PDF《添加生物质助燃物改善牛粪燃烧性能》

第30 卷第18 期农业工程学报Vol.

30 No.18

230 2014 年9月Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Sep.

2014 添加生物质助燃物改善牛粪燃烧性能 曹红亮,高勇,辛娅,杨龙元,袁巧霞 (华中农业大学工学院,武汉 430070) 摘要:为了改善牛粪的燃烧性能,该研究以栾树干、稻草和玉米芯为助燃物,采用热重分析法计算分析了纯牛 粪及其与各助燃物在 1∶

1、2∶1 和3∶1

3 种质量配比下的混合燃烧性能与燃烧反应动力学行为.结果表明:添 加助燃物后的牛粪混料着火特性较纯牛粪变化不大,但燃尽特性有较为明显的改善,其中稻草和玉米芯的改善效 果要优于栾树干,且稻草略好于玉米芯;

栾树干、稻草和玉米芯

3 种混料在不同质量配比下的综合燃烧特性指数 的平均值分别为 1.89*10-10 、2.09*10-10 和2.45*10-10 mg2 /(K3 ・min2 ),相对于纯牛粪分别提高了 9.88%、21.51%和42.44%;

在活化能 E 和频率因子 A 构成的燃烧反应活性分布图上,以纯牛粪为参考点,3 种质量配比下的玉米芯 混料均向高反应活性区大幅移动,而稻草混料需要在较大的配比下才能大幅向高反应活性区移动,栾树干混料则 均一定程度地向低反应活性区移动.以上研究结果为基于农林废弃物的牛粪混合燃烧处理提供了依据和参考. 关键词:生物质;

热重分析;

燃烧;

牛粪;

农林废弃物;

反应动力学 doi:10.3969/j.issn.1002-6819.2014.18.029 中图分类号:S216 文献标识码:A 文章编号:1002-6819(2014)-18-0230-08 曹红亮,高勇,辛娅,等. 添加生物质助燃物改善牛粪燃烧性能[J].农业工程学报,2014,30(18):230-237. Cao Hongliang, Gao Yong, Xin Ya, et al. Improvement for combustion performance of cattle manures by adding biomass combustion-supporting materials[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(18): 230-237. (in Chinese with English abstract)

0 引言近年来随着中国肉牛、奶牛养殖业规模化、集 约化的迅速发展,养牛场粪便集中排放造成的环境 污染问题日益突出.牛粪在造成空气、水体和土壤 污染的同时,其大量堆放还占用了养牛场自身有限 的生产空间,从而制约着养牛业自身的可持续发 展.因此,对牛粪进行无毒化处理迫在眉睫[1] . 目前中国牛粪处理方式主要是沼气发酵,在消 耗处理牛粪的同时,还可获得沼气等能源产品[2-6] . 但由于牛粪有机质浓度和难降解的纤维素含量较 高,存在调试启动慢、处理周期长、产气量低以及 沼液沼渣二次污染等不足,难以满足规模化、集约 化健康养殖的发展需求[7-8] .徐淑文和唐家富[9] 则从 能量平衡的角度对牛粪厌氧发酵处理和燃烧处理 进行了对比分析,论证了对牛粪进行燃烧处理的可 行性和优越性.Sweeten 等[10] 也提出对牛粪进行燃 收稿日期:2014-04-17 修订日期:2014-09-24 基金项目:公益性行业(农业)科研专项经费资助项目(201303091) ;

中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(52902-0900206116) 作者简介:曹红亮(1982-) ,男,湖北荆州人,讲师,博士,主要从 事农业生物环境与能源工程研究. 武汉 华中农业大学工学院农业生物 环境与能源工程研究室, 430070. Email: hongliangcao@mail.hzau.edu.cn 通信作者:袁巧霞(1963-) ,女,湖北麻城人,教授,博士,博士 生导师,主要从事农业生物环境与能源工程研究.武汉 华中农业大学 工学院农业生物环境与能源工程研究室,430070. Email:qxyuan@mail.hzau.edu.cn 烧处理是对其无毒化且快速高效处理的一条有效 途径.然而,由于牛粪灰分含量偏高且盐分组分不 稳定,其单独作为燃料时对燃烧炉的设计提出了挑 战,且燃烧性能不佳[11-12] .针对这一难题,国内外 研究者认为将其与煤炭等燃料混合燃烧是一可行 的解决途径[13-19] .张婷婷和潘晓亮[16] 对牛粪与煤炭 混合物进行了热值测定、燃烧速率及污染物排放等 特性分析,研究表明,混料较牛粪单独燃烧,其燃 烧特性有了明显改善,同时较煤炭单独燃烧降低了 SO

2、NOx 等污染物的排放.韩磊等[18] 还就牛粪混 合煤炭压缩成型蜂窝煤进行了研究,证明了其可行 性,并给出牛粪与煤炭混合配比的有效范围. 但是,煤炭是不可再生的化石能源,存在总量 有限且污染环境等不足.那么,寻求新的可再生的 清洁燃料作为牛粪助燃物势在必行.闵凡飞和张明 旭[20] 深入研究了小麦秸秆和玉米芯2种生物质的燃 烧模式和燃烧特性,并与煤炭的燃烧特性进行了比 较,发现2种生物质的综合燃烧特性指数均要明显 高于煤炭的综合燃烧特性指数.文献[21-24]对玉米 秆、玉米芯、稻秆、麦秆、油菜秆、龙眼枝、荔枝 条等农林生物质及其混料进行了系统的燃烧特性 研究,表明农林生物质是环境友好且燃烧性能良好 的清洁燃料.从这些研究来看,农林生物质是可替 代煤炭、很有潜力的牛粪助燃物,但具体进一步将 其用于改善牛粪燃烧性能的相关研究还未见报道. 为此,本研究以农林废弃物栾树干、稻草、玉米芯 第18 期 曹红亮等:添加生物质助燃物改善牛粪燃烧性能

231 为助燃物,讨论各助燃物与牛粪在不同混合配比下 的着火温度、燃尽特性、综合燃烧特性以及燃烧反 应动力学行为,分析其对牛粪燃烧性能的改善效果 及作用机制,为基于农林废弃物的牛粪混合燃烧处 理提供参考.

1 试验材料与方法 1.1 试验材料 本试验使用的牛粪取自湖北省武汉市江夏区 东征畜牧养殖有限公司,栾树干、稻草、玉米芯助 燃物取自华中农业大学试验田.为了后续热重试验 分析的需要,对所有试验物料都经过晾干预处理 后,在105℃的干燥箱内干燥

48 h,再将干燥物料 研磨成粉,并过

100 目筛备用.各试验物料的工业 分析和元素分析如表

1 所示. 1.2 试验方法 利用美国 TA 公司生产的 SDT Q600 型综合热 分析仪对燃料样品进行热重分析.试验中,采用流 量为

100 mL/min 的空气作为载气,使用非等温法 进行加热,升温速率为 20℃/min,从室温升温,升 温至

1 200℃,样品质量约为

10 mg.为了研究不同 配比条件下牛粪与助燃物混合燃烧的特性,将牛粪 与各助燃物分别按照 1∶

1、2∶

1、3∶1 的配比(以 质量计)均匀混合后进行热重试验. 表1试验物料的工业分析和元素分析 Table

1 Proximate and ultimate analyses of experimental materials 工业分析 Proximate analysis/% 元素分析 Ultimate analysis/% 试验物料 Experimental materials 灰分 Ad 挥发分 Vd 固定碳 FCd 碳Cd 氢Hd 氧Od 氮Nd 硫Sd 牛粪 Cattle manure 22.11 67.02 10.87 44.90 5.61 30.09 0.65 0.11 栾树干 Koelreuteria ........