鞏義市鄭建機(jī)械廠

木屑顆粒機(jī)的顆粒度對燃燒特性影響研究
　　木屑顆粒機(jī)顆粒度大小對熱解影響


　　取3種顆粒度不同的稻殼，這里以長度來區(qū)別其顆粒度大小，稻殼a長度8～10mm，稻殼b長度0.15～2mm，稻殼c長度0.101～0.105mm。利用型號為TG/DTG6200熱重差熱分析儀，測溫范圍:室溫～1100℃，質(zhì)量靈敏度:012μg，加熱速率為50℃/min，得出了稻殼a、b、c的TG、DTA與DTG曲線，通過曲線可以看出稻殼的燃燒大體分為3個階段。


　　水分析出階段(AB)，這一階段主要是水分析出階段，且能看出在AB段之間有一個明顯的波峰，代表著水分析出最大速率。揮發(fā)分析出及燃燒階段(CD)，一般來講，取DTG=011mg/min時的溫度為揮發(fā)分析出溫度，在氧氣環(huán)境中析出的揮發(fā)分會很快燃燒。焦炭燃盡階段(DE)，從圖中可以看出，不管是TG還是DTG曲線在FG段的變化相對減弱，尤其DTG曲線更為明顯，由此可見稻殼焦炭的燃燒比較緩慢。


　　從數(shù)據(jù)可以看出，3種稻殼揮發(fā)分析出溫度及稻殼達(dá)到最高析出量時所需溫度Ta> Tb> Tc，也就是說隨著顆粒度減小，稻殼揮發(fā)分析出溫度降低，同時所需要的時間也減少 揮發(fā)分的燃燒可以分為析出和燃燒2個階段，氣體燃燒速率快，其燃燒所需時間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其析出時間，所以這里可以近似忽略燃燒時間。從中析出量數(shù)據(jù)看出稻殼a的揮發(fā)分析出時間是稻殼b的1161倍，是稻殼c的1164倍，這說明稻殼顆粒度對其揮發(fā)分析出時間影響較大，隨著顆粒減小揮發(fā)分析出時間減少 稻殼c的溫度最高，也是由于其顆粒度小的緣故。


　　稻殼b與c的參數(shù)基本相近，與稻殼a的參數(shù)相差卻甚大，一方面是因?yàn)榈練的顆粒度較大，不利于燃燒進(jìn)行 另一方面可以看出，當(dāng)?shù)練ゎw粒度小到一定程度時，再減小稻殼顆粒度對其熱解或者燃燒的影響逐漸減弱，同時處理稻殼粒度越小將會需要消耗動力越大，現(xiàn)在處理到10～20mm粒徑生物質(zhì)消耗動力為5kW/t左右，如果處理到011mm以下，所需動力就要20kW/t左右。所以，對于稻殼燃燒也不是無限制的減小顆粒度，綜合經(jīng)濟(jì)評價來選取合理的顆粒度。為了全面評價生物質(zhì)的燃燒情況，引入文獻(xiàn)燃燒特性指數(shù)P進(jìn)行描述:


　　式中，P為燃燒特性指數(shù) (dw/dt)max為最大燃燒速率，mg/min (dw/dt)mean為平均燃燒速率，mg/min Te揮發(fā)分開始析出溫度(著火溫度)，℃ Th為燃盡溫度，℃。


　　燃燒特性指數(shù)P是反映稻殼著火和燃盡的綜合指標(biāo)，P值越大，說明稻殼的燃燒特性越好。升溫速度、樣品粒度及樣品質(zhì)量的變化對稻殼的燃燒特性指數(shù)均有一定的影響。燃燒特性指數(shù)隨著顆粒度的減小和而增大。對3種稻殼分別計算其燃燒特性指數(shù)P，得出結(jié)果為Pa< Pb< Pc。因此，稻殼c的燃燒特性指數(shù)最大，其燃燒性能也最好。與煤相比，稻殼燃燒特性指數(shù)明顯大于煤，其值比煤大2個數(shù)量級。


　　木屑顆粒機(jī)的顆粒度大小對換熱的影響


　　從原料吸熱方面來講，顆粒度減小，原料換熱面積增加，有利于快速吸熱而升溫，一般來說，粒度小，傳熱系數(shù)就大。當(dāng)顆粒溫度與環(huán)境溫度之差衰減到初始值的1%時，也就是說顆粒溫度與環(huán)境溫度基本上達(dá)到熱平衡時所需要時間與粒度有如下關(guān)系式:


　　式中，τ99%為氣體與顆粒間溫度平衡到99%時所需時間，s cp，p為顆粒定壓比熱，kJ/(kg·K) ρp為顆粒密度，kg/m3 dp為顆粒直徑，m hgp為氣固間傳熱系數(shù)，W/(m2·K)。


　　所以粒度減小，減少了顆粒溫升時間。同時顆粒度減小，增大了傳熱系數(shù)，研究循環(huán)流化床時發(fā)現(xiàn)，傳熱系數(shù)隨小球探頭直徑的減小而增加。因此顆粒度的減小，有利于原料的燃燒。


　　從原料處于自然工況(即熱力著火工況)方面來講，顆粒度的減小對原料燃燒有其不利因素。粒徑大小對放熱量是沒有影響的，但是對流散熱卻隨著直徑的減少成反比的增加，從而使得原料溫度降低，不利于燃燒。對同種原料在固定床中燃燒來言，顆粒度減小，堆積密度增加，空隙率減少，阻力增加，從而使得原料處于缺氧狀態(tài)，不利于燃燒，其原理很簡單，不過多論述。這里重點(diǎn)討論對流散熱對燃燒的影響。通常對流放熱系數(shù)與Nusselt準(zhǔn)則有如下關(guān)系式:


　　式(3)中，α為對流換熱系數(shù)，W(m2·K) Nu為努塞爾數(shù) λ為原料導(dǎo)熱系數(shù)，W(m2·K) d為顆粒直徑。


　　當(dāng)原料粒徑d減小時，準(zhǔn)則Nu降低不多，λ為物性參數(shù)基本不變，則α增加 同時顆粒度的減小，比表面積增大，顆粒數(shù)增加，增加了顆粒之間相互碰撞幾率，增強(qiáng)了換熱，所以當(dāng)顆粒度減小時，一方面有利于原料的燃燒，釋放熱量Qf 另一方面原料本身與周圍環(huán)境散熱Qs，當(dāng)Qf> Qs時，原料燃燒釋放出大量熱，溫度上升 當(dāng)Qf=Qs時，原料燃燒釋放熱量與原料散熱平衡，此時處于一種相對穩(wěn)定狀態(tài)。但當(dāng)對流放熱系數(shù)足夠大時，有Qf< Qs，原料釋放熱量不能滿足原料的散熱，這樣原料本身就會隨著散熱損失而逐漸降低溫度，如果沒有得到合理的控制，原料溫度最終會降低到使其本身熄火。當(dāng)Qf=Qs時所確定的粒徑稱之為臨界直徑d臨。上述自然工況理論是建立在熱平衡的基礎(chǔ)上，其只能是適應(yīng)既有放熱過程又有散熱過程的工況，同時沒有涉及熱力著火達(dá)到平衡狀態(tài)所需要時間，用其可以定性解釋一些燃燒技術(shù)問題。


　　生物質(zhì)熱值偏低，單位質(zhì)量釋放熱量比煤小得多，在同樣粒徑下，生物質(zhì)所蓄備的熱量只有標(biāo)準(zhǔn)煤的一半。當(dāng)散熱量較大時，生物質(zhì)更容易出現(xiàn)熄火現(xiàn)象。從熱解角度來看，稻殼c熱解速率大于稻殼a，揮發(fā)分析出速率快，從而使得稻殼c出現(xiàn)短時高溫。綜合來看，稻殼a的燃燒工況要好于稻殼c。因此在實(shí)際燃燒設(shè)備中，原料由冷態(tài)進(jìn)入到高溫燃燒爐堂內(nèi)，初期是高溫?zé)煔鈱υ系募訜?，此時顆粒度越小，加熱時間就越短，有利于原料快速的達(dá)到燃燒溫度 但是當(dāng)原料燃燒繼續(xù)提高溫度時就變成原料向煙氣散熱，顆粒度越小，散熱越多，不利于原料完全燃燒，增加了原料機(jī)械未完全燃燒損失。


    木屑顆粒機(jī)顆粒度大小對焦炭燃燒影響


　　稻殼的燃燒過程可以分為揮發(fā)分燃燒和焦炭燃燒2個過程。氣體燃燒速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于固體燃燒速率，這樣稻殼燃燒時間長短主要決定于焦炭的燃燒時間。稻殼揮發(fā)分含量高，析出快，短時間內(nèi)完全燃燒需要足夠的氧，揮發(fā)分析出后的焦炭被包裹在中間，阻滯其與氧的反應(yīng)，因此稻殼焦炭的燃燒較為緩慢。碳與氧的反應(yīng)有如下4種可能:


　　(1)碳與氧氣完全反應(yīng):


　　(2)氧氣在碳表面不足，生成CO:


　　(3)氣體的燃燒速率很快，在反應(yīng)2條件下，生成的CO在碳附近與氧迅速反應(yīng)生成CO2:


　　(4)氧受到阻滯，無法到達(dá)碳表面，在碳表面只有氣相擴(kuò)散過來的CO2，產(chǎn)生C與CO2的還原發(fā)應(yīng):
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