木屑顆粒機的顆粒度對燃燒特性影響研究
　　木屑顆粒機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。揮發分析出及燃燒階段(CD)，一般來講，取DTG=011mg/min時的溫度為揮發分析出溫度，在氧氣環境中析出的揮發分會很快燃燒。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。


　　從數據可以看出，3種稻殼揮發分析出溫度及稻殼達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，稻殼揮發分析出溫度降低，同時所需要的時間也減少 揮發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遠大于其析出時間，所以這里可以近似忽略燃燒時間。從中析出量數據看出稻殼a的揮發分析出時間是稻殼b的1161倍，是稻殼c的1164倍，這說明稻殼顆粒度對其揮發分析出時間影響較大，隨著顆粒減小揮發分析出時間減少 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的參數基本相近，與稻殼a的參數相差卻甚大，一方面是因為稻殼a的顆粒度較大，不利于燃燒進行 另一方面可以看出，當稻殼顆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，現在處理到10～20mm粒徑生物質消耗動力為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，綜合經濟評價來選取合理的顆粒度。為了全面評價生物質的燃燒情況，引入文獻燃燒特性指數P進行描述:


　　式中，P為燃燒特性指數 (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揮發分開始析出溫度(著火溫度)，℃ Th為燃盡溫度，℃。


　　燃燒特性指數P是反映稻殼著火和燃盡的綜合指標，P值越大，說明稻殼的燃燒特性越好。升溫速度、樣品粒度及樣品質量的變化對稻殼的燃燒特性指數均有一定的影響。燃燒特性指數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P，得出結果為Pa< Pb< Pc。因此，稻殼c的燃燒特性指數最大，其燃燒性能也最好。與煤相比，稻殼燃燒特性指數明顯大于煤，其值比煤大2個數量級。


　　木屑顆粒機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，傳熱系數就大。當顆粒溫度與環境溫度之差衰減到初始值的1%時，也就是說顆粒溫度與環境溫度基本上達到熱平衡時所需要時間與粒度有如下關系式:


　　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，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，研究循環流化床時發現，傳熱系數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，不利于燃燒，其原理很簡單，不過多論述。這里重點討論對流散熱對燃燒的影響。通常對流放熱系數與Nusselt準則有如下關系式:


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


　　當原料粒徑d減小時，準則Nu降低不多，λ為物性參數基本不變，則α增加 同時顆粒度的減小，比表面積增大，顆粒數增加，增加了顆粒之間相互碰撞幾率，增強了換熱，所以當顆粒度減小時，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境散熱Qs，當Qf> Qs時，原料燃燒釋放出大量熱，溫度上升 當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定狀態。但當對流放熱系數足夠大時，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上，其只能是適應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到平衡狀態所需要時間，用其可以定性解釋一些燃燒技術問題。


　　生物質熱值偏低，單位質量釋放熱量比煤小得多，在同樣粒徑下，生物質所蓄備的熱量只有標準煤的一半。當散熱量較大時，生物質更容易出現熄火現象。從熱解角度來看，稻殼c熱解速率大于稻殼a，揮發分析出速率快，從而使得稻殼c出現短時高溫。綜合來看，稻殼a的燃燒工況要好于稻殼c。因此在實際燃燒設備中，原料由冷態進入到高溫燃燒爐堂內，初期是高溫煙氣對原料的加熱，此時顆粒度越小，加熱時間就越短，有利于原料快速的達到燃燒溫度 但是當原料燃燒繼續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，增加了原料機械未完全燃燒損失。


    木屑顆粒機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分燃燒和焦炭燃燒2個過程。氣體燃燒速率遠遠大于固體燃燒速率，這樣稻殼燃燒時間長短主要決定于焦炭的燃燒時間。稻殼揮發分含量高，析出快，短時間內完全燃燒需要足夠的氧，揮發分析出后的焦炭被包裹在中間，阻滯其與氧的反應，因此稻殼焦炭的燃燒較為緩慢。碳與氧的反應有如下4種可能:


　　(1)碳與氧氣完全反應:


　　(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2條件下，生成的CO在碳附近與氧迅速反應生成CO2:


　　(4)氧受到阻滯，無法到達碳表面，在碳表面只有氣相擴散過來的CO2，產生C與CO2的還原發應:
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