端木琳王宗山徐策刘颖朱俊亮

1大连理工大学建筑工程学部

2大连市建筑设计研究院

两种典型生物质燃料放热功率测定

端木琳1王宗山1徐策1刘颖1朱俊亮2

1大连理工大学建筑工程学部

2大连市建筑设计研究院

本文对两种典型的生物质燃料在火墙中的放热功率进行了实验。得出了玉米芯和玉米秸秆的放热功率曲线。在相同燃烧条件下，玉米秸秆的燃烧速率和放热功率要远远高于玉米芯。通过用氧气消耗法和二氧化碳产生法两种方法得到计算结果与实验结果进行对比，验证了放热曲线的可靠性，为进一步建立生物质燃料的燃烧模型提供了参考。

生物质燃料 放热功率 燃烧

0 引言

我国村镇地区地广人多，建筑面积庞大，随着社会主义新农村建设的迅速展开，农村能源需求量和品位上升，商品性能源支出增加，这将给我国在能源供给方面带来更大压力[1]；同时，农村大量生物质燃料直接焚烧，不仅造成大量资源的浪费，而且增加火灾隐患、污染环境[2]。如果有效利用这些生物质燃料的话，能够缓解能源的压力，减轻农民经济负担。

中国北方农村的采暖方式主要依赖于燃烧生物质燃料。燃料燃烧放热的情况将直接影响采暖的效果。因此，为提高传统采暖方式效率，需要研究生物质的燃烧过程，包括放热功率和燃烧模型，从而进一步展开对火炕、火墙等采暖设施的模型的研究。

本文对农村采暖常用的两种生物质燃料进行了元素分析和工业分析，对两种燃料在火墙内燃烧过程中的放热功率进行了实验，并利用氧气消耗法[3～5]和二氧化碳产生法[6]进行了验证。

1 氧气消耗法和二氧化碳产生法

文献[7]对多种由C、H、O三种元素组成的燃料燃烧时的消耗1mol氧气和产生1mol二氧化碳放出的热量进行了研究，研究结果表明，由C、H、O三种元素组成的各种生物质燃料燃烧时消耗1mol氧气和产生1mol二氧化碳放出的热量差距很小，波动在10%以内。利用氧气消耗法和二氧化碳产生法计算燃料的放热功率的基本原理是得到燃烧过程中氧气的消耗量和二氧化碳的产生量，利用氧气的消耗量和二氧化碳的产生量反推燃料单位时间内放出的热量，从而得到其放热功率。因此，利用这两种方法进行生物质燃料放热功率的预测具有较高的可信度。

本文采用芬兰学者T.Paloposki等人对生物质燃料的放热功率的研究经验进行了相关实验和计算[8]，最后得出氧气消耗法和二氧化碳产生法计算燃料放热功率的计算公式。

式中：Q为瞬时放热量，kW；NWFG为湿烟气的瞬时摩尔流速，mol/s；k为空气中干空气的摩尔分数；QF为燃料消耗1mol O2能够放出的热量，kJ/mol；Q′F为燃料燃烧产生1mol CO2能够放出的热量，kJ/mol；xO2为干烟气中O2的摩尔分数；ΔxO2为干烟气与助燃空气中O2的摩尔分数之差；xCO2为干烟气中CO2的摩尔分数；ΔxCO2为干烟气与助燃空气中CO2的摩尔分数之差；meff、neff为考虑水分影响后修正后m和n的真实值。NWFG，xO2，ΔxO2，xco2，ΔxCO2通过测量各气体烟气量求得。

式中：MC，MH，MO，MH2O分别为C，H，O元素和水的摩尔质量；wC，wH，wO，wH2O，wAsk分别为C，H，O元素以及水和灰分的质量分数；qDF为燃料低位发热量，MJ/kg；L水的汽化潜热，kJ/mol。

2 生物质燃料燃烧实验

2.1 实验台及测试方法

此次实验的火墙结构是完全按照火墙式火炕内部的火墙尺寸进行搭建，其长度、宽度和高度分别为2200mm，500mm和500mm。材料为实心红砖和混凝土板，烟囱为铝合金制成，添柴口尺寸为300mm× 300mm。

图1为火墙的实验台。室内空气作为助燃气体被直接送进火墙，一根铁皮圆管与火墙相连作为烟囱，烟囱直径约为14mm。

图1 火墙实验台实体图

所要测设的参数包括：

1）烟气：干烟气的成分（O2，CO2），烟气的流速，烟气温度。其中使用烟气分析仪直接测试出干烟气中气体组成；使用毕托管测试烟囱烟气动压间接测试烟气流速；热电偶测试烟气温度。

2）助燃空气：使用温湿度自记仪测试空气温湿度。

3）燃料的工业分析：包括水分含量、灰分、挥发分、固定碳的质量分数（水分含量不超过30%时对燃料放热影响不是太大）。

4）干燃料的元素成分：质量百分比和低位发热量。

2.2 实验方案

1）选择晴好的天气，将秸秆和玉米芯晾干。

2）实验分为两个工况。秸秆正常燃烧：定量9kg，等分为3份，分三次添加；玉米芯正常燃烧：定量6kg，等分为3份，分三次添加。

3）每个工况做3～4次，保证同一人烧火，尽量保证燃烧工况相同。

4）实验需要两人，一人负责添柴及记录添柴时间。另一人负责烟气成分和微压计读数记录。

整个实验过程中，烟气的成分和压差需要连续测试，时间步长为10s。烟囱的直径为140mm，烟气成分测点选择在烟囱横截面的中心位置。图2为实验过程中的测点布置示意图。

图2 火墙结构尺寸和测点分布

3 测试结果

3.1 燃料分析结果

采用农村地区丰富的玉米秸秆和玉米芯作为燃料。分别对两种燃料进行了元素分析和工业分析，详见表1和2。

表1 燃料的工业分析

表2 燃料的元素分析

根据元素分析和工业分析，得出玉米芯和玉米杆的各项数值分别为的qDF(c)=15.91MJ/kg，qDF(s)=15.44 MJ/kg，wH2O(c)=9.09%，wH2O(s)=6.72%，wAsk(c)=2.70%，wAsk(s)=4.28%，wc(c)=7.64%，wc(s)=9.24%。

根据式（3）～（8）从而可以得出，玉米芯燃料消耗1mol O2能够放出的热量Q（Fc）=404.48kJ/mol；燃料燃烧产生1mol CO2能够放出热量Q′（Fc）=442.21kJ/mol；以及考虑水分影响后修正后m和n的真实值me（ffc）= 0.99，ne（ffc）=0.81。相应的，玉米秸秆燃料消耗1mol O2能够放出的热量Q（Fs）=419.60kJ/mol；燃料燃烧产生1mol CO2能够放出的热量Q′（Fs）=445.24kJ/mol；以及考虑水分影响后修正后m和n的真实值me（ffs）=0.97，ne（ffs）=0.85。

3.2 数据结果及分析

图3是实验过程中烟囱中烟气流速变化过程。对于玉米芯，烟气的摩尔流速大部分时间在1.0～1.6mol/s之间波动。很明显的是，燃烧玉米秸秆时烟气的摩尔流速要比玉米芯高很多，基本上在1.4～2.0mol/s之间波动。

图4是干烟气中O2的摩尔分数变化过程。对于O2的摩尔分数变化，燃烧玉米秸秆时O2的摩尔分数下降速率要比燃烧玉米芯时快很多。相似的现象也发生在CO2变化过程中，不同的是，燃烧玉米秸秆时的CO2摩尔分数上升速率要远远大于燃烧玉米芯。

图3 实验过程中的烟气流速变化

图4 干烟气中O2的摩尔分数变化

图5是利用氧气消耗法进行计算的燃料放热功率。在计算过程中，燃料的热值、水分含量以及各元素的比例都是已知条件。对于玉米芯，QF（c）= 404.48kJ/mol，mef（fc）=0.99，nef（fc）=0.81；对于玉米秸秆，Q（Fs）=419.60kJ/mol，me（ffs）=0.97，ne（ffs）=0.85。由图5可以看出，玉米芯的放热功率在0～80kW之间波动，玉米秸秆的放热功率在0～120kW之间波动。这种现象说明，在相同的燃烧条件下，玉米芯要放出与玉米秸秆相同的热量需要更长的时间。与氧气消耗法相同，图6列出了利用二氧化碳产生法得出的玉米芯和玉米秸秆的放热功率。经计算得出的结果与氧气消耗法几乎完全一致。计算过程中Q′（Fc）=442.21kJ/mol，Q′（Fs）= 445.24kJ/mol。

图5 利用氧气消耗法计算的燃料放热功率

图6 利用二氧化碳产生法计算的燃料放热功率

表3 总放热量的比较

图5和图6显示的放热功率可以通过积分的方式得到整个燃烧过程燃料的总放热量。表3是通过两种方法得到的总放热量与利用燃料的低位发热量计算出来的总放热量之间的比较。通过比较分析可以看出，通过两种方法计算出来的燃料总放热量与输入火墙的总热量之间的误差是很小的。因此，利用氧气消耗法和二氧化碳产生法对生物质燃料的放热功率进行测试计算是完全可行。

4 结论

本文对农村采暖常用的生物质燃料进行了元素分析和工业分析，二者的主要元素组成成分非常相近；利用氧气消耗法和二氧化碳产生法对两种燃料在火墙中的放热功率进行了研究，得出了玉米芯和玉米秸秆的放热功率曲线。

通过系统的分析和比较，可以得出如下结论：

1）相同燃烧条件下，利用氧气消耗法进行计算的玉米芯的放热功率在0～80kW之间波动，玉米秸秆的放热功率在0～120kW之间波动，利用二氧化碳产生法得出的结果与氧气消耗法几乎完全一致。玉米秸秆的燃烧速率和放热功率要远远高于玉米芯。

2）通过两种方法得到的总放热量与利用燃料的低位发热量计算出来的总放热量之间的比较，误差较小。因此，利用氧气消耗法和二氧化碳产生法对生物质燃料的放热功率进行测试计算是完全可行的。以此验证了放热曲线的可靠性。

[1]Yang X D,Jiang Y.Energy and environment in Chinese rural hou -sing:road to sustainability:Tianjin University and Dalian Univer -sity of Technology[A].In:The First International Conference on Building Energy and Environment[C].Dalian,2008.

[2]周春艳,周春涛.严寒地区农村住宅在应用被动式太阳能技术上的优势[J].吉林建筑工程学院学报,2005,22(4):35-38

[3]Huggett C.Estimation of rate of heat release by means of oxygen consumption Technique[J].Fire and Materials,1980,4(2):61-65

[4]Krause R F,Gann R G.Rate of heat release measurements using oxygen consumption[J].Journal of Fire and Flammability,1980, 12(2):117-130

[5]Parker W J.Calculations of the heat release rate by oxygen consumption for various applications[J].Journal of Fire Sciences,1984, 2(5):380-395

[6]DiNenno P J.SFPE Handbook of Fire Protection Engineering[M]. Quincy:NFPA,2002

[7]Janssens M L.Measuring rate of heat release by oxygen consumpt -ion[J].Fire Technology,1991,27(8):234-249.

[8]Saastamoinen J,Tuomaala P,Paloposki T,et al.Simplified dynamic model for heat input and output of heat storing stoves[J].App -lied Thermal Engineering,2005,34:786-792

Me thod on the He a t Re le a s e Ra te of Tw o Kinds of Biom a s s Fue l

DUANMU Lin1,WANG Zong-shan1,XU Ce1,LIU Ying1,ZHU Jun-liang2
1 Faculty of Infrastructure Engineering,Dalian University of Technology
2 Architectural Design and Research Institute of Dalian

Theoretical basis and calculation method of oxygen consumption method and carbon dioxide generation method are introduced in this paper.Also they are used to predict the heat release rate of fuel when they are burned in hot-wall.The results show that the heat release rate of corn stalk is far higher than corn cob when they are burned in the same hot-wall.Error analysis is done to examine the reliability of the heat release rate curves.These results can be used to provide foundation for combustions model’s building.

biomass fuel,heat release rate of fuel,burn

1003-0344（2015）01-015-4

2013-11-28

端木琳（1959～）女，博士，教授；大连理工大学综合实验四号楼228室（116024）；0411-84709612；E-mail:duanmulin@sina.com

国家自然科学基金（No.51178074）