生物質在增氧氣氛下燃燒行為的研究

李 昊， 經慧祥， 盧丙舉， 鄒 春

(1. 海軍裝備部裝備審價中心，北京 100071； 2. 中國船舶重工集團公司第七一三研究所，鄭州 450015； 3. 河南省水下智能裝備重點實驗室，鄭州 450015；4. 華中科技大學 煤燃燒國家重點實驗室，武漢 430074)

生物質能源是一種可再生、分布廣泛的清潔能源，被認為是一種能夠滿足能源需求且零溫室氣體排放的清潔能源[1]，生物質能源的利用是解決能源危機和溫室效應的有效途徑。增氧燃燒是一種低氮、減排CO2的燃燒方式，同時能夠增強燃燒的穩定性。研究生物質在不同程度增氧條件下的著火及燃燒行為是生物質增氧燃燒技術的關鍵點，同時可以為該技術在電力行業的推廣應用提供理論指導和技術支持。

熱重分析法被廣泛用于研究生物質的著火及燃燒特性，研究者利用熱重分析法研究發現隨著O2摩爾分數的增加，生物質的著火溫度和燃盡溫度均降低，而燃料的反應性增加[2-3]。滴管爐由于其具有高溫(遠高于1 000 K)和高加熱速率(104K/s)的特點，可以提供與工業條件相似的燃燒環境，因此眾多學者對生物質的燃燒行為已在滴管爐或類滴管爐裝置中進行了廣泛研究。LEI K等[4-5]研究了在O2摩爾分數為21%～50%的空氣和O2/CO2氣氛中，溫度為1 273 K或1 400 K條件下，單顆粒生物質在滴管爐中的燃燒行為。結果表明：所有的生物質(松木鋸末、玉米秸稈、芒、甘蔗渣、稻殼、山毛櫸、油松鋸末和橄欖渣)顆粒在空氣和所研究的增氧氣氛下都是均相著火。O2摩爾分數的增加提高了生物質的燃燒強度、球形火焰的亮度和火焰的絕熱溫度，同時降低了揮發分和殘焦的著火延遲時間和燃盡時間。然而，KHATAMI R等[6]觀察到，在高O2摩爾分數(如68%)的N2或CO2氣氛中，粒徑為75～90 μm的單顆粒甘蔗渣發生非均相著火，這表明高O2摩爾分數會導致生物質著火機理的改變。此外，SIMES G等[7]重點研究了粒徑為75～90 μm、212～224 μm和224～250 μm的單顆粒松樹皮和麥秸在3種不同的平均O2摩爾分數(3.5%～6.5%)和5種平均溫度(1 500～1 800 K)下，在麥肯納平焰燃燒器中的著火行為。結果表明：松樹皮和麥秸在O2摩爾分數為6.5%時部分顆粒會發生非均相著火，原因為O2分壓力增加導致臨界粒徑的增加。以上研究表明，O2摩爾分數會對生物質著火行為產生重要影響，特別是會使著火機理發生改變。但目前在滴管爐中缺乏對高O2摩爾分數下生物質著火行為的研究，特別是21%～100%O2摩爾分數下，逐漸增加O2摩爾分數對生物質著火機理的影響。

筆者采用滴管爐對粒徑為500～700 μm的稻谷殼、竹子和黃豆稈顆粒在不同O2摩爾分數的O2/N2氣氛下的燃燒特性進行研究。利用高速攝像機拍攝記錄生物質著火及燃燒過程，并分析O2摩爾分數和生物質組成對生物質著火行為和燃燒特性的影響。

1 實驗

1.1 生物質樣品

研究選用稻谷殼、竹子和黃豆稈3種生物質，并將生物質分別研磨，選取粒徑為500～700 μm的顆粒(見圖1)。3種樣品的工業分析、元素分析和組分分析見表1。

圖1 生物質顆粒原始圖片

表1 生物質的工業分析，元素分析和組分分析

1.2 實驗設備及方法

圖2為實驗裝置簡圖。該實驗裝置主要包括供氣系統、給粉系統、反應爐體，以及高速攝像機[8]。實驗中使用的高速攝像機為FASTCAM Mini系列，型號為FASTCAM Mini WX100，實驗中高速攝像機每秒拍攝1 000幀，曝光時間為1 ms。在實驗之前，反應器從室溫以15 K/min升溫至1 273 K，然后保持其溫度不變。在燃燒實驗中，分別采用O2摩爾分數為21%、30%、50%、70%和100%的O2/N2氣氛。

圖2 實驗裝置簡圖

2 結果與討論

記錄著火過程的最小時間間隔為1 ms。圖3～圖5為生物質顆粒在滴管爐中從著火到燃盡整個過程的火焰圖片，圖片下部的數字表示從記時時刻(著火發生時刻前1 ms)到圖片拍攝的時間，單位為ms；1 ms即為顆粒著火時刻。判斷著火時刻和燃盡時刻時，根據SIMES G等[7]的定義，先將拍攝到的火焰圖片轉化為灰度圖，著火時刻即為顆粒灰度達到最大灰度的15%時，而燃盡時刻即為顆粒灰度與環境灰度相同時的前1 ms。

圖3 稻谷殼在不同氣氛下著火燃燒過程圖片

圖4 竹子在不同氣氛下著火燃燒過程圖片

圖5 黃豆稈在不同氣氛下著火燃燒過程圖片

2.1 生物質著火機理

生物質顆粒的著火機理可以歸納為3種：均相著火機理、非均相著火機理和聯合著火機理[9]。均相著火機理為生物質揮發分最先開始著火，然后生物質焦發生著火；非均相著火機理為生物質焦先于揮發分發生著火；聯合著火機理為生物質揮發分和焦一起著火。從拍攝的圖片上看，如果著火時刻的火焰形狀明顯不同于生物質顆粒本來形狀(如帽形或者圓球形)，并且火焰形狀隨著時間迅速變大，則發生的著火為揮發分著火。如果著火時刻的火焰形狀類似生物質本來形狀，并且隨著時間變化不大，則是生物質焦著火。

從圖3可以看出：稻谷殼在O2摩爾分數小于或等于70%的氣氛下為均相著火，釋放的揮發分先于焦著火，其中揮發分火焰在O2摩爾分數為21%、30%的氣氛下形成帽形火焰，而在O2摩爾分數為50%、70%的氣氛下形成包裹顆粒的包絡火焰；稻谷殼在O2摩爾分數為100%的氣氛中則發生非均相著火，即焦先于揮發分著火。從圖4可以看出：竹子在O2摩爾分數為21%、30%和50%的氣氛下發生均相著火，其中揮發分火焰在O2摩爾分數為21%、30%的氣氛下形成帽形火焰；而在O2摩爾分數為50%的氣氛下形成包絡火焰，竹子在O2摩爾分數為70%、100%的氣氛下發生非均相著火，即生物質焦率先著火。從圖5可以看出：黃豆稈在O2摩爾分數為21%的氣氛下發生均相著火，形成包絡火焰；黃豆稈在O2摩爾分數等于或者大于30%的氣氛下發生非均相著火，即在生物質表面發生著火。

通過對生物質著火行為的分析可以得到生物質著火機理與生物質種類及O2摩爾分數的關系(見表2)。

表2 生物質著火機理與種類及O2摩爾分數的關系

O2摩爾分數的增加會使3種生物質的著火機理由均相著火機理轉變為非均相著火機理，很多學者也在生物質和煤粉富O2氣氛下著火的研究中得出該結果。CAI L等[10]通過數值模擬研究發現，導致煤粉在不同O2摩爾分數中著火機理改變的主要原因是著火時刻揮發分燃燒速率的顯著降低和煤焦的燃燒速率顯著增加。從表2可以看出：稻谷殼直到O2摩爾分數為100%時，才發生非均相著火。可能的原因是稻谷殼具有最高的灰分質量分數(16.35%)及最低的碳質量分數(37.35%)，這表明稻谷殼焦的活性相比其他2種生物質低，O2摩爾分數增加導致的焦反應速率增加程度低，直到O2摩爾分數為100%時，其生物質焦的燃燒速率才超過揮發分的反應速率。黃豆稈在較低O2摩爾分數(30%)下，著火機理從均相著火機理轉變為非均相著火機理。MENG X X等[11]發現生物質的水分質量分數大于10%時，生物質焦的著火速率會顯著增加，這與本研究中觀察到的實驗現象一致，黃豆稈的水分質量分數高達14.68%，這很可能是黃豆稈焦在O2摩爾分數為30%的氣氛下發生非均相著火的原因之一。顯然，O2摩爾分數可以導致生物質著火機理從均相著火機理轉化為非均相著火機理，但是生物質焦的活性和生物質的水分質量分數對生物質著火機理轉變的影響也是不可忽視的。

2.2 生物質著火距離

著火距離指生物質顆粒著火位置與滴管爐注入管出口之間的距離，對每種生物質選取至少100個著火事件來確定著火點位置。著火距離受到顆粒升溫速率、環境氣體成分及生物質組分的影響。圖6為3種生物質在不同O2摩爾分數的氣氛下的著火距離。從圖6可以看出：O2摩爾分數的增加可以使顆粒著火提前。特別是當生物質處于均相著火時，O2摩爾分數的增加對著火距離的影響更加明顯。在O2摩爾分數為21%的氣氛下，3種生物質均為均相著火，著火距離從長到短依次為竹子、黃豆稈和稻谷殼。從表1可知：稻谷殼的灰分含量遠大于黃豆稈和稻谷殼，其灰分中堿土金屬的催化效應明顯，所以其著火最快。根據AMUTIO M等[12-13]的研究，纖維素、半纖維素和木質素的熱解活化能分別為115 kJ/mol、218 kJ/mol和35 kJ/mol，其中木質素熱解的活化能最低，因此在相同的加熱條件下，木質素最先開始分解。由于黃豆稈中的木質素含量高于竹子，導致黃豆稈能先于竹子發生著火。采用黑體爐輻射能測溫法[14-15]測量得到生物質在O2摩爾分數為21%的氣氛下均相著火發生時刻的顆粒溫度，稻谷殼、竹子、黃豆稈的顆粒溫度分別為1 217 K、1 221 K和1 218 K，3種生物質在著火時刻的生物質顆粒溫差在5 K之內。這也表明了3種生物質顆粒的傳熱屬性存在差異。稻谷殼與周圍環境熱交換效率最高，黃豆稈次之，竹子最低。

圖6 生物質在不同O2摩爾分數的氣氛下的著火距離

2.3 生物質燃盡時間

對生物質在增氧燃燒中的燃盡時間進行統計，圖7為3種生物質在不同O2摩爾分數的氣氛下的燃盡時間。由圖7可以看出：對于3種生物質而言，O2摩爾分數的增加均可以增大燃燒速率，減少燃盡時間。從表1可知：竹子具有最高的揮發分含量和固定碳含量，因此燃燒所需要的時間也最長。盡管黃豆稈的揮發分含量略高于稻谷殼，但固定碳含量遠低于稻谷殼，因此黃豆稈的燃盡時間短于稻谷殼。

圖7 生物質在不同O2摩爾分數的氣氛下的燃盡時間

3 結語

(1) 在O2/N2氣氛下，隨O2摩爾分數的增加，生物質著火機理由均相著火機理向非均相著火機理轉變。竹子的著火機理發生轉變時O2摩爾分數為70%；黃豆稈的著火機理發生轉變時O2摩爾分數為30%；稻谷殼的著火機理發生轉變時O2摩爾分數為100%。黃豆稈具有最高的水分質量分數，使得其著火機理轉變時的O2摩爾分數最低；稻谷殼具有最高的灰分質量分數(16.35%)及最低的碳質量分數(37.35%)，使得其著火機理轉變時的O2摩爾分數最高。

(2) 3種生物質的著火距離均隨O2摩爾分數的增加而減小，并且這種影響隨O2摩爾分數的增加而減弱。稻谷殼灰分中堿土金屬的催化作用使得其著火距離最短，而黃豆稈中高木質素含量使得其著火距離短于竹子。

(3) 對3種生物質而言，O2摩爾分數的增加可以減少燃盡時間。竹子具有最高的揮發分含量及固定碳含量，燃盡時間最長；黃豆稈具有最低的固定碳含量，燃盡時間最短。