木质与草本生物质燃烧特性及工况优化研究

何姗姗¹，李 薇¹，王灵志¹，卢晗¹，张宏亮²

(1 华北电力大学区域能源系统优化教育部重点实验室，北京102206；2 广东电网公司电力科学研究院，广州510600)

　　摘要：为提高生物质燃料的燃烧效率，缓解生物质电厂锅炉的腐蚀问题，在不同的氧气化学当量比(14％和42％)及不同升温速率(10℃/min、30℃/min、60℃/min)下，采用热重一差热分析(TG-DTG)联用技术，以桉树干为基准燃料，对桉树枝、桉树皮和甘蔗渣混燃过程中的燃烧特性进行研究分析。结果表明，各燃料燃烧过程具有相似性，在同等升温速率下，桉树干在燃烧过程中表现出一定的滞后性，如10℃/min下M1一M5的最大失重速率在325~330℃之间，桉树干则在336℃时有最大失重速率。同时，随着氧气化学当量比的增大及升温速率的降低，各燃料的燃烧特性有所提高。此外，在14％O₂条件下掺配比例较高的甘蔗渣(M2)，在42％O₂条件下掺配中低比例的甘蔗渣(M4)均能提高生物质燃料的前期可燃性和综合燃烧特性，但燃尽特性较差。因此，甘蔗渣等草本类植物可作为难点燃的木质类物质的助燃添加剂，为生物质电站的高效稳定运行提供一定的参考。

　　0 引言

　　考虑化石能源的日益枯竭，特别是温室气体的排放对自然环境造成的危害，以及核能生产运行中的不安全因素，可再生能源以清洁、低成本等特性在人类的生产生活中使用比例逐渐升高。生物质以其热值高、清洁性、固废再利用等优势，被广泛用作锅炉炉前燃料。生物质的有效利用对于降低一次能源消耗、减少环境污染具有重要意义，其研究开发是未来电力能源结构调整的重要措施。

　　目前，生物质燃料燃烧过程中会产生腐蚀、结焦、结渣等现象，对电厂的安全生产造成严重威胁。对此，大量实验研究表明生物质与煤炭混燃能起到减缓腐蚀、结焦的作用。然而，煤炭燃烧SO₂以及NO_x排放量普遍偏高，不利于大气污染物的控制，且二者混燃后产生的飞灰可能使SCR处理系统失效。田红对玉米秆、玉米芯、稻草、荔枝条及其混合燃料进行热重试验，得出草本类生物质后期燃烧稳定性差，不适合单独燃烧，但在木质类生物质中加入适量的草本类生物质有利于提高其燃烧稳定性。当前各实验对不同类型的生物质混燃利用研究较少，尤其是在不同升温速率和不同的氧气化学当量比下，对直燃电厂炉前混合生物质燃料的热裂解和燃烧过程特性分析尚显不足。

　　因此，为提高电厂生物质资源利用效率，解决运行过程中出现的腐蚀问题，本实验对生物质电厂炉前不同生物质燃料进行筛选。将桉树枝、桉树皮和甘蔗渣进行不同比例掺配，再基于热重分析法在不同条件下对混合燃料进行热裂解，并系统分析其燃烧特性，为生物质电厂单烧生物质引起锅炉“四管”产生积灰、腐蚀等问题的解决提供技术支持。

　　1实验

　　1.1实验材料

　　本研究的实验材料来自广东某直燃电厂炉前农业生物质燃料，主要为桉树枝(ES)、桉树皮(EB)和甘蔗渣(BA)等，各燃料的工业分析及元素分析如表1所示。

　　由表1可见，甘蔗叶和桉树叶中氮、硫元素含量较高，在燃烧过程中易形成氮氧化物及硫氧化物，与水蒸气结合会形成强腐蚀性的酸性蒸汽，遇冷凝结后对设备造成腐蚀，严重情况或影响电厂的正常运作。基于环境成本和电厂运行稳定性考虑，建议电厂减少掺烧甘蔗叶和桉树叶。

　　1.2 实验设备及方法

　　将各样品用微型植物粉碎机进行粉碎，筛分出0.08～0.10mm的颗粒，取质量为10mg试样，采用非等温法进行升温加热。设定升温速率分别为10℃/min、30℃/min和60℃/min，载气流量25 mL/min，在常压状态下，气氛条件分别为14％和42％氧气浓度，填充气为纯度99.99的氮气。采用Perkin Elmer Pyris STA 6000型热重分析仪进行热重分析。

　　1.3 燃烧特性相关参数

　　生物质的燃烧反应与燃烧条件密切相关，不同燃烧条件下的燃烧过程不同，甚至会有明显差异，这些差异在热重曲线上体现为不同的线型。本实验主要对以下生物质燃烧特性曲线上各特征点和特性指数进行燃烧特性分析：

　　(1)着火点。着火点是衡量试样着火特性的重要特征点，定义为着火温度，记为Ti，℃。如图1所示，在DTG曲线上，过峰值点作垂线与TG曲线交于一点，过该点作TG曲线的切线，该切线与失重起始平行线的交点即为着火点，所对应的温度定义为着火温度。

　　(2)可燃特性指数。燃料的可燃特性指数可用式(1)进行计算。

　　(3)燃尽点。燃尽点是对应于TG和DTG曲线不再有质量变化的起始温度。通过DTG曲线可确定燃尽点，Morgan选取失重速率为-1％/min时的点定义为燃尽点，并将该点温度定义为燃尽温度Th，℃。

　　(4)燃烧特性指数S。S反映的是生物质着火和燃尽的综合性指标，其定义式见式(2)。

　　2 混合燃料燃烧的TG-DTG热重结果

　　5种混合燃料M1一M5和桉树干M6在升温速率分别为10℃/min、30℃/min和60℃/min下燃烧的TG、DTG曲线如图2、图3、图4所示。

　　从TG-DTG曲线可知，生物质燃烧过程大致分为3个阶段，在脱水阶段，TG曲线缓慢下降，水分逐渐析出，直至曲线平缓。当温度到达一定时，挥发分析出阶段开始呈现，失重曲线变化突然异常陡峭，当失重率到达最大变化值时，DTG曲线上出现失重峰。最后炭化阶段与脱水阶段类似，TG曲线变化趋于平稳。

　　（1）与M1-M5相比，M6在燃烧过程中表现为挥发分析出和焦炭燃烧阶段的滞后性。图2所示10℃/min升温速率下，M1-M5的最大失重速率发生在325~330℃之间，而M6在336℃；M1-M5焦炭燃烧阶段最大失重峰出现在465~472℃之间，而M6则在500℃左右。30℃/min、60℃/min升温速率下具有同样的变化趋势，M6燃烧过程的滞后性主要由于微观形状以及桉树干中木质素含量较高，热解只能析出较少可快速着火的挥发分。掺甘蔗渣的混合燃料中半纤维素和纤维素含量高，可较早析出挥发分而快速着火，为后续挥发分和焦炭燃烧提供一定的热量基础。

　　3混合燃料TG-DTG燃烧特性曲线差异分析

　　3.1混合生物质着火点燃烧特性分析

　　着火点是衡量燃料试样着火性能以及活化能高低的一个重要指标。氧气化学当量比为14％和42％时，生物质混燃的着火点温度变化如图5所示。

　　由图5可知，在同一燃烧条件下，M1一M6的着火点有一定的差别。随着燃烧试验条件改变，同一燃料的着火点也呈现出显著的不同。

　　(1)如图5所示，在各燃烧条件下桉树干M6的着火点最高，其次为M4、M3、M2、M1、M5。可见掺配甘蔗渣等草本生物质有利于降低桉树干等木质生物质的着火点。这主要是由于生物质半纤维素及纤维素热解析出挥发分，在温度及氧气达到一定程度时挥发分便着火燃烧，而甘蔗渣中具有较高含量的挥发分和半纤维素，在生物质燃烧前期主要发生挥发分析出、着火燃烧过程。因此，掺了BA的M1一M4中较高含量的半纤维素在相对较低温度下即可热解出挥发分并释放热量，为后续可燃质着火提供条件，降低着火点。

　　(2)在同一氧气化学当量比下，M1一M6的着火点随着升温速率的提高向高温区移动。如42％O₂下，M3在10℃/min、30℃/min、60℃/min的升温速率下对应的着火点分别为242.7℃、268.7℃、271.1℃。其主要原因为生物质较差的热导性产生了粒子梯度温度，升温速率低时燃料挥发分析出较缓慢，挥发分对流扩散较为强烈，因此着火温度主要由残留在试样中的可燃物质决定。随着升温速率的提高，生物质挥发分析出量增多，残留在试样中的可燃物减少，因而导致燃烧反应向高温区移动，着火温度随之升高。

　　(3)在同一升温速率下，M1一M6的着火点随着氧气化学当量比的增大而降低。在60℃/min下，14％和42％O₂条件对应的M2着火点分别为274.3℃和268.9℃。这主要是氧气浓度的提高使得燃料颗粒周围具有更多的氧化性活性分子，强化了可燃质的氧化燃烧，使得燃烧反应更易发生，燃料的着火点呈现下降趋势。

　　3.2 生物质燃尽温度特性分析

　　在生物质混燃过程中，燃尽温度作为重要的特征参数，它表征燃料燃烧的完全程度。在工程实际中定义为DTG曲线上燃烧速率降为1％/min时所对应的温度。图6为燃尽温度的变化趋势图。

　　由图6可知，M6与M1一M5相比，在不同燃烧条件下的燃尽温度更高，其主要原因是桉树枝含有较高含量的木质素，而木质素与纤维素和半纤维素相比，完全热解需要更高的温度和更长的时间。

　　同时，随着升温速率的提高，燃料的燃尽温度逐渐向高温区偏移。因为升温速率的提高缩短了生物质在高温下停留的时间，燃尽同样质量的燃料需要经历更长的时间，导致燃尽温度逐渐向高温区偏移。氧气浓度的增加扩大了挥发分与氧气接触的表面积，加速了生物质挥发分的析出，缩短了燃烧过程的时间，使得在相同的升温速率下生物质燃烧反应更加剧烈，促使燃尽温度向低温区偏移，导致生物质在混燃过程中的燃尽温度降低。

　　由各样品的可燃特性指数对比结果(如图7所示)可知，M6可燃特性指数除在14％O₂、10℃/min条件下高于其他样品外，在其他条件下均比M1～M5的可燃性特性指数低很多。总体而言，M1一M5的前期燃烧特性要优于M6。其原因在于桉树干的最大失重速率比混合燃料低，具有较高的着火点。同时，随着升温速率和氧气浓度的提高，生物质的可燃性指数也会增加。因此，调整升温速率和氧气浓度，可改善生物质在前期燃烧过程中的燃烧性能。

　　当氧气化学当量比为14％时，整体来讲可燃特性指数由高到低依次为M2、M1、M4、M3、M5。可见此条件下掺配较高比例的甘蔗渣具有更好的燃烧效果；当氧气化学当量比为42％时，整体来讲可燃特性指数由高到低依次为M2、M4、M3、M1、M5，此时掺配中低比例的甘蔗渣具有较好的前期燃烧特性。

　　图8为各样品不同氧气条件下的综合燃烧特性指数对比结果，与可燃特性指数具有类似变化趋势。由图8可知，随着升温速率和氧气浓度的增大，综合燃烧特性指数也逐步提高。升温速率提高，样品的着火点、燃尽点和失重速率都随之升高，但失重速率提高的幅度要显著高于着火点和燃尽点，同时达到着火点的时间和燃尽时间大大缩短。因此依据综合燃烧特性指数计算公式，综合燃烧特性指数随着升温速率的提高而逐渐增加，但增加的幅度随着升温速率的提高而有所减缓，即升温速率对综合燃烧特性指数的影响逐渐变小。氧气浓度的增大使得挥发分和焦炭与周围氧气更易接触，从而强化了挥发分和焦炭的着火燃烧过程，由此在增大反应速率的同时降低了着火点和燃尽点，最终进一步增大了综合燃烧特性指数。

　　与M1一M5相比，M6在10℃/min升温速率时，无论在何种氧气条件下都具有较高综合燃烧特性指数，但随着升温速率的升高，M1一M5的综合燃烧特性指数高于M6。可见在木质生物质中掺配适当的甘蔗渣可改善综合燃烧特性。同时，42％O₂条件下掺烧高比例甘蔗渣的木质生物质(M1)和14％O₂条件下掺烧低比例甘蔗渣的木质生物质(M3和M4)或由于挥发分和水分含量共同变化导致了综合燃烧特性较低。

　　4 结论

　　(1)由于草本类物质的微观形状、颗粒大小、质地、孔隙率等结构的差异，与单烧桉树干相比，掺配甘蔗渣的混合燃料在燃烧特性方面均具有一定燃烧优越性。

　　(2)不同升温速率和氧气化学当量比会对混合生物质的燃烧过程产生影响，主要包括：①较高的升温速率和低氧气条件可提高各混合燃料的着火点和燃尽点；②低氧气化学当量比下掺配比例较高的甘蔗渣，较高氧气化学当量比下掺配中低比例的甘蔗渣，不仅可提高生物质的前期可燃性，也可提升综合燃烧特性；③生物质的可燃性指数和综合燃烧特性指数随着升温速率的提高而逐渐增加，但增加的幅度随着升温速率的提高而有所减缓，即对生物质前期可燃性和综合燃烧特性影响逐渐变小。

　　因此，优化掺烧材料和比例，使用草本与木质生物质进行混燃，不仅可提高生物质的燃烧效率，还可缓解腐蚀速率，减少有害气体排放，有利于生物质电站的安全、稳定、绿色、经济运行。