纤维素、半纤维素和木质素对生物质燃烧行为影响研究

2022-05-05章海生

洁净煤技术 2022年4期

刘洋，姜通，邹春，章海生

(1.华中科技大学能源与动力工程学院，湖北武汉 430074；2.华中科技大学煤燃烧国家重点实验室，湖北武汉 430074;3.佛山市公用事业控股有限公司，广东佛山 528000;4.佛燃能源集团股份有限公司，广东佛山 528000)

0 引言

生物质能发展前景广阔[1-4]，合理充分利用生物质能受到广泛关注[5]。目前纯生物质直接燃烧和生物质掺混煤粉燃烧是生物质最主要的利用方式，可直接使用现有燃煤电厂，大大节约生物质利用成本。生物质发电技术一方面能缓解以煤炭、石油为主的化石能源的大量需求，另一方面由于生物质碳中性的特点，能大大减少温室气体排放。但生物质具有挥发分高、能量密度低等特点[6]，其着火燃烧特性不同于煤粉等固体燃料。因此，对生物质的着火和燃烧特性进行深入研究是大规模应用生物质发电技术的前提。

GANI等[7]和LYU等[8]分别利用热重分析仪研究了空气中纤维素、木质素对生物质热解和燃烧的影响。结果表明，生物质的挥发分燃烧与纤维素分解有关，焦燃烧阶段与木质素分解有关，且纤维素的多孔状和木质素的块状结构会影响热解速率，纤维素含量越高，热解速率越快，木质素含量越高，热解速率越慢。WU等[9]采用热重分析仪和Kissinger-Akahira-Sunose方法研究了烟煤与生物质模型组分共热解热行为的协同效应，发现煤和3种模型化合物共混物的活化能的非加性，活化能的变化与共热解焦固体结构的变化有关，表明木质纤维素生物质与煤共热解过程中的协同效应是由3种模型化合物的竞争效应引起。CAO等[10]采用热重试验研究三组分相互作用对生物质着火的影响，发现木质素、半纤维素和纤维素的着火温度分别为405、370和410 ℃，认为通过三组分质量分数可精准预测生物质燃料的着火行为。热重分析法是研究生物质三组分之间相互作用的重要手段[11-14]，但通常热重分析仪的升温速率很低，与实际工业锅炉条件生物质的着火及燃烧存在较大差异，因此使用升温速率更快的设备研究生物质的着火及燃烧成为研究热点。

WANG等[15]在滴管炉中研究了粉末状单颗粒三组分在空气中对生物质燃料着火机理的影响，研究表明较低的木质素含量使生物质的着火行为为非均相着火，木质素含量增加会使生物质由非均相着火转变为均相着火。

已有部分学者采用热重分析法或滴管炉对生物质的着火行为及三组分相互作用进行研究，但鲜见高升温速率下生物质中三组分及其结构特性对生物质燃烧行为的影响研究。笔者利用Hencken燃烧器，结合高速摄像仪，采用图片分析及温度测量方法，研究生物质三组分及其混合物的燃烧行为，并与实际生物质燃烧行为进行对比，分析了生物质中三组分的结构特性对着火及燃烧过程的影响。

1 试验与方法

1.1 试验装置

试验台架由一个多元件非预混火焰Hencken燃烧器、质量流量计、一台高速摄像机和电动平移台组成，如图1所示。燃烧器由一个陶瓷蜂窝(截面积:49.1 mm×49.1 mm)和数百根内径0.8 mm、外径1.2 mm的不锈钢管组成。这些不锈钢管可以产生数百个非预混火焰，在燃烧器上方形成稳定均匀的高温热流，为样品的燃烧提供稳定的高温环境。设定空气的流量36 L/min，甲烷流量1.1 L/min，在燃烧器上方10 mm处用热电偶测定火焰温度为1 500 K左右。采用高速摄像机记录整个燃烧过程，拍摄速度为50帧/s，曝光时间为16.67 ms。

图1 试验台架示意Fig.1 Schematic diagram of the experimental facility

试验开始时将样品置于电动平移台上固定陶瓷棒的前端，当电动平台开始带动样品向燃烧器方向移动的同时，高速摄像机开始拍摄，直到陶瓷棒上方的样品燃尽为止。上述过程记为一组试验，每种样品重复3组。

1.2 试验样品制备

试验样品的制备流程分为筛分、称量和压片。纤维素、半纤维素和木质素购买于Sigma-aldrich公司，为排除碱金属对燃烧行为的影响，木质素采用脱碱木质素，三组分的工业分析和元素分析见表1。对于原始的生物质三组分样品，首先使用筛分仪进行筛分，获得粒径0.075～0.150 mm的生物质三组分，然后使用天平对纤维素、半纤维素和木质素样品分别进行称量，保证每次压制成型的样品质量为0.045 g。随后使用压片机以2 MPa压力压制称量好的生物组三组分，获得直径5 mm的生物质三组分样品。

表1 生物质三组分的工业分析和元素分析Table.1 Proximate and ultimate analysis of the three components of biomass

稻杆、竹子和板栗壳的工业分析、元素分析和生物质三组分含量见表2。生物质三组分测量方法可参照文献[16]。样品制备流程与三组分样品制备流程相同。模拟生物质，即三组分按生物质中的比例进行掺混得到的三组分共混物，其样品制备流程同生物质一致。

表2 3种生物质的工业分析、元素分析和三组分含量Table 2 Proximate，ultimate analysis and three-component content of three kinds of biomass

获得筛分后粒径0.075～0.150 mm的生物质三组分后，为使共混物中各组分混合均匀，达到试验要求的掺混比，减小试验误差，引入锥进四分法[17]，根据实际生物质中所含三组分质量分数制备对应的模拟生物质。

通过辐射能测温技术对试验获得生物质着火燃烧的温度场进行计算，具体实施方法可参照文献[15]，采用黑体炉对温度进行标定，对比标定公式计算的温度与实际温度，发现误差在±20 K以内，因此测温方法可以满足本试验的精度要求。

2 生物质三组分着火及燃烧特性分析

2.1 着火时刻的定义

将试验中获取的的燃烧图片转变成灰度图，如图2所示。由图2可知，着火发生时刻图片的灰度值约为最大灰度值的12%。这与SIMES等[18]的研究结论相符，研究认为着火时刻图片的灰度为对应图片最大灰度的10%～15%。因此，研究中，以首张灰度值到达最大灰度的12%时，定义为该工况下着火发生的时刻。

图2 纤维素着火时刻灰度图片Fig.2 Grayscale picture of cellulose ignition

2.2 三组分的着火行为

纤维素的着火过程如图3所示，图片下方数值代表图片对应的帧数(定义着火时刻为第1帧)。由图3可知，纤维素着火过程分为2个阶段：分别为挥发分燃烧阶段与焦燃烧阶段。由于纤维素挥发分中的易燃物质H2和CH4含量相对较低[19]，因此挥发分燃烧的火焰并不剧烈；接着焦着火发生后，由于纤维素焦的碳含量较高，形成大量碳烟，火焰呈亮白色。通过拍摄的图片不仅可以观察到研究物质的着火行为，也可以判断着火延迟时间及着火温度等燃烧行为。

图3 纤维素的着火过程Fig.3 Ignition process of cellulose

对于半纤维素，大颗粒半纤维素在高升温速率下，着火过程也分为挥发分燃烧与焦燃烧2个阶段。半纤维素在着火初期，颗粒温度较低时会热解形成焦油，相比纤维素，半纤维素的着火阶段因为有液体焦油形成[12]，因而更早发生焦着火。

对比木质素与纤维素、半纤维素的着火过程，可以观测出，在燃烧初期，相同时间内木质素的挥发分火焰面积扩大幅度最小，这是因为木质素挥发分释放速度慢，但木质素焦最先着火，这一结论与王廷旭等[20]研究结果一致。此外，纤维素焦和半纤维焦着火后，亮度急剧增强，而木质素焦着火后，其亮度增强相对缓慢，其挥发分燃烧更加稳定，燃烧后期才会出现亮度迅速增大，这可能是由于木质素释放挥发分的速度较慢，燃烧难以在少量焦中快速传播，导致温度未急剧上升。焦着火后，随温度升高，焦燃烧区域的亮度才会迅速增大。

2.3 生物质三组分着火延迟时间

基于高速摄像仪拍摄的图片，分别计算纤维素、半纤维素和木质素的着火延迟时间。着火延迟时间的计算公式为：Δt=(t1-t2)/50；Δt为着火延迟时间；t1为颗粒着火时的帧数；t2为颗粒到达燃烧器火焰边缘的帧数。

纤维素、半纤维素、木质素着火延迟时间对比如图4所示，试验测得的纤维素、半纤维素和木质素各自着火延迟时间分别为7.52、4.16和2.08 s。显然，纤维素的着火延迟时间是木质素的3倍以上，这是由三组分的组成及结构差异引起。虽然木质素的脱挥发分速率最慢，但由于木质素热解温度最低[21]，且试验所用木质素颗粒直径较大，挥发分中可燃物质含量高，木质素灰分高达18.71%，灰分中碱金属的催化作用有利于着火[22-24]，因此木质素着火最快。纤维素脱挥发分速率最快，但由于挥发分中可燃质的含量最低，因此着火最慢。由于半纤维素热稳定性是生物质三组分中最差，在非常高的升温速率下，液化非常快，使其着火早于纤维素。

图4 纤维素、半纤维素、木质素着火延迟时间对比Fig.4 Comparison of ignition delay time of cellulose,hemicellulose and lignin

2.4 生物质三组分燃烧过程的温度变化

纤维素、半纤维素和木质素火焰峰值温度随帧数变化曲线,如图5所示。从图5可以看出，纤维素在前70帧峰值温度稳定在750～800 K，该段时间为挥发分燃烧。第70帧后，纤维素的峰值温度急剧上升，在20帧以内温度由800 K快速增长到1 000 K以上，燃烧进入纤维素焦燃烧阶段。至第92、93帧，纤维素燃烧的火焰图片色彩饱和，达到辐射能测温技术计算温度的上限。

图5 纤维素、半纤维素、木质素火焰峰值温度随图片帧数的变化Fig.5 Variation of the peak flame temperature of cellulose,hemicellulose,and lignin with the number of picture frames

对于半纤维素，从着火开始到第40帧是半纤维素的挥发分燃烧阶段，半纤维素在该阶段的温度明显高于纤维素，这可能是半纤维素产生的焦油挥发分燃烧导致。在第41帧对应的时刻，半纤维素发生焦着火。半纤维素左侧形成外部亮黄色、内部亮白色的焦着火火焰，火焰的峰值温度也大幅度提高。此后，半纤维素燃烧火焰开始变得不稳定，可能是由于焦油的燃烧和大面积的焦着火，同时半纤维素的熔化变形加剧。第50帧后，半纤维素颗粒融化为球形并呈下坠趋势(半纤维素和木质素的燃烧过程图片没有展示)。到达第57帧，半纤维素燃烧的火焰图片达到饱和。

木质素焦燃烧后的升温速率不同于纤维素和半纤维素，呈相对平缓持续升温的状态。由于温度高且木质素的焦易着火，木质素挥发分燃烧在第21帧对应的时刻即引发了木质素焦着火(相比于纤维素和半纤维素更早)。此外，焦燃烧过程中，由于木质素的挥发分释放速率随温度升高逐渐升高，成焦速率也逐渐提高，升温速率加快，导致木质素燃烧的火焰在第35帧达到最高温度点(相比于其他两组分更早)，木质素着火后温升速率最快。

分析生物质三组分的燃烧过程和峰值温度曲线可以发现，生物质三组分着火初期的燃烧过程分为2个阶段：挥发分燃烧阶段和焦燃烧阶段，其中挥发分燃烧阶段三组分的温度上升较慢，燃烧比较平稳；焦燃烧阶段温度上升较快，燃烧较为剧烈。

3 实际生物质与模拟生物质的燃烧特性对比

3.1 实际生物质与模拟生物质着火延迟时间

3种实际生物质(稻杆、竹子、板栗壳)与其对应模拟生物质的着火延迟时间如图6所示。可知对于每种生物质样品，实际生物质的着火延迟时间要长于模拟生物质，这可能是由于生物质中木质素的块状结构和纤维素的多孔状特性造成的差异。另外，实际生物质中碱金属也能影响生物质的着火行为，但通常认为碱金属能促进生物质的脱挥发分速率，促进着火[22-24]。对于实际生物质，稻杆的着火延迟时间最长，竹子最短；对于3种模拟生物质，其着火延迟时间随木质素含量的增加而不断降低，这也进一步验证了木质素着火延迟时间最短的结论。

图6 实际生物质与模拟生物质着火延迟时间对比Fig.6 Comparison of ignition delay time between actual biomass and simulated biomass

3.2 实际生物质与模拟生物质着火延迟时间

稻杆和模拟稻杆的火焰峰值温度随图片帧数的变化如图7所示。稻杆燃烧初期温度变化较小，基本保持稳定，在20帧左右温度快速上升，迅速达到计算温度的上限。模拟稻杆燃烧过程同样表现出燃烧前期较稳定，在51帧左右突然上升到计算温度上限，且模拟稻杆的温度曲线在纤维素和半纤维素之间变化。与此同时，试验还观测到稻杆达到温度峰值的时间明显短于模拟稻杆。

图7 稻杆和模拟稻杆火焰峰值温度随图片帧数的变化Fig.7 Variation of flame peak temperature of rice stalk and simulated-rice stalk with the number of picture frames

3.3 竹子与模拟竹子燃烧过程的温度

竹子和模拟竹子的火焰峰值温度随图片帧数的变化如图8所示。由图8可知，竹子与模拟竹子燃烧过程的温度变化趋势相近，在燃烧初期2样品的温度变化较小，基本保持稳定，在70帧左右温度快速上升，迅速达到计算温度的上限。此外，竹子和模拟竹子的温度曲线位于纤维素和半纤维素温度曲线之间。值得注意的是，在燃烧初期(前60帧)，竹子燃烧过程的温度明显低于模拟竹子，根据第2章结论(燃烧初期半纤维素的温度最高)，认为相对于竹子，模拟竹子在燃烧前期有更多的半纤维素燃烧，竹子样品存在木质素的包裹结构，燃烧初期半纤维素燃烧受到抑制；模拟竹子样品由于三组分均匀混合，半纤维素燃烧充分，因此模拟竹子燃烧温度明显高于竹子。

图8 竹子和模拟竹子火焰峰值温度随图片帧数的变化Fig.8 Variation peak flame temperature of bamboo and simulated-bamboo with the number of picture frames

3.4 板栗壳与模拟板栗壳燃烧过程的温度

板栗壳和模拟板栗壳的火焰峰值温度随图片帧数的变化如图9所示。由图9可知，燃烧初期(前13帧)板栗壳温度基本保持在稳定状态，25帧后温度快速上升，迅速达到计算温度的上限。对于模拟板栗，前90帧其温度基本保持稳定，90帧后温度快速上升，迅速达到计算温度的上限。需要注意的是，板栗壳和模拟板栗壳燃烧过程温度变化存在巨大差异。一方面板栗壳样品由于生物质的结构特性，木质素优先热解燃烧，另一方面板栗壳样品中木质素含量较高，其燃烧温度曲线和木质素的燃烧温度曲线接近。对于模拟板栗壳样品，由于三组分均匀混合燃烧，纤维素热解释放的挥发分大量包裹在颗粒周围，导致木质素热解产生的焦难以接触到氧气。因此模拟板栗壳样品的火焰温度曲线呈现与模拟稻杆、模拟竹子类似的特性，即存在较长时间的温度稳定状态和温度陡增点。

图9 板栗壳和模拟板栗壳火焰峰值温度随图片帧数的变化Fig.9 Variation of peak flame temperature of chestnut shell and simulated chestnut shell with the number of picture frames

3.5 3种实际生物质燃烧过程的温度

3种实际生物质的火焰峰值温度随图片帧数的变化如图10所示。由图10可知稻杆样品和板栗壳样品温度变化曲线类似，在前20帧左右温度较为稳定，30帧左右出现温度陡增点，到达试验所能测量的温度饱和点较快。与此同时，在前20帧稻杆的火焰温度明显低于板栗壳。相比稻杆样品，板栗壳样品中木质素含量较高，由于生物质的结构特性，木质素包裹在样品外侧，燃烧初期板栗壳样品中木质素提供大量挥发分，由于木质素燃烧速度较快，在较短时间内温度升高较快。而稻杆样品中纤维素占比较高，纤维素在燃烧初期温度较低，因此燃烧初期板栗壳的燃烧温度比稻杆高。对于竹子样品，其与稻杆和板栗壳样品的温度曲线的不同。燃烧初期，竹子样品出现了较长时间(70帧左右)的温度较稳定的阶段，在70帧左右出现温度陡增点，这一现象和WANG等[25]试验结果一致，出现这一现象的原因可能是竹子样品本身的结构特性。