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)

生物質(zhì)燃燒和陰燃過(guò)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)

為了明確生物質(zhì)燃燒和陰燃的共性和差異,分類(lèi)總結(jié)了生物質(zhì)燃燒和陰燃過(guò)程的特點(diǎn),得出大顆粒生物質(zhì)燃燒過(guò)程和自然對(duì)流條件下生物質(zhì)粉正向陰燃物理過(guò)程近似的結(jié)論.對(duì)比了這兩種過(guò)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(guò)程干燥、熱解等物理化學(xué)反應(yīng)機(jī)理相同,炭氧化過(guò)程稍有差異、邊界條件差別很大.

燃燒；陰燃；生物質(zhì)；化學(xué)反應(yīng)；傳輸機(jī)理；邊界條件

燃燒是指伴有強(qiáng)烈發(fā)熱發(fā)光的快速氧化反應(yīng),燃料有固體、液體、氣體三種.陰燃［1］是指緩慢低溫?zé)o焰的燃燒過(guò)程,由氧化劑直接和固體反應(yīng)放熱維持,一般存在于松散的固體堆積物或大顆粒多孔固體內(nèi)部,如纖維、棉花、煙絲、鋸末、海綿、煤堆、木頭等.

由于生物質(zhì)本身為多孔固體燃料,不同條件下大顆粒生物質(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［2-3］應(yīng)用、垃圾焚燒［4］和各類(lèi)火災(zāi)中,兩者既有差異,又有共性,了解兩種過(guò)程的異同,可以為拓展燃燒和陰燃共性問(wèn)題研究方法,以及研究結(jié)果的適用性提供參考.目前還沒(méi)有這方面的對(duì)比資料,本文擬對(duì)生物質(zhì)燃燒和陰燃過(guò)程進(jìn)行對(duì)比.

1 生物質(zhì)燃燒過(guò)程和陰燃過(guò)程的分類(lèi)和特點(diǎn)

1.1 生物質(zhì)燃燒過(guò)程的分類(lèi)及特點(diǎn)

生物質(zhì)燃燒方式主要可分為懸浮床、流化床和固定床燃燒,相應(yīng)的生物質(zhì)原料尺寸分別為1mm以下,2～5 mm和5～500 mm［5］.由于生物質(zhì)的纖維特性,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［6］.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)的直接燃燒目前和將來(lái)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(guò)程的對(duì)比如圖1所示,都經(jīng)歷干燥、氧化熱分解產(chǎn)物燃燒和炭氧化三個(gè)階段,這三個(gè)階段在顆粒燃燒過(guò)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,生物質(zhì)粉燃燒過(guò)程的分析常采用集總參數(shù)法,認(rèn)為生物質(zhì)粉的細(xì)小顆粒在燃燒過(guò)程是均勻的,先后經(jīng)歷熱解、干燥和炭氧化三個(gè)階段.而大顆粒生物質(zhì)燃燒過(guò)程的計(jì)算要復(fù)雜很多［7］.

圖1 生物質(zhì)燃燒過(guò)程示意圖

1.2 生物質(zhì)陰燃過(guò)程的分類(lèi)及特點(diǎn)

生物質(zhì)陰燃按溫度峰移動(dòng)方向和物料內(nèi)部氧化劑［8］傳播方向可分為正向陰燃和逆向陰燃,如圖2所示.正向陰燃是指氧化劑流動(dòng)方向和溫度峰移動(dòng)方向一致,逆向陰燃時(shí),兩者方向相反.正向陰燃常發(fā)生在堆積物料由外向內(nèi)的陰燃過(guò)程中,如物料外部點(diǎn)火后的蔓延及森林火災(zāi)的余火等.逆向陰燃常發(fā)生在堆積物料內(nèi)部熱量積累后的自燃過(guò)程.

圖2 正向陰燃和逆向陰燃示意圖

何芳［9］等人按氣體在多孔介質(zhì)中的流動(dòng)情況,將陰燃分為強(qiáng)迫對(duì)流陰燃和自然對(duì)流陰燃,如圖3所示.

圖3 自然對(duì)流和強(qiáng)迫對(duì)流條件下陰燃示意圖

強(qiáng)迫陰燃中多孔介質(zhì)內(nèi)部流體的流動(dòng)由泵、風(fēng)機(jī)(或抽煙時(shí)人的抽吸作用)等外力驅(qū)動(dòng).自然陰燃中多孔介質(zhì)內(nèi)部流體的流動(dòng)是由內(nèi)部自然形成的溫度壓力差驅(qū)動(dòng).由于自然條件下,氣體很難通過(guò)多孔介質(zhì)內(nèi)部,所以強(qiáng)迫陰燃一般發(fā)生在吸煙過(guò)程或?qū)﹃幦佳芯康膶?shí)驗(yàn)過(guò)程中［10］.這個(gè)分類(lèi)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［11］區(qū)分,外部流動(dòng)特點(diǎn)只能改變邊界條件,對(duì)過(guò)程性質(zhì)的影響較小.

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

1.3 總結(jié)

顯然,陰燃的種類(lèi)繁多,強(qiáng)迫陰燃、逆向陰燃過(guò)程和顆粒燃燒過(guò)程特性差異顯著.只有自然對(duì)流條件下的正向陰燃和大顆粒燃燒相近.氧化劑從外界擴(kuò)散至物料內(nèi)部；物料中干燥、熱解、炭氧化過(guò)程重疊進(jìn)行；反應(yīng)產(chǎn)物氣體經(jīng)物料表面流出；物料傳輸過(guò)程都是由于內(nèi)部反應(yīng)產(chǎn)生的溫差、壓差等引起.下面將詳細(xì)對(duì)比這兩個(gè)過(guò)程的異同.

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)如圖5所示.

在生物質(zhì)顆粒(粉體堆積物)中,由外至內(nèi)依次是灰分層、炭層、熱解層、濕物料層.在炭層發(fā)生碳的氧化或氣化反應(yīng)、熱解層發(fā)生熱解反應(yīng)、濕物料層發(fā)生干燥過(guò)程.物料內(nèi)部多孔介質(zhì)中有熱量、動(dòng)量和質(zhì)量傳輸,同時(shí),物料通過(guò)外表面與外部環(huán)境進(jìn)行熱量、質(zhì)量和動(dòng)量的交換.這些傳輸都是由于物料反應(yīng)自發(fā)引起的.另外,兩種過(guò)程都存在收縮.下面對(duì)兩種過(guò)程的各個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比.

圖5 一維大顆粒生物質(zhì)燃燒和自然對(duì)流條件下生物質(zhì)粉陰燃的對(duì)比

2.1 物理變化和化學(xué)反應(yīng)

干燥：生物質(zhì)原料的含水率會(huì)因原料來(lái)源、氣候和環(huán)境等有很大不同［12］.在燃燒和陰燃時(shí),物料要經(jīng)歷干燥階段.生物質(zhì)燃燒時(shí),燃燒室溫度一般在1 000℃以上［13］,物料內(nèi)部最高溫度一般在800℃以上［14］.陰燃時(shí),物料內(nèi)部最高溫度也可達(dá)700℃［12］.因此,生物質(zhì)燃燒和陰燃是物料內(nèi)部的干燥,均屬于高溫環(huán)境下的干燥.這種干燥過(guò)程一般由熱傳輸控制,表現(xiàn)為干燥集中在極薄的面上,稱(chēng)為干燥面［15］,一般用面反應(yīng)模型來(lái)描述.

熱解：在自然對(duì)流一維正向陰燃過(guò)程中,氧氣要想到達(dá)熱解層,必須要經(jīng)過(guò)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,難以到達(dá)熱解區(qū)域.大顆粒燃燒過(guò)程是類(lèi)似的,兩者均在近似絕氧條件下進(jìn)行生物質(zhì)熱解.生物質(zhì)熱解的研究過(guò)去幾十年有了相當(dāng)?shù)陌l(fā)展,出現(xiàn)了數(shù)以百計(jì)的熱解動(dòng)力學(xué)模型,Diblasi［16］對(duì)此進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié).陰燃和燃燒計(jì)算中的熱解動(dòng)力學(xué)方程大多從這些文獻(xiàn)中選?。?7-18］,兩者選取原則并無(wú)明顯區(qū)別.

炭氧化(消耗)：生物質(zhì)粉陰燃和大顆粒生物質(zhì)燃燒炭氧化是否類(lèi)似目前存在一些爭(zhēng)議.陰燃過(guò)程中,生物質(zhì)的炭消耗是以不完全氧化為主［19］,如式(1)所示,為強(qiáng)放熱反應(yīng).

而大顆粒生物燃燒過(guò)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(guò)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)物在氣相中燃燒.這兩個(gè)反應(yīng)均為強(qiáng)吸熱反應(yīng).

由于生物質(zhì)大多含有一定灰分,燃燒時(shí)灰分層會(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［7］以及許多研究者［13］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.

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)量傳輸,且這些傳輸?shù)膭?dòng)力均為反應(yīng)引起的物料內(nèi)部的溫度差和氣體濃度差等.因此,這些傳遞過(guò)程是類(lèi)似的,許多文獻(xiàn)中對(duì)這些過(guò)程的計(jì)算均采用相同的關(guān)聯(lián)式.

當(dāng)然,生物質(zhì)顆粒和生物質(zhì)粉床層內(nèi)部孔隙尺寸不同,前者數(shù)量級(jí)為10―5m［17］,后者為10―4m［19］.兩者熱量、質(zhì)量和動(dòng)量傳輸過(guò)程阻力大小有一定差異.

2.2 邊界條件

生物質(zhì)燃燒一般發(fā)生在燃燒室內(nèi),環(huán)境溫度高,至少600℃以上.由于氣體燃燒反應(yīng)消耗一定的氧氣,因此環(huán)境氧濃度低.而陰燃正好相反,一般發(fā)生在露天,環(huán)境溫度低,氧氣濃度高.這是兩者最顯著的區(qū)別.

3 結(jié)束語(yǔ)

生物質(zhì)顆粒燃燒過(guò)程和自然對(duì)流條件下生物質(zhì)粉正向陰燃物理過(guò)程近似.兩者在干燥、熱解及內(nèi)部質(zhì)量、熱量、動(dòng)量傳輸方面機(jī)理相同.雖然在炭消耗過(guò)程機(jī)理方面存在爭(zhēng)議,但炭的不完全氧化應(yīng)該是炭消耗的主要途徑.兩者在熱量、質(zhì)量和動(dòng)量傳輸過(guò)程阻力大小方面有一定差異,邊界條件明顯不同.

可以嘗試使用陰燃的方法研究大顆粒燃燒過(guò)程干燥、熱解、炭消耗、傳輸?shù)刃袨?為拓展燃燒和陰燃共性問(wèn)題研究方法以及研究結(jié)果的適用性提供參考.

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(編輯:郝秀清)

Comparison of biomass combustion and smoldering

LUO Bing,HE Fang,GAO Zhen-qiang,LI Yong-jun,WANG Li-hong,ZHANG Yong-jian
(School of Agricultural Engineering and Food Science,Shangdong University of Technology,Zibo 255091,China)

In order to clarify the similarities and differences between biomass combustion and smoldering,characteristics of the two processes have been reviewed.It showed that the combustion of a large biomass particle is similar to the natural convection forward smoldering of piled biomass powder.Chemical reaction characteristics,transport mechanisms and boundary conditions are 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 oxidation and a significant difference in boundary conditions between the two processes.

combustion；smoldering；biomass；chemical reactions；transport mechanism；boundary conditions

1672―6197(2013)01―0021―04

TQ91

A

2012- 12- 06

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)基金資助項(xiàng)目(BS2010NJ015)

羅冰,男,luobing1960@126.com；通信作者：何芳,女,hf@sdut.edu.cn