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不同粒度谷壳糠粉的燃烧特性

生物燃料的开发和高效利用已成为人类社会发展进步的动力引擎,当前研究聚焦于其与不同煤质的混燃技术[1]、有机污泥燃料开发以及金属粉尘的燃烧特性[2-3],在深化其燃烧动力学模型的基础上,探索开发提高其燃烧效率的设备及工艺。但是对于可燃有机粉尘的研究报道较少,GANI等[4]发现生物质燃料中纤维素含量越高,其热分解速率越高,而木质素含量越高,其热解速率越慢;HAYKIRI等[5]发现瓜子壳、菜籽、松果、棉花壳、橄榄油壳等农副产品的点燃温度均在 423~475K之间。MI等[6]对比研究了不同比例竹子和木材混合粉末的燃烧特性;L?PEZ等[7]采用热重/差式扫描量热仪(TG/DSC)研究了不同木材的燃烧过程,并将其燃烧过程分为脱挥发分和炭化两个阶段。
 
作为一种生物燃料,谷壳糠粉具备成本低廉、环保无腐蚀、易点燃、锅炉升温快,且燃烧后产物可作为钾肥改善土壤板结等优势。但在食品、农产品加工生产过程中常会产生大量谷壳糠粉等可燃轻质粉尘,如啤酒生产车间,在受限高温空间内易发生燃烧、爆炸等事故,存在严重的安全隐患。查阅文献发现,鲜有针对谷壳糠粉燃烧特性的研究报道,本文以西安某啤酒生产车间的谷壳糠粉为研究对象,通过粉尘层和粉尘云实验探索粒径对其最低着火温度(MIT)的影响,采用哈特曼管和锥形量热仪(CONE)测试不同粒径谷壳糠粉的爆炸下限、爆炸压力和热释放性能,基于TG/DSC研究其燃烧特性和燃烧动力学,为生产车间的安全运行提供一定的理论和实验基础。
 
1 实验材料和方法
1.1 实验原料
谷壳糠粉样品源于西安某啤酒企业平筛工艺过程除尘系统内的新制粉尘,主要由麦芽壳粉尘、大米粉尘及少量灰分组成,其工业和元素分析结果如表1所示,可见其具有高挥发分、低热值、低固定碳等特点。
利用振动筛将谷壳糠粉按照标准筛网粒度进行筛分,选取分别通过80目(粒径180~1250?m),100目(粒径 154~180?m),120目(粒径 120~154?m),140目(粒径 109~120?m),160目(粒径109~96?m)和180目(80~96?m)的筛余为研究对象,其粒度分布曲线如图1所示。将原料及筛分后不同粒径粉尘分别进行粉尘层、粉尘云、哈特曼管爆炸试验、热释放速率及TG/DSC分析。
 
1.2 样品表征
参照GB/T 16430—1996《粉尘层最低着火温度测定方法》,研究层厚分别为5mm和10mm时,不同粒径谷壳糠粉所形成粉尘层的 MIT。参照GB/T16429—1996《粉尘云最低着火温度测定方法》测定不同样品所形成粉尘云的 MIT。参照 GB/T 16425—1996《粉尘云爆炸下限浓度测定方法》,以烘干、筛分后得到的不同粒径谷壳糠粉为研究对象,采用1.2L哈特曼管测试其爆炸下限浓度、爆炸压力上升速率、最大爆炸压力。实验条件:环境温度为29℃、点火延迟时间为 8s、喷粉压力为 0.5~0.6MPa。
 
参照GB/T 16172—2007《建筑材料热释放速率试验方法》标准,称取18.0g谷壳糠粉采用锥形量热仪(ZY6243-I东莞中诺)测试其燃烧时的释热性能,辐照强度为30kW/m2。
采用 Mettler(德国)热重-差式扫描量热分析仪分析谷壳糠粉样品的燃烧动力学,空气氛围,温度范围为50~600℃,升温速率为20℃/min。
 
2 结果与分析
2.1 最低着火温度
谷壳糠粉尘层及粉尘云的最低着火温度分别见表2、表3。由表2可见:谷壳糠粉尘层厚度相同时,粉尘层MIT随粒度的减小呈略降趋势,粒径减小,比表面积增大,与空气的接触面积增大,导致粒径较小的粉尘更易燃烧;但当样品粒径减小至140目时,其MIT维持在130℃,表明随着粒径的减小,氧气浓度并非影响其燃烧的唯一因素;对于粒径相同的谷壳糠粉,其MIT随粉尘厚度增加而减小,由于粉尘层厚度增加使其内部蓄热性能增强,易使粉饼中样品较充分活化;同时由于粉尘层从底部加热燃烧,开始阶段产生的CO2等非助燃性气体在上升过程中可阻滞顶层表面O2的扩散[8],饼层越薄,阻滞效果越强,导致MIT随饼层厚度增加而减小。POLKA等[9]对比研究了层厚分别为12.5mm和5mm可燃粉尘的MIT,发现厚度为12.5mm粉尘层的MIT较5mm厚的降低20~30℃。从表3谷壳糠粉尘云的MIT可见:随着样品粒径的减小,粉尘云MIT也随之减小,但当样品粒径减小至160目时,MIT维持在430℃。
 
另外,对比同一种样品所形成粉尘层和粉尘云的MIT可见:粉尘云的着火温度远高于粉尘层,可能由于在粉尘云状态时,样品均匀地分散在空气中,空气的热导率较低,导致样品颗粒表面的温度上升较慢。
 
2.2 粉尘爆炸下限
从表4可见:随着粉尘粒径增大,其爆炸下限(LEL)浓度随之增大,但最大爆炸压力P和爆炸压力上升速率均随之降低。由于粉尘粒径减小,比表面积增大,与空气接触得更充分,被点火源引爆的可能性增加,同时由于小粒径粉尘的质量较小,导致在爆炸时压力上升速率和最大爆炸压力P随之增大。其结果与文献报道相似,BIDABADI等[10-11]发现铁粉在爆炸时随着粒径减小,其火焰燃烧增速变大。根据有机物在燃烧时的“热解-挥发”理论[12],当谷壳糠粉的粒径减小时,加速了半纤维素等热解形成可燃性气体的过程,即在火焰前锋扩散到颗粒表面之前已发生热解,形成可燃性气体,其与火焰前锋更易发生燃烧,且在瞬间可释放大量热量,促成爆炸现象的发生。
 
2.3 热释放性能
从图2可见,谷壳糠粉在燃烧过程中其热释放速率(HRR)曲线上基本呈现两个峰,第一个由样品中半纤维素等易燃热解物快速燃烧而形成,同时样品的炭化会导致释热速率逐步减小,由于样品的厚度较小(约 5mm),纤维素、木质素及剩余未燃样品等在持续受热作用下燃烧并产生释热速率的第二个峰值。随着谷粉粒径减小,其燃烧时所需的点火温度降低,但当粒径减小至180目时,由于其蓄热能力增强和燃烧时炭化灰壳的阻滞作用,导致其点火时间TTI延长,最大释热峰的出现时间滞后,由 169s延滞为 307s,两个峰合并为一个峰。结合不同粒径谷壳糠粉燃烧时的烟气温度(如图3所示),180目样品燃烧时在321s时产生的最高烟气温度为59℃,而80目样品在226s产生的最高烟气温度为57℃,即随着谷粉粒径的减小,其烟气温度峰值也发生右移;同时粒径为180目样品的烟气温度曲线也呈现一个较大的峰,而80目和120目样品的烟气温度均呈现明显的“双峰”特征。
 
2.4 燃烧特性及动力学
2.4.1 燃烧特性
样品的燃烧特性由以下参数确定[13-14],即可燃特性指数Cr、燃烧特性指数SN,其计算式见式(1)、式(2)。
 
结合图4(a)~(c)不同样品的热重及其微分曲线并计算得到不同粒径谷壳糠粉的燃烧特性参数如表6所示。从表6中可见:随着谷壳糠粉粒径的减小,着火温度 Ti、最大燃烧温度 Tp和燃尽温度 Th均略微增大,最大燃烧速率 DTGmax显着增大,其中当粒径为180目样品的最大燃烧速率达16.63%/min,较80目样品提高了76%;另一方面燃烧特性指数SN也随样品粒径减小而增大,其中180目样品的SN达到 3.82×10-7,较80目样品提高了 57.2%,表明随着粒径减小,燃烧特性显着增加,样品在有焰燃烧阶段变得更加剧烈。
 
2.4.2 燃烧动力学
根据参考文献[16-17],结合图4(d)中的DTG曲线,可将谷壳糠粉的燃烧过程分为以下4个阶段:水分的蒸发(50~151℃),半纤维素的热解(151~239℃),纤维素的热解(239~335℃),木质素的热解(335~525℃)。由于谷壳样品中的木质素含量较低,约为15%[18],从图4(d)可见随着谷壳糠粉粒径的减小,其木质素热解对应的失重峰逐渐消失。纤维素是由D-葡糖基组成的直链高分子,较半纤维素更难于热解,随着样品粒径的减小,其蓄热能力增强,导致半纤维素和木质素的热解峰变小,而对应纤维素的热解峰增大。
根据 Coats-Redfern积分法研究其燃烧动力学[19-21],依据方程式(4)~(6),采用反应级数n为1,不同粒径谷壳糠粉在 20℃/min升温速率下的热解动力学参数如表7所示,由于3种样品的着火温度均在240~270℃,其燃烧机理属于静态渗透式扩散燃烧,燃烧过程从着火后开始。在282.4~360.1℃之间,主要发生谷壳糠粉的燃烧反应,且对应拟合曲线的相关系数R2均接近于1,表明采用一级反应拟合较为合理;在该阶段样品的活化能E和指前因子A随着粒径的减小而增大,其中粒径为80~96?m样品的活化能达到 51.15kJ/mol,而 180~1250?m样品的活化能为35.35kJ/mol,表明微细谷壳糠粉发生燃烧反应的能量壁垒更高,反应过程由燃烧反应动力学过程控制。


 
结合粉尘层实验时的观察结果:厚度较薄粉饼燃烧时易开裂、翘起,厚度较大粉饼燃烧时易产生烟尘,但当除去表层燃尽灰壳时,产生瞬间复燃现象。由于谷壳糠灰中含有一定的碱金属元素[22],可降低灰渣的熔点[23-25];还有一定量的SiO2[26],其在燃烧时易于结渣,促使形成一定厚度的灰壳层,可阻碍火焰的扩散,导致点燃时间延长,MIT升高。
根据以上的实验数据分析可知:在持续受热及空气环境下,谷壳糠粉颗粒表面可燃挥发物首先吸热并分解,形成的可燃性气体与氧气发生放热反应产生火焰;随后表层部分碳处于过渡燃烧态,可形成部分薄灰壳;谷壳糠粉颗粒内部热解的可燃气体向表面扩散并发生燃烧,颗粒被火焰包围;但随着颗粒粒径的不断减小,增大颗粒与O2接触面积的同时,其蓄热性能也增强,导致样品的点燃时间延长,当积蓄的能量达到一定程度后易发生“轰燃”,此时由于颗粒表层易燃的半纤维素等与O2燃烧,温度迅速升高,导致颗粒内层有机物迅速炭化形成灰壳,致使反应的活化能增大,谷壳粉尘不能发生完全氧化,热重损失减小。LI等[27]发现随着金属铝粉颗粒粒径的减小,其燃烧过程由扩散控制逐渐转变为反应控制模型。本研究发现随着谷壳糠粉粒径的减小,其燃烧过程先随氧气浓度的增大而加速,随着粒径进一步减小,其燃烧因炭化灰壳的阻滞作用而减缓,表明其燃烧过程由扩散控制转变为反应动力学控制。
 
3 结论
式(2)中(dw/dτ)mean为平均燃烧速度,%/min,由式(3)计算,τ表示时间,min;Ti为着火温度,K;Th为燃尽温度,K。燃烧特性指数SN综合考虑了燃料的着火和燃烧稳定性等因素对燃尽的影响,是反应物质着火和燃尽的综合特性指标,其值越大,燃烧特性越大。
(2)1.2L哈特曼管实验结果表明:随着粉尘粒径增大,其LEL浓度随之增大,但最大爆炸压力P和爆炸压力上升速率均随之降低。
(3)CONE结果表明:随着颗粒粒径的减小,谷粉的蓄热能力增强,导致最大释热峰的出现时间由169s(80目)延滞为307s(180目),热释放速率和烟气温度变化曲线均呈现一个峰。
(4)TG/DSC结果表明:随着谷壳糠粉粒径的减小,其燃烧过程先随氧气浓度的增大而加速,随着粒径进一步减小,其燃烧因炭化灰壳的阻滞作用而减慢,热解过程的反应活化能由 35.35kJ/mol(180~1250?m样品)增大至51.15kJ/mol,其燃烧过程由扩散控制转变为反应动力学控制。

 

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