摘要：從生物質(zhì)燃料的灰熔融性和熱值兩個(gè)關(guān)鍵性的特性指標(biāo)著手，以玉米秸稈和水稻稻殼作為主要原料，用試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)和分析的方法，尋求混合生物質(zhì)顆粒燃料的優(yōu)化配方，提高混合生物質(zhì)顆粒的軟化溫度ST＞1400℃，有效地解決了玉米秸稈顆粒結(jié)渣問(wèn)題。對(duì)混合生物質(zhì)顆粒進(jìn)行了熱重試驗(yàn)研究和燃燒機(jī)理、動(dòng)力學(xué)特性分析，結(jié)果表明：混合生物質(zhì)顆粒具有易著火和單峰值熱解特性，燃燒性能良好。此研究為改善單一成分生物質(zhì)燃料的燃燒性能，推廣利用生物質(zhì)能提供指導(dǎo)性建議。

　　0引言

　　當(dāng)前，許多國(guó)家將開(kāi)發(fā)利用可再生能源作為能源戰(zhàn)略的重要組成部分，而生物質(zhì)作為一種可存儲(chǔ)的可再生能源，引起了世界各國(guó)的廣泛關(guān)注。

　　生物質(zhì)能資源豐富，約占世界能源總消耗的14%^[1]～[3]。將生物質(zhì)進(jìn)行壓縮固化，使其轉(zhuǎn)化為高品位燃料是生物質(zhì)能利用的重要方法。自20世紀(jì)30年代開(kāi)始，許多發(fā)達(dá)國(guó)家（如美國(guó)、日本、芬蘭、丹麥）都投入了大量人力、物力研究生物質(zhì)成型技術(shù)及顆粒燃料，80年代后期，該技術(shù)日趨成熟，形成了一定規(guī)模^[4]，[5]。我國(guó)由于起步較晚，對(duì)生物質(zhì)顆粒燃料燃燒所進(jìn)行的理論和應(yīng)用研究較少^[6]，技術(shù)進(jìn)步較慢。對(duì)生物質(zhì)固體顆粒燃燒過(guò)程中物理化學(xué)反應(yīng)機(jī)理尚不明確，灰渣的化學(xué)成分還不確定，結(jié)渣的原因有待于進(jìn)一步的分析。劉圣勇認(rèn)為，不同相對(duì)孔隙率的玉米秸稈成型燃料本身的空隙中含有的空氣對(duì)燃燒產(chǎn)生一定的影響，進(jìn)行的試驗(yàn)研究結(jié)果表明：在10～20MPa壓力下，玉米秸稈成型燃料具有較好的壓縮成型性能和燃燒性能^[7]，[8]。

　　馬孝琴針對(duì)秸稈燃燒過(guò)程中的沉積物和灰的化學(xué)元素進(jìn)行了分析，認(rèn)為秸稈灰中的堿金屬化合物與SiO₂反應(yīng)生成低熔點(diǎn)的共晶體，熔化的共晶體流動(dòng)、粘合形成結(jié)渣；提出了使用添加劑改變灰形成的化學(xué)過(guò)程、生物質(zhì)與其他燃料（燃煤）混燒、堿金屬脫除、適宜的鍋爐設(shè)計(jì)等研究方法^[9]。

　　筆者曾做過(guò)生物質(zhì)型煤方面的研究，生物質(zhì)型煤燃燒性能較好^[10]。我們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，摻有稻殼粉的玉米秸稈顆粒燃燒過(guò)程中結(jié)焦傾向小。而秸稈顆粒制造商是為了吸收秸稈擠壓成型過(guò)程中擠壓出的水分在物料中摻雜些磨米產(chǎn)生的副產(chǎn)品稻殼粉。對(duì)這種混合生物質(zhì)顆粒在燃燒過(guò)程中抗結(jié)焦性和燃燒特性并沒(méi)有進(jìn)行深入了解。針對(duì)這一現(xiàn)象我們進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

　　1混合生物質(zhì)顆粒燃料的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

　　目前，生物質(zhì)固體燃料有秸稈顆粒、稻殼棒、木質(zhì)顆粒等，大多為單一成分。玉米秸稈顆粒的總量比例較大，玉米秸稈顆粒在燃燒過(guò)程中有易結(jié)焦的問(wèn)題。為解決這個(gè)難題，我們利用不易結(jié)焦的稻殼粉、木屑摻混在秸稈粉中，進(jìn)行不同組分配比在不同成型條件下的混合顆粒性能試驗(yàn)研究。

　　選取玉米秸稈、稻殼粉、木屑為研究對(duì)象的原因，是因?yàn)橛衩捉斩挳a(chǎn)量占生物質(zhì)廢棄物總量的比重較大，且結(jié)焦問(wèn)題阻礙其應(yīng)用；大米是我國(guó)居民飲食中的主糧，其副產(chǎn)品稻殼粉在磨米廠堆積如山，成為磨米廠不易處理的東西。木屑具有很好的燃燒性能。采用長(zhǎng)沙三德實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的SDACM－3000自動(dòng)量熱儀、SDTGA－2000自動(dòng)工業(yè)分析儀和SDAF2000d灰熔融性自動(dòng)測(cè)試儀，進(jìn)行玉米秸稈、稻殼粉、木屑的熱值、工業(yè)分析、灰熔融性測(cè)定（試驗(yàn)氣氛均為氧化性），其數(shù)據(jù)如表1。

　　本試驗(yàn)取玉米秸稈與稻殼粉組合、成型溫度，成型壓力3個(gè)因素；每個(gè)因素取3水平，取值見(jiàn)表2。分析認(rèn)為，玉米秸稈和木屑的熱值都比較高，軟化溫度較低，且數(shù)值比較接近，木屑的灰分少，配比中木屑用量多，成本增加較大；水稻稻殼熱值相對(duì)較低，軟化溫度很高，不易結(jié)渣，水稻稻殼和玉米秸稈在熱值和灰熔融性方面具有互補(bǔ)性。

　　選用正交表L9（34）設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)方案，測(cè)試每個(gè)試驗(yàn)的密度及外觀品質(zhì)、灰熔融性、結(jié)渣特性，取其加權(quán)值為目標(biāo)函數(shù)。遵循NY/T1880-2010《生物質(zhì)固體成型燃料樣品制備方法》制取試樣，遵循NY/T1881.7-2010《生物質(zhì)固體成型燃料試驗(yàn)方法》第7部分：密度，檢驗(yàn)試樣的密度；遵照國(guó)標(biāo)GB/T219-1996《煤灰熔融性的測(cè)定方法》測(cè)定試樣的灰熔融性；燃料在鍋爐中燃燒的狀態(tài)是比較復(fù)雜的，鍋爐內(nèi)溫度場(chǎng)分布不同，氧分布也不均勻，大多數(shù)是氧化性氣氛中燃燒，也有局部地方通風(fēng)不良呈弱還原性氣氛燃燒，我們?cè)赟DAF2000d灰熔融性自動(dòng)測(cè)試儀中，利用該儀器的圖像采集系統(tǒng)和控溫系統(tǒng)，模擬鍋爐實(shí)際燃燒的氧化氣氛和弱還原氣氛，試樣加熱到1200℃取出，檢驗(yàn)其結(jié)焦性。試驗(yàn)結(jié)果表明：生物質(zhì)顆粒燃燒結(jié)渣性與其灰熔融性有很大的關(guān)聯(lián)，軟化溫度高，結(jié)渣傾向就小。經(jīng)過(guò)目標(biāo)函數(shù)的測(cè)算，F(xiàn)（2，2，2）組合為最優(yōu)，即75%玉米秸稈∶25%水稻稻殼的組分、成型壓力為32MPa、成型溫度為180℃狀態(tài)下，成型顆粒最好。其軟化溫度＞1400℃，焦渣特性與普通煙煤相近。熱值15053.87kJ/kg，高于當(dāng)前市場(chǎng)銷(xiāo)售的型煤熱值。

　　2混合顆粒的燃燒特性試驗(yàn)研究

　　燃燒特性是衡量燃料的重要指標(biāo)。很多人在研究生物質(zhì)固體燃料的燃燒特性時(shí)，基于使用的熱重分析儀器的要求，將固體燃料再粉碎成粉末，取其10mg左右質(zhì)量做熱重試驗(yàn)。我們認(rèn)為固體顆粒燃料粉碎后，與整體顆粒時(shí)揮發(fā)分析出的過(guò)程不同，燃燒過(guò)程中與氧分子接觸、反應(yīng)的過(guò)程不同^[8]。因此，得到的熱重曲線也就不同，燃燒特性也就不同。

　　我們做的混合生物質(zhì)顆粒的燃燒特性試驗(yàn)[11]是在自行研制的熱重實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行的，試驗(yàn)用顆粒與當(dāng)前市場(chǎng)銷(xiāo)售的玉米秸稈顆粒的形狀、大小、重量相近，見(jiàn)圖1。試驗(yàn)時(shí)不需將顆粒燃料粉碎，試樣質(zhì)量較大，試樣保持實(shí)際使用時(shí)的性狀。這樣在試樣熱解和燃燒過(guò)程中存在成型因素的影響。

　　熱重試驗(yàn)是在氧化性氣氛下進(jìn)行的，升溫速率β=10℃/min。試驗(yàn)中試樣由于受熱，伴有水分析出、揮發(fā)分分解析出，且隨著燃燒反應(yīng)的進(jìn)行，質(zhì)量逐漸減小。試樣質(zhì)量和試樣區(qū)域的溫度同步輸入計(jì)算機(jī)記錄和顯示，每隔1s測(cè)定一次，并繪制TG和DTG曲線。試驗(yàn)結(jié)果如圖2、圖3和表3所示。

　　表中參數(shù)說(shuō)明：TS為揮發(fā)分初始析出溫度，℃；Tmax為最大失重溫度，℃；TV為揮發(fā)分熱解、燃燒結(jié)束溫度，℃；Tf為燃燒基本結(jié)束溫度，℃；Tb燃燒全過(guò)程溫度范圍，℃；V∞為燃盡率，%；(dm/dt)max為揮發(fā)分最大失重速率，%/min。

　　為了便于分析，在圖表中引用了在同一熱重實(shí)驗(yàn)臺(tái)上做的玉米秸稈顆粒的熱重試驗(yàn)數(shù)據(jù)^[12]，成型條件一致。由于顆粒燃料在成型時(shí)表觀水分已經(jīng)揮發(fā)掉，其內(nèi)部水分隨溫度的升高緩慢析出，因此TG曲線和DTG曲線沒(méi)出現(xiàn)水分揮發(fā)的峰值。

　　由表1可知，生物質(zhì)顆粒中碳含量很少，僅為1.49%～2.52%，揮發(fā)分大量析出、燃燒，使炭粒充分接觸空氣中的氧和獲得熱量，焦炭的燃燒是連續(xù)進(jìn)行的，故TG曲線和DTG曲線沒(méi)出現(xiàn)碳燃燒的峰值；生物質(zhì)顆粒燃料的TG曲線和DTG曲線是單峰值的。

　　表3和圖2、圖3的試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，混合生物質(zhì)顆粒的揮發(fā)分熱解、燃燒失重峰比玉米秸稈顆粒的揮發(fā)分熱解、燃燒失重峰向右偏移，溫度提高29℃左右，峰值高度減小近50%，燃燒維持的溫度范圍增大約300%。這一結(jié)果說(shuō)明，玉米秸稈顆粒揮發(fā)分析出溫度較低，并且揮發(fā)分析出時(shí)即刻燃燒，前期揮發(fā)分燃燒速度很快，揮發(fā)分燃燒溫度集中在233～289℃內(nèi)；混合生物質(zhì)顆粒的揮發(fā)分析出溫度較玉米秸稈顆粒的揮發(fā)分析出溫度高27℃，前期揮發(fā)分燃燒速度也比較快，達(dá)到最大值后減緩下來(lái)，燃燒持續(xù)溫度范圍較寬，在260～426℃內(nèi)。

　　3混合生物質(zhì)顆粒的燃燒機(jī)理、動(dòng)力學(xué)特性分析

　　燃燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)是化學(xué)反應(yīng)中的一個(gè)分支，也遵循著化學(xué)反應(yīng)的經(jīng)典公式———阿累尼烏斯公式^[13]～[15]：

　　從動(dòng)力學(xué)參數(shù)的計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，在低溫區(qū)域，混合生物質(zhì)顆粒熱解、燃燒的活化能比玉米秸稈顆粒熱解、燃燒的活化能高，這與混合生物質(zhì)顆粒的揮發(fā)分析出和著火溫度均高于玉米秸稈顆粒是一致的。在碳燃燒區(qū)域，混合生物質(zhì)顆粒的活化能也比玉米秸稈顆粒的活化能有增加。分析認(rèn)為：混合生物質(zhì)顆粒由于加入25％的水稻稻殼，使混合生物質(zhì)顆粒中的固定碳和灰分的含量增加，達(dá)到8.63％，是純玉米秸稈顆粒固定碳和灰分含量（4.47％）的兩倍。

　　4結(jié)論

　?。?）試驗(yàn)證明，在玉米秸稈中摻混25%的稻殼粉，使混合生物質(zhì)顆粒燃燒過(guò)程灰行為發(fā)生改變，提高了灰的軟化溫度，達(dá)到1400℃，大大減小結(jié)渣傾向，說(shuō)明改善生物質(zhì)顆粒燃料的抗結(jié)焦性能，不限于僅采用添加劑的方法，本研究提出了以生物質(zhì)廢棄物的混合搭配方法，解決了玉米秸稈顆粒結(jié)渣問(wèn)題。

　　（2）混合生物質(zhì)顆粒的TG曲線和DTG曲線、動(dòng)力學(xué)分析計(jì)算結(jié)果表明：混合生物質(zhì)顆粒的揮發(fā)分析出溫度是比較低的，雖然比玉米秸稈顆粒的揮發(fā)分析出溫度高27℃，也只有260℃，且當(dāng)達(dá)到析出溫度后，前期揮發(fā)分的熱解和燃燒速度也比較快，很有利于燃料的著火；混合生物質(zhì)顆粒的DTG曲線峰值沒(méi)有玉米秸稈顆粒的DTG曲線峰值高，減小近50%，且燃燒維持的溫度范圍增大，揮發(fā)分析出、擴(kuò)散速度減緩，有利于二次風(fēng)的供應(yīng)與可燃物質(zhì)充分混合、反應(yīng)。同時(shí)爐內(nèi)溫度提高，增強(qiáng)了熱輻射能力，有利于焦炭充分燃燒。