氣化細(xì)渣摻燒煤和生物質(zhì)的燃燒特性及動(dòng)力學(xué)分析

孫曉慧，顏濟(jì)青，方夢(mèng)祥,2，王勤輝，匡建平

(1.浙江大學(xué) 能源清潔利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310027；2.浙江大學(xué) 青山湖能源研究基地，浙江 杭州 311305；3.寧夏神耀科技有限責(zé)任公司，寧夏 銀川 750000)

0 引 言

近年來(lái)，為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，我國(guó)不斷優(yōu)化產(chǎn)業(yè)、能源結(jié)構(gòu)，煤炭產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)速度加快，并大力發(fā)展煤氣化合成化工品和油氣等多元化開(kāi)發(fā)利用技術(shù)，煤氣化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量氣化渣。氣化渣根據(jù)粒徑分為粗渣和細(xì)渣，氣化粗渣可混入建材原料中再利用或回填處理；而氣化細(xì)渣具有含水率高(50%～60%)、揮發(fā)分低、熱值低(4.19～9.21 MJ/kg)的特點(diǎn)[1]，不符合建筑摻混原料標(biāo)準(zhǔn)，大量氣化細(xì)渣無(wú)法利用。大量氣化細(xì)渣露天堆放、填埋處理占用土地，氣化細(xì)渣中含有毒元素，造成土壤、水體及揚(yáng)塵污染等環(huán)境問(wèn)題[2]，還易產(chǎn)生安全隱患，環(huán)保壓力較大，因此需將氣化細(xì)渣綜合處理利用。

氣化細(xì)渣中的未燃碳具有一定利用價(jià)值，吳思萍等[3]研究了氣化細(xì)渣浮選技術(shù)，采用泡沫浮選方法對(duì)氣化細(xì)渣進(jìn)行未燃碳脫除試驗(yàn)，使用“一粗兩精”分選工藝，得到精礦產(chǎn)率11.06%；中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所研發(fā)了氣化殘?zhí)既紵夹g(shù)，可將氣化細(xì)渣中含碳量從40%左右降至0.88%，燃燒效率達(dá)98.6%[4]；史兆臣等[5]研究了預(yù)熱脫碳工藝，以提高氣化細(xì)渣的燃盡率，發(fā)現(xiàn)提高預(yù)熱溫度可縮短燃盡時(shí)間，提高氣化細(xì)渣的燃盡率。氣化細(xì)渣還可通過(guò)摻燒利用[6]，杜杰等[7]研究了氣化細(xì)渣基礎(chǔ)燃燒特性，將不同比例氣化細(xì)渣與原煤摻燒，結(jié)果表明，氣化細(xì)渣與原煤摻燒存在顯著協(xié)同效應(yīng)，摻燒能改進(jìn)氣化細(xì)渣的燃燒特性；汪倫等[8]研究了不同粒徑氣化細(xì)渣燃燒后的殘?zhí)夹螒B(tài)及燃燒特性，發(fā)現(xiàn)氣化細(xì)渣粒徑越小，燃燒速率降低，燃料煤摻燒30%的氣化細(xì)渣協(xié)同作用最好；鄭清清[9]建立了氣化渣摻燒與干燥系統(tǒng)計(jì)算模型，計(jì)算發(fā)現(xiàn)摻燒干燥后的氣化細(xì)渣(25%水分)對(duì)煙氣成分、鍋爐效率影響不大，但提高了經(jīng)濟(jì)效益。

試驗(yàn)氣化細(xì)渣水分高，燃燒失重率低，通過(guò)摻燒利用氣化細(xì)渣是較好的處理方式。通過(guò)熱重試驗(yàn)，將煤、生物質(zhì)以質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%、30%、50%、70%、90%與2種氣化細(xì)渣摻混，計(jì)算氣化細(xì)渣在不同比例下?lián)綗娜紵卣鲄?shù)與動(dòng)力學(xué)參數(shù)，確定最佳摻燒比例，從而為綜合利用氣化細(xì)渣、優(yōu)化氣化細(xì)渣摻燒方案提供理論依據(jù)。

1 熱重試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)采用山西柳林煤(簡(jiǎn)稱L)，生物質(zhì)為稻殼(簡(jiǎn)稱D)，2種氣化細(xì)渣原料分別為寧夏神耀科技有限責(zé)任公司提供的甲醇廠氣化細(xì)渣(簡(jiǎn)稱Q1，甲醇渣)和煤油十五區(qū)的氣化細(xì)渣(簡(jiǎn)稱Q2，煤油渣)。試驗(yàn)前，將所有樣品分別放入105 ℃烘箱中干燥6 h，烘干后，篩分柳林煤和稻殼樣品，選擇粒徑小于120目(0.125 mm)的樣品作為熱重試驗(yàn)樣品。完成后將煤、生物質(zhì)與2種氣化細(xì)渣按照不同質(zhì)量比制備摻混樣品。煤、生物質(zhì)及氣化細(xì)渣的工業(yè)分析和元素分析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 樣品工業(yè)元素分析Table 1 Proximate and ultimate analysis of samples

熱重試驗(yàn)儀器為德國(guó)耐馳STA449F3同步熱分析儀，試驗(yàn)條件設(shè)置為：從40 ℃開(kāi)始加熱，終溫為900 ℃，升溫速率為20 ℃/min，空氣氣氛，空氣流速為50 mL/min，每次取5 mg樣品進(jìn)行試驗(yàn)。

1.2 燃燒特性計(jì)算

為分析不同樣品的燃燒特性，采用如下燃燒特性參數(shù)定義：

1)著火溫度Ti：燃點(diǎn)是衡量樣品著火特性的重要特征點(diǎn)[10]，其對(duì)應(yīng)溫度定義為著火溫度，著火溫度可反映著火難易程度，著火溫度越高，樣品越難被點(diǎn)燃。通過(guò)系統(tǒng)中分析軟件NETZSCH Proteus Thermal Analysis求起始點(diǎn)，確定為著火溫度。

2)著火特性指數(shù)Di：評(píng)估燃料的著火特性，可用式(1)[11-12]計(jì)算：

(1)

式中，(dw/dt)max為最大燃燒速率，%/min；ti為燃點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間，min；tp為最大燃燒速率對(duì)應(yīng)的時(shí)間，min。

3)燃盡溫度Tb：燃盡溫度為樣品不再顯著質(zhì)量變化的溫度，反映燃料燃盡的難易程度，通過(guò)NETZSCH Proteus Thermal Analysis分析軟件求終止點(diǎn)，確定為燃盡溫度。

4)燃盡特性指數(shù)Db：評(píng)估燃料的燃盡特性，可用式(2)[11-12]計(jì)算：

(2)

式中，Δt1/2為(dw/dt)/(dw/dt)max=1/2的時(shí)間區(qū)間，min；tp為最大燃燒速率對(duì)應(yīng)的時(shí)間，min；tf為燃盡點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間，min。

5)最大燃燒溫度Tmax(℃)：最大燃燒速率下對(duì)應(yīng)的溫度。

6)最大燃燒速率(dw/dt)max：DTG曲線最高峰所對(duì)應(yīng)的質(zhì)量變化速率，反映燃料燃燒的劇烈程度。

7)平均燃燒速率(dw/dt)mean：燃點(diǎn)至燃盡點(diǎn)之間的平均質(zhì)量變化速率，反映燃料燃燒快慢。

8)綜合燃燒特性指數(shù)S：為較全面評(píng)價(jià)樣品燃燒特性，引入綜合燃燒特性指數(shù)S評(píng)價(jià)樣品燃燒性能，S較高說(shuō)明燃燒反應(yīng)特性更好[13]，可表示為

(3)

式中，R為反應(yīng)氣體常數(shù)，為8.314 J/(mol·K)；E為活化能，kJ/mol。

1.3 動(dòng)力學(xué)理論

燃燒反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)可通過(guò)TGA方法確定，認(rèn)為反應(yīng)過(guò)程是溫度的函數(shù)，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率可表示為dα/dt[14-15]，具體為

(4)

其中，α為轉(zhuǎn)化率；t為時(shí)間，s；T為熱力學(xué)絕對(duì)溫度，K；k(T)為只與溫度有關(guān)的比例恒量；f(α)為反應(yīng)機(jī)理函數(shù)。轉(zhuǎn)化率α可表示為

α=(m0-mt)/(m0-mf)，

(5)

式中，m0為樣品初始質(zhì)量，mg；mf為樣品最終質(zhì)量,mg；mt為樣品在t時(shí)刻的質(zhì)量，mg。

常量k(T)可表示為

(6)

其中，A為指前因子，min-1。反應(yīng)時(shí)，樣品加熱速率為恒定值(本文為20 K/min)，用加熱速率常數(shù)β表示，β=dT/dt，式(4)[16-17]可寫(xiě)為

(7)

對(duì)上式積分可得：

(8)

式中，函數(shù)P(E/RT)無(wú)確定解，因此需用數(shù)值方法或求近似值來(lái)求解式(8)。

1.4 基于模型的方法——Coats-Redfern積分法

設(shè)f(α)為反應(yīng)機(jī)理函數(shù)，f(α)=(1-α)n，其中n為反應(yīng)級(jí)數(shù)，式(4)可寫(xiě)為

(9)

對(duì)式(9)積分得到

(10)

(11)

使用Coats-Redfern積分法對(duì)不同氣化細(xì)渣摻燒混燃方案進(jìn)行動(dòng)力學(xué)計(jì)算，對(duì)燃燒過(guò)程中的溫度范圍和大部分E，可認(rèn)為E/RT≥1、(1-2RT/E)≈1[18-19]，對(duì)式(10)、式(11)進(jìn)一步簡(jiǎn)化可得：

(12)

(13)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 SEM分析

激光粒度測(cè)試儀分析得到2種氣化細(xì)渣的粒徑較小，在100 μm左右，柳林煤和2種氣化細(xì)渣的微觀形貌SEM如圖1所示。

圖1 柳林煤、甲醇渣、煤油渣SEM圖像Fig.1 SEM image of Liulin coal, methanol slag and cinder

由圖1可知，柳林煤主要由大小不同的破碎塊狀成分組成，氣化細(xì)渣含有大小不均的球狀顆粒及眾多不規(guī)則孔隙、裂隙。氣化細(xì)渣的球狀結(jié)構(gòu)是由于反應(yīng)過(guò)程中，反應(yīng)物質(zhì)在高溫下熔融后聚合而成，眾多孔隙、裂隙是由于焦炭發(fā)生膨脹、破碎形成。煤的微觀結(jié)構(gòu)較致密，與煤相比，氣化細(xì)渣孔隙更大、數(shù)量更多、結(jié)構(gòu)更松散[20]。

2.2 煤和氣化細(xì)渣摻燒TG、DTG曲線

煤和甲醇渣、煤油渣以不同比例摻燒的TG、DTG曲線如圖2、3所示。文中xL(D)-yQ1(Q2)中x、y分別為各物質(zhì)摻燒比例(%)。柳林煤失重開(kāi)始溫度在450～480 ℃，隨氣化細(xì)渣摻燒比例增加，失重開(kāi)始溫度逐漸升高，2種純氣化細(xì)渣的失重開(kāi)始溫度均為550 ℃左右；500～700 ℃是燃燒快速失重期，純柳林煤在這一階段約失重95%，隨煤中氣化細(xì)渣摻燒比例增大，質(zhì)量分?jǐn)?shù)不斷減少，純甲醇渣質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為15%、純煤油渣質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為20%，煤油渣失重量略高，可能是由于煤油渣中固定碳含量(18.5%)高于甲醇渣(11.95%)，燃燒可使更多固定碳析出。柳林煤的燃盡溫度在750 ℃左右，與2種氣化細(xì)渣摻燒后，燃盡溫度逐漸降低。2種氣化細(xì)渣除質(zhì)量分?jǐn)?shù)有輕微差別，燃燒性質(zhì)較相似，與煤摻燒曲線走向相同。

圖2 柳林煤-甲醇渣摻燒TG-DTG曲線Fig.2 TG-DTG curves of Liulin coal-methanol slag blending samples

圖3 柳林煤-煤油渣摻燒TG-DTG曲線Fig.3 TG-DTG curves of Liulin coal-cinder blending samples

純柳林煤和2種氣化細(xì)渣的DTG曲線均為單峰。煤中固定碳含量較高，固定碳燃燒較緩慢，著火時(shí)為非均相著火，揮發(fā)分和焦炭同時(shí)燃燒，失重峰范圍較寬。甲醇渣摻燒比例小于50%時(shí)，峰高未顯著降低，摻燒比例大于70%后，峰高顯著變低，表明摻燒比例大于70%后，燃燒速率顯著下降；煤油渣中固定碳含量高于甲醇渣，摻燒比例小于50%時(shí)，燃燒速率與等比例甲醇渣和煤摻燒時(shí)相差不大，但煤油渣摻燒比例為70%時(shí)，燃燒速率較大，煤油渣摻燒比例大于70%，燃燒速率顯著下降。

2.3 生物質(zhì)和氣化細(xì)渣摻燒TG、DTG曲線

生物質(zhì)和甲醇渣、煤油渣摻燒的TG、DTG曲線如圖4、5所示。氣化細(xì)渣摻燒比例較小時(shí)，DTG曲線與生物質(zhì)燃燒曲線較接近，呈3個(gè)峰，隨氣化細(xì)渣摻入比例增大，DTG曲線出現(xiàn)了接近氣化細(xì)渣燃燒峰的第4個(gè)峰，而接近生物質(zhì)燃燒的第2、3個(gè)峰逐漸趨于不明顯。純生物質(zhì)的失重開(kāi)始溫度在250 ℃左右，遠(yuǎn)低于純氣化細(xì)渣的失重開(kāi)始溫度(550 ℃左右)，摻燒生物質(zhì)可縮短開(kāi)始燃燒時(shí)間。300～500 ℃是燃燒快速失重期，純生物質(zhì)在這一階段失重約90%，隨生物質(zhì)中氣化細(xì)渣摻燒比例增大，失重量不斷減少。純生物質(zhì)的燃盡溫度在500 ℃左右，與氣化細(xì)渣摻燒后，燃盡溫度逐漸升高，但保持在生物質(zhì)和氣化細(xì)渣2種純物質(zhì)的燃盡溫度之間。

圖4 稻殼-甲醇渣摻燒TG-DTG曲線Fig.4 TG-DTG curves of rice husk-methanol slag blending samples

圖5 稻殼-煤油渣摻燒TG-DTG曲線Fig.5 TG-DTG curves of rice husk-cinder blending samples

2.4 燃燒特性分析

2.4.1 著火特性

煤、稻殼與氣化細(xì)渣摻燒燃點(diǎn)和著火特性指數(shù)如圖6所示，可知?dú)饣?xì)渣與煤、生物質(zhì)摻燒的燃點(diǎn)、著火特性指數(shù)的變化規(guī)律不同。純煤著火溫度、著火特性指數(shù)分別為485 ℃、125×104，甲醇渣和煤油渣的著火溫度明顯高于煤，分別為569.32、564.44 ℃，著火特性指數(shù)明顯低于煤，分別為40.924×104、49.234×104，因此，氣化細(xì)渣較難點(diǎn)燃，可燃性差。隨煤中氣化細(xì)渣摻混比例增加，著火溫度總體呈上升趨勢(shì)，著火特性指數(shù)總體呈下降趨勢(shì)；在煤中加入30%甲醇渣、煤油渣時(shí)，其燃點(diǎn)為摻燒組最低，分別為497.24、495.93 ℃，著火特性指數(shù)為摻燒組最高，分別為114.81×104、115.55×104；煤中加入氣化細(xì)渣比例小于50%時(shí)，燃點(diǎn)、著火特性指數(shù)變化不大，說(shuō)明煤與氣化細(xì)渣摻燒時(shí)，添加氣化細(xì)渣在一定比例范圍內(nèi)，可降低燃點(diǎn)，改善著火特性。生物質(zhì)和氣化細(xì)渣摻燒時(shí)，燃點(diǎn)持續(xù)上升，著火特性指數(shù)持續(xù)下降，且氣化細(xì)渣摻燒比例大于50%時(shí)，著火特性指數(shù)大幅下降。

圖6 煤、稻殼與氣化細(xì)渣摻燒燃點(diǎn)和著火特性指數(shù)Fig.6 Ignation temperature and combustibility index of coal，rice husk and fine gasification slag blending

2.4.2 最大燃燒速率及對(duì)應(yīng)溫度

煤、稻殼與氣化細(xì)渣摻燒最大燃燒速率及對(duì)應(yīng)溫度如圖7所示，可知煤與氣化細(xì)渣摻燒時(shí)，隨氣化細(xì)渣摻混比例增加，2種氣化細(xì)渣與煤摻燒的最大燃燒速率呈波動(dòng)下降；對(duì)應(yīng)溫度先降低后升高。摻燒2種氣化細(xì)渣比例為30%時(shí)，最大燃燒速率為摻燒組最高(約8%/min)；氣化細(xì)渣摻燒比例為50%時(shí)，最大燃燒速率對(duì)應(yīng)的溫度最低，分別為565 ℃(Q1)、575 ℃(Q2)。添加氣化細(xì)渣比例在50%以內(nèi)，燃燒速率未顯著降低，但明顯降低了最大燃燒速率對(duì)應(yīng)的溫度，表明添加一定比例氣化細(xì)渣，可縮短燃燒達(dá)到最大燃燒速率的時(shí)間，提前達(dá)到最大燃燒強(qiáng)度；氣化細(xì)渣摻燒比例為70%時(shí)，最大燃燒速率明顯下降。

圖7 煤、稻殼與氣化細(xì)渣摻燒最大燃燒速率及對(duì)應(yīng)溫度Fig.7 Maximum burning rate and corresponding temperature of coal，rice husk and fine gasification slag blending

生物質(zhì)與氣化細(xì)渣摻燒時(shí)，隨氣化細(xì)渣摻混比例增加，最大燃燒速率持續(xù)降低，對(duì)應(yīng)溫度持續(xù)升高。生物質(zhì)主要為揮發(fā)分析出燃燒，燃燒最大速度出現(xiàn)在揮發(fā)分析出階段，氣化細(xì)渣摻燒比例大于50%時(shí)，揮發(fā)分大量減少，燃燒逐漸以氣化細(xì)渣中固定碳燃燒為主，最大燃燒速率顯著降低，其對(duì)應(yīng)的燃燒溫度顯著增高，氣化細(xì)渣與生物質(zhì)摻燒的燃燒速率高于同比例與煤摻燒的燃燒速率。

2.4.3 燃盡特性

煤、稻殼與氣化細(xì)渣摻燒燃盡溫度和燃盡特性指數(shù)如圖8所示，可知煤的燃盡特性指數(shù)為6.61×104，氣化細(xì)渣的燃盡特性指數(shù)分別為11.12×104(Q1)、11.16×104(Q2)，煤中添加氣化細(xì)渣后，燃盡特性指數(shù)先升高后降低，摻燒比例為50%時(shí)達(dá)到最值，分別為12.02×104(Q1)、11.12×104(Q2)。這是由于煤和氣化細(xì)渣的燃點(diǎn)和燃盡點(diǎn)不同，煤燃燒對(duì)氣化細(xì)渣有預(yù)熱作用，且煤中揮發(fā)分顯著高于氣化細(xì)渣，從而有利于氣化細(xì)渣燃盡。SEM圖顯示氣化細(xì)渣內(nèi)部孔隙較大，其粒徑小于煤，在煤中添加氣化細(xì)渣，可使燃料與空氣接觸更充分，促進(jìn)焦炭和空氣的異相反應(yīng)，有利于煤的燃盡。

圖8 煤、稻殼與氣化細(xì)渣摻燒燃盡溫度和燃盡特性指數(shù)Fig.8 Burn out temperature and burn-out characteristic index of coal，rice husk and fine gasification slag blending

生物質(zhì)與氣化細(xì)渣摻燒時(shí)，隨氣化細(xì)渣比例增加，燃盡溫度持續(xù)升高，燃盡特性指數(shù)持續(xù)降低，添加生物質(zhì)可顯著降低燃盡點(diǎn)并提高燃盡特性指數(shù)，且生物質(zhì)與氣化細(xì)渣摻燒，其燃盡特性指數(shù)遠(yuǎn)高于與煤摻燒，燃盡點(diǎn)顯著低于與煤摻燒。

2.4.4 綜合燃燒特性

煤、稻殼與氣化細(xì)渣摻燒綜合燃燒特性指數(shù)如圖9所示。由圖9(a)可知，氣化細(xì)渣與煤摻燒，氣化細(xì)渣摻混比例在30%時(shí)，綜合燃燒特性指數(shù)為摻燒組最大值，分別為23.64×108(Q1)和25.96×108(Q2)，氣化細(xì)渣摻混小于50%時(shí)，綜合燃燒特性指數(shù)變化不大。前文分析發(fā)現(xiàn)，一定比例氣化細(xì)渣與煤摻燒可降低燃點(diǎn)、燃盡點(diǎn)，提高燃盡率和燃燒速率，且綜合燃燒特性指數(shù)并未顯著降低。與煤相比，氣化細(xì)渣孔隙較多，比表面積更大，與空氣接觸充分，有利于氣體的吸附和擴(kuò)散，與煤摻燒可大大提高氣化細(xì)渣的燃燒性質(zhì)，提高燃燒速率和效率，有助于煤的燃盡。

圖9 煤、稻殼與氣化細(xì)渣摻燒綜合燃燒特性指數(shù)Fig.9 Comprehensive combustion characteristics index of coal，rice husk and fine gasification slag blending

由圖9(b)可知，氣化細(xì)渣與生物質(zhì)摻燒時(shí)，混合物的綜合燃燒特性指數(shù)大幅提高，遠(yuǎn)高于與煤摻燒，這是由于生物質(zhì)中含有大量揮發(fā)分，反應(yīng)更劇烈，大幅降低了燃點(diǎn)和燃盡點(diǎn)，提升了燃燒速率。因此使用摻燒方式最大限度利用氣化細(xì)渣，且保證燃燒效率不會(huì)顯著降低，氣化細(xì)渣添加比例應(yīng)小于50%，最佳比例為30%。

2.5 動(dòng)力學(xué)分析

隨煤中氣化細(xì)渣摻燒比例增加，反應(yīng)溫度范圍、動(dòng)力學(xué)參數(shù)、活化能和指前因子均發(fā)生變化，結(jié)果見(jiàn)表2。計(jì)算時(shí)預(yù)設(shè)反應(yīng)級(jí)數(shù)為1，其相關(guān)系數(shù)都在97%以上，滿足要求，因此預(yù)設(shè)反應(yīng)級(jí)數(shù)為1合理。

煤和氣化細(xì)渣摻燒的活化能如圖10所示，純煤燃燒的活化能為82.5 kJ/mol，純氣化細(xì)渣燃燒活化能分別為105.1 kJ/mol(Q1)、100.8 kJ/mol(Q2)，煤活化能低于氣化細(xì)渣的活化能。2種氣化細(xì)渣與煤摻燒的整體趨勢(shì)一致，氣化細(xì)渣摻燒比例為30%時(shí)，活化能為摻燒組中最低，分別為89.46 kJ/mol(Q1)和83.76 kJ/mol(Q2)，之后隨氣化細(xì)渣摻燒比例增加，活化能持續(xù)增加，但始終低于純氣化細(xì)渣燃燒的活化能。氣化細(xì)渣顆粒較細(xì)，孔隙結(jié)構(gòu)多，利于氣體吸附擴(kuò)散，摻混后，可燃物質(zhì)與空氣接觸更充分，活化分子增加，活化能降低，但超過(guò)一定比例后，因氣化細(xì)渣主要以灰分為主，可燃性大大降低，說(shuō)明煤與氣化細(xì)渣摻燒存在最佳摻燒比例。煤油渣與煤摻燒所需活化能更小，其燃燒性質(zhì)優(yōu)于甲醇渣。

表2 煤與氣化細(xì)渣摻燒動(dòng)力學(xué)參數(shù)Table 2 Kinetic parameters of coal blending with fine gasification slag

圖10 柳林煤與氣化細(xì)渣摻燒活化能Fig.10 Activation energy of coal and fine gasification slag blending

純稻殼的燃燒集中在揮發(fā)分燃燒及焦炭燃燒階段，隨稻殼中氣化細(xì)渣摻燒比例增加，出現(xiàn)了氣化細(xì)渣中固定碳的燃燒階段，主要反應(yīng)溫度范圍、動(dòng)力學(xué)參數(shù)、活化能和指前因子結(jié)果見(jiàn)表3，同樣預(yù)設(shè)反應(yīng)級(jí)數(shù)為1，擬合后其相關(guān)系數(shù)都在97%以上，因此預(yù)設(shè)反應(yīng)級(jí)數(shù)為1可行。

氣化細(xì)渣和稻殼摻燒活化能如圖11所示，純稻殼燃燒兩階段反應(yīng)活化能分別為40.72、28.74 kJ/mol，2個(gè)燃燒階段的活化能之和為69.46 kJ/mol，顯著低于氣化細(xì)渣燃燒所需的活化能。整體來(lái)看，2種氣化細(xì)渣和稻殼摻燒的燃燒性質(zhì)及燃燒趨勢(shì)一致，氣化細(xì)渣的摻燒比例為10%、30%時(shí)，燃燒過(guò)程分為2個(gè)階段，揮發(fā)分燃燒階段和固定碳燃燒階段，活化能隨氣化細(xì)渣添加比例增加逐漸減小，因?yàn)?00～540 ℃主要為生物質(zhì)燃燒階段，此時(shí)氣化細(xì)渣中固定碳還未達(dá)到燃燒溫度，生物質(zhì)減少，燃燒所需活化能減小。氣化細(xì)渣摻混比例大于50%后，燃燒曲線出現(xiàn)第3個(gè)階段，該階段主要為氣化細(xì)渣中固定碳燃燒，且隨氣化細(xì)渣摻混比例增大，固定碳燃燒活化能逐漸升高，但遠(yuǎn)低于氣化細(xì)渣單獨(dú)燃燒所需活化能。

表3 稻殼與氣化細(xì)渣摻燒動(dòng)力學(xué)參數(shù)Table 3 Kinetic parameters of rice husk and fine gasification slag blending

續(xù)表

圖11 稻殼與氣化細(xì)渣摻燒活化能Fig.11 Activation energy of rice husk and fine gasification slag blending

甲醇渣、煤油渣摻燒比例為30%時(shí)，各階段活化能之和為摻燒組最低，分別為72.14、69.59 kJ/mol，說(shuō)明生物質(zhì)與氣化細(xì)渣摻燒同樣存在最佳摻燒比例。氣化細(xì)渣與生物質(zhì)摻燒存在交互反應(yīng)，生物質(zhì)的燃燒溫度區(qū)間低于氣化細(xì)渣，揮發(fā)分在前期燃燒放熱，對(duì)后續(xù)氣化細(xì)渣燃燒起預(yù)熱作用，顯著降低了氣化細(xì)渣固定碳燃燒所需活化能。

3 結(jié) 論

1)煤、生物質(zhì)分別與氣化細(xì)渣摻燒的燃燒規(guī)律、燃燒階段顯著不同，煤與氣化細(xì)渣摻燒僅有1個(gè)階段，生物質(zhì)和氣化細(xì)渣摻燒隨摻燒比例不同可分為多個(gè)階段。

2)甲醇渣、煤油渣與煤摻燒時(shí)，通過(guò)燃燒特性指數(shù)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，氣化細(xì)渣摻燒比例為30%時(shí)，綜合燃燒特性指數(shù)最大，分別為23.64×108和25.96×108，燃燒特性最佳。

3)動(dòng)力學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，甲醇渣、煤油渣與生物質(zhì)摻燒，氣化細(xì)渣摻燒比例為30%時(shí)，活化能為摻燒組最小，分別為72.14、69.59 kJ/mol。

4)氣化細(xì)渣最優(yōu)摻燒比例為30%，且2種氣化細(xì)渣與煤、生物質(zhì)摻燒燃燒特性及動(dòng)力學(xué)特性表現(xiàn)一致，煤油渣的燃燒性質(zhì)略優(yōu)于甲醇渣。