生物质与煤混烧的燃烧特性研究

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摘要：对煤、生物质及二者混合物利用TG2DTG热分析技术分析其燃烧过程,研究了煤种、生物质、生物质添加比例、等因素对燃烧特性的影响。详细分析介绍了实验结果及讨论，以供同行参考。

关键词: 生物质; 煤; 燃烧特性; 研究；热分析

中图分类号： O643.2+1 文献标识码： A

引言

随着世界各国经济的不断发展，能源的资源和供应问题越来越突出，给经济和社会的进一步发展带来很大压力。与此同时，全球环境状况恶化、全球暖化、气候异常、重大自然灾害等现象也越来越严重，向人类发出了警钟，促使人类更加关注能源利用所产生的问题、更加紧迫地考虑可再生能源的发展和利用问题。

我国农业废弃生物质资源丰富，每年约有7亿吨的农作物秸秆和约1亿吨的林业采伐和加工厂的废弃生物质。利用生物质直燃发电，是一种新型、环保可再生能源方式，是缓解国内当今能源短缺的重要途径；生物质是仅次于煤的第二大能源。我国是一个由于烧煤而引起的污染排放很严重的发展中国家,因此发展生物质与煤混合燃烧这种既能脱除污染,又能利用再生能源的廉价技术是非常适合中国国情的。下面将具体介绍生物质与煤混烧的部分燃烧特性研究。

1、实验部分

1. 1 实验设备

实验采用STA409PC 型热分析仪,该仪器采用微机程序自动控制,实验可以用空气、N2 或O2 为载体,气体流量、升温速度及终温均可通过计算机设置. 盛装样品坩埚为D6 mm ×4 mm 的氧化铝坩埚.

1. 2 样品制备

实验煤样为义马煤( YM) 、鹤壁煤( HB) ,生物质为玉米秸秆和木屑. 原料煤粒径为0. 2 mm～0. 4 mm ,生物质粒径为0. 4 mm～1 mm.用分析天平称取煤样和生物质样品,按生物质占混合物总重量的20 % ,40 %和60 %配比混合均匀,然后取15 mg～20 mg 的混合物或纯样品进行热分析。

1. 3 实验条件及过程

实验初始温度为室温,终温为950 ℃,工作气氛为N2 和O2 ,气体总流量为100 mL/ min. 除特别说明外,N2 流量为80 mL/ min ,O2 流量为20 mL/ min ,升温速率为20 ℃/ min. 实验考察了煤种、生物质种类、生物质添加比例、升温速率等对燃烧过程的影响。

2、实验结果与讨论

从图1( a) ~ ( d) 可以看出, 单一生物质、生物质与煤混烧的情况下, 燃烧明显的分成两个阶段。对于单纯生物质来说, 燃烧主要集中在前期温度较低的阶段; 在煤和同一种生物质混合燃烧的情况下, 随着煤粉的混合比例增加, 燃烧逐渐集中于后期阶段。而对于单一的煤燃烧来说, 在DTGA 曲线上只有一个大的尖峰区域。这是由于生物质中含有大量的挥发分, 燃烧前期的强度很高, 后期阶段相对较弱; 而煤粉则相反; 当煤和生物质混烧时, 则平衡了整个燃烧过程。

着火温度是燃料氧化反应速度突变的温度,表观现象是燃料发生着火时的温度,是衡量着火特性的重要特征点. 着火特性反映燃料的着火难易程度,着火性能的好坏可用着火特性指数来衡量. 着火特性指数可按式(1) 计算:

（1）

式中: Zi ———着火特性指数, %2 / ( ℃ · min ) ;V ad ———分析基挥发分, %; ( dm/ dt) max ———最大燃烧失重速率, %/ min ; Ti ———着火温度, ℃.

由式(1) 可知,挥发分越高,最大燃烧失重速率越大,着火指数越大;着火温度越高,着火指数越小.因此,着火指数越大,燃料越容易着火.

2.1 原煤和生物质的燃烧过程

原煤和生物质燃烧的TG--DTG曲线见图2 . 图2a 为原煤的燃烧过程,原煤的燃烧过程分为脱水干燥( 90 ℃～ 180 ℃) 和挥发分析出及固定碳燃烧(280 ℃～850 ℃) 两个阶段. 由于原煤固定碳远高于其挥发分,因此DTG 曲线上除了失水峰外只有一个明显的失重峰,燃烧过程中挥发分的析出几乎一直伴随着煤焦的燃烧. 图2b 为生物质的燃烧过程,生物质的燃烧分为三个阶段:第一阶段为70 ℃～150 ℃,主要是脱水干燥阶段;第二阶段为200 ℃～340 ℃,主要是生物质中的纤维素和木质素裂解以及挥发分释放燃烧阶段;第三阶段为340 ℃～500 ℃,主要是生物质裂解后焦炭燃烧阶段. DTG曲线上除了失水峰外有两个明显的失重峰,分别为挥发分释放燃烧峰及固定碳燃烧峰. 前者远大于后者,这是由于生物质挥发分远大于其固定碳所致.

由以上图表所示，说明生物质的着火特性、燃尽性能和燃烧性能明显优于原煤,这主要是由于生物质质地疏松,且挥发分和含氧量高于原煤,易于燃烧和燃尽.

2.2 生物质对燃烧过程的影响

将玉米秸秆和木屑分别以20 %的添加量与原煤混合燃烧,两种混合物的燃烧规律基本符合所加生物质的燃烧规律,与单独原煤相比,木屑与原煤混合物的着火特性指数和综合燃烧特性指数比玉米秸秆与原煤混合物的着火特性指数和综合燃烧特性指数增加的多,燃尽温度也比玉米秸秆与原煤混合物降低得多,只有着火点的增加值小于后者. 这说明混合物着火温度的变化主要取决于生物质本身的着火温度,而其他指标受生物质挥发分含量的影响较大,挥发分含量越高,对燃烧性能的影响越大. 总的来说,玉米秸秆和木屑都可以改善原煤的燃烧性能。

2.4 生物质添加量对燃烧过程的影响

将原煤和玉米秸秆按不同比例混合燃烧, 由于玉米秸秆的水分和挥发分都远远高于原煤,因此,随着玉米秸秆添加量的增加,混合物中水分和挥发分含量逐渐增加,固定碳含量逐渐降低,影响了水分、玉米秸秆挥发分、玉米秸秆固定碳燃烧及原煤挥发分的析出峰逐渐增强,而原煤固定碳燃烧失重作用逐渐减弱。

结语

单一生物质燃烧主要集中于燃烧前期; 单一煤燃烧主要集中于燃烧后期。在生物质与煤混烧的情况下, 燃烧过程明显地分成两个燃烧阶段, 随着煤的混合比重加大, 燃烧过程逐渐集中于燃烧后期；生物质的挥发分初析温度要远低于煤的挥发分初析温度, 使得着火燃烧提前。在煤中掺入生物质后, 可以改善煤的着火性能。在煤和生物质混烧时, 最大燃烧速率有前移的趋势, 同时可以获得更好的燃尽特性。生物质的发热量低, 在燃烧的过程中放热比较均匀, 单一煤燃烧放热几乎全部集中于燃烧后期；在煤中加入生物质后, 可以改善燃烧放热的分布状况, 对于燃烧前期的放热有增进作用, 可以提高生物质的利用率。

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