加拿大一枝黄花燃烧块燃烧特性试验研究
　　摘要:对不同压力和温度下压制的加拿大一枝黄花( Solidago canadensis L. ) 燃烧块的燃烧特性进行了试验分析.结果表明,不同压力压制的燃烧块其燃烧效率差异显著;不同温度下压制出的燃烧块其燃烧效率差异极显著,燃烧时间和无焰燃烧温度差异显著; 不同压力、温度及两者的交互作用与各指标间的差异均不显著.经多重比较,各种压力下,60 ℃压制出的燃烧块是最优的,可以为用户提供优质的燃烧块.同时,压制燃烧块过程中,加温不应超过70 ℃,否则燃烧块的燃烧特性会明显变差.
　　关键词:加拿大一枝黄花;燃烧块;压力;温度;燃烧特性
　　生物质作为一种可存储的可再生能源,引起了世界各国的广泛关注[1 - 2],将生物质进行压缩固化,使其转化为高品位燃料是生物质能利用的重要方法[3].生物质压块改善了松散生物质的燃烧性能,其热值相当于中质煤炭,提高了生物质储存、运输的方便性和安全性,具有巨大的市场竞争力[4].然而,生物质成型燃料生产和利用过程中存在原料的持续供应、燃烧性能等方面仍然存在诸多问题,解决好这些问题是确保生物质致密成型和利用产业发展的关键[5].加拿大一枝黄花( Solidago canadensis L. ) 于1935 年作为观赏植物引进我国后,由于它兼有有性和无性繁殖方式,对环境具有极强的适应能力,逸生野外成为恶性杂草,已引起入侵地绿化灌木成片死亡,严重影响农作物产量和质量,威胁到我国生态安全,被称为"生态杀手"[6 - 8].加拿大一枝黄花从无到有,从稀少变成恶性杂草、"生态杀手",说明其生物量达到了相当大的规模,这是一个非常具有利用价值的潜在植物资源.笔者将加拿大一枝黄花压制成燃烧块,并对燃烧块的燃烧特性进行分析,以期为加拿大一枝黄花的综合防治和利用,以及解决生物质成型燃料生产和利用过程中存在的原料持续供应短缺、燃烧性能差异大等问题提供借鉴.
　　1 材料与方法
　　1. 1 燃烧块的压制
　　1. 1. 1 使用的设备.使用宝轮精密检测仪器有限公司生产的"BL-6170-C 手动压片机"压制燃烧块,压块模具规格为220 mm × 220 mm × 150 mm.
　　1. 1. 2 工艺流程.首先将一枝黄花植株晒干后粉碎,然后加入适量的水和变性淀粉搅拌均匀,最后进行进料、压制成燃烧块,晒干后待用( 图1) .
　　图1 燃烧块压制的工艺流程1. 1. 3 技术指标.
　　1. 1. 3. 1 压力选择.选择20、32 和50 t 3 种压力的压块机进行压制试验.
　　1. 1. 3. 2 温度控制.压制过程中选择以下几种温度控制:
　　常温、40、60、70、80、40 ~ 80 ℃.其中, 40、60、70、80 ℃的升温过程均为达到设定的温度后,继续加热0. 5 h,即使设定温度保持0. 5 h 的恒温; 而40 ~ 80 ℃则是在0. 5 h 内使温度由40 升至80 ℃,升至80 ℃后即刻停止加温.
　　1. 1. 3. 3 粘合剂的种类和用量.在预制试验中发现,加拿大一枝黄花粉碎后不加任何粘合剂的情况下,虽然也能够压制成型,但制成的燃烧块晒干后很易碎,不便堆放和运输.为此,选择变性( 玉米) 淀粉作为粘合剂.当然,仅仅从压制成型的角度看,变性淀粉用量越大,粘合的效果越好,但必将影响燃烧块的燃烧效果,并增加成本.该研究分别用加拿大一枝黄花碎屑与粘合剂的体积比、重量比进行了试验,结果表明,以10%的重量比压制出的燃烧块便可达到一定的强度,既可保证堆放和运输过程中不碎,又能满足无  污染、增加成本甚微和不影响燃烧效果等要求.
　　1. 2 燃烧装置使用的"MDF-01 型阻然木材燃烧测试装置"主要有外径为175 mm 的圆形钢支架; 直径3. 2 mm 钢丝焊接成的正方形试件支承架; 厚度1 mm 的不锈钢板制成的火焰保护罩,前侧设有一玻璃观察窗,观察窗尺寸为195mm × 180 mm,保护罩顶端设有直径70 mm 的排烟口; 排烟口上方温度的测定采用精度Ⅱ级、外径3 mm 的镍铬- 镍硅铠装热电偶.燃烧器由直径50 mm 的喷头和调节阀组成,并设有8 个直径8 mm 的空气吸入孔; 温度指示仪量程0 ~ 800 ℃,精度1. 0 级,与热电偶配套使用; 气体( 燃气) 流量计流量范围0. 025 ~ 0. 250 m3 /h; 数字定时器定时范围0~ 24 min,级差1 s.天平感量0. 01 g.
　　1. 3 试验方法
　　1. 3. 1 取样.为了比较不同压力和温度下燃烧块的燃烧特性,采取随机抽样,每种条件下的燃烧块随机抽取1 块,将被抽中的燃烧块切割成相同重量的3 个试样( 小方块) ,试样的重量为( 23. 0 ± 0. 5) g,共测定54 个样本.
　　1. 3. 2 试样的放置.为防止试样在燃烧过程中从试件支承架上脱落,设计了一个半球形的60 目钢丝网球放在试件支承架底部,将燃烧试样垂直放在半球体中部.在试件支承架下方平铺一块薄玻璃板,以便承接燃烧的灰烬.
　　1. 3. 3 测试指标
　　1. 3. 3. 1 燃烧效率.将数字定时器设定为3 min( 引燃时间) ,将燃气流量计旋至最大( 0. 25 m3 /h) ,点燃燃烧器后按下开启按钮,燃烧器自动旋转至试件支承架下部,并在3min 时自动移出.燃烧器移出后试样继续燃烧直至熄灭后,将网球中的燃烧剩余物和玻璃板上的灰烬收集在一起称重,采用下式计算燃烧效率:
　　燃烧效率( %) =燃烧前重量- 燃烧后重量( 灰、剩余物)燃烧物重量( 试样重) × 100%1. 3. 3. 2 燃烧时间.自燃烧器移出至火焰熄灭记为有焰燃烧时间,自无火焰至熄灭( 无炭火) 记为无焰燃烧时间,两者之和记为燃烧时间( min) .
　　1. 3. 3. 3 火焰高度.火焰高度指燃烧块上表面至火焰顶端的高度( cm) .
　　1. 3. 3. 4 有焰燃烧温度和无焰燃烧温度.热电偶距离燃烧块上表面平均高度为( 36 ± 5) cm,有焰燃烧温度和无焰燃烧温度是指各自燃烧阶段指示器温度开始下降时的温度( ℃) .
　　2 结果与分析2. 1 不同压力和温度下压制出的燃烧块的燃烧特性差异比较方差分析表明,不同压力压制的燃烧块其燃烧效率差异显著; 不同温度下压制出的燃烧块其燃烧效率差异极显著,燃烧时间和无焰燃烧温度差异显著; 不同压力、温度和两者交互作用与各指标间的差异均不显著( 表1) .
　　表1 不同压力和温度下燃烧块燃烧特性的方差分析变异来源燃烧效率∥%均方F 值燃烧时间∥min均方F 值火焰高度∥cm均方F 值有焰燃烧温度∥℃均方F 值无焰燃烧温度∥℃均方F 值自由度压力∥t 16. 750 3. 740* 5. 459 1. 902 8. 720 0. 463 156. 722 0. 258 1 148. 574 1. 670 2温度∥℃ 20. 201 4. 510** 9. 199 3. 205* 10. 899 0. 578 365. 289 0. 601 2 143. 630 3. 117* 5压力× 温度1. 494 0. 333 3. 583 1. 248 10. 992 0. 583 190. 278 0. 313 895. 019 1. 301 10随机误差4. 479 2. 871 18. 852 607. 575 687. 722 36总和532. 2 不同压力下燃烧块燃烧效率的差异性在方差分析的基础上,利用SPSS 统计分析软件的最小显著差法( Theleast significant difference,LSD) ,对差异显著的影响因子做多重比较.由表2 可知,压力越大,燃烧块的燃烧效率越低.在5% 的显著性水平上, 50 和20 t 压力下压制出的燃烧块的燃烧效率差异显著,32 和20、50 t 之间无显著差异.
　　在1%的显著性水平上,3种压力下燃烧块的燃烧效率均无显著差异.
　　表2 不同压力下燃烧块燃烧效率的LSD 法多重比较压2. 3 不同温度下燃烧块燃烧效率、燃烧时间和无焰燃烧温度的差异性2. 3. 1 不同温度下燃烧块燃烧效率的多重比较.由表3可知, 60 ℃下压制出的燃烧块,不仅燃烧效率最高,而且与其他几种加温条件的燃烧效率均有极显著的差异.而其他几种温度间不论是在5%的显著性水平上,还是在1% 的显著性水平上均无显著差异.可见,加温对燃烧块燃烧效率的影响60 ℃可以视为一个临界点.60 ℃之前,由于变性淀粉的粘合性没有得到充分的发挥,使得燃烧块的密度较小,影响了颗粒间的热传导,使得燃烧效率降低; 加温超过60℃时,变性淀粉出现了硬化、焦化,少量的一枝黄花碎屑出现了炭化,使燃烧效率降低.
　　2. 3. 2 不同温度下燃烧块燃烧时间的多重比较.表3 表明,在5% 的显著性水平上, 60、40 ℃、常温只与80 ℃的燃烧块的燃烧时间有显著差异; 40 ~ 80、70 ℃与其他所有加温条件下的燃烧块在燃烧时间上均无显著差异; 常温与40~ 80、80 ℃的燃烧块在燃烧时间上有显著差异; 80 ℃与常温、40、60 ℃的燃烧块在燃烧时间上有显著差异,而与40 ~80、70 ℃之间无显著差异.
　　2 . 3. 3 不同温度下燃烧块无焰燃烧温度的多重比较.在  5% 的显著性水平上, 60°、40 ℃、常温只与80 ℃的燃烧块在无焰燃烧温度条件下有显著差异; 40 ~ 80、70 ℃与其他所有加温条件下的燃烧块在无焰燃烧温度上均无显著差异.方差分析表明,在1%显著性水平上,各种加温条件下压制出的燃烧块其燃烧时间、无焰燃烧温度之间均无显著差异.
　　在5%显著性水平上,80 ℃加温条件下压制的燃烧块燃烧时间最短,只有7. 5 min,而无焰燃烧温度却最高,高达194℃,对于主要以提供生活燃料的燃烧块而言,这种条件下压制出的燃烧块是不理想的,在今后应用中可不采用.
　　3 结论与讨论
　　( 1) 将"生态杀手"加拿大一枝黄花压制成燃烧块,不仅可以提供洁净的燃料,而且是实现加拿大一枝黄花综合防治和利用的有效途径,具有巨大的经济效益、生态效益和社会效益.
　　( 2) 燃烧块压制成型中的温度很重要.试验结果表明,60 ℃的加温控制为最优,不仅燃烧效率最高,而且燃烧时间也接近最长,列第二位; 同时,无焰燃烧的温度也接近最低,仅比最低的无焰燃烧温度高2. 7 ℃,可以作为最优质的燃烧块提供给用户.此外,燃烧块压制过程中加温到80 ℃时燃烧特性变差,在今后压制燃烧块的工作实践中不宜采用.
　　( 3) 压力对燃烧块的燃烧效率虽然有显著的影响,但无极显著的影响.受仪器设备数量的限制只选择了3 种压力,有必要增加压力的水平数,进行进一步的试验和比较.