福建無煙煤和木業(yè)污泥混合燃燒特性分析

張自麗1,2,3

（1 福建省鍋爐壓力容器檢驗研究院，福建 福州 350008）

（2 國家工業(yè)鍋爐質量監(jiān)督檢驗中心（福建），福建 福州 350008)

（3 廈門大學，福建 廈門361000）

福建無煙煤和木業(yè)污泥混合燃燒特性分析

張自麗1,2,3

（1 福建省鍋爐壓力容器檢驗研究院，福建 福州 350008）

（2 國家工業(yè)鍋爐質量監(jiān)督檢驗中心（福建），福建 福州 350008)

（3 廈門大學，福建 廈門361000）

燃料分析檢測結果表明，福建無煙煤具有揮發(fā)分低、熱值高等特性，木業(yè)污泥具有揮發(fā)分高、著火溫度較低等特性；在貧氧條件下，三種無煙煤都較難燃燼，木業(yè)污泥燃燒性能受到影響；在空氣燃燒氛圍條件下，三種無煙煤和木業(yè)污泥燃燒性能得到改善，龍巖無煙煤和木業(yè)污泥摻燒比例確定為50%；較低的升溫速率有利于燃料受熱的均勻性，有利于燃料的分解燃燒。

福建無煙煤；木業(yè)污泥；燃燒；熱重分析

作為煤化程度最大的煤種，無煙煤具有揮發(fā)分高、硬度高、含碳量高、雜質含量少等特性[1]。福建省地質條件復雜，礦產資源匱乏，煤炭資源品種相對單一，主要為難燃煤種無煙煤。有關資料表明，福建省已探明資源儲量為11.5億噸，其中無煙煤11.07億噸，占全省煤炭資源儲量的97%[2]。與其他地區(qū)無煙煤類似，福建無煙煤一般具有燃燒化學反應性能差、熱傳導能力低、著火溫度高、燃盡時間長等特性[3-5]。福建無煙煤種類眾多，從不同地區(qū)角度來說，龍巖和三明地區(qū)煤炭資源較好，上述兩地區(qū)也是全省煤炭資源勘探和開發(fā)的重點地區(qū)，其中龍巖無煙煤保有可采儲量高達2265萬噸。

作為我國經濟較為發(fā)達、工業(yè)產值較高、能源需求較多的省份，福建省鮮污泥年產生量約為310萬噸，折成干污泥約65萬噸，污泥處置方法主要是衛(wèi)生填埋[6]。目前，我國正處于城鎮(zhèn)快速發(fā)展階段，城市土地已經是稀缺資源，而填埋需要大面積土地，污泥衛(wèi)生填埋不僅占用大量土地，還會帶來填埋后的二次污染問題。因此，對于可用于焚燒的污泥，可采用污泥循環(huán)流化床（Circulating Fluidized Bed,CFB）燃燒等方式將生物質能向熱能的轉化，實現(xiàn)污泥的減量化和資源化[7]。

在“穩(wěn)定省內自給能力，合理利用省外資源”的煤炭能源發(fā)展戰(zhàn)略下，為分析福建無煙煤和典型污泥燃燒特性，獲得有較高熱值和較好燃燒特性的混合燃料，文中擬選取龍巖、三明等地區(qū)無煙煤和木業(yè)污泥進行燃料分析，探討各燃料在非等溫熱重條件下的燃燒分解特性，研究福建無煙煤和木業(yè)污泥高效清潔燃燒技術。

1 材料和方法

1.1 實驗材料

根據福建省煤炭分布和煤質情況，項目研究煤種為龍巖、天湖山、大田等地區(qū)無煙煤。從行業(yè)和污泥特性角度考慮，典型污泥選擇福州市某廠木業(yè)污泥。上述木業(yè)廠家是利用山林場剩余物，生產高檔中纖板的企業(yè)，其污泥中除含有大量水分外，也還有一定量的木屑和纖維板材。實驗用煤樣和污泥樣品經磨制篩分后，粒徑＜2mm。實驗用氮氣（N2）、氧氣（O2）、氬氣（Ar）等氣體由福州某氣體有限公司提供，均為高純氣體，純度＞99.995%。

1.2 實驗儀器和方法

實驗所用儀器主要為DGG-9123AD電熱恒溫鼓風干燥箱、WS-SDRS無塵制樣系統(tǒng)、5E-MF6000智能馬弗爐、SECURA6102-1CN電子天平、AL 104電子分析天平、5E-MAG6700工業(yè)分析儀、5E-CHN2000元素分析儀、5E-S3100A庫侖定硫儀、5E-KCIV快速量熱儀、DTU-2微機差熱天平等。

在室溫25℃，濕度60%的實驗室條件下，分別利用上述儀器對福建無煙煤和木業(yè)污泥進行工業(yè)分析、元素分析〔空干基碳（Cad）、空干基氫（Had）和空干基氮（Nad）、空干基硫（Sad）〕、恒容低位發(fā)熱量Qnet,ar等燃料特性分析。根據以上元素分析數(shù)據，按式（1）計算空干基氧（Oad）含量：

然而，知識型員工作為知識存儲、傳遞、創(chuàng)造的主體在企業(yè)中獲得了更加主動的地位，這不僅體現(xiàn)在勞資雙方的博弈過程中，也同樣體現(xiàn)在企業(yè)的管理方式和企業(yè)文化的選擇中。由于知識型員工對某一具體企業(yè)的經濟依附性下降，能夠憑借其擁有的技術、知識在勞動力市場中獲得更多的發(fā)展機會，因而，現(xiàn)代企業(yè)往往面臨著核心知識員工流失的困境。在知識密集、創(chuàng)新導向的企業(yè)中，知識員工的流失給企業(yè)造成的損失十分巨大，甚至會削弱企業(yè)的核心競爭能力。

在保證儀器可靠性和燃料混合均勻性的基礎上，為進一步獲得福建無煙煤和木業(yè)污泥混合燃燒特性，分別在高純N2和高純空氣氛圍下采用非等溫燃燒法對單組份樣品和混合樣品進行相同實驗工況下的重復性熱重分析（thermosgravimetry analysis，TGA）檢測[8]，測試結果可以作為燃燒特性分析的依據。

2 燃料分析

取1.1所述樣品分別進行元素分析和工業(yè)分析平行實驗，分析數(shù)據如表1所示。

表1 樣品元素分析和工業(yè)分析

由表1數(shù)據可知，福建無煙煤具有揮發(fā)分極低、碳化程度高、難燃燼等特性。在三種福建無煙煤中，龍巖無煙煤Cad和Oad含量、熱值最高，天湖山無煙煤次之，大田無煙煤最低；在灰分含量方面，龍巖無煙煤灰分含量最低，天湖山無煙煤較高，大田無煙煤最高。另外，污泥燃料分析結果表明，木業(yè)污泥揮發(fā)分較高，灰分較低，Cad、Had及Oad較高。因此，可利用木業(yè)污泥的揮發(fā)分較高等特性，研究福建無煙煤與木業(yè)污泥混燒，進一步改善著火和燃燼條件。

3 非等溫熱重分析

3.1 貧氧條件

3.1.1 福建無煙煤在貧氧條件下的熱重實驗

貧氧條件分析即在高純N2保護條件下，分別對龍巖無煙煤（Longyan Anthracite,LYA）、大田無煙煤（Datian Anthracite,DTA）和天湖山無煙煤（Tianhushan Anthracite,THSA）進行熱重分析實驗。實驗條件為：室溫25℃，氮氣50ml/min，樣品質量0.01g，采樣間隔2s（0.033min），程序升溫速率分別為10℃/min、20℃/min及30℃/min。因CFB鍋爐燃燒溫度約為850℃～950℃，實驗最終溫度設為1000℃。福建無煙煤TGA結果如圖1所示。

圖1 福建無煙煤熱重分析. a: LYA; b: DTA; c: THSA; d: 福建無煙煤TGA對比圖

由圖1a～1c可知，在不同的升溫速率條件下，10℃/min的升溫條件更有利于福建無煙煤的燃燒分解；隨著升溫速率的加快，煤樣受熱的均勻性受到影響，分解速率下降。在25℃～300℃范圍內，隨著實驗溫度升高，由于煤樣中水分等成分的蒸發(fā)和分解，龍巖無煙煤和大田無煙煤均出現(xiàn)小幅失重；在600℃～700℃范圍內，煤樣中揮發(fā)分開始燃燒分解，釋放熱量，并且燃燒分解趨勢一直持續(xù)到實驗最終溫度1000℃。由圖1d可知，在0℃～1000℃燃燒條件下，龍巖無煙煤燃燒分解特性優(yōu)于其他兩種無煙煤?？紤]到CFB鍋爐實際燃燒溫度，同時結合煤質分析數(shù)據，選擇龍巖無煙煤作為本課題后續(xù)研究的煤種燃料。

3.1.2 木業(yè)污泥在貧氧條件下的熱重實驗

圖2 木業(yè)污泥熱重分析. a: TGA; b: 10℃/min 條件下TGA和DTG圖

由圖2a可知，不同升溫速率條件下，木業(yè)污泥均出現(xiàn)較大失重，并在10℃/min的升溫速率下出現(xiàn)最大失重坡度。結合圖2b的DTG曲線可知，在25℃～100℃范圍內，由于污泥中水分等氣體組分的蒸發(fā)，污泥DTG曲線出現(xiàn)小幅失重。由于污泥中纖維和木屑來源于山林場不同樹種的剩余物，纖維和木屑組分存在一定差異，因此，在150℃～900℃范圍內，污泥DTG曲線出現(xiàn)多個失重峰，即在150℃～900℃范圍內，污泥中揮發(fā)分燃燒分解，釋放熱量[9]。由10℃/min條件下的TG曲線可知，在貧氧條件下，木業(yè)污泥在900℃左右可緩慢燃燼，這也從一定程度上反映了污泥在CFB鍋爐中的燃燼特性。

3.1.3 龍巖無煙煤和木業(yè)污泥在貧氧條件下的熱重分析對比

根據以上分析結果，分別取貧氧條件下龍巖無煙煤和木業(yè)污泥在10℃/min下的TGA數(shù)據進行對比，結果如圖3所示。

圖3 龍巖無煙煤和木業(yè)污泥貧氧條件對比

圖3表明，在貧氧條件下，當實驗溫度從25℃升高到1000℃時，木業(yè)污泥在900℃左右基本燃燼，龍巖無煙煤在此溫度范圍內極難燃燼。在進行CFB鍋爐燃燒密相區(qū)模擬和技術研究時，要注意龍巖無煙煤難燃和極難燃燼等問題。為改善龍巖無煙煤難燃特性，將研究向龍巖無煙煤中添加較高揮發(fā)分的木業(yè)污泥等易燃燃料，使污泥中揮發(fā)分率先釋放，并利用其燃燒釋放的熱量加熱混合燃料，促使煤中焦炭著火燃燒[9]。

3.2 空氣條件分析

3.2.1 龍巖無煙煤和木業(yè)污泥在空氣條件下的熱重分析

為得到龍巖無煙煤和木業(yè)污泥在空氣條件下的燃燒特性數(shù)據，分別取以上兩種燃料樣品進行非等溫有氧熱重實驗，即在空氣氛圍條件下，對龍巖無煙煤和木業(yè)污泥進行非等溫熱重分析。實驗條件為：室溫25℃，空氣20ml/min，樣品質量0.01g，采樣間隔2s（0.033min），升溫速率分別為10℃/min，實驗最終溫度1000℃。龍巖無煙煤和木業(yè)污泥單一燃料熱重分析結果如圖4和圖5所示。

圖4 龍巖無煙煤熱重分析 a-有空氣；b-無空氣

由圖4a可知，相較于貧氧條件，在空氣燃燒氛圍下，龍巖無煙煤燃燒特性具有較大改善，著火溫度由700℃提前到600℃左右，燃燼溫度由1000℃提前到約800℃，說明在充足的空氣燃燒氛圍條件下，龍巖無煙煤可在CFB鍋爐中實現(xiàn)良好穩(wěn)定燃燒。

圖5 木業(yè)污泥熱重分析 a-有空氣；b-無空氣

圖5表明，在貧氧和空氣條件下，木業(yè)污泥著火溫度在220℃～300℃范圍內，且在空氣條件下，由于污泥中纖維和木屑成分復雜，TG曲線都出現(xiàn)多個下降坡度；與貧氧條件相比，污泥在空氣條件下燃燒較為充分，并且燃燼溫度由貧氧條件下約900℃提前到500℃左右，實現(xiàn)了木業(yè)污泥的快速充分燃燒。

3.2.2 不同摻燒比例的龍巖無煙煤和木業(yè)污泥熱重分析

為進一步研究龍巖無煙煤和木業(yè)污泥摻燒性能，確定二者摻燒比例——以污泥在混合燃料（mixed fuel,MF）中的質量分數(shù)表示，即FSS:MF=0,30%,50%,70%,100%，對龍巖無煙煤和木業(yè)污泥進行了混合燃料的熱重分析，實驗條件同3.2.1部分。結果如圖6所示。

圖6 不同摻燒比例的龍巖無煙煤和木業(yè)污泥熱重分析

由圖6中的TG和DTG曲線可知，在空氣燃燒氛圍條件下，向龍巖無煙煤中加入木業(yè)污泥，可大大降低龍巖無煙煤著火和燃燼溫度；當木業(yè)污泥和龍巖無煙煤摻燒比例由0增加到100%時，混合燃料的著火溫度和燃燼溫度都提前，即混合燃料的燃燒速率加快，著火和燃燼性能較單一龍巖無煙煤得到較大改善；當摻燒比例為50%和70%時，混合燃料具有相近的燃燒性能。考慮到污泥熱值較低，較高的摻燒比例可能會影響龍巖無煙煤在CFB鍋爐中的燃燒穩(wěn)定性。因此，為充分利用無煙煤資源，解決典型污泥處理問題，保證龍巖無煙煤和木業(yè)污泥在CFB鍋爐中的摻燒穩(wěn)定性，二者最佳摻燒比例控制在50%。

4 結論與展望

在當前節(jié)能減排形勢下，有關無煙煤和污泥高效清潔燃燒技術研究，一直是科研領域的難題。通過對龍巖、大田、天湖山等福建地區(qū)無煙煤和木業(yè)污泥進行燃料和熱重分析，結果表明：

（1）龍巖無煙煤Cad、Oad含量及熱值最高，灰分含量最低；木業(yè)污泥Cad、Had、Oad含量及揮發(fā)分含量最高，灰分含量最低；

（2）與空氣燃燒條件相比，福建無煙煤和木業(yè)污泥在貧氧條件下的燃燒分解性能均受到一定限制；在三種無煙煤中，龍巖無煙煤具有較優(yōu)的燃燒特性；較低的升溫速率（10℃/min）有利于燃料的均勻受熱，有助于燃料燃燒分解；

（3）在空氣燃燒氛圍條件下，龍巖無煙煤和木業(yè)污泥燃燒性能都得到了較大改善，混合燃料的摻燒比例確定在50%。

將具有高揮發(fā)分的木業(yè)污泥與龍巖無煙煤進行摻燒，不僅降低了龍巖無煙煤的著火溫度，加快了龍巖無煙煤的燃燼，也從一定程度上解決了污泥處置問題，實現(xiàn)了典型污泥的減量化和資源化。研究福建無煙煤和典型污泥高效清潔燃燒技術，對于利用福建省無煙煤資源，解決污泥處置問題，促進地區(qū)經濟具有重要意義。

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Analysis on Co-combustion Properties of Fujian Anthracite and Sawmill Sludge

ZHANG Zi-Li1,2,3
(1 Boiler and Pressure Vessel Inspection and Research Institute of Fujian,Fuzhou 350008,Fujian,China)
(2 National Industrial Boiler Quality Supervision and Inspection Center (Fujian),Fuzhou 350008,Fujian,China)
(3. Xiamen University,Xiamen 361000,Fujian,China)

It was shown from fuel analysis results that Fujian anthracite had the properties of low volatile content and high calorific value,andsawmill sludgehad the features of high volatile content and low ignition temperature. Under the lean oxygen condition,three kinds of anthracite fuel were all dif ficult to combust completely,and sawmill sludgecombustion performance was affected. Under the air condition,the combustion performances of three kinds of anthracite and sawmill sludgewere all improved,and the mixed mass ratio of Longyan anthracite and sawmill sludgewas determined at 50%. The experimental results indicated that the lower heating rate was conducive to the uniform heating of fuel and was helpful to the decomposing combustion of fuel.

Fujian anthracite; Sawmillsludge; Combustion; Thermosgravimetry analysis

2017-03-28

福建省質量技術監(jiān)督局科技項目（No:FJQI2016014）

張自麗，女，福建省鍋爐壓力容器檢驗研究院，國家工業(yè)鍋爐質量監(jiān)督檢驗中心（福建），博士