生物質型煤燃燒特性研究

劉莉 馮松寶

摘 要：生物質型煤是一種清潔能源，不僅綜合利用了生物質能，還能夠有效降低環境污染，因此對生物質型煤燃燒特性進行研究具有經濟效益和社會效益。筆者通過閱讀前人有關生物質型煤方面的研究資料，綜合得出生物質型煤的研究主要采取熱重分析技術，通常的方法是對型煤的結構特點和燃燒特性的分析，研究并找到生物質與煤的最佳混合粒徑和生物質與煤的最佳配比，使其達到最大的燃燒熱值，然后總結了生物質型煤燃燒特性的主要影響因素。

關鍵詞：生物質型煤；熱重分析；燃燒特性；影響因素

1 引言

近年來在很多關于生物質與煤的實驗研究中，前人發現生物質是一種可再生能源，但一些地區的居民通常對玉米秸稈和麥稈進行就地燃燒，這樣會帶來嚴重的環境污染，若對秸稈加以充分利用制成生物質型煤[1]就會減少對環境的污染并且型煤具有良好的燃燒特性。柴一言[2]等對型煤的微觀結構進行了分析；孫云娟等觀察了反應速率和反應級數對熱解反應過程中活化能的影響。因此，對生物質型煤的燃燒特性進行研究具有重大的意義，能為當地居民帶來一定的經濟效益。筆者主要根據前人對生物質型煤的燃燒特性相關方面的研究做出了總結并提出了一些自己的看法。

2 生物質型煤的結構特點與著火特性

生物質型煤是將生物質和煤破碎成一定粒度，在其中加入添加劑和固硫劑[3]后經成型機壓制成型的固體燃料。生物質中含有纖維素、半纖維素、木質素，這些物質與煤之間存在一定的化學鍵作用，具有一定的粘結性，生物質本身就能作為一種添加劑。浮愛清[4]等將煤焦放在顯微鏡下觀察，最終發現型煤中的秸稈纖維、粘稠液的固化物和煤粒三者的交界處會形成孔隙網，有利于氧化劑、反應產物和氧氣等的輸送，進而提高了型煤的反應速率，能使其快速燃盡。黃光許[5]等發現了型煤內部的孔隙也與原煤內部的孔隙不同，煤粒[6]內部孔隙一般小于粒間孔隙，在型煤中能形成微孔，便于空氣流通，燃燒效率也會提高。

筆者認為，正是由于型煤不同于原煤的獨特的結構特點，使得型煤的燃燒特性強于原煤，燃燒效率也明顯高于原煤。

生物質型煤的燃燒特性主要包括著火特性、揮發分的釋放特性、污染物的排放特性等，其中著火特性是型煤的主要燃燒特性。當對型煤點火燃燒時，由于生物質的著火點比型煤低，且生物質易燃，故生物質會優先燃燒釋放出熱量，就會使型煤在較短的時間內溫度迅速上升達到型煤的著火點，從而帶動了型煤的整體燃燒。在型煤的燃燒過程中，由于生物質的優先燃燒使型煤中留下了許多的縫隙和孔道，能夠加速O2在型煤中的快速流通，從而提高了型煤的燃燒速率，縮短了型煤的燃燒時間。劉艷軍等認為生物質型煤的著火溫度處于生物質與原煤之間，且會降低大約30%～40%，生物質與煤混燃會因生物質及煤的種類的不同，使得著火溫度降低的程度不同，而且都會隨著生物質添加量的增加，著火溫度會隨之降低。

筆者認為，即使生物質的含量越多著火溫度越低，但型煤中生物質添加量為多少時才能使型煤的著火溫度達到最低，到目前還沒有相關結論得出，故應繼續研究并找到合適的生物質添加量以使型煤的著火特性達到最好。

3 生物質與煤的最佳混合粒徑

生物質的粒徑大小及煤的粒徑大小，對生物質型煤的各項技術指標都會有一定的影響，生物質與煤等粒徑及生物質與煤不等粒徑混合制成的型煤的技術指標是不同的。魯光武[7]等選取粒度分別為R200和R90的生物質和無煙煤進行研究發現，在生物質與煤同一混合比例下，粒徑為R200的型煤的著火溫度比粒徑為R90的低，最大燃燒速率溫度與燃盡溫度也明顯降低。此外，在馬海娥[8]等的研究中發現，在鋸末渣的粒徑一定時，在煤粒徑<3mm時，型煤的跌落強度達到最大；型煤的防水時間和灰分隨著煤粒徑的減小而減少；型煤發熱量隨著煤粒徑的減小而增加。在煤的粒徑一定時，在鋸末渣粒徑<2mm時，型煤的跌落強度達到最大；型煤的防水時間隨著鋸末渣粒徑的減小而減少；型煤的發熱量和灰分隨著鋸末渣粒徑的減小而增加。因此，在煤粒徑<3mm時和鋸末渣粒徑<2mm時型煤的各項技術指標達到最佳。

然而，筆者認為生物質與煤的最佳混合粒徑仍然具有局限性，它們的最佳混合粒徑是不是會受到生物質的種類、原煤的種類、生物質型煤的成型壓力等因素的影響還需要進行相關的研究。

4 影響生物質型煤燃燒特性的主要因素

在生物質型煤的成型及燃燒過程中，影響型煤的燃燒特性的主要因素可能有：型煤的內部結構、成型壓力、生物質的添加量、燃燒溫度等。

相關研究表明，當成型壓力越大時，就會使生物質型煤越密實，形成的微孔和孔隙結構越少，顆粒間的接觸面積加大，有利于型煤內部的傳熱，會加快揮發分的析出速率，有利于燃燒；但另一方面，又阻礙了氧氣、揮發物、燃燒產物等的流通，不利于燃燒。但總體上成型壓力越大時，型煤的燃燒速度越小、燃盡時間越長。

一般而言，生物質的添加量越多，生物質的著火溫度就會降低，揮發分越高。相關研究表明，生物質含量在20%以內時對型煤燃燒初期的燃燒速度影響較大，此時型煤的燃燒速度與生物質含量成正比；而在燃燒的中后期影響不大。

在型煤的燃燒初期，由于溫度的影響，型煤的燃燒速度加快，而在中后期基本上沒有影響。型煤燃燒的第一階段為揮發分的析出和燃燒，發生在型煤的外部，會受到溫度的影響；第二階段為焦炭的著火和燃盡，發生在型煤的內部，氧氣不能及時地擴散進去，使氧氣供不應求，受溫度的影響較小。

從生物質和煤的元素分析和工業分析中可以看出生物質具有高揮發分、低灰分和發熱量低的特點，而原煤具有低揮發分、高灰分和發熱量高的特點，隨著型煤中生物質比例的增加，型煤比原煤中的揮發分含量增多，型煤的活化能降低，因此揮發分的含量可能是影響型煤燃燒特性的主要因素。

此外筆者認為在生物質型煤制作工程中生物質與煤的添加順序、型煤的形狀與質量、灰分的含量、生物質本身的性質等都有可能會影響型煤的燃燒特性。

5 結語與展望

生物質型煤是一種清潔能源，筆者發現近年來如生物質型煤的清潔能源在一些地區得到了使用，但并沒有廣泛投入使用，作為專業技術人員應推廣型煤技術的使用，使它更能實際地推廣運用到更多的地區，使更多的人受益。與生物質型煤有關的研究還不是很全面，例如煤種對燃燒特性的影響、生物質與煤的添加順序是否會影響生物質型煤的燃燒特性等。此外，在實驗的過程中前人只選取了某幾種生物質與某幾種煤進行混燃，生物質和煤的選擇范圍較窄，且煤的煤化程度也可能會影響生物質型煤的研究。因此，在實驗條件允許的情況下，在以后的研究中要盡可能的全面，從而使型煤的使用達到最大的經濟效益和社會效益。

【宿州區域協同創新中心青年人才項目（宿州地區生物質型煤燃燒特性研究—以秸稈混煤為例，編號：2015SZXTXSKF09）；安徽省教育廳大學生創客實驗室建設計劃項目（宿州學院-眾利創客實驗室，編號：2015ckjh107）】

參考文獻

[1] 毛玉如.生物質型煤技術研究[J].煤炭轉化.2001.24（1）：21-25.

[2] 諶倫建，柴一言，祝朝輝.型煤微觀結構的研究[J].煤炭學報.1997，22（3）：304-305.

[3] 諶倫建，趙躍民.型煤燃燒與固硫[M].徐州：中國礦業大學出版社，2001.

[4] 浮愛清，焦紅光，諶倫建，黃光許.生物質型煤燃燒特性概述[J]. 潔凈煤技術，2006.12（2）：33-36.

[5] 黃光許，王建軍，諶倫建.生物質型煤的制備及微觀結構分析[J].煤炭轉化，2010（36）.

[6] 蔣林.生物質型煤試驗和神經網絡、分形理論應用研究[D].杭州：浙江大學，2002.

[7] 魯光武.生物質混煤燃燒特性的實驗及動力學研究.[D].保定：華北電力大學，2013.

[8] 馬海娥.復合型生物質型煤的配方設計[D].銀川：寧夏大學，2014.