程偲哲，鄒 春，姚 青，婁 春，王樹(shù)森，經(jīng)慧祥，梅 媚

(1.華中科技大學(xué) 煤燃燒國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074;2.浙江省健康智慧廚房系統(tǒng)集成重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 寧波 315336;3.寧波方太廚具有限公司，浙江 寧波 315336)

0 引 言

生物質(zhì)能是一種清潔、CO2近零排放的可再生能源[1]，對(duì)于緩解能源危機(jī)和環(huán)境保護(hù)具有重要的戰(zhàn)略作用。燃燒是目前生物質(zhì)利用的主要方式，但與煤相比，生物質(zhì)揮發(fā)分高、能量密度低，其著火和燃燒行為與煤粉有很大差異。生物質(zhì)富氧燃燒是一種CO2“負(fù)排放”燃燒方式[2]，研究生物質(zhì)在不同氧氣含量下的著火行為是生物質(zhì)富氧燃燒基礎(chǔ)研究的重要內(nèi)容。生物質(zhì)是復(fù)雜的聚合體，主要由纖維素、半纖維素、木質(zhì)素及提取物組成。干生物質(zhì)中三組分(纖維素、半纖維素、木質(zhì)素)含量達(dá)75%～85%[3]。三組分的熱解、著火及燃燒行為與生物質(zhì)的著火及燃燒行為密切相關(guān)[4-5]。因此，研究3種組分在不同氧氣體積分?jǐn)?shù)下的著火行為，對(duì)于研究不同氧氣體積分?jǐn)?shù)下生物質(zhì)的著火行為意義重大。

很多學(xué)者對(duì)于纖維素、半纖維素、木質(zhì)素的熱解進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[6-8]通過(guò)熱重分析發(fā)現(xiàn)，木質(zhì)素分解溫度低于半纖維素，半纖維素分解溫度低于纖維素；但木質(zhì)素分解溫度范圍(423～1 173 K)比半纖維素(493～588 K)和纖維素(588～673 K)大。Burhenne等[9]在固定床熱解生物質(zhì)發(fā)現(xiàn)，纖維素、半纖維素含量高的草本生物質(zhì)比木質(zhì)素含量高的分解速度快，產(chǎn)生更多的氣態(tài)產(chǎn)物，而熱解木質(zhì)素含量高的木本生物質(zhì)可產(chǎn)生更多的固態(tài)產(chǎn)物。考慮到實(shí)際鍋爐溫度和加熱速率，Senneca等[10]采用特殊的金屬格柵對(duì)纖維素、木聚糖、木質(zhì)素在N2和CO2氣氛下分別在1 573、2 073 K下進(jìn)行快速熱解，發(fā)現(xiàn)木質(zhì)素快速熱解產(chǎn)生輕焦油、重焦油、焦和小部分碳煙，纖維素只產(chǎn)生輕焦油，半纖維素低溫下只產(chǎn)生輕焦油，高溫下會(huì)產(chǎn)生重焦油，表明3個(gè)組分的熱解特性存在明顯差異，影響其著火及燃燒特性。Cao等[11]利用熱重分析研究了纖維素、木聚糖、木質(zhì)素在空氣氣氛下的著火溫度及其混合物的著火溫度，纖維素、木聚糖和木質(zhì)素的著火溫度分別為683、643和678 K，混合物的著火溫度主要由木質(zhì)素決定。王廷旭等[12]利用熱重分析研究了三組分在氧氣體積分?jǐn)?shù)分別為21%、30%和40%的O2/N2和O2/CO2氣氛下的燃燒特性，結(jié)果表明，三組分的燃燒過(guò)程均分為揮發(fā)分燃燒和焦燃燒2個(gè)階段。但纖維素和半纖維素的揮發(fā)分燃燒階段失重速率較大，而木質(zhì)素的焦燃燒階段失重速率較大。氧氣體積分?jǐn)?shù)由10%增到40%時(shí)，纖維素和半纖維素的揮發(fā)分燃燒變化不大，木質(zhì)素的揮發(fā)分燃燒加劇，失重曲線向低溫區(qū)移動(dòng)，纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的焦燃燒均顯著提前，燃燒速率增大且燃燒更加充分。Gani等、Lyu等[5，13]分別利用熱重研究了空氣氣氛下纖維素、木質(zhì)素對(duì)生物質(zhì)熱解和燃燒的影響，發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)燃燒分為揮發(fā)分燃燒和焦燃燒2個(gè)階段，其中生物質(zhì)的揮發(fā)分燃燒與纖維素分解有關(guān)，焦燃燒階段與木質(zhì)素分解有關(guān)，且纖維素的多孔狀和木質(zhì)素的塊狀結(jié)構(gòu)會(huì)影響熱解速率，纖維素含量越高，熱解速率越快，木質(zhì)素含量越高，熱解速率越慢。表明3個(gè)組分的著火及燃燒特性與生物質(zhì)的熱解及燃燒特性密切相關(guān)。

滴管爐可提供高溫(遠(yuǎn)高于1 000 K)和高加熱速率(104K/s)，因此，與熱重分析儀相比，滴管爐中燃燒能更真實(shí)模擬工業(yè)設(shè)備中的燃燒行為。Wang等[14]利用滴管爐研究了空氣氣氛下纖維素、半纖維素和木質(zhì)素對(duì)生物質(zhì)著火機(jī)理的影響，發(fā)現(xiàn)含極低木質(zhì)素的生物質(zhì)為非均相著火，中、高木質(zhì)素含量的生物質(zhì)發(fā)生均相著火。而目前鮮見(jiàn)進(jìn)一步研究不同氧氣體積分?jǐn)?shù)下3個(gè)組分在滴管爐中的著火行為。

本文將利用滴管爐在1 273 K下，研究粒徑74～154 μm的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素在21%、30%、50%、70%和100%氧氣體積分?jǐn)?shù)的O2/CO2氣氛下的著火行為，采用高速攝像儀記錄3個(gè)組分完整的著火及燃燒過(guò)程，結(jié)合輻射能測(cè)溫技術(shù)獲取氧氣含量對(duì)3個(gè)組分著火機(jī)理、燃燒溫度、燃燒形態(tài)的影響，為研究生物質(zhì)富氧燃燒行為提供依據(jù)。

1 材料與試驗(yàn)方法

1.1 原料

本文的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素均來(lái)源于Sigma-Aldrich公司，其中纖維素(catalog number C6288,CAS 9004-34-6)，木聚糖(常用來(lái)代表半纖維素，catalog number V900513)和木質(zhì)素(catalog number 471,003,CAS8068-05-1)的工業(yè)分析和元素分析見(jiàn)表1，其顆粒粒徑均為74～154 μm。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

本文采用的滴管爐裝置如圖1所示，包括反應(yīng)爐體、給粉系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)和高速攝像儀，其詳細(xì)介紹可參照文獻(xiàn)[15]。高速攝像機(jī)型號(hào)為FASTCAM Mini WX100，拍攝速度為1 000幀/s，曝光時(shí)間為1 000 μs。對(duì)拍攝到的著火圖片采用輻射能測(cè)溫技術(shù)[16-17]計(jì)算火焰溫度，該技術(shù)中標(biāo)定所使用黑體爐為美國(guó)的M330型高溫黑體爐。試驗(yàn)開(kāi)始前，反應(yīng)爐體以15 K/min的升溫速率加熱1.5 h至1 273 K，并保持壁面溫度。給粉系統(tǒng)將纖維素、半纖維素、木質(zhì)素顆粒以0.1 g/min的質(zhì)量流量給入注入管并由一次風(fēng)攜帶進(jìn)入爐膛。供氣系統(tǒng)的一次風(fēng)從頂部注入管注入爐膛，二次風(fēng)從底部經(jīng)爐膛預(yù)熱后從上方整流器進(jìn)入爐膛，一次風(fēng)和二次風(fēng)的流量分別為1.0、9.0 L/min(標(biāo)況下)。

滴管爐系統(tǒng)在前后開(kāi)有觀察孔，拍攝火焰圖片時(shí)采用高速攝像機(jī)近觀察孔拍攝的方法。研究時(shí)高速攝像機(jī)拍攝7號(hào)觀察孔，距離上方注入管的出口約37 cm。在拍攝過(guò)程中相機(jī)高度不變，只觀察單個(gè)觀察孔內(nèi)顆粒的燃燒情況，在單個(gè)觀察孔內(nèi)利用高速攝像機(jī)可拍攝1 000張/s照片的特性，完整記錄顆粒從著火到燃燒到燃盡的全過(guò)程。

本文研究不同氧氣體積分?jǐn)?shù)對(duì)3個(gè)組分顆粒著火機(jī)理和燃燒過(guò)程的影響，O2體積分?jǐn)?shù)參照文獻(xiàn)[18-19]的21%、30%、35%、50%、60%、70%、80%、100%，選擇21%、30%、50%、70%、100%五個(gè)氧氣體積分?jǐn)?shù)。

表1 3個(gè)組分的工業(yè)分析和元素分析

圖1 滴管爐裝置結(jié)構(gòu)示意

2 O2/CO2氣氛下纖維素、半纖維素、木質(zhì)素的著火圖像分析

高速攝像機(jī)采用1 000幀/s的速度拍攝著火過(guò)程，圖片間的時(shí)間間隔為1 ms，t為從記時(shí)時(shí)刻(著火發(fā)生時(shí)刻前1 ms)到圖片拍攝的時(shí)間(ms)。1 ms即為著火時(shí)刻，最后一張圖片代表燃燒過(guò)程結(jié)束前的最后1 ms。每種組分均重復(fù)2次試驗(yàn)，分別統(tǒng)計(jì)50個(gè)單顆粒纖維素、半纖維素和木質(zhì)素著火行為，選出每種組分最具代表性的著火圖片如圖2～4所示。

2.1 21% O2/79% CO2氣氛下纖維素、半纖維素、木質(zhì)素的著火機(jī)理

生物質(zhì)的著火機(jī)理通?？煞譃?種：均相著火、非均相著火和聯(lián)合著火。若生物質(zhì)的揮發(fā)分首先發(fā)生著火，并形成揮發(fā)分火焰包裹住生物質(zhì)，隨后發(fā)生生物質(zhì)焦的著火，稱為均相著火；若著火首先發(fā)生于生物質(zhì)焦，隨后生物質(zhì)焦的燃燒點(diǎn)燃揮發(fā)分，稱為非均相著火；若生物質(zhì)的揮發(fā)分和生物質(zhì)焦同時(shí)著火，稱為聯(lián)合著火[20]。結(jié)合試驗(yàn)中高速攝像機(jī)拍攝的著火圖片，可直接判斷相應(yīng)氣氛下顆粒的著火特性，該研究方法廣泛應(yīng)用于生物質(zhì)和煤粉顆粒著火特性的研究中[15,18,21-22]。

圖2 纖維素在O2/CO2氣氛不同氧氣體積分?jǐn)?shù)下完整著火和燃燒過(guò)程

圖3 半纖維素在O2/CO2氣氛不同氧氣體積分?jǐn)?shù)下完整著火和燃燒過(guò)程

圖4 木質(zhì)素在O2/CO2氣氛不同氧氣體積分?jǐn)?shù)下完整著火和燃燒過(guò)程

纖維素在21% O2/79% CO2氣氛下，t=1 ms時(shí)觀察到一小團(tuán)顏色較暗的霧狀火焰，這是纖維素釋放的揮發(fā)分著火而形成的火焰。同時(shí)在這團(tuán)火焰中，可觀察到火焰底部亮度明顯高于火焰其他位置，且較亮的區(qū)域與纖維素顆粒的形狀重合，說(shuō)明底部的纖維素焦同時(shí)被點(diǎn)燃，因此纖維素在21% O2/79% CO2氣氛下為聯(lián)合著火。t=2 ms時(shí)可看到火焰由2部分構(gòu)成：外層為揮發(fā)分燃燒形成的橙色火焰，亮度較低；內(nèi)層為焦燃燒形成的白色火焰，亮度較高。這是由于纖維素?fù)]發(fā)分高且脫揮發(fā)分速率快[11],使揮發(fā)分火焰能在顆粒外層包裹住內(nèi)層的焦燃燒火焰，最終形成外層揮發(fā)分火焰、內(nèi)層焦燃燒火焰的雙層火焰。t=3～5 ms時(shí)，僅觀察到白色火焰，且火焰逐漸變小，說(shuō)明t=3 ms時(shí)纖維素的揮發(fā)分已燃盡，t=4 ms時(shí)火焰呈上大下小的倒水滴型，說(shuō)明下方的纖維素焦已接近燃燒完全，t=5 ms后纖維素的揮發(fā)分和焦全部燃盡，整個(gè)纖維素燃燒過(guò)程結(jié)束。

半纖維素的著火與纖維素相似，著火初期均能觀測(cè)到亮度較暗的揮發(fā)分著火和集中于底部亮度較高的焦著火，因此在21% O2/79% CO2氣氛下半纖維素屬于聯(lián)合著火。整個(gè)燃燒過(guò)程也是火焰先發(fā)生于下部，隨后延伸到整個(gè)半纖維素顆粒。6 ms時(shí)下方的半纖維素焦和揮發(fā)分均已燃盡，而上方是揮發(fā)分和焦一同燃燒，1 ms后燃燒過(guò)程結(jié)束。但半纖維素與纖維素在著火行為上存在2個(gè)不同：① 半纖維素從著火到最大亮度的時(shí)間(5 ms)比纖維素(3 ms)長(zhǎng)，且揮發(fā)分燃燒近乎貫穿整個(gè)燃燒過(guò)程，這主要是因?yàn)榘肜w維素的揮發(fā)分釋放速度低于纖維素[11]，導(dǎo)致半纖維素與纖維素的火焰形狀有明顯差異。纖維素著火后，纖維素?fù)]發(fā)分在顆粒外層所形成的團(tuán)狀火焰比半纖維素更明顯，由于著火開(kāi)始于纖維素顆粒下方，因此在燃燒過(guò)程后期，纖維素下方揮發(fā)分和焦基本燃盡，但上方的揮發(fā)分和焦還在燃燒，因此形成上大下小的倒水滴型火焰。半纖維素的揮發(fā)分釋放速率較慢，揮發(fā)分的燃燒貫穿整個(gè)燃燒過(guò)程，顆粒上下的揮發(fā)分火焰較均勻，未出現(xiàn)像纖維素下方揮發(fā)分先燃盡的狀況，因此火焰呈長(zhǎng)方形。② 半纖維素著火時(shí)刻的亮度低于纖維素，但隨著燃燒進(jìn)行，達(dá)到最大亮度時(shí)，兩者的火焰亮度接近，且均達(dá)到最大亮度后2 ms燃燒結(jié)束。

木質(zhì)素在著火初期，只能觀察到亮度較低的揮發(fā)分著火，隨著燃燒進(jìn)行，揮發(fā)分霧狀火焰包裹住整個(gè)木質(zhì)素顆粒，直到5 ms火焰下方變亮，此時(shí)木質(zhì)素焦被引燃，因此在21% O2/79% CO2氣氛下木質(zhì)素的著火機(jī)理為均相著火。隨著燃燒過(guò)程的進(jìn)行，揮發(fā)分的橙色火焰逐漸減少，焦燃燒形成白色火焰面積越來(lái)越大，至11 ms揮發(fā)分基本燃燒完全。隨后經(jīng)歷一段穩(wěn)定的焦燃燒過(guò)程，這時(shí)的火焰逐漸變?yōu)闄E圓形，說(shuō)明木質(zhì)素顆粒在高溫下融化。18 ms后焦燃燒火焰面積逐漸減少，23 ms整個(gè)著火燃燒過(guò)程結(jié)束。與纖維素和半纖維素的著火燃燒相比，木質(zhì)素的揮發(fā)分燃燒時(shí)間(9 ms)比前兩者長(zhǎng)，且當(dāng)5 ms木質(zhì)素焦發(fā)生著火后，其最大亮度和最大亮度的持續(xù)時(shí)間比前兩者大，這是因?yàn)槟举|(zhì)素具有最高的焦產(chǎn)率[23]，其在燃燒過(guò)程中形成的焦最多，所以其焦燃燒的過(guò)程更長(zhǎng)，而焦燃燒會(huì)顯著提高火焰亮度，所以3個(gè)組分中木質(zhì)素的火焰亮度最高。

2.2 21% O2/79% CO2氣氛下纖維素、半纖維素、木質(zhì)素的溫度曲線

利用輻射能測(cè)溫技術(shù)，對(duì)21% O2/79% CO2氣氛下纖維素、半纖維素、木質(zhì)素著火圖片的溫度進(jìn)行計(jì)算，其溫度變化情況如圖5所示。纖維素與半纖維素的溫度曲線基本相同，均為著火后溫度快速上升至最高點(diǎn)，2 ms后熄滅，證明兩者為聯(lián)合著火。木質(zhì)素與前兩者的溫度曲線有明顯差異，著火后溫度首先維持在較低水平，5 ms時(shí)隨著木質(zhì)素焦被引燃，溫度快速上升至最高點(diǎn)，并穩(wěn)定燃燒一段時(shí)間，最后在2 ms內(nèi)熄滅，可見(jiàn)，焦燃燒是溫度上升的重要因素。木質(zhì)素與半纖維素的著火溫度幾乎相同，但均低于纖維素，這與熱重試驗(yàn)結(jié)果一致[11]。

圖5 21% O2/79% CO2氣氛下纖維素、半纖維素、木質(zhì)素的溫度曲線

3 纖維素、半纖維素、木質(zhì)素的著火特性隨氧氣體積分?jǐn)?shù)的變化

3.1 著火機(jī)理隨O2體積分?jǐn)?shù)的變化

纖維素在21% O2/79% CO2氣氛下為聯(lián)合著火。氧氣體積分?jǐn)?shù)超過(guò)30%時(shí)，纖維素顆粒在著火的第1 ms和第2 ms，只觀察到纖維素焦著火形成的點(diǎn)狀明亮白色火焰，未觀察到揮發(fā)分著火形成的光暈和火焰，因此纖維素在O2體積分?jǐn)?shù)30%～100%的著火機(jī)理為非均相著火。點(diǎn)狀火焰出現(xiàn)于纖維素顆粒的某個(gè)局部，然后迅速擴(kuò)展到整個(gè)纖維素，隨后火焰快速熄滅。

半纖維素在30% O2/70% CO2氣氛下的著火燃燒過(guò)程與21% O2/79% CO2氣氛幾乎相同。50% O2/50% CO2氣氛時(shí)，燃燒過(guò)程縮短，但1 ms時(shí)仍可觀測(cè)到較暗的揮發(fā)分霧狀火焰和明亮的焦燃燒火焰，因此30% O2/70% CO2和50% O2/50% CO2氣氛下著火機(jī)理均為聯(lián)合著火。氧氣體積分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加后，與高氧氣體積分?jǐn)?shù)的纖維素相同，只能觀察到半纖維素焦著火，因此70% O2/30% CO2和100% O2氣氛的半纖維素著火機(jī)理為非均相著火。

木質(zhì)素在21% O2/79% CO2和30% O2/70% CO2氣氛下為典型的均相著火。50% O2/50% CO2氣氛下，著火首先出現(xiàn)于木質(zhì)素焦的某個(gè)點(diǎn)位，隨后快速蔓延到其他點(diǎn)位，進(jìn)而點(diǎn)燃整個(gè)木質(zhì)素顆粒，整個(gè)過(guò)程未發(fā)現(xiàn)揮發(fā)分的霧狀火焰，因此判定為非均相著火。O2體積分?jǐn)?shù)繼續(xù)升高，著火仍只發(fā)生在木質(zhì)素焦上，且僅需2 ms，整個(gè)木質(zhì)素顆粒以及顆粒周圍的揮發(fā)分均被點(diǎn)燃，燃燒過(guò)程中，火焰出現(xiàn)明顯的膨脹現(xiàn)象。因此木質(zhì)素在50% O2/50% CO2～100% O2氣氛著火機(jī)理為非均相著火。

纖維素、半纖維素、木質(zhì)素著火機(jī)理與O2體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系見(jiàn)表2。隨著O2體積分?jǐn)?shù)增加，3個(gè)組分的著火機(jī)理均發(fā)生改變，纖維素和半纖維素由聯(lián)合著火變?yōu)榉蔷嘀穑举|(zhì)素由均相著火變?yōu)榉蔷嘀?，這均由于焦的著火加強(qiáng)，其原因是O2體積分?jǐn)?shù)增加，導(dǎo)致更多的氧氣擴(kuò)散到焦的表面，強(qiáng)化了焦的著火，從而比揮發(fā)分的著火時(shí)間更早。類似現(xiàn)象在熱重分析試驗(yàn)也被觀察到[12]。纖維素著火機(jī)理發(fā)生改變的O2體積分?jǐn)?shù)為30%，相比半纖維素的50%要低，可能的原因是纖維素的脫揮發(fā)分速率快于半纖維素，更多的纖維素焦更易著火，同時(shí)，纖維素焦的多孔特性也優(yōu)于半纖維焦，因此纖維素在較低的O2體積分?jǐn)?shù)下發(fā)生著火機(jī)理的改變。

表2 纖維素、半纖維素、木質(zhì)素著火機(jī)理與O2體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系

3.2 纖維素、半纖維素、木質(zhì)素的溫度曲線

利用輻射能測(cè)溫技術(shù)，計(jì)算不同O2體積分?jǐn)?shù)下纖維素、半纖維素、木質(zhì)素著火圖片的最高溫度，溫度變化如圖6所示。

對(duì)于纖維素，21% O2/79% CO2氣氛下需經(jīng)歷升溫過(guò)程才能達(dá)到峰值溫度，O2體積分?jǐn)?shù)超過(guò)30%后，纖維素的火焰溫度均在1 ms即可達(dá)到峰值溫度，如圖6(a)所示，表明纖維素著火對(duì)于O2體積分?jǐn)?shù)非常敏感，超過(guò)30%，纖維素焦先發(fā)生著火，說(shuō)明纖維素焦的燃燒反應(yīng)速率對(duì)O2體積分?jǐn)?shù)很敏感。

隨O2體積分?jǐn)?shù)的升高，半纖維素的升溫速率加快，燃燒時(shí)間縮短，如圖6(b)所示。圖2(b)中，在21% O2/79% CO2、30% O2/70% CO2和50% O2/50% CO2氣氛下，半纖維素著火的火焰溫度較低的揮發(fā)分燃燒幾乎貫穿整個(gè)燃燒過(guò)程，導(dǎo)致其升溫速率仍低于更高O2體積分?jǐn)?shù)下的升溫速率。因此，半纖維素升溫速率隨O2體積分?jǐn)?shù)增加而加快的原因是，當(dāng)發(fā)生聯(lián)合著火時(shí)(O2體積分?jǐn)?shù)較低時(shí))，更多的揮發(fā)分在升溫過(guò)程中被燃燒，使半纖維素升溫速率較慢；隨著O2體積分?jǐn)?shù)增加，半纖維素升溫過(guò)程中的揮發(fā)分燃燒比例降低，焦燃燒比例增加，O2體積分?jǐn)?shù)達(dá)70%時(shí)，著火機(jī)理從聯(lián)合著火變?yōu)榉蔷嘀穑肜w維素焦首先發(fā)生著火，半纖維素溫度在1 ms內(nèi)即升到最高溫度。

與半纖維素相似，木質(zhì)素的燃燒時(shí)間也隨O2體積分?jǐn)?shù)的升高而縮短，但纖維素?zé)o此規(guī)律，這是因?yàn)镺2體積分?jǐn)?shù)增加強(qiáng)化了焦的著火，但對(duì)揮發(fā)分的影響較小，而纖維素主要由揮發(fā)分構(gòu)成，因而成焦較少。O2體積分?jǐn)?shù)的提高不會(huì)加速纖維素?fù)]發(fā)分的燃盡，半纖維素和木質(zhì)素的成焦率均高于纖維素，受O2體積分?jǐn)?shù)的影響更大，因此隨著O2體積分?jǐn)?shù)提高，半纖維素和木質(zhì)素的焦燃燒更劇烈，燃盡時(shí)間更短。由于木質(zhì)素在21% O2/79% CO2與30% O2/70% CO2氣氛下發(fā)生均相著火，因此，木質(zhì)素著火后的升溫曲線首先經(jīng)歷一段較為緩慢的升溫過(guò)程(5 ms左右)。直到木質(zhì)素焦發(fā)生著火后，木質(zhì)素溫度才開(kāi)始急劇上升。當(dāng)O2體積分?jǐn)?shù)達(dá)50%時(shí)，可明顯觀察到木質(zhì)素的升溫速率顯著升高，只需3 ms即可達(dá)到最高溫度，且隨著O2體積分?jǐn)?shù)的繼續(xù)增加，只需要1～2 ms達(dá)最高溫度，這是因?yàn)镺2體積分?jǐn)?shù)升高，強(qiáng)化了木質(zhì)素焦的著火，木質(zhì)素焦先于揮發(fā)分著火，著火機(jī)理由均相著火轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷嘀稹?/p>

圖6 不同O2體積分?jǐn)?shù)下纖維素、半纖維素、木質(zhì)素的溫度曲線

3.3 木質(zhì)素高O2體積分?jǐn)?shù)的膨脹現(xiàn)象

木質(zhì)素在高O2體積分?jǐn)?shù)下的燃燒過(guò)程中，3～6 ms燃燒圖片如圖7所示，可以看到燃燒過(guò)程中，木質(zhì)素顆粒發(fā)生明顯膨脹，木質(zhì)素火焰面積相較于低O2體積分?jǐn)?shù)下增大2～3倍。這是因?yàn)槟举|(zhì)素在高溫燃燒時(shí)，在加熱過(guò)程中熔融，生成的焦極易膨脹形成泡沫[24-25]。低O2體積分?jǐn)?shù)下，木質(zhì)素先發(fā)生揮發(fā)分著火，揮發(fā)分的火焰包裹住木質(zhì)素顆粒，阻礙了O2與木質(zhì)素焦反應(yīng)，因此木質(zhì)素焦的火焰處于揮發(fā)分的火焰包裹中，無(wú)明顯膨脹。高O2體積分?jǐn)?shù)下，木質(zhì)素焦燃燒速率加快，先于揮發(fā)分著火，焦著火后膨脹形成泡沫，O2進(jìn)入泡沫與木質(zhì)素焦發(fā)生劇烈反應(yīng)，形成膨脹火焰，高溫火焰促進(jìn)木質(zhì)素焦繼續(xù)膨脹，因此火焰面積隨燃燒過(guò)程持續(xù)增大，最終火焰面積成長(zhǎng)到低O2體積分?jǐn)?shù)的2～3倍。

圖7 100% O2氣氛下木質(zhì)素的膨脹

4 結(jié) 論

1)在O2/CO2氣氛下，隨O2體積分?jǐn)?shù)增加，纖維素和半纖維素由聯(lián)合著火轉(zhuǎn)化為非均相著火，木質(zhì)素由均相著火轉(zhuǎn)化為非均相著火，纖維素、半纖維素、木質(zhì)素的著火機(jī)理發(fā)生轉(zhuǎn)化的O2體積分?jǐn)?shù)分別為30%、70%和50%。導(dǎo)致其著火機(jī)理發(fā)生變化的主要原因是O2體積分?jǐn)?shù)增加使更多的O2擴(kuò)散到焦的表面，強(qiáng)化了焦的著火。

2)纖維素著火對(duì)于O2體積分?jǐn)?shù)非常敏感，超過(guò)30% O2，纖維素焦先發(fā)生著火，焦的燃燒反應(yīng)速率對(duì)O2體積分?jǐn)?shù)很敏感；半纖維素著火后的升溫速率隨著O2體積分?jǐn)?shù)的升高而提高，這是由于半纖維素發(fā)生聯(lián)合著火時(shí)，隨著O2體積分?jǐn)?shù)增加，半纖維素燃燒過(guò)程中揮發(fā)分燃燒比例減弱，焦燃燒比例增加，發(fā)生非均相著火時(shí)，半纖維素顆粒很快達(dá)到最高溫度；木質(zhì)素的升溫速率隨氧氣體積分?jǐn)?shù)的升高而加快，燃燒時(shí)間隨O2體積分?jǐn)?shù)的升高而縮短，這是由于提高O2體積分?jǐn)?shù)強(qiáng)化了木質(zhì)素焦著火。

3)木質(zhì)素高溫燃燒時(shí)生成的焦會(huì)熔融膨脹，低O2體積分?jǐn)?shù)下，揮發(fā)分燃燒會(huì)抑制火焰擴(kuò)大；高O2體積分?jǐn)?shù)下，焦燃燒加劇，形成明顯膨脹火焰。