生物質(zhì)與煤粉混合試驗(yàn)研究方法

韓娟娟，王金星，周 興，劉慧敏，王春波

0 引言

我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，生物質(zhì)資源相當(dāng)豐富，因此生物質(zhì)能作為新型的能源具有廣闊的發(fā)展前景。生物質(zhì)與煤混合利用不僅符合我國未來一段時(shí)間內(nèi)仍以煤碳為主的能源發(fā)展結(jié)構(gòu)，而且也是降低CO2凈排放，改善生態(tài)環(huán)境的一個(gè)最有效的方法［1］。

近年來，國內(nèi)外對生物質(zhì)與煤粉混合熱解、燃燒、氣化均做了大量的試驗(yàn)研究。閻維平等［2］通過分析生物質(zhì)與煤粉不同摻混熱解的試驗(yàn)結(jié)果，得出了生物質(zhì)與煤共熱解過程中存在協(xié)同作用的結(jié)論。朱孔遠(yuǎn)等［3］通過分析兩種煤種分別與生物質(zhì)不同摻混的試驗(yàn)結(jié)果，研究得出煤階對煤與生物質(zhì)共同熱解的氣態(tài)產(chǎn)物有明顯的影響。同時(shí)也揭示了協(xié)同作用的存在。王玉召等［4］利用熱重分析儀對麥稈與煤粉不同摻混比例進(jìn)行了混燃特性研究，得到了生物質(zhì)有助于改善煤粉的燃燒特性，隨生物質(zhì)質(zhì)量摻混比的增加，燃料的著火溫度和燃燼溫度降低的結(jié)論。張媛等［5］在CO2氣氛下對煙煤和小麥秸稈不同摻混比例制成的焦樣進(jìn)行了氣化的反應(yīng)動力學(xué)分析，得到了摻混秸稈使制得焦樣的其活化能比煙煤焦顯著降低，促進(jìn)了混合焦的CO2氣化反應(yīng)進(jìn)行的結(jié)論。王金星等［6］利用恒溫?zé)嶂胤▽熋?生物質(zhì)混燃特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得到了生物質(zhì)對煤粉有促進(jìn)燃燒和燃燼作用的結(jié)論。

生物質(zhì)與煤粉不同摻混比進(jìn)行試驗(yàn)研究，能較準(zhǔn)確地分析出生物質(zhì)摻混比例對混合利用的影響。但由于生物質(zhì)與煤粉的工業(yè)成分存在很大的差異，使得呈現(xiàn)的試驗(yàn)結(jié)果沒能排除不參與試驗(yàn)反應(yīng)部分造成的影響。如能在分析試驗(yàn)結(jié)果時(shí)將不參與試驗(yàn)反應(yīng)部分從試樣重量中除去，無疑使得呈現(xiàn)的試驗(yàn)結(jié)果更具有可比性。

本工作對煤粉與生物質(zhì)不同比例摻混的試樣進(jìn)行熱解、混燃、氣化試驗(yàn)結(jié)果比對，希望能對生物質(zhì)與煤粉混合利用的試驗(yàn)分析，有一定的參考價(jià)值。

1 試驗(yàn)樣品與設(shè)備

本試驗(yàn)所用的設(shè)備為:恒溫?zé)嶂胤治鰞x、真空干燥箱、馬弗爐、電子分析天平、管式爐、熱天平。試驗(yàn)煤種:長焰煤，粒度80 目到120 目。生物質(zhì):木屑，粒度80 目到120 目。工業(yè)分析如表1。

表1 試樣的工業(yè)分析Tab．1 Proximate analysis of test samples

2 分析方法介紹

在分析生物質(zhì)與煤混合試驗(yàn)結(jié)果中，大多都采用參數(shù)質(zhì)量余量對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析比較。質(zhì)量余量:試樣在試驗(yàn)過程中的質(zhì)量在原始質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)。

即:

式中:m0為試樣的初始質(zhì)量;m 為試驗(yàn)過程中試樣的質(zhì)量。

該分析試驗(yàn)結(jié)果的方法消除了每次取樣不均對試驗(yàn)結(jié)果的干擾，使得反應(yīng)出的影響因素比較接近實(shí)際情況。但是生物質(zhì)與煤混合試驗(yàn)研究時(shí)，由于試樣工業(yè)分析成分差異較大，使得不能參加反應(yīng)的成分對分析試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生了很大的干擾。進(jìn)而在進(jìn)行不同摻混比較時(shí)存在一定的困難。

為了更具有可比性地分析試驗(yàn)結(jié)果，本文定義了一個(gè)參數(shù)可失重份額:除不能參加反應(yīng)的成分以外，試樣在試驗(yàn)過程中其余成分剩余的質(zhì)量占原試樣中該部分質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)。

即:

式中:m0為試樣的初始質(zhì)量;m 為試驗(yàn)過程中試樣的質(zhì)量;m∞為試樣中不參與反應(yīng)的成分質(zhì)量，對于煤粉/生物質(zhì)混合利用的3 種形式，均以燃料工業(yè)分析中灰分含量計(jì)算得出的試樣所含灰分質(zhì)量為m∞。

3 實(shí)例與討論

3.1 混合熱解

熱重分析以高純度氮?dú)?(99.999%)為載體，氣體流量為100 mL/min。試驗(yàn)樣品為煤粉與木屑及其摻混比例為3∶1，1∶1，1∶3。每次試驗(yàn)試樣為(10 ±0.1)mg，升溫速率為50 ℃/min，從室溫加熱到700 ℃。用兩種方法分析試驗(yàn)結(jié)果，如圖1。

如圖1 (a)所示，采用參數(shù)質(zhì)量余量得到的生物質(zhì)與煤粉不同摻混比的熱解失重曲線之間存在著很大差異。在熱解的初期，五條失重曲線相差不大。溫度高于300 ℃后，失重曲線開始出現(xiàn)的明顯差異。熱解的進(jìn)行程度是分析熱解特性最關(guān)心的問題。但由于生物質(zhì)與煤粉的工業(yè)成分的較大差異，使得不同摻混比下的試樣所含不可參與試驗(yàn)反應(yīng)的灰分和固定碳含量不同，進(jìn)而導(dǎo)致無法判斷試樣的進(jìn)行程度。可見，此分析試驗(yàn)結(jié)果的方法存在一定的缺陷。

如圖1 (b)所示，采用參數(shù)可失重份額得到的生物質(zhì)與煤粉不同摻混比的熱解失重曲線之間仍存在著明顯差異。與圖1 (a)中的失重曲線卻有較大的差別。如，圖1 (a)中熱解的初期五條失重曲線幾乎重合，而圖1 (b)中五條失重曲線卻差別很大。特別是煤粉的失重曲線明顯低于其他曲線，呈現(xiàn)出了煤粉在熱解初期失重是最快的。這是圖1 (a)中所不能表現(xiàn)出的現(xiàn)象。相同的試驗(yàn)結(jié)果，在熱解的后期卻也表現(xiàn)出了更大的不同。如，圖1 (a)只表現(xiàn)出了生物質(zhì)含量越大，試樣的最終質(zhì)量余量越少。而圖1 (b)中五條失重曲線所有匯聚，煤粉與生物質(zhì)的摻混比為3∶1試樣的失重曲線最終卻低于摻混比為1∶1和1∶3的試樣，并沒有呈現(xiàn)出圖1 (a)中生物質(zhì)摻混越多失重曲線越低的現(xiàn)象。

比較圖1 (a)和圖1 (b)不難發(fā)現(xiàn)，對分析生物質(zhì)與煤粉混合熱解的試驗(yàn)結(jié)果，采用參數(shù)可失重份額能更好地呈現(xiàn)出試樣的熱解進(jìn)行程度。對研究生物質(zhì)與煤粉混合熱解的試驗(yàn)有一定的實(shí)用價(jià)值。

3.2 混合燃燒

熱重分析選用的氣體為空氣，氣體流量為100 mL/min。試樣樣品為長焰煤和木屑及其摻混比為9 ∶1，1 ∶1，1 ∶9。每次試驗(yàn)試樣為 (10 ±0.1)mg，以升溫速率為50 ℃/min，從室溫加熱到1 200 ℃。用兩種方法分析試驗(yàn)結(jié)果，如圖2。

如圖2 (a)所示，采用參數(shù)質(zhì)量余量得到的生物質(zhì)與煤粉不同摻混比的混燃失重曲線之間呈現(xiàn)出了一定的差異。試樣的質(zhì)量余量隨著生物質(zhì)的摻混比例增大而逐漸下移。如，溫度升至600℃時(shí)，煤粉的質(zhì)量余量約為80 %，煤粉與生物質(zhì)摻混比為1∶1的試樣降至50 %左右。由于煤試樣的著火點(diǎn)隨著試樣中揮發(fā)分的增高而降低［7］，生物質(zhì)中含有大量的揮發(fā)分，且揮發(fā)分在較低溫度即可快速析出，因此隨著生物質(zhì)摻混比的加大，試樣更易燃燒。固定碳的燃燼程度和試樣的燃燒進(jìn)行程度，是研究煤粉與生物質(zhì)混燃特性普遍關(guān)注的問題，由于生物質(zhì)與煤粉的工業(yè)成分的較大差異，不同摻混比的試樣中含有不參與反應(yīng)成分的百分比不同，進(jìn)而從圖中無法判斷試樣的燃燼程度。該方法表現(xiàn)出了一定的不足。

如圖2 (b)所示，采用參數(shù)可失重份額得到的生物質(zhì)與煤粉不同摻混比的混燃失重曲線之間同樣呈現(xiàn)出了明顯的差異。但與圖2 (a)中的曲線存在一定的不同。首先，純生物質(zhì)與摻混90 %的生物質(zhì)試樣的失重曲線在燃燒后期從圖2 (a)中表現(xiàn)出了一段間隔，而在圖2 (b)中則燃燒結(jié)束后均歸為零，明顯地呈現(xiàn)出試樣已燃燼;其次，煤粉與生物質(zhì)摻混比為1∶1的試樣在圖2 (a)中仍沒有表現(xiàn)出平穩(wěn)的趨勢，因此無法判斷試樣的燃燼情況，而在圖2 (b)中卻可以清晰地辨別出它已基本燃燼。

比較圖2 (a)和圖2 (b)可以得出，對分析生物質(zhì)與煤粉混合燃燒的試驗(yàn)結(jié)果，采用參數(shù)可失重份額同樣能更好地呈現(xiàn)出試樣的混燃進(jìn)行程度，特別對已燃燼的試樣表現(xiàn)的更清晰。

3.3 混合氣化

將煤粉與木屑及其摻混比例為3∶1，1∶1，1∶3的試樣，放置N2氣氛下700 ℃的馬弗爐中停留40 min 制取試驗(yàn)焦樣。熱重分析使用的氣體為CO2，氣體流量為120 mL/min。每次試驗(yàn)試樣為(10 ±0.1)mg，以升溫速率為30 ℃/min，從室溫加熱到1 350 ℃。用兩種方法分析試驗(yàn)結(jié)果，如圖3。

如圖3 (a)所示，采用參數(shù)質(zhì)量余量得到的生物質(zhì)焦與煤焦不同摻混比的氣化失重曲線之間呈現(xiàn)出了一定的差異。氣化進(jìn)行的前400 s 時(shí)，五條失重曲線明顯斜率不同。生物質(zhì)的摻混比例越大，失重曲線越陡峭。這可能是由于生物質(zhì)的揮發(fā)分明顯高于煙煤，揮發(fā)分的大量析出，形成了空隙結(jié)構(gòu)［8］，致使反應(yīng)表面積增大有利于反應(yīng)造成的。氣化進(jìn)行1 200 s 后質(zhì)量余量仍存在差別。如，煤粉與生物質(zhì)摻混比為3 ∶1 的試樣剩余約80 %，而摻混比為1∶3的試樣不足60 %。因此可以得出，摻混生物質(zhì)有利于試樣氣化，生物質(zhì)摻混比越大，試樣氣化速度越快。同樣，氣化的進(jìn)行程度是研究煤粉與生物質(zhì)混合氣化的核心問題。不同摻混比下的試樣不參與反應(yīng)的成分含量不同，使得不能清晰地辨認(rèn)出試樣的氣化程度。進(jìn)而成了此分析試驗(yàn)結(jié)果方法的缺陷。

如圖3 (b)所示，采用參數(shù)可失重份額得到的生物質(zhì)與煤粉不同摻混比的氣化失重曲線之間也能夠表現(xiàn)出圖3 (a)差異。從整體看來，與圖3 (a)摻混比較圖趨勢一致。但圖3 (b)中排除了試樣中不參與反應(yīng)的成分含量對試驗(yàn)結(jié)果的影響，使得各試樣的失重曲線在氣化結(jié)束后均歸為零，有助于分析氣化的進(jìn)行程度。例如圖3 (b)中，明顯可以看出含有煤粉的四條失重曲線均在約2 300 s 后氣化結(jié)束，而圖3 (a)很難觀察到這點(diǎn)。

綜上所述，采用參數(shù)可失重份額對分析生物質(zhì)與煤粉混合氣化的試驗(yàn)結(jié)果，同樣能夠很好地呈現(xiàn)出試驗(yàn)進(jìn)行程度。對研究不同燃料的氣化試驗(yàn)也有一定的參考價(jià)值。

4 結(jié)論

通過對煤粉與生物質(zhì)不同摻混比例的試樣使用兩種分析方法進(jìn)行熱解、燃燒、氣化試驗(yàn)結(jié)果的比對，分析得出采用參數(shù)可失重份額對討論煤粉與生物質(zhì)不同摻混比例對熱解、燃燒、氣化試驗(yàn)結(jié)果更具有比較意義。對以后分析兩種燃料不同摻混比例的影響有一定的參考價(jià)值。

［1］王泉斌，徐明厚，姚洪，等．生物質(zhì)與煤的混燒特性及其對可吸入顆粒物排放的影響［J］．中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007，27 (5):7-12．Wang Quanbin，Xu Minghou，Yao Hong，et al．Co-combustion characteristics of biomass with coal and its effect oil inhaled particulate matters emission ［J］．Proceedings of the CSEE，2007，27 (5):7-12．

［2］閻維平，陳吟穎．生物質(zhì)混合物與煤共熱解的協(xié)同特性［J］．中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007，27 (2):80-86．Yan Weiping，Chen Yinying．Interaction performance of copyrolysis of biomass mixture and coal of different rank ［J］．Proceedings of the CSEE，2007，27 (2):80-86．

［3］朱孔遠(yuǎn)，諶倫建，黃光許，等．煤與生物質(zhì)共熱解的TGA-FTIR 研 究［J］．煤 炭 轉(zhuǎn) 化，2010，33 (3):10-14．Zhu Kongyuan，Chen Lunjian，Huang Guangxu，et al．Study on co-pyrolysis behavior of coal and biomass blending by using TGA-FTIR ［J］．Coal Conversion，2010，33(3):10-14．

［4］王玉召，李江鵬．生物質(zhì)與煤混燃的燃燒特性實(shí)驗(yàn)研究［J］．鍋爐技術(shù)，2010，41 (5):72-74．Wang Yuzhao，Li Jiangpeng．Experiment to co-combustion characteristics of of biomass and coal ［J］．Boiler Technology，2010，41 (5):72-74．

［5］張媛，張海亮，蔣雪冬，等．煙煤與生物質(zhì)秸稈共氣化反應(yīng)動力學(xué)研究［J］．西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，45(8):123-128．Zhang Yuan，Zhang Hailiang，Jiang Xuedong，et al．Reactivity and kinetics of blends during bitumite and wheat straw co-gasification ［J］．Journal of Xi'an Jiaotong University，2011，45 (8):123-128．

［6］王金星，李超，劉慧敏，等．煙煤/生物質(zhì)混燃特性實(shí)驗(yàn)研究［J］．電力科學(xué)與工程，2012，28 (2):56-59 Wang Jinxing，Li Chao，Liu Huimin，et al．Experimental study on combustion characteristics of bitumite/biomass blends ［J］．Electric Power Science and Engineering，2012，28 (2):56-59．

［7］孫俊威，徐程洪，安敬學(xué)，等．生物質(zhì)與煤摻燒的實(shí)驗(yàn)研究［J］．電力科學(xué)與工程，2010，26 (8):34-39．Sun Junwei，Xu Chenghong，An Jingxue，et al．Experimental research on biomass and coal co-firing ［J］．Electric Power Science and Engineering，2010，26 (8):34-39．

［8］張科達(dá)，步學(xué)朋，王鵬，等．生物質(zhì)與煤在CO2氣氛下共氣化特性的初步研究［J］．煤炭轉(zhuǎn)化，2009，32(3):9-12．Zhang Keda，Bu Xuepeng，Wang Peng，et al．Experimental study on co-gasification of biomass and coal in an atmosphere of CO2［J］．Coal Conversion，2009，32 (3):9-12．