富氧下半焦/秸稈混燃交互作用實驗研究

馬?侖，陳鑫科，方慶艷，夏?季，張?成，陳?剛

【碳中和專欄】

富氧下半焦/秸稈混燃交互作用實驗研究

馬?侖1, 2，陳鑫科1，方慶艷1，夏?季2，張?成1，陳?剛1

(1. 華中科技大學煤燃燒國家重點實驗室，武漢 430074；2. 武漢華中思能科技有限公司，武漢 430073)

本文對富氧下半焦和秸稈混燃交互作用開展了實驗研究，結果表明，摻混秸稈對揮發(fā)分混燃階段交互作用影響相對較弱，對固定碳混燃階段交互作用影響顯著，提高摻混比例會增強固定碳混燃階段交互作用．與線性計算曲線相比，在O2/N2氣氛下?lián)]發(fā)分混燃階段實驗反應速率曲線有所提前，而在O2/CO2氣氛下滯后；兩種氣氛下固定碳混燃階段實驗反應速率曲線都明顯提前．O2/CO2氣氛下增加氧體積分數(shù)或提高制焦溫度都會輕微增強揮發(fā)分混燃階段交互作用、顯著減弱固定碳混燃階段交互作用．

富氧氣氛；半焦；生物質；混燃；燃燒交互作用

隨著我國煤化工行業(yè)的快速發(fā)展，產生了大量煤熱解和氣化副產品半焦(或殘?zhí)?，這類含碳固體燃料燃燒發(fā)電是實現(xiàn)其清潔高效利用的有效利用方法之一[1]．然而，這類含碳固體燃料的揮發(fā)分含量很低，在燃燒過程中存在著火穩(wěn)燃困難、燃盡率低等問題[2-3]．

為實現(xiàn)細粉半焦高效清潔燃燒，國內外許多學者開展了大量研究．中國科學院工程熱物理研究所提出了細粉半焦預熱燃燒技術，取得了較好的實驗效果[3-4]．與此同時，將半焦與燃燒特性相對較好的燃料混燃也是解決半焦難著火和燃盡的有效方法之一[5]．這其中，生物質揮發(fā)分含量較高、固定碳含量低，而半焦揮發(fā)分含量低、固定碳含量高，兩者取長補短，半焦摻混生物質能有效改善半焦的著火及燃燒特性．但由于生物質與半焦燃燒特性的差異明顯，在混燃過程中組分燃料間會存在燃燒交互作用，進而影響混燃特性．Wang等[6]對玉米秸稈和半焦開展了混燃實驗，發(fā)現(xiàn)半焦與玉米秸桿的混燃可分為多個階段，且不同階段的交互作用會對燃燒產生不同的影響效果；交互作用延遲了玉米秸稈的固定碳的燃燒，但提前了半焦揮發(fā)分的燃燒．Liu等[7]對烘烤后玉米秸稈與半焦的混燃開展了熱重實驗，玉米秸稈與半焦的交互作用主要發(fā)生在半焦揮發(fā)分與固定碳的燃燒過程中，且隨著熱處理玉米秸桿的程度增加，半焦和玉米秸稈的共燃協(xié)同性增加．Zheng等[8]研究了半焦與煙煤摻混后的燃燒特性，綜合考慮著火及燃盡特性，建議摻混半焦比例不能超過45%．Qin等[9]研究結果發(fā)現(xiàn)糠渣與半焦混燃過程是一個復雜的過程，整個燃燒過程中都存在燃燒交互作用，當糠渣摻混比例大于80%時，組分燃料之間存在明顯的抑制作用，不利于改善混合燃料的燃燒特性．

由于化石燃料的燃燒是CO2排放的重要貢獻者，控制CO2排放已越來越受到人們的關注．在化石燃料利用過程中減少和控制CO2排放減少是控制化石燃料(主要指煤炭)利用過程中CO2排放的主要途徑之一，這其中典型代表就是富氧燃燒技術．而生物質在整個利用過程的CO2排放量近似于零，半焦摻混生物質也能有效實現(xiàn)CO2減排．但對富氧條件下生物質與半焦混燃過程中交互作用的研究相對較少，基于此，本文開展了富氧條件下半焦和秸稈混燃交互作用的實驗研究，以期為半焦和秸稈富氧混燃提供相關理論指導．

1?實驗樣品及方法

1.1?實驗樣品

生物質秸稈粒徑選取75～150μm，制備半焦所選神華煤粒徑為75～150μm．煤焦采用水平管式爐制備，溫度分別設定為550℃、750℃、950℃、1150℃，樣品分別標記為SHC(550)、SHC(750)、SHC(950)、SHC(1150)．焦樣的制備主要流程為：①稱取約1g煤粉顆粒均勻地鋪于剛玉磁舟底部；②待水平管式爐溫度升至設定溫度后，以3L/min的流量向剛玉管內通入氬氣，待排盡管內空氣后，將剛玉磁舟快速推進剛玉管恒溫區(qū)，反應時間設置為30min；③待反應完成后，將剛玉磁舟從加熱區(qū)推出，并利用氬氣吹剛玉磁舟冷卻降溫，待其冷卻至室溫后，取出樣品并保存．每次實驗前將樣品放于105℃的烘箱內，以避免水分的干擾．樣品工業(yè)分析及元素分析見表1．

表1?樣品工業(yè)分析與元素分析

Tab.1?Proximate and ultimate analysis of samples

1.2?實驗設備

采用德國耐馳熱重分析儀開展半焦/秸稈混燃交互作用熱重實驗．每次實驗取(10±0.1)mg樣品放置于剛玉干鍋中，氣體總流量控制為100mL/min，采用程序升溫，升溫速率為20℃/min，熱重設置采樣初始溫度設定為100℃，終止溫度設定為900℃．主要開展如下實驗：①不同半焦摻混比例及氣氛對燃燒交互作用影響，②富氧氣氛下氧體積分數(shù)對燃燒交互作用影響；③富氧氣氛下半焦制備溫度對燃燒交互作用影響．為保證實驗結果的準確性，進行了3次重復性實驗，并取實驗結果的平均值．

1.3?交互作用衡量參數(shù)

根據(jù)熱重曲線(TG)和失重速率曲線(DTG)，本文采用以下主要參數(shù)來研究半焦/秸稈富氧混燃下的交互作用[9-11]：

2?實驗結果與討論

2.1?摻混比例及氣氛對半焦/秸稈混燃交互作用影響

圖1為半焦與秸稈混燃熱重曲線典型結果，可以看出，半焦與秸稈單獨燃燒時其燃燒特性差異顯著．半焦燃燒熱重曲線只存在一個明顯階段，主要為少量揮發(fā)分與固定碳的燃燒，溫度區(qū)間為450～650℃；而秸稈燃燒失重存在兩個明顯階段，第一階段主要是大量揮發(fā)分的析出與燃燒，溫度區(qū)間為230～370℃，第二個階段主要是固定碳的燃燒，溫度區(qū)間為370～550℃．基于此，為便于交互作用的研究與分析，結合反應區(qū)間的差異，本文將混燃過程分為兩個主要階段：揮發(fā)分混燃階段為秸稈揮發(fā)分與半焦少量揮發(fā)分混燃，固定碳混燃階段為秸稈固定碳和半焦固定碳混燃．

圖1?半焦與秸稈混燃典型熱重曲線

O2/N2和O2/CO2氣氛下不同摻混比例的熱重曲線如圖2所示．兩種氣氛下熱重曲線都呈現(xiàn)出相似規(guī)律：摻混秸稈后，由于生物質中揮發(fā)分含量多，會優(yōu)先著火燃燒放熱，有利于半焦預熱與揮發(fā)分析出、燃燒．隨著秸稈摻混比例的增加，揮發(fā)分混燃階段混燃熱重曲線DTG峰值逐漸增大，固定碳混燃階段DTG峰值逐漸減小，且燃盡終止溫度逐漸向低溫區(qū)移動．以上結果表明摻混秸稈有利于改善半焦的著火及燃盡特性．

對比O2/N2和O2/CO2氣氛下熱重曲線實驗值與計算值(圖3)以及交互作用衡量參數(shù)MR、RMS值(圖4)，可以看出，O2/N2氣氛下，揮發(fā)分混燃階段DTG熱重曲線實驗值相對于線性計算值提前(即向低溫區(qū)偏移)，MR＞0，這表明O2/N2氣氛下?lián)交焐镔|秸稈有利于改善半焦與秸稈揮發(fā)分混燃階段混燃特性；而O2/CO2氣氛下，揮發(fā)分混燃階段DTG熱重曲線實驗值相對于線性計算值滯后(即向高溫區(qū)偏移)，MR＜0，這表明O2/CO2氣氛下?lián)交焐镔|秸稈會輕微抑制半焦與秸稈揮發(fā)分混燃階段混燃特性．出現(xiàn)以上現(xiàn)象主要是由N2和CO2的物性和化學反應差異造成的：與O2/N2氣氛相比，O2/CO2氣氛下氧或者秸稈揮發(fā)分的擴散速率更低，且半焦與秸稈揮發(fā)分燃燒溫度更低．

圖2 O2/N2和O2/CO2氣氛下不同摻混比例樣品的熱重曲線

圖3 O2/N2和O2/CO2氣氛下熱重曲線實驗值與計算值對比

圖4?O2/N2和O2/CO2氣氛下交互作用指數(shù)kMR、kRMS

兩種氣氛下，隨著秸稈摻混比例的提高，揮發(fā)分混燃階段交互作用強度衡量指數(shù)RMS有所減小但不明顯，這表明秸稈摻混比例對揮發(fā)分混燃階段交互作用影響不明顯．但在O2/N2和O2/CO2氣氛下，固定碳混燃階段熱重曲線實驗值相對于線性計算值都明顯提前(即向低溫區(qū)偏移)，MR＞0，這表明摻混秸稈有利于改善半焦與秸稈固定碳混燃階段混燃特性；且隨著秸稈摻混比例的提高，固定碳混燃階段交互作用強度衡量指數(shù)RMS顯著增大，這表明提高生物質秸稈摻混比例會顯著增強固定碳混燃階段燃燒交互作用．

2.2?富氧下氧體積分數(shù)對半焦/秸稈混燃交互作用的影響

圖5為不同氧體積分數(shù)下樣品燃燒熱重曲線，圖6為實驗值與計算值對比．從圖5可以看出，隨著氧體積分數(shù)增加，半焦熱重曲線顯著向低溫區(qū)移動，秸稈在揮發(fā)分燃燒階段DTG峰值逐漸增加，而在固定碳燃燒階段DTG曲線變化不明顯；半焦與秸稈揮發(fā)分混燃階段DTG曲線變化不明顯，半焦/秸稈固定碳混燃階段DTG曲線顯著向低溫區(qū)移動．這表明，氧體積分數(shù)對半焦/秸稈混燃影響主要是通過對組分半焦的影響而引起的．

結合圖6和圖7可以看出，隨著氧體積分數(shù)增加，揮發(fā)分混燃階段DTG實驗曲線相對于線性計算曲線滯后程度以及兩者DTG峰值差異逐漸增加，MR＜0，交互作用強度衡量指數(shù)RMS逐漸增大，這表明富氧氣氛下提高氧體積分數(shù)會增強揮發(fā)分混燃階段交互作用；與此同時，固定碳混燃階段DTG實驗曲線相對于線性計算曲線提前程度以及兩者DTG峰值差異逐漸降低，MR＞0，交互作用強度衡量指數(shù)RMS逐漸減小，這表明富氧氣氛下提高氧體積分數(shù)會減弱固定碳混燃階段交互作用．

圖6?不同氧體積分數(shù)下熱重曲線實驗值與計算值對比

圖7?不同氧體積分數(shù)下交互作用衡量指數(shù)kMR和kRMS

2.3?制焦溫度對半焦/秸稈混燃交互作用的影響

圖8為21%O2/79%CO2氣氛下不同溫度制備的半焦單獨燃燒以及與秸稈混燒時熱重曲線，可以看出，隨著制焦溫度提高，半焦單獨燃燒熱重曲線逐漸向高溫區(qū)移動，著火及燃盡溫度逐漸顯著升高，這主要是由于制焦溫度越高，半焦中揮發(fā)分含量越低，越難著火燃燒．不同制焦溫度制得的半焦與秸稈混燒時，揮發(fā)分混燒階段熱重曲線變化不明顯，而固定碳混燃階段熱重曲線變化顯著．

圖8?不同溫度制備的半焦及摻混樣品熱重曲線

圖9為不同制焦溫度熱重曲線實驗值與計算值對比，圖10為交互作用衡量指數(shù)MR、RMS值．可以看出，對揮發(fā)分混燃階段燃燒而言：隨著制焦溫度提高，DTG曲線實驗值相對于計算值曲線滯后程度以及峰值差異變化不明顯，MR＜0，且交互作用強度衡量指數(shù)RMS變化不明顯，這表明制焦溫度會增強燃燒交互作用．對固定碳混燃階段燃燒而言：隨著制焦溫度提高，DTG曲線實驗值相對于計算值曲線提前程度以及峰值差異逐漸增加，MR＞0，且交互作用強度衡量指數(shù)RMS逐漸增加，這表明制焦溫度會減弱燃燒交互作用．

圖9?不同制焦溫度下熱重曲線實驗值與計算值對比

圖10 不同制焦溫度下交互作用衡量指數(shù)kMR、kRMS

3?結?論

生物質揮發(fā)分含量高、固定碳含量低，而半焦揮發(fā)分含量低、固定碳含量高，半焦摻混生物質能有效改善半焦的著火及燃燒特性，但由于生物質與半焦燃燒特性的差異明顯，在混燃過程中組分燃料間會存在燃燒交互作用，進而影響混燃特性．本文利用熱分析方法對富氧條件下半焦和秸稈混燃交互作用開展了實驗研究，主要結論如下．

(1)由于兩種燃料燃燒特性的差異，可將半焦和秸稈混燃分為秸稈揮發(fā)分與半焦揮發(fā)分共燃階段、秸稈固定碳與半焦固定碳共燃階段．

(2)摻混秸稈對揮發(fā)分混燃階段交互作用影響較弱，對固定碳混燃階段交互作用影響顯著，且提高摻混比例會增強固定碳混燃階段交互作用．

(3)與線性計算曲線相比，在O2/N2氣氛下?lián)]發(fā)分混燃階段實驗反應速率曲線有所提前，而在O2/CO2氣氛下滯后，兩種氣氛下固定碳混燃階段實驗反應速率曲線都明顯提前．

(4)O2/CO2氣氛下增加氧體積分數(shù)或提高制焦溫度都會輕微增強揮發(fā)分混燃階段交互作用、顯著減弱固定碳混燃階段交互作用．

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Experimental Study on Combustion Interaction of Semi-Coke Co-Firing with Straw in Oxy-Fuel Condition

Ma Lun1,2，Chen Xinke1，F(xiàn)ang Qingyan1，Xia Ji2，Zhang Cheng1，Chen Gang1

(1. State Key Laboratory of Coal Combustion，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China；2. Wuhan Huazhong Sineng Technology Co.，Ltd，Wuhan 430073，China)

In this paper，the combustion interaction between semi-coke and biomass straw in oxy-fuel condition was studied experimentally. Results show that the blending straw has a relatively weak effect on the combustion interaction at the volatile co-firing stage，but it has a significant effect on the combustion interaction at the fixed-carbon co-firing stage，and increasing the mixing ratio will enhance the combustion interaction at the fixed-carbon co-firing stage. Compared with the linear calculation results，the experimental results of the thermogravimetric curve at the volatile co-firing stage are advanced in the O2/N2atmosphere，but delayed in the O2/CO2atmosphere. The experimental results of the thermogravimetric curves at the fixed-carbon co-firing stage in these two atmospheres are significantly ahead of the linear calculated values. In the O2/CO2atmosphere，with the increase in the oxygen volume fraction or semi-coke temperature，the combustion interaction at the volatile co-firing stage is slightly enhanced，while that at the fixed-carbon co-firing stage is significantly weakened.

oxy-fuel atmosphere；semi-coke；biomass；co-firing；combustion interaction

TK6

A

1006-8740(2022)03-0247-07

2021-03-02．

中國博士后科學基金資助項目(2019M652639)；武漢市企業(yè)技術創(chuàng)新項目(2020020602012150).

馬?侖（1990—??），男，博士，助理研究員.

馬?侖，malun3g@126.com.

10.11715/rskxjs.R202204010

(責任編輯：武立有)