生物质在增氧气氛下燃烧行为的研究

李 昊， 经慧祥， 卢丙举， 邹 春

(1. 海军装备部装备审价中心，北京 100071； 2. 中国船舶重工集团公司第七一三研究所，郑州 450015； 3. 河南省水下智能装备重点实验室，郑州 450015；4. 华中科技大学 煤燃烧国家重点实验室，武汉 430074)

生物质能源是一种可再生、分布广泛的清洁能源，被认为是一种能够满足能源需求且零温室气体排放的清洁能源[1]，生物质能源的利用是解决能源危机和温室效应的有效途径。增氧燃烧是一种低氮、减排CO2的燃烧方式，同时能够增强燃烧的稳定性。研究生物质在不同程度增氧条件下的着火及燃烧行为是生物质增氧燃烧技术的关键点，同时可以为该技术在电力行业的推广应用提供理论指导和技术支持。

热重分析法被广泛用于研究生物质的着火及燃烧特性，研究者利用热重分析法研究发现随着O2摩尔分数的增加，生物质的着火温度和燃尽温度均降低，而燃料的反应性增加[2-3]。滴管炉由于其具有高温(远高于1 000 K)和高加热速率(104K/s)的特点，可以提供与工业条件相似的燃烧环境，因此众多学者对生物质的燃烧行为已在滴管炉或类滴管炉装置中进行了广泛研究。LEI K等[4-5]研究了在O2摩尔分数为21%～50%的空气和O2/CO2气氛中，温度为1 273 K或1 400 K条件下，单颗粒生物质在滴管炉中的燃烧行为。结果表明：所有的生物质(松木锯末、玉米秸秆、芒、甘蔗渣、稻壳、山毛榉、油松锯末和橄榄渣)颗粒在空气和所研究的增氧气氛下都是均相着火。O2摩尔分数的增加提高了生物质的燃烧强度、球形火焰的亮度和火焰的绝热温度，同时降低了挥发分和残焦的着火延迟时间和燃尽时间。然而，KHATAMI R等[6]观察到，在高O2摩尔分数(如68%)的N2或CO2气氛中，粒径为75～90 μm的单颗粒甘蔗渣发生非均相着火，这表明高O2摩尔分数会导致生物质着火机理的改变。此外，SIMES G等[7]重点研究了粒径为75～90 μm、212～224 μm和224～250 μm的单颗粒松树皮和麦秸在3种不同的平均O2摩尔分数(3.5%～6.5%)和5种平均温度(1 500～1 800 K)下，在麦肯纳平焰燃烧器中的着火行为。结果表明：松树皮和麦秸在O2摩尔分数为6.5%时部分颗粒会发生非均相着火，原因为O2分压力增加导致临界粒径的增加。以上研究表明，O2摩尔分数会对生物质着火行为产生重要影响，特别是会使着火机理发生改变。但目前在滴管炉中缺乏对高O2摩尔分数下生物质着火行为的研究，特别是21%～100%O2摩尔分数下，逐渐增加O2摩尔分数对生物质着火机理的影响。

笔者采用滴管炉对粒径为500～700 μm的稻谷壳、竹子和黄豆秆颗粒在不同O2摩尔分数的O2/N2气氛下的燃烧特性进行研究。利用高速摄像机拍摄记录生物质着火及燃烧过程，并分析O2摩尔分数和生物质组成对生物质着火行为和燃烧特性的影响。

1 实验

1.1 生物质样品

研究选用稻谷壳、竹子和黄豆秆3种生物质，并将生物质分别研磨，选取粒径为500～700 μm的颗粒(见图1)。3种样品的工业分析、元素分析和组分分析见表1。

图1 生物质颗粒原始图片

表1 生物质的工业分析，元素分析和组分分析

1.2 实验设备及方法

图2为实验装置简图。该实验装置主要包括供气系统、给粉系统、反应炉体，以及高速摄像机[8]。实验中使用的高速摄像机为FASTCAM Mini系列，型号为FASTCAM Mini WX100，实验中高速摄像机每秒拍摄1 000帧，曝光时间为1 ms。在实验之前，反应器从室温以15 K/min升温至1 273 K，然后保持其温度不变。在燃烧实验中，分别采用O2摩尔分数为21%、30%、50%、70%和100%的O2/N2气氛。

图2 实验装置简图

2 结果与讨论

记录着火过程的最小时间间隔为1 ms。图3～图5为生物质颗粒在滴管炉中从着火到燃尽整个过程的火焰图片，图片下部的数字表示从记时时刻(着火发生时刻前1 ms)到图片拍摄的时间，单位为ms；1 ms即为颗粒着火时刻。判断着火时刻和燃尽时刻时，根据SIMES G等[7]的定义，先将拍摄到的火焰图片转化为灰度图，着火时刻即为颗粒灰度达到最大灰度的15%时，而燃尽时刻即为颗粒灰度与环境灰度相同时的前1 ms。

图3 稻谷壳在不同气氛下着火燃烧过程图片

图4 竹子在不同气氛下着火燃烧过程图片

图5 黄豆秆在不同气氛下着火燃烧过程图片

2.1 生物质着火机理

生物质颗粒的着火机理可以归纳为3种：均相着火机理、非均相着火机理和联合着火机理[9]。均相着火机理为生物质挥发分最先开始着火，然后生物质焦发生着火；非均相着火机理为生物质焦先于挥发分发生着火；联合着火机理为生物质挥发分和焦一起着火。从拍摄的图片上看，如果着火时刻的火焰形状明显不同于生物质颗粒本来形状(如帽形或者圆球形)，并且火焰形状随着时间迅速变大，则发生的着火为挥发分着火。如果着火时刻的火焰形状类似生物质本来形状，并且随着时间变化不大，则是生物质焦着火。

从图3可以看出：稻谷壳在O2摩尔分数小于或等于70%的气氛下为均相着火，释放的挥发分先于焦着火，其中挥发分火焰在O2摩尔分数为21%、30%的气氛下形成帽形火焰，而在O2摩尔分数为50%、70%的气氛下形成包裹颗粒的包络火焰；稻谷壳在O2摩尔分数为100%的气氛中则发生非均相着火，即焦先于挥发分着火。从图4可以看出：竹子在O2摩尔分数为21%、30%和50%的气氛下发生均相着火，其中挥发分火焰在O2摩尔分数为21%、30%的气氛下形成帽形火焰；而在O2摩尔分数为50%的气氛下形成包络火焰，竹子在O2摩尔分数为70%、100%的气氛下发生非均相着火，即生物质焦率先着火。从图5可以看出：黄豆秆在O2摩尔分数为21%的气氛下发生均相着火，形成包络火焰；黄豆秆在O2摩尔分数等于或者大于30%的气氛下发生非均相着火，即在生物质表面发生着火。

通过对生物质着火行为的分析可以得到生物质着火机理与生物质种类及O2摩尔分数的关系(见表2)。

表2 生物质着火机理与种类及O2摩尔分数的关系

O2摩尔分数的增加会使3种生物质的着火机理由均相着火机理转变为非均相着火机理，很多学者也在生物质和煤粉富O2气氛下着火的研究中得出该结果。CAI L等[10]通过数值模拟研究发现，导致煤粉在不同O2摩尔分数中着火机理改变的主要原因是着火时刻挥发分燃烧速率的显著降低和煤焦的燃烧速率显著增加。从表2可以看出：稻谷壳直到O2摩尔分数为100%时，才发生非均相着火。可能的原因是稻谷壳具有最高的灰分质量分数(16.35%)及最低的碳质量分数(37.35%)，这表明稻谷壳焦的活性相比其他2种生物质低，O2摩尔分数增加导致的焦反应速率增加程度低，直到O2摩尔分数为100%时，其生物质焦的燃烧速率才超过挥发分的反应速率。黄豆秆在较低O2摩尔分数(30%)下，着火机理从均相着火机理转变为非均相着火机理。MENG X X等[11]发现生物质的水分质量分数大于10%时，生物质焦的着火速率会显著增加，这与本研究中观察到的实验现象一致，黄豆秆的水分质量分数高达14.68%，这很可能是黄豆秆焦在O2摩尔分数为30%的气氛下发生非均相着火的原因之一。显然，O2摩尔分数可以导致生物质着火机理从均相着火机理转化为非均相着火机理，但是生物质焦的活性和生物质的水分质量分数对生物质着火机理转变的影响也是不可忽视的。

2.2 生物质着火距离

着火距离指生物质颗粒着火位置与滴管炉注入管出口之间的距离，对每种生物质选取至少100个着火事件来确定着火点位置。着火距离受到颗粒升温速率、环境气体成分及生物质组分的影响。图6为3种生物质在不同O2摩尔分数的气氛下的着火距离。从图6可以看出：O2摩尔分数的增加可以使颗粒着火提前。特别是当生物质处于均相着火时，O2摩尔分数的增加对着火距离的影响更加明显。在O2摩尔分数为21%的气氛下，3种生物质均为均相着火，着火距离从长到短依次为竹子、黄豆秆和稻谷壳。从表1可知：稻谷壳的灰分含量远大于黄豆秆和稻谷壳，其灰分中碱土金属的催化效应明显，所以其着火最快。根据AMUTIO M等[12-13]的研究，纤维素、半纤维素和木质素的热解活化能分别为115 kJ/mol、218 kJ/mol和35 kJ/mol，其中木质素热解的活化能最低，因此在相同的加热条件下，木质素最先开始分解。由于黄豆秆中的木质素含量高于竹子，导致黄豆秆能先于竹子发生着火。采用黑体炉辐射能测温法[14-15]测量得到生物质在O2摩尔分数为21%的气氛下均相着火发生时刻的颗粒温度，稻谷壳、竹子、黄豆秆的颗粒温度分别为1 217 K、1 221 K和1 218 K，3种生物质在着火时刻的生物质颗粒温差在5 K之内。这也表明了3种生物质颗粒的传热属性存在差异。稻谷壳与周围环境热交换效率最高，黄豆秆次之，竹子最低。

图6 生物质在不同O2摩尔分数的气氛下的着火距离

2.3 生物质燃尽时间

对生物质在增氧燃烧中的燃尽时间进行统计，图7为3种生物质在不同O2摩尔分数的气氛下的燃尽时间。由图7可以看出：对于3种生物质而言，O2摩尔分数的增加均可以增大燃烧速率，减少燃尽时间。从表1可知：竹子具有最高的挥发分含量和固定碳含量，因此燃烧所需要的时间也最长。尽管黄豆秆的挥发分含量略高于稻谷壳，但固定碳含量远低于稻谷壳，因此黄豆秆的燃尽时间短于稻谷壳。

图7 生物质在不同O2摩尔分数的气氛下的燃尽时间

3 结语

(1) 在O2/N2气氛下，随O2摩尔分数的增加，生物质着火机理由均相着火机理向非均相着火机理转变。竹子的着火机理发生转变时O2摩尔分数为70%；黄豆秆的着火机理发生转变时O2摩尔分数为30%；稻谷壳的着火机理发生转变时O2摩尔分数为100%。黄豆秆具有最高的水分质量分数，使得其着火机理转变时的O2摩尔分数最低；稻谷壳具有最高的灰分质量分数(16.35%)及最低的碳质量分数(37.35%)，使得其着火机理转变时的O2摩尔分数最高。

(2) 3种生物质的着火距离均随O2摩尔分数的增加而减小，并且这种影响随O2摩尔分数的增加而减弱。稻谷壳灰分中碱土金属的催化作用使得其着火距离最短，而黄豆秆中高木质素含量使得其着火距离短于竹子。

(3) 对3种生物质而言，O2摩尔分数的增加可以减少燃尽时间。竹子具有最高的挥发分含量及固定碳含量，燃尽时间最长；黄豆秆具有最低的固定碳含量，燃尽时间最短。