煤与生物质掺混燃烧特性实验

王华山，孙环，王跃康，王春生，刘华

（燕山大学车辆与能源学院，河北秦皇岛066000）

　　摘要：为缓解煤炭资源紧张，在煤中掺烧生物质是一种很好的解决方式。本文利用综合热分析仪，在不同条件下，对煤（兰炭、神府烟煤、大同无烟煤）和生物质（大豆秆、小麦秆）以及二者混合物的燃烧过程进行了实验研究。结果表明：在一定范围内，随着生物质添加比例增大，兰炭的燃烧特征温度降低，综合燃烧特性指数增大；当生物质添加比例为50%时，混合样品的着火温度基本接近生物质的着火温度；升温速率增大，兰炭与大豆秆的掺烧向高温区移动，综合燃烧特性指数和燃尽特性指数增大。该实验结果对降低煤的着火温度以及改善煤炭资源紧张提供了依据。

　　近年来，因电力需求急剧增加，煤炭相对短缺的现象非常严重^[1]。随着我国能源紧张，煤炭价格上涨，兰炭的生产受到越来越多的关注。兰炭是煤转换的产品，是无黏性或弱黏性的高挥发分烟煤在低温条件下干馏热解，得到的较低挥发分的固体炭制产品，具有固定碳高、电阻率高、化学活性高、灰分低、硫低、磷低、水分低等“三高四低”的优点^[2]，可单独作为大型煤粉锅炉燃料或者掺烧燃料，但防结渣是需重点考虑的问题^[3-5]。生物质与煤的掺混燃烧是生物质能利用的一种重要方式^[6-7]，已经引起了国内外学者的广泛关注。Edward Lester等^[8]研究了升温速率对生物质与煤掺混燃烧特性的影响。

　　高佳佳等^[9]对新型低煤分生物质混合燃料进行实验研究，结果表明掺混可以改善燃料的燃烧、燃尽及污染物的排放特性。马爱玲等^[10]对生物质、煤单烧及混烧进行了热重分析。王晓钢等^[11]对冷压成型麦秆与煤混烧进行了研究。杜一帆等^[12]研究了稻壳与不同煤种混燃的燃烧特性。

　　本文利用综合热分析仪，在考虑生物质种类和生物质比例对煤燃烧特性影响的基础上，重点对兰炭与大豆秆的掺混燃烧特性进行研究。

　　1实验装置与方法

　　1.1实验装置

　　本文对兰炭、神府烟煤以及大同无烟煤3种煤，小麦秆、大豆秆2种生物质进行实验研究，其工业分析见表1。

　　实验样品的制备主要经过破碎、研磨和筛分3个过程。首先将样品敲碎成粒径小于1cm；然后用小型粉碎机对其进行粉碎，得到粉状样品；最后用孔径200μm的标准试验筛对得到的粉状样品进行筛分，取粒径小于200μm的样品进行实验研究。

　　综合热分析仪将热重分析和差热分析合为一体，可以在1次实验中同步得到被测物质的热重信息和差热信息。每次实验样品的质量控制在（10±0.5）mg。实验气氛为空气，气体压力为0.1MPa，流量为40mL/min。通常情况下，以20℃/min的升温速率由室温升至1000℃。

　　1.2实验方法

　　采用TG-DTG联合定义法^[13-15]确定一些特征参数。着火温度定义如图1所示。过DTG曲线的极值点A作垂线与TG曲线交于点B，过点B作TG曲线的切线L1，该切线与失重开始时平行线L2的交点i所对应的温度为着火温度。若DTG曲线有多个峰值，过第1个峰作垂线与TG曲线的交点来确定。燃尽温度指切线L1与TG曲线上燃烧结束后的水平线L3的交点h所对应的温度。最大燃烧速率温度即为点A所对应横坐标的温度。最大燃烧失重率为点A的纵坐标所对应的值。

　　2实验结果与分析

　　2.1煤和生物质单独燃烧过程

　　煤和生物质单独燃烧的TG、DTG曲线如图2、图3所示。

　　由图2可以看出：煤的燃烧过程基本分为失水干燥、挥发分析出及固定碳燃烧两个阶段，由于固定碳含量高于挥发分的含量，挥发分的析出伴随着焦炭的燃烧，因此在DTG曲线看到一个明显的峰；神府烟煤的峰值温度比兰炭和大同无烟煤要低150℃左右；兰炭与大同无烟煤的燃烧趋势相似，大同无烟煤的最大燃烧速率最大。

　　由图3可以看出：生物质的燃烧过程分为失水干燥、生物质中的纤维素木质素裂解以及挥发分释放燃烧、焦炭燃烧3个阶段；生物质中固定碳的含量比挥发分少，2种生物质的第2个峰值比第1个峰值小；小麦秆的挥发分比大豆秆的大，所以其第1个峰值也较大。

　　3种煤和2种生物质单独燃烧时的燃烧特性参数见表2。

　　由表2可知：生物质的着火温度比煤低159~290℃，这是因为生物质的挥发分比较多，易燃；生物质的着火特性指数比煤高一个数量级，燃尽特性指数是煤的2倍左右；小麦秆的综合燃烧特性指数非常高；小麦秆的最大反应速率最大，大豆秆、神府烟煤、大同无烟煤比较接近，兰炭最低；神府烟煤比兰炭、大同无烟煤的燃烧性能更好。

　　2.2煤种对燃烧过程的影响

　　用大豆秆分别与兰炭、大同无烟煤和神府烟煤按2:8的比例混合燃烧。在升温速率为20℃/min，氧体积分数为21%的条件下，3种煤与大豆秆掺烧的TG-DTG曲线如图4所示。

　　从图4可以看出：掺混燃烧有2个明显的峰，在320℃左右出现了第1个峰，这个峰的出现是由于生物质的挥发分析出；另一个峰是固定碳的燃烧过程，与煤单独燃烧时的峰值相差不大，峰值大小取决于煤中固定碳的含量。

　　3种煤与大豆秆掺烧的燃烧特性参数见表3。

　　对比表3与表2可见：煤与大豆秆掺烧的着火温度比煤单独燃烧时明显降低，接近大豆秆的着火温度；煤与大豆秆掺烧的燃尽温度、最大反应速率温度比煤单独燃烧时降低，综合燃烧特性指数有所增加，说明掺混生物质利于燃烧；掺烧的燃尽特性指数稍有降低，说明掺烧后需要注意燃尽问题。

　　2.3生物质对燃烧过程的影响

　　兰炭分别与大豆秆、小麦秆按8:2进行混合。在其他条件不变的情况下，探究生物质的种类对兰炭燃烧的影响。兰炭与2种生物质掺烧的TG-DTG曲线如图5所示，掺烧特性参数见表4。由图5可以看出：对于生物质而言，加入兰炭之后，TG曲线向高温区偏移；DTG曲线的波峰也有了很大的变化，第1个波峰明显低于第2个波峰，这是因为生物质的含量较少，所以其挥发分燃烧占的比例较小；第2个波峰表示兰炭的挥发分和焦炭的含量。

　　对比表4与表2可见：掺混燃烧时着火温度相比兰炭单独燃烧时降低了很多；但比大豆秆和小麦秆单独燃烧时的着火温度要高一些，其中小麦和兰炭掺烧的着火温度更接近小麦单独燃烧的着火温度；燃尽温度比煤单独燃烧的燃尽温度低；综合燃烧特性指数比兰炭单独燃烧高很多，但比生物质单独燃烧低；燃尽特性指数和兰炭单独燃烧相近。

　　2.4生物质添加比例对燃烧过程的影响

　　其他条件不变，大豆秆的添加比例为10%、20%、30%、40%、50%时，掺混燃烧的TG-DTG曲线如图6所示。

　　由图6可以看出：随着大豆秆比例的增加，TG曲线向低温方向移动；DTG曲线上有很明显的2个波峰。第1个波峰是随着掺烧比例增加，峰值变大，因为大豆秆挥发分的比重变大；第2个峰值则随着大豆秆比例的增加变小，因为兰炭的含量降低，固定碳所占的比例降低。

　　不同比例大豆秆和兰炭掺烧的燃烧特性参数对比如图7所示。从图7可以看出：掺烧的着火温度、燃尽温度、最大燃烧速率温度均较单独燃烧时有所降低，但最大燃烧速率温度和燃尽温度降低幅度不大，与加入大豆秆的比例基本上成正比降低；当掺烧比例大于50%时，混合样品的着火温度接近大豆秆的着火温度；随着大豆秆比例的增加，综合燃烧特性指数增大；当掺烧比例低于40%时，燃尽指数低于兰炭单独燃烧，大于40%时，燃尽指数大于兰炭燃尽指数，表明大豆秆和兰炭的掺烧可能会产生某种不易燃尽的物质；随着掺烧比例的增加最大反应速率温度降低，最大反应时间点提前。

　　2.5升温速率对燃烧过程的影响

　　以兰炭、大豆秆（8:2）为例，其他条件不变，升温速率为10、15、20、40℃/min时兰炭和大豆秆混燃特性的TG-DTG曲线如图8所示。由图8可以看出，随着升温速率的增大，燃烧反应的TG曲线向温度高的方向偏移，DTG曲线上每个峰的峰值变大。因为升温速率增大，达到相同的温度，所需要的时间变短，样品中的成分（水分、灰分、固定碳等）在达到析出的时间或燃烧温度之前来不及挥发，而在较短的时间内集中析出，所以燃烧速率变快，峰值变大。

　　不同升温速率燃烧特性参数对比如图9所示。由图9可以看出：随着升温速率的增大，着火温度、燃尽温度和最大燃烧速率温度都升高，说明反应向高温区域移动；当升温速率达到40℃/min时，温度增加的比例较大；升温速率增大，综合燃烧特性指数增大，当升温速率大于20℃/min时，综合燃烧特性指数基本上稳定；燃尽指数大致随着升温速率增大呈线性增加，说明升温速率有利于混合物质的燃尽，提高燃烧速率。

　　3结论

　　1）生物质的燃烧过程和煤的燃烧过程有所差别，生物质的着火温度比煤低150~290℃，燃尽特性指数、综合燃烧特性指数较高。

　　2）3种煤中加入生物质后，煤的燃烧特性参数变化趋势一致，但是对不同的煤种，燃烧特性参数的变化量不同。兰炭中加入大豆秆后，比兰炭单独燃烧时，着火温度降低了253.4℃，综合燃烧特性指数增加了4.71×10^-7。添加生物质后，混合样品的着火温度接近生物质的着火温度。煤中固定碳的含量越大，煤的综合燃烧性能改善得越多。

　　3）随着生物质掺入比例的增大，兰炭和大豆掺烧的着火温度、燃尽温度降低，综合燃烧特性指数、燃尽特性指数升高，整个反应的燃烧向低温区移动，改善了兰炭的燃烧特性。

　　4）综合各燃烧特性指数来看，兰炭中添加生物质的比例为20%较好。随着升温速率增大，反应向高温区偏移，反应速率增大，但是升温速率不宜过大，升温速率为20℃/min时比较适宜。