锯末-煤成型燃料在固定床反应器中的燃烧特性实验研究

《Energies》：Experimental Investigation of the Combustion Characteristics of Briquettes Produced from Sawdust and Coal in a Fixed-Bed Reactor

　　

研究人员对锯末-煤成型燃料（briquettes）在固定床反应器（fixed-bed reactor）中的燃烧特性进行了实验研究，以评估燃料组成对燃烧行为的影响。制备了煤含量为0–60 wt.%（间隔10 wt.%）的成型燃料，并在恒定空气质量通量0.10 kg/m²s下进行燃烧。通过温度分布、质量损失历程、点火时间（ignition time）、火焰传播速度（flame propagation speed）和燃烧速率（burning rate）评估燃烧性能。温度曲线呈现单一主导峰，表明燃料加热、脱挥发分（devolatilization）、挥发分燃烧和焦炭氧化（char oxidation）过程存在显著重叠。峰值床温从含40 wt.%锯末成型燃料的813 °C降至纯锯末成型燃料的657 °C，而燃烧持续时间随锯末含量增加从26 min降至21 min。质量损失速率、火焰传播速度和燃烧速率随锯末含量增加而增大，点火时间则逐渐缩短。总体而言，较高的锯末含量促进了更早的点火、更快的燃料转化和更高的燃烧反应性，而较高的煤含量则导致燃烧温度升高和燃烧持续时间延长。这些发现为优化固定床燃烧应用中生物质-煤成型燃料配方提供了见解。

研究背景方面，全球能源需求持续增长，化石燃料枯竭与环境污染问题日益突出，寻找可持续替代能源成为紧迫任务。生物质因其可再生、碳中性及可部分替代化石燃料的特性而受到广泛关注。锯末作为木材加工的主要副产物，制成成型燃料后可提供比煤更清洁的燃烧替代方案。煤虽因高热值、储量丰富而仍是全球主要能源，但其燃烧释放大量CO₂、SO_x、NO_x、颗粒物（PM）和多环芳烃（PAHs），对空气质量和人体健康构成严重威胁。生物质与煤的协同利用因此成为兼顾能源安全与减排的重要策略。前人研究多集中于煤-生物质共燃、共气化及共热解，表明生物质添加可因高挥发分、富氧结构和较高H/C比而增强燃料反应性。然而，多数研究聚焦于粉状燃料或松散混合燃料在热重分析（TGA）等条件下的行为，对致密化成型燃料（briquettes）在固定床条件下的燃烧特性研究相对有限。成型过程改变燃料密度、孔隙率、颗粒排列及热质传递特性，松散混合燃料的性能无法直接外推至成型燃料。固定床燃烧涉及干燥、脱挥发分、挥发分燃烧、焦炭氧化、传热和氧传输等一系列耦合过程，需系统表征温度演化、点火行为、燃烧锋传播、质量损失和燃烧速率等参数。为此，研究人员开展了此项研究，旨在建立成型燃料组成与整体燃烧行为之间的关系，为固定床应用中锯末-煤成型燃料的配方选择与设计提供实用信息。

研究方法方面，研究人员采用肯尼亚Nyeri镇当地锯木厂的雪松（Juniperus procera）锯末和来自Nairobi工业区的烟煤为原料，经研磨过600 μm筛后按质量比混合制备七种配方（煤含量0–60 wt.%，间隔10%）。成型燃料在圆柱形钢模中于200 kN恒定载荷下压制20 s，无粘结剂添加，成型后经挤出、日晒干燥并密封保存。燃料特性通过工业分析和元素分析确定。实验在实验室规模固定床反应器中进行，反应器为垂直圆柱形燃烧室（内径100 mm、外径180 mm、高200 mm），沿壁面以20 mm间隔布置四个K型热电偶（TC1–TC4）监测床层温度，采用逆流燃烧模式，顶部以甲烷火焰点火，燃烧锋向下传播，室温空气经底部多孔不锈钢炉排进入。空气流量由玻璃转子流量计控制，固定空气质量通量为0.10 kg/m²s。燃料质量损失通过精密天平连续称量反应器重量确定，温度数据由Arduino采集系统记录。点火时间通过T1温度曲线快速升温段切线外推至基线交点确定；火焰传播速度由相邻热电偶峰值温度时间差与间距之比计算；燃烧速率以单位床层截面积单位时间消耗的燃料质量表示；采用线性回归分析锯末含量与各燃烧参数的关系。

研究结果方面，温度分布与峰值床温部分，所有配方的温度均呈逐渐升高、快速升至峰值后下降的趋势，TC1先于TC2、TC3、TC4达到峰值，证实燃烧锋向下传播；每个热电偶处呈现单一温度峰，可能表明各过程热效应在温度曲线中重叠，但温度测量本身无法确定各过程是同时还是顺序发生。峰值床温随锯末含量增加而降低，从40%锯末的约813 °C降至100%锯末的657 °C，降幅约19%，回归分析确认强线性负相关（T_peak = 917.93 ? 2.593×S，R² = 0.9943），锯末含量每增加1%峰值温度降低约2.59 °C。燃烧持续时间呈相反趋势，纯锯末成型燃料约21 min，40%锯末约26 min。质量损失历程部分，燃烧过程中质量持续下降，纯锯末成型燃料质量损失快于富煤成型燃料，但锯末含量低于80 wt.%时趋势一致性较差，可能与峰值温度反映热平衡而质量损失取决于水分脱除、脱挥发分、挥发分燃烧、焦炭氧化及热质传递等多过程组合效应有关。点火特性部分，点火时间随锯末含量增加而缩短，从40%锯末-60%煤的约330 s降至100%锯末的约235 s，回归分析确认强线性负相关（t_ign = 365.544 ? 1.312×S，R² = 0.9062），锯末含量每增加1%点火时间缩短约1.31 s；锯末挥发分含量（81.02%）显著高于煤（54.81%），可能促进可燃挥发分更早释放，而煤较高热值（20.80 MJ/kg vs. 锯末16.61 MJ/kg）意味着富煤成型燃料需更多热量达到持续燃烧条件。火焰传播行为部分，平均火焰传播速度随锯末含量增加而增大，从40%锯末的约0.132 mm/s增至100%锯末的0.173 mm/s，增幅约31%，回归分析确认强线性正相关（V_f = 0.10246 + 0.0007362×S，R² = 0.9773），测量值处于固定床反应器生物质燃烧报道的0.05–0.30 mm/s范围内；误差棒代表每次燃烧运行中三个热电偶段间传播速度的标准差，反映段间变异性而非独立重复实验的不确定度。燃烧速率特性部分，燃烧速率总体随锯末比例增加而增大，从40%锯末的13.99 kg/m²h增至100%锯末的17.72 kg/m²h，总体增幅26.7%，但中间组成呈非单调变化（50%时为15.40 kg/m²h，60%时降至14.10 kg/m²h，70–90%间波动于14.18–15.42 kg/m²h）；误差棒基于质量损失、反应器截面积和燃烧时间的不确定度传播定律估算；富煤成型燃料虽达到更高燃烧温度，但最大燃烧速率出现在100%锯末成型燃料，表明峰值温度本身不足以预测燃料消耗。综合结果表明，煤含量增加提升峰值床温并延长燃烧持续时间，锯末含量增加则缩短点火时间并提高质量损失速率、火焰传播速度和燃烧速率，富煤成型燃料产生更高温更持久的燃烧，富锯末成型燃料促进更早点火、更快火焰传播和更高燃料转化速率，最优配方应根据预期应用在热输出与燃烧反应性之间取得平衡。

讨论部分总结指出，燃烧强度（以峰值温度表征）与燃料转化速率并不必然等同，二者应视为互补而非可互换的燃烧性能指标；结果需在固定空气供应条件下解读，因不同燃料混合物的理论需氧量不同。研究结论部分翻译如下：本研究考察了燃料组成对锯末-煤成型燃料在固定床燃烧器中燃烧特性的影响。所有成型燃料配方均呈现单一主导温度峰，表明燃料加热、脱挥发分、挥发分燃烧和焦炭氧化过程存在显著重叠。峰值床温从含40%锯末成型燃料的约813 °C降至纯锯末成型燃料的657 °C，反映了煤较高的热值和固定碳含量。同样，燃烧持续时间随锯末含量增加而缩短，表明富锯末成型燃料中燃料转化更迅速。质量损失速率总体随锯末比例增加而增大，表明燃料转化增强。点火时间随锯末含量增加从约330 s降至235 s，火焰传播速度从0.132 mm/s显著增至0.173 mm/s。燃烧速率亦随锯末含量增加而增大，但中间组成趋势并非严格单调。总体而言，在固定空气质量通量0.10 kg/m²s下，成型燃料组成强烈影响所测燃烧特性。煤含量增加与更高峰值温度和更长燃烧持续时间相关，而锯末含量增加则促进更早点火、更快火焰传播、更高质量损失速率和更高燃烧速率。这些对比趋势表明，以峰值温度表征的燃烧强度与燃料转化速率并不必然等同。结果应在固定空气供应条件的背景下解读，因不同燃料混合物可能具有不同需氧量。因此，峰值温度和燃烧速率应视为互补而非可互换的燃烧性能指标。研究结果为根据固定床燃烧系统中热输出与燃烧反应性之间期望平衡来选择锯末-煤配比提供了依据。