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生物质固体成型燃料物性及燃烧性能研究

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2018年第2期 广东化工 35 第45卷总第364期 WWW.gdchem.com 生物质固体成型燃料物性及燃烧性能研究 杜良巧 ,李运富2,刘思源1,谷月l,孙开莲 (1.滁州学院材料与化学工程学院,安徽滁州I 239000;2.滁州市第二中学,安徽滁州239000) 【摘要】生物质加工成固体成型燃料后具有便于储存运输、应用范围扩大、燃烧效率提高2O%以及烟灰污染减轻等优点。通过对纯松树枝 以及少量酒糟和松树枝混合为原料的两种固体成型燃料的物理性能及燃烧过程进行分析发现,添加有少量酒糟后固体成型燃料的热值与S元素 的含量均有提高:此外两种燃料的TG和DTA曲线几乎一致,表明二者的燃烧机理完全相同。燃料在不同热处理条件下的灰分的XRD分析结 果表明,大气常温下灰分主要成分是无定形碳.灰分在500℃高温热处理后主要为K20物质 本研究对于生物质成型燃料更好的开发应用具有 定的参考意义。 [关键词】生物质成型燃料;松树枝;热值;燃烧性能 [中图分类号]TQ [文献标识码]A [文章编号】1007.1865(2018)02.0035.02 一Study of Physical and Burning Properties of Biomass Pellet Fuel Du Liangqiao’,Li Yunfu ,Liu Siyuan ,Gu Yue。,Sun Kailian’ (1.College of Material and Chemical engineering,Chuzhou University,Chuzhou 239000 2.Chuzhou Second Senior Middle School,Anhui Chuzhou.239000,China) Abstraet:Biomass pellet fuel possesses many merits contrast to biomass power,such as easy for storage and transportation,application domain expansion. combustion emciency increasing and SOOt pollution reducing and SO on.The physical performance and burning process of two biomass pellet fuels with pine branches and the mixture ofpine branches and a portion ofdistiller grains as raw materiaI respectively were studied The results display that the caloriic fvalue ofruel and S element content both improve when a portion of distiller grains iS added into pine powder raw materia1.The TG and DTA curves of two fuels are close tO identica1.which indicates the burning mechanism iS similar in diierfent burning process.XRD results of ashes after different heat treating show that the amorphous carbon iS the main products when biomass iS burning in room temperature and atmosphere and the residuaJ iS only K2O after the air ash being heat treating in 500℃ high temperature fumace.This study provides theory reference for the application ofbiomass fue1. Keywords:biomass pellet ruel:pine branches;calorific value;burning properties 1引言 随着化石能源的日趋减少和环境问题的日益恶化,开发可再 生的清洁能源己迫在眉睫。生物质能具有可再生、清洁(S02排放 量更少1、价廉、资源丰富等特点,从上世纪70年始,生物 质能的研究和开发利用已成为世界的热门课题。目前的能源消耗 量中,生物质能耗约占世界总能耗的14%【 】。生物质成型燃料是 指将具有一定粒度的农林废弃物原料经干燥后在一定压力作用下 可连续挤压成致密的具有某种形状(常见棒形)的压缩成型物(见图 I),主要用于替代传统化石能源(煤、油、天然气),在专门研制开 发的生物质燃烧机中直接燃烧的一种新型清洁燃料。生物质燃料 常由可燃质、无机物和水分组成,主要含有碳(c)、氢(H)、氧(O) 及少量的氮 )、硫(s)等元素。生物质原料经挤压成型后,具有 比重大、着火易、燃烧性能好、便于储存和运输、热效率高等优 点外,还具有灰分少、低污染等优点。生物质成型燃料替代煤物 质直接燃烧转化成热能(或进而转化为电能)己达到了工业生产规 模【 2】,成为重点扶持的新农村建设项目之一。目前国内外对 于生物质固体成型燃料的燃烧特性开展了广泛的研究,相应的颗 粒燃料燃烧炉具的设计也受到重视【 1。 本论文对安徽省来安县浩然生物质造粒燃料有限公司生产的 纯松木为原料以及松木与酒糟混合物为原料生产的两种生物质固 体燃料的几种物理性能以及燃烧过程进行测试分析,并对添加酒 糟后的固体燃料能够缓解纯松木成型燃料在锅炉内结渣问题进行 初步探宄。 分的成分以及结渣问题。 3结果与讨论 燃料的燃烧特性是评价生物质燃料作为能源的重要指标。本 文首先采用改进的氧弹式量热法对采用木屑粉为原料加工成型的 颗粒燃料的热值进行测定,并在相同测试条件下对生活用煤的燃 烧热进行测量,得出试样在充足氧气的密闭体系的恒容发热量。 由表l所列数据可见,两种燃料的燃烧热均稍低于生活用煤,此 外,添加酒糟后形成的混合燃料的热值稍高于纯松木屑压制成型 的固体燃料。 表1 生物质固体成型燃料与生活用煤发热值 Tab.1 Caloriic values fof biomass pellet filel and coal for daily use 2实验 实验材料:以松木树干为原料经粉碎、压缩再挤压成圆柱形 棒状固体燃料:以松木和少量的酒糟形成的混合粉末为原料经挤 压形成的同等尺寸大小的圆柱形棒状固体燃料;生活用煤。 实验仪器与测试条件:采用Q600同步热分析仪对固体成型 燃料进行TG和DTG测试,升温速度1O℃/min。采用改进的氧 弹量热仪对燃料和生活用煤的燃烧热进行测量。采用Varid EL元 素分析仪(德国EMELENTAR),对生物质成型燃料中的c,N,H,s 元素的百分含量进行测试。采用x一射线分析仪(D8 ADVANCE) 对燃料在常温空气中燃烧以及马弗炉内高温燃烧的灰分进行结构 分析。在马弗炉内高温处理模拟燃料在高温锅炉内燃烧,研究灰 为进一步对生物质燃料的燃烧过程以及机理进行分析,本研 究采用同步热分析仪对两种生物质燃料进行热重测量和差示扫描 量热测定,结果如图2所示。由两种生物质固体成型燃料的 TG.DTG曲线可见,两种不同原料制成的生物质固体成型燃料的 曲线几乎完全重合,酒糟的加入对于松木的燃烧过程以及燃烧性 能并没有显著影响 两种燃料的燃烧过程均分为脱水、挥发分析 出、挥发分燃烧、焦炭燃烧和燃烬几个阶段[ 。由TG曲线可知, 在60℃左右水分开始挥发,到100℃水分挥发结束,该过程失 重约1.5%。在100℃至352℃温度区间为挥发分的析出和燃烧 阶段,在该阶段失重比重为17.48%,出现燃烧过程的第一个较强 放热峰,在342℃附近,放热量达到高峰:热重曲线在357℃出 现拐点,通常,在挥发分的析出与燃烧阶段,将下降端(拐点处) 切线与基线交点所对应的温度定义为着火温度[ 1。由上图知,该 实验中所用的两种生物质固体燃料的着火温度约在3l0℃。此后 直到490℃进入焦炭燃烧阶段,该过程的质量失重比为l3.1%, 从DTG曲线上该温度范围的峰面积可见,该阶段焦炭燃烧过程的 热量释放占整个燃烧过程较大比重【 。这是因为生物质燃料中固 定碳是主要的可燃成分,发热量绝大多数是由固定碳中的C元素 发生反应生成c02提供的。 一[收稿日期】2017一l1一O7 【基金项目】滁州学院校级大学生刨新创业项目(2016);滁州学院校级规划项目(2015GH16) [作者简介】+为通讯作者:孙开莲(1979-),女,山东临沂人,博士研究生,主要研究方向无机新材料。 广36 东化工 2018年第2期 第45卷总第364期 WWW.gdchem.com TEM ℃ 图1 两种生物质固体成型燃料的TG和DTA曲线 Fig.1 TG and DTA curves of two biomass pellet fuels 本文采用元素分析仪(Element vario EL)对两种生物质燃料内 所含的轻质元素含量进行分析,测定结果如表2所示。两种生物 质固体成型燃料的C、H、N元素的含量比较接近。其中C、H、O 元素直接参与气化过程。 表2生物质固体燃料的元素分析结果 Tab.2 Elementa1 analysis results of biomass oellet fuels 样 、、垦篓l N I C I n I S 由表2可见,C、H元素是颗粒燃料的重要组成部分,也是可 燃气中元素的主要来源。由于生物质在燃烧过程中排出的CO2与 其生长过程中光合作用中所吸收的一样多,所以从循环利用的角 度看,生物质燃烧对CO 2的净排放为零[”。生物质燃料燃烧过程 中排放的烟气种类和排放量由燃料的元素含量及燃烧工况二者共 同决定,烟中主要包括CO、NO,而sO2和NO2较少 I。N、S 元素的含量影响燃料烟气对环境的污染程度,s元素煤中的含量通 常要大于1%。然而s元素在I号样品即纯松木加工的固体燃料 中的含量接近为零,而在加入酒糟后形成的原料形成的燃料中s 含量也仅仅为0.I%。由此看来,生物质同体成型燃料更为清洁, 燃烧时不必设置烟气脱硫装置,用该生物质颗粒燃料替代煤,能 有效减少空气中SO2、CO2等有害气体的排放。本实验中松木屑 为原料的生物质燃料中N元素的含量为2.02%,添加了酒糟后N 元素含量增长为2.33%,该含量高于我国煤炭的最高N含量至 1.4l%[ ,可见该松木屑为主的生物质成型固体燃料在使用过程中 要设置烟气脱氮装置,处理NOx尾气。 1呼.按小树 — I i “J===:==二=: “ 。::: : 30 40 5o eo 7O ∞ 'O 2o ∞40 5o ∞ ∞ 10 拍 2theta,o 2theta,o 图2空气中燃烧后的灰分以及二次高温热处理后的灰分的XRD谱图 Fig.2 XRD spectrum ofbiomass fuel ash obtained by burning in air and then high temperature heat treating 生物质燃料中的无机物组成对于燃料在锅炉内燃烧后是否结 渣有一定的影响,此外燃烧后的灰渣组成也决定了灰分的后期应 用与处理。纯松木原料加工的成型燃料在是锅炉内燃烧使用过程 中会出现结渣现象,而添加酒糟后结渣情况减弱。为了对结渣原 因进行探究,我们采用x一射线粉末技术对两种热处理处理条件下 的灰渣进行成分分析。两种热处理条件分别如下:第一种是在常 温常压下点燃生物质燃料使其充分燃烧,,第二种环境是模拟锅炉 内的高温高压环境,即将第一种环境即空气中得到的灰渣在密闭 的500℃马弗炉内下热处理5 h。两种热处理后得到的灰分的 XRD谱图如图2所示。 l号和2号样品在空气中点燃后的灰分均在20值为23o附近 出现包峰,可见灰分主要成分是无定形结构的碳,两个谱图均在 27。、30。以及4l。附近出现KzCO3晶体的特征衍射峰【 ,此外不同 于1号燃料,添加有酒糟的2号燃料的灰分在22。以及15。处有弱 的衍射峰出现,应该是酒糟原料中某种物质燃烧后产生的。相比 l号燃料结渣,添加酒糟后的2号燃料的结渣性能缓解可能与该 物质存在有关。然而当将空气中的灰分经过500℃热处理后,由 两种样品谱图中f}亍射峰的20位置基本一致,然而峰强度稍有不 同,经与PDF谱图库对照,在27。、30。以及4l。等多处出现的衍 射峰为K:0的特征衍射峰。此外,2号样品在空气中燃烧得到的 灰分在22。、15。两处衍射峰消失,由此推断两处峰有可能是酒糟 中存在少量的硫酸钾(K2SO4)物质的衍射峰【l0],这可能就是2号样 品元素分析中少量S元素的来源。可见,少量硫酸钾的存在对于 松木原料加工成的固体成型燃料在常温常压下的结渣有缓解作 用,对于在高温下的缓解结渣发生的原理还有待深入研究。 4结论 本文分别对以纯松木为原材料以及松木与少量酒糟混合为原 料经过粉碎、挤压成型的固两种固体燃料进行物性测试。与纯松 木造粒固体燃料相比,少量酒糟物质的添加提高了燃料的热值, 两种燃料的热值均高于22 kJ mol。。,接近生活用煤的热值29.3 kJ mol。。。由元素分析可知,纯松木燃料中无s元素,而添加有少量 酒糟的固体燃料中有0.1%的s元素存在,通过XRD测定知s元 素可能来自于酒糟中的硫酸钾物质;此外,XRD结果给出了,两 种燃料在常温下燃烧的灰分成分主要是无定形碳,而在空气中高 温下(如500。c)碳则被氧化为CO2,灰分主要成分为K 0物质, 而添加有酒糟的燃料的灰分中还有少量的K2SO 存在,这可能是 向松木原料中加入少量酒糟后加工成的燃料不容易结渣的部分原 因,其缓解结渣的原理还有待进一步研究。 (下转第41页) 201 8年第2期 广 东 化 工 “ l gdchem.com ∞∞∞阳∞∞∞∞∞加0 第45卷总第364期 i00 90 80 70 60 鹭 41 50 0 40 3O 2O 10 0 0 4 8 12 16 2O 24 28 32 t nll 图5逃液中灵菌红素浓度曲线 Fig.5 Prodigiosin concentration curves in escaped broth 对 tll1 红素浓度变化曲线表叫定茼红素与谍i体为部 分 }i长 联型,8 h后人量产生,44 h后浓度达到基本稳定。 试验甜I 1【f】,逃液开始后,发酵罐 菌红素浓度迅速下降 接近0,此时发酵罐中仍保留了一定的菌体浓度,表明泡沫浮 选所分离的细胞为仃 菌红素生成的细胞,灵菌红素的表达与灵 fl: 多糖 叮能仃 关联。24 h逃液停』LG-发酵罐中灵 红素浓度 圩始 卅.终浓慢低 对!{{{组 试验纰!f1j,逃液厅始后,发酵罐中灵 红素保持极低的浓 瞍,泡沫所分离的 体灵 红袭浓度稳定,逃液桶中浓度低于试 验纰l,原 呵能 1奎浓度原 棚Ili_】。 2 5溶 变化情况 读取3组实验中发酵罐中溶氧浓度,所得曲线如图6所示。 对照组中4~28 h,溶氧浓度快速卜降,与菌体生长相对应, 28 h后溶氧缓慢回升。 试验组l中,逃液开始后,溶氧下降趋势减缓并逐步回升, 原因为部分菌体被泡沫浮选分离,发酵罐中菌体浓度降低,耗氧 量减少。 试验组2中,逃液开始后,溶氧仍保持较快的下降趋势,表 明补料促进了发酵罐中的菌体生长,20 h后发酵罐中溶解氧浓度 实现基本稳定,表明此时发酵罐中菌体生长与泡沫浮选实现平衡。 2.6综合分析 添加消泡剂、不补料的对照组菌体生长、灵菌红素表达和溶 氰下降曲线与常见批次发酵变化曲线趋势一致。 不加消泡剂、不补料的试验组1在12~16 h左右产生大量泡 沫并逃液,部分菌体和灵蔺红素随泡沫被分离,溶氧下降趋势减 缓,随后泡沫逐渐减少,发酵罐中荫体和 菌红素浓度逐渐回升, 20~24 h问逃液逐渐停止。至发酵结束时, 收集逃液2.38 L,其 中菌体浓度为发酵液的5 00倍,灵菌红素浓度为发酵液的l4.10 倍。发酵所得到的荫体总量为对照组的80.4%,灵菌红素总量为 对照组的58.6%。 不加消泡剂、连续补料的试验组2补料开始后持续产生大量 泡沫,逃液速度稳定,与补料速度基本持平。整个过程中发酵罐 中保持较低的菌体浓度,灵菌红素浓度接近十0,逃液中保持了 较高浓度的菌体和色素量。 发酵结束时,共收集逃液20.60 L, 其中菌体浓度为发酵液的10.22倍,灵菌红素集中在逃液中。发 酵所得到的 体总是为对照组的2_33倍,灾菌红素总量为对照组 的2.70倍,同时发酵液中不含消泡剂,且菌体和灵菌红素集中存 逃液中,体积小,便于后续提取、纯化。 3讨论 泡沫是发酵过程中的一种常见现象,尤其是表面活性物质产 较高的菌种发酵时,通常需要力【I入消泡剂、机械消泡或提高罐 等方式消泡,容易对菌体生长和下游提取造成影响。实际上, 在产表面活性物质的发酵过程中,目标产物多数与生成泡沫的主 要表面活性物质相关或偶联,可利用泡沫对目标产物进行浮选, 目前部分研究人6j=正让开展发酵与泡沫分离耦合的技术研宄 [47-521本研究存粘质沙雷氏菌发酵过程中利用泡沫连续浮选菌体 细胞,同时流加培养 ,获得了较高的菌体和灵菌红素产量,后 处 操作简便,表明泡沫浮选应用于粘质沙雷氏菌连续发酵方法 可行,为粘质沙雷氏菌连续发酵提供了一种新方法。 该方法因泡沫顶罐时间较长,易发牛染荫,因此连续发酵 过程时问不宜较长,且倒罐次数相对较多,需要进一步开发或改 。进发酵装置。 0 4 S 1 2 i6 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 llhl (本文文献格式:肖玉娟,傅奇,裴仰· ,等.基于泡沫浮选作用 的粘质沙雷氏菌连续发酵[J].广东化工,2018,45(2):39—41) 图6发酵罐中溶氧变化情况 Fig.6 Dissolved oxygen curve in bioreactor ……、^,, 、 , …— 。 ^^, 、^…… (上接第36页) 参考文献 【1】Matti Parikka.Global biomass fuel resources[J].Biomass and Bioenergy, 2004,27(6):61 3-620. 学硕十学位论文,2001:38.39. 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