生物質(zhì)燃燒特性分析

1、生物質(zhì)燃燒特性分析實(shí)驗(yàn)報(bào)告華中科技大學(xué)煤燃燒國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室年 月目錄1. 前言12. 主要試驗(yàn)內(nèi)容與試驗(yàn)方法13. 試驗(yàn)結(jié)果與分析33.1 生物質(zhì)樣品工業(yè)分析33.2 生物質(zhì)樣品元素分析43.3 生物質(zhì)樣品堆密度43.4 生物質(zhì)灰成分分析43.5 生物質(zhì)樣品灰熔融特性53.6 生物質(zhì)樣品燃燒特性分析63.7 生物質(zhì)樣品著火、燃盡特性評(píng)價(jià)63.8 生物質(zhì)樣品的結(jié)渣特性評(píng)價(jià)7附錄 生物質(zhì)灰熔點(diǎn)分析9附錄 生物質(zhì)燃燒特性分析14201. 前言為滿足 秸稈生物質(zhì)發(fā)電廠的設(shè)計(jì)需求，華中科技大學(xué)煤燃燒國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室受 項(xiàng)目的委托，對(duì)收集的稻桿和油菜桿、棉稈3種生物質(zhì)樣品以及它們的混合樣品的物化特性與燃燒特

2、性進(jìn)行測(cè)試分析，進(jìn)而以生物質(zhì)的燃燒試驗(yàn)為基礎(chǔ)，輔以各單項(xiàng)的常規(guī)與非常規(guī)數(shù)據(jù)和指標(biāo)，對(duì)生物質(zhì)的著火、穩(wěn)燃、燃燼、結(jié)渣、沾污等動(dòng)力用燃料的主要特性進(jìn)行評(píng)價(jià)。其工藝思路如下：生物質(zhì)燃燒試驗(yàn)制樣燃燼特性物性分析著火特性結(jié)渣、粘污污染物排放2. 主要試驗(yàn)內(nèi)容與試驗(yàn)方法(1) 制樣根據(jù)儀器分析的需要對(duì)來(lái)樣進(jìn)行加工制備，采用切片機(jī)和粉碎機(jī)把生物質(zhì)樣品粉碎成1mm左右的粉末為分析所用，并根據(jù)安陸當(dāng)?shù)厣镔|(zhì)樣品的分布情況，進(jìn)行混合樣的制備，均勻混合、研磨，以供后續(xù)儀器分析。(2) 堆積密度堆密度分為松散堆積密度和振實(shí)堆積密度。松散堆積密度是指自然堆積狀態(tài)的未經(jīng)振實(shí)的顆粒物料的總質(zhì)量除以堆積物料的總體積求得，而振

3、實(shí)堆積密度為包括顆粒內(nèi)外孔及顆粒間空隙的經(jīng)振實(shí)的顆粒堆積體的平均密度。生物質(zhì)的堆密度是在具有一定容積的容器中裝滿生物質(zhì)樣品，然后稱出樣品的質(zhì)量，再換算成單位體積的質(zhì)量（kg/m3）。(3) 生物質(zhì)樣的工業(yè)分析鑒于生物質(zhì)樣品的物化特性與煤有很大的差別，不能直接采用煤的工業(yè)分析的標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行分析測(cè)量。我們根據(jù)在生物質(zhì)研究方面積累的豐富經(jīng)驗(yàn)，摸索出針對(duì)生物質(zhì)特點(diǎn)的工業(yè)分析方法。在本研究中利用本實(shí)驗(yàn)室的工業(yè)分析儀（西班牙 Las Navas 公司，型號(hào)：SDTGA-2000），根據(jù)熱失重原理在不同溫度及氣氛環(huán)境下對(duì)生物質(zhì)樣品中所含的水分、揮發(fā)分、固定碳與無(wú)機(jī)礦物質(zhì)的量進(jìn)行準(zhǔn)確分析。(4) 生物質(zhì)樣的元

4、素分析采用本實(shí)驗(yàn)室的元素分析儀（德國(guó)Vario公司，型號(hào)：EL-2）確定生物質(zhì)樣品內(nèi)的主要元素(C, H, O, N, S)的含量。元素分析儀采用燃燒法自動(dòng)測(cè)定固體或液體有機(jī)物中的碳、氫、氮、硫、氧，精確度達(dá)到0.1%。(5) 生物質(zhì)樣的發(fā)熱量分析生物質(zhì)作為能源燃料，低位發(fā)熱量是其作為能源的主要品質(zhì)保證。采用本實(shí)驗(yàn)室的自動(dòng)量熱儀（美國(guó)Parr 公司，型號(hào)：Parr 6300）對(duì)生物質(zhì)的氧彈發(fā)熱量進(jìn)行測(cè)定。 其主要測(cè)量原理是采用封閉體系，假定熱量不損失的情況下，放出的熱量等于吸收的熱量，通過(guò)測(cè)量體系水的溫度變化，得到樣品發(fā)熱量。最后，根據(jù)生物質(zhì)的工業(yè)分析與元素分析進(jìn)一步確定生物質(zhì)樣品的低位發(fā)熱量

5、。(6) 生物質(zhì)的灰成分分析生物質(zhì)灰中含有豐富的無(wú)機(jī)礦物質(zhì)成分，如：硅酸鹽，碳酸鹽、硫酸鹽與磷酸鹽等，灰的組成對(duì)生物質(zhì)的熱解特性有著重要的影響，且硅酸鹽、堿金屬及堿土金屬的存在易引起管路系統(tǒng)的結(jié)渣、堵塞。為了安全、高效運(yùn)行，需對(duì)生物質(zhì)灰的主要礦物質(zhì)及微量元素的組成進(jìn)行全面的分析。首先制備足夠的生物質(zhì)灰樣，接著采用本實(shí)驗(yàn)室的微波化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)對(duì)生物質(zhì)灰進(jìn)行完全消解，并采用等離子體發(fā)射光譜儀(美國(guó)熱電佳爾阿許公司，型號(hào)：TraceScan AdvantageTM)與X射線熒光光譜儀(XRF， 美國(guó)伊達(dá)克公司，型號(hào)：Eagle )對(duì)生物質(zhì)灰的主要礦物質(zhì)成份(二氧化硅、氧化鈣、氧化鎂、氧化鈉、氧化鉀、三

6、氧化二鋁、三氧化二鐵、五氧化二磷、二氧化鈦及三氧化硫等氧化物)以及微量元素（氯、氟、鎘、砷、硒、鉻、銅、鉛、汞、鉬、硼、鋅、鎳等）進(jìn)行量化分析。(7) 結(jié)渣性能評(píng)價(jià)生物質(zhì)灰中硅、堿金屬和堿土金屬的含量較高，生物質(zhì)灰的熔點(diǎn)相對(duì)煤灰來(lái)說(shuō)較低，高溫燃燒系統(tǒng)易于出現(xiàn)結(jié)渣，影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。因此，預(yù)先了解生物質(zhì)的灰的熔融特性對(duì)運(yùn)行控制進(jìn)行正確的調(diào)控和指導(dǎo)有著重要的意義。結(jié)渣性能評(píng)價(jià)是生物質(zhì)特性中較復(fù)雜的一部分，在這里，我們采用以生物質(zhì)灰熔融的三個(gè)特征溫度DT、ST和FT判別生物質(zhì)是否有嚴(yán)重結(jié)渣趨向。根據(jù)灰成分測(cè)試結(jié)果，結(jié)合三個(gè)特征溫度，進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，得出最終結(jié)渣性能判別結(jié)論。本項(xiàng)目中采用本實(shí)驗(yàn)室的英國(guó)

7、CARBOLITE公司生產(chǎn)的CAF digital imaging 灰熔點(diǎn)分析儀對(duì)生物質(zhì)灰的熔融特性(變形溫度、熔融溫度、流動(dòng)溫度)進(jìn)行分析。儀器最高分析溫度可達(dá)1500。(8) 生物質(zhì)燃燒性能分析用熱天平實(shí)驗(yàn)測(cè)出生物質(zhì)的燃燒特性參數(shù)，如著火特征溫度Ti、燃燒最大失重率 (dw/dt)max及其對(duì)應(yīng)的溫度Tmax和可燃性指數(shù)Cb=(dw/dt)max/Ti2等。3. 試驗(yàn)結(jié)果與分析3.1 生物質(zhì)樣品工業(yè)分析采用SDTGA-2000工業(yè)分析儀對(duì)生物質(zhì)樣品進(jìn)行分析。具體分析方法如下：生物質(zhì)樣品加熱至105，保持恒溫至沒(méi)有任何失重為止，所失重量即為生物質(zhì)水分；生物質(zhì)樣品從室溫緩慢加熱（10/min）

8、至900，保溫30分鐘，所失重份額（不包括水分）即可認(rèn)為是生物質(zhì)的揮發(fā)分；經(jīng)過(guò)干燥的（105）生物質(zhì)樣品在空氣中以10/min升溫至550，并保溫燃燒至恒重，然后以10/min降回室溫，所剩余的量即為生物質(zhì)的干燥基灰分，而固定碳就是生物質(zhì)去水分，揮發(fā)分和灰分所剩余的份額，生物質(zhì)的工業(yè)分析結(jié)果如表1所示。采用AC-350型發(fā)熱量測(cè)定儀對(duì)生物質(zhì)的氧彈發(fā)熱量進(jìn)行分析，其主要測(cè)定原理是采用封閉體系，假定熱量不損失的情況下，放出的熱量等于吸收的熱量，通過(guò)測(cè)量體系水的溫度變化，得到樣品的發(fā)熱量；最后，根據(jù)生物質(zhì)的工業(yè)分析與元素分析進(jìn)一步確定生物質(zhì)樣品收到基的低位發(fā)熱量Qar,net,p，見(jiàn)表1。從表中可以

9、看出生物質(zhì)樣品含有較高的揮發(fā)分，而固定碳量較低，因此導(dǎo)致其低位發(fā)熱量相對(duì)較低(12MJ/kg)。比較黃色秸稈和灰色枝條可發(fā)現(xiàn)后者包含的棉稈和枝條的含水量較高，從而發(fā)熱量相對(duì)較低。表1 生物質(zhì)的工業(yè)分析（% ，收到基）名稱MarVarAarFCarQar,net,p MJ/kg油菜桿11.1965.617.46815.73213.339棉稈20.742.082.62634.59411.629稻桿11.560.5812.5215.411.346混合樣12.673.2 生物質(zhì)樣品元素分析根據(jù)國(guó)標(biāo)GB476，對(duì)生物質(zhì)樣品采用EL-2型CHNS元素分析儀進(jìn)行分析，結(jié)果如表2所示，其中O 含量由差減計(jì)算得

10、到。表2 生物質(zhì)的元素分析（%，收到基）名稱CHONS棉稈39.6913.09432.7351.0270.127稻桿37.222.74835.0270.9050.08油菜桿41.6832.21236.3870.9260.1343.3 生物質(zhì)樣品堆密度表3 生物質(zhì)堆密度分析（kg/m3)樣品名稱油菜桿棉稈稻稈堆密度19.7116.539.2因生物質(zhì)樣品相對(duì)較少，堆密度為估測(cè)值，僅供參考。3.4 生物質(zhì)灰成分分析根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T1574，對(duì)生物質(zhì)灰成分采用EAGLE型X射線原子熒光光譜儀進(jìn)行分析，灰中主要無(wú)機(jī)礦物質(zhì)為：K2O，Na2O，CaO，Cl, SiO2, Fe2O3, P2O5, MgO,

11、 Al2O3, ZnO, SO3, Cr2O3, NiO, TiO2等，結(jié)果如表4所示，其中空白處表示含量較低而無(wú)法檢測(cè)到。從表中可以看出油菜桿和稻桿含有較高的K2O和SiO2，同時(shí)含有一定量的Cl和S，而稻桿和棉桿含有較高的CaO、MgO和一定量的P2O5。表4 生物質(zhì)灰成分分析（wt.%）名稱棉稈稻稈油菜桿K2O18.87 14.37 33.11Na2O5.3 0.973.03CaO23.27 6.1 22.44 Cl2.96 6.18 0.89 SiO210.63 68.47 3.99 Fe2O32.170.3 0.55 P2O511.3 1.88 3.93MgO12.033.25 4.

12、38 Al2O34.030.77 2.37 ZnO0.08 0.04 0.07 SO312.11 2.93 26.01 Cr2O30.41 0.05 0.18 NiO0.17 0.08 TiO20.48 0.96 3.5 生物質(zhì)樣品灰熔融特性根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T219, 生物質(zhì)灰熔點(diǎn)采用CAF型灰熔點(diǎn)測(cè)定儀，采用角錐法測(cè)定，爐內(nèi)介質(zhì)為弱還原性，測(cè)定灰的變形溫度DT，軟化溫度ST，流動(dòng)溫度FT，結(jié)果如表5所示，具體特征圖片見(jiàn)附錄。表5 生物質(zhì)灰熔融性 （）樣品名稱棉稈稻稈油菜桿混合生物質(zhì)DT930848920874ST121095611801104FT1450124114301278油菜桿和棉稈的灰

13、熔點(diǎn)較高。3.6 生物質(zhì)樣品燃燒特性分析燃燒采用熱重分析條件，具體方法如下：升溫速率：20/min; 工作溫度從室溫到900；工作氣氛是壓縮空氣，氣體流量100ml/min;生物質(zhì)樣品質(zhì)量約為20mg.燃燒特性曲線（TG，DTG曲線）見(jiàn)附錄，圖6-10，從燃燒曲線上可得到如下特性參數(shù)：著火特征溫度Ti、燃燒最大失重率及其所對(duì)應(yīng)的溫度。可燃性指數(shù)，它主要反映生物質(zhì)樣燃燒前期的反應(yīng)能力。該值越大，可燃性越好。表6 生物質(zhì)的燃燒特性參數(shù)樣品名稱Ti ()（%/） ()105油菜桿2531.8628358.1棉稈2550.9530629.2稻稈2480.9928732.2混合2541.0629332.

14、9從結(jié)果來(lái)看：生物質(zhì)的著火特征溫度很低，都在250左右，較易于燃燒。從可燃指數(shù)看4種生物質(zhì)樣品的可燃指數(shù)都很高，比較而言油菜稈可燃性最好，棉稈稍差。3.7 生物質(zhì)樣品著火、燃盡特性評(píng)價(jià)從生物質(zhì)的熱天平燃燒實(shí)驗(yàn)中，可以看出生物質(zhì)樣的著火特征溫度、生物質(zhì)在燃燒過(guò)程的水分蒸發(fā)，揮發(fā)分析出、燃燒及燃盡各個(gè)階段中的質(zhì)量變化及相應(yīng)的變化速度，根據(jù)這些特性和常規(guī)分析結(jié)果，可以判別出生物質(zhì)樣品的著火穩(wěn)燃、燃盡、結(jié)渣以及粘污等特性。因生物質(zhì)樣品含有較高的揮發(fā)分(40% ar.)，相對(duì)于易燃的褐煤而言，較易于燃燒，穩(wěn)燃性也屬于極易穩(wěn)定區(qū)。評(píng)價(jià)煤燃盡特性的方法也很多，而對(duì)于生物質(zhì)而言還沒(méi)有明確標(biāo)準(zhǔn)，本試驗(yàn)選取具有代

15、表性的傅張指數(shù)FZ。根據(jù)工業(yè)分析結(jié)果，把灰分和外部水分看成是不利于生物質(zhì)著火和燃盡的因素，采用無(wú)因次準(zhǔn)則傅張指數(shù)FZ判別燃盡特性：FZ值其判別標(biāo)準(zhǔn)如下表：表7 傅張指數(shù)FZ判別標(biāo)準(zhǔn)傅張指數(shù)FzFz0.50.5Fz1.01.0Fz1.51.52.0判別范圍及結(jié)論極難燃盡難燃盡中等燃盡易燃盡極易燃盡本試驗(yàn)樣品的Fz值如表8：表8 生物質(zhì)FZ值樣品名稱油菜桿棉稈稻稈傅張指數(shù)6.5313.397.54燃盡程度極易極易極易3.8 生物質(zhì)樣品的結(jié)渣特性評(píng)價(jià)對(duì)煤的結(jié)渣傾向，一般用其軟化溫度ST和綜合指數(shù)Rz來(lái)判別，Rz的計(jì)算公式如下：Rz = 1.24B/A+0.28SiO2/Al2O3-0.0023ST-

16、0.019Sp+5.4其中：B/A = (CaO+MgO+Na2O+K2O)/(SiO2+Al2O3+TiO2)Sp = 100SiO2/(SiO2+Fe2O3+CaO+MgO)與煤粉燃燒相似，生物質(zhì)燃燒過(guò)程中更易引起結(jié)渣，此處參照煤燃燒過(guò)程中結(jié)渣特性的評(píng)判對(duì)生物質(zhì)樣品的結(jié)渣特性進(jìn)行分析。生物質(zhì)樣品的軟化溫度及綜合指數(shù)和判別標(biāo)準(zhǔn)如下：表 9 煤結(jié)渣傾向判別標(biāo)準(zhǔn)軟化溫度ST綜合指數(shù)Rz結(jié)論13901.5輕微126013901.52.0中等2.5容易結(jié)渣表10 生物質(zhì)樣品結(jié)渣特性樣品名稱軟化溫度ST綜合指數(shù)Rz結(jié)渣傾向油菜桿10049.6容易結(jié)渣棉稈12126.62容易結(jié)渣稻稈100418.39容

17、易結(jié)渣混合110411.28容易結(jié)渣附錄SKLCC報(bào)告編號(hào)： 試 驗(yàn) 報(bào) 告 生物質(zhì)灰熔點(diǎn)分析華中科技大學(xué)煤燃燒國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 年 月 日注 意 事 項(xiàng)1. 試驗(yàn)結(jié)果僅對(duì)來(lái)樣負(fù)責(zé)2. 試驗(yàn)報(bào)告無(wú)實(shí)驗(yàn)人、審核人、和批準(zhǔn)人的簽名無(wú)效3. 試驗(yàn)報(bào)告無(wú)“煤燃燒國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”公章無(wú)效4. 試驗(yàn)報(bào)告結(jié)果涂改無(wú)效5. 對(duì)試驗(yàn)報(bào)告結(jié)果有疑（異）議者，應(yīng)于收到報(bào)告之日起十五日內(nèi)向試驗(yàn)單位提出，逾期不予受理。試驗(yàn)單位：煤燃燒國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室地址：武漢市珞喻路1037號(hào)（華中科技大學(xué)）郵編：430074電話真燃燒國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)報(bào)告單報(bào)告編號(hào)委托單位試樣名稱

18、生物質(zhì)試樣來(lái)源委托方試驗(yàn)項(xiàng)目油菜桿灰熔點(diǎn)特性圖試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)完成日期委托日期試驗(yàn)結(jié)果圖1 油菜桿灰熔點(diǎn)特性圖試驗(yàn)人審核人批準(zhǔn)人煤燃燒國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)報(bào)告單報(bào)告編號(hào)委托單位試樣名稱生物質(zhì)試樣來(lái)源委托方試驗(yàn)項(xiàng)目棉稈灰熔點(diǎn)特性圖試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)完成日期委托日期試驗(yàn)結(jié)果圖2 棉稈灰熔點(diǎn)特性圖試驗(yàn)人審核人批準(zhǔn)人煤燃燒國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)報(bào)告單報(bào)告編號(hào)委托單位試樣名稱生物質(zhì)試樣來(lái)源委托方試驗(yàn)項(xiàng)目稻稈灰熔點(diǎn)特性圖試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)完成日期委托日期試驗(yàn)結(jié)果圖3 稻稈灰熔點(diǎn)特性圖試驗(yàn)人審核人批準(zhǔn)人附錄SKLCC報(bào)告編號(hào)：試 驗(yàn) 報(bào) 告 生物質(zhì)燃燒特性分析華中科技大學(xué)煤燃燒國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室年 月 日注 意 事 項(xiàng)1. 試驗(yàn)結(jié)果僅對(duì)來(lái)樣負(fù)責(zé)2. 試驗(yàn)報(bào)告無(wú)實(shí)驗(yàn)人、審核人、和批準(zhǔn)人的簽名無(wú)效3. 試驗(yàn)報(bào)告無(wú)“煤燃燒國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”公章無(wú)效4. 試驗(yàn)報(bào)告結(jié)果涂改無(wú)效5. 對(duì)試驗(yàn)報(bào)告結(jié)果有疑（異）議者，應(yīng)于收到報(bào)告之日起十五日內(nèi)向試驗(yàn)單位提出，逾期不予受理。試驗(yàn)單位：煤燃燒國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室地址：武漢市珞喻路1037號(hào)（華中科技大學(xué)）郵編：430074電話真燃燒國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)報(bào)告單報(bào)告編號(hào)委托單位試樣名稱生物質(zhì)試樣來(lái)源委托方試驗(yàn)項(xiàng)目油菜桿熱重燃燒特性圖試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)完成日期委托日期試驗(yàn)結(jié)果圖6 油