生物質(zhì)煤炭復合燃料動力學分析

郭建忠+李鵬飛

摘 要：全球生態(tài)環(huán)境因為化石燃料的燃燒而遭到嚴重的破壞，并且這一問題變得越來越突出。我們迫切需要化石燃料的潔凈燃燒，尤其是煤炭的潔凈燃燒，實現(xiàn)能源利用的可持續(xù)發(fā)展。冬季在我國的北方地區(qū)，有大量燃燒秸稈的現(xiàn)象，產(chǎn)生的空氣懸浮顆粒會加劇空氣的二次污染。文章重點研究了國內(nèi)大量存在的生物質(zhì)楊木和秸稈煤炭復合燃料動力學相關(guān)特征，分析其應用于實際鍋爐利用的可能性。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì)；楊木；秸稈；煤炭；復合燃料；動力學

中圖分類號：F416.21 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）30-0009-04

引言

近年來，可再生能源因其靈活性好、燃燒效率高、傳熱性高和NOX、SOX、CO2排放量低而廣泛獲得關(guān)注。生物質(zhì)可以轉(zhuǎn)化成能量，這被認為是潛在的可再生能源[1]。生物質(zhì)的主要的應用是使用鍋爐單獨燃燒或與煤聯(lián)合燃燒。在我國的北方地區(qū)，秸稈燃燒排放大量污染物，導致霧霾等嚴重空氣污染過程的發(fā)生或加強。國家已制定了禁燒的相關(guān)法案，但目前尚無有效替代燃燒處理秸稈的方法，不少地區(qū)燃燒仍很普遍。因此，有必要進一步探討解決秸稈燃燒污染效應的其他途徑[2]。因此，秸稈作為生物質(zhì)煤炭復合被視為混燒過程的一種備選方案。文獻[3]指出，在我國的大環(huán)境下生物質(zhì)成型燃料與煤炭價格的比價，表明生物質(zhì)的合理利用可促進兩者比價的合理化，生物質(zhì)完全取代煤炭是很難實現(xiàn)的，混合使用可更好的提高其燃燒效率。同時，混燒生物質(zhì)與煤可以更好的克服并解決個別缺陷樣品，如含有高揮發(fā)分的生物量和高硫分高灰分的煤[4]。除此之外，混合后由于灰分的存在，會有協(xié)同作用的效果。富碳材料的熱化學設(shè)施工業(yè)發(fā)展的轉(zhuǎn)換主要需要全面的燃燒參數(shù)數(shù)據(jù)及其對過程動力學的影響。在這種情況下，熱分析方法如熱重量分析法（TG）、微分熱重量分析法（DTG）、示差熱分析（DTA）、差示掃描量熱法（DSC），傅里葉變換紅外光譜與熱重聯(lián)用（TG-FTIR）和熱重質(zhì)譜聯(lián)用（TG-MS）技術(shù)被以日益增長的用于評價和表征化石燃料和可再生能源，并作為一種測定燃燒特性及動力學參數(shù)的重要手段[5]。

不同的生物質(zhì)和生物質(zhì)混合燃料通過熱分析技術(shù)對其點火和燃燒行為進行了研究。點火研究的結(jié)果顯示點火溫度的降低，粒徑也隨之減小。不同的煤，生物質(zhì)和污水污泥樣本顯示兩個不同溫度階段即燃燒和氣化階段[6]。生物質(zhì)煤炭復合燃料有三個不同階段，稱為水分損失，熱解和燃燒。在混合燃燒過程中，使用TG-FTIR和TG-MS設(shè)備實時監(jiān)測主要的氣態(tài)污染物CO、CO2，CH4，NO和SO2釋放。另外，從活化能角度，使用不同的方法進行動力學研究。

在這項研究中，使用熱重分析（TG-DTG）技術(shù)在空氣環(huán)境下研究了煤（原始煤和潔凈煤）和兩個生物質(zhì)樣品（楊木和秸稈）及其混合物的燃燒特性。本研究的主要目的是研究生物質(zhì)煤炭復合燃料燃燒特性和動力學特征。該研究還產(chǎn)生了生物質(zhì)煤炭復合燃料燃燒適用性的數(shù)據(jù)。除此之外，這些結(jié)果可以有助于更好地了解生物質(zhì)煤炭復合燃料燃燒特征的系統(tǒng)要求。

1 試驗

在這項研究中，使用了兩種不同的生物質(zhì)樣品（楊木和秸稈）和煙煤（原始煤和潔凈煤）。所有樣品均按照ASTM標準進行制備。煤和生物質(zhì)分別以不同的重量（0，25，50，75和100wt%）共混。煤和生物質(zhì)樣品的最終分析見表1。

實驗使用熱分析儀（TG-DTG）進行研究。在所有進行的實驗中，從環(huán)境溫度升高至95℃使用50mL/min的空氣流速和20℃/min的加熱速率。在實驗之前，將約10mg的樣品平坦地分散在坩堝上。使用少量的樣品來避免傳熱限制并最小化傳質(zhì)效應。進行了兩次實驗以測試重復性，并且觀察到±1℃的標準誤差具有良好的一致性。

2 實驗結(jié)果及分析

煤炭生物質(zhì)復合燃料是使用可再生燃料的有希望的短期選擇之一，這提供了額外的環(huán)境優(yōu)勢。理論上，當煤-生物質(zhì)混合物經(jīng)受熱時，它們遵循平行和連續(xù)的反應并經(jīng)歷永久的分子變化。這種變化的程度取決于反應環(huán)境的分子結(jié)構(gòu)的復雜性[7]。

可以使用從熱重分析（TG-DTG）獲得的樣品的燃燒特性來有效地比較燃燒器中煤，生物質(zhì)及其混合物的反應性和燃燒特性。

燃料的近似和最終分析結(jié)果如表1所示。可以看出，與原煤相比，生物質(zhì)樣品的碳，氫和氧濃度較高，這也導致較高的發(fā)熱量。一方面，除了發(fā)熱量之外；與生物質(zhì)樣品相比，潔凈煤的碳，氫和氧濃度顯著變化。所有樣品的硫含量非常低；表明SOX排放量是燃燒過程中可以忽略。另一方面，生物質(zhì)樣品中較高的氧含量表明比原始煤和潔凈煤具有更高的熱反應性[8]。

圖1和2提出了煤的質(zhì)量損失和衍生特征；生物質(zhì)及其混合物在空氣下分別以20℃/min進行試驗。在所有研究的樣品中，初始質(zhì)量損失階段發(fā)生在室溫至110℃階段，水分蒸發(fā)取決于樣品性質(zhì)。在這個初始質(zhì)量損失階段之后，生物質(zhì)樣品中觀察到兩個階段的質(zhì)量損失，而原始煤和潔凈煤樣品只有一個階段。生物質(zhì)樣品的第二階段是由于半纖維素，纖維素和木質(zhì)素的分解，而第三階段是燃燒更復雜，主要為熱穩(wěn)定結(jié)構(gòu)和炭氧化。在原始和潔凈的煤樣中觀察到的主要質(zhì)量損失階段是二氧化碳和氫氣釋放的初級碳化階段。在煤-生物質(zhì)混合物的情況下，觀察到三個不同階段的質(zhì)量損失。如預期，經(jīng)過水分運轉(zhuǎn)，由于生物量燃燒，發(fā)生了兩個連續(xù)的階段，這取決于混合比（25，50和75wt%），而最后一個階段主要是由于煤的燃燒。取決于混合濃度，這一階段生物質(zhì)含量導致了質(zhì)量損失。一般來說，共混物的曲線峰值位于各種燃料（原始和潔凈的煤和生物質(zhì)樣品）之間。

表2顯示了煤和生物質(zhì)樣品的溫度范圍，峰值溫度，質(zhì)量損失，殘留和質(zhì)量損失率。樣品的主要特征來自TG-DTG曲線，如To（初始溫度），Tf（最終或燃燒溫度），Tp（峰值溫度），反應區(qū)域和相應的質(zhì)量損失值用于定義煤、生物質(zhì)和其混合物的熱行為和燃燒特性。觀察到潔凈煤的主燃燒階段的反應區(qū)域，峰值溫度和質(zhì)量損失值較高，而剩余殘留物則低于預期值。對于秸稈，每個階段的質(zhì)量損失都高于白楊木。endprint

表3和表4顯示了生物質(zhì)煤炭復合燃料的溫度范圍，峰值溫度，質(zhì)量損失，殘留物和質(zhì)量損失率（25，50和75wt%）。

在生物質(zhì)樣品和原始潔凈煤混合物的情況下，主要觀察到，隨著生物質(zhì)含量的增加，第一階段質(zhì)量損失增加，而第二階段質(zhì)量損失隨著生物質(zhì)含量的增加而降低。

隨著生物質(zhì)含量的增加，第一階段生物質(zhì)含量的增加主要是由于生物質(zhì)樣品的揮發(fā)物含量較高。類似地，隨著煤含量的增加，第二階段的較高的質(zhì)量損失可能是由于煤樣中焦炭含量較高。還觀察到，隨著混合物中生物質(zhì)含量的增加，相應的燃盡溫度由于煤樣的燃燒溫度較高而降低?；旌衔锶紵郎囟容^低的另一個參數(shù)是生物質(zhì)樣品揮發(fā)物含量較高。

從TG-DTG曲線得到的另一個參數(shù)是與樣品的反應性成正比的最大質(zhì)量損失速率。在生物質(zhì)煤炭復合燃料（25，50和75wt%）中，觀察到隨著煤-生物質(zhì)共混物中生物量的百分比增加，最大質(zhì)量損失率增加，表明樣品的反應性更高。另一方面，潔凈煤和楊木的質(zhì)量損失率較高，表明在較低溫度下可以提前完成燃燒。從殘留物的觀點來看，觀察到隨著共混物中生物量的增加，殘留量在燃燒過程的最后階段降低。最后，為了評估煤樣的點火和燃燒性能，還使用下述方法計算點火指數(shù)（D），燃燒指數(shù)（S）和反應性（R）方程式：

還觀察到共混物的燃燒指數(shù)值隨著共混物中生物量比的增加而略微增加，這與潔凈煤的混合物更可觀察到（表2-4）。可以得出結(jié)論，煤樣（低階煤）的燃燒行為可以通過不同的生物量添加來改善。

3 結(jié)束語

在空氣條件下，水分損失階段后，生物質(zhì)TG-DTG曲線代表兩個階段的質(zhì)量損失，而原始和潔凈煤樣品分別只有一個階段。在生物質(zhì)煤炭燃料中，觀察到三種不同階段的質(zhì)量損失。共混物的TG-DTG曲線位于原始清潔煤和生物質(zhì)樣品之間。潔凈煤樣品的反應區(qū)域，峰值溫度和質(zhì)量損失值較高。每個階段的秸稈質(zhì)量損失高于楊木。另一方面，共混物的燃燒指數(shù)值隨著生物質(zhì)比例的增加而略有增加。經(jīng)試驗研究表明，煤粉和生物質(zhì)復合可充分填充分子間空隙，使其燃燒更充分，增加其熱值。

參考文獻：

[1]郭偉.秸稈可為我省減煤1400萬噸[N].河北日報，2013-11-25（002）.

[2]趙培濤，葛仕福，張長飛，等.污泥及秸稈生物質(zhì)固體燃料制備中試工藝及燃燒特性[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2012，28（9）：165-170.

[3]楊鸝，馬中.我國生物質(zhì)成型燃料與煤炭價格的合理比價關(guān)系研究[J].經(jīng)濟問題探索，2013（09）：8-14.

[4]何方.生物質(zhì)復合型煤的研制及其燃燒、污染特性研究[D].昆明理工大學，2001.

[5]夏光璧.添加生物質(zhì)炭對煤氣化反應特性影響研究[D].南京師范大學，2015.

[6]焦李.脫水污泥/生物質(zhì)共熱解特性研究[D].華中科技大學，2013.

[7]王晶晶，劉海玉，徐 ，等.生物質(zhì)和煤炭化過程中的介電性能研究[J].科學技術(shù)與工程，2016（14）：181-185.

[8]馬愛玲.生物質(zhì)與煤混合燃燒特性的研究[D].河南理工大學，2010.

[9]趙淑蘅.生物質(zhì)與煤炭共熱解特性及協(xié)同作用的研究[D].中國林業(yè)科學研究院，2012.

[10]孫云娟.生物質(zhì)與煤共熱解氣化行為特性及動力學研究[D].中國林業(yè)科學研究院，2013.

[11]尚琳琳.生物質(zhì)與煤混合熱解特性及硫污染物析出特性研究[D].山東大學，2007.

[12]歐鳳林.褐煤與生物質(zhì)在CO2氣氛下共氣化過程特性的研究[D].長沙理工大學，2015.

[13]王霞.煤/生物質(zhì)共氣化過程中生物質(zhì)熱解揮發(fā)分與煤焦相互作用的研究[D].太原理工大學，2016.

[14]戴惠玉.生物質(zhì)與煤混合燃燒特性及動力學分析[D].東北電力大學，2013.

[15]王健.平朔煤與生物質(zhì)共燃燒實驗研究[D].上海理工大學，2013.endprint