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镇江基于富氧条件的 生物质颗粒燃料燃烧特性实验研究

来源: 发布时间:2019-02-26 5197 次浏览

  摘要:富氧燃烧是解决生物质能源直接燃烧温度低问题的 重要方法。文章采用热重分析法分别对玉米、棉秆以及木屑进行燃烧特性(characteristic])试验,通过分析不同氧气浓度下三种秸秆的 TG—DTG曲线,研究富氧条件对三种典型生物质能源颗粒燃烧特性指数的 影响。结果表明:富氧条件下三种生物质能源颗粒燃尽温度区间比空气中减少近1000℃,挥发分更大析出速率是空气中的 2~2.75倍;富氧条件下,燃料的 燃烧特性指数迅速上升,且玉米杆的 上升幅度更大,表明富氧对玉米杆促进作用最强。
  0引言
  生物质能占世界一次能源消耗的 14%,具有清洁可再生及CO2近零排放的 优点。我国生物质能分部广泛,资源丰富(plump),每年生物质资源总量可以折合成6.5亿t标煤。目前生物质能主要以直燃的 方式为居民提供生活用能,这种燃烧方式具有操作简单,取材方便,成本(Cost)低的 优点,但是利用效率很低,造成了很严重的 能源浪费及环境污染。另外,生物质成型燃料的 燃烧火焰温度一般不高于1000%,如果能解决生物质直接燃烧温度低的 问题,将可广泛应用于工业能源领域。富氧(Oxygen)燃烧可以明显提高生物质直接燃烧温度,是解决生物质能源直接燃烧温度低问题的 重要方法。
  近十多年来,富氧助燃在国内外都有很大的 发展。许多发达都投入了大量人力物力来研究富氧技术,特别是日本,曾在以气、油及煤为燃料的 不同场合进行了富氧应用试验,得出如下结论:用23%的 富氧助燃可节能10%~25%,用25%的 富氧助燃可节能20%~40%,用27%的 富氧助燃则节能高达30%~50%等。罗思义对生物质微米燃料富氧燃烧特性进行了分析,并认为富氧能够改善生物质微米燃料的 燃烧特性,指出当富氧率为40%时,炉膛温度可达1600℃。
  生物质能源颗粒经过了高压作用,质地比较密实,燃烧时与空气接触面积较小,因此,其点火及燃烧特性与生物质微米燃料存在很大的 差异。测量挥发分的 析出量是最为传统的 判断hjc黄金城官网燃烧性能的 方法,这种方法简单易行,但是不能显示不同hjc黄金城官网挥发分析出的 温度水平、更大析出速率及生物质的 失重状况。因此,采用美国TA企业生产的 Q50热重分析仪对三种典型生物质能源颗粒进行试验,通过三种燃料燃烧的 TG—DTG曲线,分析富氧(Oxygen)条件对生物质的 挥发分析出特性指数、燃烧稳定性判别指数及燃烧特性指数,为生物质颗粒燃料原料的 选择及大型生物质燃烧炉的 设计提供理论依据,另外对改善中国能源结构,保护环境,促进农村经济(Economy)发展也具有重要的 现实意义。
  1生物质颗粒燃料燃烧特性判别指数
  1.1挥发分析出特性指数
  挥发分析出特性指数表征燃烧过程中挥发分的 析出性能,是判断生物质能源颗粒燃烧特性的 一个重要指标。
  2实验装置及方法
  2.1实验装置
  本实验采用美国TA企业生产的 Q50热重分析仪,该装置由吹扫气体系统、热天平、炉体、温度控制(control)和测量系统五部分组成。吹扫气体系统在加热炉中,一部分吹扫气体经数字式质量流量控制后水平流过样品,另一部分为保护气体,气体经过天平室后与水平吹扫气体合并从加热炉侧口流出;热天平安置在天平室内,提供室温~1000℃温度范围内优异的 测量准确度和度;炉体是热重分析仪的 一个关键部件,可以以最迅速、的 方式在室温一1000℃温度范围进行温度控制;数字式质量流量控制器采用自动气体切换装置,不仅可以有效改善数据的 稳定性,还能进行惰性气体和氧化气氛间的 快速切换。
  2.2实验方法
  为了分析生物质能源颗粒富氧条件下的 燃烧特性,采用Q50热重分析仪对玉米秸秆、棉秆及木屑三种典型生物质能源颗粒进行多种不同条件下的 实验。首先采用程序控温法在40%O2、21%O2、14%O2和热解条件下对20mg左右样品进行的 燃烧试验,升温速率为20℃/min,载气流量(单位:立方米每秒)为60mL/min,得到玉米秸秆、棉秆及木屑的 TG—DTG曲线;其次在氧浓度及载气流量分别为14%和60mL/mi
  N、21%和60mL/mi
  N、40%和60mL/mi
  N、21%和50mL/min及21%和70mL/min五种条件下进行热重实验,进而分析富氧条件对三种秸秆的 挥发分析出特性指数R
  H、燃烧稳定性的 判别指数Rw燃烧特性指数P1的 影响。
  3实验结果及分析
  3.1富氧条件对生物质能源颗粒燃烧失重特性的 影响
  3.1.1玉米秆TG—DTG曲线
  由1可以看出,以21%O2曲线为基准TG及DTG曲线均可以划分为三个阶段:阶段为水分的 析出阶段,温度区间为20~220℃。四条曲线基本一致,说明氧气浓度的 变化对玉米秸秆的 水分析出过程影响不大;第二阶段为挥发分燃烧阶段。从TG曲线可以看出,40%O2的 富氧条件下燃烧区间较短,挥发分燃烧温度区间为220~290℃,21%O2、14%O2及热解曲线差别不大,温度区间为220~330℃。从DTG曲线可以看出,四条曲线均出现了挥发分析出速率峰值。40%O2的 富氧条件下更大析出速率为23%/min,21%O2、14%O2及热解条件下更大析出速率分别为14%/mi
  N、13%/min及12%/min;第三阶段为固定碳燃烧阶段,从TG曲线可以看出,40%O2富氧条件下玉米的 燃烧区间明显缩短,燃烧温度区间为390—440℃,21%O2及14%O2曲线差别不大,温度区间为220~330℃。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%。
  热解曲线与其他三种相比,挥发分燃烧阶段与固定碳燃烧阶段之间没有明显的 过渡段,固定碳的 燃烧区间较长,温度(temperature)区间为330~900℃。从DTG曲线可以看出,除热解曲线没有出现失重速率峰值外,其他三条均出现了失重速率峰值。40%O2的 富氧条件(tiáo jiàn)下玉米秆的 更大析出速率为11%/min,21%O2更大析出速率为4%/min,40%O2富氧条件下更大析出速率是空气中的 2.75倍。说明富氧可以缩短木屑挥发分及固定碳的 燃烧区间,增大挥发分析出速率,使玉米的 燃烧性能更好。
  3.1.2棉秆TG—DTG曲线
  由2可以看出,棉秆TG及DTG曲线与玉米秆基本一致,划分为三个阶段。阶段温度区间为20~250℃。这一阶段四条曲线基本一致,说明水分析出阶段氧气浓度的 变化对棉杆的 影响不大;第二阶段为挥发分燃烧阶段,温度区间为250~300℃。从TG曲线可以看出,40%O2的 富氧条件下棉秆挥发分燃烧温度区间为250~290℃,21%O2、14%O2及热解曲线差别不大,温度区间为220—350℃。从DTG曲线可以看出,四条曲线也均出现了挥发分析速率峰值,且富氧条件下峰值出现的 最早。40%O2的 富氧条件下棉杆的 更大析出速率为19%/min,明显高于其余三条曲线;第三阶段为固定碳燃烧阶段,从TG曲线可以看出,40%O2富氧条件下棉杆燃烧温度区间为390~440℃,比21%O2条件下燃烧区间减少100℃。从DTG曲线可以看出,除热解曲线没有出现失重速率峰值外,其他三条均出现了失重速率峰值,且富氧条件下峰值出现的 最早。40%O2的 富氧条件下玉米秆的 更大析出速率为12%/min,21%O2更大析出速率为5%/min,40%O2富氧条件下更大析出速率是空气中的 2.4倍。说明富氧可以缩短棉杆挥发分及固定碳的 燃烧区间,增大挥发分析出速率,改善棉杆的 燃烧性能。
  3.1.3木屑TG—DTG曲线
  由3可以看出,木屑TG及DTG曲线与棉秆更为相似,但是挥发分及固定碳燃烧分界处没有玉米秆和棉秆明显。阶段为水分析出阶段,四条曲线基本一致,说明氧气浓度的 变化对木屑的 水分析出过程影响也不大;第二阶段为挥发分燃烧阶段。
  从TG曲线可以看出,40%O2的 富氧条件下棉秆挥发分燃烧温度区间为250—310℃,比21%O2条件下减少30℃。从DTG曲线可以看出,40%O2的 富氧条件下棉杆的 更大析出速率为23%/min。21%O2、14%02及热解条件下更大析出速率分别为17%/mi
  N、16%/min和15%/min;第三阶段为固定碳燃烧阶段,从TG曲线可以看出,40%O2富氧条件下木屑燃烧温度区间为320~440%,比21%02条件下燃烧区间减少100cc。从DTG曲线可以看出,14%O2及热解曲线没有出现明显的 失重速率峰值,说明缺氧条件对木屑固定碳的 燃烧阶段阻碍较大。
  40%O2的 富氧条件下玉米秆的 更大析出速率为12%/min,21%O2更大析出速率为6%/min,40%O2富氧条件下更大析出速率是空气中的 2倍。生物质能源颗粒若使用添加剂,则应为农林产物,并且应标明使用的种类和数量。欧盟标准对生物质颗粒的热值没有提出具体的数值,但要求销售商应予以标注。瑞典标准要求生物质颗粒的热值一般应在16.9 兆焦上。说明富氧可以缩短木屑挥发分及固定碳的 燃烧区问,增大挥发分析出速率,使木屑的 燃烧性能更好。
  3.2富氧条件对生物质(material)(Biomass)能源颗粒特性的 影响
  3.2.1富氧条件对生物质颗粒燃料挥发分析出特性的 影响
  不同载流理和氧气浓度条件下,三种典型生物质能源颗粒的 Rh值如4所示。
  4表明,随着氧气含量的 变化,三种典型生物(Organism)质能源颗粒的 挥发分析出特性指数变化很大。在缺氧的 状况下,玉米、棉杆及木屑的 挥发分析出特性指数分别为7.1、7.8及7.90mg/(min·K2),这说明缺氧条件下木屑及棉杆挥发分最易析出,玉米挥发分析出最难。当达到21%O2条件时,玉米、棉杆及木屑的 挥发分析出特性指数均呈上升趋势,这说明随着氧气含量升高,三种秸秆的 燃烧稳定性有所增强。
  40%O2的 富氧条件(tiáo jiàn)下,玉米、棉杆及木屑的 挥发分析出特性指数分别为16.3、12.2和13.7mg/(min·K2),表明富氧条件下,三种秸秆的 燃烧稳定性明显改善。与空气中相比,富氧条件下玉米挥发分析出特性指数增加了7.6mg/(min·K2),而玉米与木屑分别增加了4.1及4.8mg/(min·K2),说明富氧条件下玉米挥发分析出的 促进作用最强。
  3.2.2富氧条件对生物(Organism)质颗粒燃料燃烧稳定性的 影响
  不同条件下,三种典型生物质能源颗粒的 Rw值如5所示。
  5表明,随着氧气(oxygen)含量的 变化,三种典型生物质能源颗粒的 燃烧稳定性也有很大变化。在缺氧的 状况下,玉米、棉杆及木屑的 燃烧稳定性指数分别为800、740和880,这说明缺氧条件下木屑燃烧稳定性更好,玉米稍次,棉秆最差;当达到21%O2条件时,玉米、棉杆及木屑的 燃烧稳定性指数分别为900、960和930,这说明随着氧气含量升高,三种秸秆的 燃烧稳定性有所增强,其中棉杆稳定性指数增加了220,玉米与木屑大约增加100,说明缺氧条件下增加氧气含量对棉杆的 促进作用最强;与21%O2相比,40%O2的 富氧条件下,玉米稳定性指数增加了640,玉米与木屑分别增加了260和430,说明富氧条件下增加氧气含量对玉米的 促进作用最强,木屑次之,棉杆最差。另外,三种典型生物质能源颗粒的 燃烧稳定性随着载气流量的 变化,呈开口向下的 抛物线型变化。
  3.2.3富氧条件对生物(Organism)质颗粒燃料燃烧特性指数的 影响
  不同条件下,三种典型生物质(Biomass)能源颗粒的 P1值如6所示。
  P1值的 变化趋势Rh与Rw及值的 变化趋势基本相同,这表明生物质颗粒燃料挥发分的 析出有利于降低颗粒的 点火温度,提高其燃烧稳定性及燃烧速率。
  在缺氧的 状况下,玉米、棉杆及木屑的 燃烧特性指数都比较低,这说明缺氧条件下三种生物质能源颗粒的 点火性能(xìng néng)及燃尽性能较差;21%O2条件时,玉米、棉杆及木屑的 燃烧稳定性指数呈现上升趋势,其中棉杆稳定性指数增加了2.2mg2/(min·K2),玉米与木屑分别增加了1.5、0.9mg2/(min·K2),这说明随着氧气含量升高,三种秸秆的 燃烧稳定性有所增强,且增加氧气含量对棉杆的 促进作用最强;与21%O2相比,40%O2的 富氧条件时,玉米稳定性指数增加了4.0mg2/(min·K2),棉杆与木屑分别增加了2.4和3.6mg2/(min·K2)。表明富氧条件下,三种秸秆的 燃烧特性明显改善,且增加氧气含量对玉米点火、燃烧及燃尽特性的 促进作用最强,木屑次之,棉杆最差。另外,三种典型生物质能源颗粒的 燃烧稳定性随着载气流量的 变化,也呈开口向下的 抛物线型变化。
  4结论
  (1)TG—DTG曲线显示,40%O2富氧条件下生物质能源颗粒挥发分燃烧区间比空气中缩短30℃,固定碳的 燃烧区间缩短近100℃。富氧条件下挥发分析出峰值是空气中的 2—2.75倍,且峰值出现的 比较早,表明生物质燃烧性能明显改善。
  (2)随着氧气含量的 增加,玉米、棉杆及木屑的 挥发分析出特性指数、燃烧稳定性的 判别指数及燃烧特性指数均呈现上升趋势。在14%一21%0,浓度范围内,三种指数的 增加量较小。21%~40%O2富氧条件下,三种指数均呈现明显的 上升趋势。证明14%~21%O2浓度范围内增加氧气含量可以改善生物质的 燃烧性能,但是效果不是很明显;21%~40%O2富氧条件能够大幅度改善hjc黄金城官网的 燃烧性能。
  (3)21%O2条件下,玉米、棉杆及木屑的 三种指标差别都不大,而40%0:富氧条件下,玉米颗粒的 三种指标均明显高于棉杆及木屑,这说明富氧条件对玉米颗粒燃料的 促进作用(role)更强。生物质能源颗粒若使用添加剂,则应为农林产物,并且应标明使用的种类和数量。欧盟标准对生物质颗粒的热值没有提出具体的数值,但要求销售商应予以标注。瑞典标准要求生物质颗粒的热值一般应在16.9 兆焦上。
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