秸稈與油泥混合成型燃料燃燒過(guò)程及動(dòng)力學(xué)研究

孫文楊， 王黎明*， 馬 超， 馬艷茹， 呂 洋， 馮 康

(1. 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院， 黑龍江 大慶 163319； 2. 大慶市市場(chǎng)監(jiān)督管理局， 黑龍江 大慶 163319)

·研究報(bào)告——生物質(zhì)能源·

秸稈與油泥混合成型燃料燃燒過(guò)程及動(dòng)力學(xué)研究

孫文楊1， 王黎明1*， 馬 超2， 馬艷茹1， 呂 洋1， 馮 康1

(1. 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院， 黑龍江 大慶 163319； 2. 大慶市市場(chǎng)監(jiān)督管理局， 黑龍江 大慶 163319)

為探究農(nóng)業(yè)生物質(zhì)燃燒性能，以油泥與3種秸稈(玉米秸稈、豆稈、麥稈)為試驗(yàn)原料進(jìn)行等溫燃燒試驗(yàn)，對(duì)混合成型燃料的燃燒特性進(jìn)行了研究，并對(duì)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析。結(jié)果表明，隨著溫度的升高3種混合成型燃料的燃燒最大峰值提前，燃盡時(shí)間明顯縮短，最大失重速率增加，但燃燒失重率最后基本保持一致。3種混合成型燃料在750～950 ℃溫度下等溫燃燒過(guò)程的反應(yīng)級(jí)數(shù)分別為1.2～1.4、0.9～1.1和1.0～1.2，活化能分別為55～57、50～53和49～55 kJ/mol，指前因子分別為57～113、35～74和76～103 s-1。3種混合成型燃料的燃燒過(guò)程遵循燃燒動(dòng)力學(xué)基本方程的規(guī)律，并可用一級(jí)反應(yīng)來(lái)描述，秸稈種類對(duì)混合成型燃料燃燒性能影響不顯著。

油泥；秸稈；等溫燃燒；燃燒特性；反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

面對(duì)化石能源枯竭和環(huán)境污染等問(wèn)題，開(kāi)發(fā)清潔、可再生的新型能源已成為國(guó)內(nèi)外研究者關(guān)注的焦點(diǎn)[1]。生物質(zhì)能是僅次于石油、天然氣和煤炭的世界第四大消費(fèi)能源[2]，也是唯一方便、安全運(yùn)輸與儲(chǔ)存的清潔可再生能源[3]。目前我國(guó)對(duì)生物質(zhì)能源的轉(zhuǎn)化和利用效率還處于很低的水平，大量的生物質(zhì)沒(méi)有得到有效利用而被廢棄。隨著化石燃料的日益短缺和生態(tài)環(huán)境的需求，生物質(zhì)能的合理利用已經(jīng)被越來(lái)越多的國(guó)家所重視，并有許多學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)的研究[4-6]。為緩解能源緊缺、減少環(huán)境污染等問(wèn)題，開(kāi)發(fā)生物質(zhì)能源變得更為迫切。我國(guó)每年可收集的秸稈資源量為6.87億t，但是廢棄與焚燒秸稈的資源量占總量的三分之一[7]。秸稈的廢棄與焚燒不僅造成資源的嚴(yán)重浪費(fèi)，而且更加劇了環(huán)境污染等問(wèn)題。目前，將秸稈制成成型燃料是高效、潔凈化利用秸稈資源的有效途徑之一[8]。然而，傳統(tǒng)制取成型燃料時(shí)一般采用單一生物質(zhì)原料，對(duì)于以混合原料制取成型燃料的研究也僅限于生物質(zhì)原料中引入城市污水、污泥和煤等，在生物質(zhì)原料中引入含油污泥的研究鮮有報(bào)道。含油污泥(簡(jiǎn)稱油泥)即石油在煉制、存儲(chǔ)、運(yùn)輸、開(kāi)采和勘探過(guò)程中產(chǎn)生的油泥、油砂[9-12]，大慶油田的廢棄油泥年產(chǎn)量逐年升高且已經(jīng)達(dá)到1.43×105m3[13-14]，但目前還沒(méi)有較好的方法來(lái)解決含油污泥這一重大難題。因此，本研究以廢棄秸稈(玉米秸稈、麥稈、豆稈)與廢棄油泥為實(shí)驗(yàn)原料，混合制取成型燃料，利用等溫燃燒技術(shù)分析混合燃料的燃燒過(guò)程，并進(jìn)一步分析混合燃料的燃燒性能，旨在為秸稈與油泥混合成型燃料的開(kāi)發(fā)利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

選取黑龍江省3種常見(jiàn)的秸稈，分別為玉米秸稈、麥稈和豆稈，落地油泥為黑龍江省大慶市采油六廠勘探開(kāi)發(fā)產(chǎn)生的油污泥。實(shí)驗(yàn)原料均為干燥后的樣品，用小型粉碎機(jī)將3種秸稈分別粉碎至8、10和12 mm，對(duì)同一粒徑樣品進(jìn)行工業(yè)分析、元素分析并進(jìn)行熱值測(cè)定。元素分析采用美國(guó)加連公司CE-440全自動(dòng)元素分析儀，熱值分析采用長(zhǎng)沙開(kāi)元儀器有限公司的5E-AC8018熱值分析儀，工業(yè)分析和低位熱值均參考了GB/T 212—2008相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果如表1所示。干燥裝置采用上海華能機(jī)械設(shè)備有限公司的DHG-9157A干燥箱，燃燒裝置采用天津泰斯特儀器有限公司的SX-5-12馬弗爐。

表1 原料的工業(yè)分析、元素分析和熱值

1.2 秸稈與油泥混合成型燃料的制備

將粉碎至8、10和12 mm的3種秸稈原料分別與干燥后油泥混合均勻(其中油泥占樣品總質(zhì)量的10%)，然后通過(guò)自制小型冷壓成型機(jī)進(jìn)行成型，即得秸稈與油泥混合成型燃料。

1.3 混合成型燃料的燃燒實(shí)驗(yàn)

稱取秸稈與油泥混合成型燃料1 g(誤差控制在1 %以內(nèi))置于已稱質(zhì)量的坩堝中待用。將馬弗爐內(nèi)溫度分別升至750、850和950 ℃，然后將坩堝置于馬弗爐內(nèi)，停留時(shí)間分別為10、20、30、40、50、60、70、80、90、110、130、150、180、240、300、360、600、900和1 200 s。每次從馬弗爐中取出坩堝后，先在室溫下隔氧冷卻10 min，然后放入干燥器中冷卻至室溫稱取質(zhì)量。

1.4 燃燒特性分析

1.4.1 燃燒失重曲線分析 由燃燒實(shí)驗(yàn)測(cè)得坩堝的質(zhì)量為Wg，混合成型燃料的質(zhì)量為W0，燃燒后坩堝與剩余物的總質(zhì)量為Ws，混合成型燃料的失重率ω=(W0+Wg-Ws)/W0?？疾煊湍嗵砑颖壤秊?0 %、混合成型燃料粒徑為10 mm時(shí)，不同停留時(shí)間和燃燒溫度條件下混合成型燃料的失重曲線。

1.4.2 最大失重速率分析 為保證試驗(yàn)結(jié)果的嚴(yán)謹(jǐn)性，對(duì)同一組混合成型燃料設(shè)置p組平行試驗(yàn)。混合成型燃料的最大失重速率由式(1)求得：

(1)

通過(guò)計(jì)算每個(gè)時(shí)間段的失重速率(ν)，最終求得整個(gè)燃燒過(guò)程中的最大失重速率(νmax)。

2 結(jié)果與討論

2.1 燃燒特性分析

2.1.1 燃燒失重曲線 不同停留時(shí)間和燃燒溫度條件下混合成型燃料的燃燒失重曲線見(jiàn)圖1。

圖1 3種秸稈與油泥混合成型燃料燃燒失重曲線Fig. 1 The weight loss curves of briquette fuels of three straws and sludge

由圖1可以看出，混合成型燃料燃燒過(guò)程主要分為2個(gè)階段：快速燃燒階段和燃盡階段。0～360 s為混合成型燃料的快速燃燒階段，混合成型燃料放入馬弗爐中，脫水之后揮發(fā)分析出并且快速燃燒，因?yàn)榛旌铣尚腿剂系暮剂枯^低，所以大部分焦炭在此階段也燃燒。燃燒時(shí)間在360～1 200 s時(shí)達(dá)到混合成型燃料的燃盡階段，此時(shí)大部分成型燃料已經(jīng)完成燃燒，但是由于成型燃料外部產(chǎn)生灰燼，影響氧氣對(duì)流，會(huì)在內(nèi)部形成一定量的炭化物，導(dǎo)致燃燒速率下降，直到1 200 s混合成型燃料才接近燃盡。

當(dāng)馬弗爐溫度由750 ℃升高到950 ℃時(shí)， 3種混合成型燃料的燃燒最大峰值提前，且燃燒更迅速，燃盡時(shí)間也有明顯的縮短。主要原因是當(dāng)爐內(nèi)溫度升高時(shí)，混合成型燃料的揮發(fā)分析出且燃燒速率有明顯的加快，混合成型燃料的揮發(fā)分在高溫下燃燒很迅速，燃料內(nèi)部的焦炭在高溫下燃盡也很迅速，因?yàn)榛旌铣尚腿剂系某煞只疽粯?，所以失重率最終基本保持一致。

2.1.2 最大失重速率 3種混合成型燃料的最大失重速率見(jiàn)表2。

表2 不同溫度下混合成型燃料的最大失重速率

從表2可以看出，隨著溫度的升高， 3種混合成型燃料的最大失重速率增加，主要原因是隨著爐內(nèi)溫度升高， 3種混合成型燃料的燃燒峰向前偏移，其燃燒速率也增大，燃盡時(shí)間明顯縮短；溫度越高，成型燃料的揮發(fā)分析出越快，可燃物的燃燒速率也越快。所以，最大失重速率增加。

2.2 動(dòng)力學(xué)分析

2.2.1 動(dòng)力學(xué)模型 本研究主要采用等溫法[15]對(duì)混合成型燃料燃燒的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析。根據(jù)等溫燃燒的失重曲線，混合成型燃料燃燒時(shí)的化學(xué)反應(yīng)遵循速率方程式(2)[16]：

(2)

設(shè)f(α)=(1-α)n，得式(3)：

(3)

兩邊取對(duì)數(shù)，可得：

(4)

再根據(jù)Arrhenius定律，反應(yīng)速率k可以表示為：

(5)

兩邊取對(duì)數(shù)，可得：

(6)

式中：A—頻率因子或稱指前因子，s-1；E—反應(yīng)活化能，J/mol；R—?dú)怏w常數(shù)，J/(mol·K)；T—反應(yīng)時(shí)的絕對(duì)溫度，K。

求出不同溫度下的lnk，然后以lnk和1/T作圖得回歸方程，斜率即為-E/R，截距即為lnA，最終求出E和A。

同時(shí)由公式(4)斜率求得反應(yīng)級(jí)數(shù)n，它能反映出燃料燃燒的能力與反應(yīng)的難易程度。通過(guò)文獻(xiàn)得知，在求解動(dòng)力學(xué)參數(shù)過(guò)程中，大多數(shù)研究者一般都把生物質(zhì)在整個(gè)反應(yīng)中的化學(xué)反應(yīng)級(jí)數(shù)作特定假設(shè)，即假定成型材料的失重過(guò)程為一級(jí)反應(yīng)。本研究將反應(yīng)級(jí)數(shù)作為未知參數(shù)，以便更加準(zhǔn)確地求解模型，使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際情況更加接近。

圖2 3種秸稈與油泥混合成型燃料的擬合曲線Fig. 2 Fitting curves of briquette fuels of three straws and sludge

樣品sample粒徑/mmparticlesize擬合直線方程fittedlinearequationnlnkR2玉米稈與油泥cornstalkandsludge8Y=1.3707X-1.36161.3707-1.36160.994010Y=1.2677X-1.00241.2677-1.00240.990512Y=1.1990X-0.88631.1990-0.88630.9915豆稈與油泥beanstalkandsludge8Y=1.1362X-1.25371.1362-1.25370.993510Y=0.9473X-1.16950.9437-1.16950.993612Y=0.8593X-1.05680.8593-1.05680.9916麥稈與油泥wheatstrawandsludge8Y=1.1654X-1.27841.1654 1.27840.994210Y=1.1276X-1.14681.12761.14680.991712Y=1.0394X-0.99831.03940.99830.9951

將表3中的lnk數(shù)值代入式(6)中，然后以lnk和1/T作圖得回歸方程，lnk與1/T的擬合曲線如圖3所示。

圖3 3種秸稈與油污泥混合成型燃料的擬合曲線Fig. 3 Fitting curves of briquette fuels of three straws and sludge

通過(guò)對(duì)圖2～圖3的擬合曲線以及2.2.1節(jié)動(dòng)力學(xué)分析，得出3種混合成型燃料等溫燃燒過(guò)程的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)，如表4所示。

表4 等溫燃燒試驗(yàn)動(dòng)力學(xué)參數(shù)計(jì)算結(jié)果

從圖3和表4可以看出，秸稈(玉米秸稈、豆稈、麥稈)與油泥混合成型燃料的燃燒過(guò)程遵循燃燒動(dòng)力學(xué)基本方程的規(guī)律，即dα/dt=Ae-E/RT(1-α)，不同的階段可用不同的一級(jí)反應(yīng)進(jìn)行描述，并且具有很高的相似度。

3 結(jié) 論

3.1 分析了3種秸稈(玉米秸稈、豆稈和麥稈)與油泥混合成型燃料的燃燒特性曲線及其動(dòng)力學(xué)參數(shù)。結(jié)果表明，混合成型燃料燃燒主要分為2個(gè)階段：快速燃燒階段和燃盡階段，隨著溫度的升高，混合成型燃料的燃燒最大峰值提前，燃盡時(shí)間明顯縮短，最大失重速率增加，但秸稈種類對(duì)混合成型燃料燃燒性能影響不顯著。

3.2 玉米稈、豆稈和麥稈與油泥混合成型燃料在750～950 ℃溫度范圍內(nèi)，等溫燃燒過(guò)程的反應(yīng)級(jí)數(shù)分別為1.2～1.4、 0.9～1.1、 1.0～1.2，活化能分別為55～57、 50～53和49～55 kJ/mol，指前因子分別為57～113、 35～74和76～103 s-1。隨著溫度的升高，lnk數(shù)值逐漸增大，說(shuō)明燃燒溫度越高混合成型燃料的燃燒化學(xué)反應(yīng)速率越大。

3.3 秸稈(玉米秸稈、豆稈、麥稈)與油泥混合成型燃料的燃燒過(guò)程遵循燃燒動(dòng)力學(xué)基本方程的規(guī)律，并可用一級(jí)反應(yīng)來(lái)描述。

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Combustion and Kinetics of Straw and Sludge Briquette Fuel

SUN Wenyang1， WANG Liming1， MA Chao2， MA Yanru1， Lü Yang1， FENG Kang1

(1. Heilongjiang Bayi Agricultural University，Engineering Institute， Daqing 163319， China； 2. Daqing Market Supervision and Administration Bureau， Daqing 163319， China)

In order to explore the combustion performance of agricultural biomass， three kinds of briquette fuels of sludge and straws (corn stalk， bean stalk， wheat straw) were used as experimental materials for isothermal combustion experiment， the combustion characteristics of briquette fuels were studied and analyzed. And the reaction kinetics were analyzed. The results showed that with the increase of temperature, the maximum peaks of combustion of 3 briquette fuels were advanced, the burn-off times decreased significantly and the maximum weight loss rates increased， but the burning weight loss curves were consistent at last. The reaction orders of the isothermal reaction processes of 3 briquette fuels at the temperature of 750-950 ℃ were 1.2-1.4， 0.9-1.1 and 1.0-1.2， respectively, the activation energies were 55-57， 50-53 and 49-55 kJ/mol， and the frequency factors were 57-113， 35-74 and 76-103 s-1. The combustion of 3 briquette fuels followed the essential dynamic equation of combustion and could be described by first order reaction. The straw type had no significant influence on the combustion performance of blended briquette.

sludge;straw;isothermal combustion;combustion characteristics;reaction kinetics

10.3969/j.issn.1673-5854.2017.04.008

2016-11-14

黑龍江省教育廳科研項(xiàng)目(12511357)

孫文楊(1991— )，男，黑龍江肇州人，碩士生，主要從事生物質(zhì)能源可再生利用方面的研究工作；E-mail：870548757@qq.com

*通訊作者：王黎明(1967— )，女，遼寧東溝人，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事生物質(zhì)技術(shù)與裝備教學(xué)研究工作；E-mail：dlidxy@163.com。

TQ35；S216

A

1673-5854(2017)04-0053-06