煤/生物質(zhì)恒溫混燃的協(xié)同特性

王金星，王春波

(華北電力大學(xué) 能源動力與機械工程學(xué)院，河北 保定 071003)

0 引言

隨著化石能源的逐漸枯竭和人類對全球環(huán)境問題的日益關(guān)注，生物質(zhì)能源利用的研究和開發(fā)，已成為國內(nèi)外研究的熱點[1]。目前，純生物質(zhì)直燃技術(shù)效率低，而使用生物質(zhì)和煤粉作為原料進(jìn)行混燃，相對于純生物質(zhì)燃燒提高了生物質(zhì)的利用率，具有十分廣闊的前景。在我國，這方面的工作也逐步在開展。華電十里泉電廠是一個比較成功的示范。

近年來，國內(nèi)外針對生物質(zhì)與煤混燃特性開展了大量的研究。M.V.Gil等[2]利用逐漸升溫的方法進(jìn)行了煤粉與生物質(zhì)混燃實驗研究，得到了揮發(fā)分析出的溫度區(qū)間及固定碳開始燃燒的溫度區(qū)間。徐朝芬[3]等利用TG熱分析技術(shù)研究了生物質(zhì)、煤及其混合物燃燒的燃燒性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)與煤樣共燃可有效地降低著火溫度，改善煤樣的燃燒性能。閔凡飛等[4]通過生物質(zhì)與不同變質(zhì)程度的煤混燃實驗也得出了類似的結(jié)論。王玉召等[5]和 Edward Lester等[6]分別利用一些燃燒特性參數(shù)判定的方法對生物質(zhì)與煤混燃進(jìn)行了判定，得出了隨著生物質(zhì)摻混比的加大燃料的著火溫度和燃盡溫度都有所降低的結(jié)論。

煤粉/生物質(zhì)恒溫混燃特性研究，是優(yōu)化煤粉/生物質(zhì)混燃技術(shù)的基礎(chǔ)。目前該方面相關(guān)研究，普遍采用是實驗結(jié)果間的比對。利用比對實驗結(jié)果的方法，研究煤/生物質(zhì)混燃特性有著無可比擬的優(yōu)勢，但對于探討煤/生物質(zhì)混燃的協(xié)同效應(yīng)，存在著一定的不足。如果能將混燃的實驗結(jié)果與不同單一燃料加權(quán)得到的理論結(jié)果進(jìn)行比對，無疑能在協(xié)同效應(yīng)的層面上更深入地研究煤粉/生物質(zhì)的恒溫混然特性。

本工作對生物質(zhì)與幾種煤及混合試樣在恒溫條件下進(jìn)行了混燃協(xié)同特性研究，希望能對今后深入研究煤/生物質(zhì)混燃特性具有一定的參考價值。

1 實驗部分

1.1 實驗系統(tǒng)與實驗樣品

為能更好地研究煤粉/生物質(zhì)恒溫混燃的協(xié)同特性，自制管式爐實驗系統(tǒng)，如圖1所示。溫控范圍為0～1 300℃?？諝獠捎脷獗霉?yīng)，流量量程為2 L/min。瓷舟尺寸7 cm×1 cm。利用自己研發(fā)的重量測量系統(tǒng)對樣品重量進(jìn)行實時測量。傳感器精度為0.1 mg。熱電偶與溫控儀相連，爐內(nèi)穩(wěn)定后可視為恒溫。

圖1 管式爐實驗系統(tǒng)Fig.1 Tube furnace experimental system

實驗選取三種典型電廠用煤:無煙煤、煙煤、褐煤，粒度80目到120目;選取的生物質(zhì)混合物 (以下簡稱生物質(zhì))由華北地區(qū)常見的玉米芯秸稈、樹皮、木屑等9種農(nóng)業(yè)或林業(yè)廢棄物組成，粒度80目到120目。不同煤粉與生物質(zhì)的工業(yè)分析及元素分析，見表1。

表1 工業(yè)分析與元素分析Tab.1 Ultimate and proximate analysis of test samples

1.2 實驗方法

實驗時首先向管式爐內(nèi)通入流量為1 L/min的空氣并穩(wěn)定該流量，再將固定床反應(yīng)器升溫至設(shè)定溫度，并保持溫度恒定，取0.1±0.005 g樣品均勻平鋪于長7 cm寬1 cm的瓷舟底部，將瓷舟支架沿金屬導(dǎo)軌迅速送入管式爐內(nèi)，利用重量監(jiān)測軟件對試樣進(jìn)行實時監(jiān)測。為選擇最佳的氣體流量，本文針對煙煤摻混10%生物質(zhì)試樣在恒溫900℃下分別進(jìn)行了不同氣體流量實驗。所選用的氣體流量包括:0.6 L/min、0.8 L/min、1 L/min和1.2 L/min。氣體流量增加，燃燒失重加快，但當(dāng)氣體流量為1 L/min與1.2 L/min時的失重差異不大。因此表明，本實驗的氣體流量已經(jīng)能很好的消除反應(yīng)過程中氣體擴散的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 分析方法

為能準(zhǔn)確地描述試樣的燃盡程度和可比對性地分析實驗結(jié)果，引入“可失重額余量”概念:除灰分以外，試樣燃燒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)[7]。即

式中:m0為試樣的初始質(zhì)量;mt為實驗過程中試樣質(zhì)量;m∞為試樣中灰分質(zhì)量。

煤/生物質(zhì)混燃的協(xié)同特性是衡量混燃效果的重要指標(biāo)，對煤/生物質(zhì)混燃技術(shù)的研發(fā)具有不可比擬的參考價值。本文采用純煤與純生物質(zhì)的線性加權(quán)平均失重曲線 (以下簡稱加權(quán)失重曲線)對混燃協(xié)同特性進(jìn)行研究。加權(quán)失重曲線是根據(jù)兩種純?nèi)剂系氖е厍€分別乘上各燃料占試樣的百分比得到的失重曲線。即

式中:x為生物質(zhì)在試樣中的百分含量;TGc為混合樣的加權(quán)失重曲線;TGa為純煤粉的實驗失重曲線;TGb為純生物質(zhì)的實驗失重曲線。

為更好地說明加權(quán)失重曲線取得方法，選用煙煤與生物質(zhì)及其摻混比為8∶2的混合樣為演示實例。在恒溫900℃條件下燃燒得到的失重曲線及混合樣加權(quán)失重曲線，如圖2所示。

圖2 在恒溫900℃條件下煤/生物質(zhì)加權(quán)失重曲線Fig.2 Weighted thermogravimetric curve of coal and biomass blends at 900℃

2.2 摻混比的影響

摻混比是影響煤/生物質(zhì)混燃特性最主要的因素。在900℃恒溫條件下，測量了煙煤與生物質(zhì)摻混比為9∶1，8∶2，7∶3三種情況下試樣可失重額余量隨時間的變化情況及通過對煙煤與生物質(zhì)燃燒失重曲線線性加權(quán)得到的三條失重曲線，如圖3所示。

圖3 在恒溫900℃條件下煙煤與生物質(zhì)不同摻混比的失重曲線Fig.3 Thermogravimetric curves of bitumite and biomass co－combustion at different blending ratios at 900℃

如圖3所示，三組不同摻混比下的失重曲線與加權(quán)失重曲線均存在一個交點，且交點之前，實驗失重曲線比加權(quán)失重曲線偏右，交點之后，實驗失重曲線比加權(quán)失重曲線偏左。其原因可能為:在試樣燃燒前期，水分蒸發(fā)和揮發(fā)分析出是主要影響因素。生物質(zhì)相對于煙煤而言，其揮發(fā)分含量高，且揮發(fā)份析出溫度遠(yuǎn)低于煤中揮發(fā)份析出溫度[8]。生物質(zhì)揮發(fā)分的大量析出、燃燒，消耗了大量的氧氣且使燃料局部加強增大，因此對煙煤的揮發(fā)分析出與燃燒產(chǎn)生了一定的抑制作用。伴隨燃燒的進(jìn)行，生物質(zhì)燃燒放出的熱量對煙煤中固定碳的燃燒存在一定的促進(jìn)作用，煙煤中固定碳燃燒逐漸成為失重快慢的制約因素，特別對燃盡時刻的影響更為明顯。而混合樣的加權(quán)失重曲線是由煙煤與生物質(zhì)單獨燃燒失重曲線加權(quán)得到，均不能體現(xiàn)抑制和促進(jìn)作用。因此，實驗失重曲線與加權(quán)失重曲線交點之前實驗失重曲線偏右，交點之后，實驗曲線偏左。此外，生物質(zhì)摻混比增加，交點不斷前移。其原因可能是，生物質(zhì)摻混量加大，大量揮發(fā)份析出并燃燒放出的熱量使局部溫度升高，進(jìn)而加速了燃料揮發(fā)分的析出，致使交點前移。另一個特征是，實驗失重曲線比加權(quán)失重曲線的燃盡時刻提前，隨著生物質(zhì)摻混比的增加，提前程度加大。其可能是由于摻混生物質(zhì)量增加，燃燒放出的熱量增大，對煙煤的促進(jìn)燃燒與燃盡作用加強，然而加權(quán)失重曲線卻未能體現(xiàn)這中促燃作用而造成的。

2.3 溫度的影響

為了探討溫度對煤/生物質(zhì)混燃協(xié)同特性的影響，選取800℃，900℃，1 000℃，對20%生物質(zhì)與80%煙煤的混合樣進(jìn)行了恒溫下的比對實驗。試樣的實驗失重曲線與加權(quán)失重曲線，如圖4所示。

圖4 80%煙煤與20%生物質(zhì)的混合樣在不同恒溫條件下的失重曲線Fig.4 Thermogravimetric curves of 80%bitumite and 20%biomass co－combustion at different temperatures

圖4實驗失重曲線與加權(quán)失重曲線呈現(xiàn)出了以下幾點特征。首先，隨著溫度的升高，實驗失重曲線與加權(quán)失重曲線均左移。其可能是由于溫度升高，試樣中揮發(fā)分析出加快且固定碳更易燃燒造成的。其次，隨著溫度的升高，實驗失重曲線與加權(quán)失重曲線的交點不斷前移。由于生物質(zhì)揮發(fā)分的析出與燃燒是影響燃燒前期失重的主要原因，推測其原因可能為，溫度升高，燃料中揮發(fā)分析出速度加大，致使生物質(zhì)揮發(fā)分析出與燃燒對煙煤燃燒的抑制作用時間縮短，實驗失重曲線與加權(quán)失重曲線的交點前移。此外，隨著溫度的升高，實驗失重曲線比加權(quán)失重曲線燃盡時刻的提前程度減小。由于燃盡時刻的提前主要是混合樣的加權(quán)失重曲線未能表現(xiàn)出燃燒后期生物質(zhì)燃燒放熱對煤粉的促進(jìn)燃燒和燃盡作用引起的。進(jìn)而推測其原因為，煤焦炭與生物質(zhì)焦炭相比較難燃燒，受到溫度的影響較大，溫度升高，煤焦炭燃燒加快顯著，因此受到摻混生物質(zhì)的促進(jìn)燃燒和燃盡作用相對減弱，進(jìn)而造成了混合樣的實驗失重曲線比加權(quán)失重曲線燃盡時刻的提前程度減小。

2.4 煤種的影響

上面的研究結(jié)果部分表明，試樣中的揮發(fā)分對混燃協(xié)同特性存在一定的影響。選用三種揮發(fā)分差異較大的煤種，探討煤種對煤/生物質(zhì)混燃協(xié)同特性的影響。三種代表性的煤種:無煙煤、煙煤、褐煤。在恒溫900℃條件下測試了實驗失重曲線及加權(quán)失重曲線，如圖5所示。

圖5 在恒溫900℃條件下80%不同煤種與20%生物質(zhì)摻混的失重曲線Fig.5 Thermogravimetric curves of 80%different coal and 20% biomass co－combustion at 900℃

如圖5所示，不同煤種摻混20%生物質(zhì)得到的實驗失重曲線與加權(quán)失重曲線交點位置不同。例如褐煤摻混的交點所對應(yīng)時刻大于200 s，而無煙煤摻混的交點時刻不到180 s。結(jié)合三種煤粉的分析 (表1)，推測其原因可能為，生物質(zhì)的揮發(fā)分大量析出，使得混合樣的局部加強增大，對煤粉的揮發(fā)分析出產(chǎn)生了抑制作用，褐煤的揮發(fā)分含量較高，受到的抑制作用較大，而無煙煤的揮發(fā)分含量較小，受到的抑制作用較弱，因此產(chǎn)生了燃燒前期的差異。此外，不同煤種摻混得到的混合樣，在燃燒后期，實驗失重曲線比加權(quán)失重曲線的提前程度不同。如，無煙煤摻混的提前較大，褐煤摻混的提前較少。其可能原因是，無煙煤揮發(fā)分含量較少，較難燃燒，摻混生物質(zhì)對其燃燒的促進(jìn)較明顯;而褐煤的揮發(fā)分含量較高，能較迅速的燃燒與燃盡，從而受到摻混生物質(zhì)的促燃作用較弱，因此造成了摻混生物質(zhì)對不同煤種促進(jìn)燃盡作用的差異。

3 結(jié)論

對煤/生物質(zhì)混燃進(jìn)行試驗，探討了摻混比、煤種、及溫度等對煤/生物質(zhì)混燃協(xié)同特性的影響規(guī)律。研究表明:在煤/生物質(zhì)混燃初期，煤粉燃燒受到一定的抑制作用，生物質(zhì)摻混比加大與溫度升高均能使抑制作用時間縮短，揮發(fā)分含量高的煤種受到的抑制作用較大;在混燃后期，摻混生物質(zhì)對煤粉的燃燒與燃盡存在促進(jìn)作用，生物質(zhì)摻混比增大，促進(jìn)作用加強，燃盡時刻提前程度增大。溫度升高，促進(jìn)作用減弱，燃盡時刻提前程度減小。此外，難燃的煤種受摻混生物質(zhì)的促進(jìn)燃燒和燃盡作用明顯，易燃的煤種受促進(jìn)燃燒和燃盡作用較弱。

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