秸秆类生物质燃烧特性的研究

作者简介:乐　园(1967-),女,上海人,副教授,博士。

秸秆类生物质燃烧特性的研究

乐　园1

,李龙生

2

(1.北京化工大学纳米材料先进制备技术与应用科学教育部重点实验室,北京100029;

2.中国节能投资公司,北京100037)

摘　要:利用热重分析仪对江苏宿迁地区的玉米秆、稻秆和麦秆三种生物质的燃烧特性进行了分析,测定了生物质的灰熔点和灰组成,用XRD 和TE M 表征了生物质灰的物相结构和形貌。研究结果表明,三种生物质的燃烧规律基本一致,燃烧过程可分为四个阶段:干燥过程,热解过程,晶型转变过程和熔融过程;三种生物质中,玉米秆灰熔点最高,灰量最少且碱金属含量最低;生物质灰为形态各异的纳米颗粒。关键词:生物质;燃烧特性;生物质灰;灰分性质

中图分类号:TK6　　　　　文献标识码:A 　　　　　文章编号:1004-3950(2006)04-0030-04

Study on com busti on character isti cs of b i oma ss

LE Yuan 1

,L I rong 2sheng

2

(1.Key Lab for Nanomaterials,M inistry of Educati on,Beijing University of Che m ical Technol ogy,Beijing 100029,China;2.China Energy Conservati on I nvest m ent Cor porati on,Beijing 100037,China )Abstract:I n this paper,the combusti on characteristics of three bi omass sa mp les 2cornstalk,rice stra w and wheat stra w fr om Suqian,J iangsu p r ovince were investigated via ther mogravi m etry .The p r operties of bi omass ash such as melting point,compositi on,structures and mor phol ogies were analyzed in details .The results reveal that all of the bi omass ma 2terials show the sa me combusti on characteristics .The combusti on p r ocess includes f our step s:drying,pyr olysis,crys 2tal transfer and melting .Among the three bi omass materials,cornstalk ash has the highest melting point and the l owest ash content as well as the l owest content of alkali metal .TE M i m ages indicate that the bi omass ashes are the nano 2par 2ticles with vari ous mor phol ogies .

Key words:bi omass;combusti on characteristics;bi omass ash;ash p r operties

0　前　言

随着全球工业化的快速发展,一次性能源的消耗量不断增加,人类为了自身的生存和发展,不断寻找新的能源,以减少或替代一次性能源的消耗。在各种可再生能源中,生物质是储存太阳能的惟一一种可再生的炭源,是可持续再生能源中的重要组成部分。生物质能源具有以下特点:首先是一种可再生的绿色能源;其次,生物质生长过程中吸收的CO 2与其燃烧利用中排放的CO 2是相等的,在CO 2总量上实现了零排放[122]

;此

外,与煤相比,生物质通常含有很低的灰分,几

乎不含硫

[3]

。因此对生物质能利用的研究开发

已成为开发新能源的一个重要方向

[425]

,世界上许

多国家如美国、丹麦,英国和芬兰等正在大规模推广利用生物质能发电[6]

,这也是我国目前正在推

广的一项新技术。

在生物质燃烧发电过程中,生物质的燃烧过程以及燃烧所产生物质的化学和物理性质对能量转化装置的设计,灰资源化利用与污染控制具有重要的理论意义和应用价值。本文将系统地研究玉米秆、稻秆和麦秆三种生物质的燃烧特性及其生物质灰的理化特性和结构特征,以便为生物质高效燃烧发电提供理论基础。

1　实验部分

1.1　原料处理

实验用的生物质原料———玉米秆、稻秆和麦

1.2　灰的制取

本文采用AST M规定的方法进行生物质灰的制取。将玉米秆、稻秆和麦秆等三种生物质分别置于马弗炉内,600℃灼烧一定时间,收集残留物。灰组成用I CP仪器进行分析,灰的晶相用XRD分析,灰形貌通过TE M观察。

2　结果和讨论

2.1　燃烧特性分析

图1至图3分别是玉米秆、稻秆和麦秆在空气气氛下,升温速度为10℃/m in条件下得到的TG—DT A曲线,三种生物质的曲线走势基本一致。按热失重分,生物质的燃烧可分为四个阶段

。以玉米秆为例(图1),第一阶段为20～200℃,失重约为7%,主要是生物质原料的脱水过程。第二阶段在200～480℃之间,是失重的主要阶段,失重达到85%,这一阶段是生物质中炭和挥发物的燃烧过程,对应于DT A曲线,可以看到一个含有双峰的强放热峰,两峰位置分别在300℃和435℃。第三阶段为480～820℃,质量基本保持不变,对应的DT A曲线有一个微弱的放热峰,说明这一阶段是无机物的晶型转变过程。同一化学组成的物质有时具有不同的晶型,一定范围内自由焓最低的晶型最稳定,随着温度的变化,晶体就由一种形态转变为另一种形态。第四阶段为820～1300℃,增重约18%,DT A曲线上有一个明显的吸热峰,这应是生物质的熔融阶段。分析结果表明,利用生物质燃烧发电,燃烧温度不宜超过800℃。玉米秆、稻秆和麦秆的发热量分别是16. 92MJ/kg,14.65MJ/kg和15.13MJ/kg。

图1　玉米秆的TG-DSC曲线

图2　稻秆的TG-DSC曲线

图3　麦秆的TG-DSC曲线

2.2　灰的化学组成

生物质原料中除了碳、氢、氧等有机物之外,还含有一定数量的无机矿物质。在生物质热化学转化利用过程中,这些残留的无机物质称为灰。生物质灰的化学组成及其特性对其热力学和动力学性质有很大影响,并对灰的利用及各种利用设备的设计和处理具有重要意义。

生物质的灰量及其化学组成随着其生长条件、生长环境不同而不同。对于我们所研究的三种生物质而言,玉米秆的灰量最低,只有3.82%,稻秆的灰量最高为17.21%,麦秆的灰量是10.71%。

三种生物质灰的主要化学成分列于表1。可以看出,三种生物质灰中的主要元素有K、Na、Ca、Mg、A l、Fe、Si等,但不同的生物质,其无机物的含量是不同的。在三种物质中,麦秆中的K含量最高,达到14.53%,稻秆也较高,为9.68%,而在玉米秆中未检测出K元素;玉米秆中的Ca和Mg的含量要比稻秆和麦秆高;而且玉米秆中含Si 最多;三种物质中的Na、A l和Fe含量都比较接近。

表1　生物质灰组成% K2O Na2O Ca O Mg O A l2O3Fe2O3Ti O2Cu O Si O2玉米秆N/A0.474.495.670.250.190.00730.01984.16稻秆11.660.532.181.660.210.190.00300.006977.45麦秆17.530.542.882.020.280.200.00670.002071.32

2.3　灰的熔融特性

生物质灰的熔融特性对热化学处理过程起着

决定性的作用,灰熔点的高低不仅影响熔融的能

耗,而且决定了熔融工艺的难易程度和设备损耗

等诸多方面。生物质灰主要是以金属氧化物和非

金属氧化物的混合物形式存在,不仅成分复杂,且

各种成分含量的变化也很大,灰的熔化只能是一

个温度范围。加热到一定温度时,灰中的低熔点

成分开始熔化,随着温度的升高,熔化成分逐渐增

多,最后全部变为液态。本文主要研究灰熔点的

四个特征温度,即变形温度(t

D )、软化温度(t

S

)、

半球温度(t

H )和流动温度(t

F

)。采用通用的角锥

法在氧化性气氛下对玉米秆、稻秆和麦秆灰的熔融特性进行测定。

表2为三种生物质灰熔点的测试结果,熔点由高到低的顺序为玉米秆、稻秆、麦秆,这种现象和灰成分有关。灰中的成分按酸碱性的不同可分为两类,一类是酸性氧化物包括A l

2

O3和Si O2,另

一类是K

2

O、Na2O、Ca O、Mg O和Fe2O3等碱性氧化物。这两类物质的分布对灰的熔融特性有重要影响,酸性氧化物具有提高灰熔点的作用,其含量越多,熔融温度就越高;相反,碱性氧化物却有降低煤灰熔融温度的作用,其含量越多,熔融温度就

越低[728]。从表1得知,玉米秆中Si O

2

含量最高,

明显高于稻秆和麦秆,而K

2

O和Na2O的含量很少,明显低于稻秆和麦秆,因此其熔点最高;稻秆

的Si O

2

含量高于麦秆,碱金属氧化物含量低于麦秆,其熔点高于麦秆。

表2　生物质灰熔点℃样品t D t S t H t F

玉米秆1040122012301260稻秆1010113012401250麦秆95098010401080

2.4　灰的晶相结构

生物质灰主要由金属氧化物和非金属氧化物组成,然而相同或相似的成分可以存在不同物相结构,而物相结构不仅影响灰的性质,而且对灰的利用也有很大影响。本文使用日本Shi m adzu XRD-6000型X射线衍射仪,参数如下:CuKα射线,N i滤波,管压30kV,管流30mA,扫描速度2°/m in,扫描角度2θ=10°～90°,玉米秆、稻秆和麦秆灰的XRD图谱见图4。从图中看出,稻秆和麦秆灰的衍射峰位置基本一致,对照标准图谱,这主要是KCl的结晶相(2θ=28.3,4.08,50.5, 66.4),且麦秆灰的峰强度比稻秆强,说明麦秆灰中的KCl结晶相更多,这和麦秆中K含量高有关。玉米秆灰的衍射峰与稻秆和麦秆有所不同,这和其灰组成有关。此外,虽然三种生物质灰中Si O2含量都很高,但XRD图谱中没有明显的Si O2衍射峰,说明灰中的Si O

2

很少以单体形式存在

。

图4　生物质灰的XRD图谱

2.5　灰的形貌

不同的生物质灰在形貌上有着差别,如图5所示。由TE M照片可知,生物质灰为形貌各异的纳米粒子,玉米秆灰颗粒近似球形,分散比较好,粒度在50～100nm之间,见图5(a);稻秆灰颗粒尺寸较小,粒径约为40nm,团聚比较严重,见图5 (b);而麦秆灰的形貌与玉米秆和稻秆完全不同,呈链状分布,见图5(c)。灰形貌的多样性反映出生物质中的无机物存在形式的不同。

图5　生物质灰的TE M图

3　结　论

同一地区的玉米秆、稻秆和麦秆这三种生物质的燃烧规律基本一致:20～200℃是原料的脱水过程,200～480℃是生物质中炭和挥发物的燃烧过程,480～820℃是无机物的晶型转变过程, 820～1300℃,是生物质的熔融阶段。三种生物质中,玉米秆灰熔点最高,发热量最高为16.92 MJ/kg,灰量只有3.82%,碱金属含量最低。XRD 结果表明,稻秆灰和麦秆灰晶相基本相同,而玉米秆灰的晶相有所不同。TE M显示生物质灰为形态各异的纳米颗粒。

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(上接第25页)

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