生物質(zhì)替代燃料燃燒特性分析

國家在“十四五”規(guī)劃中提到要提升清潔能源消費(fèi)比重，鼓勵氫能、生物質(zhì)燃料、垃圾衍生燃料等替代能源在鋼鐵、水泥、化工等行業(yè)的應(yīng)用。日前，國家發(fā)改委發(fā)布的《水泥行業(yè)節(jié)能降碳改造升級實施指南》中明確指出，要推廣替代燃料技術(shù)，利用生活垃圾、固體廢棄物和生物質(zhì)燃料等替代煤炭，減少化石燃料的消耗量。生物質(zhì)替代燃料作為擁有廣闊前景的可再生能源，對于水泥窯、流化床等各種工業(yè)窯爐來說，已成為僅次于煤炭、石油和天然氣的第四大能源。燃燒時清潔衛(wèi)生，有害氣體極少，且碳排放量低，滿足碳減排的政策要求，為企業(yè)節(jié)約成本，對環(huán)境保護(hù)有著重要意義。1、試驗條件本試驗使用梅特勒-托利多TGA/DSC3+TH1600同步熱分析儀，在采用不帶蓋的氧化鋁坩堝外套鉑金坩堝30mL及燃燒性能穩(wěn)定的4種生物質(zhì)替代燃料，分別為樹枝、谷殼、秸稈、枯棉，室溫為22℃，吹掃氣采用純度為99.999%的氬氣，其氣流量為20mL/min，升溫程序為30~1?000℃的固定條件下研究，反應(yīng)氣采用純度為99.999%的高純空氣，其氣流量為50mL/min，稱樣量固定（5±0.5）mg，升溫速率采用10K/min，樣品粒度采用拜杰BJ-800A多功能粉碎機(jī)粉碎至5mm，其他條件依據(jù)研究內(nèi)容而變化。2、試驗內(nèi)容2.1煤粉將標(biāo)煤采用相同的方法粉碎至滿足條件的粒度，稱取（5±0.5）mg樣品，在上述試驗條件下多次試驗，得到以下穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，見表1，熱重分析見圖1。表1標(biāo)煤的燃燒特性圖1標(biāo)煤熱分析圖譜2.2樹枝將六種不同來源不同種類的樹枝采用相同的方法粉碎至滿足條件的粒度，稱?。?±0.5）mg樣品，在上述試驗條件下多次試驗，得到以下穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，見表2，熱重分析見圖2。圖2樹枝熱分析圖譜由表2可以分析出，樹枝的著火溫度較低，分布在285℃左右，遠(yuǎn)低于煤粉，但由于各地材料、水土、樹種不同，導(dǎo)致其成分各不相同，使得燃盡溫度各不相同，大部分樹種集中在375℃附近；燃燒時間相對較短，平均燃燒速率與煤粉接近，但最大燃燒速率都遠(yuǎn)高于煤粉，揮發(fā)分較高，尤其是樹枝2，燃燒時間長，但是各部分最大燃燒速率快，平均燃燒速率慢。表2不同種類樹枝的燃燒特性可見樹枝本身較煤粉而言易著火，局部燃燒速率快，但平均燃燒速率區(qū)別不大，熱值較低，熱分析圖譜上出現(xiàn)分段燃燒的現(xiàn)象，是由于揮發(fā)分含量高和固定碳的著火溫度差異明顯引起的燃燒斷層現(xiàn)象。2.3谷殼將六種不同來源的谷殼采用相同的方法粉碎至滿足條件的粒度，稱?。?±0.5）mg樣品，在上述試驗條件下多次試驗，得到以下穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，見表3，熱重分析見圖3。圖3谷殼熱分析圖譜表3不同谷殼的燃燒特性由表3可見，谷殼類替代燃料著火溫度在275℃左右，不同地帶谷殼的成分相對差異不大，其燃盡溫度在385℃左右，平均燃燒速率在4%/min低于煤粉，燃燒時間在11min左右，最大燃燒速率在7%/min，都與煤粉接近。綜合來看，谷殼相對煤粉易著火，但燃燒速度慢，由于其揮發(fā)分相對樹枝來說更低，固定碳含量更高，固定碳燃燒過程緩慢所致，從DSC曲線來看，固定碳放熱峰面積比揮發(fā)分大，其釋放的熱量也略高。2.4秸稈將六種不同來源的秸稈采用相同的方法粉碎至滿足條件的粒度，稱取（5±0.5）mg樣品，在上述試驗條件下多次試驗，得到以下穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，見表4，熱重分析見圖4。圖4秸稈熱分析圖譜由表4可分析出秸稈著火溫度在270℃左右，由于秸稈種類不同，其成分差異導(dǎo)致燃盡溫度差異明顯，大致分布在435~465℃，燃燒過程中除了揮發(fā)分和固定碳燃燒還存在其他未知纖維燃燒峰，導(dǎo)致整體燃燒過程緩慢，平均燃燒速率慢，燃燒時間長，但最大燃燒速率均在7%/min左右與煤粉接近，為揮發(fā)分燃燒。表4不同秸稈的燃燒特性綜合來看秸稈易著火，但燃盡溫度不一，燃燒時間長，燃燒緩慢，導(dǎo)致秸稈難以燃盡、燃燒不徹底，揮發(fā)分燃燒峰面積大，最大燃燒速率快，表明其揮發(fā)分含量相對較高。2.5枯棉將六種不同來源的枯棉采用相同的方法粉碎至滿足條件的粒度，稱?。?±0.5）mg樣品，在上述試驗條件下多次試驗，得到以下穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，見表5，熱重分析見圖5。圖5枯棉熱分析圖譜由表5可知，枯棉著火溫度在265℃左右，燃盡溫度在440℃左右，平均燃燒速率4.5%/min左右，略低于煤粉，燃燒時間長，但最大燃燒速率快，在9.5%/min左右。從DSC曲線可以看出整體燃燒過程分為兩段，揮發(fā)分燃燒速度最快，放熱多，后續(xù)固定碳和纖維燃燒過程中出現(xiàn)第二個速率峰，可見枯棉纖維燃燒速度相對固定碳較快，著火溫度低。綜合來看，枯棉易著火，平均燃燒速率較慢，燃燒時間長，整體呈現(xiàn)分段燃燒，揮發(fā)分含量高，燃燒速率快，釋放大量熱，固定碳和纖維分段燃燒釋放部分熱量。表5不同枯棉的燃燒特性3、結(jié)論（1）樹枝、谷殼、秸稈、枯棉等生物質(zhì)燃料揮發(fā)分較高，著火溫度分布在265~290℃，燃盡溫度分布在350~450℃，燃燒時間較長，平均燃燒速率慢，分布在（3.5~6.0）%/min，最大燃燒速率快，分布在（7.0~10.0）%/min。（2）樹枝、谷殼、秸稈、枯棉等生物質(zhì)燃料含碳量低、含氧量高，揮發(fā)分燃燒釋放主要熱量，整體發(fā)熱量低；密度明顯較低，質(zhì)地較疏松，灰燼中殘留碳量明顯低于