桃木质成型燃料燃烧特性研究

鱼银虎,崔海婷,宋 静

(运城学院，山西 运城 044000)

0 引言

生物质能是绿色植物利用光合作用形成有机物，把太阳能转变为化学能，是一种可再生的绿色能源[1-3]。随着常规能源供应的紧缺和价格的不断上涨，合理开发利用可再生的生物质资源，将其转化为优质燃料，已越来越引起人们的重视[1-3]。以生物质为原料打造新的能源产业，不仅解决了长期以来生物质的浪费，同时还增加了农民的收入，而其清洁燃烧则可以代替煤炭，作为供能燃料，有利于区域环境的改善[3]。农作物秸秆本身体积能量密度低，运输、燃用不方便，直接燃烧热效率低，但经破碎后在热压成型机上可制成生物质成型燃料(Biomass Moulding Fuel，简称BMF)[2,3]，密度可达1.0～1.2 g/cm3，运输、贮存方便，成型之后不仅能量密度值是未加工前的数倍，而且直接燃烧后所排放的污染物少，远远低于化石能源[2,3]。可以看作是一种环保煤炭，一种新型的清洁能源，因此可以大规模推广使用。

山西运城当地种植了大面积的桃树，每年都会有大量的桃枝产生。直接燃烧易引起火灾，既浪费能源又污染环境，如果能够将其作为生物质燃料利用起来，将会解决这一难题。本文利用热重分析仪研究桃木成型生物质颗粒在不同升温速率过程中燃烧特性，为后续桃木质成型燃料的深入研究提供一定的参考依据。

1 实验部分

1.1 实验原料

原料为山西运城当地桃树的枝杆，将原料带回实验室之后用蒸馏水洗净，置于真空干燥箱在100℃下干燥24h，取出后研磨成很细的粉末，通过压缩机压缩成型，收集备用。

1.2 热重测试

采用德国NETZSCH公司生产的STA 449F3型同步热分析仪对成型生物质原料进行热重分析测试。测试条件：参比样为空氧化铝坩埚，每次样品质量约10mg，吹扫气体为30mL/min的氧气和氮气混合气体(流量比1∶5)，分别采用10、20、30℃/min的升温速率从室温加热至800℃。

2 实验结果及讨论

2.1 热重实验分析

图1(a)和(b)分别为桃木质成型燃料在空气氛围下以10℃/min升温至800℃的TG和DTG测试曲线。桃木质成型燃料主要由纤维素、半纤维素和木质素等有机物构成。热分解产物包括可燃气体、液体焦油和固体焦炭[4-6]。一般生物质的燃烧过程分为生物质的脱水、有机物热解挥发、焦炭燃烧3个阶段[4-6]。由图1(a)中TG曲线分析得出桃木质生物成型燃料的质量变化符合文献报导，其燃烧失重过程明显分为干燥脱水、半纤维素和纤维素热解燃烧、木质素热解燃烧和焦炭燃烧4个阶段。其中干燥脱水是由于前期处理只是在100℃下干燥24h，内部的结晶水需在更高的温度100℃以上进一步挥发；半纤维素和纤维素热解燃烧阶段温度范围为248～343℃，该温度区间失重率约50%；木质素热解燃烧阶段温度范围为343～429℃；焦炭燃烧阶段温度范围为343～630℃，与木质素热解燃烧阶段有重叠，失重率约41%。各区间无明显界限，彼此交叉，最终试样剩余6%～7%，与其工业分析中灰分比例相吻合。图1(b)中DTG曲线出现两个明显的失重峰328℃和428℃，分别对应半纤维素、纤维素的热解燃烧和木质素转化焦炭并燃烧的失重峰。438℃时又出现一个小的波峰，这是因为桃木的木质素含量较高，生成的焦炭较多，在前一个阶段燃烧不彻底，之后又继续燃烧所造成的。DTG曲线的峰值代表燃烧速率的最大值，428℃峰值最大最窄可见木质素转化焦炭并燃烧更为剧烈。

2.2 不同升温速率对燃烧特性的影响

图2为桃木质成型燃料分别在10、20和30℃/min加热升温速率下的热失重曲线。由图可知，随着温度的逐渐升高，样品都有一个微失重的脱水过程，只是随着升温速率的加快，脱水终点温度向高温偏移，这是因为生物质燃料导热性较差，内部温度上升缓慢所致。对于10℃/min的TG曲线主要失重温度范围是248～438℃，而30℃/min的TG曲线主要失重温度范围是260～474℃，亦是因为内部温度上升缓慢所致。

图3为DTG曲线，结合图2可知在248～500℃dm/dt值变化最大，说明在此温度范围内，是生物质燃烧失重的主要阶段。升温速率不同，完成热解所需的温度范围不同。速率增大，范围减小，主要因为燃烧放热反应更加集中，30℃/min的升温速率下，在353℃和408℃时反应最为剧烈。

2.3 燃烧特征参数计算

燃烧稳定性判别指数RW：判定燃料燃烧稳定性。RW越大，表明生物质燃料的燃烧稳定性越好。计算所需基准参数为碳粉热分析测定参数[7-9]。

(1)

式中：655-碳粉的着火温度，℃；763-碳粉燃烧速率最大时的温度，℃；Ti-着火温度，℃；Tm-最大失重速率温度，℃；(dm/dt)max-最大燃烧速率，mg/min；8.73-碳粉的最大失重速率，mg/min；RW-燃烧稳定性判别指数，mg/(min/K2)。

采用TG切线法[9,10]来确定着火温度，如图2所示。计算得到桃木生物质燃料在不同升温速率下的着火点温度Ti如表1所示。燃尽温度Th、最大失重速率温度Tm和最大燃烧速率(dm/dt)max用NETZSCH Proteus热分析软件计算得到[10,11]。

据式1计算得出不同升温速率下的燃烧稳定性判别指数RW见表1。可以看出，升温速率为30℃/min时，桃木颗粒的燃烧稳定性最好。

表1 不同升温速率下的燃烧特征参数

综合燃烧特性指数SN：评价成型生物质颗粒的燃烧情况[12, 13]。SN值越大，燃烧特性越佳，表明生物质燃料品质越佳[12, 13]。

(2)

式中：SN-综合燃烧特性指数；(dm/dt)mean-平均燃烧速率，用NETZSCH Proteus热分析软件计算得到，mg/min；Th—燃尽温度，℃。

表1中不同升温速率下的综合燃烧特性指数表明，随着升温速率的增大，燃烧特性指数SN值也增大，说明提高升温速率可以提升燃料品质。

3 结论

(1) 桃木质成型燃料燃烧过程主要包括室温至248℃的干燥脱水；248～343℃区间的半纤维素和纤维素热解燃烧；343～630℃区间的焦炭燃烧三个阶段，各区间无明显界限，彼此交叉，燃烧灰烬约占6%～7%。

(2) 空气氛围下，桃木质成型燃料的着火点温度随着升温速率的增大而略向高温偏移，燃烧反应更加集中，30℃/min的升温速率下，着火点温度为260℃，在353℃和408℃时反应最为剧烈。

(3) 燃烧稳定性判别指数RW和综合燃烧特性指数SN表明，随升温速率的增大，会促使RW和SN也增大，表明增大升温速率可以使生物质的燃烧更稳定更加高效。