生物制成型燃料共燃特性研究*——以牛粪和青稞颗粒燃料为例

西藏农牧学院 饶月，李静，于萍萍

颗粒燃料是指由生物质压缩制成的供暖型燃料，因此具有可再生性、低污染性和实用性[1-2]。目前生物质颗粒燃料主要为木屑、花生壳、稻壳、秸秆、棉籽壳等经过专业技术处理后，生产得到的块状能源，在锅炉燃烧和高原地区供暖领域中具有较好的发展前景。西藏地区居民一般都是将牛粪经自然风干成牛粪饼后作燃料烧茶做饭，或者是简单堆沤后直接施用到农田，资源的利用效率偏低。据测算，一头成年牦牛一年可产生粪便2.65t左右（以平均一天产生7.25kg牛粪计算）[3]。青稞作为广大藏区的主要粮食作物，保证其有效利用率也尤为重要。近年来，国内外大量研究学者对这两种生物质的燃烧特性进行了大量研究，付文轩[4]等进行了废弃牛粪生物质燃烧特性的热重分析，通过对燃烧特征参数提取和计算，讨论样品的着火、燃烧和燃烬性能指标。结果表明，随着升温速率增大，可燃性指数、燃烬特性指数和燃烧特征指数均呈增加趋势。杨鹏[5]等选取锯末、谷糠、果树残枝三种常见的木质类和非木质类有机废弃物为辅料，通过调节原料配比及含水率，采用挤压成型和特性测定等方法，分析了原料含水率和原料配比对颗粒成型燃料成型率、全水分、灰分、挥发分、固定碳、含硫量和发热量的影响。结果表明，牛粪与果树残枝2∶1混合是牛粪制备颗粒燃料的最优组合配方。

可以看出，现阶段对牛粪和青稞混合燃料燃烧特性的研究较少。本研究以牛粪和青稞颗粒燃料为原料，配置成不同比例（青稞含量为25%、50%、75%）的混合燃料，对比分析三种配比燃料在升温速率为30℃/min时的可燃特性、挥发分析出特性和综合燃烧特性。从多方面分析以上三种燃料的燃烧特性，为牛粪、青稞生物质颗粒燃料开发利用提供了更多理论参考和实验依据。

一、材料与方法

（一）材料处理

牛粪和青稞均取自西藏林芝，经晾晒后打碎成2mm左右的粉末。根据GB/T28730-2012、GB/T28731-2012、GB/T28732-2012、GB/T3--0733-2014、GB/T30727-2014、GB/T28733-2012等国家标准对两种原料主要进行了工业分析、收到基恒容低位发热量和碳、氢、氮、氧元素的测定，牛粪和青稞两种原料的工业分析和元素分析见表1所示。将两种粉末加工成致密成型燃料，用密封袋封装保存，置于干燥器内备用。

表1 原料的工业分析和元素分析

（二）仪器及方法

试验仪器：该试验在DZSTA 200同步热分析仪上进行，该仪器的主要性能指标为最高温度可以达到1200℃；测量范围为0-2000mg；加热速率的范围在1-80℃/min之间；温度分辨率为0.1℃；温控方式为升温、恒温、降温。

试验方法：把做好的牛粪和青稞两种颗粒燃料切成每份样品质量为6mg左右，试验时反应气为空气，流量为60ml/min，燃烧温度范围为室温到1000℃。为保证本试验数据的可靠性，每种样品均做三组重复试验。

（三）数据处理

本试验的着火温度用切线法来确定，在DTG曲线挥发分析出阶段的峰值点做一条垂线与TG，这条垂线与TG曲线交于一点，然后过交点作TG曲线的切线并与失重起始平行线（质量损失为5%时）相交，标记为A点，该点A所对应的温度为着火温度，记为Ti。

二、结果与分析

（一）TG和DTG曲线分析

图1为三种不同配比的燃料在升温速率为30℃/min下的失重（TG）曲线和失重速率（DTG）曲线。可以看出，三种燃料的TG曲线下降的大体趋势相似，均为一开始略微下降，然后快速下降，最后趋于平缓的燃烧过程。

图1 三种燃料的TG和DTG曲线

整个燃烧过程主要发生在TG曲线平缓之前，对应DTG曲线上的不同峰值，即TG曲线上一开始的轻微下降阶段对应为DTG曲线上的第一个小峰值，在这一阶段，燃料的质量损失较小，为燃料的水分蒸发阶段。挥发分析出燃烧阶段是TG曲线上下降最为迅速的一段，对应DTG曲线上的最大的一个峰值，即最大燃烧速率，在这一阶段，燃料内部的挥发分快速析出并燃烧，可以看出，随着燃料中青稞含量的增加，其最大燃烧速率也增大。DTG曲线上的第三个峰值对应TG曲线上挥发分析出后的一段，这一燃烧阶段为燃料的固定碳燃烧阶段，最后为燃尽阶段。还有一部分没有燃烧完全。青稞含量为50%和75%时，燃料的剩余灰渣量相近，分别为14.7%和14.9%。即当青稞颗粒的含量大于等于50%时，其剩余灰渣量较少，有利于燃料的燃烧。

表2列出了三种燃料在升温速率为30℃/min时的着火与燃尽温度等特性参数、燃烧速率等值。可以看出，三种燃料的着火温度接近，差值在3℃左右，随着青稞含量的增加，其燃尽温度减小，燃料中青稞的含量在75%时，其燃烧速率最大为37.9%·min-1，是青稞含量为50%时的1.3倍，青稞含量为75%时的2.3倍，平均燃烧速率最大为9.1%·min-1。

表2 三种燃料的燃烧特性参数

（二）燃烧特性分析

为了综合分析这两种生物质颗粒燃料共燃的燃烧特性，下面从可燃特性指数、挥发分析出特性指数和综合燃烧特性指数这几个方面对试验结果进行分析。

1.可燃特性指数

式中，Cr为生物质的可燃特性指数，Cr值越大，着火温度越低，生物质越易燃烧，(dw/dt)max为最大燃烧速率；Ti为着火温度，采用TG-DTG切线法确定。

2.挥发分析出特性指数

式中，Rh为生物质的挥发分析出特性指数，Rh值越大，燃料内部的挥发分越容易遇热分解，析出速率也越快，挥发分析出也越彻底。Tmax为最大燃烧速率所对应的温度；△T为挥发分最大析出速率所对应的温度与着火温度的温度差。

3.综合燃烧特性指数

式中，P为综合燃烧特性指数，P值越大，燃烧过程越稳定。(dw/dt)mean为平均燃烧速率；Th为燃尽温度，除了生物质到燃尽阶段燃烧的剩余灰渣外，生物质颗粒燃料内部可燃物燃烧到98%时所对应的温度。

图2为三种燃料剩余灰渣量的百分比，可以看出，燃料中青稞含量为25%时，其剩余灰渣量最多为40.8%，主要是由于牛粪的灰分含量高，牛粪和青稞颗粒燃料混合时，牛粪过多，在可燃物质燃尽后会在没燃尽的物质外围形成一层灰渣层，导致燃料中

图2 三种燃料的剩余灰渣量

表3为三种燃料的可燃特性指数Cr、挥发分析出特性指数Rh和综合燃烧特性指数P的值。从表3可以看出，燃料中青稞的含量为25%时，其可燃特性指数、挥发分析出特性指数和综合燃烧特性指数的值均最小，分别为2.3×10-4mg·min-1·℃-2、1.92×10-4mg·min-1·℃-2和2.3×10-6 mg2·min-1·℃-2。随着燃料中青稞含量的增加，三种指数的值也有不同程度的增大，青稞含量增加到50%时，三种指数分别增加0.85倍、1倍和2.1倍。青稞含量增加到75%时，三种指数分别增加1.3倍、1.7倍 和3.2倍。所以在青稞含量为75%时，燃料的这三种指数的值最大，分别为5.28×10-4mg·min-1·℃-2、5.13×10-4mg·min-1·℃-2和9.7×10-6mg2·min-1·℃-2。这三种燃烧特性指数能分别从燃料的可燃程度挥发分析出程度和燃烧过程的稳定性等方面综合分析燃料，其数值越大，燃烧的可燃程度、挥发分析出程度和燃烧的稳定性能也越好。所以可以从表3中清晰地看出燃料中青稞的含量为75%时，其燃烧特性最佳。

表3 三种燃料的燃烧特性指数

三、结论

（1）燃料中青稞颗粒的含量大于等于50%时，其剩余灰渣量较少，有利于燃料的燃烧。青稞的含量在75%时，其燃烧速率最大为37.9%·min-1，是青稞含量为50%时的1.3倍，青稞含量为75%时的2.3倍。

（2）从三种特性指数分析可得，燃料中青稞含量为75%时，可燃特性指数Cr挥发分析出特性指数Rh和综合燃烧指数P的值均最大，分别为5.28×10-4mg·min-1·℃-2、5.13×10-4mg·min-1·℃-2和9.7×10-6 mg2·min-1·℃-2。

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颗粒燃料（英语：Pellet fuel）是从生物质压缩制成的供暖燃料。最常用类型是木颗粒。作为木头燃料的一种形式，木颗粒通常从锯木及其他木制品产生的压实的锯末或其他废物制成。其他木本生物质能源包括棕榈核壳，椰子壳，以及整树移除或在伐木之后剩余的树梢和树枝等，否则有助于补充土壤养分。还有草类也可以颗粒化，形成草颗粒。颗粒被制造成几种类型和等级燃料用于发电厂，家庭，和在两者之间其他应用。颗粒是非常致密的并可制备低含水量（低于10%），使它们能够以非常高的燃烧效率被焚烧。

此外，它们的规则的几何形状和小尺寸使自动送料能做到非常精细的校准。它们可以通过螺旋推运器进料或由气动输送供给到燃烧器。它们的高密度也允许紧凑的存储和合理的长距离运输。它们可丛罐车方便地被吹入至在客户的场所的储仓或筒仓。

自1993年以来，范围广泛的颗粒炉，中央供暖炉，及其他供暖器具已经被开发和销售。随着2005年以来的化石燃料价格的飙升，对颗粒供暖的需求在欧洲和北美有所增加，并且一个庞大的产业正在兴起。据国际能源署的任务40工作组，木屑颗粒的生产已由2006年到2010年间增加了一倍，至超过1400万吨。在2012年的报告中，生物质能资源中心表示，它预计在北美地区木颗粒的生产在未来五年内将会再增加一倍。

颗粒被制造是首先把木质材料通过一个锤磨机变成均匀的生面团状物质，再被压缩而成。这些物质被送入压缩机，在那里通过模具挤成颗粒，模具通孔具有所需大小的尺寸 （直径一般为6毫米，有时8毫米或更大)。压缩机的高压使木材的温度大大增加，并且木质素略微塑化形成天然“胶水”在它冷却时把粒料粘一起。

颗粒可以被从草生物质和不含有木质素的其它非木本形式制成：干燥的酒糟谷粒（一种酿造工业副产品）可以被添加，以提供必要的耐久性。康奈尔大学新闻2005年的新闻报道表明，草颗粒生产在欧洲比北美更先进。它建议作为原料草的好处包括其短生长时间（70天），且易于种植和加工。