蔗糠热解与燃烧特性研究

瘀能工程《工业加热》2001年第5期文章端号:1002-1639(2001)05-0007蔗糠热解与燃娆特性研究王健敏1,马哓莤2,孙振刚2(1.广州仲恺农业技术学院,广东广州510225;2.广州华南理工大学,广东广州510640)摘要:对蔗糠进行了工业分析实验和热解实验,总结出了其热解反应动力学规律对钝体、开缝钝体燃烧器后蔗挥发分着火性能进行了分析。在扩散控制、动力控制条件下,分别对蔗糠捍发分燃烬时间进行了计算。得出了蔗悬浮燃烧宜采用开缝钝体燃烧器的结论关键词:蔗糠;热解;燃烧中图分类号:TK16文献标识码:AStudy on the Characteristics of Pyrolysis and Combustion for Sugarcane ChaffWANG Jian-min', MA Xiao-qian', SUN Zhen-gang(1. Guangzhou Zhongkai Agrotechnical College, Guangzhou 510225, Chinathina University of Technology, Guangzhou 510640. China)Abstract: The proximate analysis and pyrolysis experiments are done for sugarcane chaff, its pyrolysis kinetics model isderived. The ignition and combustion characteristics of sugarcane chaffs volatile behind bluff-body and slitting bluff-bodyburner are analyzed. Based on the diffusion- control model and reaction kinetics- control model, the burning- out time ofvolatile is calculated respectively. The conclusion shows that slitting bluff-body burner is suitable for sugarcane chaffssuspended combustioKey words sugarcane chaff. pyrolysis; combustion1前言3热解特性蔗渣在被磨碎时产生一种质轻、粒小、类似木粉的物质蔗糠若呈粉末状的蔗糠被裸露堆放极31热解实验易形成飞尘,遺成污染。蔗糠具有较好的着火性能和取适量样品放入坩埚中,在100~600C的恒定燃烬性,燃烬后灰渣易处理污染小。因此,对它进行温度下热解,对应于每一温度,实验时间定为40焚烧处理具有回收热能和保护环境的双重功效由mn,每隔5min测量一次失重情况。测得蔗糠失重于其密度较小,便于气力输送,故可采用悬浮燃烧方曲线如图1式。以下将对蔗糠的燃料特性、热解特性和燃烧特性◆100℃进行系统研究200℃寺性2燃料特开榨时蔗糠水分含量较高;而堆放一段时间后,400℃水分会有所减少。蔗糠元素分析[和本文实验所得的工业分析如表1。500℃表1蔗掉的成分分析(%)51015202530354时间lmin元素分析工业分析图」蔗糠热解失重曲线Ca Hu O Nu Su Aar MM, V. And FCu24.73123.00.10.01.148.010.881.41.76.13.2热解反应动力学规律由质量作用定律可写出失重速率方程da/dr= ALex(-E/RT)](1-a)"收稿日期:2001-04-12;修订日期:2001-0716式中:a为失重百分率,%;为反应时间,s;A为频者简介,于健鬟(196),女,讲师,广州市人,研究方向为热率因子,1/;E为活化能,J/mol;R为气体常数能动力T程8.3143J/mol;T为炉膛环境温度,K;n为反应级《工业加姑》2001年第5数,根据经验取n=1,对式(1)两边取对数,令:y=回流区与主流的交换面积S=2lh;回流区体积V=In[(da/dr)/(1-a)], m=InA, n=-E/R,z=l/r,261h则热质交换满足 Spalding5:给出的近似关系:y=m+n/a,=(CD/4)P cpvo(26/L)蔗糠的于燥、热解动力学拟合曲线如图2所示,gI=(C /4) pvo(2b/L)由直线的斜率可求出干燥、热解反应的活化能E=式中:a为主气流与回流区的热交换系数;1为相23034.328J/mol;由截距可求出反应频率因子A应质量交换系数;P为气流密度;cP为气流比热容;为一次风初速度;Cp为钝体阻力系数蔗糠在回流区中的停留时间解得按经验取:Cp≈1,L/2b≈5。于是,对于b=50mm的钝体,可由式(9)算出x-v关系为r=l/wc开缝钝体燃烧器的设计思想是:由中缝向钝体后高温回流区送人一股蔗糠,中缝蔗糠流首先着火0003再由它点燃主流。中缝流服从平面射流衰减规律,衰I/T K图2蔗糠的干燥、热解动力学曲线图减系数由实验给出同理,对干燥蔗糠,在500C以上进行高温热解v=C(b,/)(10)实验,可得到可燃气热解动力学方程)cxp(-69540.67/式中:C为衰减系数;b为中缝宽;v为距出口x远的速度。式中:v为析出的挥发分量;z为r→c时挥发分析(11)出率联立式(10)、式(11),积分得4着火特性4.1可燃气着火下限由经验知,在相同条件下,r>r,说明蔗糠在设∫为可燃气在空气中的体积燃空比;f开缝钝体回流区中的停留时间较长。可燃气与空气达到化学当量比时的体积燃空比。衡(2)蔗糠在回流区中挥发析出规律量燃烧能否持续、稳定的特征参数为蔗糠在回流区中挥发分析出量按式(3)计算。对φ=f(4)式(3)分离变盘积分可得研究表明{3:随着温度T升高,着火下限φv/v=1-exp[-1202.3lexp(-69540.67/将降低,。T关系式如下RT)r]φin=0.5[1-0.00085(T-298]v/v是挥发分析出量占总挥发分量的比率。假挥发分能否着火的判断方法是:由式(4)计算得定回流区内温度7=1300K和7=1200K,按式φ,当φ<φ时,不能着火;当φ≥φn时,能够着(13)可算得蔗糠粉粒在钝体回流区中挥发分的析出火率,见图3。42燃烧器后着火判别(3)挥发分着火与燃烧的预测(1)蔗糠在回流区中停留时间挥发析出规律先计算蔗糠燃烧所需的理论空气量,得:I=蔗糠与煤粉相比水分含量较高,属于劣质燃料,2.909kg/kg。假设过量空气系数为12,则1kg蔗故建议采用具有回流区结构和稳燃功能的钝体或开糠粉粒燃烧所需的风量为:A=3.491kg。取一次风缝钝体燃烧器。回流区的基本尺寸为:回流区高度率为40%。为h,即钝体的高度;回流区长度L;钝体半宽度b;挥发分中含有H2、CO、CH4、C2H等成分,其比能工程工业加热》2001年第5期0.2率可按文献[6选取。计算得1300K温度下各可燃l.T=1300K气成分的φ值见表2。由于CO是最难反应的气体,通常按CO的着火来判别。即:将CO的φ值与由式(5)计算所得的1300K下的φm=0.0742比较,判别挥发分能否着火。0055挥发分燃烧5.1扩散控制型在钝体后的一小段区域内,挥发分析出后,有可能在颗粒表面形成一层薄膜,挥发分与氧气的混合图3钝体回流区中挥发析出率与v和T的关系曲线主要靠分子扩散来进行表2φ值的计算钝体更钝体中钝体φ开缝钝体φ开缝钝体φ化学反应方程式种类(重量比)v=25m/svo=15m/sv=10m/sv=25m/st=15m/sCH4CH4+202→C02+2H2O5.8007860.12790.1858C2H4CH4+3022CO2+2H2O0.04820.070l0.08242H2+O2→2H2O0.01590.02700.04190.04070.06610.09610.1124回流区中挥发分着火判别不能不能能按Feld的单膜模型:蔗糠颗粒直径不变,氧对式(18)两边积分得气到达挥发分表面立即反应。颗粒重量2](19)(14)由于挥发分的平均分子量不详,假定M为10式中:d。为颗粒直径,cm;P为蔗糠颗粒初始密度,50,100,150,对T=1300K,F=0.1,p=0.18gcm3,分别对小粒径(d=0~500m)和大粒径(d设M为挥发分平均分子量;T为温度。由析出500~5000m)蔗糠进行分析,可由式(19)计算得挥发分的体积可求得初始外径rap的关系曲线,见图4、图5。也可得当M=100d=(2V+d})3=dl(92.1VpT+1)1/3(15)时z-T的关系曲线,见图6、图71克氧气可燃掉的挥发分体积为M,dr(16)式中:dr为膜半径微分;qo,为O2的扩散速度,表达式为F式中:F为气流O2中的的质量份额;T。为参考温度,K;P为T。下的气体密度g/cm3;D。为T下的扩散率,cm2/s文献7]给出:T=1800K,P0=1.96×10'g图4扩散控制下挥发分燃烧时间与小粒径的关系曲线cm3,D=4.26cm2/s,于是可得从图中可得出:对于小粒径蔗糠(<500#m),M,1800(18)挥发分的反应时间均小于蔗糠颗粒在回流区中0. 59TF. T热能工程《工业加热》2001年第5期CO的氧化。如果能计算出CO燃烧所需的时间,就可以预测到挥发分反应所需的时间尺度。当蔗糠与煤粉混烧时,炉温约1200~1800K,CO与O2的反应式为°/2f3(式中:fco,/o,/Ho分别表示CO、O2和水蒸汽的摩尔份额;P为气体总压;R和R为不同单位制下的气体常数[R=82.06atm·cm3/(mol·K);R=d×10°um1.986cal/(mol·K)]图5扩散控制下挥发分燃烧时间与大粒径的关系曲线仿照文献[47,8]写出质量守恒关系式C4wH4O2gN.o→0.581C+0.007N2+1. dp"100um0.601H2+0.890CO+0.967CO2+C1o6H48(21)2.dp=300m3.d500u式中:左边为100g可燃基蔗糠;右边第一项为固定碳;右边倒数第一项为碳氢化合物,计算得:当r=0时:/=0.168,f02=0.084,f=0.184当r=r时:fo=0,f,=0,fHo=0.184。设T=1300K,P=1.013×105Pa,按式(20)算1d[Co]/×103Kdr=1.863×10-mol/(cm3·s)图6扩散控制下挥发分燃烧时间与温度的关系曲线在户=1.013×105Pa时,CO初始浓度为(M=100,小粒径)RT=1.570×10-mol/rd=1000μm3d=5000umd co1=0.86 ms显然,动力控制条件下,燃烬时间rt<停留时间6结论(1)由成分分析实验可知,蔗槨水分、挥发分含图7扩散控制下挥发分燃烧时间与温度的关系曲线量较高,固定碳、灰分含量较少。因此,蔗糠的热解和=100,大粒径)挥发分的着火、燃烧,对蔗糠的整个燃烧过程起关键的停留时间r,当v=15m/s时,r=66.7ms,因此,作用。挥发分有足够的时间在回流区中燃烬;但对于大粒(2)由不同温度下蔗糠的失重曲线,可导出蔗糠径蔗糠(>500μm),r大于τ,挥发分没有足够的时干燥\热解反应动力学规律,作为蔗糠挥发分着火间在回流区中燃烬。燃烧的计算依据。52动力控制型3)由于蔗糠与煤粉相比较,属于劣质燃料,故在钝体后回流区内经过一段区域后,由于高湍建议采用钝体类稳燃技术。计算表明,在较大风速流强度,挥发分有可能与氧气充分接触,这时挥发分下,钝体回流区内挥发分不能及时着火,而开缝钝体的氧化反应速度就起决定作用。实验早就证明,在碳回流区内挥发分能及时着火,因此,宜采用开缝钝体氢化合物的高温燃烧中,对速度起控制作用的是燃烧器。热能工程工业加热》2001年第5期(1)在动力控制条件下,蔗槨挥发分在回流区中Lower Flammability Limits of Gases and Mixtures of的燃烧时间很短;而在扩散控制条件下,小颗粒蔗糠Gases at Elevated Temperatures [J]. Comb, and挥发分可在回流区内燃烬,大颗粒蔗糠挥发分不能Flame,1988,71:283-294在回流区内燃烬。因此,为保证完全燃烧须提前着[4」马晓茜.开缝钝体燃烧器的工业应用及回流区分级着火,也宜采用开缝钝体燃烧器。火机理研究[D]武汉:华中理工大学,1995.[5] SPALDING D B.常弘哲译.燃烧与传质[MJ北京:国防工业出版社参考文献[6]吴家正,闻望,王宝生,等.城市生活垃圾原料对干馏[1李平,徐浩泉,龙敏贤,等.蔗糠/煤粉混烧系统的设及气化过程的影响[冂]同济大学学报,1989,17(1)计及冷态实验[]新能源,200,2(3):1618.113-121[2] GLASSMAN 1. Combustion [M]. Academic Press[7] FIELDM A著章明川译煤粉燃烧[M]北京:水利Inc,,1977.电力出版社,t98[3] HUSTAD J E. SONJU O K. Experimental Studies of(上接第6页组成部分,对蕃热技术的燃烧机理已作了定性分析虑反应物的分裂,导致计算值和实测的温度有200但蓄热燃烧的燃烧区域还待进一步确定,vs/vsC的偏差,见图1,即使能给出精确的边界条件也无(空/燃速度比)对NOx生成有很大的影响,vsr/verl法消除这个误差越大,NOx就越大,数值模拟在蓄热燃烧的机理研究中得到了大量的运用。传统的炉子设计使用零维模型,只能估计出炉内的平均传热、炉子效率与其它整体平均性质。蓄热燃烧技术和传统的燃烧机理不◆实验值同,在炉子改造前知道炉内的炉气流动、热流及其它亠PDF值量的空间分布对炉子设计而言是非常必要的,这样离喷口距离m就迫切需要建立在二、三维模型基础上进行数值模图4实验、EBU和PDF结果比较拟计算,而只有弄清了蓄热燃烧的机理,才能实现有效的数值模拟,这就是进行蓄热燃烧机理研究的意义,适用于蓄热燃烧新技术的炉子新设计方法将成为工业炉发展的方向参考文献3[1]周怀春高温空气燃烧技术—21世纪关键技术之Du/Fuel[J].工业炉,1998(1):19-27.图5vm/hm对NO、生成的影响[2]萧泽强蒋绍坚,周孑民,等.高温低氧空气燃烧过程实(2)空气流速低时,NOx对燃料喷射角度更为验研究和数值计算[A]. HSIAO TSECHIANG敏感,空气速度一定时,燃料速度增加,NOx减少,YOSHIKAWA KUNIO, EDS. High Temperature Air原因是高速的燃料在燃烧的初始阶段,影响了混合,Combustion[C]. Beijing, 116-129.这样可以使得温度更为均匀和产生更低的NO,见[31蒋绍坚彭好义,汪洋洋,离温低氧空气燃烧火始观察图2。(3)改造或设计蓄热炉前进行数值计算是非常实验研究[J].冶金能源,2000,(3):14-18必要的.文献[4]认为在把蓄热技术应用于实际炉子[4] T ISHII et al, Numerical Simulations of Highly Pre-heated Air Combustion in an Industrial Furnace [A]的改造之前,应该通过数值模拟来确定温度的分布Transactions of the ASME[C]. 1998. 120: 276-284这样可以避免耐材和炉体设备由于设计的不当,而5] MASAO UEDE et a. Computational simulation of re-受到高温的伤害,但用于设计的数值模拟方法还需generative burner system and its application to进一步完善walking beam furnace for rolling mill[J].工业加热4结论(日),1999,36(2):35-41高温低氧是高温空气燃烧技术缺一不可的两个