漆能工程《工業(yè)加熱》2001年第5期文章編號:1002-1639〔2001)05-000705蔗糠熱解與燃嬈特性研究王健敏,馬咦莤2,孫振剛2(1.廣州仲愷農(nóng)業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣東廣州5102252.廣州華南理工大學(xué),廣東廣州510640)摘要:對蔗糠進(jìn)行了工業(yè)分析實驗和熱解實驗,總結(jié)出了其熱解反應(yīng)動力學(xué)規(guī)律。對鈍體開縫鈍體燃燒器后蔗糠揮發(fā)分著火性能進(jìn)行了分析。在擴散控制、動力控制條件下,分別對蔗糠揮發(fā)分燃燼時間進(jìn)行了計算。得出了蔗榛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:TK16文標(biāo)識碼:AStudy on the Characteristics of Pyrolysis and Combustion for Sugarcane ChaffWANG Jian-min', MA Xiao-qian, SUN Zhen-gangz2. South China University of Technology Guangzhou 510640, ChinaAbstract: The proximate analysis and pyrolysis experiments are done for sugarcane chaff, its pyrolysis kinetics model isderived. The ignition and combustion characteristics of sugarcane chaff,'s 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 chaffsKey words: sugarcane chaff, pyrolysis; combustion前言3熱解特性蔗渣在被磨碎時產(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3.1熱解實驗易形成飛塵,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,對它進(jìn)行溫度下熱解,對應(yīng)于每一溫度,實驗時間定為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測量一次失重情況。測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。0200℃2燃料特性0300℃開榨時蔗糠水分含量較高;而堆放一段時間后400℃水分會有所減少。蔗糠元素分析[和本文實驗所得的工業(yè)分析如表1。500℃表1蔗的成分分析(%)10152025303540時間lmin元素分析工業(yè)分析圖1蔗糠熱解失重曲線Cr H oSnAM,|M,VA。FC24.73.123.00.10.01.148.01.881.41.76.13.2熱解反應(yīng)動力學(xué)規(guī)律由質(zhì)量作用定律可寫出失重速率方程收稿日期:20010412;修訂日期:200107式中中國煤化工時間,s;A為頻者簡介:于健敏(1966-),女,講師,廣州市人,研充方向為熱率因CNMHG為氣體常數(shù),能動力8.3143J/mol;T為爐膛環(huán)境溫度,K;n為反應(yīng)級《工業(yè)加熱》2001年第5數(shù),根據(jù)經(jīng)驗取n=1,對式(1)兩邊取對數(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, I=l/r,2b1.h則熱質(zhì)交換滿足 Spalding5:給出的近似關(guān)系:a,=(CD/4)P cpv(26/L.)蔗糠的于燥、熱解動力學(xué)擬合曲線如圖2所示g1=(CD/4)P0(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;=2.588s-1。vo為一次風(fēng)初速度;CD為鈍體阻力系數(shù)。蔗糠在回流區(qū)中的停留時間r=pV/gIS解得按經(jīng)驗取:CD≈1,L/于是,對于b=5mm的鈍體,可由式(9)算出r-關(guān)系為r=1/開縫鈍體燃燒器的設(shè)計思想是: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再由它點燃主流。中縫流服從平面射流衰減規(guī)律,衰I/T K圖2蔗糖的干燥、熱解動力學(xué)曲線圖減系數(shù)由實驗給出同理,對干燥蔗糠,在500C以上進(jìn)行高溫?zé)峤鈜=C1(b:/x)實驗,可得到可燃?xì)鉄峤鈩恿W(xué)方程dv/dr=1202.31(-v)cxp(-69540.67/式中:C為衰減系數(shù);b1為中縫寬;v,為距出口x遠(yuǎn)的速度。又式中:v為析出的揮發(fā)分量;為x→c時揮發(fā)分析xdr(11)出率,≈vd。聯(lián)立式(10)、式(11),積分得4普火特性4.1可燃?xì)庵鹣孪抻山?jīng)驗知,在相同條件下,r>x,說明蔗糠在設(shè)∫為可燃?xì)庠诳諝庵械捏w積燃空比,f。為開縫鈍體回流區(qū)中的停留時間較長?？扇?xì)馀c空氣達(dá)到化學(xué)當(dāng)量比時的體積燃空比。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)計算。對φ=∫/式(3)分離變量積分可得。研究表明:隨著溫度T升高,著火下限中mv/v=1-expL-1202.31exp(-69540.67/降低,①aT關(guān)系式如下RT)t]φn=0.5[1-0.00085(T-298)](5)/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)計算得定回流區(qū)內(nèi)溫度T=1300K和T=1200K,按式φ,當(dāng)φ<中a時,不能著火;當(dāng)φ≥pmn時,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。4.2燃燒器后普火判別(3)揮發(fā)分著火與燃燒的預(yù)測(1)蔗糠在回流區(qū)中停留時間揮發(fā)析出規(guī)律先計算蔗糠燃燒所需的理論空氣量,得:0=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)過量空氣系數(shù)為1.2,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中國煤化工1kg。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CNMHG為h,即鈍體的高度;回流區(qū)長度L;鈍體半寬度b;久男呂有n2U、t1、2H等成分,其比8《工業(yè)加熱》2001年第5期0.2率可按文獻(xiàn)[6選取。計算得1300K溫度下各可燃1.T=1300K氣成分的φ值見表2。由于CO是最難反應(yīng)的氣體2.7=1200K通常按CO的者火來判別。即:將CO的φ值與由式(5)計算所得的1300K下的中m=0.0742比較判別揮發(fā)分能否著火0.055揮發(fā)分燃燒散控制型om·8-130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散來進(jìn)行表2φ值的計算鈍體中鈍體φ開縫鈍體φ開縫鈍體φ化學(xué)反應(yīng)方程式重量比)v=25m/st=15m/sv=10=25m/st=15m/sCH4CH4+2O2→CO2+2H2O5.800.07860.12790.18580.21730.3368C,H C2H,+302-+2 CO+2H,O0.02970.04820.070l0.08240.12712H2+O2→2H2O5.800.00980.01590.02310.0270CO40.600.04070.06610.09610.11240.1743回流區(qū)中揮發(fā)分若火判別不能能能能按Feld·的單膜模型:蔗糠顆粒直徑不變,氧對式(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0.5977(y-)03(P)2](19)G=dsA(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T=1300K,F=0.1,=0.18ggm3,分別對小粒徑(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)計算得揮發(fā)分的體積可求得初始外徑rdp的關(guān)系曲線,見圖4、圖5。也可得當(dāng)M=100d=(V+d)33=d2時rT的關(guān)系曲線,見圖6、圖7。1克氧氣可燃掉的揮發(fā)分體積為:353,79dr_353.7(16)1.M=10式中:dr為膜半徑微分;qo,為O2的擴散速度,表達(dá)式為FRee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。下的擴散率,cm2/s文獻(xiàn)[7]給出:T=180K,P0=1.96×10g/圖4中國煤化工徑的關(guān)系曲線cm3,D=4.26cm2/s,于是可得CNMHG(18)揮發(fā)分時又厘明同小于碟飄程在回流區(qū)中0.59TFR熱能工程《工業(yè)加熱》2001年第5期CO的氧化。如果能計算出CO燃燒所需的時間,就可以預(yù)測到揮發(fā)分反應(yīng)所需的時間尺度。當(dāng)蔗糠與煤粉混燒時,爐溫約1200~1800K,CO與O2的反應(yīng)式為d=3×10°//(20)式中:fc0,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)[Ratm·cm3/(mol·K);Rd/×1031.986cal/(mol·K)]。圖5擴散控制下?lián)]發(fā)分燃燒時間與大粒徑的關(guān)系曲線仿照文獻(xiàn)[47,8]寫出質(zhì)量守恒關(guān)系式1.410oumCao4 H.0s0O2 sz4 No0140581C+0.007N,+2. d=300um0.601H2+0.89C0+0.967C02+C16H4.88(21)3.d500um式中:左邊為100g可燃基蔗糠;右邊第一項為固定碳;右邊倒數(shù)第一項為碳?xì)浠衔?。計算?當(dāng)r=0時:/fco=0.168,fo,=0.084,fH=0.184。當(dāng)r=rn時:fo=0,/o,=0,f設(shè)T=1300K,P=1.013×105Pa,按式(20)算d[Co]T/×10Kdr=1.863×10-mol/(cm3·s)圖6擴散控制下?lián)]發(fā)分燃燒時間與溫度的關(guān)系曲線在戶=1.013×105Pa時,CO初始濃度為(M=100小粒徑)R=1.570×10-mol/cm于是顯然,動力控制條件下,燃燼時間r<停留時間r。6結(jié)論(1)由成分分析實驗可知,蔗糠水分、揮發(fā)分含7擴散控制下?lián)]發(fā)分燃燒時間與溫度的關(guān)系曲線量較高,固定碳、灰分含量較少。因此,蔗糠的熱解和(M=100,大粒徑)揮發(fā)分的著火、燃燒,對蔗糠的整個燃燒過程起關(guān)鍵的停留時間r,當(dāng)v=15m/s時,r=66.7ms,因此,作用。揮發(fā)分有足夠的時間在回流區(qū)中燃燼;但對于大粒(2)由不同溫度下蔗糖的失重曲線,可導(dǎo)出蔗糠徑蔗楝(>500μm),τ大于τ,揮發(fā)分沒有足夠的時干燥\熱解反應(yīng)動力學(xué)規(guī)律,作為蔗糠揮發(fā)分著火間在回流區(qū)中燃燼燃燒的計算依據(jù)。52動力控制型(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)過一段區(qū)域后,由于高湍建讠中國煤化工表明,在較大風(fēng)速流強度,揮發(fā)分有可能與氧氣充分接觸,這時揮發(fā)分下著火,而開縫鈍體的氧化反應(yīng)速度就起決定作用。實驗早就證明,在碳回流CNMHG,宜采用開縫鈍體氫化合物的高溫燃燒中,對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)在動力控制條件下,蔗糠揮發(fā)分在回流區(qū)中Lower Flammability Limits of Gases and Mixtures of的燃燒時間很短;而在擴散控制條件下,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)分級著火,也宜采用開縫鈍體燃燒器。火機理研究[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)[M]北京:國防工業(yè)出版社,1984參考文獻(xiàn):[6]吳家正,聞望王寶生,等.城市生活垃圾原料對干餾[李平,徐湉泉,龍敏賢,等.蔗糠/煤粉混燒系統(tǒng)的設(shè)及氣化過程的影響[]同濟大學(xué)學(xué)報,1989,17(1)計及冷態(tài)實驗[]新能源,200,2(3):1618113-121[2] GLASSMAN 1, Combustion [M]. Academic Press[7] FIELD M A著.章明川譯.煤粉燃燒[M].北京:水利電力出版社,989[3] HUSTAD JE, SONJU O K. Experimental Studies of上接第6頁)組成部分,對蓄熱技術(shù)的燃燒機理已作了定性分析慮反應(yīng)物的分裂,導(dǎo)致計算值和實測的溫度有200但蕃熱燃燒的燃燒區(qū)域還待進(jìn)一步確定,vn/vsC的偏差,見圖1,即使能給出精確的邊界條件也無(空/燃速度比)對NOx生成有很大的影響,vs/v法消除這個誤差越大,NOx就越大,數(shù)值模擬在蓄熱燃燒的機理研究中得到了大量的運用。傳統(tǒng)的爐子設(shè)計使用零維模型,只能估計出爐內(nèi)的乎均傳熱、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)的燃燒機理不EBU值同,在爐子改造前知道爐內(nèi)的爐氣流動、熱流及其它PDF值量的空間分布對爐子設(shè)計而言是非常必要的,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實驗、EBU和PDF結(jié)果比較擬計箅,而只有弄清了蓄熱燃燒的機理,才能實現(xiàn)有效的數(shù)值模擬,這就是進(jìn)行蓄熱燃燒機理研究的意義,適用于蓄熱燃燒新技術(shù)的爐子新設(shè)計方法將成為工業(yè)爐發(fā)展的方向◆"580g+ U,ir200m/s參考文獻(xiàn)[1]周懷春.高溫空氣燃燒技術(shù)—21世紀(jì)關(guān)鍵技術(shù)之一[].工業(yè)爐,1998(1):19-27.圖5vm/m對NO、生成的影響[2]蕭澤強蔣紹堅,周孑民,等高溫低氧空氣燃燒過程實(2)空氣流速低時,NOx對燃料噴射角度更為驗研究和數(shù)值計算[A]. HSIAO TSECHIANG,敏感,空氣速度一定時,燃料速度增加,NOx減少,YOSHIKAWA KUNTO, FDS. High Temperature Air原因是高速的燃料在燃燒的初始階段,影響了混合,116-129這樣可以使得溫度更為均勻和產(chǎn)生更低的NOx,見[3]蔣紹堅彭好義,汪洋洋高溫低氧空氣燃燒火焰觀察圖2。(3)改造或設(shè)計蓄熱爐前進(jìn)行數(shù)值計算是非常實驗研究[J].冶金能源,2000(3):14-18[4] T ISHII et al. Numerical Simulations of Highly Pre-必要的.文獻(xiàn)[4]認(rèn)為在把蓄熱技術(shù)應(yīng)用于實際爐子heated Air Combustion in an Industrial Furnace[A].的改造之前,應(yīng)該通過數(shù)值模擬來確定溫度的分布,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)計的數(shù)值模擬方法還需generative burner system and its application to進(jìn)一步完善中國煤化工[J].工業(yè)加熱4結(jié)論CNMHG高溫低氧是高溫空氣燃燒技術(shù)缺一不可的兩個