果樹(shù)修剪枝條共混成型顆粒燃料燃燒性能與動(dòng)力學(xué)分析

李翊寧， 陳文強(qiáng)， 馬 杰， 張景鈺， 夏 偉， 張 妍

（1. 陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712000； 2. 咸陽(yáng)市新能源及微電網(wǎng)系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 咸陽(yáng) 712000； 3. 第一越南蘇聯(lián)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程學(xué)院，福安 15910）

0 引言

我國(guó)是水果生產(chǎn)大國(guó)，每年果園中都有大量的以果樹(shù)修剪枝條為主的木質(zhì)纖維素原料產(chǎn)出[1-4]。這些生物質(zhì)原料并沒(méi)有得到充分利用，造成了資源浪費(fèi)和環(huán)境污染，可采用共混成型工藝來(lái)提升生物質(zhì)顆粒燃料的綜合品質(zhì)[5-6]。通常，對(duì)共混成型顆粒燃料的配方參數(shù)和工藝參數(shù)研究，都是基于顆粒燃料的儲(chǔ)運(yùn)性能來(lái)進(jìn)行優(yōu)選[7]。但是，通過(guò)共混成型方式制備出的生物質(zhì)顆粒燃料，其燃燒特性是否能夠得到保證，還需要進(jìn)一步研究分析。本文對(duì)采用儲(chǔ)運(yùn)性能優(yōu)化后的棗樹(shù)修剪枝條共混成型顆粒燃料及其對(duì)照品，進(jìn)行了組間和組內(nèi)的熱重與燃燒動(dòng)力學(xué)分析，進(jìn)一步探明了生物質(zhì)主要原料、次級(jí)原料和添加劑對(duì)顆粒燃料的影響，以期為共混成型顆粒燃料的配方參數(shù)優(yōu)化和綜合品質(zhì)提升提供相應(yīng)的理論和試驗(yàn)參考。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

生物質(zhì)共混成型顆粒燃料主要原料為棗樹(shù)修剪枝條（棗枝），用于構(gòu)成成型顆粒燃料的基體。次級(jí)原料為棗樹(shù)修剪枝條炭化產(chǎn)物（棗枝炭），用于增加成型顆粒燃料的能量密度。添加劑為園藝生產(chǎn)中常見(jiàn)的椰糠和骨粉，用于提高成型顆粒燃料的成型質(zhì)量。

1.2 試驗(yàn)與分析方法

1.2.1 顆粒燃料制備

將原料粉碎并篩分后，按一定比例充分混合，制備成為用于組間和組內(nèi)對(duì)比分析的生物質(zhì)成型顆粒燃料。取出1.00 g 混合原料，放入內(nèi)徑15 mm 的模具中，在室溫下使用769YP-30T 型手動(dòng)粉末壓片機(jī)壓制成型，保持壓力為144 MPa，保持時(shí)間為90 s。

前期試驗(yàn)表明，當(dāng)棗枝粒徑分別在80 目和30 目時(shí)，在加入棗枝炭后，分別添加椰糠和骨粉，可以有效提升共混成型顆粒燃料樣品的物理穩(wěn)定性[8]。因此，將試驗(yàn)樣品分為A 組和B 組，就組間和各組內(nèi)相關(guān)樣品的燃燒特性進(jìn)行對(duì)比分析，探究其在保證儲(chǔ)運(yùn)特性基礎(chǔ)上的燃燒表現(xiàn)，并選出兩種共混成型顆粒燃料配方A3和B3中的優(yōu)者。A 組和B 組中所有樣品的配方參數(shù)如表1 所示。A1和B1為全部由主要原料棗枝所構(gòu)成的（目數(shù)不同），并且物理穩(wěn)定性滿足儲(chǔ)運(yùn)要求的樣品；A2和B2為加入了用以提升能量密度的次級(jí)原料棗枝炭，但物理穩(wěn)定性相應(yīng)變?nèi)醯臉悠罚籄3和B3為分別以椰糠和骨粉為添加劑，并優(yōu)化了初級(jí)原料和次級(jí)原料占比的共混成型顆粒燃料樣品，其具有良好的儲(chǔ)運(yùn)性能和較高的能量密度。

表1 顆粒燃料樣品配方參數(shù)Tab. 1 Formulation parameters of pellet fuel samples

1.2.2 表征方法

原料工業(yè)分析采用美國(guó)材料試驗(yàn)學(xué)會(huì)的分析方法（ASTM 1762-84，3173-87）[9]。高熱值通過(guò)LC-VC-430 型全自動(dòng)量熱儀測(cè)定。堆積密度通過(guò)500 mL 密度杯測(cè)定。能量密度為體積密度與高熱值的乘積[10]。

對(duì)原料和成型顆粒燃料樣品進(jìn)行熱重分析，采用TG-209-F3 Tarsus 型熱分析儀進(jìn)行，樣品容量為5 mg，在流量為50 mL/min 的氧氣氣氛下以10 °C/min 的恒定加熱速率從環(huán)境溫度加熱到800 °C。

1.2.3 燃燒動(dòng)力學(xué)分析方法

對(duì)顆粒燃料樣品進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，計(jì)算樣品的揮發(fā)分析出和燃燒階段、固定碳燃燒階段中，燃燒的頻率因子和活化能，計(jì)算過(guò)程中假設(shè)燃燒為一級(jí)反應(yīng)[11-12]。

綜上所述，敲低LncRNA SNHG16后可能通過(guò)上調(diào)p21的表達(dá)來(lái)阻滯細(xì)胞周期進(jìn)程，從而抑制細(xì)胞增殖，其作為致癌基因?qū)ξ赴┘?xì)胞增殖調(diào)控具有重要的意義，可進(jìn)一步探討其作為胃癌治療的潛在分子靶點(diǎn)的意義。

根據(jù)Arrehenius 方程和質(zhì)量守恒定律，反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程可表示如下[13]。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 原料

2.1.1 工業(yè)分析

原料特性如表2 所示。所有原料的水分含量不超過(guò)6%，均處于制粒需求的最佳范圍。經(jīng)熱解處理后得到的棗枝炭，因其揮發(fā)分的消耗和固定碳的增加，其高熱值和堆積密度都得到了明顯的提升，反應(yīng)在能量密度上，相對(duì)于棗枝而言提高了約3.34 倍。添加劑主要起粘合作用，其較低的能量密度和較高的灰分可能會(huì)對(duì)成型顆粒燃料的燃燒性能造成負(fù)面影響，需要注意其在燃料配方中的比例。

表2 原料特性Tab. 2 Chararcteristics of raw materials

2.1.2 熱重分析

采用熱重分析對(duì)原料燃燒特性進(jìn)行研究。如圖1a 所示，棗枝和椰糠的TG 曲線基本一致，表明二者的燃燒過(guò)程相似，其主要區(qū)別在于最終不可燃燒物質(zhì)的殘余，椰糠約為棗枝的2 倍。棗枝炭的質(zhì)量損失相對(duì)于棗枝而言有明顯滯后，需要更高的燃燒溫度，說(shuō)明棗枝炭化后得到的棗枝炭中含有的揮發(fā)分相對(duì)較低，導(dǎo)致?lián)]發(fā)分析出和燃燒階段不明顯，并與固定碳燃燒階段存在一定程度的重合，這與前述工業(yè)分析中的內(nèi)容一致。另外，棗枝炭中不可燃物質(zhì)的殘余和棗枝基本一致，說(shuō)明炭化后的棗枝，其灰分含量增加并不明顯。骨粉的TG 曲線與其他3 種生物質(zhì)明顯不同，首先缺乏水分蒸發(fā)階段，之后揮發(fā)分析出和燃燒階段變化緩慢，基本不含有固定碳，并有84.05%的殘余質(zhì)量，殘余物質(zhì)主要為未達(dá)到熔點(diǎn)的磷酸鈣和碳酸鈣。

圖1 共混成型原料TG 和DTG 曲線Fig. 1 TG and DTG curves of co-densified raw materials

原料的DTG 曲線如圖1b 所示，結(jié)合TG 曲線，可計(jì)算出著火溫度、燃盡溫度和燃燒時(shí)間。棗枝和棗枝炭的著火溫度分別為271.6 和379.3 °C，相差約100 °C的結(jié)果表明，棗枝炭由于揮發(fā)分的大量缺失而更難以點(diǎn)燃。椰糠和骨粉的著火溫度分別為259.6 和652.7 °C，作為添加劑，二者對(duì)顆粒燃料點(diǎn)火特性的影響是完全相反的。另外，棗枝和椰糠擁有兩個(gè)特征峰，分別代表?yè)]發(fā)分析出和燃燒階段、固定碳燃燒階段。相對(duì)于椰糠，棗枝的揮發(fā)分析出和燃燒階段反應(yīng)劇烈而固定碳燃燒階段反應(yīng)平緩，這與工業(yè)分析中所測(cè)定的揮發(fā)分和固定碳含量表現(xiàn)一致。因?yàn)樘炕狈]發(fā)分的棗枝炭則僅有一個(gè)相對(duì)平滑的特征峰，表明棗枝炭的燃燒過(guò)程更為平緩和持久。

2.2 成型顆粒燃料

2.2.1 熱重分析

圖2 不同顆粒燃料樣品的TG 和DTG 曲線Fig. 2 TG and DTG curves of different pellet fuel samples

對(duì)比A 組和B 組中的樣品A1和B1，從TG 曲線中可以看出，樣品B1的水分含量為15.4%，高于樣品A1的10.1%，而樣品B1的灰分含量為7%，低于樣品A1的13.8%，表明纖維素、半纖維素和木質(zhì)素在不同粒徑的棗枝微粒中分布不同。而在DTG 曲線上，在揮發(fā)分析出與燃燒階段，二者沒(méi)有明顯的區(qū)別，其點(diǎn)火溫度相差不大，樣品A1為268.4 °C，樣品B1為272.7 °C。但在固定碳燃燒階段，樣品A1的燃燒更加劇烈，其兩個(gè)燃燒階段的轉(zhuǎn)換溫度和燃盡溫度都低于樣品B1約10 °C，表明棗枝微粒的粒徑越小，其在顆粒燃料內(nèi)部接觸越緊密，傳熱效果更好，對(duì)燃燒的促進(jìn)作用越強(qiáng)。

對(duì)比A 組內(nèi)的樣品A1、A2和A3，當(dāng)加入棗枝炭后，顆粒燃料的揮發(fā)分析出與燃燒階段，以及固定碳燃燒階段，都發(fā)生了改變，主要是因?yàn)閾]發(fā)分和固定碳比例的改變。在DTG 曲線上，樣品A2相對(duì)于樣品A1而言，有更高的燃盡溫度，為516.9 °C，高于樣品A1約20 °C。但樣品A1和A2的著火溫度，以及兩個(gè)燃燒階段的轉(zhuǎn)換溫度，都無(wú)明顯差異。而以椰糠作為添加劑的樣品A3，與樣品A2相比，除了降低了3.3%的灰分含量外，其TG 和DTG 曲線基本保持一致。這表明椰糠添加劑在增強(qiáng)成型顆粒燃料成型質(zhì)量的同時(shí)，并不降低其燃燒性能。

對(duì)比B 組內(nèi)的樣品B1、B2和B3，當(dāng)加入棗枝炭后，其變化趨勢(shì)和樣品A1、A2相似，其著火溫度和燃盡溫度都提高了約10 °C，燃燒特性略微降低。對(duì)于加入了骨粉添加劑的樣品B3，從TG 曲線上來(lái)看，水分相對(duì)于樣品B2降低了2.5%，灰分則增加了5.6%。而從DTG曲線上來(lái)看，對(duì)固定碳燃燒階段的影響顯著，其失重率下滑明顯，并導(dǎo)致燃盡溫度增加了約30 °C。這表明骨粉添加劑雖然對(duì)增強(qiáng)成型顆粒燃料的成型質(zhì)量有所幫助，但對(duì)其燃燒性能影響較大，且燃燒過(guò)程中容易結(jié)渣。

2.2.2 燃燒動(dòng)力學(xué)分析

通過(guò)式（1）～式（3）的計(jì)算可以得到各生物質(zhì)成型顆粒燃料樣品的燃燒動(dòng)力學(xué)參數(shù)，具體如表3 所示。對(duì)于揮發(fā)分析出和燃燒階段的擬合曲線，其相關(guān)系數(shù)都大于0.978；而對(duì)于固定碳燃燒階段的擬合曲線，其相關(guān)系數(shù)相對(duì)較低，但也都大于0.934。

表3 顆粒燃料樣品燃燒動(dòng)力學(xué)參數(shù)Tab. 3 Combustion kinetic parameters of pellet fuel samples

對(duì)比A 組和B 組中的樣品A1和B1，較大粒徑制備而成的成型顆粒燃料，其反應(yīng)活化能相對(duì)較低，說(shuō)明其更容易燃燒，這在TG 和DTG 曲線上都有所體現(xiàn)，但差異不大。另一方面，樣品A1的頻率因子要遠(yuǎn)大于樣品B1，說(shuō)明樣品A1的反應(yīng)劇烈程度要大于樣品B1，在DTG 曲線上，主要體現(xiàn)為樣品A1的固定碳燃燒階段要先于樣品B1，并且失重率更大。

對(duì)比A 組內(nèi)的樣品A1、A2和A3，棗枝炭的加入，降低了顆粒燃料的反應(yīng)活化能，使其更容易燃燒。當(dāng)再向其中加入椰糠添加劑后，揮發(fā)分析出與燃燒階段的反應(yīng)活化能進(jìn)一步降低，顆粒燃料的燃燒特性繼續(xù)提升。另外，從頻率因子的角度來(lái)看，雖然棗枝炭和椰糠添加劑的使用，會(huì)逐步降低顆粒燃料的頻率因子，使其有效反應(yīng)變?nèi)酰珡腡G 和DTG 曲線對(duì)比分析，其主要削弱于揮發(fā)分析出與燃燒階段。對(duì)于樣品A1，其表面大量的棗枝微粒受熱隨氣流上升，脫離顆粒燃料本體，在空氣中充分燃燒反應(yīng)，引起了頻率因子的急劇上升。但其燃燒所產(chǎn)生的能量也同樣大量耗散在空氣中，并不能直接作用于顆粒燃料內(nèi)部，對(duì)固定碳燃燒階段的幫助不大。棗枝炭和椰糠添加劑能有效增加顆粒燃料的燃燒特性，而不是對(duì)其產(chǎn)生負(fù)面影響。

對(duì)比B 組內(nèi)的樣品B1、B2和B3，棗枝炭的加入，對(duì)顆粒燃料反應(yīng)活化能的影響不大，但大幅降低了揮發(fā)分析出與燃燒階段的頻率因子，而固定碳燃燒階段的頻率因子有稍微的提升。對(duì)比TG 和DTG 曲線，可以看出棗枝炭對(duì)燃燒特性的影響不大，僅僅是改變了顆粒燃料揮發(fā)分和固定碳的相對(duì)含量。而當(dāng)進(jìn)一步加入骨粉添加劑后，顆粒燃料在揮發(fā)分析出與燃燒階段的頻率因子有所提高，在固定碳燃燒階段的頻率因子下滑明顯。從DTG 曲線上看，骨粉添加劑對(duì)揮發(fā)分析出與燃燒階段的提升不明顯，同時(shí)對(duì)固定碳燃燒階段有明顯抑制。說(shuō)明骨粉作為添加劑，雖然在提升顆粒燃料物理強(qiáng)度方面有效，但會(huì)在一定程度上降低其燃燒性能。

椰糠的加入不僅保證了共混成型顆粒燃料的儲(chǔ)運(yùn)性能，還提升了其燃燒性能。而骨粉的加入，在保證共混成型顆粒燃料儲(chǔ)運(yùn)性能的前提下，對(duì)其燃燒性能起到了負(fù)面作用。因此，A 組中的樣品A3所對(duì)應(yīng)的配方，是綜合性能相對(duì)較優(yōu)的共混成型顆粒燃料配方。

3 結(jié)論

以?xún)?chǔ)運(yùn)性能優(yōu)化后的棗樹(shù)修剪枝條共混成型顆粒燃料為基礎(chǔ)，研究了其燃燒特性，并進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。

（1）作為初級(jí)原料的棗枝，其粒徑越小，共混成型顆粒燃料的燃燒性能就越好。

（2）作為次級(jí)原料的棗枝炭，在顯著增加了共混成型顆粒燃料能量密度后，對(duì)其燃燒性能的影響并不明顯，總體表現(xiàn)為點(diǎn)火溫度和燃盡溫度的略微提高。

（3）作為添加劑的椰糠和骨粉，前者能夠同時(shí)促進(jìn)顆粒燃料的儲(chǔ)運(yùn)性能和燃燒性能；而后者對(duì)顆粒燃料的燃燒性能表現(xiàn)為抑制作用，應(yīng)排除在添加劑之外。

綜合考慮儲(chǔ)運(yùn)性能和燃燒性能，共混成型顆粒燃料的最優(yōu)配方為樣品A3，即56%的80 目棗枝、37%的棗枝炭和7%的椰糠。