生物质与煤掺烧燃烧特性的实验研究

王晓钢¹，鲁光武²，路进升¹

　　(1．许继集团有限公司，河南许昌461000；2．华北电力大学能源动力与机械工程学院，河北保定071003)

　　摘要：利用热重分析仪，在不同条件下，对单一生物质、煤及其混合物的燃烧特性进行分析，研究了木屑、稻壳、稻草及耒阳白沙煤的着火温度、燃烧最大速率温度和燃烬温度等燃烧特性参数。实验结果表明，生物质的着火温度比白沙煤低，生物质在燃烧过程中有两个明显的失重阶段，而煤只有一个明显的失重阶段。通过掺烧可以使生物质与煤的混合物着火温度降低．着火时间缩短，延长了整个燃烧的温度区间，使煤能更好地燃尽，使燃料的燃烧特性得到了优化。随着生物质掺混比例的提高，掺混样品着火点温度降低得更加明显；且生物质颗粒尺寸由R90变为R200时，同样的掺混比例下，尺寸R200的掺混样品着火温度更低。

　　0前言

　　我国电力生产以煤电特别是煤粉燃烧发电为主。近年来，因电力需求的急剧增加，煤炭相对短缺的现象相当严重。我国生物质能占一次能源比重33％左右，是仅次于煤的第二大能源。目前生物质作为能源利用的比例并不高，专门用于发电的则更少。因此开发生物质能用于发电在我国具有重要意义。

　　由于生物质的能量密度低等特性，单烧生物质在处理大量燃料等方面存在着困难，影响其大型化利用，发电效率一般也不高。煤粉炉共燃生物质，既可借用现有煤粉燃烧发电的高效率，实现生物质大量高效利用．又可利用现役电厂，无需大量的投资，被广泛认为是一种廉价、实用的生物质发电技术。我国火电厂由于燃煤煤种变化大，燃烧劣质煤时锅炉燃烧稳定性差、低负荷稳燃能力低。

　　生物质挥发分含量高、易着火同，因此有必要研究生物质与煤掺烧。以在一定程度上解决发电厂燃用劣质煤时着火不稳定等问题。

　　生物质混煤燃烧是生物质能利用的一种重要方式，已经引起国内外学者的广泛关注，Back—reedy曾采用CFD软件对生物质焦与煤粉的燃烧反应过程进行模拟研究㈣。目前，国内外对生物质与煤的共燃研究主要集中在不同生物质种类与不同生物质掺混比例下混合样品燃烧特性的变化，而关于生物质与煤的粒径对混合样品燃烧特性的影响则鲜见报道。

　　本文采用热分析技术，不仅考虑生物质种类与生物质比例对混合样品燃烧特性的影响，而且考虑了不同生物质粒径下混合样品着火温度的变化情况。

　　1实验装置与方法

　　1．1实验样品

　　选取3种典型成型生物质样品：稻草、木屑、谷壳及末阳白沙煤为实验原料。对以上样品进行了工业分析和元素分析，见表1。

　　由表1可知，稻草、谷壳和木屑的挥发分比白沙煤高许多。但是水分含量较多；由于生物质的挥发分含量多。所以易于点火并能迅速燃烧；水分较多能够在燃烧初期吸收较多的热量，不利于燃烧放热，造成较多的热量损失；谷壳所含灰分最多，故燃烧残余物较多。

　　1.2热重实验装置

　　实验装置采用德国Netzsch公司的sTA449C综合热分析仪，该仪器由循环恒温单元、功率器、TA系统控制器、气体控制单元和计算机采集系统等组成．可在室温至1400℃的温度范围内进行固态微量试样的热重实验。本实验装置流程图见图1，采用A120坩锅，升温速率为30K／min，空气流量为20ml／min(通过控制7氮气瓶、8氧气瓶及9二氧化碳气瓶的流量，模拟空气1考察反应行为。

　　1.3实验方案

　　(1)3种生物质与煤的单烧热重实验

　　实验前，用MettlerAE200光电天平(精度0．01mg)分别称取3种成型生物质样品与白沙煤质量约为5rng。将加热炉升温至设定终温850℃后停留30min，期间的实验数据由计算机自动采集，待反应物质量不再变化时，表明反应完毕在该实验条件下，内、外扩散的影响可以排除，实验处于动力学控制范围内。

　　(2)3种生物质与煤混烧实验方案

　　实验内容：制定在两种按热量不同的掺混比例(1：9，2：8)、不同生物质燃料类型(两种农业生物质，一种林业生物质)、不同粒径配比(煤粉和生物质同等粒径，煤粉小粒径+生物质大粒径)条件下的混燃实验方案。根据设计的混燃实验方案(表2)在热重分析仪上开展混燃热重分析。

　　按照上表比例分别称取5mg样品，在如图1所示热重上，以空气为气氛，流量为20ml／min，以30K／min的升温速率升温至1000℃停留30min，由电脑记录失重数据。

　　1．4实验数据处理

　　数据处理：从实验电脑取得热重失重数据和失重率数据，用origin软化画图，并确定各生物质样品的着火温度。燃烧最大速率温度和燃尽温度(图2)。着火温度确定方法：从失重速率(DTG)最大点做垂线交于失重曲线(TG)一点B，过B点做TG曲线的切线，交于着火前水平线于一点A，A点即为着火点，B点为燃烧最大速率点，燃尽温度取失重量占总失重量的98％，即C点f见图2)。煤样和混燃热重曲线的处理方法与此相同。

　　2实验结果与讨论

　　2．1生物质与煤单烧的燃烧特性曲线分析3种生物质与煤单烧下燃烧特性见表3。

　　纯生物质着火温度较低(均低于300℃)，最大失重速率温度为310～340℃。普通生物质一般在600℃左右即可燃烧完全。木屑的着火温度、最大失重速率温度均高于谷壳和稻草。而谷壳和木屑由于有较高的灰分，因此燃尽温度略高一些。

　　从图3-6可以看出，3种生物质的燃烧过程与白沙煤不同，存在着较为明显的两个区间，即挥发分析出和固定碳燃烧阶段。

　　2．2生物质与煤混烧的燃烧特性曲线分析

　　混燃结果处理步骤与单一生物质热重实验处理步骤相同，见图7～9。

　　由表4可以看出，原煤的着火点为549℃，混燃生物质后的试样的着火点下降，其中掺混稻草的样品着火点最低(528℃)，最大燃烧速率温度也有所降低，燃尽温度却有少量增加，比较图形可以看出。煤粉单独燃烧的失重速率只有一个峰值，且在600℃附近，而掺混生物质后，在320℃左右失重速率均出现了另一个峰值，这是因为在320℃附近，生物质中挥发分析出的结果。掺混稻草的煤样在320℃左右的失重峰较其他两种生物质的大，这是因为稻草的挥发分含量高于木屑和谷壳。

　　掺混比例升高为2：8后，与表4相比可得。掺混样品着火点降低得更加明显，特别是掺烧稻草和木屑时，着火点降低约40℃(表5)。由于掺人了生物质，煤样燃烧时失重速率出现了两个峰，这里的最大失重速率温度取第2个峰，即煤粉燃烧时最大失重速率所对应的温度，故最大失重速率温度与煤粉单独燃烧相比没有太大的变化，燃尽温度也没有明显的变化。由图10一12也可以看出，随着生物质在混合试样中的掺混比例的逐步增大．燃烧过程逐渐向低温区域移动。

　　由表6知，当颗粒尺寸由R90颗粒变为R200时，在同样的掺混比例下，R200的掺混样品着火温度更低。由图13～图15可以看出，与木屑混燃时，第2个大峰分为两个小峰，这里取这两个小峰的平均值575℃为最大失重速率温度。与煤粉单独燃烧相比，混燃使煤粉燃烧温度至少降低了20℃。

　　在颗粒尺寸为R200下，生物质掺混比例由1：9增大至2：8后，着火温度下降更加明显，这与粒径为R90时的结果相吻合。图16～18中可以看出，掺混木屑样品的着火温度与掺混谷壳的样品相似(490℃左右)，最大燃烧速率温度以及燃尽温度下降也较为明显。因此，由表6和表7可见，粒径为R200的生物质与煤掺混比粒径为R90的生物质与煤掺混更能降低着火温度、最大燃烧速率温度和燃尽温度。

　　掺混生物质后，煤的着火温度下降。相同掺混比例下，掺混粒径为R200的生物质着火温度比掺混粒径为R90的生物质着火温度低。相同掺混粒径下，掺混比例越大，着火温度越低，最大燃烧速率温度也越低。3种生物质着火温度的变化规律相同。粒径均为尺200时，两种掺混比例下，掺混谷壳的着火温度最低(501℃，491℃)；粒径均为R90时，在掺混比例2：8下掺混稻草的着火温度最低(508℃)，掺混木屑的最大燃烧速率温度最低(572℃)。

　　3结论

　　(1)生物质的着火温度比白沙煤低，3种生物质在燃烧过程中均有两个明显的失重阶段，而白沙煤只有一个明显的失重阶段。

　　(2)掺混生物质后，生物质与煤混合物的着火温度下降。对于林业生物质木屑，随着掺混比例的升高，掺混颗粒的增大(含水率降低或挥发分含量增加)，着火温度逐渐降低，最大燃烧速率温度及燃尽温度下降明显。农业生物质掺混燃烧特性也基本符合这个规律。