煤粉大比例摻混不同生物質(zhì)的混燃特性研究

李 美 軍

(1.煤科院節(jié)能技術(shù)有限公司，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013；3.國家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術(shù)裝備重點實驗室，北京 1000013)

0 引 言

生物質(zhì)能源具有可再生、清潔低碳、易于獲取等優(yōu)點，被認為是全球繼石油、煤炭、天然氣之后的第四大能源[1]。2017年12月國家發(fā)改委、國家能源局聯(lián)合印發(fā)的《關于促進生物質(zhì)能供熱發(fā)展的指導意見》(發(fā)改能源[2017]2123號)明確指出，生物質(zhì)能供熱綠色低碳、經(jīng)濟環(huán)保，是重要的清潔供熱方式[2]。我國生物質(zhì)資源總量豐富，每年總量約4.6億t，但年利用率不足5%[3]。生物質(zhì)與煤粉混燃，是一種綜合提高環(huán)境效益和經(jīng)濟效益的能源利用方式[4]。生物質(zhì)揮發(fā)分高(60%～90%)、熱解溫度低(250～350 ℃)，且揮發(fā)分和內(nèi)在水分析出后在碳粒內(nèi)部形成的空隙度較大，有利于著火[5]；且生物質(zhì)含硫、氮量少且屬碳中性物質(zhì)，燃燒后SO2、NOx等污染物排放量少[6-8]，但其能量密度很低。在煤粉中大比例摻混生物質(zhì)(大于5∶5)燃燒，可快速著火與增強火焰穩(wěn)定性，提高能量密度[9-11]，同時碳排放水平接近天然氣，污染物排放顯著降低。此外，針對生物質(zhì)能源利用過程中存在堿結(jié)渣、腐蝕等問題，采用化學預處理、涂層[12-13]等方法可有效減輕其危害。以逆噴強旋流燃燒器為核心的高效煤粉工業(yè)鍋爐系統(tǒng)具有燃燒效率高、污染物排放低、即開即停等優(yōu)點，在該系統(tǒng)上進一步技術(shù)升級，研究煤粉大比例摻混生物質(zhì)的混燃特性，既可擴大系統(tǒng)燃料適用性，又可達到清潔能源生產(chǎn)、節(jié)能減排的目的。

對于生物質(zhì)與煤混燃燃燒特性的研究，常見的試驗方法是利用熱重分析技術(shù)，研究不同影響因素下混合燃料的著火特性、揮發(fā)分釋放特性、燃盡特性等[14-16]。其中摻混比例作為重要因素，直接決定混合燃料的物理性質(zhì)及燃燒特性[17]。閔凡飛等[18]研究了不同變質(zhì)程度煤(褐煤、煙煤和無煙煤)、生物質(zhì)(小麥秸稈和玉米芯)以及不同摻混比例(1∶9、2∶8、3∶7和4∶6)下混合燃料的燃燒特性。Edward等[19]、Luo等[20]研究表明，隨著生物質(zhì)摻混比例的增大，著火溫度和燃盡溫度均降低。馬愛玲等[21]研究同樣表明摻混比例為2∶8、4∶6和6∶4時，煤的著火溫度降低，即生物質(zhì)對煤的改善程度增大，并與摻混比例的變化呈正相關。黃海珍等[22]對無煙煤與玉米秸稈和木屑進行混燃特性試驗，研究表明煤燃燒集中于燃燒后期，而生物質(zhì)燃燒集中于前期；且隨著生物質(zhì)加入，煤的著火性能得到不同程度改善，并使燃燒過程有向低溫區(qū)移動的趨勢，混合燃燒對煤的燃盡性能影響很小。王春波等[23]研究了恒溫下不同生物質(zhì)和煤粉在不同摻混比例(1∶9、2∶8和3∶7)下的混燃特性，表明摻混比例增大導致燃盡時刻提前，且生物質(zhì)種類在反應初期對混合燃料燃燒特性的影響不大，含灰量高的生物質(zhì)對混燃特性的改善作用隨摻混比例增大逐漸減弱。

雖然對煤粉和生物質(zhì)混燃的著火特性已有很多研究成果，但多針對低摻混比例(小于5∶5)的工況，對于北方常見的玉米秸稈、稻桿和玉米芯等生物質(zhì)與煤粉在大摻混比例(大于5∶5)的燃燒特性，還有待深入。本文利用熱重分析技術(shù)分別研究了煤粉與玉米秸稈、稻桿及玉米芯在不同摻混比例下的混燃特性，分析不同摻混比例對混合燃料的著火溫度、燃盡溫度、交互反應以及燃燒特性指數(shù)的影響，以期對生產(chǎn)實際中生物質(zhì)煤粉混燃技術(shù)的優(yōu)化提供參考。

1 試 驗

1.1 試驗樣品及工況

試驗樣品選用1種煤粉和3種生物質(zhì)，分別為稻桿、玉米秸稈和玉米芯，其工業(yè)分析和元素分析見表1。3種生物質(zhì)均經(jīng)過破碎、研磨和篩分，選擇粒徑0.45 mm以下的樣品備用。每種篩分好的生物質(zhì)分別與煤粉按比例要求均勻混合，摻混比例(生物質(zhì)質(zhì)量/煤粉質(zhì)量)分別為5∶5、6∶4、7∶3和8∶2，以及僅煤粉(0∶10)和僅生物質(zhì)(10∶0)的工況，共計6種工況。

1.2 試驗裝置

試驗采用德國NETZSCH公司綜合熱分析儀(STA449F1/F3)，該熱重分析儀主要由加熱系統(tǒng)、高精度稱量系統(tǒng)、給氣系統(tǒng)、保護系統(tǒng)等組成。其溫度范圍是室溫～1 450 ℃，溫度精度為±2 ℃，升溫速率為0.01～30 ℃/min。每種工況的樣品量為(13±0.5)mg，平鋪于氧化鋁坩堝中。反應過程為程序升溫，采用20 ℃/min升溫速率，從40 ℃升至800 ℃。試驗采用的保護氣為氮氣，爐內(nèi)的氣氛為20% O2和80% N2的混合氣，氣體的總流量為50 mL/min。為保證數(shù)據(jù)的可靠性和重復性，每個試驗工況均重復3～5次。

表1 煤粉和生物質(zhì)的工業(yè)分析和元素分析

2 結(jié)果與討論

2.1 失重曲線

TG曲線表征樣品隨溫度變化其質(zhì)量減少的變化規(guī)律；DTG曲線表征樣品隨溫度變化其瞬間失重速率的變化曲線，反映某一時刻樣品發(fā)生失重的劇烈程度。DTG曲線會至少出現(xiàn)1個燃燒高峰，即失重速率最大的點，該點對應的溫度越小、速率越大說明燃料的燃燒情況越好。

不同摻混比例的玉米秸稈、稻桿和玉米芯與煤粉摻混的TG和DTG曲線如圖1所示。純煤粉的燃燒失重存在1個明顯階段，對應在TG曲線上表現(xiàn)為1個失重臺階，在DTG曲線上表現(xiàn)為單峰，即固定碳的燃燒，溫度區(qū)間350～500 ℃。與此不同，純生物質(zhì)燃燒失重存在2個階段，即TG曲線存在2個失重臺階，DTG曲線為雙峰。其中，第1階段主要是大量揮發(fā)分的析出和燃燒，溫度區(qū)間：玉米秸稈200～320 ℃、稻桿220～320 ℃、玉米芯220～330 ℃；第2個階段主要是固定碳的燃燒，溫度區(qū)間：玉米秸稈320～500 ℃、稻桿320～480 ℃、玉米芯330～500 ℃。由于生物質(zhì)的固定碳含量小于揮發(fā)分，故該階段失重臺階和失重峰遠小于第1階段，其中玉米芯相差最大，這與表1的工業(yè)分析數(shù)值相符。

生物質(zhì)和煤粉混燃后，由于生物質(zhì)中揮發(fā)分含量多，煤粉固定碳含量多，二者混燃有利于前期著火及后期固定碳燃燒釋熱。混合樣品的失重曲線同樣表現(xiàn)為較明顯的2個階段，相較于純生物質(zhì)，第1階段失重峰減小而第2階段增大。摻入生物質(zhì)后，相較于純煤粉燃燒，TG和DTG曲線都向低溫區(qū)移動，最大失重峰發(fā)生的溫度提前，燃燒進程前移并加快。說明生物質(zhì)的加入可以促進混合樣品中易燃物質(zhì)的析出，改善燃燒的反應活性，提高燃燒速率并縮短燃燒時間。同時，摻混比例對混合樣品失重曲線的影響不同。以稻桿為例，隨摻混比例的減小，TG和DTG曲線的變化很小，混合樣品的失重特性更接近于生物質(zhì)。影響從大到小依次為玉米秸稈、玉米芯和稻桿。隨摻混比例增加，第1階段最大質(zhì)量變化速率逐漸增大，對應溫度逐漸下降，而第2階段最大質(zhì)量變化速率逐漸減小，這是由于揮發(fā)分相對增加且焦炭相對減少導致的。對于玉米秸稈和稻桿，摻混比例為8∶2時，失重后的最終質(zhì)量大于其他比例，燃盡性能較差。

圖1 不同摻混比例的玉米秸稈、稻桿和玉米芯與煤粉摻混的TG和DTG曲線Fig.1 TG and DTG curves of corn straw,rice stalk and corn cob mixed with pulverized coal at different ratios

2.2 特征溫度

失重特征溫度主要包括著火溫度Ti和燃盡溫度Th。著火溫度直接反映樣品著火的難易程度，數(shù)值越小說明著火越容易，是衡量樣品著火特性的重要參數(shù)。采用TG-DTG外推法確定著火溫度。燃盡溫度代表燃燒后期樣品質(zhì)量不再發(fā)生變化的起始溫度，燃盡溫度越低，表明樣品可以在較低的溫度下實現(xiàn)完全燃燒，采用樣品失重占總失重98%時對應的溫度為燃盡溫度。

不同摻混比例的玉米秸稈、稻桿和玉米芯與煤粉摻混后的著火溫度和燃盡溫度如圖2所示。3種生物質(zhì)的著火溫度明顯低于煤粉，煤粉約380 ℃，玉米芯和稻桿約260 ℃，玉米秸稈約270 ℃。這是由于生物質(zhì)粉中揮發(fā)分較高，在較低溫度下即可開始燃燒反應。煤粉加入大比例生物質(zhì)粉后，混合樣品的著火溫度明顯下降約100 ℃，這是因高揮發(fā)分的生物質(zhì)在燃燒初期析出大量揮發(fā)分并燃燒釋熱，為焦炭燃燒提供大量熱量，促進煤粉著火，使燃料著火向低溫區(qū)偏移，著火溫度降低；同時燃燒初期生物質(zhì)釋放熱量后，焦炭的表面孔隙率增加，表面氧含量及后期焦炭與氧氣的接觸面積增大，使得煤粉燃燒更加充分，可見生物質(zhì)加入對改善煤粉燃燒分布情況的影響很大。

圖2 不同摻混比例的不同生物質(zhì)與煤粉摻混的著火溫度和燃盡溫度Fig.2 Initial temperature and burn-out temperature of different biomass mixed with pulverized coal at different ratios

此外，隨生物質(zhì)摻混比例的增加，玉米芯著火溫度逐漸減小，玉米秸稈和稻桿則呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，且均在7∶3時達到最小。這是由于決定混合樣品燃燒特性的是生物質(zhì)的促進和抑制2種作用的競爭關系[24]。其中，促進作用表現(xiàn)為揮發(fā)分高、燃點低的生物質(zhì)粉先燃燒，提高燃燒初期局部溫度，促進煤粉的著火，并有利于后期固定碳燃燒；抑制作用表現(xiàn)在生物質(zhì)粉先燃燒會消耗大量氧氣，導致煤粉燃燒處于欠氧狀態(tài)。2種作用相互協(xié)同，導致不同生物質(zhì)在不同比例下的著火溫度變化規(guī)律不同。同時，煤粉的燃盡溫度約為520 ℃，而3種純生物質(zhì)的燃盡溫度約比煤粉低100 ℃，表明純生物質(zhì)的燃燒可以在較低溫度下燃盡，有利于穩(wěn)燃。加入生物質(zhì)后，混合樣品的燃盡溫度下降約70 ℃，這從定量角度證明了生物質(zhì)的加入使煤粉的燃燒進程加快。隨生物質(zhì)摻混比例的增加，各種混合樣品的燃盡溫度整體均呈現(xiàn)下降趨勢，下降幅度由大到小分別為玉米芯、稻桿和玉米秸稈。

2.3 交互反應

為探究不同生物質(zhì)與煤粉混燃過程中是否發(fā)生交互作用，本文計算了不同摻混比例下混合樣品的理論失重曲線，公式如下：

(dm/dt)cal=wbiomass(dm/dt)biomass+wcoal(dm/dt)coal

(1)

其中，wbiomass和wcoal分別為生物質(zhì)和煤粉在混合樣品中的質(zhì)量分數(shù)；(dm/dt)biomass和(dm/dt)coal分別為試驗得到的生物質(zhì)和煤粉的實際質(zhì)量變化速率，%/min；(dm/dt)cal為計算得到的混合樣品的理論質(zhì)量變化速率，%/min。由此計算，玉米秸稈、稻桿和玉米芯與煤粉的混合樣品的理論質(zhì)量變化速率如圖3所示。

圖3 不同摻混比例的不同生物質(zhì)與煤粉摻混的DTG試驗值和計算值對比Fig.3 Comparison of experimental DTG and calculated DTG of different biomass mixed with pulverized coal at different ratios

混合樣品的實際失重曲線相比于理論疊加曲線有不同程度的偏離，說明混合樣品在熱重試驗中發(fā)生了不同程度的交互作用。該交互作用正是生物質(zhì)的促進和抑制的協(xié)同作用[22]。對于玉米秸稈，6∶4、7∶3和8∶2時試驗和理論計算的最大質(zhì)量變化速率幾乎相同，5∶5時試驗值明顯小于計算值，同時7∶3時實際著火和燃燒提前。對于稻桿，7∶3時試驗最大質(zhì)量變化速率明顯大于計算值，且實際著火和燃燒提前。對于玉米芯，5∶5時試驗最大質(zhì)量變化速率小于試驗值，且實際著火和燃燒推遲，其他摻混比例下實際著火與計算結(jié)果幾乎相同，且6∶4和8∶2時實際最大質(zhì)量變化速率略大于計算值。以上結(jié)果表明，3種生物質(zhì)與煤粉混合，在5∶5時生物質(zhì)的抑制作用大于促進作用，不利于煤粉的燃燒。玉米秸稈和稻桿在7∶3時、玉米芯在6∶4和8∶2時促進作用大于抑制作用，燃燒特性更好。

2.4 綜合燃燒特性指數(shù)

為全面評價各混合樣品的燃燒情況，計算了綜合燃燒特性指數(shù)S，該指標反映燃料著火和燃盡的綜合特性。S值越大，則認為燃料的燃燒特性最好。定義式如下：

(2)

式中，(dm/dt)max和(dm/dt)mean分別為最大和平均的質(zhì)量變化速率，mg/min。

圖4 不同摻混比例的不同生物質(zhì)與煤粉摻混的綜合燃燒特性指數(shù)Fig.4 Combustion characteristics index of different biomass mixed with pulverized coal at different ratios

3種生物質(zhì)在不同摻混比例下的綜合燃燒特性指數(shù)如圖4所示。3種生物質(zhì)的燃燒特性指數(shù)遠大于煤粉，其中玉米芯、玉米秸稈和稻桿的燃燒特性指數(shù)分別約為煤粉的9、6和5倍，說明生物質(zhì)的燃燒活性遠大于煤粉。隨摻混比例的增大，不同生物質(zhì)的S總體呈上升趨勢，但變化大小不同。其中玉米芯的變化最大，在8∶2時達到最大綜合燃燒指數(shù)，且6∶4和7∶3的綜合燃燒指數(shù)接近，即2種摻混比例對燃燒性能的影響接近。稻桿的變化最小，且在7∶3時達到最大值。玉米秸稈在7∶3和8∶2時幾乎相同并達到最大值。小范圍改變摻混比例時，燃燒特性指數(shù)變化不大。這可能是由于燃燒特性指數(shù)不僅與著火溫度和燃盡溫度有關，還與樣品在其主要燃燒過程的反應速率有關，而煤粉在焦炭燃燒階段的反應劇烈程度高于生物質(zhì)揮發(fā)分析出階段，使不同摻混比例的混合樣品出現(xiàn)以上現(xiàn)象。

3 結(jié) 論

1)利用熱重分析技術(shù)，對玉米秸稈、稻桿和玉米芯等生物質(zhì)與煤粉在大摻混比例(5∶5、6∶4、7∶3和8∶2)的燃燒特性進行了試驗測試。研究了生物質(zhì)種類變化和摻混比例變化對混合樣品熱失重特性的影響，并計算和分析了混合樣品的燃燒特征參數(shù)和交互作用等。摻混比例對混合樣品失重曲線的影響從大到小依次為玉米秸稈、玉米芯和稻桿。隨摻混比例增加，第1階段最大失重速率逐漸增大且燃燒進程前移，第2階段則逐漸減小。玉米秸稈和稻桿在8∶2時燃盡性能較差。

2)混合樣品的著火溫度和燃盡溫度比純煤粉分別下降約100 ℃和60 ℃。隨摻混比例的增加，玉米芯著火溫度逐漸減小，玉米秸稈和稻桿則先減小后增大，且均在7∶3時達到最小；燃盡溫度均呈現(xiàn)下降趨勢，下降幅度由大到小分別為玉米芯、稻桿和玉米秸稈。

3)混合樣品發(fā)生不同程度的交互作用，使3種生物質(zhì)均在5∶5時對煤粉燃燒抑制作用大；玉米秸稈和稻桿在7∶3時、玉米芯在6∶4、8∶2時促進作用大。

4)3種生物質(zhì)的燃燒特性指數(shù)遠大于煤粉，隨摻混比例的增大，玉米芯的燃燒特性指數(shù)變化最大并在8∶2時達到最大值，6∶4和7∶3時幾乎相同；稻桿的變化最小且在7∶3時達到最大值；玉米秸稈在7∶3和8∶2時幾乎相同并達到最大值。