第23卷第4期山東理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)Vol 23 No 42009年7月Journal of Shandong University of Technology( Natural Science Edition)Jul.2009文章編號:1672-6197(2009)04-0011-04熱解炭陰燃特性的實驗研究徐攀,何芳(山東理工大學(xué)輕工與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院,山東淄博255049)摘要:為了研究熱解炭陰燃特性,在自行設(shè)計的炭粉陰燃實驗臺上對玉米秸稈粉熱解殘?zhí)筷幦继匦灾械臏囟?、尾氣和燃燒速度進(jìn)行研究.實驗結(jié)果表明:隨著陰燃前鋒下移,各溫度測點峰值逐漸下降,峰值持續(xù)時間增長;在陰燃發(fā)生的前11h內(nèi),氣體產(chǎn)物中C(CO):C(CO2)>1;陰燃初期的陰燃速度最快,隨后逐漸減慢關(guān)鍵詞;熱解;炭;陰燃中圖分類號:TQ91文獻(xiàn)標(biāo)識碼;AExperimental investigation in smoldering characteristics of pyrolytic charcoalXU Pan, HE Fang( School of Light Industry and Agricultural Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049, ChinaAbstract: The smoldering characteristic of pyrolytic charcoal made from the powder of corn stalkwas studied on a smoldering stove which was designed by ourselves. The smoldering tempera-ture, the flue gases and smoldering speed were recorded online during the experiments. Experimental results show that, with the smoldering front descending, the peak values of these thermocouples gradually decline and last for a longer time. Within 1l hours from the beginning, the mo-lar ratio of co to CO in flue gases is more than l. There is a peak value of the smoldering speedduring the initial stage of smoldering, but with the smoldering front descending, the smolderingspeed declines gradually.Key words: pyrolysis; charcoal; smoldering陰燃是一種基本的燃燒方式,是指材料依靠氧粒徑均勻,因此熱解炭的陰燃過程同聚氨酯泡沫秸氣直接接觸其凝聚相表面氧化釋放的熱量進(jìn)行自維稈等物料的陰燃實驗過程相比有較好的可重復(fù)性持的緩慢低溫?zé)o焰的燃燒方式.從20世紀(jì)50年干燥后的熱解炭水份含量低,內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松,有利于代開始至今的50多年間,國內(nèi)外學(xué)者對陰燃進(jìn)行了熱解炭陰燃過程自維持此外,生物質(zhì)熱裂解產(chǎn)生的許多實驗研究21,這些研究對于認(rèn)識陰燃具有重殘?zhí)空嘉锪腺|(zhì)量一定比例,若對其不加以處理就可要的參考價值.經(jīng)分析發(fā)現(xiàn):這些研究使用的陰燃物能發(fā)生陰燃熱解炭陰燃的研究對生物質(zhì)熱裂解也料化學(xué)性質(zhì)復(fù)雜,陰燃過程影響因素眾多,且各因素有一定的參考價值相互作用,實驗可重復(fù)性差用生物質(zhì)熱解殘?zhí)窟M(jìn)行陰燃實驗具有可重復(fù)性1實驗臺的設(shè)計好、次要影響因素少的優(yōu)點,能為陰燃的理論分析提供可靠的實驗數(shù)據(jù).熱解炭主要成分是碳和粉灰,其實驗臺如圖1所示,主要包括電路控制、陰燃燃收稿日期:2008-12-29基盒項目:山東省自然科學(xué)基金資助項目(2004ZX21)作者簡介:徐攀(1984-),男,碩士研究生 E-mail1xpan51@126山東理工大學(xué)學(xué)報自然科學(xué)版)2009年燒爐爐體數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)三部分1.3數(shù)據(jù)釆集系統(tǒng)1.1電路控制部分?jǐn)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由電子秤、紅外線氣體分析電路控制部分是指在電控箱里控制炭粉的點儀溫度監(jiān)控組件和計算機(jī)組成電子秤的最大量程燃,尾氣加熱的溫度電子秤、紅外線氣體分析儀、溫為60kg,分度值0.002kg.尾氣分析采用的是武漢度檢測設(shè)備以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的電源供給等.四方光電科技有限公司生產(chǎn)的 Gasboard3000氣體1.2陰燃爐爐體部分分析儀溫度監(jiān)測選用中泰力控監(jiān)控組態(tài)軟件,可以爐體部分是炭粉陰燃實驗裝置的主體,由陰燃對測試的溫度實時監(jiān)測,能對數(shù)據(jù)進(jìn)行管理、統(tǒng)計和燃燒爐、點火裝置、熱電偶組和煙罩等組成查詢計算機(jī)中的數(shù)據(jù)采集程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的同步定1)陰燃燃燒爐時采集.陰燃燃燒爐是用直徑為316mm、深度為280mm的陶瓷保溫桶放在內(nèi)徑為390m、高為2材料與方法350mm的不銹鋼圓桶中,四周和底端的中空部分用礦渣棉填充而成2.1實驗材料2)點火裝置選用山東理工大學(xué)清潔能源中心玉米秸稈粉熱參考文獻(xiàn)[6],經(jīng)過多次預(yù)實驗后最終確定點燃解后的殘?zhí)繛槲锪?本實驗所用的熱解炭是在熱炭粉溫度為500℃.自制的不銹鋼電熱管點火裝置解溫度為475℃下得到的熱解后的炭粉溫度很高,是用管徑為10mm的電熱管在一水平面上盤繞4圈若直接置于空氣中會發(fā)生陰燃,所以先把炭粉放入而成,外徑為360mm,管間距為40mn測試得到點密封瓶中,等溫度降下來再裝進(jìn)編織袋實驗選用的火裝置的功率為2.4kW炭粉粒徑范圍是80~100目之間.分別用WZR1T3)熱電偶組熱值儀和馬弗爐測定熱解炭的熱值和含碳量.經(jīng)測采用4枝不同長度的直徑為1mm的鎧裝K型定,實驗所選用熱解炭的平均高位熱值是20267.173kJ/kg,含碳量為60.83%,詳見表1.熱電偶.最短的熱電偶長為140mm,依次遞增表1熱解炭含碳量50mm.用合適的聚四氟模壓管切割成片然后鉆孔固定好熱電偶即可得到熱電偶組.熱解炭灰分質(zhì)量碳的質(zhì)量含碳量平均值質(zhì)量/g/%4)煙罩自制的煙罩邊緣是用鐵皮做成的直徑為61.2500mm,高為100mm的圓桶;距離圓桶上邊緣0.9920.3910.601200mm處是直徑為90mm的煙囪連接部分,直接與1.0760.4210.65560.8實驗室現(xiàn)有的煙囪相連;用鐵皮把圓桶部分和煙囪的連接部分焊接起來,即是一個下底為500mm,上2.2實驗方法底為90mm,高為200mm的圓臺.實驗過程按以下步驟進(jìn)行:(1)將熱解炭干燥后密封冷卻至室溫;(2)實驗煙氣加熱尾氣過濾裝置據(jù)采集系統(tǒng)前檢查儀器,一切正常后,對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作必要的氣體分析儀設(shè)置;(3)向反應(yīng)器中加入準(zhǔn)備好的炭粉,待快加滿時,前后左右晃動反應(yīng)器各5次,最后添加適量的配電箱炭粉整平,炭粉同反應(yīng)器口持平即可然后給電熱管基度采集偶電通電,約2min后,等表層炭粉完全點燃,移走電熱管.再把熱電偶組從支撐桿上降到事先作好的標(biāo)記處,固定熱電偶組;(4)把煙罩用螺栓固定好,安裝時不能碰上熱電偶組,以免炭粉脫離熱電偶而影響測試結(jié)果田1陰燃裝置示意圖3結(jié)果與討論第4期徐攀,等:熱解炭陰燃特性的實驗研究133.1溫度表2各溫度測點峰值實驗開始,陰燃燃燒爐內(nèi)表層的炭粉由于空氣測點峰值/℃距開始時間/min持續(xù)時間/min充足燃燒劇烈而呈紅色.炭粉陰燃能自維持向下發(fā)T1645.927010展,表層的炭粉也變成了白色的粉灰插入炭粉中不同深度的熱電偶的溫度變化曲線如圖2所示.第1根熱電偶(T1)測定表層炭粉的溫度,供氧量充足,527.32460陰燃燃燒最快最充分,釋放的熱量最多同時散熱也1447.64670100最快當(dāng)陰燃前鋒不斷向下發(fā)展后,粉灰體積縮小,熱電偶脫離粉灰的包圍使其所測溫度為尾氣的溫征,圖3是炭粉陰燃尾氣中CO2和CO的萬分比變度.4根熱電偶測點處炭粉溫度都經(jīng)歷了大致相同化曲線由圖3中可以清楚地看到,實驗初期CO2的的3個過程:加熱過程、陰燃燃燒過程和保溫過程.含量很高而CO的含量更高達(dá)0.85%之多.這是加熱過程是指在陰燃前鋒到達(dá)之前由上層的炭粉陰因為表層的炭粉在充足的氧氣供給下劇烈燃燒,產(chǎn)燃所釋放的熱量通過熱傳導(dǎo)對其進(jìn)行加熱的過程.生大量的煙氣,所以CO2和CO含量都很高.隨著陰測點處炭粉在相應(yīng)的溫度曲線上峰值出現(xiàn)的時刻開燃前鋒的不斷下移,尾氣中的CO2和CO含量逐漸始燃燒,即陰燃前鋒發(fā)展到了測點處,保溫過程是指降低.從圖中可以看出當(dāng)實驗進(jìn)行到12h后,曲線開炭粉陰燃后釋放的熱量與上層粉灰、壁面和下層炭始趨于平緩了.這是因為炭粉燃燒后粉灰的增厚滲粉陰燃交換熱量,最后達(dá)到熱平衡的這樣一個動態(tài)透進(jìn)來的空氣會變得越來越少,炭粉陰燃速率放慢平衡過程產(chǎn)生的煙氣也就減少了TI→11-T亠C0001713192531374349556167737985919710310915913172125293337414圖2溫度變化曲線圖3CO2和CO含量變化陰燃燃燒過程在溫度變化曲線上可以通過峰值在陰燃初期氧氣充足的情況下依然有大量的得到很好的體現(xiàn)其中溫度峰值持續(xù)時間是指測點CO產(chǎn)生,這是因為炭粉陰燃較明火燃燒溫度低,熱在出現(xiàn)最大值Tm時,取在Tm士0.1℃這一區(qū)間內(nèi)解炭并沒有被完全氧化為CO2,正如文獻(xiàn)[1]提到所持續(xù)的時間第1根至第4根熱電偶的峰值依次的一樣:陰燃產(chǎn)生CO的濃度是明火燃燒時的20多降低,峰值持續(xù)時間越來越長.最上面的溫度測點峰倍同時,在陰燃發(fā)生的前11h內(nèi),氣體產(chǎn)物中值達(dá)645.9℃,峰值維持時間1omin,隨著陰燃前鋒C(CO):C(CO2)>1,而玉米秸稈等生物質(zhì)陰燃的下移各溫度測點峰值逐漸下降峰值持續(xù)時間增氣體產(chǎn)物C(CO):C(CO2)一般在0.3左右(,這長,最下邊溫度測點峰值為474.6℃,峰值維持時間是熱解炭陰燃的顯著特征達(dá)100min.這是因為隨著陰燃前鋒向下發(fā)展,由于3.3重量粉灰的阻礙滲透到下層炭粉的氧氣越來越少,燃燒用電子秤記錄陰燃燃燒爐中炭粉質(zhì)量變化情況逐漸變慢,也不充分,釋放的熱量越來越少,導(dǎo)致峰可得到炭粉的失重變化,計算可得陰燃速率的大小值依次降低;但隨著上層粉灰的不斷增多,熱量不易及變化規(guī)律.所記錄的陰燃爐中未陰燃的熱解炭和散失,同時陰燃燃燒減緩而時間增長,這樣下層的炭陰燃后粉灰的質(zhì)量之和的變化情況如圖4所示粉峰值持續(xù)的時間就更長.各溫度測點峰值見表2.在陰燃前期,陰燃相對劇烈,失重速率達(dá)3.2尾氣160g/h;失重速率的變化也是相當(dāng)明顯,由第1小實驗開始,隨著陰燃爐中的炭粉發(fā)生劇烈的燃時的160g/h,到第2、3小時的60g/h隨著陰燃向燒產(chǎn)生大量的CO和CO,尤其是煙氣中的CO含量下發(fā)展,燃燒速率逐漸穩(wěn)定熱解炭陰燃的燃燒速率很高,甚至比CO2含量還高這是陰燃的一個顯著特同圖3的尾氣含量變化是一致的,值得注意的是在山東理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)2009年陰燃發(fā)生的第15h,速率突變?yōu)?0g/h,這是因為陰C(CO2)>1,即在陰燃前期,尾氣中CO濃度比CO2燃爐中的熱解炭中心位置燃燒更快,在第15h時發(fā)濃度高是熱解炭陰燃的一個特征生了塌陷,導(dǎo)致周邊的熱解炭直接與空氣接觸,陰燃3)熱解炭陰燃燃燒速度自陰燃發(fā)生開始逐漸減加劇.這從實驗結(jié)束后陰燃爐中的粉灰呈中心凹陷慢,陰燃速度由最初的160g/h發(fā)展到中期的的形狀可推斷出來10g/h.后期的燃燒速度最慢且趨于平緩,質(zhì)量變化平緩熱解炭陰燃燃燒速度與溫度和氣體的變化是2000K參考文獻(xiàn):[1 Ohlemiller T J. Modeling of smoldering combustion propagation0]. Progress in Energy and Combustion Science, 1985, 11: 2771593172125293341454953576165697377[2]竇莎秒秸稈自然對流正相陰燃規(guī)律的研究[D]淄博山東理工田4質(zhì)量變化曲線[3]解茂昭孫文策.纖維質(zhì)顆粒床陰燃特性的數(shù)值模擬[J大連理工大學(xué)學(xué)報,1998,38(1):58[4]孫文策解茂昭徐敏纖維質(zhì)顆粒燃料陰燃陰燃過程的研究結(jié)論[冂大連理工大學(xué)學(xué)報,1998,38(2):218322[5]孫文策,解茂昭,張明閣,等,水平燃料床陰燃的傳播及其向明火轉(zhuǎn)化的實驗研究[J]火災(zāi)科學(xué),1995,4(3):23-29在自行設(shè)計的陰燃爐中,選取粒徑在80-100[61石英解沒昭,碳粒填充床進(jìn)向陰燃傳播漸近分析解[燃料目之間的玉米秸稈粉熱解炭進(jìn)行實驗實驗發(fā)現(xiàn):干科學(xué)與技術(shù),1998,4(3):247-252燥后的熱解炭很易點燃且陰燃能良好地自維持.分[7 Rostami A, Murthy B J, lozinski D. An elementary discussion析實驗中對陰燃溫度、尾氣成份和燃燒速率所作記of forward smoldering[]. Combust Flame,1996,104(3):300-錄,可得到以下結(jié)論1)陰燃爐中在用電熱管點燃的炭層以下的熱解[8] Torero J L Forward smolder of polyurethane foam in a forced air炭都經(jīng)歷了加熱、陰燃燃燒和保溫3個過程.從上到[g] Melissa K. Anderson T. Sleigh J L.. Ignition signatures of a下各個測點峰值依次降低,峰值持續(xù)時間越來越長,downward smolder reaction[j]. Experimental Thermal and Flu-主要是因為隨著灰燼不斷增厚,滲透到下層炭粉的d science,2000,(2):33-40氧氣越來越少,燃燒變慢[1o] Fatehi M, Kaviany M. Adiabatic Reverse Combustion in a2)熱解炭陰燃尾氣中CO的含量高達(dá)到Packed Bed, Combustion and Flame, 1994. ( 99)1-[11]邵占杰林其釗.聚氨酯泡沫材料陰燃特性的實驗研究[門].消0.85%而在此時CO2的含量最高,僅為0.66%隨防理論研究,2003,5(22):363-365著陰燃的不斷發(fā)展,尾氣中的氣體濃度逐漸減小,因此尾氣中氣體濃度可以直接反映出陰燃的劇烈程(蝙編輯:郝秀清)度.在陰燃發(fā)生的前11h內(nèi)氣體產(chǎn)物中C(CO):