瘀能工程《工業(yè)加熱》2001年第5期文章端號(hào):1002-1639(2001)05-0007蔗糠熱解與燃嬈特性研究王健敏1,馬嘵莤2,孫振剛2(1.廣州仲愷農(nóng)業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣東廣州510225;2.廣州華南理工大學(xué),廣東廣州510640)摘要:對(duì)蔗糠進(jìn)行了工業(yè)分析實(shí)驗(yàn)和熱解實(shí)驗(yàn),總結(jié)出了其熱解反應(yīng)動(dòng)力學(xué)規(guī)律對(duì)鈍體、開縫鈍體燃燒器后蔗揮發(fā)分著火性能進(jìn)行了分析。在擴(kuò)散控制、動(dòng)力控制條件下,分別對(duì)蔗糠捍發(fā)分燃燼時(shí)間進(jìn)行了計(jì)算。得出了蔗懸浮燃燒宜采用開縫鈍體燃燒器的結(jié)論關(guān)鍵詞:蔗糠;熱解;燃燒中圖分類號(hào):TK16文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:AStudy on the Characteristics of Pyrolysis and Combustion for Sugarcane ChaffWANG Jian-min', MA Xiao-qian', SUN Zhen-gang(1. Guangzhou Zhongkai Agrotechnical College, Guangzhou 510225, Chinathina University of Technology, Guangzhou 510640. China)Abstract: The proximate analysis and pyrolysis experiments are done for sugarcane chaff, its pyrolysis kinetics model isderived. The ignition and combustion characteristics of sugarcane chaffs volatile behind bluff-body and slitting bluff-bodyburner are analyzed. Based on the diffusion- control model and reaction kinetics- control model, the burning- out time ofvolatile is calculated respectively. The conclusion shows that slitting bluff-body burner is suitable for sugarcane chaffssuspended combustioKey words sugarcane chaff. pyrolysis; combustion1前言3熱解特性蔗渣在被磨碎時(shí)產(chǎn)生一種質(zhì)輕、粒小、類似木粉的物質(zhì)蔗糠若呈粉末狀的蔗糠被裸露堆放極31熱解實(shí)驗(yàn)易形成飛塵,遺成污染。蔗糠具有較好的著火性能和取適量樣品放入坩堝中,在100~600C的恒定燃燼性,燃燼后灰渣易處理污染小。因此,對(duì)它進(jìn)行溫度下熱解,對(duì)應(yīng)于每一溫度,實(shí)驗(yàn)時(shí)間定為40焚燒處理具有回收熱能和保護(hù)環(huán)境的雙重功效由mn,每隔5min測(cè)量一次失重情況。測(cè)得蔗糠失重于其密度較小,便于氣力輸送,故可采用懸浮燃燒方曲線如圖1式。以下將對(duì)蔗糠的燃料特性、熱解特性和燃燒特性◆100℃進(jìn)行系統(tǒng)研究200℃寺性2燃料特開榨時(shí)蔗糠水分含量較高;而堆放一段時(shí)間后,400℃水分會(huì)有所減少。蔗糠元素分析[和本文實(shí)驗(yàn)所得的工業(yè)分析如表1。500℃表1蔗掉的成分分析(%)51015202530354時(shí)間lmin元素分析工業(yè)分析圖」蔗糠熱解失重曲線Ca Hu O Nu Su Aar MM, V. And FCu24.73123.00.10.01.148.010.881.41.76.13.2熱解反應(yīng)動(dòng)力學(xué)規(guī)律由質(zhì)量作用定律可寫出失重速率方程da/dr= ALex(-E/RT)](1-a)"收稿日期:2001-04-12;修訂日期:2001-0716式中:a為失重百分率,%;為反應(yīng)時(shí)間,s;A為頻者簡(jiǎn)介,于健鬟(196),女,講師,廣州市人,研究方向?yàn)闊崧室蜃?1/;E為活化能,J/mol;R為氣體常數(shù)能動(dòng)力T程8.3143J/mol;T為爐膛環(huán)境溫度,K;n為反應(yīng)級(jí)《工業(yè)加姑》2001年第5數(shù),根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取n=1,對(duì)式(1)兩邊取對(duì)數(shù),令:y=回流區(qū)與主流的交換面積S=2lh;回流區(qū)體積V=In[(da/dr)/(1-a)], m=InA, n=-E/R,z=l/r,261h則熱質(zhì)交換滿足 Spalding5:給出的近似關(guān)系:y=m+n/a,=(CD/4)P cpvo(26/L)蔗糠的于燥、熱解動(dòng)力學(xué)擬合曲線如圖2所示,gI=(C /4) pvo(2b/L)由直線的斜率可求出干燥、熱解反應(yīng)的活化能E=式中:a為主氣流與回流區(qū)的熱交換系數(shù);1為相23034.328J/mol;由截距可求出反應(yīng)頻率因子A應(yīng)質(zhì)量交換系數(shù);P為氣流密度;cP為氣流比熱容;為一次風(fēng)初速度;Cp為鈍體阻力系數(shù)蔗糠在回流區(qū)中的停留時(shí)間解得按經(jīng)驗(yàn)取:Cp≈1,L/2b≈5。于是,對(duì)于b=50mm的鈍體,可由式(9)算出x-v關(guān)系為r=l/wc開縫鈍體燃燒器的設(shè)計(jì)思想是:由中縫向鈍體后高溫回流區(qū)送人一股蔗糠,中縫蔗糠流首先著火0003再由它點(diǎn)燃主流。中縫流服從平面射流衰減規(guī)律,衰I/T K圖2蔗糠的干燥、熱解動(dòng)力學(xué)曲線圖減系數(shù)由實(shí)驗(yàn)給出同理,對(duì)干燥蔗糠,在500C以上進(jìn)行高溫?zé)峤鈜=C(b,/)(10)實(shí)驗(yàn),可得到可燃?xì)鉄峤鈩?dòng)力學(xué)方程)cxp(-69540.67/式中:C為衰減系數(shù);b為中縫寬;v為距出口x遠(yuǎn)的速度。式中:v為析出的揮發(fā)分量;z為r→c時(shí)揮發(fā)分析(11)出率聯(lián)立式(10)、式(11),積分得4著火特性4.1可燃?xì)庵鹣孪抻山?jīng)驗(yàn)知,在相同條件下,r>r,說(shuō)明蔗糠在設(shè)∫為可燃?xì)庠诳諝庵械捏w積燃空比;f開縫鈍體回流區(qū)中的停留時(shí)間較長(zhǎng)。可燃?xì)馀c空氣達(dá)到化學(xué)當(dāng)量比時(shí)的體積燃空比。衡(2)蔗糠在回流區(qū)中揮發(fā)析出規(guī)律量燃燒能否持續(xù)、穩(wěn)定的特征參數(shù)為蔗糠在回流區(qū)中揮發(fā)分析出量按式(3)計(jì)算。對(duì)φ=f(4)式(3)分離變盤積分可得研究表明{3:隨著溫度T升高,著火下限φv/v=1-exp[-1202.3lexp(-69540.67/將降低,。T關(guān)系式如下RT)r]φin=0.5[1-0.00085(T-298]v/v是揮發(fā)分析出量占總揮發(fā)分量的比率。假揮發(fā)分能否著火的判斷方法是:由式(4)計(jì)算得定回流區(qū)內(nèi)溫度7=1300K和7=1200K,按式φ,當(dāng)φ<φ時(shí),不能著火;當(dāng)φ≥φn時(shí),能夠著(13)可算得蔗糠粉粒在鈍體回流區(qū)中揮發(fā)分的析出火率,見圖3。42燃燒器后著火判別(3)揮發(fā)分著火與燃燒的預(yù)測(cè)(1)蔗糠在回流區(qū)中停留時(shí)間揮發(fā)析出規(guī)律先計(jì)算蔗糠燃燒所需的理論空氣量,得:I=蔗糠與煤粉相比水分含量較高,屬于劣質(zhì)燃料,2.909kg/kg。假設(shè)過(guò)量空氣系數(shù)為12,則1kg蔗故建議采用具有回流區(qū)結(jié)構(gòu)和穩(wěn)燃功能的鈍體或開糠粉粒燃燒所需的風(fēng)量為:A=3.491kg。取一次風(fēng)縫鈍體燃燒器?；亓鲄^(qū)的基本尺寸為:回流區(qū)高度率為40%。為h,即鈍體的高度;回流區(qū)長(zhǎng)度L;鈍體半寬度b;揮發(fā)分中含有H2、CO、CH4、C2H等成分,其比能工程工業(yè)加熱》2001年第5期0.2率可按文獻(xiàn)[6選取。計(jì)算得1300K溫度下各可燃l.T=1300K氣成分的φ值見表2。由于CO是最難反應(yīng)的氣體,通常按CO的著火來(lái)判別。即:將CO的φ值與由式(5)計(jì)算所得的1300K下的φm=0.0742比較,判別揮發(fā)分能否著火。0055揮發(fā)分燃燒5.1擴(kuò)散控制型在鈍體后的一小段區(qū)域內(nèi),揮發(fā)分析出后,有可能在顆粒表面形成一層薄膜,揮發(fā)分與氧氣的混合圖3鈍體回流區(qū)中揮發(fā)析出率與v和T的關(guān)系曲線主要靠分子擴(kuò)散來(lái)進(jìn)行表2φ值的計(jì)算鈍體更鈍體中鈍體φ開縫鈍體φ開縫鈍體φ化學(xué)反應(yīng)方程式種類(重量比)v=25m/svo=15m/sv=10m/sv=25m/st=15m/sCH4CH4+202→C02+2H2O5.8007860.12790.1858C2H4CH4+3022CO2+2H2O0.04820.070l0.08242H2+O2→2H2O0.01590.02700.04190.04070.06610.09610.1124回流區(qū)中揮發(fā)分著火判別不能不能能按Feld的單膜模型:蔗糠顆粒直徑不變,氧對(duì)式(18)兩邊積分得氣到達(dá)揮發(fā)分表面立即反應(yīng)。顆粒重量2](19)(14)由于揮發(fā)分的平均分子量不詳,假定M為10式中:d。為顆粒直徑,cm;P為蔗糠顆粒初始密度,50,100,150,對(duì)T=1300K,F=0.1,p=0.18gcm3,分別對(duì)小粒徑(d=0~500m)和大粒徑(d設(shè)M為揮發(fā)分平均分子量;T為溫度。由析出500~5000m)蔗糠進(jìn)行分析,可由式(19)計(jì)算得揮發(fā)分的體積可求得初始外徑rap的關(guān)系曲線,見圖4、圖5。也可得當(dāng)M=100d=(2V+d})3=dl(92.1VpT+1)1/3(15)時(shí)z-T的關(guān)系曲線,見圖6、圖71克氧氣可燃掉的揮發(fā)分體積為M,dr(16)式中:dr為膜半徑微分;qo,為O2的擴(kuò)散速度,表達(dá)式為F式中:F為氣流O2中的的質(zhì)量份額;T。為參考溫度,K;P為T。下的氣體密度g/cm3;D。為T下的擴(kuò)散率,cm2/s文獻(xiàn)7]給出:T=1800K,P0=1.96×10'g圖4擴(kuò)散控制下?lián)]發(fā)分燃燒時(shí)間與小粒徑的關(guān)系曲線cm3,D=4.26cm2/s,于是可得從圖中可得出:對(duì)于小粒徑蔗糠(<500#m),M,1800(18)揮發(fā)分的反應(yīng)時(shí)間均小于蔗糠顆粒在回流區(qū)中0. 59TF. T熱能工程《工業(yè)加熱》2001年第5期CO的氧化。如果能計(jì)算出CO燃燒所需的時(shí)間,就可以預(yù)測(cè)到揮發(fā)分反應(yīng)所需的時(shí)間尺度。當(dāng)蔗糠與煤粉混燒時(shí),爐溫約1200~1800K,CO與O2的反應(yīng)式為°/2f3(式中:fco,/o,/Ho分別表示CO、O2和水蒸汽的摩爾份額;P為氣體總壓;R和R為不同單位制下的氣體常數(shù)[R=82.06atm·cm3/(mol·K);R=d×10°um1.986cal/(mol·K)]圖5擴(kuò)散控制下?lián)]發(fā)分燃燒時(shí)間與大粒徑的關(guān)系曲線仿照文獻(xiàn)[47,8]寫出質(zhì)量守恒關(guān)系式C4wH4O2gN.o→0.581C+0.007N2+1. dp"100um0.601H2+0.890CO+0.967CO2+C1o6H48(21)2.dp=300m3.d500u式中:左邊為100g可燃基蔗糠;右邊第一項(xiàng)為固定碳;右邊倒數(shù)第一項(xiàng)為碳?xì)浠衔?計(jì)算得:當(dāng)r=0時(shí):/=0.168,f02=0.084,f=0.184當(dāng)r=r時(shí):fo=0,f,=0,fHo=0.184。設(shè)T=1300K,P=1.013×105Pa,按式(20)算1d[Co]/×103Kdr=1.863×10-mol/(cm3·s)圖6擴(kuò)散控制下?lián)]發(fā)分燃燒時(shí)間與溫度的關(guān)系曲線在戶=1.013×105Pa時(shí),CO初始濃度為(M=100,小粒徑)RT=1.570×10-mol/rd=1000μm3d=5000umd co1=0.86 ms顯然,動(dòng)力控制條件下,燃燼時(shí)間rt<停留時(shí)間6結(jié)論(1)由成分分析實(shí)驗(yàn)可知,蔗槨水分、揮發(fā)分含圖7擴(kuò)散控制下?lián)]發(fā)分燃燒時(shí)間與溫度的關(guān)系曲線量較高,固定碳、灰分含量較少。因此,蔗糠的熱解和=100,大粒徑)揮發(fā)分的著火、燃燒,對(duì)蔗糠的整個(gè)燃燒過(guò)程起關(guān)鍵的停留時(shí)間r,當(dāng)v=15m/s時(shí),r=66.7ms,因此,作用。揮發(fā)分有足夠的時(shí)間在回流區(qū)中燃燼;但對(duì)于大粒(2)由不同溫度下蔗糠的失重曲線,可導(dǎo)出蔗糠徑蔗糠(>500μm),r大于τ,揮發(fā)分沒有足夠的時(shí)干燥\熱解反應(yīng)動(dòng)力學(xué)規(guī)律,作為蔗糠揮發(fā)分著火間在回流區(qū)中燃燼。燃燒的計(jì)算依據(jù)。52動(dòng)力控制型3)由于蔗糠與煤粉相比較,屬于劣質(zhì)燃料,故在鈍體后回流區(qū)內(nèi)經(jīng)過(guò)一段區(qū)域后,由于高湍建議采用鈍體類穩(wěn)燃技術(shù)。計(jì)算表明,在較大風(fēng)速流強(qiáng)度,揮發(fā)分有可能與氧氣充分接觸,這時(shí)揮發(fā)分下,鈍體回流區(qū)內(nèi)揮發(fā)分不能及時(shí)著火,而開縫鈍體的氧化反應(yīng)速度就起決定作用。實(shí)驗(yàn)早就證明,在碳回流區(qū)內(nèi)揮發(fā)分能及時(shí)著火,因此,宜采用開縫鈍體氫化合物的高溫燃燒中,對(duì)速度起控制作用的是燃燒器。熱能工程工業(yè)加熱》2001年第5期(1)在動(dòng)力控制條件下,蔗槨揮發(fā)分在回流區(qū)中Lower Flammability Limits of Gases and Mixtures of的燃燒時(shí)間很短;而在擴(kuò)散控制條件下,小顆粒蔗糠Gases at Elevated Temperatures [J]. Comb, and揮發(fā)分可在回流區(qū)內(nèi)燃燼,大顆粒蔗糠揮發(fā)分不能Flame,1988,71:283-294在回流區(qū)內(nèi)燃燼。因此,為保證完全燃燒須提前著[4」馬曉茜.開縫鈍體燃燒器的工業(yè)應(yīng)用及回流區(qū)分級(jí)著火,也宜采用開縫鈍體燃燒器?；饳C(jī)理研究[D]武漢:華中理工大學(xué),1995.[5] SPALDING D B.常弘哲譯.燃燒與傳質(zhì)[MJ北京:國(guó)防工業(yè)出版社參考文獻(xiàn)[6]吳家正,聞望,王寶生,等.城市生活垃圾原料對(duì)干餾[1李平,徐浩泉,龍敏賢,等.蔗糠/煤粉混燒系統(tǒng)的設(shè)及氣化過(guò)程的影響[冂]同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào),1989,17(1)計(jì)及冷態(tài)實(shí)驗(yàn)[]新能源,200,2(3):1618.113-121[2] GLASSMAN 1. Combustion [M]. Academic Press[7] FIELDM A著章明川譯煤粉燃燒[M]北京:水利Inc,,1977.電力出版社,t98[3] HUSTAD J E. SONJU O K. Experimental Studies of(上接第6頁(yè)組成部分,對(duì)蕃熱技術(shù)的燃燒機(jī)理已作了定性分析慮反應(yīng)物的分裂,導(dǎo)致計(jì)算值和實(shí)測(cè)的溫度有200但蓄熱燃燒的燃燒區(qū)域還待進(jìn)一步確定,vs/vsC的偏差,見圖1,即使能給出精確的邊界條件也無(wú)(空/燃速度比)對(duì)NOx生成有很大的影響,vsr/verl法消除這個(gè)誤差越大,NOx就越大,數(shù)值模擬在蓄熱燃燒的機(jī)理研究中得到了大量的運(yùn)用。傳統(tǒng)的爐子設(shè)計(jì)使用零維模型,只能估計(jì)出爐內(nèi)的平均傳熱、爐子效率與其它整體平均性質(zhì)。蓄熱燃燒技術(shù)和傳統(tǒng)的燃燒機(jī)理不◆實(shí)驗(yàn)值同,在爐子改造前知道爐內(nèi)的爐氣流動(dòng)、熱流及其它亠PDF值量的空間分布對(duì)爐子設(shè)計(jì)而言是非常必要的,這樣離噴口距離m就迫切需要建立在二、三維模型基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)值模圖4實(shí)驗(yàn)、EBU和PDF結(jié)果比較擬計(jì)算,而只有弄清了蓄熱燃燒的機(jī)理,才能實(shí)現(xiàn)有效的數(shù)值模擬,這就是進(jìn)行蓄熱燃燒機(jī)理研究的意義,適用于蓄熱燃燒新技術(shù)的爐子新設(shè)計(jì)方法將成為工業(yè)爐發(fā)展的方向參考文獻(xiàn)3[1]周懷春高溫空氣燃燒技術(shù)—21世紀(jì)關(guān)鍵技術(shù)之Du/Fuel[J].工業(yè)爐,1998(1):19-27.圖5vm/hm對(duì)NO、生成的影響[2]蕭澤強(qiáng)蔣紹堅(jiān),周孑民,等.高溫低氧空氣燃燒過(guò)程實(shí)(2)空氣流速低時(shí),NOx對(duì)燃料噴射角度更為驗(yàn)研究和數(shù)值計(jì)算[A]. HSIAO TSECHIANG敏感,空氣速度一定時(shí),燃料速度增加,NOx減少,YOSHIKAWA KUNIO, EDS. High Temperature Air原因是高速的燃料在燃燒的初始階段,影響了混合,Combustion[C]. Beijing, 116-129.這樣可以使得溫度更為均勻和產(chǎn)生更低的NO,見[31蔣紹堅(jiān)彭好義,汪洋洋,離溫低氧空氣燃燒火始觀察圖2。(3)改造或設(shè)計(jì)蓄熱爐前進(jìn)行數(shù)值計(jì)算是非常實(shí)驗(yàn)研究[J].冶金能源,2000,(3):14-18必要的.文獻(xiàn)[4]認(rèn)為在把蓄熱技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際爐子[4] T ISHII et al, Numerical Simulations of Highly Pre-heated Air Combustion in an Industrial Furnace [A]的改造之前,應(yīng)該通過(guò)數(shù)值模擬來(lái)確定溫度的分布Transactions of the ASME[C]. 1998. 120: 276-284這樣可以避免耐材和爐體設(shè)備由于設(shè)計(jì)的不當(dāng),而5] MASAO UEDE et a. Computational simulation of re-受到高溫的傷害,但用于設(shè)計(jì)的數(shù)值模擬方法還需generative burner system and its application to進(jìn)一步完善walking beam furnace for rolling mill[J].工業(yè)加熱4結(jié)論(日),1999,36(2):35-41高溫低氧是高溫空氣燃燒技術(shù)缺一不可的兩個(gè)