生物质燃烧和阴燃过程对比

罗 冰,何 芳,高振强,李永军,王丽红,张永健

(山东理工大学农业工程与食品科学学院,山东淄博255091)

生物质燃烧和阴燃过程对比

罗 冰,何 芳,高振强,李永军,王丽红,张永健

(山东理工大学农业工程与食品科学学院,山东淄博255091)

为了明确生物质燃烧和阴燃的共性和差异,分类总结了生物质燃烧和阴燃过程的特点,得出大颗粒生物质燃烧过程和自然对流条件下生物质粉正向阴燃物理过程近似的结论.对比了这两种过程的物理化学反应特性、传输机理及边界条件,得出结论：两种过程干燥、热解等物理化学反应机理相同,炭氧化过程稍有差异、边界条件差别很大.

燃烧；阴燃；生物质；化学反应；传输机理；边界条件

燃烧是指伴有强烈发热发光的快速氧化反应,燃料有固体、液体、气体三种.阴燃［1］是指缓慢低温无焰的燃烧过程,由氧化剂直接和固体反应放热维持,一般存在于松散的固体堆积物或大颗粒多孔固体内部,如纤维、棉花、烟丝、锯末、海绵、煤堆、木头等.

由于生物质本身为多孔固体燃料,不同条件下大颗粒生物质及其粉体堆积物都可实现燃烧和阴燃.生物质燃烧和阴燃广泛存在于生物质能［2-3］应用、垃圾焚烧［4］和各类火灾中,两者既有差异,又有共性,了解两种过程的异同,可以为拓展燃烧和阴燃共性问题研究方法,以及研究结果的适用性提供参考.目前还没有这方面的对比资料,本文拟对生物质燃烧和阴燃过程进行对比.

1 生物质燃烧过程和阴燃过程的分类和特点

1.1 生物质燃烧过程的分类及特点

生物质燃烧方式主要可分为悬浮床、流化床和固定床燃烧,相应的生物质原料尺寸分别为1mm以下,2～5 mm和5～500 mm［5］.由于生物质的纤维特性,其粉碎成本较高,且许多用于煤粉碎的设备不适用于生物质粉碎［6］.另外,大颗粒燃烧时气体净化成本低,因此大颗粒(＞2mm)生物质的直接燃烧目前和将来都会广泛应用.

生物质粉体燃烧和大颗粒生物质燃烧过程的对比如图1所示,都经历干燥、氧化热分解产物燃烧和炭氧化三个阶段,这三个阶段在颗粒燃烧过程中会有所重叠.颗粒越小,这三个阶段重叠的越少.因此,生物质粉燃烧过程的分析常采用集总参数法,认为生物质粉的细小颗粒在燃烧过程是均匀的,先后经历热解、干燥和炭氧化三个阶段.而大颗粒生物质燃烧过程的计算要复杂很多［7］.

图1 生物质燃烧过程示意图

1.2 生物质阴燃过程的分类及特点

生物质阴燃按温度峰移动方向和物料内部氧化剂［8］传播方向可分为正向阴燃和逆向阴燃,如图2所示.正向阴燃是指氧化剂流动方向和温度峰移动方向一致,逆向阴燃时,两者方向相反.正向阴燃常发生在堆积物料由外向内的阴燃过程中,如物料外部点火后的蔓延及森林火灾的余火等.逆向阴燃常发生在堆积物料内部热量积累后的自燃过程.

图2 正向阴燃和逆向阴燃示意图

何芳［9］等人按气体在多孔介质中的流动情况,将阴燃分为强迫对流阴燃和自然对流阴燃,如图3所示.

图3 自然对流和强迫对流条件下阴燃示意图

强迫阴燃中多孔介质内部流体的流动由泵、风机(或抽烟时人的抽吸作用)等外力驱动.自然阴燃中多孔介质内部流体的流动是由内部自然形成的温度压力差驱动.由于自然条件下,气体很难通过多孔介质内部,所以强迫阴燃一般发生在吸烟过程或对阴燃研究的实验过程中［10］.这个分类方法需要和图4所示的按多孔介质外部流体的流动是自然对流还是强迫对流［11］区分,外部流动特点只能改变边界条件,对过程性质的影响较小.

图4 物料外部自然对流和强迫对流条件下阴燃示意图

1.3 总结

显然,阴燃的种类繁多,强迫阴燃、逆向阴燃过程和颗粒燃烧过程特性差异显著.只有自然对流条件下的正向阴燃和大颗粒燃烧相近.氧化剂从外界扩散至物料内部；物料中干燥、热解、炭氧化过程重叠进行；反应产物气体经物料表面流出；物料传输过程都是由于内部反应产生的温差、压差等引起.下面将详细对比这两个过程的异同.

2 大颗粒生物质燃烧和自然对流条件下生物质粉体正向阴燃对比

如果作一维简化处理,理论上大颗粒生物质燃烧和自然对流条件下生物质粉体正向阴燃的结构如图5所示.

在生物质颗粒(粉体堆积物)中,由外至内依次是灰分层、炭层、热解层、湿物料层.在炭层发生碳的氧化或气化反应、热解层发生热解反应、湿物料层发生干燥过程.物料内部多孔介质中有热量、动量和质量传输,同时,物料通过外表面与外部环境进行热量、质量和动量的交换.这些传输都是由于物料反应自发引起的.另外,两种过程都存在收缩.下面对两种过程的各个方面进行对比.

图5 一维大颗粒生物质燃烧和自然对流条件下生物质粉阴燃的对比

2.1 物理变化和化学反应

干燥：生物质原料的含水率会因原料来源、气候和环境等有很大不同［12］.在燃烧和阴燃时,物料要经历干燥阶段.生物质燃烧时,燃烧室温度一般在1 000℃以上［13］,物料内部最高温度一般在800℃以上［14］.阴燃时,物料内部最高温度也可达700℃［12］.因此,生物质燃烧和阴燃是物料内部的干燥,均属于高温环境下的干燥.这种干燥过程一般由热传输控制,表现为干燥集中在极薄的面上,称为干燥面［15］,一般用面反应模型来描述.

热解：在自然对流一维正向阴燃过程中,氧气要想到达热解层,必须要经过炭氧化区.由于炭氧化区的高温,绝大部分氧气和炭发生反应而被消耗,难以到达热解区域.大颗粒燃烧过程是类似的,两者均在近似绝氧条件下进行生物质热解.生物质热解的研究过去几十年有了相当的发展,出现了数以百计的热解动力学模型,Diblasi［16］对此进行了系统的总结.阴燃和燃烧计算中的热解动力学方程大多从这些文献中选取［17-18］,两者选取原则并无明显区别.

炭氧化(消耗)：生物质粉阴燃和大颗粒生物质燃烧炭氧化是否类似目前存在一些争议.阴燃过程中,生物质的炭消耗是以不完全氧化为主［19］,如式(1)所示,为强放热反应.

而大颗粒生物燃烧过程中,受碳燃烧和煤燃烧相关理论分析的影响,有些研究者认为,其炭消耗过程主要是碳和二氧化碳发生反应或和水蒸气发生反应［14］,如式(2)和式(3)所示,生成的气体产物在气相中燃烧.这两个反应均为强吸热反应.

由于生物质大多含有一定灰分,燃烧时灰分层会大大降低环境对炭层的传热速率,难以有热量保证炭层强吸热反应.因此,本文作者［7］以及许多研究者［13］认为生物质燃烧时炭的消耗也是以不完全氧化为主,即可以用式(1)表示.

大颗粒生物质燃烧和自然对流条件下生物质粉体正向阴燃时都涉及物料内部的热量、质量和动量传输,且这些传输的动力均为反应引起的物料内部的温度差和气体浓度差等.因此,这些传递过程是类似的,许多文献中对这些过程的计算均采用相同的关联式.

当然,生物质颗粒和生物质粉床层内部孔隙尺寸不同,前者数量级为10―5m［17］,后者为10―4m［19］.两者热量、质量和动量传输过程阻力大小有一定差异.

2.2 边界条件

生物质燃烧一般发生在燃烧室内,环境温度高,至少600℃以上.由于气体燃烧反应消耗一定的氧气,因此环境氧浓度低.而阴燃正好相反,一般发生在露天,环境温度低,氧气浓度高.这是两者最显著的区别.

3 结束语

生物质颗粒燃烧过程和自然对流条件下生物质粉正向阴燃物理过程近似.两者在干燥、热解及内部质量、热量、动量传输方面机理相同.虽然在炭消耗过程机理方面存在争议,但炭的不完全氧化应该是炭消耗的主要途径.两者在热量、质量和动量传输过程阻力大小方面有一定差异,边界条件明显不同.

可以尝试使用阴燃的方法研究大颗粒燃烧过程干燥、热解、炭消耗、传输等行为,为拓展燃烧和阴燃共性问题研究方法以及研究结果的适用性提供参考.

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(编辑:郝秀清)

Comparison of biomass combustion and smoldering

LUO Bing,HE Fang,GAO Zhen-qiang,LI Yong-jun,WANG Li-hong,ZHANG Yong-jian
(School of Agricultural Engineering and Food Science,Shangdong University of Technology,Zibo 255091,China)

In order to clarify the similarities and differences between biomass combustion and smoldering,characteristics of the two processes have been reviewed.It showed that the combustion of a large biomass particle is similar to the natural convection forward smoldering of piled biomass powder.Chemical reaction characteristics,transport mechanisms and boundary conditions are compared between two processes.It showed that the reaction mechanisms of drying,pyrolysis of the two processes are the same.There is a slight difference in mechanism of char oxidation and a significant difference in boundary conditions between the two processes.

combustion；smoldering；biomass；chemical reactions；transport mechanism；boundary conditions

1672―6197(2013)01―0021―04

TQ91

A

2012- 12- 06

国家自然科学基金资助项目(51076087)；山东省中青年科学家奖励基金资助项目(BS2010NJ015)

罗冰,男,luobing1960@126.com；通信作者：何芳,女,hf@sdut.edu.cn