基于富氧条件的生物质颗粒燃烧特性实验研究

朱艳艳1，张林华1,2,3，崔永章1,2,3，李凯1，吕文超4

　　(1.山东建筑大学热能工程学院，山东济南250101；2.山东建筑大学可再生能源建筑利用技术省部共建教育部重点实验室，山东济南250101；3.山东建筑大学山东省建筑节能技术重点实验室，山东济南250101；4.西安建筑科技大学环境与市政工程学院，陕西西安710055)

　　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颗粒燃料燃烧特性指数的影响。结果表明：富氧条件下三种生物质颗粒燃料燃尽温度区间比空气中减少近100℃，挥发分最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最大，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，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。许多发达国家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％一25％，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％一50％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℃。生物质颗粒燃料经过了高压作用，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生物质燃料燃烧性能的方法，这种方法简单易行，但是不能显示不同生物质燃料挥发分析出的温度水平、最大析出速率及生物质的失重状况。因此，采用美国TA公司生产的Q50热重分析仪对三种典型生物质颗粒燃料进行试验，通过三种燃料燃烧的TG—DTG曲线，分析富氧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，促进农村经济发展也具有重要的现实意义。

　　1生物质颗粒燃烧特性判别指数

　　1.1挥发分析出特性指数

　　1.2燃烧稳定性判别指数

　　燃烧稳定性判别指数表征生物质颗粒燃料的稳定性，以纯碳作为测试的基准，则

　　1.3燃烧特性指数

　　2实验装置及方法

　　2.1实验装置

　　本实验采用美国TA公司生产的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精确度；炉体是热重分析仪的一个关键部件，可以以最迅速、精确的方式在室温一1000℃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

　　为了分析生物质颗粒燃料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颗粒燃料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2O℃／min，载气流量为60mL／min，得到玉米秸秆、棉秆及木屑的TG—DTG曲线图；其次在氧浓度及载气流量分别为14％和60mL／min、21％和60mL／min、40％和60mL／min、min21％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Rh、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富氧条件对生物质颗粒燃料燃烧失重特性的影响

　　3.1.1玉米秆TG—DTG曲线图

　　由图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：第一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220～29O℃，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的富氧条件下最大析出速率为23％／min，21％O2、14％O2及热解条件下最大析出速率分别为14％／min、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℃。

　　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的富氧条件下玉米秆的最大析出速率为11％／ain，21％O2最大析出速率为4％／min，40％O2富氧条件下最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曲线图

　　由图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。第一阶段温度区间为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250～3o0℃。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250～29O℃，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最大析出速率为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最大析出速率为12％／min，21％O2最大析出速率为5％／min，40％O2富氧条件下最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曲线图

　　由图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。第一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最大析出速率为23％／min。21％O2、14％O2及热解条件下最大析出速率分别为17％／min、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％O2条件下燃烧区间减少100℃。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最大析出速率为12％／min，21％O2最大析出速率为6％／min，40％O2富氧条件下最大析出速率是空气中的2倍。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富氧条件对生物质颗粒燃料特性的影响

　　3.2.1富氧条件对生物质颗粒挥发分析出特性的影响

　　不同载流理和氧气浓度条件下，三种典型生物质颗粒燃料的Rh值如图4所示。

　　图4表明，随着氧气含量的变化，三种典型生物质颗粒燃料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·K)，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·K)，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·K)，而玉米与木屑分别增加了4.1及4.8mg／(min·K)，说明富氧条件下玉米挥发分析出的促进作用最强。

　　3.2.2富氧条件对生物质颗粒燃烧稳定性的影响

　　不同条件下，三种典型生物质颗粒燃料的尺值如图5所示。

　　图5表明，随着氧气含量的变化，三种典型生物质颗粒燃料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最好，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，三种典型生物质颗粒燃料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富氧条件对生物质颗粒燃烧特性指数的影响

　　不同条件下，三种典型生物质颗粒燃料的P1值如图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颗粒燃料的点火性能及燃尽性能较差；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2.2mg／(min·K。)，玉米

　　与木屑分别增加了1.5、0.9mg／(min·K)，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4.0mg／(min·K)，棉杆与木屑分别增加了2.4和3.6mg／(min·K)。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，三种典型生物质颗粒燃料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富氧条件下生物质颗粒燃料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％O2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生物质燃料的燃烧性能。

　　(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％O2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更强。