生物質(zhì)與煤混燒燃燒特性參數(shù)研究

馬愛玲

(河南工業(yè)和信息化職業(yè)學(xué)院，河南 焦作 454000)

我國煤多油少，全球已探明煤炭儲量中,我國煤炭占33.8%[1].2016年、2017年、2018年，煤炭在我國能源結(jié)構(gòu)中占比分別為62%[2]、60%[3]、59%[4].新形勢下，我國已明確提出構(gòu)建清潔低碳安全高效能源體系的發(fā)展戰(zhàn)略，煤炭是不可再生的化石燃料，在燃燒過程中產(chǎn)生的大量煙塵、CO2、SO2等污染物[5]，帶來嚴(yán)重的環(huán)境污染。

雖然按照國家能源發(fā)展目標(biāo)的要求，在我國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中，煤炭的占比在逐年降低，但我國能源結(jié)構(gòu)的基本特點(diǎn)，決定了在今后相當(dāng)長的時期內(nèi)，煤炭還將繼續(xù)處于能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的主導(dǎo)地位。

生物質(zhì)能是可再生的潔凈能源，種類多，污染小，引起了許多國家的高度關(guān)注。在煤中摻入一定量的生物質(zhì)進(jìn)行混合燃燒，不但可以很好地改善煤的燃燒，減少煙塵的排放和CO2、SO2等污染氣體的生成量，減輕環(huán)境壓力，而且可以很好地利用生物質(zhì)資源，符合國家的能源發(fā)展戰(zhàn)略要求。因而，研究生物質(zhì)與煤混燒的燃燒特性參數(shù)，在煤、生物質(zhì)的利用和環(huán)境保護(hù)方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)方法

采用熱重分析法，將實(shí)驗(yàn)樣品裝在用Al2O3材料制成的坩堝內(nèi)，放入德國NETZSCH公司生產(chǎn)的STA409PC型熱重分析儀中，以一定體積比的氮?dú)?、氧氣混合氣體為實(shí)驗(yàn)工作氣氛，在不同條件下進(jìn)行生物質(zhì)和煤的混合燃燒實(shí)驗(yàn)，以期獲得有益的燃燒特性參數(shù)。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)生物質(zhì)選用焦作地區(qū)的農(nóng)村玉米秸稈(JG)，加工成粒徑0.4～1 mm；煤樣選用義馬煤(YM)，加工成粒徑0.2～0.4 mm.

1.3 實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)初溫為室溫，終溫為950 ℃，按照實(shí)驗(yàn)要求將O2和N2按照一定的體積比混合作為載體，氣體總流量100 mL/min.

用分析天平精準(zhǔn)稱取(17±0.1)mg 所需混合物樣品，將其放入實(shí)驗(yàn)所用熱重分析儀中，進(jìn)行燃燒實(shí)驗(yàn)。

原料的工業(yè)及熱值分析見表1.

表1 原料的工業(yè)分析和熱值分析表

2 結(jié)果及討論

2.1 燃燒特性參數(shù)

揮發(fā)分初析溫度、揮發(fā)分釋放特性指數(shù)是表征揮發(fā)分析出難易程度的重要參數(shù)，通常在DTG曲線上，取開始恒定出現(xiàn)負(fù)值對應(yīng)的溫度，作為揮發(fā)分初析溫度，數(shù)值越小，表明燃料的著火性能越好。揮發(fā)分釋放特性指數(shù)數(shù)值越大，低溫下燃料越容易燃燒。

著火溫度、著火特性指數(shù)表征燃料著火特性的重要參數(shù)[8].采用TG-DTG切線法，在TG曲線上由計(jì)算機(jī)直接得出著火溫度[9].著火溫度越低，著火特性指數(shù)越大，燃料越容易著火燃燒[8].

燃料燃盡性能的好壞主要用燃盡溫度與燃盡特性指數(shù)來評價[11].燃盡溫度指燃料燃燒結(jié)束時的溫度，實(shí)驗(yàn)中，取DTG曲線上基本為零的點(diǎn)對應(yīng)的溫度。燃盡特性指數(shù)越大，燃盡性能越好[11].

綜合燃燒特性指數(shù)是衡量燃料的著火性能和燃盡綜合性能的指標(biāo)，數(shù)值越大，表示燃料越容易著火，燃盡越完全，燃燒性能越好[7].

2.2 生物質(zhì)占比對燃燒特性參數(shù)的影響

分別將0%、20%、40%、60%和100%(質(zhì)量比)的玉米秸稈與義馬煤摻混均勻，在升溫速率20 ℃/min、氧氣濃度20%的條件下進(jìn)行燃燒，其TG-DTG曲線見圖1.

圖1 不同生物質(zhì)含量樣品燃燒的TG-DTG曲線圖

由表1可知，生物質(zhì)的水分、揮發(fā)分都比原煤高，而固定碳含量比原煤低，因此，隨著生物質(zhì)占比變大，混合物所含水分、揮發(fā)分變大，固定碳含量變小，前期燃燒放熱變多，加快了煤中揮發(fā)分的釋放燃燒與固定碳的燃燒，使圖1中混合物燃燒的TG曲線，隨著生物質(zhì)占比的變大向低溫區(qū)移動；DTG曲線上的混合物失水峰(第一個峰)小幅度增強(qiáng)，生物質(zhì)揮發(fā)分燃燒失重峰(第二個峰)明顯增強(qiáng)，生物質(zhì)固定碳及原煤揮發(fā)分的混合燃燒峰(第三個峰)峰值越來越大，原煤固定碳燃燒造成的失重(最后的峰肩)愈來愈弱，當(dāng)生物質(zhì)含量大于60%時峰肩基本和第三個峰合二為一?；旌衔锶紵娜紵匦詤?shù)見表2，參數(shù)對比見圖2.

表2 生物質(zhì)、煤及其混合物的燃燒特性參數(shù)表

由表2可知，混合物中生物質(zhì)占比為20%時，和原煤相比較，混合物的著火溫度下降151.1 ℃、揮發(fā)分初析溫度下降71 ℃、燃盡溫度下降65 ℃、最大燃燒速率對應(yīng)溫度下降45.3 ℃。其中著火溫度下降最為明顯，揮發(fā)分初析溫度次之，燃盡溫度第三，說明生物質(zhì)的加入有利于混合物的燃燒。由圖2可以看出，當(dāng)混合物中生物質(zhì)占比大于20%后，混合物的著火溫度靠近于生物質(zhì)自身的著火溫度，幾乎不受生物質(zhì)占比的影響；揮發(fā)分初析溫度下降遲緩；混合物的最大燃燒速率對應(yīng)溫度在生物質(zhì)添加比例從20%增加到40%時下降較慢，從40%增加到60%時下降顯著，大于60%時和生物質(zhì)自身的相同，基本不受生物質(zhì)占比變化的影響；伴隨混合物中生物質(zhì)占比的增加，混合物的燃盡溫度接近呈線性下降?；旌衔锏闹鹛匦灾笖?shù)、燃盡特性指數(shù)，在混合物中生物質(zhì)占比小于40%時，呈線性較慢上升，當(dāng)生物質(zhì)占比大于40%時上升明顯變快。揮發(fā)分釋放特性指數(shù)，在生物質(zhì)占比小于40%時，上升較慢，當(dāng)生物質(zhì)占比大于40%時上升顯著。綜合燃燒特性指數(shù)，在生物質(zhì)占比小于60%時，上升較慢，當(dāng)生物質(zhì)占比大于60%時上升明顯變快。

圖2 不同生物質(zhì)添加量混合物燃燒特性參數(shù)對比圖

綜上，燃料的揮發(fā)分越高，燃料越易著火燃燒[12].因而，混合物中生物質(zhì)占比變大，混合物揮發(fā)分含量變大，致使混合物著火特性指數(shù)、燃盡特性指數(shù)、綜合燃燒性能指數(shù)隨之變大，促進(jìn)了燃燒的進(jìn)行。

2.3 O2濃度對燃燒特性參數(shù)的影響

將質(zhì)量比20%的玉米秸稈和義馬煤摻混均勻，在20 ℃/min的升溫速率、20%、30%、40%的氧氣濃度條件下燃燒，TG-DTG曲線見圖3.

圖3 不同氧氣濃度燃燒過程的TG-DTG曲線圖

由圖3可知，混合物燃燒的TG、DTG曲線，隨著O2濃度的變大向低溫區(qū)移動；DTG曲線上失水峰(第一個峰)、生物質(zhì)揮發(fā)分釋放燃燒峰(第二個峰)，基本不隨O2濃度的變大而變化；而生物質(zhì)固定碳、煤中揮發(fā)分和固定碳的燃燒峰(第三個峰)，則伴隨O2濃度的增加順次增強(qiáng)。原因是混合物中固定碳的燃燒受O2濃度的影響比較大，而生物質(zhì)揮發(fā)分的燃燒受O2濃度的影響較小?；旌衔锶紵娜紵匦詤?shù)見表3，參數(shù)的直觀對比見圖4.

表3 不同氧氣濃度燃燒過程的燃燒特性參數(shù)表

由表3數(shù)據(jù)和圖4可知，混合物揮發(fā)分初析溫度幾乎不受O2濃度變化的影響；揮發(fā)分最大燃燒速率隨O2濃度的變大略微上升；著火溫度隨O2濃度的變大略微下降；燃盡溫度當(dāng)O2濃度從20%上升到40%時，先平緩下降而后下降程度加大；最大燃燒速率隨O2濃度的變大明顯上升；著火特性指數(shù)當(dāng)O2濃度從20%上升到40%時，上升得先慢后快，近似呈線性上升，揮發(fā)分釋放特性指數(shù)、綜合燃燒特性指數(shù)的變化規(guī)律與其相同；燃盡特性指數(shù)伴隨O2濃度的變大更接近呈線性上升。

圖4 不同氧氣濃度主要燃燒特性參數(shù)對比圖

總的來說，O2濃度變大，促進(jìn)了混合物的分解燃燒，改善了燃料的綜合燃燒性能，導(dǎo)致混合物的燃燒速率變快，燃燒時間變短，燃燒在較低溫度下完成，有助于燃燒過程的進(jìn)行。

2.4 升溫速率對燃燒特性參數(shù)的影響

將質(zhì)量比20%的玉米秸稈和義馬煤摻混均勻，在氧氣濃度20%、升溫速率分別為20 ℃/min、30 ℃/min、40 ℃/min的條件下燃燒，TG-DTG曲線見圖5.

圖5 不同升溫速率燃燒的TG-DTG曲線圖

升溫速率變大，一方面，使得混合物外部顆粒溫度較高，內(nèi)部顆粒溫度較低，導(dǎo)致混合物內(nèi)部反應(yīng)速率比外部小，從而揮發(fā)分釋放燃燒滯后，造成圖5a)中的TG曲線向高溫側(cè)移動[13]，DTG曲線上失水峰(第一個峰)、生物質(zhì)揮發(fā)分燃燒失重峰(第二個峰)和生物質(zhì)固定碳及原煤揮發(fā)分混合燃燒峰(第三個峰)逐漸增強(qiáng)變寬。另一方面，混合物達(dá)到相同溫度需要的時間減少，使得混合物中揮發(fā)分、固定碳、水分無法正常析出或燃燒，而集中在較短時間內(nèi)析出燃燒，導(dǎo)致燃燒速率上升，造成圖5中DTG曲線上3個峰的峰值變大。

從圖5b)TG-DTG和時間的關(guān)系可知，升溫速率變大，混合物水分的失去、揮發(fā)分的釋放燃燒及固定碳的燃燒前移，燃燒結(jié)束時間也隨之前移。

實(shí)驗(yàn)混合物燃燒的燃燒特性參數(shù)見表4，參數(shù)的直觀對比見圖6.

表4 不同升溫速率燃燒過程的燃燒特性參數(shù)表

圖6 不同升溫速率主要燃燒特性參數(shù)對比圖

由表4和圖6可知，混合物的著火溫度基本等于生物質(zhì)本身的著火溫度，基本不受升溫速率的影響；混合物的揮發(fā)分初析溫度伴隨升溫速率變大平緩上升，燃盡溫度也是如此；揮發(fā)分最大燃燒速率當(dāng)升溫速率從20 ℃/min升到30 ℃/min時上升較慢，當(dāng)升溫速率從30 ℃/min升到40 ℃/min時上升較快，揮發(fā)分釋放特性指數(shù)變化規(guī)律與其相同；最大燃燒速率當(dāng)升溫速率從20 ℃/min上升到30 ℃/min時，上升較快，當(dāng)升溫速率從30 ℃/min上升到40 ℃/min時上升變慢，著火特性指數(shù)和燃盡特性也有類似規(guī)律；而綜合燃燒特性指數(shù)，當(dāng)升溫速率從20 ℃/min升到40 ℃/min時接近似呈線性上升。

這表明，隨著混合物的升溫速率變大，雖然其揮發(fā)分初析溫度和燃盡溫度會隨之升高，達(dá)到著火溫度的時間縮短，但是揮發(fā)分在混合物中停留時間減少，集中析出量增加，燃燒速率加快，致使混合物與O2的反應(yīng)速度加快，縮短混合物的燃燒時間，使得燃燒變得更容易，有助于燃燒的進(jìn)行。

3 結(jié) 論

1)煤與生物質(zhì)混合物中生物質(zhì)占比變大，揮發(fā)分含量變大，致使混合物著火特性指數(shù)、燃盡特性指數(shù)、綜合燃燒性能指數(shù)隨之變大，促進(jìn)了燃燒的進(jìn)行。

2)O2濃度變大，促進(jìn)了煤與生物質(zhì)混合物的分解燃燒，改善了燃料的綜合燃燒性能，導(dǎo)致混合物的燃燒速率變快，燃燒時間變短，燃燒在較低溫度下完成，有助于燃燒過程的進(jìn)行。

3)升溫速率變大，煤與生物質(zhì)混合物的綜合燃燒性能指數(shù)隨之變大，燃燒時間變短，使燃燒變得更容易，有助于燃燒的進(jìn)行。