可再生燃料混合燃燒的實驗研究

李濤

摘 要：研究秸稈、污泥等可再生燃料的燃燒特性，結合秸稈、污泥和煤三種燃料各自的優點，分析秸稈、污泥和煤按比例混合的發熱量、成分及燃燒產物等數據，選擇合適的配比，合理運用達到經濟效益及節能環保的雙重目的，為電廠的燃料選擇及使用提供參考。

關鍵詞：可再生燃料；秸稈；污泥

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.21.078

1 引言

秸稈已經被認為是新能源中最具開發利用規模的一種綠色可再生能源，秸稈的平均含硫量只有千分之3.8，而煤的平均含硫量約達百分之一。且低溫燃燒產生的氮氧化物較少，所以除塵后的煙氣不進行脫硫，煙氣可直接通過煙囪排入大氣。秸稈通常含有3%～5%的灰分，這種灰以鍋爐飛灰和灰渣/爐底灰的形式被收集，含有豐富的營養成分如鉀、鎂、磷和鈣，可用作高效農業肥料[1，2]。污泥內含有許多有害物質，污泥含有80%的水分，具有500～800大卡/公斤的熱值。但是其作為低熱值燃料將其加工成形，與高熱值煤進行摻燒，可以充分利用污泥中的有機物熱值[3]。污泥發電不但可以實現污泥安全處理，同時還可以從污泥中抽取能量，代替部分化石燃料，既節約資源和能源，又保護環境，有利于促進我國向可持續的循環型社會的轉變。

總的說來，生物質能發電行業有著廣闊的發展前景，可見污泥、秸稈發電發展趨勢將會非常好。但目前秸稈、污泥發電技術還尚不成熟，相對國外，國內對該項目的定性分析、定量分析和研究都較少。

2 實驗內容

通過對現有運行的污泥發電廠及現有小型秸稈爐實施調查、現場測試，結合實驗室對污泥和秸稈的氧彈測量、紅外側硫、工業分析、元素分析等數據進行分析和研究，結合污泥和秸稈燃燒特性，并且對比各種污泥、秸稈和煤配比方式，驗證污泥、秸稈和煤摻燒的環保性與經濟性。

本實驗數據基于一些目前比較先進的儀器，如：5E-IRSII紅外測硫儀、5E-C5100A自動量熱儀、5E-MAG6700全自動工業分析儀、熱重分析儀等等。依據這些儀器進行測量出來的數據能夠到達目前先進水平的測試要求。

3 數據分析

3.1 發熱量

在一定的實驗工況和條件下，針對秸稈、污泥和煤單獨燃燒時測量其發熱量，根據各自的發熱量按照一定的配比進行計算，算出接近接近褐煤的發熱量，記下此時的比例。實驗中根據計算中的配比比例來進行驗證及數據分析。

表1為秸稈、污泥和煤的發熱量比較，得到污泥發熱量=2261.1

Cal/g，秸稈發熱量=4158.7Cal/g，煤發熱量=5445.0Cal/g。

按比例混合后發熱量為。先預設一個比例，取煤：秸稈：污泥=4：4：2，計算得到=4293.7Cal/g；增大煤的比例，取煤：秸稈：污泥=5：3：2，計算得到=4422.33Cal/g；煤比例不變，相比污泥，增大秸稈的比例，取煤：秸稈：污泥=5：4：1，計算得到=4612.09Cal/g；污泥熱值相對較低，選取一個污泥比例較高的配比，與前面的計算做對比，取煤：秸稈：污泥=3：3：4，計算得到=3785.55Cal/g。按照如上的四種比例進行試驗分析，得到了各種比例下的發熱量的數據，見表2。

由表2可以看到，在同一個比例配比下，實際測量的發熱量比理論計算的發熱量值有減少，一方面可能是由于單獨測量秸稈、污泥和煤的發熱值和按比例混合后測量時存在實驗誤差，一方面可能是三種燃料混合后燃燒特性會互相影響，導致最后實測與理論計算值有較大誤差。但是不管是理論計算還是實測發熱量的結果，煤：秸稈：污泥=5：4：1這個比例下的發熱量最大，其次是煤：秸稈：污泥=5：3：2，再其次是煤：秸稈：污泥=4：4：2，發熱量最低的是煤：秸稈：污泥=3：3：4。

在三種燃料中，由表1可以看出，污泥的發熱量最低，秸稈的居中，煤最高。從發熱量看，秸稈的燃燒發熱量比污泥高得多，所以在配比中，秸稈的比例相比污泥高時，混合燃料的總體發熱量提高；同等條件下，煤的配比比例提高，混合燃料的總體發熱量提高，污泥的配比比例提高，故發熱量最大的配比是煤：秸稈：污泥=5：4：1，發熱量最低的配比是煤：秸稈：污泥=3：3：4。

按一定比例混合的煤、秸稈、污泥的發熱量最高可達4248.9Cal/g，比直接燃燒秸稈發熱量大。另外，還摻雜了污泥，帶著低發熱量的污泥不僅處理了城市污染，還延長煤的使用年限。秸稈、污泥、煤混合燃燒的理論計算發熱量最大可達4612.09Cal/g。如果改變混合燃燒的方式，或者充分混合程度可能達到最大理論計算發熱量。最佳配比下的發熱量是四種配比中發熱量最大的。發熱量是燃燒的前提條件，發熱量越大質量越高，燃燒所需的燃料量相對越少，為鍋爐的穩定燃燒提供了保障。

3.2 成分分析

氮在鍋爐中燃燒時生成氧化氮已氣體形式從煙氣中排走，不會對灰渣成份造成影響，但在煙氣排放中的氧化氮主要是會造成溫室效應。但從表3中看出氮在污泥中含量為4.14%，氮在秸稈中含量為0.78%，氮在煤中含量為1.4%。按煤：秸稈：污泥混合后氮的比例與煤差不多，四種情況下煤：秸稈：污泥=5：4：1這個配比氮的含量最低，同時這個配比下的碳氫含量最高，在此也驗證了這種最佳配比的發熱量最高。

在高溫下燃燒，所含的氮一部分將于氧化合而生成氮氧化物，造成嚴重的大氣污染。根據上述碳氮氫含量數據報告，最佳配比下的氮含量非常少可以導致在電廠脫硝裝置中，使用那些脫硝效果一般的或者脫硝電耗大大減少，將為電廠減少一大筆使用費用。

表4為各種配比下工業分析成分含量數據表。由表4中數據顯示煤的揮發分比較低，標煤的干燥無灰基揮發分含量只有30%多，而秸稈和污泥的干燥無灰基揮發分含量均超過80%。所以導致混合后的燃料揮發分含量也很高，在60%到70%之間。揮發分含量越高越容易燃燒，高的揮發分含量為鍋爐燃燒提供了便利條件。另外我們看到四種配比中煤：秸稈：泥配比為5：4：1的灰分含量最少，空氣干燥基只有27.37%，焦炭的含量最高。這些都證明了煤：秸稈：泥配比為5：4：1是最佳配比。

揮發分是氣體可燃物，其著火溫度較低，著火容易；揮發分多，相對來說，煤中難燃的固定碳含量便少，使煤易于燃燒完全，大量揮發分析出，其著火燃燒后可放出大量熱量，有助于固定碳的迅速著火和燃燒，因而揮發分多的煤也易于燃燒完全；揮發分越多的燃料，越容易著火，燃燒也易于完全。所以最佳配比下的高揮發分是非常好的。灰分是煤中有害成分，灰分熔融要吸收熱量，并由排渣帶走大量的物理顯熱；灰分多，使理論燃燒溫度降低，而且煤粒表面往往形成灰分外殼，妨礙煤中可燃物質和氧氣接觸，使煤不易燃盡，增加不完全燃燒熱損失；灰分多，會降低鍋爐效率，產生爐內結渣，腐蝕金屬，同時造成環境污染。所以最佳配比的灰分含量最少是非常好的優勢。

3.3 產物分析

表5是燃燒產物硫的對比。由表5可以看出，煤中含硫最多，導致硫污染最嚴重。秸稈和污泥含硫都非常少。所以混合燃燒后大大減少了硫的含量，使硫產生的高溫腐蝕、低溫腐蝕等一系列硫污染大大減少。而且我們看到最佳混合燃燒的配比的硫面積為1.7976，僅比最小硫面積大了一點，這個最佳配比較為理想。硫的氧化產物二氧化硫、三氧化硫與煙氣中的水蒸氣結合成硫酸蒸汽，將對金屬受熱面造成強烈腐蝕；隨煙氣排入大氣的二氧化硫、三氧化硫，將造成環境污染，損害人體健康及其他動物和植物的生長。所以最佳配比下混合煤比原煤含硫量大為減少是非常有利的。

故相比其它三種配比，煤：秸稈：污泥=5：4：1時混合燃料的發熱量最大，碳氫含量較高，揮發分較高，利于燃燒；灰分較低，氮的含量較低，燃燒產物的含硫量相對較低，有利于提高燃燒效率，降低腐蝕和環境污染。

4 結論及展望

秸稈、污泥和煤混合燃燒結合了秸稈、污泥、煤三大優點。經過試驗及分析，相比三種燃料單獨燃燒和其它三種配比，煤：秸稈：污泥為5：4：1時混合燃料燃燒效率較高，有利于燃燒發熱及環境保護。

目前秸稈、污泥在儲存、收購、運輸、取用等方面還存在一定問題，但是隨著研究深入，技術的不斷發展，這些問題都可解決。煤、秸稈、污泥混合燃燒發電具有良好的經濟效益，同時能有效處理農林廢棄物和城市生活污泥，大大減少秸稈就地焚燒的燃燒產物PM2.5、顆粒物、SO2、NOx、CO、VOC的污染，明顯改善環境。總之，煤、秸稈和污泥混合燃燒發電不但可以解決我國能源危機，改善能源結構，而且對污染控制、緩解環境壓力、減排溫室氣體都有巨大作用。

參考文獻：

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