温度从740~920℃,生物质能源颗粒燃烧后的 灰渣颜色由黑逐渐变白,硬度由软逐渐变硬,甚至结焦。玉米秸秆因碱金属氧化物含量比较高,更易熔融、易结焦。
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