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1、 生物质燃烧特性分析 实验报告 华中科技大学煤燃烧国家重点实验室 年 月 目录 1. 前言 1 2. 主要试验内容与试验方法 1 3. 试验结果与分析 3 3.1 生物质样品工业分析 3 3.2 生物质样品元素分析 4 3.3 生物质样品堆密度 4 3.4 生物质灰成分分析 4 3.5 生物质样品灰熔融特性 5 3.6 生物质样品燃烧特性分析 6 3.7 生物质样品着火、燃尽特性评价 6 3.8 生物质样品的结渣特性评价 7 附录Ⅰ 生物质灰熔点分析 9 附录Ⅱ 生物质燃烧特性分析 14 1.
2、前言 为满足 秸秆生物质发电厂的设计需求，华中科技大学煤燃烧国家重点实验室受 项目的委托，对收集的稻杆和油菜杆、棉秆3种生物质样品以及它们的混合样品的物化特性与燃烧特性进行测试分析，进而以生物质的燃烧试验为基础，辅以各单项的常规与非常规数据和指标，对生物质的着火、稳燃、燃烬、结渣、沾污等动力用燃料的主要特性进行评价。其工艺思路如下： 生物质 燃烧试验 制样 燃烬特性 物性分析 着火特性 结渣、粘污 污染物排放 2. 主要试验内容与试验方法 (1) 制样 根据仪器分析的需要对来样进行加工制备，采用切片机和粉碎机把生物质样品粉碎成1mm左右的粉末为分析所用，并根据安
3、陆当地生物质样品的分布情况，进行混合样的制备，均匀混合、研磨，以供后续仪器分析。 (2) 堆积密度 堆密度分为松散堆积密度和振实堆积密度。松散堆积密度是指自然堆积状态的未经振实的颗粒物料的总质量除以堆积物料的总体积求得，而振实堆积密度为包括颗粒内外孔及颗粒间空隙的经振实的颗粒堆积体的平均密度。 生物质的堆密度是在具有一定容积的容器中装满生物质样品，然后称出样品的质量，再换算成单位体积的质量（kg/m3）。 (3) 生物质样的工业分析 鉴于生物质样品的物化特性与煤有很大的差别，不能直接采用煤的工业分析的标准方法进行分析测量。我们根据在生物质研究方面积累的丰富经验，摸索出针对生物质特点的
4、工业分析方法。在本研究中利用本实验室的工业分析仪（西班牙 Las Navas 公司，型号：SDTGA-2000），根据热失重原理在不同温度及气氛环境下对生物质样品中所含的水分、挥发分、固定碳与无机矿物质的量进行准确分析。 (4) 生物质样的元素分析 采用本实验室的元素分析仪（德国Vario公司，型号：EL-2）确定生物质样品内的主要元素(C, H, O, N, S)的含量。元素分析仪采用燃烧法自动测定固体或液体有机物中的碳、氢、氮、硫、氧，精确度达到0.1%。 (5) 生物质样的发热量分析 生物质作为能源燃料，低位发热量是其作为能源的主要品质保证。采用本实验室的自动量热仪（美国Parr
5、 公司，型号：Parr 6300）对生物质的氧弹发热量进行测定。 其主要测量原理是采用封闭体系，假定热量不损失的情况下，放出的热量等于吸收的热量，通过测量体系水的温度变化，得到样品发热量。最后，根据生物质的工业分析与元素分析进一步确定生物质样品的低位发热量。 (6) 生物质的灰成分分析 生物质灰中含有丰富的无机矿物质成分，如：硅酸盐，碳酸盐、硫酸盐与磷酸盐等，灰的组成对生物质的热解特性有着重要的影响，且硅酸盐、碱金属及碱土金属的存在易引起管路系统的结渣、堵塞。为了安全、高效运行，需对生物质灰的主要矿物质及微量元素的组成进行全面的分析。首先制备足够的生物质灰样，接着采用本实验室的微波化学反应
6、系统对生物质灰进行完全消解，并采用等离子体发射光谱仪(美国热电佳尔—阿许公司，型号：TraceScan AdvantageTM)与X射线荧光光谱仪(XRF， 美国伊达克公司，型号：Eagle Ⅲ)对生物质灰的主要矿物质成份(二氧化硅、氧化钙、氧化镁、氧化钠、氧化钾、三氧化二铝、三氧化二铁、五氧化二磷、二氧化钛及三氧化硫等氧化物)以及微量元素（氯、氟、镉、砷、硒、铬、铜、铅、汞、钼、硼、锌、镍等）进行量化分析。 (7) 结渣性能评价 生物质灰中硅、碱金属和碱土金属的含量较高，生物质灰的熔点相对煤灰来说较低，高温燃烧系统易于出现结渣，影响系统的正常运行。因此，预先了解生物质的灰的熔融特性对运行
7、控制进行正确的调控和指导有着重要的意义。 结渣性能评价是生物质特性中较复杂的一部分，在这里，我们采用以生物质灰熔融的三个特征温度DT、ST和FT判别生物质是否有严重结渣趋向。 根据灰成分测试结果，结合三个特征温度，进行综合评价，得出最终结渣性能判别结论。本项目中采用本实验室的英国CARBOLITE公司生产的CAF digital imaging 灰熔点分析仪对生物质灰的熔融特性(变形温度、熔融温度、流动温度)进行分析。仪器最高分析温度可达1500℃。 (8) 生物质燃烧性能分析 用热天平实验测出生物质的燃烧特性参数，如着火特征温度Ti、燃烧最大失重率 (dw/dt)max及其对应的温度
8、Tmax和可燃性指数Cb=(dw/dt)max/Ti2等。 3. 试验结果与分析 3.1 生物质样品工业分析 采用SDTGA-2000工业分析仪对生物质样品进行分析。具体分析方法如下：生物质样品加热至105℃，保持恒温至没有任何失重为止，所失重量即为生物质水分；生物质样品从室温缓慢加热（10℃/min）至900℃，保温30分钟，所失重份额（不包括水分）即可认为是生物质的挥发分；经过干燥的（105℃）生物质样品在空气中以10℃/min升温至550℃，并保温燃烧至恒重，然后以10℃/min降回室温，所剩余的量即为生物质的干燥基灰分，而固定碳就是生物质去水分，挥发分和灰分所剩余的份额，生物质的
9、工业分析结果如表1所示。采用AC-350型发热量测定仪对生物质的氧弹发热量进行分析，其主要测定原理是采用封闭体系，假定热量不损失的情况下，放出的热量等于吸收的热量，通过测量体系水的温度变化，得到样品的发热量；最后，根据生物质的工业分析与元素分析进一步确定生物质样品收到基的低位发热量Qar,net,p，见表1。 从表中可以看出生物质样品含有较高的挥发分，而固定碳量较低，因此导致其低位发热量相对较低(~12MJ/kg)。比较黄色秸秆和灰色枝条可发现后者包含的棉秆和枝条的含水量较高，从而发热量相对较低。 表1 生物质的工业分析（% ，收到基） 名称 Mar Var Aar FCar
10、 Qar,net,p MJ/kg 油菜杆 11.19 65.61 7.468 15.732 13.339 棉秆 20.7 42.08 2.626 34.594 11.629 稻杆 11.5 60.58 12.52 15.4 11.346 混合样 12.67 3.2 生物质样品元素分析 根据国标GB476，对生物质样品采用EL-2型CHNS元素分析仪进行分析，结果如表2所示，其中O 含量由差减计算得到。 表2 生物质的元素分析（%，收到基） 名称 C H O N S 棉秆 39.691 3.094 32.735
11、 1.027 0.127 稻杆 37.22 2.748 35.027 0.905 0.08 油菜杆 41.683 2.212 36.387 0.926 0.134 3.3 生物质样品堆密度 表3 生物质堆密度分析（kg/m3) 样品名称 油菜杆 棉秆 稻秆 堆密度 19.7 116.5 39.2 因生物质样品相对较少，堆密度为估测值，仅供参考。 3.4 生物质灰成分分析 根据国标GB/T1574，对生物质灰成分采用EAGLEⅢ型X射线原子荧光光谱仪进行分析，灰中主要无机矿物质为：K2O，Na2O，CaO，Cl, SiO2, Fe2O3,
12、 P2O5, MgO, Al2O3, ZnO, SO3, Cr2O3, NiO, TiO2等，结果如表4所示，其中空白处表示含量较低而无法检测到。从表中可以看出油菜杆和稻杆含有较高的K2O和SiO2，同时含有一定量的Cl和S，而稻杆和棉杆含有较高的CaO、MgO和一定量的P2O5。 表4 生物质灰成分分析（wt.%） 名称 棉秆 稻秆 油菜杆 K2O 18.87 14.37 33.11 Na2O 5.3 0.97 3.03 CaO 23.27 6.1 22.44 Cl 2.96 6.18 0.89 SiO2 10.6
13、3 68.47 3.99 Fe2O3 2.17 0.3 0.55 P2O5 11.3 1.88 3.93 MgO 12.03 3.25 4.38 Al2O3 4.03 0.77 2.37 ZnO 0.08 0.04 0.07 SO3 12.11 2.93 26.01 Cr2O3 0.41 0.05 0.18 NiO 0.17 0.08 TiO2 0.48 0.96 3.5 生物质样品灰熔融特性 根据国标GB/T219, 生物质灰熔点采用CAF型灰熔点测定仪，采用角
14、锥法测定，炉内介质为弱还原性，测定灰的变形温度DT，软化温度ST，流动温度FT，结果如表5所示，具体特征图片见附录Ⅰ。 表5 生物质灰熔融性 （℃） 样品名称 棉秆 稻秆 油菜杆 混合生物质 DT 930 848 920 874 ST 1210 956 1180 1104 FT 1450 1241 1430 1278 油菜杆和棉秆的灰熔点较高。 3.6 生物质样品燃烧特性分析 燃烧采用热重分析条件，具体方法如下： 升温速率：20℃/min; 工作温度从室温到900℃； 工作气氛是压缩空气，气体流量100ml/min; 生物质样品质量约为
15、20mg. 燃烧特性曲线（TG，DTG曲线）见附录Ⅱ，图6-10，从燃烧曲线上可得到如下特性参数：着火特征温度Ti、燃烧最大失重率及其所对应的温度。可燃性指数，它主要反映生物质样燃烧前期的反应能力。该值越大，可燃性越好。 表6 生物质的燃烧特性参数 样品名称 Ti (℃) （%/℃） (℃) ×105 油菜杆 253 1.86 283 58.1 棉秆 255 0.95 306 29.2 稻秆 248 0.99 287 32.2 混合 254 1.06 293 32.9 从结果来看：生物质的着火特征温度很低，都在250℃左右，较易于燃烧。
16、从可燃指数看4种生物质样品的可燃指数都很高，比较而言油菜秆可燃性最好，棉秆稍差。 3.7 生物质样品着火、燃尽特性评价 从生物质的热天平燃烧实验中，可以看出生物质样的着火特征温度、生物质在燃烧过程的水分蒸发，挥发分析出、燃烧及燃尽各个阶段中的质量变化及相应的变化速度，根据这些特性和常规分析结果，可以判别出生物质样品的着火稳燃、燃尽、结渣以及粘污等特性。 因生物质样品含有较高的挥发分(>40% ar.)，相对于易燃的褐煤而言，较易于燃烧，稳燃性也属于极易稳定区。 评价煤燃尽特性的方法也很多，而对于生物质而言还没有明确标准，本试验选取具有代表性的傅张指数FZ。 根据工业分析结果，把灰分和
17、外部水分看成是不利于生物质着火和燃尽的因素，采用无因次准则——傅张指数FZ判别燃尽特性：
FZ值其判别标准如下表：
表7 傅张指数FZ判别标准
傅张指数Fz
Fz≤0.5
0.5
18、度ST和综合指数Rz来判别，Rz的计算公式如下： Rz = 1.24×B/A+0.28×SiO2/Al2O3-0.0023×ST-0.019×Sp+5.4 其中： B/A = (CaO+MgO+Na2O+K2O)/(SiO2+Al2O3+TiO2) Sp = 100×SiO2/(SiO2+Fe2O3+CaO+MgO) 与煤粉燃烧相似，生物质燃烧过程中更易引起结渣，此处参照煤燃烧过程中结渣特性的评判对生物质样品的结渣特性进行分析。生物质样品的软化温度及综合指数和判别标准如下： 表 9 煤结渣倾向判别标准 软化温度ST 综合指数Rz 结论 >1390 <1.5 轻微 12
19、60~1390 1.5~2.0 中等 <1260 >2.5 容易结渣 表10 生物质样品结渣特性 样品名称 软化温度ST 综合指数Rz 结渣倾向 油菜杆 1004 9.6 容易结渣 棉秆 1212 6.62 容易结渣 稻秆 1004 18.39 容易结渣 混合 1104 11.28 容易结渣 附录Ⅰ SKLCC 报告编号： 试 验 报 告 生物质灰熔点分析 华中科技大学 煤燃烧国家重点实验室 年 月 日 注 意 事 项 1. 试验结果仅对来样负责 2. 试验
20、报告无实验人、审核人、和批准人的签名无效 3. 试验报告无“煤燃烧国家重点实验室”公章无效 4. 试验报告结果涂改无效 5. 对试验报告结果有疑（异）议者，应于收到报告之日起十五日内向试验单位提出，逾期不予受理。 试验单位：煤燃烧国家重点实验室 地址：武汉市珞喻路1037号（华中科技大学） 邮编：430074 xx：027-87542417 传真：027-87545526 煤燃烧国家重点实验室试验报告单 报告编号 委托单位 试样名称 生物质 试样来源 委托方 试验项目 油菜杆灰熔点特性图 试验标准 完成日期 委
21、托日期 试验结果 图1 油菜杆灰熔点特性图 试验人 审核人 批准人 煤燃烧国家重点实验室试验报告单 报告编号 委托单位 试样名称 生物质 试样来源 委托方 试验项目 棉秆灰熔点特性图 试验标准 完成日期 委托日期 试验结果 图2 棉秆灰熔点特性图 试验人 审核人 批准人 煤燃烧国家重点实验室试验报告单 报告编号 委托单位 试样名称 生物质 试样来源 委托方 试验项目 稻秆灰熔点特性图 试验标准 完成日期 委托
22、日期 试验结果 图3 稻秆灰熔点特性图 试验人 审核人 批准人 附录Ⅱ SKLCC 报告编号： 试 验 报 告 生物质燃烧特性分析 华中科技大学 煤燃烧国家重点实验室 年 月 日 注 意 事 项 1. 试验结果仅对来样负责 2. 试验报告无实验人、审核人、和批准人的签名无效 3. 试验报告无“煤燃烧国家重点实验室”公章无效 4. 试验报告结果涂改无效 5. 对试验报告结果有疑（异）议者，应于收到报告之日起十五日内向试验单位提出，逾期不予受理。 试验
23、单位：煤燃烧国家重点实验室 地址：武汉市珞喻路1037号（华中科技大学） 邮编：430074 xx：027-87542417 传真：027-87545526 煤燃烧国家重点实验室试验报告单 报告编号 委托单位 试样名称 生物质 试样来源 委托方 试验项目 油菜杆热重燃烧特性图 试验标准 完成日期 委托日期 试验结果 图6 油菜杆热重实验燃烧特性图 试验人 审核人 批准人 煤燃烧国家重点实验室试验报告单 报告编号 委托单位 试样名称 生物质 试样来源 委托方 试验项目 棉秆热重燃烧特性
24、图 试验标准 完成日期 委托日期 试验结果 图7 棉秆热重实验燃烧特性图 试验人 审核人 批准人 煤燃烧国家重点实验室试验报告单 报告编号 委托单位 试样名称 生物质 试样来源 委托方 试验项目 稻秆热重燃烧特性图 试验标准 完成日期 委托日期 试验结果与分析 图8 稻秆热重实验燃烧特性图 试验人 审核人 批准人 煤燃烧国家重点实验室试验报告单 报告编号 委托单位 试样名称 生物质 试样来源 委托方 试验项目 混合热重燃烧特性图 试验标准 完成日期 委托日期 试验结果与分析 图10 混合生物质热重实验燃烧特性图 试验人 审核人 批准人
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