木屑颗粒机的颗粒度对燃烧特性影响研究

　　木屑颗粒机颗粒度大小对热解影响

 

　　取3种颗粒度不同的稻壳，这里以长度来区别其颗粒度大小，稻壳a长度8～10mm，稻壳b长度0.15～2mm，稻壳c长度0.101～0.105mm。利用型号为TG/DTG6200热重差热分析仪，测温范围:室温～1100℃，质量灵敏度:012μg，加热速率为50℃/min，得出了稻壳a、b、c的TG、DTA与DTG曲线，通过曲线可以看出稻壳的燃烧大体分为3个阶段。

 

　　水分析出阶段(AB)，这一阶段主要是水分析出阶段，且能看出在AB段之间有一个明显的波峰，代表着水分析出Zui大速率。挥发分析出及燃烧阶段(CD)，一般来讲，取DTG=011mg/min时的温度为挥发分析出温度，在氧气环境中析出的挥发分会很快燃烧。焦炭燃尽阶段(DE)，从图中可以看出，不管是TG还是DTG曲线在FG段的变化相对减弱，尤其DTG曲线更为明显，由此可见稻壳焦炭的燃烧比较缓慢。

 

　　从数据可以看出，3种稻壳挥发分析出温度及稻壳达到Zui高析出量时所需温度Ta>Tb>Tc，也就是说随着颗粒度减小，稻壳挥发分析出温度降低，同时所需要的时间也减少;挥发分的燃烧可以分为析出和燃烧2个阶段，气体燃烧速率快，其燃烧所需时间要远远大于其析出时间，所以这里可以近似忽略燃烧时间。从中析出量数据看出稻壳a的挥发分析出时间是稻壳b的1161倍，是稻壳c的1164倍，这说明稻壳颗粒度对其挥发分析出时间影响较大，随着颗粒减小挥发分析出时间减少;稻壳c的温度Zui高，也是由于其颗粒度小的缘故。

 

　　稻壳b与c的参数基本相近，与稻壳a的参数相差却甚大，一方面是因为稻壳a的颗粒度较大，不利于燃烧进行;另一方面可以看出，当稻壳颗粒度小到一定程度时，再减小稻壳颗粒度对其热解或者燃烧的影响逐渐减弱，同时处理稻壳粒度越小将会需要消耗动力越大，现在处理到10～20mm粒径生物质消耗动力为5kW/t左右，如果处理到011mm以下，所需动力就要20kW/t左右。所以，对于稻壳燃烧也不是无限制的减小颗粒度，综合经济评价来选取合理的颗粒度。为了全面评价生物质的燃烧情况，引入文献燃烧特性指数P进行描述:

 

　　式中，P为燃烧特性指数;(dw/dt)max为Zui大燃烧速率，mg/min;(dw/dt)mean为平均燃烧速率，mg/min;Te挥发分开始析出温度(着火温度)，℃;Th为燃尽温度，℃。

 

　　燃烧特性指数P是反映稻壳着火和燃尽的综合指标，P值越大，说明稻壳的燃烧特性越好。升温速度、样品粒度及样品质量的变化对稻壳的燃烧特性指数均有一定的影响。燃烧特性指数随着颗粒度的减小和而增大。对3种稻壳分别计算其燃烧特性指数P，得出结果为Pa<Pb<Pc。因此，稻壳c的燃烧特性指数Zui大，其燃烧性能也。与煤相比，稻壳燃烧特性指数明显大于煤，其值比煤大2个数量级。

 

　　木屑颗粒机的颗粒度大小对换热的影响

 

　　从原料吸热方面来讲，颗粒度减小，原料换热面积增加，有利于快速吸热而升温，一般来说，粒度小，传热系数就大。当颗粒温度与环境温度之差衰减到初始值的1%时，也就是说颗粒温度与环境温度基本上达到热平衡时所需要时间与粒度有如下关系式:

 

　　式中，τ99%为气体与颗粒间温度平衡到99%时所需时间，s;cp，p为颗粒定压比热，kJ/(kg·K);ρp为颗粒密度，kg/m3;dp为颗粒直径，m;hgp为气固间传热系数，W/(m2·K)。

 

　　所以粒度减小，减少了颗粒温升时间。同时颗粒度减小，增大了传热系数，研究循环流化床时发现，传热系数随小球探头直径的减小而增加。因此颗粒度的减小，有利于原料的燃烧。

 

　　从原料处于自然工况(即热力着火工况)方面来讲，颗粒度的减小对原料燃烧有其不利因素。粒径大小对放热量是没有影响的，但是对流散热却随着直径的减少成反比的增加，从而使得原料温度降低，不利于燃烧。对同种原料在固定床中燃烧来言，颗粒度减小，堆积密度增加，空隙率减少，阻力增加，从而使得原料处于缺氧状态，不利于燃烧，其原理很简单，不过多论述。这里重点讨论对流散热对燃烧的影响。通常对流放热系数与Nusselt准则有如下关系式:

 

　　式(3)中，α为对流换热系数，W(m2·K);Nu为努塞尔数;λ为原料导热系数，W(m2·K);d为颗粒直径。

 

　　当原料粒径d减小时，准则Nu降低不多，λ为物性参数基本不变，则α增加;同时颗粒度的减小，比表面积增大，颗粒数增加，增加了颗粒之间相互碰撞几率，增强了换热，所以当颗粒度减小时，一方面有利于原料的燃烧，释放热量Qf;另一方面原料本身与周围环境散热Qs，当Qf>Qs时，原料燃烧释放出大量热，温度上升;当Qf=Qs时，原料燃烧释放热量与原料散热平衡，此时处于一种相对稳定状态。但当对流放热系数足够大时，有Qf<Qs，原料释放热量不能满足原料的散热，这样原料本身就会随着散热损失而逐渐降低温度，如果没有得到合理的控制，原料温度Zui终会降低到使其本身熄火。当Qf=Qs时所确定的粒径称之为临界直径d临。上述自然工况理论是建立在热平衡的基础上，其只能是适应既有放热过程又有散热过程的工况，同时没有涉及热力着火达到平衡状态所需要时间，用其可以定性解释一些燃烧技术问题。

 

　　生物质热值偏低，单位质量释放热量比煤小得多，在同样粒径下，生物质所蓄备的热量只有标准煤的一半。当散热量较大时，生物质更容易出现熄火现象。从热解角度来看，稻壳c热解速率大于稻壳a，挥发分析出速率快，从而使得稻壳c出现短时高温。综合来看，稻壳a的燃烧工况要好于稻壳c。因此在实际燃烧设备中，原料由冷态进入到高温燃烧炉堂内，初期是高温烟气对原料的加热，此时颗粒度越小，加热时间就越短，有利于原料快速的达到燃烧温度;但是当原料燃烧继续提高温度时就变成原料向烟气散热，颗粒度越小，散热越多，不利于原料完全燃烧，增加了原料机械未完全燃烧损失。

 

    木屑颗粒机颗粒度大小对焦炭燃烧影响

 

　　稻壳的燃烧过程可以分为挥发分燃烧和焦炭燃烧2个过程。气体燃烧速率远远大于固体燃烧速率，这样稻壳燃烧时间长短主要决定于焦炭的燃烧时间。稻壳挥发分含量高，析出快，短时间内完全燃烧需要足够的氧，挥发分析出后的焦炭被包裹在中间，阻滞其与氧的反应，因此稻壳焦炭的燃烧较为缓慢。碳与氧的反应有如下4种可能:

 

　　(1)碳与氧气完全反应:

 

　　(2)氧气在碳表面不足，生成CO:

 

　　(3)气体的燃烧速率很快，在反应2条件下，生成的CO在碳附近与氧迅速反应生成CO2:

 

　　(4)氧受到阻滞，无法到达碳表面，在碳表面只有气相扩散过来的CO2，产生C与CO2的还原发应:

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