生物質燃燒和陰燃過程對比

羅 冰,何 芳,高振強,李永軍,王麗紅,張永健

(山東理工大學農業工程與食品科學學院,山東淄博255091)

生物質燃燒和陰燃過程對比

羅 冰,何 芳,高振強,李永軍,王麗紅,張永健

(山東理工大學農業工程與食品科學學院,山東淄博255091)

為了明確生物質燃燒和陰燃的共性和差異,分類總結了生物質燃燒和陰燃過程的特點,得出大顆粒生物質燃燒過程和自然對流條件下生物質粉正向陰燃物理過程近似的結論.對比了這兩種過程的物理化學反應特性、傳輸機理及邊界條件,得出結論：兩種過程干燥、熱解等物理化學反應機理相同,炭氧化過程稍有差異、邊界條件差別很大.

燃燒；陰燃；生物質；化學反應；傳輸機理；邊界條件

燃燒是指伴有強烈發熱發光的快速氧化反應,燃料有固體、液體、氣體三種.陰燃［1］是指緩慢低溫無焰的燃燒過程,由氧化劑直接和固體反應放熱維持,一般存在于松散的固體堆積物或大顆粒多孔固體內部,如纖維、棉花、煙絲、鋸末、海綿、煤堆、木頭等.

由于生物質本身為多孔固體燃料,不同條件下大顆粒生物質及其粉體堆積物都可實現燃燒和陰燃.生物質燃燒和陰燃廣泛存在于生物質能［2-3］應用、垃圾焚燒［4］和各類火災中,兩者既有差異,又有共性,了解兩種過程的異同,可以為拓展燃燒和陰燃共性問題研究方法,以及研究結果的適用性提供參考.目前還沒有這方面的對比資料,本文擬對生物質燃燒和陰燃過程進行對比.

1 生物質燃燒過程和陰燃過程的分類和特點

1.1 生物質燃燒過程的分類及特點

生物質燃燒方式主要可分為懸浮床、流化床和固定床燃燒,相應的生物質原料尺寸分別為1mm以下,2～5 mm和5～500 mm［5］.由于生物質的纖維特性,其粉碎成本較高,且許多用于煤粉碎的設備不適用于生物質粉碎［6］.另外,大顆粒燃燒時氣體凈化成本低,因此大顆粒(＞2mm)生物質的直接燃燒目前和將來都會廣泛應用.

生物質粉體燃燒和大顆粒生物質燃燒過程的對比如圖1所示,都經歷干燥、氧化熱分解產物燃燒和炭氧化三個階段,這三個階段在顆粒燃燒過程中會有所重疊.顆粒越小,這三個階段重疊的越少.因此,生物質粉燃燒過程的分析常采用集總參數法,認為生物質粉的細小顆粒在燃燒過程是均勻的,先后經歷熱解、干燥和炭氧化三個階段.而大顆粒生物質燃燒過程的計算要復雜很多［7］.

圖1 生物質燃燒過程示意圖

1.2 生物質陰燃過程的分類及特點

生物質陰燃按溫度峰移動方向和物料內部氧化劑［8］傳播方向可分為正向陰燃和逆向陰燃,如圖2所示.正向陰燃是指氧化劑流動方向和溫度峰移動方向一致,逆向陰燃時,兩者方向相反.正向陰燃常發生在堆積物料由外向內的陰燃過程中,如物料外部點火后的蔓延及森林火災的余火等.逆向陰燃常發生在堆積物料內部熱量積累后的自燃過程.

圖2 正向陰燃和逆向陰燃示意圖

何芳［9］等人按氣體在多孔介質中的流動情況,將陰燃分為強迫對流陰燃和自然對流陰燃,如圖3所示.

圖3 自然對流和強迫對流條件下陰燃示意圖

強迫陰燃中多孔介質內部流體的流動由泵、風機(或抽煙時人的抽吸作用)等外力驅動.自然陰燃中多孔介質內部流體的流動是由內部自然形成的溫度壓力差驅動.由于自然條件下,氣體很難通過多孔介質內部,所以強迫陰燃一般發生在吸煙過程或對陰燃研究的實驗過程中［10］.這個分類方法需要和圖4所示的按多孔介質外部流體的流動是自然對流還是強迫對流［11］區分,外部流動特點只能改變邊界條件,對過程性質的影響較小.

圖4 物料外部自然對流和強迫對流條件下陰燃示意圖

1.3 總結

顯然,陰燃的種類繁多,強迫陰燃、逆向陰燃過程和顆粒燃燒過程特性差異顯著.只有自然對流條件下的正向陰燃和大顆粒燃燒相近.氧化劑從外界擴散至物料內部；物料中干燥、熱解、炭氧化過程重疊進行；反應產物氣體經物料表面流出；物料傳輸過程都是由于內部反應產生的溫差、壓差等引起.下面將詳細對比這兩個過程的異同.

2 大顆粒生物質燃燒和自然對流條件下生物質粉體正向陰燃對比

如果作一維簡化處理,理論上大顆粒生物質燃燒和自然對流條件下生物質粉體正向陰燃的結構如圖5所示.

在生物質顆粒(粉體堆積物)中,由外至內依次是灰分層、炭層、熱解層、濕物料層.在炭層發生碳的氧化或氣化反應、熱解層發生熱解反應、濕物料層發生干燥過程.物料內部多孔介質中有熱量、動量和質量傳輸,同時,物料通過外表面與外部環境進行熱量、質量和動量的交換.這些傳輸都是由于物料反應自發引起的.另外,兩種過程都存在收縮.下面對兩種過程的各個方面進行對比.

圖5 一維大顆粒生物質燃燒和自然對流條件下生物質粉陰燃的對比

2.1 物理變化和化學反應

干燥：生物質原料的含水率會因原料來源、氣候和環境等有很大不同［12］.在燃燒和陰燃時,物料要經歷干燥階段.生物質燃燒時,燃燒室溫度一般在1 000℃以上［13］,物料內部最高溫度一般在800℃以上［14］.陰燃時,物料內部最高溫度也可達700℃［12］.因此,生物質燃燒和陰燃是物料內部的干燥,均屬于高溫環境下的干燥.這種干燥過程一般由熱傳輸控制,表現為干燥集中在極薄的面上,稱為干燥面［15］,一般用面反應模型來描述.

熱解：在自然對流一維正向陰燃過程中,氧氣要想到達熱解層,必須要經過炭氧化區.由于炭氧化區的高溫,絕大部分氧氣和炭發生反應而被消耗,難以到達熱解區域.大顆粒燃燒過程是類似的,兩者均在近似絕氧條件下進行生物質熱解.生物質熱解的研究過去幾十年有了相當的發展,出現了數以百計的熱解動力學模型,Diblasi［16］對此進行了系統的總結.陰燃和燃燒計算中的熱解動力學方程大多從這些文獻中選取［17-18］,兩者選取原則并無明顯區別.

炭氧化(消耗)：生物質粉陰燃和大顆粒生物質燃燒炭氧化是否類似目前存在一些爭議.陰燃過程中,生物質的炭消耗是以不完全氧化為主［19］,如式(1)所示,為強放熱反應.

而大顆粒生物燃燒過程中,受碳燃燒和煤燃燒相關理論分析的影響,有些研究者認為,其炭消耗過程主要是碳和二氧化碳發生反應或和水蒸氣發生反應［14］,如式(2)和式(3)所示,生成的氣體產物在氣相中燃燒.這兩個反應均為強吸熱反應.

由于生物質大多含有一定灰分,燃燒時灰分層會大大降低環境對炭層的傳熱速率,難以有熱量保證炭層強吸熱反應.因此,本文作者［7］以及許多研究者［13］認為生物質燃燒時炭的消耗也是以不完全氧化為主,即可以用式(1)表示.

大顆粒生物質燃燒和自然對流條件下生物質粉體正向陰燃時都涉及物料內部的熱量、質量和動量傳輸,且這些傳輸的動力均為反應引起的物料內部的溫度差和氣體濃度差等.因此,這些傳遞過程是類似的,許多文獻中對這些過程的計算均采用相同的關聯式.

當然,生物質顆粒和生物質粉床層內部孔隙尺寸不同,前者數量級為10―5m［17］,后者為10―4m［19］.兩者熱量、質量和動量傳輸過程阻力大小有一定差異.

2.2 邊界條件

生物質燃燒一般發生在燃燒室內,環境溫度高,至少600℃以上.由于氣體燃燒反應消耗一定的氧氣,因此環境氧濃度低.而陰燃正好相反,一般發生在露天,環境溫度低,氧氣濃度高.這是兩者最顯著的區別.

3 結束語

生物質顆粒燃燒過程和自然對流條件下生物質粉正向陰燃物理過程近似.兩者在干燥、熱解及內部質量、熱量、動量傳輸方面機理相同.雖然在炭消耗過程機理方面存在爭議,但炭的不完全氧化應該是炭消耗的主要途徑.兩者在熱量、質量和動量傳輸過程阻力大小方面有一定差異,邊界條件明顯不同.

可以嘗試使用陰燃的方法研究大顆粒燃燒過程干燥、熱解、炭消耗、傳輸等行為,為拓展燃燒和陰燃共性問題研究方法以及研究結果的適用性提供參考.

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(編輯:郝秀清)

Comparison of biomass combustion and smoldering

LUO Bing,HE Fang,GAO Zhen-qiang,LI Yong-jun,WANG Li-hong,ZHANG Yong-jian
(School of Agricultural Engineering and Food Science,Shangdong University of Technology,Zibo 255091,China)

In order to clarify the similarities and differences between biomass combustion and smoldering,characteristics of the two processes have been reviewed.It showed that the combustion of a large biomass particle is similar to the natural convection forward smoldering of piled biomass powder.Chemical reaction characteristics,transport mechanisms and boundary conditions are compared between two processes.It showed that the reaction mechanisms of drying,pyrolysis of the two processes are the same.There is a slight difference in mechanism of char oxidation and a significant difference in boundary conditions between the two processes.

combustion；smoldering；biomass；chemical reactions；transport mechanism；boundary conditions

1672―6197(2013)01―0021―04

TQ91

A

2012- 12- 06

國家自然科學基金資助項目(51076087)；山東省中青年科學家獎勵基金資助項目(BS2010NJ015)

羅冰,男,luobing1960@126.com；通信作者：何芳,女,hf@sdut.edu.cn