不同比例小麥秸稈與煙煤混燃特性研究

馬秋林 楊振東 韓魯佳 黃光群

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083)

0 引言

基于環(huán)境和能源的雙重壓力，以及生物質(zhì)和煤單獨(dú)利用過程中存在的問題，生物質(zhì)與煤混燃成為發(fā)展趨勢[1-3]?；烊技夹g(shù)既能降低CO2的排放、緩解能源緊缺，而且也符合國家“十三五”規(guī)劃對環(huán)保的發(fā)展要求[4]。從經(jīng)濟(jì)效益方面分析，以年消耗秸稈1.294 5×105t規(guī)模的混燃熱電聯(lián)產(chǎn)計算，年發(fā)電量1.44×108kW·h，年供熱量4.32×105GJ，年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤6.877×104t，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益[5]。

據(jù)2017年國家統(tǒng)計局?jǐn)?shù)據(jù)，小麥產(chǎn)量為1.297 7×108t[6]，由小麥草谷比[7]折算小麥秸稈當(dāng)年產(chǎn)量約為1.772 6×108t。我國農(nóng)作物秸稈資源的綜合利用方式大致為工業(yè)原料、畜牧飼料、造肥還田和能源利用[8]。在燃煤鍋爐中添加生物質(zhì)(如秸稈)，能夠減少CO2、SO2、NOx及其他有害氣體的排放[9]。在已有小麥秸稈與煤混燃的研究中，HCl、 SO2、CO2和NOx排放與揮發(fā)分及固定碳燃燒階段相關(guān)聯(lián)[10]。

已有文獻(xiàn)研究發(fā)酵殘?jiān)c煤混合燃燒的比例(發(fā)酵殘?jiān)c煤質(zhì)量比)為1/6、1/3、1/2、2/3和5/6。結(jié)果表明，比例為2/3的樣品表現(xiàn)出很低的燃盡溫度和較好的燃燒特性指數(shù)[11]。然而，秸稈生物質(zhì)物理化學(xué)特性與煤存在顯著差異，比如生物質(zhì)一般熱值較低，且存在引起結(jié)渣的礦質(zhì)元素等[12]，導(dǎo)致其利用受到限制。為了通過混燃來高效、環(huán)保利用秸稈等生物質(zhì)能源，應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行燃料熱特性等相關(guān)研究，為小麥秸稈探索更加高效、環(huán)保的利用方式。

本文以小麥秸稈和煙煤為研究對象，基于同步熱分析技術(shù)，研究小麥秸稈在不同摻混比例下與煙煤混燃的燃燒特性，并優(yōu)化最優(yōu)比例，以期為小麥秸稈環(huán)境友好型高效能源化利用提供方法學(xué)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與制備方法

所選小麥秸稈樣品采集自河北省邯鄲市。煙煤產(chǎn)自陜西省神木縣。所選小麥秸稈樣品參照美國試驗(yàn)材料學(xué)會(American Society for Testing Material, ASTM) 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)方法，經(jīng)105℃干燥12 h后，粉碎并過20目篩獲得粉末狀樣品。煙煤樣品經(jīng)粉碎過60目篩。所得樣品一部分用于工業(yè)分析、元素分析、灰分分析和燃燒試驗(yàn)，一部分備用。

影響秸稈與煤混合燃燒的重要影響因素是混合比例[10]。本文中小麥秸稈與煙煤摻混比例(小麥秸稈與煙煤質(zhì)量比)及樣品編號分別為：小麥秸稈(WS)；60%小麥秸稈+40%煙煤(WS60%)；40%小麥秸稈+60%煙煤(WS40%)；20%小麥秸稈+80%煙煤(WS20%)；10%小麥秸稈+90%煙煤(WS10%)；煙煤(BTC)。

1.2 基礎(chǔ)特性測定方法

小麥秸稈以及煙煤工業(yè)組成的水分、揮發(fā)分以及灰分含量根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM Method D5373 & D4239測定，固定碳含量由差減法得出。元素分析根據(jù)歐盟標(biāo)準(zhǔn)BS EN 15104:2011采用Vario Macro元素分析儀 (德國Elementar Analysensyteme公司) 測定。采用干法灰化法測定樣品中的堿金屬以及其他無機(jī)元素含量，秸稈樣品置于575℃馬弗爐中灰化4 h，而煙煤灰化溫度為815℃?；一瘶悠坊瘜W(xué)成分分析采用ARL DVAN’XP+ 型X射線熒光光譜儀(美國Thermo公司) 測定。

1.3 燃燒試驗(yàn)

采用SDTQ600型同步熱分析儀(美國TA公司)測定分析供試樣品熱失重和吸放熱特性。稱取10 mg樣品置于熱天平支架的氧化鋁坩堝內(nèi)，用氮?dú)夂脱鯕獾暮铣蓺怏w模擬空氣氛圍，以恒定升溫速率20℃/min由室溫(20℃)升溫至1 000℃，氣流速率為100 mL/min。得到3條曲線：TG曲線表現(xiàn)樣品質(zhì)量隨溫度的變化；DTG曲線表現(xiàn)樣品失重速率隨溫度的變化(即TG曲線的一階導(dǎo)數(shù)曲線)；DSC曲線表現(xiàn)樣品燃燒過程中的熱量變化。

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

將同步熱分析儀獲取數(shù)據(jù)導(dǎo)出，運(yùn)用Origin 8.6 (美國OriginLab公司)軟件繪制燃燒特性曲線。燃燒過程的部分特征參數(shù)由TA Universal Analysis 2000 (美國TA 公司) 軟件分析得到，其他參數(shù)在Excel 2010 (美國Microsoft 公司) 表格中計算。

2 結(jié)果與討論

2.1 基礎(chǔ)特性分析

2.1.1工業(yè)和元素分析

小麥秸稈與煙煤樣品的基礎(chǔ)特性如表1所示。

表1 樣品的基礎(chǔ)特性Tab.1 Basic properties of samples used

由表1可知，小麥秸稈樣品揮發(fā)分含量明顯高于煙煤，但其固定碳含量是煙煤的約1/5。因而煙煤燃料比(固定碳與揮發(fā)分含量比值)遠(yuǎn)大于小麥秸稈，表明煙煤可燃成分豐富，有利于燃燒。元素組成中小麥秸稈的氫碳比與氧碳比均明顯高于煙煤，由于C—C鍵所含能量高于C—H以及C—O[13]，因此煤能量密度較高。小麥秸稈中N及S含量均低于煙煤，因此混合燃燒有利于減少煙煤單獨(dú)燃燒產(chǎn)生的NOx及SOx。

2.1.2灰分組成分析

采用目前廣泛應(yīng)用且較為準(zhǔn)確的預(yù)判經(jīng)驗(yàn)參數(shù)：酸堿比(Rb/a)[14]和結(jié)渣指數(shù)(SR)[14]對小麥秸稈和煙煤的積灰結(jié)渣傾向性進(jìn)行預(yù)判。

圖1 混合燃料的燃燒特性曲線Fig.1 Combustion characteristics of blended sample

酸堿比計算式為

(1)

式中，ε為下角標(biāo)所表示物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。當(dāng)Rb/a<0.5，表明燃料的積灰可能性很低；當(dāng)0.5≤Rb/a≤1，表明燃料存在一定的積灰可能性；當(dāng)Rb/a>1，表明燃料存在很高的積灰可能性。

結(jié)渣指數(shù)計算式為

(2)

當(dāng)SR>78，表明燃料的結(jié)渣可能性很低；當(dāng)66.1≤SR≤78，表明燃料存在一定的結(jié)渣可能性；當(dāng)SR<66.1，表明燃料存在很高的結(jié)渣可能性。小麥秸稈與煙煤的灰分基礎(chǔ)組成如表2所示。

表2 樣品灰分的基礎(chǔ)特性Tab.2 Basic properties of samples’ ash

小麥秸稈灰分中主要無機(jī)元素為鉀及硅元素，其氧化物質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別達(dá)到25.77%和23.9%。而煙煤灰分中主要無機(jī)元素為硅及鋁元素，其氧化物質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為50.07%和27.78%。從積灰預(yù)判參數(shù)Rb/a以及結(jié)渣預(yù)判參數(shù)SR可以看出，小麥秸稈積灰和結(jié)渣可能性極大，而煙煤幾乎無積灰和結(jié)渣的可能。因此，小麥秸稈與煤混合燃燒可大大降低秸稈單獨(dú)燃燒產(chǎn)生的積灰及結(jié)渣風(fēng)險。

2.2 燃燒特性分析

2.2.1混合燃燒動態(tài)過程分析

在不同混合比例下，混合燃料燃燒過程的TG和DTG曲線如圖1所示。

由圖1可知，小麥秸稈燃燒主要分為揮發(fā)分和固定碳燃燒兩個階段。揮發(fā)分燃燒主要集中在200～350℃之間，固定碳燃燒易形成尖且窄的失重峰，集中在400～450℃。與已有研究中秸稈生物質(zhì)燃燒曲線結(jié)果相近[15]。而單純煤燃燒時，DTG曲線表現(xiàn)為單峰，即燃燒主體為固定碳。煙煤的失重峰相比秸稈寬且平滑。煙煤燃燒區(qū)間為300～600℃。

當(dāng)小麥秸稈與煙煤摻混時，DTG曲線結(jié)果表明沒有出現(xiàn)明顯分界的失重峰，過渡過程為明顯的肩峰。總結(jié)分析不同比例的混合燃料揮發(fā)分與固定碳峰值與對應(yīng)溫度，結(jié)果如表3所示。

表3 混合燃料燃燒特征參數(shù)Tab.3 Combustion characteristic parameters of blended samples

從表3可以看出，小麥秸稈與煤摻混對揮發(fā)分燃燒的最大速率產(chǎn)生顯著影響，而其對應(yīng)溫度并無明顯偏移。隨著小麥秸稈質(zhì)量分?jǐn)?shù)的減小，揮發(fā)分的燃燒逐漸減弱，最大速率從20.79%/min下降到2.08%/min。小麥秸稈與煤摻混對固定碳燃燒產(chǎn)生了顯著影響。小麥秸稈固定碳燃燒階段最大速率(40.33%/min)出現(xiàn)在419℃。由于煙煤比例的增加，混合燃料熱穩(wěn)定性提高，固定碳燃燒階段逐漸向高溫方向移動至525℃，并在過渡階段出現(xiàn)2個燃燒峰。由于燃料的反應(yīng)活性與峰值溫度成反比[16]，添加小麥秸稈提高了混合燃料的反應(yīng)活性。其對應(yīng)燃燒速率也呈逐漸下降趨勢，由小麥秸稈固定碳的燃燒逐漸轉(zhuǎn)移至煙煤固定碳燃燒方向。

2.2.2著火、燃盡以及綜合燃燒特性分析

本文采用外推法[17-18]確定著火點(diǎn)溫度。圖2為外推分析方法示意圖[13]。過DTG曲線峰值點(diǎn)對溫度軸作垂線，其與TG曲線交于一點(diǎn)M。過M點(diǎn)作TG曲線的切線，與失重起始平行線交于點(diǎn)I，定義為著火溫度(Ti)。著火溫度是衡量燃料著火性能的主要參數(shù)，著火溫度越低，燃料越容易燃燒，燃燒性能越好[19]。同理燃盡點(diǎn)溫度也采用外推法確定。

圖2 混合燃料的燃燒著火點(diǎn)、燃盡點(diǎn)分析方法示意圖Fig.2 Analysis method of ignition and burn out temperature of blended samples

綜合燃燒特征指數(shù)SN[20-21]能夠全面表征燃料的燃燒特性，數(shù)值越高表明燃料越易點(diǎn)燃、易燃盡，燃燒效率越高，計算公式為

(3)

Tb——燃盡溫度，K

幾項(xiàng)乘積全面涵蓋了燃燒的主要過程，開始階段、快速進(jìn)行階段和結(jié)束階段的主要特征參數(shù)均有體現(xiàn)，全面地反映了燃燒特性。綜合燃燒特征指數(shù)越大，表明燃燒特性越好。根據(jù)DTG曲線，計算分析著火點(diǎn)溫度、燃盡點(diǎn)溫度以及綜合燃燒特征指數(shù)，如圖3所示。

圖3 混合燃料的燃燒著火點(diǎn)、燃盡點(diǎn)及綜合特征指數(shù)Fig.3 Ignition, burn out temperature and SN of blended samples

由圖3可知，混合燃料的著火點(diǎn)、燃盡點(diǎn)溫度以及綜合燃燒特征指數(shù)均呈現(xiàn)規(guī)律性變化。小麥秸稈質(zhì)量分?jǐn)?shù)降到10%之前，著火點(diǎn)溫度并無明顯升高，分布在260～268℃溫度范圍。說明著火性能在小麥秸稈質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%以上無明顯下降。小麥秸稈的揮發(fā)分在混燃的著火階段起到重要作用。而單純煤燃燒的著火點(diǎn)溫度在444℃，表明較難著火。

燃盡溫度則隨著秸稈質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低由520℃緩慢上升至596℃，隨著煙煤比例增加并不斷增加，固定碳含量更高的煙煤占主導(dǎo)地位。整體來看，加入煤延長了燃燒區(qū)間，使混合燃料不易燃盡，燃燒過程困難。

對于綜合燃燒特征指數(shù)，隨著小麥秸稈質(zhì)量分?jǐn)?shù)減小，SN逐漸由8.78×10-7%2/(K3· min2)下降至1.17×10-7%2/(K3· min2)。由于易燃的揮發(fā)分含量下降，混合燃料的燃燒性能逐漸降低。在小麥秸稈質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于20%時，SN均大于2.11×10-7%2/(K3· min2)，在秸稈質(zhì)量分?jǐn)?shù)不小于40%時，SN值大于3.60×10-7%2/(K3·min2)，表現(xiàn)出可接受的較好的燃燒特性[22]。考慮到綜合燃燒性能，因此小麥秸稈質(zhì)量分?jǐn)?shù)不低于40%，能夠保證較好的燃燒性能。已有對不同混合比例小麥秸稈和褐煤研究[10]表明，混合燃燒可以減少污染性氣體的釋放，并且混合比例(小麥秸稈與褐煤質(zhì)量比)2∶3產(chǎn)生的HCl、SO2、NOx氣體最少，與本文從燃燒特性角度評價得出的混合比例相近。

2.3 燃燒過程熱量分析

DSC曲線能夠反映混合燃料燃燒過程中熱流的變化，如圖4所示。

圖4 混合燃料燃燒熱流釋放曲線Fig.4 DSC curves of blended samples

混合燃料燃燒過程中熱量變化呈現(xiàn)出與DTG曲線相似的規(guī)律。隨著小麥秸稈質(zhì)量分?jǐn)?shù)的降低，小麥秸稈揮發(fā)分與固定碳對應(yīng)放熱峰逐漸減弱。在秸稈質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%和40%時，混合燃料出現(xiàn)3個放熱峰。由于煤含量增加，混合燃料放熱區(qū)域向高溫方向偏移。主要是由于反應(yīng)主體由揮發(fā)分的氣相燃燒轉(zhuǎn)移為固定碳與空氣的異相反應(yīng)[23]。

由于燃燒過程中質(zhì)量連續(xù)變化，DSC曲線與時間積分面積可以用來比較不同燃料的放熱量[24]。放熱量曲線如圖5所示。

隨著秸稈質(zhì)量分?jǐn)?shù)的減小，混合燃料釋放能量整體呈現(xiàn)升高的趨勢。在秸稈質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時，放熱量呈線性劇烈增加趨勢，相比單獨(dú)小麥秸稈增長約110.16%。而在秸稈質(zhì)量分?jǐn)?shù)由20%降至0時，放熱量增長趨勢平緩，增長約3.14%。與煙煤相比，小麥秸稈質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時整體放熱量為煙煤的96.95%。而當(dāng)小麥秸稈質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%和60%時，分別為煙煤的84.14%和74.27%。為保證盡量提高混合燃料的整體放熱量，達(dá)到煙煤的80%，推薦小麥秸稈質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于等于40%。

圖5 混合燃料燃燒熱量釋放曲線Fig.5 Heat released during combustion of blended samples

綜上所述，在提高整體放熱量并保證較好燃燒特性的原則下，與煙煤摻混的小麥秸稈添加40%為較優(yōu)比例。

3 結(jié)論

(1)隨著混合燃料中小麥秸稈質(zhì)量分?jǐn)?shù)的下降，揮發(fā)分燃燒峰值溫度無明顯移動，固定碳燃燒峰值溫度明顯向高溫區(qū)偏移。小麥秸稈質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%和40%時，出現(xiàn)明顯的過渡肩峰。

(2)混合燃料的著火點(diǎn)、燃盡點(diǎn)溫度以及綜合燃燒特征指數(shù)均呈現(xiàn)規(guī)律性變化。燃盡溫度隨著秸稈比例降低由520℃緩慢上升至596℃，表明加入煤使燃燒區(qū)間延長。隨著小麥秸稈質(zhì)量分?jǐn)?shù)減小，綜合燃燒指數(shù)不斷下降，燃燒性能逐漸降低。在小麥秸稈質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于20%時，SN均大于2.11×10-7%2/(K3·min2)，在秸稈質(zhì)量分?jǐn)?shù)不小于40%時，SN大于3.60×10-7%2/(K3·min2)，因此，小麥秸稈質(zhì)量分?jǐn)?shù)不小于40%，能夠保證較好的燃燒性能。

(3)由于煤含量增加，混合燃料放熱區(qū)域向高溫方向偏移。小麥秸稈質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%時，放熱量為煙煤的84.14%。為保證較好的燃燒特性，與煙煤摻混的小麥秸稈添加40%為較優(yōu)比例。