【论文精选】基于聚光光热颗粒燃烧系统的粒径对牛粪颗粒燃烧特性影响研究

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（来源：CBC全球生物质能源）

摘 要∶

为实现农牧地区生物质颗粒燃料的高效清洁利用，须充分理解粒径对其燃烧过程的影响。文章通过自主设计的聚光光热颗粒燃烧实验系统， 研究了粒径对牛粪颗粒燃烧特性和烟气排放特性的影响。 研究结果表明：随着粒径的增加，挥发分释放延迟，着火、燃尽温度及对应时间均增加；粒径增加导致颗粒表面着火温度高于内部，而燃尽温度则相反，同时颗粒内、外燃烧过程分离程度增加，使焦炭燃烧阶段的颗粒内部温度上升；粒径的增加增大了颗粒内部的轴向热阻， 导致颗粒表面与内部的着火温度和燃尽温度差异增大； 随着粒径的增加，CO 与 NO 体积分数的峰值出现时间与峰值强度均上升，但 CO 与 NO 的排放总量并不随着颗粒质量的增加而同比例增加，粒径的增加可抑制 CO 的排放，并提高 NO 的排放量与燃料氮的转化率。

关键词：生物质； 牛粪颗粒； 粒径； 燃烧特性； 烟气排放特性

0 引言

随着全球能源消耗的不断增长，环境污染和温室效应愈发严重。减少对传统化石能源的依赖，寻找清洁高效的可再生能源是解决能源与环境挑战的重要方案。 生物质能源具有来源广、碳中性、可持续的特点，其中畜禽粪便中含有大量的半纤维素和木质素，属于典型的第二代生物质燃料[1]。作为农业大国，我国每年约产生 30.5 亿 t 畜禽粪便[2]，这些粪便中的重金属与病原体如果处理不当，不仅对环境造成污染，还会危害人类健康[3]。 直接燃烧可有效地消除粪便中的病原体，并充分利用粪便中的能量。 在西藏干旱的气候条件下，牦牛粪的水分含量较低[4]，是一种理想的牧区燃料。据统计，2017 年西藏等畜牧业发达地区的牛粪直接燃烧量为 764 万 t， 占这些地区生物质燃烧总量的 29.7%[5]，因此，清洁高效燃用牛粪对农牧地区传统化石能源的替代具有重要意义。

对于将牛粪作为燃料进行利用，国内外已进行了广泛的研究。 与玉米秸秆相比，牛粪的挥发分含量与挥发分析出温度更高，具有更低的着火温度和燃烧热值[6]。 由于牛粪中的纤维素与木质素含量较木材少， 因此其燃烧过程中的颗粒物排放量较低[7]。 不同种类牛粪的热化学特性并无显著差异[8]，而相比于猪粪、鸡粪等畜禽粪便，牛粪的燃烧热值和综合燃烧指数更高[9]，在能源化利用方面占有优势。

由于畜禽粪便存在能量密度低、 储运难度大等劣势，严重限制了其使用与发展。成型技术可将其制成形状规则的颗粒， 增加其能量密度并降低储运难度。 王明峰[10]通过热重分析技术探究了桉树木屑成型前后的燃烧特性， 发现压缩成型可以改善挥发分燃烧阶段的热稳定性。 成型燃料的尺寸对其燃烧过程影响较大，但是，其尺寸并无统一标准。 孔伟[11]研究了两种固化成型方法下牛粪产品的燃烧过程， 发现圆柱状压块燃料的燃烧时间明显小于方块状燃料。 龚德鸿[12]采用热重-质谱联用技术对烟梗进行了燃烧实验， 发现随着烟梗粒径的增加，挥发性有机物（VOCs）的析出峰值向高温区移动，且累积析出量逐渐增大。 Chen Y[13，14]探究了径高比对木屑颗粒在热解过程中焦化学结构的影响， 发现颗粒的径高比会直接影响颗粒内挥发分与焦炭的交互作用， 使得颗粒内部结构产生非均匀性变化。

目前， 有关不同粒径牛粪颗粒燃烧特性的研究鲜有报道。因此，本文以不同粒径的牦牛粪为研究对象， 在聚光光热颗粒燃烧实验系统中进行了燃烧实验，同时记录了其燃烧特征图像、温度和烟气排放数据， 以探究粒径对牛粪颗粒燃烧特性和烟气排放特性的影响， 从而为农牧地区生物质燃料的清洁利用提供重要参考。

1 实验系统及方法

1.1 实验样品特性

牛粪样品取自西藏自治区阿里地区， 牛粪的工业分析（以空干基为准）和元素分析（以干燥基为准）如表1所示。将采集的牛粪样品置于鼓风干燥箱中 105 ℃下干燥 24 h， 然后在室温条件下进行破碎、研磨和筛分，选取粒径为 125~212 μm 的粉末密封保存备用。

1.2 样品制备

选取干燥后的粉末样品， 在压片机上使用圆柱形模具压制成型， 控制成型压力为 10 MPa，维持 3 min， 分别压制成粒径为 6，8，10 mm 的颗粒（图 1）。 不同粒径牛粪颗粒的物理特性见表 2。

待压制成型后， 使用钻孔机在颗粒中心位置钻取孔径约 1 mm，深度为颗粒相应高度一半的小孔，用于安装热电偶，测量颗粒内部中心温度。

1.3 燃烧实验系统

为更好模拟牛粪燃烧过程的高升温速率，减少二次反应的影响， 对颗粒燃烧过程中的众多参数进行实时监测。 燃烧实验在团队自主设计并搭建的聚光光热颗粒燃烧实验系统（图 2）上进行。

该系统使用高聚光灯杯加热反应颗粒以实现快速升温，聚光光斑中心温度最高可达 1 000 ℃，升温速率可达 30 ℃/s， 可同时实现对燃烧过程、颗粒温度、烟气排放的实时监测。该实验系统主要由 4 个模块组成，分别是气体供应模块、加热反应模块、压力控制模块与数据采集模块。加热反应模块的核心是一个不锈钢反应器（60 mm×60 mm×90mm），在左右两侧设置有两个卤钨灯杯（24 V/250W），用以聚光加热由热电偶夹持的颗粒。 反应器四面都有透明的石英窗， 可以透过加热光线并进行实时观察。反应器出口处安装有干燥过滤器，以冷凝气体中的水分和焦油， 防止堵塞真空泵与烟气分析仪。 使用两个 K 型热电偶夹持牛粪颗粒，同时监测颗粒的内部与表面温度， 并将数据记录至 NI cDAQ-9174 型数据记录仪。 利用 PHOTROFASTCAM UX-50 型高速摄像机， 通过反应器的前玻璃窗记录实时燃烧动态。 使用 MRU NOVAPLUS 型烟气分析仪实时分析 CO，NO 的体积分数。 这种方法确保了在整个实验过程中对关键参数进行精确和实时地测量， 更多实验系统温度标定与重复性验证的信息可参考文献[15]。 调节实验反应器内气氛及压力到目标工况后， 调整灯杯电压到目标值，然后开启稳压电源，实现颗粒快速升温。 进行不同粒径牛粪颗粒的燃烧实验并分析其烟气释放特性，实验工况如表3 所示。

1.4 实验方法

为保证输入颗粒表面的能量恒定， 实验中调节输入电压为 20 V。 实验过程中载气为流量为1 L/min 的空气（20%O2+80%N2），通过操纵气瓶出口的减压阀和压力调节阀来调节反应器中的压力，使其恒定为 0.1 MPa。 高速摄像机快门速度设定为 1/40 000 s，每秒记录 50 帧图像。采用颗粒温度的平均相对标准偏差（RSD）来衡量颗粒在多次实验中的重复性， 实验数据均取自 3 次重复实验的平均值。粒径的增大不仅会增加烟气排放总量，还会影响烟气在颗粒内的停留时间， 改变烟气与颗粒的交互作用。 而数量的简单增加并不能充分反映由粒径增加所造成的烟气排放差异，为此，需将原始数据进行量纲一化处理。采用初值化方法，以数据中第 1 个不为空的数据作为参照标准，将CO 和 NO 的排放总量与颗粒质量以粒径为 6 mm时的数据为基准进行初值化处理， 得到量纲一的比值， 从而进一步探究粒径对气体排放总量的影响。 初值化处理方法为

式中：xi 为该组数据中的第 i 个数据；x1 为该组数据中的第 1 个数据；yi 为初值化后数据。

2 结果与讨论

2.1 粒径对牛粪颗粒燃烧过程的影响

图 3 为不同粒径牛粪颗粒的燃烧过程图像。

从图 3 可以看出， 不同粒径牛粪颗粒的燃烧过程均可划分为 3 个阶段。第 1 阶段，光线开始照射颗粒表面，其亮度基本保持不变，且该阶段持续时间较短。 随着温度的持续升高，进入第 2 阶段，颗粒表面释放出大量烟雾， 颗粒中的挥发分开始释放并燃烧，挥发分会迅速充满反应器。待挥发分释放完毕后，进入第 3 阶段，即焦炭的燃烧阶段，此时，颗粒的亮度较第 1 阶段明显上升，颗粒表面焦炭着火；由于牛粪的高灰分特性，该阶段内的颗粒结构保持完整，随着燃烧的进行，颗粒亮度基本不变直至燃尽。随着粒径的增大，第 1 阶段的持续时间略有上升， 同时第 2 阶段的持续过程也明显延长，反应器内亮度更低，这是由于粒径增大后，颗粒的总热容增加， 整个颗粒升温到相同温度时所需的时间更久， 导致单位时间内的颗粒升温更慢，挥发分析出受到抑制，且燃烧过程减弱。

2.2 粒径对牛粪颗粒燃烧特性的影响

在 6 mm 牛粪颗粒燃烧过程中， 其内部温度变化如图 4 所示。 图中：Re-1，2，3 指相同条件下的 3 次重复实验的值。

从图 4 可以看出，各操作条件下 RSD 的平均值均低于 5%， 这表明燃烧阶段具有良好的可重复性[15]。 当光线开始进入反应器时，颗粒的温度快速上升，此时大量挥发分与水分被释放。随着挥发分被光线点燃， 氧气从外部向颗粒表面的扩散受阻，进而阻止颗粒着火，颗粒的升温速率略有降低。

当挥发分燃烧殆尽，且反应器中的温度足够高时，颗粒与氧气发生反应， 焦炭着火并在升温曲线上产生拐点。随着焦炭的燃烧减弱，颗粒温度最终趋于稳定，达到燃尽状态。 根据图 4 中的燃烧温度，定义颗粒的着火时间与着火温度为温度上升过程中拐点出现时对应的时间与温度； 颗粒的燃尽时间与燃尽温度则是温度首先下降至终温时的时间与温度。

不同粒径牛粪颗粒在燃烧过程中的表面及内部温度变化如图 5 所示。

由图 5 可以看出，在升温与燃烧过程中，不同粒径牛粪颗粒的温度均存在较大差异。 在 6 mm牛粪颗粒升温过程中， 颗粒内部与表面的温度存在差异，表面升温速率较快而内部升温速率略慢，这是由于颗粒内部热阻使得颗粒内、 外产生了温度梯度。当温度升至峰值后进一步下降时，出现了颗粒内部温度高于表面温度的现象。 这可能是由于颗粒内、外的燃烧过程出现分离，颗粒表面的焦炭已燃尽， 焦炭氧化放热量与光源辐射换热量的总和小于气体与颗粒间的对流换热， 导致颗粒表面温度快速降低。 而此时颗粒内部的燃烧仍未结束， 焦炭氧化放热受到颗粒表面燃烧产生的灰分的阻碍，影响了颗粒由内向外的传热，进而减缓了颗粒内部温度的下降速率。

由图 5 进一步分析可知，随着粒径的增大，在挥发分析出阶段， 颗粒内部与表面的温差逐渐增大，颗粒表面的升温速率随着粒径的增大而上升，内部升温速率随着粒径的增大而下降。 这主要是由于在相同的总辐射能量下， 颗粒两侧受热面积的增加导致了单位面积内的辐射传热量降低，牛粪颗粒整体升温速率减缓。 随着燃烧反应的继续进行， 焦炭燃烧阶段的温度也随着粒径的增大而升高，颗粒内部与表面温度的差异也逐渐增大。值得注意的是，当粒径为 10 mm 时，在焦炭燃烧后期，颗粒的内部温度表现为缓慢上升。这可能是由于 10 mm 颗粒的焦炭含量更高，且燃烧产生的灰分改变了颗粒内部焦炭的传热特性：一方面，颗粒内部焦炭氧化放热量与光源的辐射换热量高于气体与颗粒间的对流换热；另一方面，颗粒表面的灰分阻碍了由内向外的热量散失， 这共同导致颗粒内部温度升高，颗粒内外温度梯度增大。随着粒径增大，牛粪颗粒燃烧释放的热量也随之增加，这主要是由于牛粪颗粒中的固定碳含量随着颗粒质量的增大而增大， 燃烧放热量增加导致平均反应温度升高，燃烧持续时间延长。放热量增加的同时也使得颗粒内部传热特性的变化更加显著， 颗粒内部与表面温度的差异逐渐增大， 这也与上面的分析结果相一致。

从上述分析可知，粒径会对燃烧过程的传热、传质产生影响。 为了进一步分析粒径对颗粒燃烧特性的影响， 本文提出了牛粪颗粒表面与内部在反应器内燃烧的热平衡方程。

式中：ρ 为牛粪颗粒的密度，kg/m3；V 为牛粪颗粒的体积，m3；c 为牛粪颗粒的比热容，J/（kg·K）；T为牛粪颗粒的温度，K；A 为牛粪颗粒的表面积，m2；hg 为气体和颗粒之间的对流传热系数，W/（m2·K）；qC-O2为木炭氧化释放的热量，J；qL 为光源的辐射换热量，J；k 为颗粒内部与表面间的热传导系数，W/（m·K）；x 为颗粒内部与表面间的轴向距离，m；qcfp 为火焰和颗粒之间的对流传热量，J；qrfp 为火焰和颗粒之间的辐射传热量，J； 下标 s 和 i 分别表示颗粒的表面和内部。

图 6 展示了不同粒径牛粪颗粒燃烧过程中的着火与燃尽特性。

从图 6（a）可以看出，随着粒径的增大，牛粪颗粒的着火温度与着火时间均随之增大，且颗粒内部与表面的着火温度差异逐渐增大，而颗粒内部与表面着火时间则并无明显差别。 这表明粒径会明显改变牛粪颗粒的着火特性， 并主要体现在着火温度方面。 结合热平衡方程（2），（3）与图 6（a）可以推测，升温阶段的热量主要来自于光源的辐射加热与挥发分火焰和颗粒之间的热交换，此时颗粒表面的升温速率高于内部的升温速率，导致在初始升温时颗粒表面温度较高。 而粒径的增大会导致颗粒内部的轴向热阻增加，颗粒表面热量向内部传递受阻，进一步增大了颗粒表面与内部的传热温差。 当挥发分燃烧完毕时，颗粒与氧分子接触被直接点燃，这导致了表面与内部着火温度的差异。

从图 6（b）可以看出，随着粒径的增大，牛粪颗粒的燃尽温度与燃尽时间均随之增大，但与着火特性相反的是，颗粒内部燃尽温度大于表面燃尽温度，且表面燃尽时间较内部燃尽时间略有缩短。 这表明粒径对牛粪颗粒的燃尽温度与燃尽时间均存在一定影响。 在焦炭燃烧阶段，颗粒受到焦炭氧化放热的影响，颗粒内部温度高于表面温度，导致传热方向为由内向外，而粒径的增大会促进焦炭氧化放热量的增加。 结合热平衡方程（2），（3）可知：当粒径为 6 mm 时，颗粒内部焦炭氧化放热量低于颗粒内部向表面的传热量，使得颗粒内部升温速率小于 0，颗粒内部温度降低；而当粒径增大至 10 mm 时， 焦炭氧化放热量随之增加，此时颗粒内部焦炭氧化放热量高于颗粒内部向表面的传热量，使得颗粒内部升温速率大于 0，颗粒内部温度升高。这也与图 5 的分析相统一。由于颗粒燃烧过程自外向内进行，且粒径的增大使得颗粒内部向表面的传热量增加，导致表面的焦炭燃尽提前。 而当颗粒燃尽时，表面的灰分在一定程度上阻碍了颗粒内部热量的向外传递，而粒径增加进一步增大了其轴向热阻，使得颗粒内部燃尽温度较高。

2.3 粒径对牛粪颗粒烟气排放特性的影响

不同粒径牛粪颗粒燃烧过程中 CO，NO 体积分数的变化如图 7 所示。

从图 7（a）可以看出，在牛粪颗粒燃烧过程中，CO 的排放存在 2 个特征峰。 对于第 1 个 CO排放峰，峰值强度随着粒径的增大而增大，且到达排放峰值的时间也随之增加。 通常认为，CO 排放过程中的第 1 个峰主要来源于生物质颗粒中轻质组分的分解[16]，而粒径的增大使颗粒内部挥发分含量增加， 轻质组分含量的上升使得 CO 的排放量增加。 对于第 2 个 CO 排放峰， 随着粒径的增加，其峰值强度基本不变，而峰宽逐渐增大。 这是由于颗粒轴向尺寸的增加增大了其传热热阻，使得内部热量难以传至颗粒表面，燃烧不完全的情况增加，燃烧速率减缓。 一方面，粒径的增大使得颗粒焦炭含量增加；另一方面，颗粒表面的灰分限制了氧气分子向内部的扩散， 颗粒的燃烧过程受限，两者共同导致颗粒燃烧发生的时间范围更广。

从图 7（b）可以看出，NO 的排放表现出明显的单峰特征，且在焦炭燃烧阶段，存在 NO 体积分数快速增加的现象。 在牛粪颗粒燃烧过程中，80%的燃料氮会在脱挥发分过程中转化为 NH3，HCN等大量释放。 NO 一方面源自气相中挥发分 N 的氧化， 另一方面源自焦炭表面含 N 物质的氧化。粒径的增大使得颗粒挥发分与焦炭表面的含 N物质增加， 同时更长的脱挥发分时间与燃尽时间增强了颗粒表面的氧化性气氛， 促进了燃料氮向NO 的转化。 研究结果表明，NO 的排放过程主要受焦炭表面含 N 物质的氧化控制，这也与焦炭着火时刻 NO 生成速率的迅速增加相符。

初值化后不同粒径牛粪颗粒的 CO，NO 排放总量如图 8 所示。

从图 8 可以看出，随着粒径的增加，CO 排放总量显著增加， 但均低于相同粒径下颗粒质量的增长幅度， 而 NO 排放总量的增长幅度均高于相同粒径下的颗粒质量。这表明，在牛粪颗粒燃烧过程中，CO，NO 排放总量并不是随着颗粒质量的增加成比例上升，而是会受到粒径的影响。随着粒径的增大，CO 的排放受到抑制， 而 NO 的排放受到促进。 粒径的增加抑制了颗粒内部挥发分的向外传质，延长了挥发分在焦内的停留时间，加强了挥发分与焦炭的相互作用， 减少了由 C 向 CO 的转化；同时，增大的颗粒表面积强化了氧气与颗粒表面的接触，有利于 CO 的燃尽，导致 CO 的增长幅度降低。 而更长的脱挥发分过程增强了颗粒周围的氧化性气氛， 并且氧气传质阻力随着粒径的增大而上升，使得颗粒外层氧气含量局部升高，从而促进了燃料氮向 NO 的转化， 导致 NO 的增长幅度增加。

3 结论

本文通过聚光光热颗粒燃烧实验系统研究了不同粒径牛粪颗粒的燃烧特性与烟气排放特性，得到如下结论。

①牛粪颗粒的燃烧过程分为水分析出干燥、挥发分析出燃烧与焦炭燃烧 3 个阶段。 随着粒径的增加，第 1 阶段的持续时间略有增加，第 2，3 阶段的持续时间显著增加。

②在牛粪颗粒燃烧过程中， 颗粒表面与内部的温差随着粒径的增加而增大。 当挥发分析出燃烧时，颗粒表面温度较高，而在焦炭燃烧阶段，颗粒内温度较高。粒径的增大会使颗粒内、外燃烧过程分离程度增加， 使焦炭燃烧阶段的颗粒内部温度上升， 增大颗粒表面与内部的着火温度差异和燃尽温度差异，同时使表面燃尽时间提前。

③随着粒径的增加，CO 与 NO 体积分数的峰值出现时间与峰值强度均增大。 在 NO 的排放过程中，存在体积分数迅速上升的时刻，并与焦炭的着火时刻接近。 粒径的增加会抑制 CO 的排放，并促进 NO 的生成。