黃色秸稈與灰色秸稈混配燃燒特性研究

趙光華 張旭 洪慶超 曾志豪 劉海力

(湖南人文科技學(xué)院能源與機(jī)電工程學(xué)院，湖南 婁底 417000)

0 引言

隨著生活水平的提高，家用電器、煤氣使用日益廣泛，農(nóng)民朋友對(duì)柴草的需求急劇下降。一把火將秸稈連同作物殘?jiān)黄馃羰寝r(nóng)民朋友不誤農(nóng)時(shí)和整好地的“最佳選擇”，這造成霧霾天氣，并產(chǎn)生大量有毒有害物質(zhì)，對(duì)人與其它生物健康形成威脅。因此，2008年國(guó)務(wù)院辦公廳下發(fā)了《關(guān)于加快推進(jìn)農(nóng)作物秸稈綜合利用的意見(jiàn)》，2009年國(guó)家發(fā)改委、農(nóng)業(yè)部又聯(lián)合下發(fā)了《關(guān)于印發(fā)編制秸稈綜合利用規(guī)劃的指導(dǎo)意見(jiàn)的通知》，要求省、市、縣三級(jí)政府要明確鼓勵(lì)農(nóng)作物秸稈綜合利用的政策保障體系，秸稈利用的產(chǎn)業(yè)布局和重點(diǎn)項(xiàng)目。利用秸稈直燃發(fā)電與制取生物質(zhì)成型燃料不但實(shí)現(xiàn)了秸稈的“變廢為寶”，還增加了農(nóng)民收入，因而得到了各級(jí)政府的大力支持[1]。

農(nóng)作物秸稈分為灰色秸稈和黃色秸稈兩種，在我國(guó)的農(nóng)作物秸稈中，灰色秸稈與黃色秸稈所占比例分別約為59%與41%，灰色秸稈主要包括棉花稈、麻稈、大豆稈等，黃色秸稈主要是麥稈和稻稈。目前，國(guó)內(nèi)外生物質(zhì)直燃發(fā)電廠絕大多數(shù)以灰色秸稈為燃料，鮮有能夠做到純用黃色秸稈正常發(fā)電的廠家，這主要是由于黃色秸稈體積大、密度小，從而導(dǎo)致以黃色秸稈為燃料的生物質(zhì)直燃發(fā)電機(jī)組要比以灰色秸稈為燃料的生物質(zhì)發(fā)電機(jī)組技術(shù)復(fù)雜程度和難度大得多。因此，為了避免黃色秸稈資源的浪費(fèi)，以理昂新能源股份有限公司為代表的生物質(zhì)直燃發(fā)電企業(yè)正嘗試將黃色秸稈與灰色秸稈混配燃燒；以山東大林生物科技有限公司為代表的企業(yè)成功研制出可將黃色秸稈壓縮制成密度大、熱值高的生物質(zhì)成型燃料?；炫浔壤龑?duì)混合物料的燃燒特性產(chǎn)生怎樣的影響？黃色秸稈與灰色秸稈的最佳配比如何？這些都是混配燃燒和制備成型燃料時(shí)亟待解決的問(wèn)題。

近年來(lái)，不同燃料的混合燃燒引起了國(guó)內(nèi)外廣大學(xué)者的研究興趣。國(guó)內(nèi)主要有晏建波等人[2]研究了油頁(yè)巖與煤的摻混燃燒特性，閆云飛等人[3]分析了劣質(zhì)煤與生活污泥混合的燃燒特性，王永征等人[4]研究了生物質(zhì)混煤燃燒過(guò)程中硫氯協(xié)同腐蝕特性。國(guó)外主要有泰國(guó)的Songpol等人[5]對(duì)桉樹(shù)皮與橡膠木屑的混合燃燒特性進(jìn)行了研究。然而，鮮有黃色秸稈與灰色秸稈混合燃燒的研究報(bào)道。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與方案

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)采用熱重分析采用德國(guó)STA 409型熱綜合分析儀。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

黃色秸稈為玉米秸稈，灰色秸稈為大豆秸稈與棉花秸稈。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)在空氣氛圍下進(jìn)行，初始溫度為環(huán)境溫度，終溫為600℃。

實(shí)驗(yàn)一：將三種不同秸稈在20K/min的升溫速率下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得出物料的失重曲線(TG曲線)與失重速率曲線(DTG曲線)。

實(shí)驗(yàn)二：將玉米秸稈與大豆秸稈1:1混合，玉米秸稈與棉花秸稈1:1混合，在熱重分析儀中以20K/min的升溫速率下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)得出物料的失重曲線(TG曲線)與失重速率曲線(DTG曲線)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

選取著火溫度(Ti)、最大燃燒速率(DTGmax)及最大燃燒速率對(duì)應(yīng)的溫度(Tmax)等指標(biāo)進(jìn)行分析。計(jì)算方式參考文獻(xiàn)[6]。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 灰色秸稈與黃色秸稈燃燒特性比較

由圖1可以看出，當(dāng)溫度達(dá)到800K時(shí)，玉米秸稈剩余重量為17%，大豆秸稈剩余重量為20%，而棉花秸稈還有25%剩余，因此玉米秸稈失重速度較大豆秸稈與棉花秸稈快。由DTG曲線可看出，玉米秸稈在559.9K的溫度下失重速率就達(dá)到了峰值，而對(duì)應(yīng)的大豆秸稈達(dá)到峰值溫度為580.9K，棉花秸稈則為600.0K，因此，在在燃燒速率上，玉米秸稈＞大豆秸稈＞棉花秸稈，這意味著在同樣情況下，作為黃色秸稈的玉米比灰色秸稈大豆秸稈與玉米秸稈燃燒的時(shí)間要短。

圖1 三種秸稈TG與DTG曲線

表1是三種秸稈熱重特征參數(shù)，從中可知，玉米秸稈的著火點(diǎn)為514.0K，小于大豆秸稈的529.0K和棉花秸稈的531.7K。玉米秸稈的最大燃燒速率為0.687%/K，高于大豆秸稈的0.598%/K和棉花秸稈的0.512%/K。

表1 三種秸稈熱重特征參數(shù)

2.2 黃色秸稈與灰色秸稈混配燃燒特性分析

由圖2和圖3可知，比較黃色秸稈與灰色秸稈及其混合后可知，混合后的基本介于黃色秸稈與灰色秸稈之間。對(duì)混合后的的秸稈采用切線法分析，得出數(shù)據(jù)如表2。

圖2 玉米秸稈、大豆秸稈及其混合秸稈的TG與DTG曲線

表2 三種秸稈與兩種混合秸稈熱重特征參數(shù)

對(duì)于玉米秸稈與大豆秸稈，經(jīng)過(guò)混合后，其著火點(diǎn)(Ti)特征為大豆秸稈＞混合秸稈＞玉米秸稈，混合秸稈著火點(diǎn)較玉米秸稈高10.0K，較大豆秸稈低5.0K；其最大燃燒速率DTGmax特征為玉米秸稈＞混合秸稈＞大豆秸稈，混合秸稈最大燃燒速率較玉米秸稈低0.042%/K，較大豆秸稈高0.047%/K；其最快燃燒速率下溫度Tmax特征為大豆秸稈＞混合秸稈＞玉米秸稈，混合秸稈最大燃燒速率所對(duì)應(yīng)的溫度較玉米秸稈高10.6K，較大豆秸稈低10.4K。

圖3 玉米秸稈、棉花秸稈及其混合秸稈的TG與DTG曲線

對(duì)于玉米秸稈與棉花秸稈，經(jīng)過(guò)混合后，其著火點(diǎn)(Ti)特征為棉花秸稈＞混合秸稈＞玉米秸稈，混合秸稈著火點(diǎn)較玉米秸稈高9.5K，較棉花秸稈低8.2K；其最大燃燒速率DTGmax特征為玉米秸稈＞混合秸稈＞棉花秸稈，混合秸稈最大燃燒速率較玉米秸稈低0.072%/K，較棉花秸稈高0.103%/K；其最快燃燒速率下溫度Tmax特征為棉花秸稈＞混合秸稈＞玉米秸稈，混合秸稈最大燃燒速率所對(duì)應(yīng)的溫度較玉米秸稈高1.3K，較棉花秸稈低38.8K。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)黃色秸稈與灰色秸稈的合理混配，其燃燒參數(shù)能夠很好地滿足生物質(zhì)電廠燃料要求，可促進(jìn)生物質(zhì)電廠對(duì)黃色秸稈的利用，從而較好地消納黃色秸稈，貫徹了資源節(jié)約型、環(huán)境友好型的發(fā)展理念，在保護(hù)環(huán)境的同時(shí)又合理利用了資源，為祖國(guó)綠水青山做出了貢獻(xiàn)。