煤粉與生物質混燃的低溫著火特性

王春波， 王金星， 雷 鳴

（華北電力大學 能源動力與機械工程學院，保定 071003）

在生物質利用技術中，純生物質直燃技術存在效率低、區域性以及難以大型化等問題.在燃煤電廠中，利用原有燃煤鍋爐對生物質和煤粉進行混燃，相對于純生物質燃燒技術，不僅提高了生物質利用率，而且能夠實現大型化且易于靈活調節，具有十分廣闊的應用前景［1］.我國華電十里泉電廠是一個比較成功的采用煤粉與生物質混燃發電的示范.

在煤粉與生物質混燃中，燃料的著火特性是影響其燃燒效果的關鍵因素.近年來，國內外科研工作者針對燃料著火特性進行了大量研究工作.Otero等［2］利用（TG－MS）方法發現糞肥生物質與煤共燃可以有效降低著火溫度，改善煤的燃燒性能，Haykiri－Acma等［3］也得出了類似結論.Li Qingzhao等［4］利用熱重分析儀對氧氣質量濃度、燃料顆粒大小以及加熱速率對燃燒的影響進行了深入研究.王玉召等［5］和Lester等［6］分別采用燃燒特性參數判定的方法對生物質與煤混燃著火特性進行判定，得出了隨著生物質摻混比的增大，燃料的著火溫度和燃盡溫度都有所降低的結論.此外，還有其他一些科研工作者也對燃料的著火特性進行了很多有益的探索［7-9］.

雖然針對煤粉和生物質的著火特性已有很多研究成果，但研究過程中發現的一些新問題表明，尚有大量的研究工作需要深入開展，如目前研究著火特性常用的方法是逐漸升溫的熱重法（TGA），又例如Gil等［10］利用逐漸升溫的方法進行了煤粉與生物質混燃的試驗研究，得到了揮發分析出的溫度區間及固定碳開始燃燒的溫度區間.Wang Cuiping等［11］利用升溫熱重法對煤與生物質混燃著火特性進行了研究，定性地判定出混合物燃燒的難易程度.由于傳熱、傳質方面的差異，采用逐步升溫的方法對煤粉和生物質混燃的著火特性進行研究有一定的局限性，尤其在低溫條件下尤為明顯，如逐步升溫的方法未考慮升溫到所要求的溫度時前面升溫過程的影響.考慮到在工程實際上，燃料是噴入爐內突然在高溫環境下著火和燃燒的，因此應盡可能在真實工況下研究燃料的著火特性.筆者用恒溫熱重方法對煤粉和生物質低溫著火特性進行分析，目的是在更真實的工況下獲得煤粉和生物質低溫下的著火特性.

1 試驗

1.1 試驗系統和樣品

圖1為管式爐恒溫熱重試驗系統示意圖.在圖1中，溫控儀的溫度控制范圍為0～1300℃.空氣采用氣泵供應，氣泵的流量為1L／min.瓷舟的尺寸為7cm×1cm.筆者采用自制的質量監測系統對試樣質量信號進行實時監測.質量監測系統中的傳感器精度為0.1mg.管式爐恒溫熱重試驗系統中的熱電偶與溫控儀相連，當爐溫穩定后可以認為恒溫.

圖1 管式爐恒溫熱重試驗系統示意圖Fig.1 Diagram of the tube furnace constant－temperature thermogravimetric system

在試驗中，選取3種典型煤種：無煙煤、塔山煙煤和印尼褐煤，煤粉粒徑為0.12～0.18mm；生物質為玉米芯、玉米秸稈和樹皮，粒徑為0.12～0.18 mm.表1給出了煤和生物質試驗樣品的工業和元素分析.試驗樣品的灰成分分析見表2.

表1 煤和生物質樣品的工業和元素分析Tab.1 Ultimate and proximate analysis of coal and biomass samples

1.2 試驗方法

試驗時，先向管式爐內通入流量為1L／min的空氣，同時將管式爐升溫至設定溫度，待反應區域溫度恒定后，取（0.1±0.005）g的試樣均勻平鋪于長7cm、寬1cm的瓷舟底部，將瓷舟支架沿金屬導軌迅速送入管式爐內恒溫區域，并利用質量監測軟件對試樣的質量信號進行實時監測.重復性試驗表明，在同一工況下，同一試樣的試驗數據誤差均小于2%.此外，多次不同流量的試驗表明，向管式爐內通入1L／min的氣體流量已經能消除反應過程中氣體擴散的影響.

表2 煤和生物質樣品的灰成分分析Tab.2 Ash analysis of coal and biomass samples %

2 結果與討論

為了便于描述試樣的燃盡程度，引入可失重額余量η，它是除灰分以外試樣燃燒過程中剩余質量占原試樣中該部分質量的百分數，定義為

式中：η為可失重額余量，%；m0為試樣的初始質量，g；mt為試驗過程中的試樣質量，g；m∞為試樣中的灰分質量，g.

2.1 摻混比的影響

生物質的摻混比是影響煤與生物質混燃時著火特性的主要因素.在450℃恒溫條件下，分別測量了無煙煤、玉米芯及其摻混比分別為9∶1、8∶2和7∶3等5種情況下試樣的著火特性（見圖2）.

圖2 450℃下不同摻混比無煙煤與玉米芯試樣的著火特性Fig.2 Ignition characteristics of anthracite／corncob blends at different blending ratios at 450℃

從圖2可知，摻混比對煤粉與生物質混燃時著火特性的影響呈現出以下特征：（1）在反應初始階段，摻混比增大后，可失重額余量的失重速率顯著加快，如在500s時，無煙煤的可失重額余量約為90%，而摻混10%玉米芯后試樣的可失重額余量下降為70%左右，這是由于玉米芯的揮發分含量高且易析出，燃燒放出的熱量促進了煤粉中揮發分的析出和隨后部分焦炭燃燒造成的.（2）無煙煤在反應開始2000s后仍未能燃盡，甚至當玉米芯摻混比達到30%時也未能燃盡.結合表1中的工業分析可知，此時的試樣應為無煙煤揮發分析出燃燒后剩余的焦炭，表明雖然玉米芯的加入加快了試樣燃燒反應初期的失重速率，但由于玉米芯很快燃盡，燃燒放熱很快損失，此外反應溫度較低，因此剩余的焦炭很難在該溫度下著火燃燒.

為了進一步獲得恒溫條件下摻混比對煤粉與生物質混合物在低溫段著火特性的影響規律，選取另外2個溫度500℃和550℃，并對混合物的著火特性進行了試驗（見圖3）.

圖3 500℃、550℃下不同摻混比無煙煤和玉米芯試樣的著火特性Fig.3 Ignition characteristics of anthracite／corncob blends at different blending ratios at 500℃and 550℃

從圖3可知，在500℃和550℃恒溫條件下無煙煤與玉米芯不同摻混比時的著火特性呈現出與450℃恒溫條件下（圖2）類似的趨勢：隨著玉米芯摻混比的增大，在反應前期試樣的失重曲線明顯左移，在反應后期不同摻混比失重曲線之間的差別逐漸變小.綜合圖2和圖3可得出：在反應初期，生物質摻混比的增大能夠明顯改善煤粉與生物質混合物的著火特性；但在反應后期，由于生物質在反應初期已經燃盡，因此對殘焦的燃燒和燃盡影響較小.通過對圖2和圖3的比較還可以發現，隨著溫度的升高，無煙煤與玉米芯混合物的失重曲線逐漸向左移動，說明溫度對混燃著火特性也有顯著影響.

2.2 溫度的影響

為了更全面地研究溫度對煤粉與生物質混燃時低溫著火特性的影響，分別對450℃、500℃、550℃和600℃恒溫條件下無煙煤摻混20%玉米芯試樣的著火特性進行了對比與分析（見圖4）.

圖4 不同溫度下80%無煙煤＋20%玉米芯試樣的著火特性Fig.4 Ignition characteristics of 80%anthracite and 20%corncob blends at different temperatures

從圖4可知，溫度對煤粉與生物質混燃低溫著火特性的影響主要表現在：（1）溫度升高總會加快試樣的燃燒失重速率，特別會加快試樣反應初期的燃燒失重速率，這是由于溫度升高加快了生物質與煤粉揮發分的析出［12-13］，而析出揮發分的燃燒放熱又進一步加快了剩余煤與生物質的熱解，因而使低溫段時煤粉與生物質混合物的著火特性得到改善.（2）450℃和500℃恒溫條件下，在2000s內試樣始終未能燃盡.但當溫度高于550℃時，試樣不僅燃盡且燃盡時間隨著溫度的升高而逐漸縮短.（3）焦炭的燃燒是影響煤粉與生物質混合物后期燃燒速率的關鍵因素.溫度升高有利于揮發分的析出與燃燒，揮發分的析出與燃燒釋放出大量的熱又促進了固定碳的燃燒，從而加快了焦炭的燃盡；另外，溫度升高也減少了焦炭燃燒所需要的熱量.

2.3 煤種的影響

試驗結果表明，揮發分對煤粉與生物質混燃時的著火特性有很大影響.為了獲得更全面的煤粉與生物質混燃時的低溫著火特性，筆者對無煙煤、塔山煙煤和印尼褐煤3種揮發分差異較大的煤種與生物質混燃時的低溫著火特性進行了研究.圖5給出了450℃下不同煤種摻混20%玉米芯時混合物的著火特性.

從圖5（a）可以看出，3種煤的失重曲線差異很大.當反應進行2000s后，無煙煤和塔山煙煤均未能燃盡且無煙煤的未燃盡程度較高，而印尼褐煤在不到900s時就已燃盡.由表1可知：無煙煤的揮發分含量最低，印尼褐煤的揮發分含量最高，塔山煙煤介于二者之間.顯然，煤種揮發分含量的差別是造成不同煤種未燃盡程度差異的主要原因.揮發分含量高的煤種，反應活性高，較易燃盡，因此在較短時間內即可燃盡，而揮發分含量低的煤種，在其揮發分析出燃盡后，若反應溫度不夠高，則剩余的焦炭很難著火燃燒.摻混玉米芯后，3種煤的低溫著火特性均得到了不同程度的改善，其中無煙煤最為明顯.但在20%玉米芯摻混比下，反應結束時無煙煤和塔山煙煤仍未能燃盡，而印尼褐煤的燃盡時間卻進一步縮短，這與前面得出的摻混生物質能夠改善試樣的著火特性和燃盡特性的結論相符.

圖5 450℃下不同煤種摻混20%玉米芯時混合物的著火特性Fig.5 Ignition characteristics of different kinds of coal blended with 20%corncob at 450℃

2.4 生物質種類的影響

工程實際中摻燒生物質種類的多樣性決定了研究生物質種類對煤粉與生物質混燃時低溫著火特性影響的必要性.為此，筆者對玉米芯、玉米秸稈和樹皮3種常見生物質與煤粉混燃時的低溫著火特性進行了研究和分析.

圖6給出了450℃下無煙煤摻混20%不同生物質時的著火特性.從圖6可知，不同煤種摻混生物質均會改善試樣的著火特性，圖6中的失重曲線均向左移動.但是，3種不同生物質對煤粉著火的促進作用卻不盡相同：玉米芯對混燃時著火特性的促進作用最明顯，玉米秸稈居中，樹皮的促進作用最弱.結合3種生物質的工業分析可以發現：在初始階段，試樣燃燒反應速率的快慢與3種生物質揮發分和水分的量成正比，這是由于在反應的初始階段，試樣的失重以水分蒸發和揮發分的析出與燃燒為主造成的.從3種生物質的工業分析還發現，樹皮的灰分含量最高，玉米芯的灰分含量最低，玉米秸稈介于二者之間.在燃燒后期，摻混生物質的灰分含量越高，對煤粉燃燒的促進作用越差，這可能是由于生物質灰分容易堵塞焦炭孔隙［14］，因而減小了燃燒反應表面積，降低了氣體擴散速率，最終阻礙了剩余焦炭的燃盡.

圖6 450℃下無煙煤摻混20%不同生物質時的著火特性Fig.6 Ignition characteristics of anthracite blended with 20%biomass of different kinds at 450℃

3 燃燒反應動力學

由質量作用定律得到如下反應動力學方程

式中：α為轉化率，%；t為燃燒進行的時間，s；A為指前因子，1／s；E 為活化能，kJ／mol；R 為氣體常數，Pa·m3／（mol·K）；T 為絕對溫度，K；n為反應級數.

采用lnln分析法，反應級數取n＝1［15］，對式（2）進行積分得

式中：Z為某一常數.

由式（3）求得不同恒定溫度下的ln K.在較小的溫差區間內，活化能E和指前因子A可以近似看做定值，進而求得不同溫度區間的活化能E和指前因子A.

燃燒反應動力學參數計算選取的時間范圍為開始著火和燃盡時刻之間，這個過程包括揮發分的析出和焦炭的著火.表3列出了經計算得到的試樣的燃燒反應動力學參數.

表3 試樣的燃燒反應動力學參數Tab.3 Calculated kinetic data for various samples

由表3可知：隨著試樣中玉米芯摻混比的增大，試樣的活化能值在2個溫度區間均呈現出減小的趨勢，說明隨著玉米芯摻混比的增大，混合物的著火難度逐漸降低，試樣更容易著火.此外，試樣在不同溫度區間的活化能不同.對于同一試樣，溫度區間越大，活化能值越小，說明試樣在高溫區間的著火越容易.

4 結 論

（1）隨著生物質摻混比的增大，試樣的活化能逐漸降低，反應速率加快且燃盡程度提高.溫度升高，試樣的活化能逐漸降低，著火更容易，燃盡程度提高或燃盡時間縮短.

（2）摻混生物質對難燃煤種著火特性的影響比對易燃煤種更加明顯.對于某一煤種，摻混水分和揮發分含量高的生物質，在反應初期失重較快，摻混灰分高的生物質，在反應后期對燃燒的促進作用不明顯.

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