固体生物质燃料发热量检测防止爆燃的研究

刘 福，杨 旭，李亮亮，张锦晖，江 浩，向南宏

(广东省特种设备检测研究院 惠州检测院，广东 惠州 516003)

0 前言

生物质燃料作为一种可再生、环境友好型的清洁能源，具有良好的产业化前景和巨大的发展潜力，近年来得到各国大力发展，在能源结构中占有越来越重要的地位［1－3］。随着国家对节能减排的日益重视，燃煤工业锅炉将逐步被淘汰。越来越多的企业将生物质作为锅炉燃料。发热量是固体生物质燃料的重要经济指标和性能指标，对其推广、应用有着十分重要的作用。凡是利用生物质热能时都必须准确了解其发热量值［4］。

国内以前参照《煤的发热量测定方法》GB/T 213 －2008 检测固体生物质燃料的发热量［5］。但生物质的挥发分远大于煤，且结构松散，密度相对较小，其燃烧特性与煤比较存在较大的差异。样品在氧弹高压、纯氧条件下燃烧，极易发生爆燃，发生飞溅，造成不完全燃烧，从而产生较大的测量误差。

隋艳等人参照欧盟和美国标准，以及我国煤的发热量测定方法标准，采用擦镜纸裹试样、降低氧弹充氧压强、减少氧弹内加水量等方法的研究［4］，但不能完全防止各类生物质燃料氧弹法发热量检测时爆燃现象。《固体生物质燃料发热量测定方法》GB/T 30727 －2014，对于高挥发分的固体生物质燃料，用已知热值的擦镜纸包裹并压紧后再进行发热量测定［6］，采用目前市场普遍使用的煤样压饼机进行处理，并不能有效地防止爆燃。

因此采取能有效防止样品爆燃的检测方法，提高检测的准确度、精密度，对生物质燃料的质量提高和推广应用具有十分重要的意义。

根据生物质燃料爆燃的机理，本文拟研究一种样品处理以减缓燃烧速度、防止爆燃的方法。

1 原理探讨

根据燃烧机理，燃料的燃烧速度主要由燃料与氧的化学反应速度和氧与燃料的接触混合速度两者确定。化学反应速度，也称化学条件;后者称物理混合速度，也称物理条件。

化学反应速度与反应空间的压强、温度、反应物质的特性、浓度有关。对于氧弹法测燃料发热量的燃烧中，影响化学反应速度的主要因素是燃料的挥发分含量和温度。生物质燃料密度相对较小，点火温度低，挥发分含量高，热分解的温度又比较低，一般在350℃就释放出80%左右的挥发分。燃烧开始不久迅速由动力区进入扩散区，挥发分在短时期内迅速燃烧，放热量剧增［7］，剧烈燃烧产生气体急剧膨胀，使火焰外围部分燃料未达到燃烧温度已飞溅。

燃烧速度除与化学反应速度有关外，还取决氧气向燃料表面输送的快慢，即物理混合速度。对于氧弹内的燃料燃烧来说，在高纯氧、高压条件下，块状燃料比粉状燃料输送慢，用擦镜纸包裹比粉状燃料直接与氧气接触输送慢，均能降低燃烧速度。化学反应速度、物理混合速度是相互关联的，对燃烧速度和燃烧的完全均起制约作用。

基于此，高挥发分的粉状生物质燃料在高纯氧的条件下，为确保其完全燃烧，避免爆燃、飞溅现象，应降低燃烧速度。为此，我们提出采用压饼的方法，在高压强压饼机的作用下，将生物质粉末制成结构紧凑、相对密度大(密实度大)的饼状试样，可以有效减缓挥发分的析出，降低氧气与燃料的混合速度，从而有效控制生物质的燃烧速度。

2 试验内容

根据生物质种类多、吸水性强的特点，选取秸秆、稻壳、麦秆、树皮、锯末、松枝、果壳等10 种具有代表性的固体生物质燃料。在不同含水量条件下先制成粒度小于1 mm 的粉末，再在不同压强条件下制成不同密实度的饼状试样，采用长沙开元仪器厂的5E－AC/PL 量热仪进行发热量测试，在氧弹充氧压力为2．8 ～3．0 MPa，加水量为10 ml 的条件下，针对生物质种类、含水量及试样的紧密度进行研究。在此基础上，研制出一种操作方便，可靠性强的生物质燃料化验压饼机。建立适用于固体生物质燃料化验的样品处理方法。

3 结果分析

3．1 同一生物质燃料、相同水分试样，不同压强条件下制成的饼状样品测定

选取易爆燃的秸秆燃料，制成粉状，在压力试验机上分别以30 MPa、100 MPa、200 MPa、250 MPa、300 MPa、350 MPa、400 MPa、450 MPa、500 MPa 压强条件下压制成饼状试样，发热量测定结果和爆燃现象如表1 所示。

表1 同一生物质不压饼及不同压强条件下制成的样品发热量测定结果和爆燃现象

试验表明，在压强为30 MPa 条件下所制的饼样，仍然发生爆燃、喷溅现象。根据计算，煤样压饼机的压强为30 MPa 左右。故采用煤样压饼机对生物质试样进行压饼处理，其密实度不能有效防止爆燃。在压强为100 ～200 MPa 条件下压饼，试验时爆燃现象反而加剧。这是因为样品密实度不够大，样品外层急剧燃烧所产生的热量导致样品中心挥发分析出，少量氧气进入样品中心，挥发分剧烈燃烧所需要的氧量远远大于外界扩散所供应的氧量，使供氧明显不足，较多的挥发分不能燃尽，形成大量CO、H2、CH4等产物，产生大量的不完全燃烧气体。随着燃烧的进一步进行，大量可燃气体在纯氧条件下瞬间燃烧，产生的大量气体快速扩散而使样品发生爆炸。在压强达到300 MPa 以上时，未发生爆燃现象。测定的热值比爆燃时大，且相互很接近。说明在该条件下，饼样的密实度能够有效控制样品的燃烧速度，防止爆燃。

3．2 同一生物质燃料、在350 MPa 压强条件下压饼，不同含水量试样的发热量测试

由于生物质燃料吸水性强，含水量变化范围宽，因此需要研究不同含水量对压饼及发热量测试的影响。

仍选取秸秆易爆燃生物质，选择含水量分别为5．16%、12．79%、23．25%的3 个样品进行试验，试验结果如表2 所示。

表2 不同含水量生物质燃料在350 MPa 压强下压饼后的发热量测定统计结果

对不同含水量的生物质在相同压强下压饼后的发热量试验结果进行显著性检验，发现不同含水量的生物质对测试结果之间均无显著性差异，平均差值都很小，差值的95%概率置信区间的端值，都落在GB/T 213 规定的重复性限之内，说明不同含水量对压饼密实度的影响较小。

3．3 不同生物质燃料在300 MPa、350 MPa 下压饼后的发热量测定

根据上述试验，当压饼压强达到300 MPa 以上时，能有效防止生物质的爆燃。为证实不同生物质燃料在此条件试验的可行性，选取了9 个固体生物质燃料样品的不压饼和300 MPa、350 MPa 下压饼后发热量测定。试验结果和试验中的记录如表3所示。

表3 不同试样不压饼和300 MPa、350 MPa 压饼的发热量测定结果和现象记录

从表3 的数据和记录现象可知，在300 MPa 以上压饼处理后的试样，均能有效防止生物质试样的爆燃。

3．4 实验室采用高压强压饼处理的可行性

选用一定出力的气液增压缸制作成生物质燃料化验压饼机可有效进行压饼处理。图1 为本单位制作的压饼处理设备。该设备操作方便，使用安全，经压饼后的生物质燃料发热量检测时未发生爆燃现象，结果准确。

图1 固体生物质燃料化验压饼机1 －气液压增压缸;2 －箱体;3 －电控箱;4 －压杆;5 －模具

4 结论

(1)生物质燃料是未来的支柱能源之一，其环境效益非常好。但是准确检测固体生物质发热量比较困难，发热量检测过程中的爆燃现象始终未合理解决。本文从应用需要出发，对生物质燃烧的原理进行了初步研究，通过减缓挥发分的析出，降低氧气与燃料的混合速度，从而有效控制生物质的燃烧速度，防止爆燃。

(2)本项目通过大量的试验研究，确定了防止固体生物质发热量检测喷燃的方法—压饼法。采用高压强压饼机，在固体生物质燃料发热量测定前先对样品进行压饼处理，能获得精密度好、准确度高的发热量测定结果。

［1］魏伟，张绪坤． 生物质固体成型燃料的发展现状与前景展望［J］．广东农业科学，2012(5):135 －138．

［2］陈曦，韩志群，孔繁华，等． 生物质能源的开发与利用［J］．化学进展，2007，19(7/8):1091 －1097．

［3］易桂平，胡仁杰． 分布式电源接入电网的电能质量问题研究综述［J］．电网与清洁能源，2014，30(6):38 －46．

［4］隋艳，李英华． 固体生物质燃料发热量测定方法研究［J］．中国科技成果，2013(12):44 －46．

［5］煤炭科学研究总院煤炭分析实验室．煤的发热量测定方法:GB/T 213 －2008［S］．2008．

［6］煤炭科学研究总院检测研究分院．固体生物质燃料发热量测定方法:GB/T 30727 －2014［S］．2014．

［7］刘圣勇，赵迎芳，张百良．生物质成型燃料燃烧理论分析［J］．能源研究与利用，2002(6):26 －28．