生物質(zhì)型煤燃燒特性研究

劉莉 馮松寶

摘 要：生物質(zhì)型煤是一種清潔能源，不僅綜合利用了生物質(zhì)能，還能夠有效降低環(huán)境污染，因此對生物質(zhì)型煤燃燒特性進(jìn)行研究具有經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。筆者通過閱讀前人有關(guān)生物質(zhì)型煤方面的研究資料，綜合得出生物質(zhì)型煤的研究主要采取熱重分析技術(shù)，通常的方法是對型煤的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和燃燒特性的分析，研究并找到生物質(zhì)與煤的最佳混合粒徑和生物質(zhì)與煤的最佳配比，使其達(dá)到最大的燃燒熱值，然后總結(jié)了生物質(zhì)型煤燃燒特性的主要影響因素。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì)型煤；熱重分析；燃燒特性；影響因素

1 引言

近年來在很多關(guān)于生物質(zhì)與煤的實(shí)驗(yàn)研究中，前人發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)是一種可再生能源，但一些地區(qū)的居民通常對玉米秸稈和麥稈進(jìn)行就地燃燒，這樣會帶來嚴(yán)重的環(huán)境污染，若對秸稈加以充分利用制成生物質(zhì)型煤[1]就會減少對環(huán)境的污染并且型煤具有良好的燃燒特性。柴一言[2]等對型煤的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析；孫云娟等觀察了反應(yīng)速率和反應(yīng)級數(shù)對熱解反應(yīng)過程中活化能的影響。因此，對生物質(zhì)型煤的燃燒特性進(jìn)行研究具有重大的意義，能為當(dāng)?shù)鼐用駧硪欢ǖ慕?jīng)濟(jì)效益。筆者主要根據(jù)前人對生物質(zhì)型煤的燃燒特性相關(guān)方面的研究做出了總結(jié)并提出了一些自己的看法。

2 生物質(zhì)型煤的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與著火特性

生物質(zhì)型煤是將生物質(zhì)和煤破碎成一定粒度，在其中加入添加劑和固硫劑[3]后經(jīng)成型機(jī)壓制成型的固體燃料。生物質(zhì)中含有纖維素、半纖維素、木質(zhì)素，這些物質(zhì)與煤之間存在一定的化學(xué)鍵作用，具有一定的粘結(jié)性，生物質(zhì)本身就能作為一種添加劑。浮愛清[4]等將煤焦放在顯微鏡下觀察，最終發(fā)現(xiàn)型煤中的秸稈纖維、粘稠液的固化物和煤粒三者的交界處會形成孔隙網(wǎng)，有利于氧化劑、反應(yīng)產(chǎn)物和氧氣等的輸送，進(jìn)而提高了型煤的反應(yīng)速率，能使其快速燃盡。黃光許[5]等發(fā)現(xiàn)了型煤內(nèi)部的孔隙也與原煤內(nèi)部的孔隙不同，煤粒[6]內(nèi)部孔隙一般小于粒間孔隙，在型煤中能形成微孔，便于空氣流通，燃燒效率也會提高。

筆者認(rèn)為，正是由于型煤不同于原煤的獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使得型煤的燃燒特性強(qiáng)于原煤，燃燒效率也明顯高于原煤。

生物質(zhì)型煤的燃燒特性主要包括著火特性、揮發(fā)分的釋放特性、污染物的排放特性等，其中著火特性是型煤的主要燃燒特性。當(dāng)對型煤點(diǎn)火燃燒時(shí)，由于生物質(zhì)的著火點(diǎn)比型煤低，且生物質(zhì)易燃，故生物質(zhì)會優(yōu)先燃燒釋放出熱量，就會使型煤在較短的時(shí)間內(nèi)溫度迅速上升達(dá)到型煤的著火點(diǎn)，從而帶動(dòng)了型煤的整體燃燒。在型煤的燃燒過程中，由于生物質(zhì)的優(yōu)先燃燒使型煤中留下了許多的縫隙和孔道，能夠加速O2在型煤中的快速流通，從而提高了型煤的燃燒速率，縮短了型煤的燃燒時(shí)間。劉艷軍等認(rèn)為生物質(zhì)型煤的著火溫度處于生物質(zhì)與原煤之間，且會降低大約30%～40%，生物質(zhì)與煤混燃會因生物質(zhì)及煤的種類的不同，使得著火溫度降低的程度不同，而且都會隨著生物質(zhì)添加量的增加，著火溫度會隨之降低。

筆者認(rèn)為，即使生物質(zhì)的含量越多著火溫度越低，但型煤中生物質(zhì)添加量為多少時(shí)才能使型煤的著火溫度達(dá)到最低，到目前還沒有相關(guān)結(jié)論得出，故應(yīng)繼續(xù)研究并找到合適的生物質(zhì)添加量以使型煤的著火特性達(dá)到最好。

3 生物質(zhì)與煤的最佳混合粒徑

生物質(zhì)的粒徑大小及煤的粒徑大小，對生物質(zhì)型煤的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)都會有一定的影響，生物質(zhì)與煤等粒徑及生物質(zhì)與煤不等粒徑混合制成的型煤的技術(shù)指標(biāo)是不同的。魯光武[7]等選取粒度分別為R200和R90的生物質(zhì)和無煙煤進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，在生物質(zhì)與煤同一混合比例下，粒徑為R200的型煤的著火溫度比粒徑為R90的低，最大燃燒速率溫度與燃盡溫度也明顯降低。此外，在馬海娥[8]等的研究中發(fā)現(xiàn)，在鋸末渣的粒徑一定時(shí)，在煤粒徑<3mm時(shí)，型煤的跌落強(qiáng)度達(dá)到最大；型煤的防水時(shí)間和灰分隨著煤粒徑的減小而減少；型煤發(fā)熱量隨著煤粒徑的減小而增加。在煤的粒徑一定時(shí)，在鋸末渣粒徑<2mm時(shí)，型煤的跌落強(qiáng)度達(dá)到最大；型煤的防水時(shí)間隨著鋸末渣粒徑的減小而減少；型煤的發(fā)熱量和灰分隨著鋸末渣粒徑的減小而增加。因此，在煤粒徑<3mm時(shí)和鋸末渣粒徑<2mm時(shí)型煤的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到最佳。

然而，筆者認(rèn)為生物質(zhì)與煤的最佳混合粒徑仍然具有局限性，它們的最佳混合粒徑是不是會受到生物質(zhì)的種類、原煤的種類、生物質(zhì)型煤的成型壓力等因素的影響還需要進(jìn)行相關(guān)的研究。

4 影響生物質(zhì)型煤燃燒特性的主要因素

在生物質(zhì)型煤的成型及燃燒過程中，影響型煤的燃燒特性的主要因素可能有：型煤的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、成型壓力、生物質(zhì)的添加量、燃燒溫度等。

相關(guān)研究表明，當(dāng)成型壓力越大時(shí)，就會使生物質(zhì)型煤越密實(shí)，形成的微孔和孔隙結(jié)構(gòu)越少，顆粒間的接觸面積加大，有利于型煤內(nèi)部的傳熱，會加快揮發(fā)分的析出速率，有利于燃燒；但另一方面，又阻礙了氧氣、揮發(fā)物、燃燒產(chǎn)物等的流通，不利于燃燒。但總體上成型壓力越大時(shí)，型煤的燃燒速度越小、燃盡時(shí)間越長。

一般而言，生物質(zhì)的添加量越多，生物質(zhì)的著火溫度就會降低，揮發(fā)分越高。相關(guān)研究表明，生物質(zhì)含量在20%以內(nèi)時(shí)對型煤燃燒初期的燃燒速度影響較大，此時(shí)型煤的燃燒速度與生物質(zhì)含量成正比；而在燃燒的中后期影響不大。

在型煤的燃燒初期，由于溫度的影響，型煤的燃燒速度加快，而在中后期基本上沒有影響。型煤燃燒的第一階段為揮發(fā)分的析出和燃燒，發(fā)生在型煤的外部，會受到溫度的影響；第二階段為焦炭的著火和燃盡，發(fā)生在型煤的內(nèi)部，氧氣不能及時(shí)地?cái)U(kuò)散進(jìn)去，使氧氣供不應(yīng)求，受溫度的影響較小。

從生物質(zhì)和煤的元素分析和工業(yè)分析中可以看出生物質(zhì)具有高揮發(fā)分、低灰分和發(fā)熱量低的特點(diǎn)，而原煤具有低揮發(fā)分、高灰分和發(fā)熱量高的特點(diǎn)，隨著型煤中生物質(zhì)比例的增加，型煤比原煤中的揮發(fā)分含量增多，型煤的活化能降低，因此揮發(fā)分的含量可能是影響型煤燃燒特性的主要因素。

此外筆者認(rèn)為在生物質(zhì)型煤制作工程中生物質(zhì)與煤的添加順序、型煤的形狀與質(zhì)量、灰分的含量、生物質(zhì)本身的性質(zhì)等都有可能會影響型煤的燃燒特性。

5 結(jié)語與展望

生物質(zhì)型煤是一種清潔能源，筆者發(fā)現(xiàn)近年來如生物質(zhì)型煤的清潔能源在一些地區(qū)得到了使用，但并沒有廣泛投入使用，作為專業(yè)技術(shù)人員應(yīng)推廣型煤技術(shù)的使用，使它更能實(shí)際地推廣運(yùn)用到更多的地區(qū)，使更多的人受益。與生物質(zhì)型煤有關(guān)的研究還不是很全面，例如煤種對燃燒特性的影響、生物質(zhì)與煤的添加順序是否會影響生物質(zhì)型煤的燃燒特性等。此外，在實(shí)驗(yàn)的過程中前人只選取了某幾種生物質(zhì)與某幾種煤進(jìn)行混燃，生物質(zhì)和煤的選擇范圍較窄，且煤的煤化程度也可能會影響生物質(zhì)型煤的研究。因此，在實(shí)驗(yàn)條件允許的情況下，在以后的研究中要盡可能的全面，從而使型煤的使用達(dá)到最大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

【宿州區(qū)域協(xié)同創(chuàng)新中心青年人才項(xiàng)目（宿州地區(qū)生物質(zhì)型煤燃燒特性研究—以秸稈混煤為例，編號：2015SZXTXSKF09）；安徽省教育廳大學(xué)生創(chuàng)客實(shí)驗(yàn)室建設(shè)計(jì)劃項(xiàng)目（宿州學(xué)院-眾利創(chuàng)客實(shí)驗(yàn)室，編號：2015ckjh107）】

參考文獻(xiàn)

[1] 毛玉如.生物質(zhì)型煤技術(shù)研究[J].煤炭轉(zhuǎn)化.2001.24（1）：21-25.

[2] 諶倫建，柴一言，祝朝輝.型煤微觀結(jié)構(gòu)的研究[J].煤炭學(xué)報(bào).1997，22（3）：304-305.

[3] 諶倫建，趙躍民.型煤燃燒與固硫[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2001.

[4] 浮愛清，焦紅光，諶倫建，黃光許.生物質(zhì)型煤燃燒特性概述[J]. 潔凈煤技術(shù)，2006.12（2）：33-36.

[5] 黃光許，王建軍，諶倫建.生物質(zhì)型煤的制備及微觀結(jié)構(gòu)分析[J].煤炭轉(zhuǎn)化，2010（36）.

[6] 蔣林.生物質(zhì)型煤試驗(yàn)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、分形理論應(yīng)用研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2002.

[7] 魯光武.生物質(zhì)混煤燃燒特性的實(shí)驗(yàn)及動(dòng)力學(xué)研究.[D].保定：華北電力大學(xué)，2013.

[8] 馬海娥.復(fù)合型生物質(zhì)型煤的配方設(shè)計(jì)[D].銀川：寧夏大學(xué)，2014.