热解炭阴燃特性的实验研究

第23卷第4期山东理工大学学报(自然科学版)Vol. 23 No 42009年7月Journal of Shandong University of Technology(Natural Science Edition)文章编号:1672-6197(209)04-0011热解炭阴燃特性的实验研究徐攀,何芳(山东理工大学轻工与农业工程学院,山东淄博255049)摘要:为了研究热解炭阴燃特性,在自行设计的炭粉阴燃实验台上对玉米秸秆粉热解残炭阴燃特性中的温度、尾气和燃烧速度进行研究,实验结果表明:随着阴燃前锋下移,各温度测点峰值逐渐下降,峰值持续时间增长;在阴燃发生的前11h内,气体产物中C(CO):C(CO2)>1;阴燃初期的阴燃速度最快,随后逐渐减慢关键词:热解;炭;阴燃中图分类号:TQ91文献标识码:AExperimental investigation in smoldering characteristics of pyrolytic charcoalXU Pan, HE Fang(School of Light Industry and Agricultural Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049, ChinaAbstract: The smoldering characteristic of pyrolytic charcoal made from the powder of corn stalkwas studied on a smoldering stove which was designed by ourselves. The smoldering temperature, the flue gases and smoldering speed were recorded online during the experiments. Experimental results show that, with the smoldering front descending, the peak values of these thermo-couples gradually decline and last for a longer time. Within 1l hours from the beginning, the mo-lar ratio of Co to CO, in flue gases is more than 1. There is a peak value of the smoldering speedduring the initial stage of smoldering, but with the smoldering front descending, the smolderingspeed declines gradually.Key words: pyrolysis; charcoal smoldering阴燃是一种基本的燃烧方式,是指材料依靠氧粒径均匀,因此热解炭的阴燃过程同聚氨酯泡沫秸气直接接触其凝聚相表面氧化释放的热量进行自维秆等物料的阴燃实验过程相比有较好的可重复性持的缓慢低温无焰的燃烧方式.从20世纪50年干燥后的热解炭水份含量低,内部结构疏松,有利于代开始至今的50多年间国内外学者对阴燃进行了热解炭阴燃过程自维持此外,生物质热裂解产生的许多实验研究2-,这些研究对于认识阴燃具有重残炭占物料质量一定比例,若对其不加以处理就可要的参考价值.经分析发现:这些研究使用的阴燃物能发生阴燃.热解炭阴燃的研究对生物质热裂解也料化学性质复杂,阴燃过程影响因素众多,且各因素有一定的参考价值相互作用,实验可重复性差用生物质热解残炭进行阴燃实验具有可重复性1实验台的设计好、次要影响因素少的优点,能为阴燃的理论分析提供可靠的实验数据.热解炭主要成分是碳和粉灰,其实验台如图1所示,主要包括电路控制、阴燃燃中国煤化工收稿日期:2008-12-29CNMHG基金项目:山东省自然科学基金资助项目(2004ZX21)作者简介;徐攀(1984-),男,硕士研究生.E-mail:xpan5l@126.com1山东理工大学学报(自然科学版)2009年烧炉炉体数据采集系统三部分集系统1.1电路控制部分集系统主要由电子秤、红外线气体分析电路控制部分是指在电控箱里控制炭粉的点仪、温度监控组件和计算机组成电子秤的最大量程燃尾气加热的温度,电子秤、红外线气体分析仪、温为60kg分度值0.002kg尾气分析采用的是武汉度检测设备以及数据采集系统的电源供给等四方光电科技有限公司生产的 Gasboard3000气体1.2阴燃炉炉体部分分析仪.温度监测选用中泰力控监控组态软件,可以炉体部分是炭粉阴燃实验装置的主体,由阴燃对测试的温度实时监测能对数据进行管理统计和燃烧炉、点火装置、热电偶组和烟罩等组成查询计算机中的数据采集程序实现数据的同步定1)阴燃燃烧炉时采集阴燃燃烧炉是用直径为316mm、深度为280mm的陶瓷保温桶放在内径为390mm、高为2材料与方法350mm的不锈钢圆桶中,四周和底端的中空部分用矿渣棉填充而成.2.1实验材料2)点火装置山东理工大学清洁能源中心玉米秸秆粉热参考文献[6],经过多次预实验后最终确定点燃裂解后的残炭为物料.本实验所用的热解炭是在热炭粉温度为500℃.自制的不锈钢电热管点火装置解温度为475C下得到的热解后的炭粉温度很高是用管径为10mm的电热管在一水平面上盘绕4圈若直接置于空气中会发生阴燃,所以先把炭粉放入而成,外径为360m,管间距为40m,测试得到点密封瓶中,等温度降下来再装进编织袋实验选用的炭粉粒径范围是80~100目之间.分别用WZR1T火装置的功率为2.4kW.热值仪和马弗炉测定热解炭的热值和含碳量,经测3)热电偶组采用4枝不同长度的直径为1mm的铠装K型定,实验所选用热解炭的平均高位热值是20267.173kJ/kg,含碳量为60.83%,详见表热电偶.最短的热电偶长为140mm,依次递增表1热解炭含碳量50mm.用合适的聚四氟模压管切割成片然后钻孔固定好热电偶即可得到热电偶组热解炭灰分质量碳的质量含碳量平均值质量/g/g4)烟罩自制的烟罩边缘是用铁皮做成的直径为1.1070.4290.67861.20mm,高为100mm的圆桶;距离圆桶上边缘0.601200mm处是直径为90mm的烟囱连接部分,直接与1.0760.65560.8实验室现有的烟囱相连;用铁皮把圆桶部分和烟囱的连接部分焊接起来即是一个下底为500mm,上2.2实验方法底为90mm,高为200mm的圆台实验过程按以下步骤进行:(1)将热解炭干燥后密封冷却至室温;(2)实验烟气加热尾气过滤筷置数据采来前检查仪器,一切正常后,对数据采集系统作必要的气体分析仪设置;(3)向反应器中加入准备好的炭粉,待快加满时,前后、左右晃动反应器各5次,最后添加适量的配电箱炭粉整平,炭粉同反应器口持平即可.然后给电热管热电满唱通电,约2min后,等表层炭粉完全点燃,移走电热管再把热电偶组从支撑杆上降到事先作好的标记处,固定热电偶组;(4)把烟罩用螺栓固定好,安装时不能碰上热电偶组,以免炭粉脱离热电偶而影响测试中国煤化工田1阴燃装置示意图CNMHG3结呆与刊比第4期徐攀,等:热解炭阴燃特性的实验研究133.1温度表2各温度测点峰值实验开始,阴燃燃烧炉内表层的炭粉由于空气测点峰值/℃距开始时间/min持续时间/min充足燃烧剧烈而呈红色.炭粉阴燃能自维持向下发T1645.910展,表层的炭粉也变成了白色的粉灰.插入炭粉中不同深度的热电偶的温度变化曲线如图2所示.第1根热电偶(T1)测定表层炭粉的温度,供氧量充足527.3阴燃燃烧最快最充分释放的热量最多同时散热也14474.64670100最快当阴燃前锋不断向下发展后,粉灰体积缩小热电偶脱离粉灰的包围使其所测温度为尾气的温征.图3是炭粉阴燃尾气中CO2和CO的万分比变度.4根热电偶测点处炭粉温度都经历了大致相同化曲线由图3中可以清楚地看到,实验初期CO2的的3个过程:加热过程、阴燃燃烧过程和保温过程.含量很高而CO的含量更高,达0.85%之多.这是加热过程是指在阴燃前锋到达之前由上层的炭粉阴因为表层的炭粉在充足的氧气供给下剧烈燃烧,产燃所释放的热量通过热传导对其进行加热的过程.生大量的烟气,所以CO2和CO含量都很高.随着阴测点处炭粉在相应的温度曲线上峰值出现的时刻开燃前锋的不断下移,尾气中的CO2和CO含量逐渐始燃烧,即阴燃前锋发展到了测点处.保温过程是指降低.从图中可以看出当实验进行到12h后,曲线开炭粉阴燃后释放的热量与上层粉灰、壁面和下层炭始趋于平缓了.这是因为炭粉燃烧后粉灰的增厚渗粉阴燃交换热量,最后达到热平衡的这样一个动态透进来的空气会变得越来越少,炭粉阴燃速率放慢,平衡过程产生的烟气也就减少了Tl→TT-T4Co·C019x017131925313743495616773789197103109913172125293337414549图2温度变化曲线图3CO2和CO含量变化阴燃燃烧过程在温度变化曲线上可以通过峰值在阴燃初期氧气充足的情况下依然有大量的得到很好的体现其中温度峰值持续时间是指测点CO产生,这是因为炭粉阴燃较明火燃烧温度低,热在出现最大值Tm时,取在Tmx±0.1℃这一区间内解炭并没有被完全氧化为CO2.正如文献[]提是到所持续的时间.第1根至第4根热电偶的峰值依次的一样:阴燃产生CO的浓度是明火燃烧时的20多降低峰值持续时间越来越长.最上面的温度测点峰倍.同时,在阴燃发生的前1lh内,气体产物中值达645.9℃,峰值维持时间10min,随着阴燃前锋C(CO):C(CO2)>1,而玉米秸秆等生物质阴燃的下移,各温度测点峰值逐渐下降,峰值持续时间增气体产物C(CO):C(CO2)一般在0.3左右口,这长,最下边温度测点峰值为474.6℃,峰值维持时间是热解炭阴燃的显著特征达100min.这是因为随着阴燃前锋向下发展,由于3.3重量粉灰的阻碍渗透到下层炭粉的氧气越来越少,燃烧用电子秤记录阴燃燃烧炉中炭粉质量变化情况逐渐变慢,也不充分,释放的热量越来越少,导致峰可得到炭粉的失重变化,计算可得阴燃速率的大小值依次降低;但随着上层粉灰的不断增多,热量不易及变化规律所记录的阴燃炉中未阴燃的热解炭和散失,同时阴燃燃烧减缓而时间增长,这样下层的炭阴燃后粉灰的质量之和的变化情况如图4所示粉峰值持续的时间就更长.各温度测点峰值见表2.在阴燃前期,阴燃相对剧烈,失重速率达3.2尾气16V凵中国煤化工当明显由第1小实验开始,随着阴燃炉中的炭粉发生剧烈的燃时的CNMHGOg/h随着阴燃向烧产生大量的CO2和CO,尤其是烟气中的CO含量下发展燃烧速率逐渐稳定热解炭阴燃的燃烧速率很高,甚至比CO2含量还高,这是阴燃的一个显著特同图3的尾气含量变化是一致的值得注意的是在山东理工大学学报(自然科学版)2009年阴燃发生的第15h,速率突变为40g/h,这是因为阴C(CO2)>1,即在阴燃前期,尾气中CO浓度比CO2燃炉中的热解炭中心位置燃烧更快,在第15h时发浓度高是热解炭阴燃的一个特征生了塌陷,导致周边的热解炭直接与空气接触,阴燃3)热解炭阴燃燃烧速度自阴燃发生开始逐渐减加剧.这从实验结束后阴燃炉中的粉灰呈中心凹陷慢,阴燃速度由最初的160g/h发展到中期的的形状可推断出来10g/h.后期的燃烧速度最慢且趋于平缓质量变化平缓热解炭阴燃燃烧速度与温度和气体的变化是2000N参考文献:[1] Ohlemiller T J. Modeling of smoldering combustion propagation[]. Progress in Energy and Combustion Science, 1985, 11: 277-1591317212529333741454953576165697377[2]窦莎莎秸秆自然对流正相阴燃规律的研究[D]淄博:山东理工大学,200田4质量变化曲线[3]解茂昭,孙文策.纤维质颗粒床阴燃特性的数值模拟[门大连理[4]孙文策解茂昭徐敏纤维质颗粒燃料阴燃阴燃过程的研究结论[冂]大连理工大学学报,1998,38(2):218-322[5]孙文策,解茂昭张明阁,等,水平燃料床阴燃的传播及其向明火在自行设计的阴燃炉中,选取粒径在80~100转化的实验研究[].火灾科学,1995,4(3):23-29[6石英解茂昭碳粒填充床逆向阴燃传播渐近分析解[燃料之间的玉米秸秆粉热解炭进行实验实验发现:干科学与技术,1998,4(3):247-252燥后的热解炭很易点燃且阴燃能良好地自维持.分[7] Rostami A, Murthy B J, lozinski d. An elementary discussion析实验中对阴燃温度、尾气成份和燃烧速率所作记of forward smoldering[J]. Combust Flame. 1996,104(3):300-录,可得到以下结论310.1)阴燃炉中在用电热管点燃的炭层以下的热解[8] Torero J L. Forward smolder of polyurethane foam in a forced airflow[J]. Combustion and Flame. 1996.(106):89-109炭都经历了加热、阴燃燃烧和保温3个过程.从上到[9] Melissa K. Anderson R T. Sleighe J L. Ignition signatures of a下各个测点峰值依次降低,峰值持续时间越来越长downward smolder reaction[J]. Experimental Thermal and Flu-主要是因为随着灰烬不断增厚,渗透到下层炭粉的d science,2000,(2):33-40氧气越来越少,燃烧变慢[1o] Fatehi M, Kaviany M. Adiabatic Reverse Combustion in a2)热解炭阴燃尾气中CO的含量高达到Packed Bed. Combustion and flame. 1994,(99):1-17.0.85%而在此时CO2的含量最高仅为0.6%.随1邵占杰林其钊聚氨酯泡沫材料阴燃特性的实验研究U消防理论研究,2003,5(22):363-365着阴燃的不断发展,尾气中的气体浓度逐渐减小,因此尾气中气体浓度可以直接反映出阴燃的剧烈程(编辑:郝秀清)度.在阴燃发生的前11h内气体产物中C(CO):中国煤化工CNMHG