第27卷第1期山東理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)Vol 27 No. 12013年1月Journal of Shandong University of Technology( Natural Science Edition)Jan.2013文章編號(hào):1672-6197(2013)01-0021-04生物質(zhì)燃燒和陰燃過程對(duì)比羅冰,何芳,高振強(qiáng),李永軍,王麗紅,張永健(山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院,山東淄博255091)摘要:為了明確生物質(zhì)燃燒和陰燃的共性和差異,分類總結(jié)了生物質(zhì)燃燒和陰燃過程的特點(diǎn),得出大顆粒生物質(zhì)燃燒過程和自然對(duì)流條件下生物質(zhì)粉正向陰燃物理過程近似的結(jié)論對(duì)比了這兩種過程的物理化學(xué)反應(yīng)特性、傳輸機(jī)理及邊界條件,得出結(jié)論:兩種過程于燥、熱解等物理化學(xué)反應(yīng)機(jī)理相同,炭氧化過程稍有差異、邊界條件差別很大關(guān)鍵詞:燃燒;陰燃;生物質(zhì);化學(xué)反應(yīng);傳輸機(jī)理;邊界條件中圖分類號(hào):TQ91文獻(xiàn)標(biāo)志碼:AComparison of biomass combustion and smolderingLUO Bing, HE Fang, GAO Zhen-qiang, LI Yong-junWANG Li-hong, ZHANG Yong-jian( School of Agricultural Engineering and Food Science, Shangdong University of Technology, Zibo 255091, China)Abstract: In order to clarify the similarities and differences between biomass combustion andsmoldering, characteristics of the two processes have been reviewed. It showed that the combtion of a large biomass particle is similar to the natural convection forward smoldering of piled bi-omass powder. Chemical reaction characteristics, transport mechanisms and boundary conditionsare compared between two processes. It showed that the reaction mechanisms of drying, pyrolysis of the two processes are the same. There is a slight difference in mechanism of char oxidationand a significant difference in boundary conditions between the two processesKey words: combustion; smoldering; biomass; chemical reactions; transport mechanism; boundary conditions燃燒是指伴有強(qiáng)烈發(fā)熱發(fā)光的快速氧化反應(yīng),共性,了解兩種過程的異同,可以為拓展燃燒和陰燃燃料有固體、液體、氣體三種.陰燃(是指緩慢低溫共性問題研究方法,以及研究結(jié)果的適用性提供參無焰的燃燒過程,由氧化劑直接和固體反應(yīng)放熱維考,目前還沒有這方面的對(duì)比資料,本文擬對(duì)生物質(zhì)持,一般存在于松散的固體堆積物或大顆粒多孔固燃燒和陰燃過程進(jìn)行對(duì)比體內(nèi)部,如纖維、棉花、煙絲、鋸末、海綿、煤堆、木頭等1生物質(zhì)燃燒過程和陰燃過程的分類由于生物質(zhì)本身為多孔固體燃料,不同條件下和特點(diǎn)大顆粒生物質(zhì)及其粉體堆積物都可實(shí)現(xiàn)燃燒和陰燃生物質(zhì)燃燒和陰燃廣泛存在于生物質(zhì)能2應(yīng)1.1生物質(zhì)燃燒過程的分類及特點(diǎn)用、垃圾焚燒4和各類火災(zāi)中,兩者既有差異,又有生物質(zhì)燃燒方式主要可分為懸浮床、流化床和收稿日期:2012-12-06中國(guó)煤化工基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51076087);山東省中青年科學(xué)家獎(jiǎng)勵(lì)基金資助YHCNMHG作者簡(jiǎn)介:羅冰,男,luoping960@126.com;通信作者:何芳,女,hf@sdut.edu.cn山東理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2013年固定床燃燒,相應(yīng)的生物質(zhì)原料尺寸分別為1mm將陰燃分為強(qiáng)迫對(duì)流陰燃和自然對(duì)流陰燃,如圖3以下,2~5mm和5~500mm{.由于生物質(zhì)的纖所示維特性,其粉碎成本較高,且許多用于煤粉碎的設(shè)備不適用于生物質(zhì)粉碎.另外,大顆粒燃燒時(shí)氣體凈化成本低,因此大顆粒(>2mm)生物質(zhì)的直接燃燒自然對(duì)流目前和將來都會(huì)廣泛應(yīng)用生物質(zhì)粉體燃燒和大顆粒生物質(zhì)燃燒過程的對(duì)b自然對(duì)流條件下陰燃比如圖1所示,都經(jīng)歷干燥、氧化熱分解產(chǎn)物燃燒和圖3自然對(duì)流和強(qiáng)迫對(duì)流條件下陰燃示意圖炭氧化三個(gè)階段,這三個(gè)階段在顆粒燃燒過程中會(huì)有所重疊.顆粒越小,這三個(gè)階段重疊的越少.因此,強(qiáng)迫陰燃中多孔介質(zhì)內(nèi)部流體的流動(dòng)由泵、風(fēng)生物質(zhì)粉燃燒過程的分析常采用集總參數(shù)法,認(rèn)為機(jī)(或抽煙時(shí)人的抽吸作用)等外力驅(qū)動(dòng).自然陰燃生物質(zhì)粉的細(xì)小顆粒在燃燒過程是均勻的,先后經(jīng)中多孔介質(zhì)內(nèi)部流體的流動(dòng)是由內(nèi)部自然形成的溫歷熱解、干燥和炭氧化三個(gè)階段.而大顆粒生物質(zhì)燃度壓力差驅(qū)動(dòng)由于自然條件下,氣體很難通過多孔燒過程的計(jì)算要復(fù)雜很多介質(zhì)內(nèi)部,所以強(qiáng)迫陰燃一般發(fā)生在吸煙過程或?qū)﹃幦佳芯康膶?shí)驗(yàn)過程中10.這個(gè)分類方法需要和圖4所示的按多孔介質(zhì)外部流體的流動(dòng)是自然對(duì)流還是強(qiáng)迫對(duì)流山區(qū)分,外部流動(dòng)特點(diǎn)只能改變邊界條a)顆粒干燥件,對(duì)過程性質(zhì)的影響較小濕物料b熱解及熱解產(chǎn)物燃燒灰票a)強(qiáng)迫對(duì)流條件下陰燃b自然對(duì)流條件下陰燃A小顆粒生物質(zhì)燃燒過程(B)大顆粒生物質(zhì)燃燒過程圖4物料外部自然對(duì)流和強(qiáng)迫對(duì)流條件下陰燃示意圖圖1生物質(zhì)燃燒過程示意圖13總結(jié)1.2生物質(zhì)陰燃過程的分類及特點(diǎn)顯然,陰燃的種類繁多,強(qiáng)迫陰燃、逆向陰燃過生物質(zhì)陰燃按溫度峰移動(dòng)方向和物料內(nèi)部氧化程和顆粒燃燒過程特性差異顯著.只有自然對(duì)流條劑③傳播方向可分為正向陰燃和逆向陰燃,如圖2件下的正向陰燃和大顆粒燃燒相近.氧化劑從外界所示.正向陰燃是指氧化劑流動(dòng)方向和溫度峰移動(dòng)擴(kuò)散至物料內(nèi)部;物料中干燥、熱解、炭氧化過程重方向一致,逆向陰燃時(shí),兩者方向相反.正向陰燃常疊進(jìn)行;反應(yīng)產(chǎn)物氣體經(jīng)物料表面流出;物料傳輸過發(fā)生在堆積物料由外向內(nèi)的陰燃過程中,如物料外程都是由于內(nèi)部反應(yīng)產(chǎn)生的溫差壓差等引起.下面部點(diǎn)火后的蔓延及森林火災(zāi)的余火等.逆向陰燃常將詳細(xì)對(duì)比這兩個(gè)過程的異同.發(fā)生在堆積物料內(nèi)部熱量積累后的自燃過程2大顆粒生物質(zhì)燃燒和自然對(duì)流條件下生物質(zhì)粉體正向陰燃對(duì)比如果作一維簡(jiǎn)化處理,理論上大顆粒生物質(zhì)燃空氣燒和自然對(duì)流條件下生物質(zhì)粉體正向陰燃的結(jié)構(gòu)如a)正向陰燃b逆向陰燃圖5所示在生物盾顆粒體堆和物)由外至內(nèi)依次圖2正向陰燃和逆向陰示意圖是灰分層、炭H中國(guó)煤化炭層發(fā)生碳的何芳等人按氣體在多孔介質(zhì)中的流動(dòng)情況,氧化或氣化度人及肝應(yīng)、濕物料層發(fā)第1期羅冰,等:生物質(zhì)燃燒和陰燃過程對(duì)比23灰分層而大顆粒生物燃燒過程中,受碳燃燒和煤燃燒相關(guān)理論分析的影響,有些研究者認(rèn)為,其炭消耗過L炭層時(shí)間后程主要是碳和二氧化碳發(fā)生反應(yīng)或和水蒸氣發(fā)生反應(yīng)14,如式(2)和式(3)所示,生成的氣體產(chǎn)物在氣物料區(qū)相中燃燒.這兩個(gè)反應(yīng)均為強(qiáng)吸熱反應(yīng).灰分層和外界熱體境C+CO,=2C0-173. 5kJ/mol(2)C+H2O=Co+ H2-131 3kJ/mol (3)維由于生物質(zhì)大多含有一定灰分,燃燒時(shí)灰分層熱解層會(huì)大大降低環(huán)境對(duì)炭層的傳熱速率,難以有熱量保證炭層強(qiáng)吸熱反應(yīng)因此,本文作者以及許多研究顯物料者1認(rèn)為生物質(zhì)燃燒時(shí)炭的消耗也是以不完全氧化為主,即可以用式(1)表示圖5一大顆粒生物質(zhì)燃燒和自然對(duì)流條件下生物質(zhì)粉陰燃的對(duì)比大顆粒生物質(zhì)燃燒和自然對(duì)流條件下生物質(zhì)粉體正向陰燃時(shí)都涉及物料內(nèi)部的熱量、質(zhì)量和動(dòng)量生干燥過程.物料內(nèi)部多孔介質(zhì)中有熱量、動(dòng)量和質(zhì)傳輸,且這些傳輸?shù)膭?dòng)力均為反應(yīng)引起的物料內(nèi)部量傳輸同時(shí),物料通過外表面與外部環(huán)境進(jìn)行熱的溫度差和氣體濃度差等因此這些傳遞過程是類量質(zhì)量和動(dòng)量的交換這些傳輸都是由于物料反應(yīng)似的許多文獻(xiàn)中對(duì)這些過程的計(jì)算均采用相同的自發(fā)引起的另外,兩種過程都存在收縮.下面對(duì)兩關(guān)聯(lián)式種過程的各個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比當(dāng)然,生物質(zhì)顆粒和生物質(zhì)粉床層內(nèi)部孔隙尺2.1物理變化和化學(xué)反應(yīng)寸不同,前者數(shù)量級(jí)為10-5m17,后者為10-m1干燥:生物質(zhì)原料的含水率會(huì)因原料來源、氣候兩者熱量、質(zhì)量和動(dòng)量傳輸過程阻力大小有一定差和環(huán)境等有很大不同在燃燒和陰燃時(shí),物料要異經(jīng)歷干燥階段生物質(zhì)燃燒時(shí),燃燒室溫度一般在2.2邊界條件1000℃以上13,物料內(nèi)部最高溫度一般在800℃以生物質(zhì)燃燒一般發(fā)生在燃燒室內(nèi),環(huán)境溫度高,上1.陰燃時(shí),物料內(nèi)部最高溫度也可達(dá)700℃12至少600℃以上.由于氣體燃燒反應(yīng)消耗一定的氧因此,生物質(zhì)燃燒和陰燃是物料內(nèi)部的干燥,均屬于氣,因此環(huán)境氧濃度低而陰燃正好相反,一般發(fā)生高溫環(huán)境下的干燥這種干燥過程一般由熱傳輸控在露天,環(huán)境溫度低,氧氣濃度高.這是兩者最顯著制,表現(xiàn)為干燥集中在極薄的面上,稱為干燥面,的區(qū)別般用面反應(yīng)模型來描述熱解:在自然對(duì)流一維正向陰燃過程中,氧氣要3結(jié)束語想到達(dá)熱解層,必須要經(jīng)過炭氧化區(qū).由于炭氧化區(qū)的高溫,絕大部分氧氣和炭發(fā)生反應(yīng)而被消耗,難以生物質(zhì)顆粒燃燒過程和自然對(duì)流條件下生物質(zhì)到達(dá)熱解區(qū)域大顆粒燃燒過程是類似的,兩者均在粉正向陰燃物理過程近似兩者在干燥、熱解及內(nèi)部近似絕氧條件下進(jìn)行生物質(zhì)熱解生物質(zhì)熱解的研質(zhì)量、熱量、動(dòng)量傳輸方面機(jī)理相同雖然在炭消耗究過去幾十年有了相當(dāng)?shù)陌l(fā)展,出現(xiàn)了數(shù)以百計(jì)的過程機(jī)理方面存在爭(zhēng)議,但炭的不完全氧化應(yīng)該是熱解動(dòng)力學(xué)模型, Diblasi1對(duì)此進(jìn)行了系統(tǒng)的總炭消耗的主要途徑.兩者在熱量質(zhì)量和動(dòng)量傳輸過結(jié)陰燃和燃燒計(jì)算中的熱解動(dòng)力學(xué)方程大多從這程阻力大小方面有一定差異,邊界條件明顯不同些文獻(xiàn)中選取171,兩者選取原則并無明顯區(qū)別可以嘗試使用陰燃的方法研究大顆粒燃燒過程炭氧化(消耗):生物質(zhì)粉陰燃和大顆粒生物質(zhì)干燥、熱解、炭消耗、傳輸?shù)刃袨?為拓展燃燒和陰燃燃燒炭氧化是否類似目前存在一些爭(zhēng)議陰燃過程共性問題研究方法以及研究結(jié)果的適用性提供參中,生物質(zhì)的炭消耗是以不完全氧化為主,如式考(1)所示,為強(qiáng)放熱反應(yīng)凵中國(guó)煤化工C+O,=xco+(1-r)CO,+參考文獻(xiàn):CNMHG(393.1-282.7x)kJ/mol[IJOhlemiller T J. 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