生物質(zhì)與煤混燒燃燒特性研究

第33卷第1期煤炭轉化Vol 33 No. 12010年1月COAL CONVERSION生物質(zhì)與煤混燒燃燒特性硏究馬愛(ài)玲1)諶倫建2)黃光許3)朱孔遠4摘要利用 TG-DTG熱分析技術(shù)對煤、生物質(zhì)及二者混合物的燃燒過(guò)程進(jìn)行分析,研究了煤種、生物質(zhì)、生物質(zhì)添加比例、升溫速率及氧氣流量等因素對燃燒特性的影響.結果表明,生物質(zhì)的著(zhù)火特性、燃盡特性和燃燒性能明顯優(yōu)于原煤;添加生物質(zhì)可以改善原煤的燃燒特性,隨著(zhù)生物質(zhì)添加量的增加,燃燒性能改善越顯著(zhù);升溫速率增加,著(zhù)火特性指數和綜合燃燒特性指數升高,燃盡性能降低;增加氧氣流量,可以顯著(zhù)改善燃料的燃燒性能.關(guān)鍵詞煤,生物質(zhì),混燒,熱分析,燃燒特性中圖分類(lèi)號TQ5340引言409PC型熱分析儀,該儀器采用微機程序自動(dòng)控制實(shí)驗可以用空氣、N2或O2為載體氣體流量、升溫生物質(zhì)能是僅次于煤、石油和天然氣之后的第速度及終溫均可通過(guò)計算機設置.盛裝樣品坩堝為四大能源,具有來(lái)源廣、污染低、可再生和CO2零D6mm×4mm的氧化鋁坩堝.排放等優(yōu)點(diǎn).專(zhuān)家認為,生物質(zhì)能將成為未來(lái)可再生能源的重要組成部分,到2015年,全球總能耗將有1.2樣品制備40%來(lái)自生物質(zhì)能,2我國生物質(zhì)能資源十分豐富實(shí)驗煤樣為義馬煤(YM)、鶴壁煤(HB)和趙固按熱當量計算約為2.0億t標準煤3,但轉化利用煤(ZG),生物質(zhì)為玉米秸稈和鋸末,原料煤粒徑為率低,大量的生物質(zhì)被廢棄,不僅污染環(huán)境,而且造0.2mm~0.4mm,生物質(zhì)粒徑為0.4mm~1mm成大量的能源浪費用分析天平稱(chēng)取煤樣和生物質(zhì)樣品,按生物質(zhì)占混我國是世界煤炭生產(chǎn)和消費第一大國,煤炭產(chǎn)合物總重量的20%,40%和60%配比混合均勻,然量連續5年創(chuàng )歷史最高,2008年全國煤炭產(chǎn)量達后取15mg~20mg的混合物或純樣品進(jìn)行熱分27.16億t自20世紀90年代以來(lái)煤炭在我國析.原料的工業(yè)分析和熱值分析見(jiàn)表1.次能源消費結構中的比例一直保持在75%~1原料的工業(yè)分析和熱值分析(ad)76%51在相當長(cháng)的一個(gè)時(shí)期內,我國以煤為主的能Tbe1 Proximate and heating value analysis of material( ad)源結構將難以改變我國大部分煤炭用于直接燃燒Sample M/% v/% A/% FC/% Qer/(k].kg")燃煤產(chǎn)生大量煙塵、SO2和CO2等污染物,致使我 YM coal7.0523.0237.62323117458國大氣環(huán)境呈典型的煤煙型污染,由此帶來(lái)嚴重的1.5112.5915.9569.9529384經(jīng)濟損失.生物質(zhì)與煤共燃可以降低硫氧化物、氮氧col3297.3815.0874.25化物及煙塵的排放,因此從減輕污染和利用可再生Cornstalk8.9568.236.8216.011624l能源方面看,研究生物質(zhì)與煤混合燃燒技術(shù)具有重Sawdust9.0874952.5413.431444要意義1.3實(shí)驗條件及過(guò)程1實(shí)驗部分實(shí)驗初始溫度為室溫,終溫為950℃,工作氣氛為N2和O2,氣體總流量為100mL/min.除特別說(shuō)明1.1實(shí)驗設備外,N2流量為80m/min,O2流量為20mL/min,升實(shí)驗采用德國NET2SCH公司生產(chǎn)的STA溫速V山中國煤化工了煤種、生物質(zhì)種河南省重點(diǎn)科技攻關(guān)項目(082102340028),河南理工大學(xué)博士基金資助項CNMHG位論文創(chuàng )新基金資助項目(2008-M12)1)碩士生、工程師;2)教授、博士生導師;3)講師;4)碩士生河南理工大學(xué)材料學(xué)院,454000河南焦作收稿日期:2009-11-17;修回日期:2009-12-16煤炭轉化2010年類(lèi)、生物質(zhì)添加比例、升溫速率和氧氣流量等對燃燒之;Vd(dm/dt)(1)過(guò)程的影響2結果與討論式中:Z1—著(zhù)火特性指數,%/(℃·min);VM—分析基揮發(fā)分,%;(dm/dt)m-最大燃著(zhù)火溫度是燃料氧化反應速度突變的溫度,表燒失重速率,%/mim;T—著(zhù)火溫度,℃觀(guān)現象是燃料發(fā)生著(zhù)火時(shí)的溫度,是衡量著(zhù)火特性由式(1)可知,揮發(fā)分越高,最大燃燒失重速率的重要特征點(diǎn)本文采用 TG-DTG聯(lián)合定義法確定越大,著(zhù)火指數越大;著(zhù)火溫度越高,著(zhù)火指數越小著(zhù)火溫度(見(jiàn)圖1),在DTG曲線(xiàn)上,過(guò)峰值點(diǎn)E作因此著(zhù)火指數越大燃料越容易著(zhù)火為了全面評價(jià)燃料的燃燒情況,本文采用文獻[9,10]中所述的綜合燃燒特性指數SN對實(shí)驗結果進(jìn)行分析.SN可按式(2)計算Th200400600800-10式中:Sx—綜合燃燒特性指數;(dm/d)。最大燃燒失重速率,%/min;(dm/d)-——平均燃圖1 TG-DTG法定義著(zhù)火溫度燒速率,%/min;T著(zhù)火溫度,℃;T燃盡Fig1 Ignition temperature according to TG-DTG curves溫度,℃C垂線(xiàn)與TG曲線(xiàn)交于一點(diǎn)F,過(guò)F點(diǎn)作TG曲線(xiàn)的SN值越大,燃料的燃燒特性越好.本次實(shí)驗由切線(xiàn)該切線(xiàn)與失重開(kāi)始時(shí)平行線(xiàn)的交點(diǎn)G所對應DTG曲線(xiàn)上的最大極值點(diǎn)來(lái)確定最大燃燒速率的溫度T定義為著(zhù)火溫度,該點(diǎn)可由計算機直(dm/d),其對應的溫度為T(mén)灬;燃盡溫度T取接在 TGDTG曲線(xiàn)上作出有多個(gè)峰值的DTG曲DTG值基本為0時(shí)的溫度線(xiàn),著(zhù)火點(diǎn)采用過(guò)第一個(gè)峰作垂線(xiàn)與TG曲線(xiàn)的交本實(shí)驗中各樣品的T,Z,SN值見(jiàn)第57頁(yè)表2點(diǎn)來(lái)確定和表3,第58頁(yè)表4和表5~第59頁(yè)表6和表7.著(zhù)火特性反映燃料的著(zhù)火難易程度,著(zhù)火性能的好壞可用著(zhù)火特性指數來(lái)衡量.8著(zhù)火特性指數2.1原煤和生物質(zhì)的燃燒過(guò)程可按式(1)計算:原煤和生物質(zhì)燃燒的 TG-DTG曲線(xiàn)見(jiàn)圖2圖圖2原煤與生物質(zhì)燃燒的 TG-DTG曲線(xiàn)Fig 2 Combustion TG-DTG curves of mine coals and biomassesfine coal+b--BiomassYM coal▲— HB coal:b— ZG coal;◆— Cornstalk;、— Sawdust2a為原煤的燃燒過(guò)程,原煤的燃燒過(guò)程分為脫水干150℃,主要是脫水干燥階段;第二階段為200℃~燥(90℃~180℃)和揮發(fā)分析出及固定碳燃燒340℃,主要是生物質(zhì)中的纖維素和木質(zhì)素裂解以及(280℃~850℃)兩個(gè)階段.由于原煤固定碳遠高揮發(fā)分釋放燃憾階臥:一階臥為340℃~500℃,于其揮發(fā)分,因此DTG曲線(xiàn)上除了失水峰外只有主要中國煤化工DTG曲線(xiàn)上除個(gè)明顯的失重峰,燃燒過(guò)程中揮發(fā)分的析出幾乎了失CNMHG分別為揮發(fā)分釋直伴隨著(zhù)煤焦的燃燒.圖點(diǎn)b為生物質(zhì)的燃燒過(guò)放燃燒峰及固定碳燃燒峰.前者遠大于后者,這是由程,生物質(zhì)的燃燒分為三個(gè)階段:第一階段為70℃于生物質(zhì)揮發(fā)分遠大于其固定碳所致第1期馬愛(ài)玲等生物質(zhì)與煤混燒燃燒特性研究三種煤與兩種生物質(zhì)的燃燒特性參數見(jiàn)表2由表2可以看出,原煤燃燒的著(zhù)火點(diǎn)比生物質(zhì)高表2三種煤與兩種生物質(zhì)的燃燒特性指數Table 2 Combustibility parameters of the three kinds of coal and two kinds of biomassSample T/C(dm/d)mx/(%·min-1)Tm/C(dm/d)-/(%·min1)Th/CSs/×10-8z/(%2·(c·min)-1)YM co.424.76.92495.31.59691.0866698845.0Cornstalk 273.521.31303.22.015110112.06514.0127.2℃~318.3℃,最大燃燒失重溫度比生物質(zhì)高154.8℃~366.6℃,燃盡溫度比生物質(zhì)高177℃334℃,綜合燃燒特性指數比生物質(zhì)高兩個(gè)數量級,著(zhù)火特性指數是生物質(zhì)的1/56~1/14.這說(shuō)明生物質(zhì)的著(zhù)火特性、燃盡性能和燃燒性能明顯優(yōu)于原煤,這主要是由于生物質(zhì)質(zhì)地疏松,且揮發(fā)分和含氧量高于原煤,易于燃燒和燃盡圖3不同煤種混合物燃燒的 TGDTG曲線(xiàn)2.2煤種對燃燒過(guò)程的影響Fig 3 Combustion TG-DTG curves of different實(shí)驗中將20%的玉米秸稈分別與義馬煤、鶴壁coal and biomass mixtureYM coal+20% cornstalk:0--HB coal+20% cornstalk煤和趙固煤進(jìn)行混合燃燒,其燃燒的 TG-DTG曲線(xiàn)▲— ZG coal+20% cornstalk見(jiàn)圖3.圖3中DTG曲線(xiàn)上除了失水峰外,有三個(gè)燃燒失重峰.第一個(gè)失重峰是玉米秸稈的揮發(fā)分析第三個(gè)失重峰是原料煤固定碳燃燒峰,峰的絕對值出燃燒形成的,第二個(gè)失重峰是玉米秸稈的固定碳隨著(zhù)煤中固定碳的增加而增加和煤中揮發(fā)分共同作用的結果,后者受原料煤揮發(fā)20%玉米秸稈分別與三種煤混合后混合物的燃分的影響較大,原料煤揮發(fā)分越高,其絕對值越大.燒特性參數見(jiàn)表3.320%玉米秸桿與三種煤混合物的燃燒特性參數Table 3 Combustibility parameters of mixture of 20% cornstalk with different coalsT;/℃(dm/dt)m/(%·min-1)Tmas/C(dm/d)-n/(%·min-1)Th/CSy/x10-8Z,/(%2·(℃·min)-1)YM coal+ 20%cornstalk 273. 6633.02.51HB coal+20%cornstalk 274.17l.85775,02.31ZG coal+20%cornstalk 277.5644.20.57由表2和表3可知,三種煤中加入玉米秸稈后,火溫度趨向于接近玉米秸稈的著(zhù)火溫度所致.原煤其著(zhù)火點(diǎn)均大幅度降低,接近玉米秸稈的著(zhù)火點(diǎn);燃的揮發(fā)分越高,燃燒過(guò)程中和玉米秸稈的固定碳共盡溫度也降低了39℃~58℃,著(zhù)火特性指數也有同燃燒放出的熱量越多,有利于及時(shí)引燃煤中的固所增大綜合燃燒特性指數提高了一個(gè)數量級,說(shuō)明定碳,從而使燃盡溫度降低越多生物質(zhì)的加入可以有效改善原料煤的燃燒特性從表2和表3還可看出,煤種不同,玉米秸稈的2.3生物質(zhì)對燃燒過(guò)程的影響加入對其燃燒過(guò)程的影響也有所不同.本實(shí)驗中,義將玉米秸稈和鋸末分別以20%的添加量與義馬煤著(zhù)火溫度降低了151.1℃,鶴壁煤著(zhù)火溫度降馬煤混合燃燒,其燃燒特性曲線(xiàn)見(jiàn)第58頁(yè)圖4,第低了258.7℃,趙固煤降低了314.3℃;義馬煤燃盡58頁(yè)表4給出了兩種混合物的燃燒特性參數.由圖溫度降低了58℃,鶴壁煤燃盡溫度降低了50℃,趙4可以看岀,兩種混合物的燃燒規律基本符合所加固煤降低了39℃;著(zhù)火特性指數增加的幅度大致相生物質(zhì)的燃燒規律DTG曲線(xiàn)卜揮發(fā)分析出峰隨生同綜合燃燒特性指數趙固煤增加的較多.原煤的物質(zhì)中國煤化工固定碳含量越高,加入玉米秸稈后,混合物的著(zhù)火溫CNMH馬煤相比鋸末與度降低的越多綜合燃燒特性改善的越多,這是由原義馬煤混合物的著(zhù)火特性指數和綜合燃燒特性指數煤固定碳含量越高,其著(zhù)火溫度越高,而混合物的著(zhù)比玉米秸稈與義馬煤混合物的著(zhù)火特性指數和綜合煤炭轉化2010年義馬煤混合物降低得多,只有著(zhù)火點(diǎn)的增加值小于后者.這說(shuō)明混合物著(zhù)火溫度的變化主要取決于生物質(zhì)本身的著(zhù)火溫度,而其他指標受生物質(zhì)揮發(fā)分含量的影響較大,揮發(fā)分含量越高,對燃燒性能的影響越大.總的來(lái)說(shuō),玉米秸稈和鋸末都可以改善義馬煤的燃燒性能圖4不同生物質(zhì)與煤混合燃燒的 TG-DTG曲線(xiàn)2.4生物質(zhì)潘加量對燃燒過(guò)程的影響Fig 4 Combustion TG-DTG curves of differentbiomass and coal mixture將義馬煤和玉米秸稈按不同比例混合燃燒,其YM coal+20% cornstalk;▲— YM coal+20% sawdust燃燒的 TGDTG曲線(xiàn)見(jiàn)圖5.圖5DTG曲線(xiàn)上第一燃燒特性指數增加的多,燃盡溫度也比玉米秸稈與個(gè)失重峰為失水峰,第二個(gè)峰為玉米秸稈揮發(fā)分的表4玉米秸桿和鋸末與義馬煤混合物的燃燒特性參數Table 4 Combustibility parameters of mixture of cornstalk and sawdust with YM coalT/c(dm/dt)msx(%·min")T/℃(dm/d)an/(%·min-1)T/CS/×10-8z/(%2·(℃·min)-1)YM coal-+20% cornstalk 273.67.01450.02.510.82YM coal +20%sawdust 302.20r12析出峰,第三個(gè)峰為玉米秸稈固定碳燃燒和義馬煤揮發(fā)分析出共同作用所致,隨后較為平緩的峰肩為冒求2義馬煤固定碳燃燒所致.玉米秸稈的水分和揮發(fā)分高于義馬煤,因此,隨著(zhù)玉米秸稈添加量的增加,混合物中水分和揮發(fā)分含量逐漸增加,固定碳含量逐漸降低,導致DTG曲線(xiàn)上水分析出峰、玉米秸稈揮發(fā)分析出峰和玉米秸稈固定碳燃燒及義馬煤揮發(fā)分圖5不同生物質(zhì)含量樣品燃燒的 TG-DTG曲線(xiàn)Fig 5 Combustion TG-DTG curves of different析出峰逐漸增強,而義馬煤固定碳燃燒失重作用逐漸減弱.不同生物質(zhì)添加量樣品的燃燒特性參數見(jiàn)20% cornstalk;●60m69mk表5表5不同生物質(zhì)添加量樣品的燃燒特性參數Table 5 Combustibility parameters of different ratio biomass sampleT/℃(dm/d)m/(%·min-1)Tm/℃(dm/dr)-/(%·min-1)Th/CS/×10-8z/(%2·(℃·min)-1)al+20%cornstalk 274.40.82YM coal +40%cornstalk 273.48.68432.6623,03.4330YM coal+60% cornstalk272.612.053060由表5可知,隨著(zhù)生物質(zhì)添加量的增加,著(zhù)火溫度和燃盡溫度逐漸降低,著(zhù)火特性指數和綜合燃燒特性指數逐漸增大,這說(shuō)明生物質(zhì)添加量增加混合物中揮發(fā)分含量也隨之增加,而揮發(fā)分含量越高,其燃燒放出的熱越多,可以更利于義馬煤中固定碳的燃燒,從而更有效地改善義馬煤的燃燒性能2004006002.5升溫速率對燃燒過(guò)程的影響圖6不同升溫速率燃燒的 TGDTG曲線(xiàn)Fig 6 Combustion TG-DTG curves of different heating rate燃燒過(guò)程的升溫速率不同,所得到的燃燒特性中國煤化工 eat~rate3omin曲線(xiàn)也有所不同,本文考察了義馬煤和20%玉米秸CNMH過(guò)程有后移的趨min稈混合物在三種升溫速率下的燃燒過(guò)程,結果見(jiàn)圖溫速,4T6.燃燒特性參數見(jiàn)第59頁(yè)表6.從圖6可以看出,升勢;升溫速率越大,DTG曲線(xiàn)上失水峰、揮發(fā)分析出馬愛(ài)玲等生物質(zhì)與煤混燒燃燒特性研究表6不同升溫速率燃燒過(guò)程的燃燒特性參數Table 6 Combustibility parameters of different heating rate(℃min-)T/C(dm(d)-(%,min)Tm/c(dm/d)-m(%,mn1)T/℃Sx/×1022(%,(C·m))633.08.442.53675.04027.6442.6峰以及固定碳燃燒峰越明顯.這是由于升溫速率增大,達到同樣溫度的時(shí)間越短,水分、揮發(fā)分及固定碳在達到自己的析出燃燒溫度之前來(lái)不及揮發(fā),而在較短時(shí)間內集中析出由表6可知,升溫速率增大,著(zhù)火溫度沒(méi)有多大變化燃盡溫度升高,著(zhù)火特性指數和綜合燃燒特性指數增大.因此,升溫速率增大可以改善燃料的燃燒性能,但升溫速率加快,達到高溫的時(shí)間縮短,燃料圖7不同氧氣流量燃燒過(guò)程的 TG-DTG曲線(xiàn)Fig 7 Combustion TG-DTG curves of different在高溫區停留的時(shí)間也縮短,反應尚未來(lái)得及進(jìn)行oxygen flowi就進(jìn)人更高的溫度,造成反應滯后,使得燃盡性能有一 Oxygen flowing rate20mL/min;●— Oxygen flowing所降低rate30mL/min■—0 xygen flowing rate40mL/min2.6氧氣流量對燃燒過(guò)程的影響發(fā)分的析出基本不受氧氣流量的影響,而玉米秸稈固定碳和煤中揮發(fā)分及煤焦的燃燒受氧氣流量的影實(shí)驗中氣體總流量均為100mL/min,氧氣流響較大氧氣流量為20mL/min時(shí),玉米秸稈固定量分別為20mL/min,30mL/min和40mL/min.碳和義馬煤中揮發(fā)分的析出燃燒階段在DTG線(xiàn)上不同氧氣流量的燃燒過(guò)程曲線(xiàn)見(jiàn)圖7,燃燒特性參還能看得出來(lái),隨著(zhù)氧氣流量的增大,它們和義馬煤數見(jiàn)表7.圖7中TG曲線(xiàn)隨氧氣流量的增加而漸固定碳的燃燒階段也合并為一個(gè)階段,在DTG線(xiàn)趨陡峭,DTG曲線(xiàn)上燃料水分和玉米秸稈揮上表現為一個(gè)漸窄而高的失重峰表7不同氧氣流量燃燒過(guò)程的燃燒特性參數Table 7 Combustibility parameters of different oxygen flowing rateOxygen(mL. min ")T/c(dm/d)-/(%·min-1)Ta/C(dm/d)-/(%·min-1)Th/CSy/×10-8z/(%·(℃·min)-1)273.6450.030271.2443.42.01由表7可知,隨著(zhù)氧氣流量的增加,著(zhù)火溫度、性、燃燒性能和燃盡特性明顯優(yōu)于原煤.燃盡溫度和最大燃燒速率對應的溫度逐漸降低,而2)生物質(zhì)的加入使原煤的著(zhù)火溫度降低,改善最大燃燒速率、著(zhù)火特性指數和綜合燃燒特性指數了原煤的著(zhù)火特性、綜合燃燒特性及燃盡性能而且逐漸增大.由此說(shuō)明提高氧氣流量能夠明顯提高燃生物質(zhì)添加越多,對原煤燃燒性能的改善程度越大料的燃燒性能3)加入生物質(zhì)后,原煤固定碳含量越高,混合3結論物著(zhù)火溫度降低得越多;原煤揮發(fā)分越高,混合物燃盡溫度降低得越多.1)原煤燃燒的DTG曲線(xiàn)除了失水峰外,只有4)生物質(zhì)揮發(fā)分含量越高,對其與煤混合物的個(gè)明顯的失重峰,燃燒過(guò)程中揮發(fā)分的析出燃燒燃燒性能的改善程度越大幾乎一直伴隨著(zhù)焦炭的燃燒.生物質(zhì)燃燒的DTG5)升溫速率增加,燃燒過(guò)程后移,燃料的著(zhù)火曲線(xiàn)除了失水峰外,有兩個(gè)明顯的失重峰,分別為揮特性中國煤化工性能降低發(fā)分析出燃燒嶂和固定碳燃燒峰.生物質(zhì)的著(zhù)火特CNMHG燃料的燃燒性能2010年[1]袁振宏,吳創(chuàng )之,馬隆龍等.生物質(zhì)能利用原理與技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005.[2]馬隆龍吳創(chuàng 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combustion characteristicof mixture was also studied. The results show that the biomass's ignition, burnout and combus-tion characteristics are better than the coals. biomass can improve the combustion characteristicsof coal. With the increase of the biomass addition, the combustion characteristics improve moreobviously. With the increase of heating rate, the ignition characteristic parameters and combustion characteristic parameters are increased, while burnout characteristic is reduced, with the in-crease of oxygen flowing rate, the combustion performances of flue can be improved.KEY WORDS coal, biomass, co-firing, thermal analysis, combustion characteristic中國煤化工CNMHG