余明高,孟 牒,路 长,马鸿雁

(河南理工大学安全科学与工程学院,河南焦作,454003)

不同热辐射强度下秸秆燃烧特性实验研究

余明高,孟 牒,路 长,马鸿雁

(河南理工大学安全科学与工程学院,河南焦作,454003)

为了探讨秸秆在不同规模火灾中的燃烧特性,采用锥形量热仪测得秸秆点燃时间、热释放速率、一氧化碳产生率等参数进行模拟实验,结合热重分析法研究秸秆的热解过程。结果表明:随着辐射强度的升高,秸秆由阴燃向明火转化,热释放速率、烟释放速率随之加快,缩短了点燃时间并降低了CO等有毒气体排放速率。热重分析得到秸秆在各个温度段下的反应情况,解释了在不同辐射强度下秸秆点燃性能实验现象及其反应机理,为防止火灾事故发生提供了可靠的理论依据。

燃烧特性;秸秆;锥形量热仪;热重分析;阴燃

0 引言

生物质能是仅次于煤、石油、天然气的第四大能源,在世界能源消耗中占有一定的比例,人类为了自身的生存和发展,不断寻找新能源,以减少或替代一次性能源消耗[1]。农作物秸秆是数量极大的可再生资源,我国每年产量7亿吨之多,应用非常广泛,国外许多国家如美国、丹麦、英国和芬兰等正在大规模推广利用生物质能发电,我国生物质应用最典型的如秸秆,它可以制造保温隔音门,板材,纸制品等。

秸秆在应用过程中,主要有两个方面危害:一是引起建筑火灾的危害,通常均是由于可燃物被点燃所致[2],这些可燃物包括由秸秆制造保温隔音门,板材等。由此可见可燃物在火灾中燃烧行为对建筑火灾的发展起到非常重要的作用;二是利用秸秆燃烧发电时,产生大量的烟气及有毒气体,严重污染了大气环境并且妨碍人民群众的生产、生活。因此,秸秆的燃烧特性及火灾危险性引起人们极大关注。

在以往对秸秆燃烧特性研究中,主要是基于热分析对秸秆进行升温、炭化、炭氧化、灰分升温等过程研究[3,4]。在这些研究工作中,有关学者分析了秸秆在不同温度区间的表观活化能、频率因子等燃烧动力学参数,并提出了相应的燃烧机理[5,6]。对于秸秆在燃烧过程中的热释放速率、CO释放速率、烟释放速率等方面的研究却非常少见。据统计在实际火灾事故中,由于烟气产生大量的CO等有毒气体和秸秆由阴燃向明火的转化造成的危害是最大的。本文利用锥形量热仪,结合热重分析,模拟现实中不同规模火灾,研究秸秆相关参数变化,得出燃烧特性及其热解行为和成炭作用,为防止控制火灾事故的发生具有一定指导意义。

1 实验部分

1.1 实验样品

实验样品为河南省焦作市附近农村田地废弃农作物玉米秸秆。将采集回来的秸秆自然风干后,用粉碎机粉碎,经过反复研磨到0.1mm作为试验样品。玉米秸秆工业与元素分析见表1[7]。由表1可以看出玉米秸秆的挥发份达到79.28%时,固定碳只有16.03%。秸秆自身易于燃烧,固定碳含量又低,挥发分在燃烧时放出大量的热,而挥发分燃烧完毕后固定碳燃烧时放热量低,在着火时难以控制,危害性大[8]。

表1 秸秆工业与元素分析(%)Table 1 Proximate and elementary analysis of straw

1.2 锥形量热仪

锥形量热仪是由英国 FTT公司生产的,实验装置如图1所示。锥形加热器最大加热功率是5000W,热输出热量0～100kW/m2,样品盒可放置最大尺寸为100mm×100mm×50mm的样品,本实验将2mm厚密度为65.37kg·m-3的秸秆平铺在100mm×100mm×3mm样品槽内,样品槽四周及底部用铝箔纸包住。在室温24℃,相对湿度60%,空气流量24L/s下进行实验。所选用的热辐射功率分别为25kW·m-2(578℃)、30kW·m-2(626℃)、35kW·m-2(660℃)、50kW·m-2(750℃),不同的辐射功率可以真实反映出秸秆在中、小规模火灾中受到的辐射强度。根据计算机辅助分析得到秸秆燃烧过程中的氧气浓度、一氧化碳和烟气等燃烧参数,确定和比较在不同辐射强度下的秸秆燃烧特性。

图1 实验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus

1.3 热同步分析仪

热解实验采用的是德国公司生产的STA449c热同步分析仪,该仪器可对单一样品进行热重和差热的测量。实验主要是对秸秆及秸秆发生阴燃形成的多孔炭进行分析,实验所选用的气体为空气,实验样品的质量分别为1.856mg和2.381mg。采用的升温速率为10K/min,空气流量为60 L/min,温度从室温25℃升温至800℃的实验条件下研究秸秆的热解特性。

2 实验结果与分析

2.1 点燃性能分析

锥形量热仪测定秸秆点燃时间,是指在电子点火器作用下,在秸秆表面形成稳定火焰所需要的时间。秸秆点燃时间主要反映秸秆被点燃的难易程度,是评价秸秆燃烧特性重要参数之一。用数码相机拍摄秸秆在受到不同辐射强度下秸秆的燃烧过程,如图2所示。图3a所示,是秸秆的原始初始状态,辐射强度在25kW·m-2、30kW·m-2时,秸秆没有被点燃,发生阴燃后的形态如图3b所示。提高辐射热通量到35kW·m-2,秸秆经过11.73s形成明火,在50kW·m-2时,秸秆经过 3.54s形成明火,燃烧后的形态如图3c所示。秸秆受到低于30kW·m-2辐射强度时没有发生明火燃烧,只发生阴燃,当辐射强度达到35kW·m-2时,秸秆中含的木质素、纤维素、半纤维素等可燃成分热解并产生可燃气,当这些可燃气的浓度足够高,同时外界提供的温度满足气相反应所需要的热量时,秸秆形成明火而燃烧,并且随着辐射强度的加大,秸秆的着火时间越来越短。

2.2 秸秆的热释放速率

热释放速率是指单位时间内单位面积材料燃烧释放热量的速率[9]。热释放速率大小是评价秸秆燃烧性的重要参数之一,热释放速率峰值是评价材料火灾安全性能最重要的指标[10]。图4可以看出秸秆的热释放速率随着辐射强度的增大而加快,秸秆的热释放速率可以在经过20s后达到峰值,最大热释放速率分别为:61.93kW·m-2、79.02kW·m-2、141.35kW·m-2、171.81kW·m-2。辐射强度增加将加快秸秆升温速率,同时提供更高垂直向下的温度,加快秸秆在燃烧过程中有机分解并释放出大量的热解可燃气,达到气相反应的条件,使秸秆形成有焰火燃烧。在低辐射强度下,秸秆全部碳化之后没有形成有焰火,随着可燃物的消耗,平稳阴燃,秸秆的热释放速率趋于平缓。

2.3 烟及毒气的释放速率

图2 秸秆燃烧过程Fig.2 Combustion process of straw

图3 秸秆燃烧形态Fig.3 The state combustion of straw

图4 热释放速率曲线Fig.4 Curve of heat release rate

秸秆燃烧过程中会产生浓烟,污染大气环境,一氧化碳又是秸秆燃烧过程中释放的主要有毒气体之一。据统计,在火灾中有80%人是死于烟气中毒,所以研究不同辐射条件下秸秆燃烧产生烟和一氧化碳有毒气体的释放量,对防治火灾过程中烟气中毒有重要意义。辐射强度加大,秸秆阴燃由向明火转化可以产生大量烟气,而这些烟气又是可燃的,同时伴随着热解速度加快,单位时间燃烧产物增多,烟气密度加大,释放的烟气速率随之加快。如图5所示秸秆在燃烧过程中单位面积瞬时产烟量,烟的热释放速率随着辐射强度的加大而加快。一氧化碳的热释放速率是指单位时间内一氧化碳的释放量,单位为g·s-1。与某一时刻,体系中一氧化碳的浓度正相关[11]。由图6所示,CO热释放速率随着辐射强度减小而加大,热解速率相对比较高,剧烈燃烧时产生大量挥发性气体,形成浓度梯度,抑制周围氧气的及时补给而降低了氧气浓度。从而使较多的含碳物质热解发生不完全燃烧,生成CO及其他不完全燃烧有机物[12]。一氧化碳的释放速率越大,燃烧越不充分,这与在25 kW·m-2时只发生阴燃反应,燃烧不充分的实验现象相吻合。

图5 烟释放速率曲线Fig.5 Curve of smoke release rate

图6 一氧化碳释放速率曲线Fig.6 Curve of Carbon monoxide release rate

2.4 热重分析

用锥形量热仪分析秸秆点燃性能,燃烧过程中热释放速率,烟气和有毒气体等。为了更好评估秸秆在燃烧过程中的稳定性,用热重分析测量秸秆质量与温度之间的关系,得出秸秆在不同温度下质量变化及失重速率。秸秆失重过程(TG曲线)及失重速率(DTG曲线)如图7所示。秸秆在各个温度段下的反应情况,可以解释在不同辐射强度下秸秆点燃性能的实验现象及其反应机理。同热重分析可得,秸秆在100℃时出现一个失重峰,是由于秸秆中含的水分蒸发所致,而温度在200℃-350℃时秸秆热解速率加快,在此阶段秸秆中的纤维素和半纤维素大量分解及木质素软化和分解,有炭和挥发性物质生成。纤维素和半纤维素的分解大部分生成挥发物,而木质素分解则主要生成炭。此阶段挥发分析出70%,残留30%的炭。当温度达到450℃时,秸秆进入残炭氧化阶段,固定碳氧化分解放出热量。而在锥形量热仪实验过程中,采用的最小辐射热量25kW·m-2相当于578℃,此温度可以提供足够热解可燃气,氧气和一定的辐射热流密度。提高辐射强度,秸秆在阴燃区所受到的热流密度加大,又由于有足够的氧气和热解可燃气,容易达到气相反应所需要的条件,秸秆形成有焰火而燃烧。

图7 秸秆的TG及DTG曲线Fig.7 The TGand DTGcurve of straw

3 结论

(1)经热重和锥形量热仪分析证明,秸秆受到一定的辐射热后先后经历四个阶段,脱水干燥、可燃气体的析出、炭化阶段、可燃气体的燃烧和炭表面的燃烧;

(2)不同热辐射强度下,秸秆的热释放速率曲线相似;同时热释放速率随着辐射强度的增加而增加;

(3)烟气、一氧化碳的释放速率与热释放速率峰值变化规律相同;相对于明火燃烧秸秆发生阴燃时,生烟能力强,同时一氧化碳释放的速度快、产生的浓度高,并伴随大量有毒气体,对人的危害更大。

[1]Ren Q.et al.TG-FTIR study on co-pyrolysis of municipal solid waste with biomass[J].Bioresource Technology,2009,100:4054-4057.

[2]杨立中,等.可燃材料热辐射点火的实验研究[J].燃烧科学与技术,2002,8(4):323-327.

[3]Fang H.et al.Measurement of the heat of smoldering combustion in straws and stalks by means of simultaneous thermal analysis[J].Biomass and Bioenergy,2009,4:130-136.

[4]Mait S.et al.Thermal characterization of mustard straw and stalk in nitrogen at different heating rates[J].Fuel,2007,86:1513-1518.

[5]Jeguirim M.et al.Pyrolysis characteristics and kinetics of arundo donax using thermogravimetric analysism[J].Bioresource Technology,2009,100:4026-4031.

[6]Xiao H.et al.Is conversional kinetic analysis of co-combustion of sewage sludge with straw and coal[J].Applied Energy,2009,86:1741-1745.

[7]Zhou H.et al.Numerical modeling of straw combustion in a fixed bed[J].Fuel,2005,8(4):389-403.

[8]田松峰,等.玉米秸秆燃烧特性的实验分析[J].电气系统工程,2008,24(1):21-23.

[9]王正洲,等.烟叶的燃烧和着火特性的研究[J].火灾科学,2000,9(1):44-48.

[10]徐晓楠.采用锥形量热仪研究和评价新型可膨胀石墨防火涂料[J].火灾科学,2005,14(1):11-15.

[11]王奉强,等.膨胀型水性改氨基树脂木材阻燃涂料的阻燃和抑烟性能[J].林业科学,2007,43(12):117-121.

[12]王清文,等.氧浓度对阻燃木材发烟性能的影响[J].林业科学,2006,42(12):95-110.

Experimental study on the burning behavior of straw with different radiant intensities

YU Ming-gao,MENG Die,LU Chang,MA Hong-yan

(School of Safety Science and Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo,454003,China)

To recognize the burning behavior of straw with different fire sizes,the combustion characteristics of straw were studied by using cone calorimeter and thermogravimetry analysis(TGA),whereby various fire parameters were measured including the ignition time,heat release rate,and rate of carbon monoxide production.The test results showed that with the increase of radiation intensity,the straw underwent the transition from smoldering to flaming combustion,with increase of heat and smoke release rates,which decreased the ignition time and the release rare of CO and other gases.The reactions of straw during various temperature conditions were clarified,whereby the characteristics and reaction mechanism of straw ignition in different radiation intensities by TGA are interpreted.

Combustion characteristics;Straw;Cone calorimeter;Thermogravimetry analysis;Smoldering

X931

A

1004-5309(2010)-0212-05

2010-06-16;修改日期:2010-09-17

国家自然科学基金资助项目(50974055,50906023);河南省基础与前沿技术研究计划项目(092300410045,082300463205);河南理工大学学位创新基金(2009-M-35)

余明高(1963-),男,河南省特聘教授,博士生导师。主要从事火灾防治理论与技术方面的教学与科研工作。现任河南省瓦斯地质与瓦斯灾害防治国家重点实验室培育基地副主任、河南理工大学火灾防治技术研究所所长。