稻殼與煤混合燃燒特性試驗

余 萬，劉驍緯，廖 雷，王 崗，高振軍，ISHNAZAROV Oybek

稻殼與煤混合燃燒特性試驗

余 萬1,2，劉驍緯1,2，廖 雷1,2，王 崗1,2※，高振軍1,2，ISHNAZAROV Oybek3

（1. 水電機械設備設計與維護湖北省重點實驗室（三峽大學），宜昌 443002；2. 三峽大學機械與動力學院，宜昌 443002；3. Institute of Energy Problems of the Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan, Tashkent 100125, Uzbekistan）

采用非等溫熱重法對稻殼、煤及其混合燃料進行燃燒試驗，使用Flynn-Wall-Ozawa（FWO）和Kissinger- Akahira-Sunose（KAS）2種方法分析了樣品的燃燒反應動力學參數，分析了摻混比、升溫速率對燃燒特性參數的影響，探討了燃燒過程中混合燃料成分間的協同效應。結果表明：混合燃料的點火溫度與純煤相比有明顯降低，燃燒特性有明顯改善，隨著稻殼摻混比由10%升至70%，燃盡溫度從730℃降低至650℃，燃盡程度也逐漸變大，失質量從86.1%增至91.5%，綜合燃燒特性指數從2.153×10-8增加到1.183×10-7；隨著升溫速率的增加，混合燃料的燃盡溫度和綜合燃燒指數均會增大，但點火溫度和燃盡程度幾乎不變；稻殼與煤混合燃燒時組分間會發生協同作用，且隨著稻殼摻混比的增加，協同效應參數逐漸增大，協同效應越來越明顯；FWO和KAS法得到的煤的活化能分別為37.66和31.00 kJ/mol，稻殼的活化能分別為20.96和16.30 kJ/mol；混合燃燒過程中，活化能隨著溫度和轉化比而改變，隨著稻殼摻混比的增加呈現出先增大后減小的趨勢。

動力學；燃料；稻殼；燃燒特性；摻混比

0 引 言

生物質是唯一可再生的含碳資源，發展生物質能是實現“雙碳”目標的重要途徑[1]。作為農業大國，中國每年生產大量的生物質資源，然而，稻殼和秸稈等生物質通常被視為農業廢棄物，被留在耕地或直接焚燒，這可能造成空氣和水的污染以及能源損失[2-3]。若將這些生物質廢料作為能源利用起來，預計有4.02億t標準煤當量，相當于全國煤炭消費量的13%[4]。但是生物質熱值低，密度低，含水量高等缺點也限制了生物質能源的大規模應用[5]。所以將煤和生物質混合燃燒被認為是促進生物質利用和減輕碳排放最有效的方法之一，研究煤和生物質的混合燃燒特性對于實現“雙碳”目標具有重要意義[6]。

對于生物質與煤的混合燃燒特性研究包括分析燃料的特征溫度、反應性、動力學參數，并分析混合燃料成分對所列特性的影響。梅艷陽等[7-8]發現生物質經過初步熱處理（炭化）后能使其特性更接近于煤的特性，從而能在不需要對鍋爐進行重大改造的情況下實現生物質燃料在燃煤鍋爐中的混燃，也不會對鍋爐效率有負面影響[9-10]。陳繼輝等[11]認為生物質與煤的混合可以更好地控制整個燃燒過程，主要有以下兩點：在混燃中，生物質的加入不僅能降低點火溫度還能提供更穩定的火焰，這是由于生物質內含有較高比例的揮發分[12]。其次，煤和生物質的混合燃燒可以減少純生物質燃燒時灰燼沉積和結垢的問題[13]。劉翔等[14]分析了草本類生物質的質量對煙煤混燒特性的影響，羅娟等[15]研究了生物質顆粒的種類對燃燒特性及燃燒產物影響，楊洺溦[16]分析了煤與生物質混合燃燒對于NOX排放的影響。對于生物質與煤混合燃料特性的研究主要集中在燃料的熱解、燃燒及動力學分析[17-19]。

本文選用農業生物質中產量較大的稻殼為對象，采用熱重法對稻殼與煤的混合燃料在不同摻混比和不同升溫速率下的燃燒特性進行試驗分析，并與純稻殼和純煤的燃燒特性進行比較。在此基礎上，利用熱重分析曲線結合Flynn-Wall-Ozawa（FWO）和Kissinger-Akahira-Sunose（KAS）動力學方法計算混合燃料的活化能，分析影響因素和反應機理，旨在為稻殼的高效燃燒提供的數據參考。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗樣品的制備

試驗所用煤為華能平涼煤，簡稱煤（Huaneng coal, HC），所用稻殼（rice husk, RH）為重慶地區2021年稻谷所產，使用小型粉碎機分別對其進行粉碎，經篩分后進行工業分析和元素分析，結果如表1所示。然后通過物理混合得到稻殼質量摻混比10%、30%、50%、70%的四種混合燃料樣品。

表1 稻殼與煤的工業分析和元素分析

注：ad為空氣干燥基樣品。

Note: ad is an air-dried base sample.

1.2 試驗方法及儀器

熱重試驗采用的儀器是北京恒久科學儀器廠生產的綜合熱分析儀HCT-4型。單次樣品質量為（10±0.5）mg，陶瓷坩堝采用Al2O3材料，氣體為干燥空氣，流量100 mL/min，試驗溫度范圍在25～1 500 ℃。在10、20、30 ℃/min三種不同升溫速率下，對煤（HC）、稻殼（RH）及混合燃料（10%RH90%HC、30%RH70%HC、50%RH50%HC、70%RH30%HC）分別進行燃燒試驗。

1.3 燃燒特性分析

本文采用點火溫度、燃盡溫度和綜合燃燒特性指數作為燃燒特性的評價指標。

點火溫度由TG-DTG（thermogravimetric-derivative thermogravimetry）曲線作圖法得到，DTG曲線最大峰值處作垂線與TG曲線相交，過交點作TG曲線的切線，然后在TG曲線上失質量開始處作水平線交切線于一點，此點對應的溫度即為點火溫度（T，℃）。

燃盡溫度（T，℃）為樣品質量損失達到總失質量的98%時所對應的溫度。

點火溫度高意味著燃料的熱穩定性好，難以點燃。燃盡溫度值高是由于燃料的固定碳含量較高，需要更長的加熱時間和更高的溫度才能完全轉化。

綜合燃燒特性指數是綜合表征燃料的著火和燃盡特性的參數，其值越高意味著燃料擁有更好的燃燒性能。綜合燃燒特性指數由式（1）計算[20]：

式中max是樣品燃燒過程中的最大失質量速率，%/min；mean是樣品點火溫度和燃盡溫度之間的平均失質量速率DTGmean，%/min；由式（2）計算[20]：

1.4 協同效應分析

為探討混合燃料燃燒過程中各成分間的協同效應，可對混合燃料熱重曲線的試驗值、理論值及協同效應參數進行分析。

首先基于組分的加權平均值計算每種混合燃料的理論DTG曲線[21]：

理論值=1稻殼+2煤（3）

式中1和2分別是混合燃料中稻殼與煤的質量分數，%；為各組分失質量速率。

將稻殼與煤燃燒過程中的最大失質量速率點對應的溫度、燃盡溫度及點火溫度到最大失質量速率點溫度所用的時間結合起來，得到協同效應參數，通過參數數值大小來判斷燃燒過程中是否存在協同作用。協同效應參數S可由式（4）計算[22]：

式中blend為混合燃料的協同效應指數，HC為HC的協同效應指數，℃-3·min-1/2。協同效應指數I可通過下式求解

式中t為點火溫度到最大失質量速率點溫度所用的時間，min；T為最大失質量速率點溫度，℃。

為了保證參數的準確性，基于混合燃料的理論結果創建基線，通過比較確定燃燒過程中是否會發生協同效應；當S＞1.15時，燃燒過程會發生明顯的協同效應；當0.8≤S≤1.15時，燃燒過程的協同效應不明顯；當S小于0.8時，說明混合燃料的燃燒性能變差[22]。

1.5 動力學分析

動力學分析是研究燃燒反應機理的基礎。對熱重試驗結果進行定量分析，可以得到熱分解過程的動力學參數[23]。在試驗測量中，參數r為質量百分數，%；為測試時的質量，0為樣品初始質量，g。

式（7）和（8）這兩個通用動力學表達式通常用來計算在氣-固反應中的整個反應速率，其中()是作為時間函數的無量綱質量轉化比[24]：

式中()為時刻樣品的質量，g；m為樣品燃燒后的最終質量，g。

的變化率由下式給出：

式中為溫度，℃；為指前因子，為理想氣體常數（8.314 J/mol·K），為活化能，kJ/mol；()為微分反應機理函數。()表示反應過程中材料的化學或物理特性的變化[25]。

函數()表示為等式

式中是非等溫試驗中的反應級數。

式（8）可以轉換為非等溫的反應速率，將其描述在恒定加熱速率(=d/d)下的溫度函數：

積分上式得到非等溫速率定律的積分形式：

式中()是轉化的積分函數，0是燃燒反應的初始溫度, ℃。

根據式（6）可以使用各種方法來獲得動力學參數和，kJ/mol。

1.5.1 Flynn–Wall–Ozawa(FWO)法

FWO法基于Doyle近似[26]。將反應速率定律變為對數形式，得到式（12）：

對于給定的轉化比，從lg與1/的線性相關關系中可以得到不同加熱速率的活化能。在這種方法中，右側的對數也是常數。即通過繪制lg與1/的關系，可以從所得直線的斜率獲得活化能，kJ/mol。

1.5.2 Kissinger–Akahira–Sunose(KAS)法

KAS方法的原理與FWO方法類似。該模型基于式（13）：

所以，對于KAS來說，根據ln(2)和1/，可以從試驗數據中獲得一條直線來計算不同轉化比對應的活化能，kJ/mol。

2 結果與分析

2.1 混合燃料的基礎特性

表1顯示了稻殼與煤的物理化學特性。工業分析表明，稻殼相比于煤具有更高的揮發分含量，這意味著稻殼的加入有利于提高混合燃料在溫度較低時的反應性，從而提高著火性能；而煤中更高的固定碳含量會使混合燃料的燃燒過程更穩定。同樣，稻殼較低的灰分含量不會影響混合燃料的燃燒速度并造成結垢。從元素分析來看，稻殼更高的氫含量和氧含量，使得其具有較強的熱反應性，而稻殼中較低的硫含量使得其在熱分解過程中僅有少量硫氧化物的釋放。對比稻殼與煤的基本特性發現兩種燃料在燃燒方面具有互補性，因此稻殼與煤的混合燃料具有一定的燃燒潛力。

2.2 摻混比對燃燒特性的影響

圖1和圖2分別為煤（HC）和稻殼（RH）及混合燃料在20 ℃/min的升溫速率下燃燒獲得的失質量（TG）和失質量速率（DTG）曲線。

從圖1可以發現，不同摻混比下，樣品的燃燒特性存在著顯著差異。當溫度升至580 ℃時，稻殼（RH）幾乎完全燃燒完畢，而此時煤（HC）的失質量僅為62%。煤（HC）和稻殼（RH）在燃燒結束后的失質量分別為84.5%和92.2%，殘余質量與其灰分含量近乎一致。而4種混合燃料的TG曲線位于煤（HC）和稻殼（RH）曲線之間。

注：圖例中百分數為質量分數，下同。

圖2 稻殼/煤混合燃料的微商熱重曲線

結合圖1和圖2曲線分析，稻殼(RH)的燃燒過程分為3個階段。在溫度從25 ℃到140 ℃的區間為第一個階段，這與其固有水分的蒸發有關，失質量為總質量的7%左右，與工業分析的水分含量6.46%相近。第二階段約從140 ℃到370 ℃，這個階段主要為揮發分的釋放，失質量為67%左右。文獻研究表明，稻殼主要由纖維素（34%～42%）、半纖維（16%～22%）、木質素（21%～26%）、二氧化硅（10%～21%）以及少量粗蛋白和粗脂肪組成[27-29]。由于半纖維素、纖維素和木質素的分解分別發生在225～325、305～375和250～500 ℃的范圍內[30]。因此，第二階段有大量半纖維素、纖維素和木質素等有機物熱解生成揮發性物質和燃燒形成生物質炭，在此階段TG曲線急劇下降，DTG曲線在297.9 ℃時出現顯著峰值，失質量為總質量的38.5%。第三個階段為370到580 ℃的區間，此階段的失質量為總質量的28%。這是木質素分解最多的階段，木質素是生物質受熱分解中最穩定的成分，也是形成生物質炭的主要成分[31]。由于反應性與DTG曲線峰值對應的溫度值成反比并且與峰高成正比，失質量率的小峰值也表明木質素的低反應性。

由于水分的失去，煤（HC）在25到235 ℃的溫度范圍內出現了初始失質量階段。煤的熱反應在240到780 ℃的溫度區間內僅有一個主峰，其最大失質量率對應的溫度約為505 ℃。這是由于煤（HC）的揮發分和固定碳的含量占總成分的75%左右，且這兩種成分受熱反應的溫度區間重合，所以整個失質量過程中的唯一主峰即煤質量損失基本取決于揮發分釋放和固定碳燃燒，這與他人的研究結論相吻合[32]。由表1可知，因為煤（HC）的揮發分含量低于稻殼（RH），其燃燒的放熱量對固定碳燃燒的促進作用不明顯，使得煤（HC）的最大失質量速率遠小于稻殼（RH）。

由圖1和圖2中混合燃料樣品燃燒的TG曲線和DTG曲線與煤（HC）對比得出，混合燃料具有2個氧化過程，第一個過程在180到370 ℃的溫度區間，這個過程主要為半纖維素和纖維素降解生成揮發性物質，使得DTG曲線出現峰值；在370到700 ℃這個較大的溫度區間內為第二個氧化過程，這是由于煤中揮發物的釋放，連同生物質炭在整個溫度范圍內緩慢燃燒。由圖可知，隨著稻殼摻混比的增加：混合燃料的曲線向稻殼（RH）靠攏，失質量占樣品質量的比例隨之增大，分別為86.1%、86.2%、89.2%、91.5%，且燃盡溫度也隨之減小，表明燃燒反應逐漸提前完成且燃盡程度也逐漸變大，這是由于稻殼的摻混減少了混合燃料中灰分的含量，降低了灰分阻燃的影響，使得反應可以提前完成；混合燃料的DTG曲線向低溫區移動即低溫時燃燒失質量速率增大，說明燃燒過程的反應性越來越好，這是由于稻殼的摻混增加了混合燃料中的揮發分含量，揮發分析出后增大了樣品的孔隙率，增大了與反應氣體的接觸面積，且揮發分燃燒所產生的熱量對混合物中固定碳起到了預加熱和結構疏松的作用，使得混合物燃燒向低溫區移動。

圖3顯示了煤（HC）、稻殼（RH）及混合燃料的燃燒特性參數。從圖中看出，隨著稻殼（RH）的加入，混合燃料的點火溫度和燃盡溫度相比于煤（HC）都出現大幅降低。隨著稻殼摻混比由10%升至70%，點火溫度維持在純稻殼點火溫度250 ℃左右，遠低于煤的點火溫度360 ℃，混合燃料的燃盡溫度從730降低至650 ℃。值得注意的是，在混合燃料僅有10%稻殼摻混比例時，其點火溫度與稻殼（RH）相差甚微，這是由于在較低溫度時，高揮發分的稻殼（RH）點火燃燒引起了混合燃料整體點火；而少量的稻殼摻混對燃盡溫度和綜合燃燒指數的影響不及較高摻混比例的混合燃料。在較高摻混比時，混合燃料的燃盡溫度趨于定值，這是由于其中較少量的煤固定碳對燃燒過程延遲影響有限。70%摻混比混合燃料的燃燒指數相比于30%和50%時具有更大增幅，同時70%摻混比混合燃料的點火溫度和純稻殼幾乎一致，而其燃盡溫度相較純稻殼又有較大增幅，這意味著較高摻混比混合燃料擁有更寬泛的燃燒溫度區間，明顯改善了純稻殼燃燒過快的特性。同樣較高的摻混比混合燃料提高了純煤的燃燒特性，綜合燃燒指數由2.153×10-8增加到1.183×10-7。綜上，較高反應性稻殼（RH）的加入有助于啟動煤的燃燒過程。

圖3 稻殼/煤混合燃料的燃燒特性參數

2.3 升溫速率對燃燒特性的影響

升溫速率是影響燃料燃燒過程十分重要的因素。70%RH30%HC混合燃料在10、20和30 ℃/min升溫速率下的TG和DTG曲線如圖4、圖5所示。由圖可知，樣品在不同升溫速率下的TG、DTG曲線變化趨勢相似。由TG曲線可知，樣品在不同升溫速率下的最大失質量幾乎一致，說明升溫速率對燃料的燃盡程度影響不大，最大失質量主要取決于燃料的灰分含量。由DTG曲線可知，混合燃料的失質量過程中2個峰值點都出現增大，第一個峰值點增大是由于提高升溫速率使得半纖維素和纖維素熱降解加快，第二個峰值點是由于提高升溫速率對固定碳燃燒具有促進作用。

圖4 不同升溫速率下混合燃料的熱重曲線

圖5 不同升溫速率下混合燃料的微商熱重曲線

圖6為不同升溫速率下混合燃料的燃燒特性參數，由圖可知，隨著升溫速率從10增加至30 ℃/min，混合燃料的點火溫度（T）變化甚微，仍在250 ℃左右，而燃盡溫度（T）從562.3升至700 ℃。這是由于生物質炭燃燒是一個緩慢氧化過程，需要較長的時間，因此高升溫速率也具有更高的燃盡溫度，意味著樣品的燃燒過程的溫度區間更寬泛。升溫速率的提高對混合燃料的綜合燃燒指數（）有著增益作用，綜合燃燒指數從3.8×10-8增加到1.923×10-7。這是由于樣品的非等溫行為，較高的升溫速率意味著達到特定環境溫度的時間更短，這會導致表面與顆粒核心之間的溫差相對較大。因此，加熱速率肯定會增強從顆粒表面到核心的熱傳遞。然而隨著升溫速率的增加，樣品的內部溫差隨之變大，燃燒過程的產物不能夠及時逸出，從而限制了樣品內部的燃燒進程，造成了燃燒熱滯后的現象，與ZHUO等[33]的研究相吻合。

2.4 稻殼與煤混合燃燒中的協同效應

4種混合燃料在20 ℃/min的升溫速率下的DTG理論和試驗曲線如圖7所示，試驗與理論曲線的變化趨勢比較相似。

相比于理論曲線，試驗曲線主要偏差為燃燒過程的DTG峰值更大且燃燒溫度范圍更小，這是由于半纖維素和纖維素熱分解產生的揮發物質加速了煤的脫揮發分過程，其次稻殼中存在的一些堿金屬或堿土金屬對煤的燃燒起到了促進作用。

煤（HC）和不同摻混比的混合燃料的協同效應參數如表2所列。由表2可知，不同摻混比例的混合燃料協同效應參數都在比較基線以上，說明了不同摻混比的混合燃料在燃燒過程中都發生了明顯的協同作用，而且隨著稻殼摻混比的增加，協同效應參數逐漸增大，協同效應越來越明顯，其中70%RH30%HC混合燃料的協同效應最為明顯。

圖6 不同升溫速率下混合燃料的燃燒特性參數

圖7 混合燃料的試驗和理論DTG曲線比較

表2 煤和不同摻混比的混合燃料的協同效應參數

綜上，理論與試驗偏差表明混合燃料的燃燒行為不能通過純燃料特性的簡單線性相加來預測?？梢哉J為，在稻殼與煤的混燃過程中確實存在協同促進作用。

2.5 動力學參數分析

通過FWO和KAS方法評估了摻混比對燃燒反應動力學的影響。其中不同混合燃料活化能的求解由同一轉化比時，對應10、20和30 ℃/min升溫速率的溫度，求出三個數據點，進行線性擬合得到線性方程式解析解，將所得方程式與方程（12）、（13）分別對應比較，根據斜率求解得到兩種方法的活化能值。在求解中僅使用轉化比在0.2至0.8范圍的對應值，這是因為該范圍之外數據的相關系數較差，且該范圍之外過程為水分損失和燃盡后過程，不具有分析意義。表3顯示了每個轉換比相應的活化能值和其決定系數（2）。活化能為對應于不同轉化比的算術平均值。從表3可發現在轉化比()0.2～0.8范圍內對樣品表觀活化能進行計算時具有良好的線性擬合結果，所有決定系數（2）大于0.93，并且大于BURATTI等[34-35]研究中的相關系數，說明本文中FWO和KAS兩種方法計算的結果具有可靠性。

需要注意的是，上述兩種方法計算的活化能值為聚合值，與任何單個反應步驟無關，其反映了不同轉化比時平行反應過程對總反應速率的影響。

由表3得知，FWO法得到的活化能均高于KAS法，但整體趨勢相似，這是由于樣品和試驗條件的不同，不同的動力學方法在計算活化能方面會有不同的值，這與K?K等[36]的結論一致。表中華能平涼煤（HC）燃燒過程中通過FWO和KAS方法計算的活化能值分別為37.66和31.00 kJ/mol，稻殼(RH)的活化能值分別為20.96和16.30 kJ/mol。

表3 稻殼/煤混合燃料的活化能

在固體燃燒過程中，樣品活化能隨著溫度和轉化比而改變。所有樣品的活化能都呈現出先增大后減小的趨勢。在轉化比0.2～0.8的范圍內，稻殼的活化能始終小于煤，混合燃料與煤的活化能變化有相似趨勢。煤（HC）在轉化比0.4～0.5時其活化能減小最多，溫度范圍在480～525 ℃間，這是由于揮發分釋放和固體碳燃燒；稻殼（RH）在轉化比0.5～0.6時其活化能減小最多，這是由于揮發性物質生成和燃燒形成生物質炭，溫度為300 ℃與上文中所述最大失質量速率點溫度一致，因此活化能隨轉化比的關系證實了DTG曲線顯示樣品燃燒中的存在多個熱分解過程的特性。不同樣品活化能隨轉化比的不同趨勢反應了混合燃燒的復雜性。

值得注意的是，對10%RH90%HC混合燃料，活化能呈增大減小再增大減小的趨勢，這是因為在0.2～0.4轉化比時即溫度較低時，稻殼已進行到燃燒階段，使其活化能出現第一次增大減小趨勢；而由于含量較少無法引起整體混合燃料的燃燒反應，所以在0.5～0.7轉化比時即煤的燃燒階段時，活化能呈現再次增大再減小的趨勢。

為進一步探討混合燃料成分間的協同作用，從表3中可以發現，各樣品的活化能平均值呈現出先增大后減少趨勢，這表明在加入較少量稻殼時，無法促進混合燃料反應，且會出現相比純煤更難引起燃燒反應的現象，這是因為少量稻殼使得其反應過程分為兩個階段，即低溫時少量稻殼已結束熱分解，高溫時僅有剩余純煤燃燒，如圖7所示，10%RH90%HC混合燃料的試驗曲線第二個氧化過程和理論曲線的高度重合也證明了上述觀點。其中70%RH30%HC相比幾種混合燃料的活化能值最低，同樣此種混合燃料相比純稻殼的活化能差量較小，這意味著此混合燃料燃燒反應是幾種混合燃料中最容易的。而在上文分析中，此種混合燃料的綜合燃燒指數也是相對最優的，活化能分析也證實了這一點。

3 結 論

1）稻殼的點火溫度和燃盡溫度均比煤要低。與純煤相比，稻殼/煤混合燃料的燃燒特性有明顯改善，點火溫度維持在純稻殼點火溫度250 ℃左右，遠低于煤的點火溫度360 ℃，但隨著稻殼摻混比由10%升至70%，混合燃料的燃盡溫度從730 ℃降低至650 ℃，燃盡程度也逐漸變大，失質量從86.1%增至91.5%，綜合燃燒特性指數從2.153×10-8增加到1.183×10-7；混合燃料擁有更寬泛的燃燒過程，明顯能改善純稻殼燃燒過快的特性，同時也能提升純煤的燃燒特性

2）不同的升溫速率下，混合燃料的點火溫度變化不大，仍維持在純稻殼點火溫度250 ℃左右，燃盡程度也幾乎不變，但隨著升溫速率從10增加至30 ℃/min，混合燃料的燃盡溫度從562.3升至700 ℃，綜合燃燒指數從3.8×10-8增加到1.923×10-7。

3）混合燃料的燃燒失質量情況不能簡單由組分疊加而成，因為組分間會發生協同作用，且隨著稻殼摻混比的增加，協同效應參數逐漸增大，協同效應越來越明顯。

4）FWO法和KAS法用來計算燃燒過程活化能時，均具有較好的可靠性，兩種方法得到的煤的活化能分別為37.66和31 kJ/mol，稻殼的活化能分別為20.96和16.3 kJ/mol；隨著燃料轉化比的增大，活化能呈現出先增大后減小的趨勢，混合燃料的活化能隨著稻殼摻混比的增加先增大后減小，在10%摻混比時達到最大。

[1] 王芳，劉曉風，陳倫剛，等. 生物質資源能源化與高值利用研究現狀及發展前景[J]. 農業工程學報，2021，37(18)：219-231.

WANG Fang, LIU Xiaofen, CHEN Lungang, et al.Current status and development prospects of research on energy and high value utilization of biomass resources[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(18): 219-231. (in Chinese with English abstract)

[2] 胡二峰，趙立欣，吳娟，等. 生物質熱解影響因素及技術研究進展[J]. 農業工程學報，2018，34(14)：212-220.

HU Erfeng, ZHAO Lixin, WU Juan, et al.Research progress of biomass pyrolysis influencing factors and technology[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(14): 212-220. (in Chinese with English abstract)

[3] 霍麗麗，趙立欣，姚宗路，等. 農業生物質能溫室氣體減排潛力[J]. 農業工程學報，2021，37(22)：179-187.

HUO Lili, ZHAO Lixin, YAO Zonglu, et al.Agricultural biomass greenhouse gas reduction potential[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(22):179-187. (in Chinese with English abstract)

[4] CHENG B H, HUANG B C, ZHANG R, et al. Bio-coal: A renewable and massively producible fuel from lignocellulosic biomass[J]. Science Advances, 2020, 6(1): eaay0748.

[5] LI S D, CHEN X L, LIU A B, et al. Study on co-pyrolysis characteristics of rice straw and Shenfu bituminous coal blends in a fixed bed reactor[J]. Bioresource Technology, 2014, 155: 252-257.

[6] 呂媛，牛艷青，雷雨，等. 生物質與煤混燃灰熔融特性與動力學研究[J]. 工程熱物理學報，2020，41(9)：2285-2290.

LU Yuan, NIU Yanqing, LEI Yu, et al. Study on the melting characteristics and kinetics of ash mixed with biomass and coal[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2020, 41(9): 2285-2290. (in Chinese with English abstract)

[7] 梅艷陽，李文琪，龐樹聲，等. 生物質水蒸氣氛圍烘焙對后續熱解影響[J]. 農業工程學報，2022，38(12)：253-259.

MEI Yanyang, LI Wenqi, PANG Shusheng, et al. Effect of biomass water vapor atmosphere baking on subsequent pyrolysis[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(12): 253-259. (in Chinese with English abstract)

[8] 王淼，衛俊濤，張濤，等. 干/濕法烘焙預處理對稻殼燃燒反應特性的影響[J]. 農業工程學報，2022，38(6)：236-243.

WANG Miao, WEI Juntao, ZHANG Tao, et al. Effect of dry/wet baking pretreatment on the reaction characteristics of rice husk combustion[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(6): 236-243. (in Chinese with English abstract)

[9] GHANI W A K, ALIASA B, SAVORY R M, et al. Co-combustion of agricultural residues with coal in a fluidised bed combustor[J]. Waste Management, 2008, 29(2): 767-773.

[10] WEILAND N T, MEANS N C, MORREALE B D. Product distributions from isothermal co-pyrolysis of coal and biomass[J]. Fuel, 2012, 94: 563-570.

[11] 陳繼輝，盧嘯風. 循環流化床鍋爐焚燒生物質燃料的研究進展[J]. 農業工程學報，2006，22(10)：267-270.

CHEN Jihui, LU Xiaofeng. Research progress of burning biomass fuel in circulating fluidised bed combustor[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2006, 22(10): 267-270. (in Chinese with English abstract)

[12] 王曉鋼，魯光武，路進升. 生物質與煤摻燒燃燒特性的實驗研究[J]. 可再生能源，2014，32(1)：87-92.

WANG Xiaogang, LU Guangwu, LU Jinshen. Experimental study of combustion characteristics of biomass and coal blended[J]. Renewable Energy, 2014, 32(1): 87-92. (in Chinese with English abstract)

[13] 魏剛，樊孝華，王毅斌，等. 生物質混燃與空氣分級對NOx排放的影響[J]. 熱力發電，2015，44(5)：7-11.

WEI Gang, FAN Xiaohua, WANG Yibin, et al. Effect of biomass blended combustion and air classification on NOx emissions[J]. Thermal Power Generation, 2015, 44(5): 7-11. (in Chinese with English abstract)

[14] 劉翔，陳梅倩，余冬，等. 草本類生物質與煙煤混燒特性及其影響因素分析[J]. 農業工程學報，2012，28(21)：200-207.

LIU Xiang, CHEN Meiqian, YU Dong, et al. Analysis of the combustion characteristics of herbaceous biomass blended with bituminous coal and the influence factors[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(21): 200-207. (in Chinese with English abstract)

[15] 羅娟，侯書林，趙立欣，等. 典型生物質顆粒燃料燃燒特性試驗[J]. 農業工程學報，2010，26(5)：220-226.

LUO Juan, HOU Shulin, ZHAO Lixin, et al. Combustion characteristics experimental on typical biomass pellet fuel[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2010, 26(5): 220-226. (in Chinese with English abstract)

[16] 楊洺溦. 滴管爐煤與生物質混燃特性和NO_X排放研究[D]. 大連：大連理工大學，2019.

YANG Mingxuan. Study on Combustion Characteristics and NOx Emission of Mixed Combustion of Coal and Biomass in Dropper Furnace[D]. Dalian: Dalian University of Technology, 2019. (in Chinese with English abstract)

[17] 徐貴玲，李夢慧，盧平. 烘焙林業廢棄物生物質與煤粉不同配比混合顆粒的流化特性[J]. 農業工程學報，2019，35(3)：218-225.

XU Guiling, LI Menghui, LU Ping. Fluidization characteristics of mixed pellets with different proportions of baked forestry waste biomass and pulverized coal[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(3): 218-225. (in Chinese with English abstract)

[18] 柏靜儒，邵佳曄，李夢迪，等. 堿木質素與油頁巖共熱解特性及動力學分析[J]. 農業工程學報，2016，32(7)：187-193.

BAI Jingru, SHAO Jiaye, LI Mengdi, et al. Co-pyrolysis characteristics and kinetic analysis of alkali lignin and oil shale[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(7): 187-193. (in Chinese with English abstract)

[19] HE Cheng, YANG Zengling, CHEN Longjian, et al. Near-infrared spectroscopy for online detection of factors influencing straw-coal combustion mixtures(In English)[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(9): 192-200.

賀城，楊增玲，陳龍健，等. 近紅外光譜在線檢測秸稈-煤混燃物影響因素[J].農業工程學報，2014，30(9)：192-200. (in English with Chinese abstract)

[20] VAMVUKA D, SFAKIOTAKIS S. Combustion behaviour of biomass fuels and their blends with lignite[J]. Thermochimica Acta, 2011, 526(1): 192-199.

[21] TA? S, Y?R?M Y. Co-firing of biomass with coals: Part 2. Thermogravimetric kinetic analysis of co-combustion of fir (Abies bornmulleriana) wood with Beypazari lignite (Conference Paper)[J]. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 2012, 107(1): 293-298.

[22] OLADEJO M, ADEGBITE S, PANG C H, et al. A novel index for the study of synergistic effects during the co-processing of coal and biomass[J]. Applied Energy, 2017, 188: 215-225.

[23] GIL M V,RIAZA J, áLVAREZ L, et al. Kinetic models for the oxy-fuel combustion of coal and coal/biomass blend chars obtained in N2and CO2atmospheres[J]. Energy, 2012, 48(1): 510-518.

[24] HENRICH E, BüRKLE S, MEZA-RENKEN Z I, et al. Combustion and gasification kinetics of pyrolysis chars from waste and biomass[J]. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 1999, 49(1): 221-241.

[25] GUO Feihong, HE Yi, ALI H, et al. Thermogravimetric analysis on the co-combustion of biomass pellets with lignite and bituminous coal[J]. Energy, 2020, 197: 117147.

[26] DOYLE C D. Kinetic analysis of thermogravimetric data[J]. Journal of Applied Polymer Science, 1961, 5(15): 285-292.

[27] 劉學彬. 稻殼的綜合利用[J]. 農村實用工程技術，1996(3)：19.

[28] 馬曉宇. 生物質基二氧化硅的提取及在聚酯中的應用[D]. 長春：吉林大學，2012.

MA Xiaoyu. Extraction of Biomass Based Silica and Its Application in Polyester[D]. Changchun: Jilin University, 2012. (in Chinese with English abstract)

[29] 王惠玲，張洪起，張永欣，等. 利用稻殼制取白炭黑的工藝研究[J]. 無機鹽工業，2008，40(9)：45-47.

WANG Huiling, ZHANG Hongqi, ZHANG Yongxin, et al. Process study on the production of silica from rice husk[J]. Inorganic Chemicals Industry, 2008, 40(9): 45-47. (in Chinese with English abstract)

[30] PRINS M J, PTASINSKI K J, JANSSEN F J J G. Torrefaction of wood[J]. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 2006, 77(1): 28-34.

[31] SANCHEZ-SILVA L, López-González D, Villase?or J, et al. Thermogravimetric-mass spectrometric analysis of lignocellulosic and marine biomass pyrolysis[J]. Bioresource Technology, 2012, 109: 163-172.

[32] BHAGAVATULA A, HUFFMAN G, SHAH N, et al. Evaluation of thermal evolution profiles and estimation of kinetic parameters for pyrolysis of coal/corn stover blends using thermogravimetric analysis[J]. Journal of Fuels, 2014, 2014: 1-12.

[33] ZHUO Zhongxu, LIU Jingyog, SUN Shuiyu, et al. Thermogravimetric characteristics of textile dyeing sludge, coal and their blend in N2/O2and CO2/O2atmospheres[J]. Applied Thermal Engineering, 2017, 111: 87-94.

[34] BURATTI C, BARBANERA M, BARTOCCI P, et al. Thermogravimetric analysis of the behavior of sub-bituminous coal and cellulosic ethanol residue during co-combustion[J]. Bioresource Technology, 2015, 186: 154-162.

[35] 代敏怡，郭占斌，趙立欣，等. 玉米秸稈與市政污泥混合熱解特性及動力學分析[J]. 農業工程學報，2021，37(2)：242-250.

DAI Minyi, GUO Zhanbin, ZHAO Lixin, et al. Pyrolysis characteristics and kinetic analysis of maize stovers mixed with municipal sludge[J]. Transactions of The Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(2): 242-250. (in Chinese with English abstract)

[36] K?K M V, ?ZGüR E. Thermal analysis and kinetics of biomass samples[J]. Fuel Processing Technology, 2013, 106: 739-743.

Experimental investigation on the co-combustion characteristics of rice husk and coal

YU Wan1,2, LIU Xiaowei1,2, LIAO Lei1,2, WANG Gang1,2※, GAO Zhenjun1,2, ISHNAZAROV Oybek3

(1.,,443002,; 2.,443002,;3.,100125,)

Rice husk is one of the major biomass sources in the boilers and furnaces in modern agriculture. Particularly, the combustion characteristics can be in the appropriate state. It is very essential to the combustion characteristics of rice husk and coal blend fuels, in order to effectively promote the biomass utilization and mitigate carbon emissions. Fortunately, the thermogravimetric analysis can serve as one of the most significant approaches for the combustion characteristics. In this study, a systematic investigation was made to determine the combustion characteristics of rice husk, coal, and their blended fuel using thermogravimetric analysis. The samples of blended fuel were prepared with the rice husk mass ratio of 10%, 30%, 50%, and 70%. A series of combustion experiments were was carried out in the temperature zone of 25℃ to 1200℃ with three heating rates of 10, 20, and 30℃·min-1. The evaluation indexes were selected as the ignition temperature, burnout temperature, and the integrated combustion characteristic index. Furthermore, Flynn-Wall-Ozawa (FWO) and Kissinger-Akahira-Sunose (KAS) methods were used to calculate the combustion kinetic characteristic parameters. The results show that the ignition temperature and burnout temperature of rice husk were lower than those of coal. There were the significantly improved combustion characteristics of rice husk/coal blended fuel, compared with the pure coal. The addition of rice husk with the high volatile matter content was improved the reactivity of the blended fuel at the lower temperatures, and thus improve the ignition performance. The higher content of fixed carbon in the coal was greatly contributed to the more stable combustion process of the blended fuel. There was no influence in of the lower ash content of rice husk on the combustion rate of the blended fuel and fouling. The optimal ignition temperature of rice husk and coal were 250℃ and 360℃, respectively. The ignition temperature of blended fuel was around 250℃, which was independent of the rice husk mass ratio. However, the burnout temperature of the blended fuel decreased from 730℃ to 578℃ with the increase of rice husk blending ratio from 10% to 70%. The burnout degree also gradually increased, with the weight loss increasing from 86.1% to 91.5%. The comprehensive combustion characteristic index also increased from 2.153×10-8to 1.183×10-7. The blended fuel presented a wider combustion process. At the same time, the combustion characteristics of blended fuel were significantly improved, compared with the pure coal and rice husk. There was little effect of the heating rate on the ignition temperature of blended fuel, which was still around 250℃ at different heating rates. The maximum weight loss rate was also unrelated to the heating rate. However, the burnout temperature of the blended fuel increased from 562.3℃ to 700℃, as the heating rate increased from 10℃·min-1to 30℃·min-1. The comprehensive combustion index increased from 3.8×10-8to 1.923×10-7. The experimental curves of blended fuel presented the a larger peak weight loss rate and smaller temperature range, compared with the theoretical TG curves. The combustion weight loss of blended fuel was failed to simply calculate using linear stacking of the components. There was the a synergistic effect between the rice husk and coal during the co-combustion process. Specifically, the synergistic effect parameters gradually increased with the increasing increase of the rice husk mass ratio, indicating the a more outstanding synergistic effect. The combustion activation energy of all samples was calculated by the FWO and KAS, indicating the an excellent correlation coefficient. The activation energy of coal obtained by FWO and KAS were 37.66, and 31 kJ/mol, respectively. The activation energy of rice husk were 20.96, and 16.3 kJ/mol, respectively. The activation energy of blended fuel increased first and then decreased with the increase of combustion temperature, and rice husk mass ratio, respectively. The maximum activation energy was obtained at a 10% blending ratio.

kinetics; fuel; rice husk; combustion characteristics; mass ratio

10.11975/j.issn.1002-6819.202210113

S216.2

A

1002-6819(2023)-01-0203-09

余萬，劉驍緯，廖雷，等. 稻殼與煤混合燃燒特性試驗[J]. 農業工程學報，2023，39(1)：203-211. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202210113 http://www.tcsae.org

YU Wan, LIU Xiaowei, LIAO Lei, et al. Experimental investigation on the co-combustion characteristics of rice husk and coal[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2023, 39(1): 203-211. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202210113 http://www.tcsae.org

2022-10-17

2022-12-31

湖北省引進外國人才和智力項目（2022EJD023）

余萬，博士，副教授，研究方向為新能源利用及強化傳熱。Email：yuwan@ctgu.edu.cn

王崗，博士，講師，研究方向為新能源利用及強化傳熱。Email：gwang2019@126.com