煤與生物質(zhì)摻混燃燒特性實驗

王華山，孫 環(huán)，王躍康，王春生，劉 華

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煤與生物質(zhì)摻混燃燒特性實驗

王華山，孫 環(huán)，王躍康，王春生，劉 華

（燕山大學車輛與能源學院，河北 秦皇島 066000）

為緩解煤炭資源緊張，在煤中摻燒生物質(zhì)是一種很好的解決方式。本文利用綜合熱分析儀，在不同條件下，對煤（蘭炭、神府煙煤、大同無煙煤）和生物質(zhì)（大豆稈、小麥稈）以及二者混合物的燃燒過程進行了實驗研究。結(jié)果表明：在一定范圍內(nèi)，隨著生物質(zhì)添加比例增大，蘭炭的燃燒特征溫度降低，綜合燃燒特性指數(shù)增大；當生物質(zhì)添加比例為50%時，混合樣品的著火溫度基本接近生物質(zhì)的著火溫度；升溫速率增大，蘭炭與大豆稈的摻燒向高溫區(qū)移動，綜合燃燒特性指數(shù)和燃盡特性指數(shù)增大。該實驗結(jié)果對降低煤的著火溫度以及改善煤炭資源緊張?zhí)峁┝艘罁?jù)。

生物質(zhì)；蘭炭；摻混；熱重分析；燃燒特性；升溫速率

近年來，因電力需求急劇增加，煤炭相對短缺的現(xiàn)象非常嚴重[1]。隨著我國能源緊張，煤炭價格上漲，蘭炭的生產(chǎn)受到越來越多的關(guān)注。蘭炭是煤轉(zhuǎn)換的產(chǎn)品，是無黏性或弱黏性的高揮發(fā)分煙煤在低溫條件下干餾熱解，得到的較低揮發(fā)分的固體炭制產(chǎn)品，具有固定碳高、電阻率高、化學活性高、灰分低、硫低、磷低、水分低等“三高四低”的優(yōu)點[2]，可單獨作為大型煤粉鍋爐燃料或者摻燒燃料，但防結(jié)渣是需重點考慮的問題[3-5]。生物質(zhì)與煤的摻混燃燒是生物質(zhì)能利用的一種重要方式[6-7]，已經(jīng)引起了國內(nèi)外學者的廣泛關(guān)注。Edward Lester等[8]研究了升溫速率對生物質(zhì)與煤摻混燃燒特性的影響。高佳佳等[9]對新型低煤分生物質(zhì)混合燃料進行實驗研究，結(jié)果表明摻混可以改善燃料的燃燒、燃盡及污染物的排放特性。馬愛玲等[10]對生物質(zhì)、煤單燒及混燒進行了熱重分析。王曉鋼等[11]對冷壓成型麥稈與煤混燒進行了研究。杜一帆等[12]研究了稻殼與不同煤種混燃的燃燒特性。

本文利用綜合熱分析儀，在考慮生物質(zhì)種類和生物質(zhì)比例對煤燃燒特性影響的基礎上，重點對蘭炭與大豆稈的摻混燃燒特性進行研究。

1 實驗裝置與方法

1.1 實驗裝置

本文對蘭炭、神府煙煤以及大同無煙煤3種煤，小麥稈、大豆稈2種生物質(zhì)進行實驗研究，其工業(yè)分析見表1。

表1 樣品工業(yè)分析

Tab.1 Industrial analysis result of the samples w/%

實驗樣品的制備主要經(jīng)過破碎、研磨和篩分3個過程。首先將樣品敲碎成粒徑小于1 cm；然后用小型粉碎機對其進行粉碎，得到粉狀樣品；最后用孔徑200mm的標準試驗篩對得到的粉狀樣品進行篩分，取粒徑小于200mm的樣品進行實驗研究。

綜合熱分析儀將熱重分析和差熱分析合為一體，可以在1次實驗中同步得到被測物質(zhì)的熱重信息和差熱信息。每次實驗樣品的質(zhì)量控制在（10±0.5）mg。實驗氣氛為空氣，氣體壓力為0.1 MPa，流量為40 mL/min。通常情況下，以20 ℃/min的升溫速率由室溫升至1 000 ℃。

1.2 實驗方法

采用TG-DTG聯(lián)合定義法[13-15]確定一些特征參數(shù)。著火溫度定義如圖1所示。過DTG曲線的極值點作垂線與TG曲線交于點，過點作TG曲線的切線1，該切線與失重開始時平行線2的交點所對應的溫度為著火溫度。若DTG曲線有多個峰值，過第1個峰作垂線與TG曲線的交點來確定。燃盡溫度指切線1與TG曲線上燃燒結(jié)束后的水平線3的交點所對應的溫度。最大燃燒速率溫度即為點所對應橫坐標的溫度。最大燃燒失重率為點的縱坐標所對應的值。

圖1 著火溫度定義

著火特性指數(shù)按式(1)計算：

式中：i為著火特性指數(shù)，%2/(℃·min)；ad(V)為分析基揮發(fā)分，%；(d/d)max為最大燃燒速率，%/min；i為著火溫度，℃。

綜合燃燒特性指數(shù)[16-17]按式(2)計算：

式中：(d/d)mean為平均燃燒速率，%/min；h為燃盡溫度，℃。

平均燃燒速率由式(3)計算：

式中：為升溫速率，℃/min；i為試樣著火時的質(zhì)量分數(shù)，%；h為試樣燃盡時的質(zhì)量分數(shù)，%；h為燃盡溫度，℃。

燃盡特性指數(shù)b[18]綜合考慮了燃料著火和燃燒穩(wěn)定性等因素對燃盡的影響。燃盡特性指數(shù)越大，燃料的燃盡特性越好。燃盡特性指數(shù)b可用 式(4)計算：

式中：1為初始燃盡率，指熱重曲線上著火點對應的燃料失重量與燃料中可燃質(zhì)質(zhì)量的比值；0為燃盡時間，指燃料燃燒失重從開始到燃燒98%可燃質(zhì)的時間；2為后期燃盡率，2=–1，為0時刻所對應的燃料失重量與燃料可燃質(zhì)質(zhì)量的比值，稱總?cè)急M率。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 煤和生物質(zhì)單獨燃燒過程

煤和生物質(zhì)單獨燃燒的TG、DTG曲線如圖2、圖3所示。

圖2 不同煤種燃燒TG-DTG曲線

由圖2可以看出：煤的燃燒過程基本分為失水干燥、揮發(fā)分析出及固定碳燃燒兩個階段，由于固定碳含量高于揮發(fā)分的含量，揮發(fā)分的析出伴隨著焦炭的燃燒，因此在DTG曲線看到一個明顯的峰；神府煙煤的峰值溫度比蘭炭和大同無煙煤要低150 ℃左右；蘭炭與大同無煙煤的燃燒趨勢相似，大同無煙煤的最大燃燒速率最大。

由圖3可以看出：生物質(zhì)的燃燒過程分為失水干燥、生物質(zhì)中的纖維素木質(zhì)素裂解以及揮發(fā)分釋放燃燒、焦炭燃燒3個階段；生物質(zhì)中固定碳的含量比揮發(fā)分少，2種生物質(zhì)的第2個峰值比第1個峰值小；小麥稈的揮發(fā)分比大豆稈的大，所以其第1個峰值也較大。

3種煤和2種生物質(zhì)單獨燃燒時的燃燒特性參數(shù)見表2。

由表2可知：生物質(zhì)的著火溫度比煤低159~ 290 ℃，這是因為生物質(zhì)的揮發(fā)分比較多，易燃；生物質(zhì)的著火特性指數(shù)比煤高一個數(shù)量級，燃盡特性指數(shù)是煤的2倍左右；小麥稈的綜合燃燒特性指數(shù)非常高；小麥稈的最大反應速率最大，大豆稈、神府煙煤、大同無煙煤比較接近，蘭炭最低；神府煙煤比蘭炭、大同無煙煤的燃燒性能更好。

表2 3種煤和2種生物質(zhì)的燃燒特性參數(shù)

Tab.2 The combustion characteristics of three coals and two biomasses

2.2 煤種對燃燒過程的影響

用大豆稈分別與蘭炭、大同無煙煤和神府煙煤按2:8的比例混合燃燒。在升溫速率為20 ℃/min，氧體積分數(shù)為21%的條件下，3種煤與大豆稈摻燒的TG-DTG曲線如圖4所示。

從圖4可以看出：摻混燃燒有2個明顯的峰，在320 ℃左右出現(xiàn)了第1個峰，這個峰的出現(xiàn)是由于生物質(zhì)的揮發(fā)分析出；另一個峰是固定碳的燃燒過程，與煤單獨燃燒時的峰值相差不大，峰值大小取決于煤中固定碳的含量。

圖4 3種煤與大豆稈摻燒的TG-DTG曲線

3種煤與大豆稈摻燒的燃燒特性參數(shù)見表3。

對比表3與表2可見：煤與大豆稈摻燒的著火溫度比煤單獨燃燒時明顯降低，接近大豆稈的著火溫度；煤與大豆稈摻燒的燃盡溫度、最大反應速率溫度比煤單獨燃燒時降低，綜合燃燒特性指數(shù)有所增加，說明摻混生物質(zhì)利于燃燒；摻燒的燃盡特性指數(shù)稍有降低，說明摻燒后需要注意燃盡問題。

表3 3種煤與大豆稈摻燒的燃燒特性參數(shù)

Tab.3 The combustion characteristics of three kinds of coal co-fired with soybean stalk

2.3 生物質(zhì)對燃燒過程的影響

蘭炭分別與大豆稈、小麥稈按8:2進行混合。在其他條件不變的情況下，探究生物質(zhì)的種類對蘭炭燃燒的影響。蘭炭與2種生物質(zhì)摻燒的TG-DTG曲線如圖5所示，摻燒特性參數(shù)見表4。由圖5可以看出：對于生物質(zhì)而言，加入蘭炭之后，TG曲線向高溫區(qū)偏移；DTG曲線的波峰也有了很大的變化，第1個波峰明顯低于第2個波峰，這是因為生物質(zhì)的含量較少，所以其揮發(fā)分燃燒占的比例較小；第2個波峰表示蘭炭的揮發(fā)分和焦炭的含量。

圖5 蘭炭與2種生物質(zhì)摻燒的TG-DTG曲線

表4 蘭炭與2種生物質(zhì)摻燒特性參數(shù)

Tab.4 The combustion characteristics of two kinds of biomasses co-fired with blue-coal

對比表4與表2可見：摻混燃燒時著火溫度相比蘭炭單獨燃燒時降低了很多；但比大豆稈和小麥稈單獨燃燒時的著火溫度要高一些，其中小麥和蘭炭摻燒的著火溫度更接近小麥單獨燃燒的著火溫度；燃盡溫度比煤單獨燃燒的燃盡溫度低；綜合燃燒特性指數(shù)比蘭炭單獨燃燒高很多，但比生物質(zhì)單獨燃燒低；燃盡特性指數(shù)和蘭炭單獨燃燒相近。

2.4 生物質(zhì)添加比例對燃燒過程的影響

其他條件不變，大豆稈的添加比例為10%、20%、30%、40%、50%時，摻混燃燒的TG-DTG曲線如圖6所示。

由圖6可以看出：隨著大豆稈比例的增加，TG曲線向低溫方向移動；DTG曲線上有很明顯的2個波峰。第1個波峰是隨著摻燒比例增加，峰值變大，因為大豆稈揮發(fā)分的比重變大；第2個峰值則隨著大豆稈比例的增加變小，因為蘭炭的含量降低，固定碳所占的比例降低。

不同比例大豆稈和蘭炭摻燒的燃燒特性參數(shù)對比如圖7所示。從圖7可以看出：摻燒的著火溫度、燃盡溫度、最大燃燒速率溫度均較單獨燃燒時有所降低，但最大燃燒速率溫度和燃盡溫度降低幅度不大，與加入大豆稈的比例基本上成正比降低；當摻燒比例大于50%時，混合樣品的著火溫度接近大豆稈的著火溫度；隨著大豆稈比例的增加，綜合燃燒特性指數(shù)增大；當摻燒比例低于40%時，燃盡指數(shù)低于蘭炭單獨燃燒，大于40%時，燃盡指數(shù)大于蘭炭燃盡指數(shù)，表明大豆稈和蘭炭的摻燒可能會產(chǎn)生某種不易燃盡的物質(zhì)；隨著摻燒比例的增加最大反應速率溫度降低，最大反應時間點提前。

2.5 升溫速率對燃燒過程的影響

以蘭炭、大豆稈（8:2）為例，其他條件不變，升溫速率為10、15、20 、40 ℃/min時蘭炭和大豆稈混燃特性的TG-DTG曲線如圖8所示。由圖8可以看出，隨著升溫速率的增大，燃燒反應的TG曲線向溫度高的方向偏移，DTG曲線上每個峰的峰值變大。因為升溫速率增大，達到相同的溫度，所需要的時間變短，樣品中的成分（水分、灰分、固定碳等）在達到析出的時間或燃燒溫度之前來不及揮發(fā)，而在較短的時間內(nèi)集中析出，所以燃燒速率變快，峰值變大。

不同升溫速率燃燒特性參數(shù)對比如圖9所示。由圖9可以看出：隨著升溫速率的增大，著火溫度、燃盡溫度和最大燃燒速率溫度都升高，說明反應向高溫區(qū)域移動；當升溫速率達到40 ℃/min時，溫度增加的比例較大；升溫速率增大，綜合燃燒特性指數(shù)增大，當升溫速率大于20 ℃/min時，綜合燃燒特性指數(shù)基本上穩(wěn)定；燃盡指數(shù)大致隨著升溫速率增大呈線性增加，說明升溫速率有利于混合物質(zhì)的燃盡，提高燃燒速率。

3 結(jié) 論

1）生物質(zhì)的燃燒過程和煤的燃燒過程有所差別，生物質(zhì)的著火溫度比煤低150~290 ℃，燃盡特性指數(shù)、綜合燃燒特性指數(shù)較高。

2）3種煤中加入生物質(zhì)后，煤的燃燒特性參數(shù)變化趨勢一致，但是對不同的煤種，燃燒特性參數(shù)的變化量不同。蘭炭中加入大豆稈后，比蘭炭單獨燃燒時，著火溫度降低了253.4 ℃，綜合燃燒特性指數(shù)增加了4.71′10–7。添加生物質(zhì)后，混合樣品的著火溫度接近生物質(zhì)的著火溫度。煤中固定碳的含量越大，煤的綜合燃燒性能改善得越多。

3）隨著生物質(zhì)摻入比例的增大，蘭炭和大豆摻燒的著火溫度、燃盡溫度降低，綜合燃燒特性指數(shù)、燃盡特性指數(shù)升高，整個反應的燃燒向低溫區(qū)移動，改善了蘭炭的燃燒特性。

4）綜合各燃燒特性指數(shù)來看，蘭炭中添加生物質(zhì)的比例為20%較好。隨著升溫速率增大，反應向高溫區(qū)偏移，反應速率增大，但是升溫速率不宜過大，升溫速率為20 ℃/min時比較適宜。

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Experimental study on co-combustion characteristics of coal and biomass

WANG Huashan, SUN Huan, WANG Yuekang, WANG Chunsheng, LIU Hua

(College of Vehicles and Energy, Yanshan University, Qinhuangdao 066000, China)

In order to alleviate the shortage of coal resources, blending biomass during coal combsution is a good solution. The combustion process of coals (blue-coal, Shenfu bituminous coal, Datong anthracite) and biomasses (soybean stalk, wheat stalk) and their mixtures were experimentally studied by integrated thermal analyzer under different conditions. The results show that, in a certain range, as the proportion of biomass increased, the characteristic temperature of blue carbon combustion reduced, and the comprehensive combustion characteristic index increased. When the biomass blending ratio was 50%, the ignition point of the mixed sample was very close to that of the biomass. As the heating rate increased, the blending of blue-coal and soybean stalk moved towards the high temperature zone, and both the comprehensive combustion characteristic index and the burnout characteristic index increased. The results of this experiment provide a basis for reducing the ignition point of coal and alleviating the tightness of coal resources.

biomass, blue-coal, blending, thermogravimetric analysis, combustion characteristics, heating rate

TK16

A

10.19666/j.rlfd.201811219

王華山, 孫環(huán), 王躍康, 等. 煤與生物質(zhì)摻混燃燒特性實驗[J]. 熱力發(fā)電, 2019, 48(5): 64-70. WANG Huashan, SUN Huan, WANG Yuekang, et al. Experimental study on co-combustion characteristics of coal and biomass[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(5): 64-70.

2018-11-20

河北省自然科學基金青年科學基金項目(E2017203025)；河北省教育廳高等學校科技計劃青年基金項目(QN2018230)；燕山大學基礎研究專項課題(16LGA013)

Youth Science Foundation of Natural Science Foundation of Hebei Province (E2017203025);Youth Foundation of University Science and Technology Program of Hebei Education Department (QN2018230);Special Topic of Basic Research of Yanshan University (16LGA013)

王華山(1979—)，男，副教授，主要研究方向為燃燒污染物排放控制及檢測，wanghsh@ysu.edu.cn。

劉華(1984—)，男，講師，liuhua@ysu.edu.cn。

（責任編輯 馬昕紅）