生物質顆粒度對燃燒特性影響

  摘要：以稻殼為例考察了不同稻殼粒徑對熱解及燃燒特性、傳熱系數、焦炭燃燒的影響，利用TG/DTG6200熱重差熱分析儀對不同顆粒度稻殼粉做了熱解實驗，得到了不同的TG、DTG、DTA曲線。結果表明，稻殼顆粒度越小，其揮發分析出溫度越低，析出時間越短，傳熱系數增大，升溫速率增大，有利于燃燒，但過小的顆粒度同時增大了散熱損失，當粒徑低于臨界尺度時，易出現熄火現象。焦炭燃燒過程受粒徑大小的影響，粒徑減小，燃燒反應速率加快，燃燒時間縮短，有利于燃燒。

  生物質是一種理想的可再生能源，由于它的廣泛性、可再生性、清潔性而受到人們的關注^[1-8]。生物質種類繁多，我國是農業大國，每年生物質秸稈的產量在6億t左右，主要集中在玉米秸(28.7%)、麥秸(25.4%)和水稻稈(14.3%)^[9-10]，因此下面對生物質的研究也是針對農作物廢棄物而言的。

  目前對于生物質熱解的研究很多，而對于生物質燃燒特性研究的報道不多。生物質的形狀復雜，密度偏小，熱值偏低，這使其應用變得困難。煤和生物質摻燒技術、生物質造粒燃燒技術等已經有了一些報道，而直接燃燒生物質的裝置還少有報道。生物質直接燃燒主要是爐灶燃燒和鍋爐燃燒。爐灶燃燒利用效率低，造成能源浪費；鍋爐燃燒技術大大提高了燃燒效率，主要鍋爐燃燒方式有流化床鍋爐和層燃爐等，而流化床對于生物質燃料的適應性較好。

  流化床燃燒與普通燃燒最大的區別在于原料顆粒燃燒時的狀態，流化床顆粒是處于流態化的燃燒反應和熱交換的過程。這種燃燒方式對生物質直接燃燒非常適合。本實驗以稻殼為研究對象，通過研究總結出了生物質顆粒度對燃燒的影響，為流化床的設計提供依據，同時這對生物質能源的利用提供了有利的參考。

  1稻殼特性

  1.1物理特性

  稻殼是一種表面粗糙、有細小毛刺的梭形狀空心原料，長度一般在10mm左右，最大直徑處有2～3mm。其主要的物理特性及其工業元素分析見表1和表2(工業分析所取稻殼產地為濟南市郊區)。稻殼與其他秸稈的特性很類似，主要不同之處在于稻殼灰分中的成分基本上都是SiO₂，所以稻殼也是提取SiO₂的最佳生物質原料之一。

  1.2化學特性

  通過表1和表2中的數據可以看出，稻殼密度偏小，在稻殼成分中N、S的含量很低，對于燃燒煙氣不需要考慮脫硫脫氮問題。稻殼揮發分含量高達70%以上，說明容易著火，同時也說明了稻殼燃燒釋放的熱量主要是來自揮發分燃燒，因此對于稻殼等生物質而言，揮發分的燃燒狀況很大程度上直接影響到燃燒效率。稻殼的這一系列特性都要求對其利用時特別注意。

  2顆粒度對燃燒特性影響研究

  2.1顆粒度大小對熱解影響

  取3種顆粒度不同的稻殼，這里以長度來區別其顆粒度大小，稻殼a長度8～10mm，稻殼b長度0.5～2mm，稻殼c長度0.01～0.05mm。利用型號為TG/DTG6200熱重差熱分析儀，測溫范圍：室溫～1100℃，質量靈敏度：0.2μg，加熱速率為50℃/min，得出了稻殼a、b、c的TG、DTA與DTG曲線，如圖1所示。通過曲線可以看出稻殼的燃燒大體分為3個階段。

  水分析出階段(AB)，這一階段主要是水分析出階段，且能看出在AB段之間有一個明顯的波峰，代表著水分析出最大速率。揮發分析出及燃燒階段(CD)，一般來講，取DTG=0.1mg/min時的溫度為揮發分析出溫度，在氧氣環境中析出的揮發分會很快燃燒。焦炭燃盡階段(DE)，從圖中可以看出，不管是TG還是DTG曲線在FG段的變化相對減弱，尤其DTG曲線更為明顯，由此可見稻殼焦炭的燃燒比較緩慢。

  從表3中的數據可以看出，3種稻殼揮發分析出溫度及稻殼達到最高析出量時所需溫度Ta>Tb>Tc，也就是說隨著顆粒度減小，稻殼揮發分析出溫度降低，同時所需要的時間也減少；揮發分的燃燒可以分為析出和燃燒2個階段，氣體燃燒速率快，其燃燒所需時間要遠遠大于其析出時間，所以這里可以近似忽略燃燒時間。從表3中析出量數據看出稻殼a的揮發分析出時間是稻殼b的1.61倍，是稻殼c的1.64倍，這說明稻殼顆粒度對其揮發分析出時間影響較大，隨著顆粒減小揮發分析出時間減少；稻殼c的溫度最高，也是由于其顆粒度小的緣故。

  稻殼b與c的參數基本相近，與稻殼a的參數相差卻甚大，一方面是因為稻殼a的顆粒度較大，不利于燃燒進行；另一方面可以看出，當稻殼顆粒度小到一定程度時，再減小稻殼顆粒度對其熱解或者燃燒的影響逐漸減弱，同時處理稻殼粒度越小將會需要消耗動力越大，現在處理到10～20mm粒徑生物質消耗動力為5kW/t左右，如果處理到0.1mm以下，所需動力就要20kW/t左右。所以，對于稻殼燃燒也不是無限制的減小顆粒度，綜合經濟評價來選取合理的顆粒度。

  為了全面評價生物質的燃燒情況，引入文獻[11-12]燃燒特性指數P進行描述：

  燃燒特性指數P是反映稻殼著火和燃盡的綜合指標，P值越大，說明稻殼的燃燒特性越好。升溫速度、樣品粒度及樣品質量的變化對稻殼的燃燒特性指數均有一定的影響。燃燒特性指數隨著顆粒度的減小和而增大^[9]。對3種稻殼分別計算其燃燒特性指數P，得出結果為Pa<Pb<Pc。因此，稻殼c的燃燒特性指數最大，其燃燒性能也最好。與煤相比，稻殼燃燒特性指數明顯大于煤，其值比煤大2個數量級^[13]。

  2.2顆粒度大小對換熱的影響

  從原料吸熱方面來講，顆粒度減小，原料換熱面積增加，有利于快速吸熱而升溫，一般來說，粒度小，傳熱系數就大。當顆粒溫度與環境溫度之差衰減到初始值的1%時，也就是說顆粒溫度與環境溫度基本上達到熱平衡時所需要時間與粒度有如下關系式：

  所以粒度減小，減少了顆粒溫升時間。同時顆粒度減小，增大了傳熱系數，根據鄭洽余^[14]等在研究循環流化床時發現，傳熱系數隨小球探頭直徑的減小而增加。因此顆粒度的減小，有利于原料的燃燒。

  從原料處于自然工況(即熱力著火工況)方面來講，顆粒度的減小對原料燃燒有其不利因素。粒徑大小對放熱量是沒有影響的，但是對流散熱卻隨著直徑的減少成反比的增加^[15]，從而使得原料溫度降低，不利于燃燒。對同種原料在固定床中燃燒來言，顆粒度減小，堆積密度增加，空隙率減少，阻力增加，從而使得原料處于缺氧狀態，不利于燃燒，其原理很簡單，不過多論述。這里重點討論對流散熱對燃燒的影響。通常對流放熱系數與Nusselt準則有如下關系式：

  當原料粒徑d減小時，準則Nu降低不多，λ為物性參數基本不變，則α增加；同時顆粒度的減小，比表面積增大，顆粒數增加，增加了顆粒之間相互碰撞幾率，增強了換熱，所以當顆粒度減小時，一方面有利于原料的燃燒，釋放熱量Qf；另一方面原料本身與周圍環境散熱Qs，當Qf>Qs時，原料燃燒釋放出大量熱，溫度上升；當Qf=Qs時，原料燃燒釋放熱量與原料散熱平衡，此時處于一種相對穩定狀態。

  但當對流放熱系數足夠大時，有Qf<Qs，原料釋放熱量不能滿足原料的散熱，這樣原料本身就會隨著散熱損失而逐漸降低溫度，如果沒有得到合理的控制，原料溫度最終會降低到使其本身熄火。當Qf=Qs時所確定的粒徑稱之為臨界直徑d臨。上述自然工況理論是建立在熱平衡的基礎上，其只能是適應既有放熱過程又有散熱過程的工況，同時沒有涉及熱力著火達到平衡狀態所需要時間，用其可以定性解釋一些燃燒技術問題^[15]。

  生物質熱值偏低，單位質量釋放熱量比煤小得多，在同樣粒徑下，生物質所蓄備的熱量只有標準煤的一半。當散熱量較大時，生物質更容易出現熄火現象。圖2中是稻殼a與稻殼c在流化床中的燃燒溫度曲線，從圖中可以看出，稻殼a溫度變化較小，相對穩定；而稻殼c雖然某一瞬間溫度達到1000℃，超過稻殼a最高溫度，但其溫度變化大，最低溫度低于200℃，已經處于熄火狀態。從熱解角度來看，稻殼c熱解速率大于稻殼a，揮發分析出速率快，從而使得稻殼c出現短時高溫。綜合來看，稻殼a的燃燒工況要好于稻殼c。因此在實際燃燒設備中，原料由冷態進入到高溫燃燒爐堂內，初期是高溫煙氣對原料的加熱，此時顆粒度越小，加熱時間就越短，有利于原料快速的達到燃燒溫度；但是當原料燃燒繼續提高溫度時就變成原料向煙氣散熱，顆粒度越小，散熱越多，不利于原料完全燃燒，增加了原料機械未完全燃燒損失。

  2.3顆粒度大小對焦炭燃燒影響

  稻殼的燃燒過程可以分為揮發分燃燒和焦炭燃燒2個過程。氣體燃燒速率遠遠大于固體燃燒速率，這樣稻殼燃燒時間長短主要決定于焦炭的燃燒時間。稻殼揮發分含量高，析出快，短時間內完全燃燒需要足夠的氧，揮發分析出后的焦炭被包裹在中間，阻滯其與氧的反應，因此稻殼焦炭的燃燒較為緩慢。碳與氧的反應有如下4種可能：

  對這4種反應機理，Wicke和Wurzbacher提出這樣結論，碳的燃燒按(4)反應機理。尤其在溫度達到1100℃以上時，反應4較為明顯。在溫度較低時，引入文獻[15]中2種產物比例關系公式如下，當溫度為457～897℃時：

  這里取平均值677℃，該溫度下不發生碳的還原反應。則計算得其比值為3.4，CO所占比例較大，由此看來碳燃燒反應主要是按反應(3)進行。稻殼灰熔點較低，在實際應用中的燃燒溫度一般控制在800～900℃，其燃燒反應主要是按反應3進行。

  原料顆粒度減小而比表面積大，單位質量的碳反應速率較大^[16]。比表面積增大，單位體積內與氧的混合加強，接觸面積增加，從而加強了碳的燃燒反應。氧在碳表面的擴散，一方面受可燃氣體阻滯，另一方面受碳表面燃燒后灰的阻滯，原料顆粒減小，碳燃燒時形成的灰阻滯就小，有利于氧的擴散。細化碳粒，能提高氧擴散至碳表面的傳質系數^[17]。所以原料顆粒度的減小，有利于焦炭的燃燒。

  3結論

  (1)通過對稻殼的熱重分析可知，顆粒度越小，其揮發分析出溫度越低，完成同量揮發分析出時間越短，燃燒速率也越快；對焦炭而言，顆粒度越小，其燃燒速率越快，原料燃燼時間也越短；顆粒度越小，傳熱系數就越大，原料生溫速率就快，達到燃燒所需要的時間也越短；但是顆粒度減小同樣會增大了原料散熱量，當粒徑減小到某一臨界d臨以下時，就會因散熱過多而出現熄火現象。

  (2)原料粒徑的選擇也應考慮到經濟性。當原料需要處理到顆粒度很小時，其所需要消耗的動力也將很大，處理到10～20mm粒徑生物質消耗動力為5kW/t左右，如果處理到0.1mm以下，所需動力就要20kW/t左右。因此對原料的粒徑處理要結合其臨界值的選擇以及經濟性來定。

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