生物質(zhì)與煤粉混合試驗研究方法

POWER ENGINEERING第28卷第4期電力科學(xué)與工程Vol 28. No 42012年4月Electric Power Science and EngineeringApr,2012生物質(zhì)與煤粉混合試驗研究方法韓娟娟,王金星,周興,劉慧敏,王春波(華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機械工程學(xué)院,河北保定071003)摘要:生物質(zhì)與煤粉不同摻混的試驗結果存在比較分析困難的現狀,為了更具有可比性地分析生物質(zhì)與煤粉混合試驗結果,對熱解、燃燒、氣化3種生物質(zhì)與煤混合利用方式進(jìn)行了試驗。用參數可失重份額代替了原來(lái)的失重余量對試驗結果進(jìn)行了比較分析。結釆發(fā)現,引入參數可失重份額不僅對生物質(zhì)與渫混合試驗結果的分析比較縣有更重要的意義,而且對今后不同種類(lèi)的燃料混合試驗研究也具有一定的參考價(jià)值關(guān)鍵詞:熱重;熱解;混燃;氣化;可失重份額中圖分類(lèi)號:TK16文獻標識碼:A焦的CO2氣化反應進(jìn)行的結論。王金星等利用0引言恒溫熱重法對煙煤/生物質(zhì)混燃特性進(jìn)行了試驗研究,得到了生物質(zhì)對煤粉有促進(jìn)燃燒和燃燼作用我國是一個(gè)農業(yè)大國,生物質(zhì)資源相當豐富,的結論。因此生物質(zhì)能作為新型的能源具有廣闊的發(fā)展前生物質(zhì)與煤粉不同摻混比進(jìn)行試驗研究,能景。生物質(zhì)與煤混合利用不僅符合我國未來(lái)一段較準確地分析出生物質(zhì)摻混比例對混合利用的影時(shí)間內仍以煤碳為主的能源發(fā)展結構,而且也是響。但由于生物質(zhì)與煤粉的工業(yè)成分存在很大的降低CO2凈排放,改善生態(tài)環(huán)境的一個(gè)最有效的差異,使得呈現的試驗結果沒(méi)能排除不參與試驗方法反應部分造成的影響。如能在分析試驗結果時(shí)將近年來(lái),國內外對生物質(zhì)與煤粉混合熱解、不參與試驗反應部分從試樣重量中除去,無(wú)疑使燃燒、氣化均做了大量的試驗研究。閻維平等得呈現的試驗結果更具有可比性。通過(guò)分析生物質(zhì)與煤粉不同摻混熱解的試驗結果,本工作對煤粉與生物質(zhì)不同比例摻混的試樣得出了生物質(zhì)與煤共熱解過(guò)程中存在協(xié)同作用的進(jìn)行熱解、混燃、氣化試驗結果比對,希望能對結論。朱孔遠等通過(guò)分析兩種煤種分別與生物生物質(zhì)與煤粉混合利用的試驗分析,有一定的參質(zhì)不同摻混的試驗結果,研究得出煤階對煤與生考價(jià)值物質(zhì)共同熱解的氣態(tài)產(chǎn)物有明顯的影響。同時(shí)也揭示了協(xié)同作用的存在。王玉召等“利用熱重分析儀對麥稈與煤粉不同摻混比例進(jìn)行了混燃特性1試驗樣品與設備研究,得到了生物質(zhì)有助于改善煤粉的燃燒特性隨生物質(zhì)質(zhì)量摻混比的增加,燃料的著(zhù)火溫度和本試驗所用的設備為:恒溫熱重分析儀、真燃燼溫度降低的結論。張媛等在CO2氣氛下對空干燥箱、馬弗爐、電子分析天平、管式爐、熱煙煤和小麥秸稈不同摻混比例制成的焦樣進(jìn)行了天平。試驗煤種:長(cháng)焰煤,粒度80目到120日。氣化的反應動(dòng)力學(xué)分析,得到了摻混秸稈使制得生物質(zhì):木屑,粒度80目到120目。工業(yè)分析如焦樣的其活化能比煙煤焦顯著(zhù)降低,促進(jìn)了混合表1中國煤化工CNMHG收稿日期:2011-12-13。作者簡(jiǎn)介:韓娟娟(1988-),女,碩士研究生,研究方向為潔凈煤燃燒,E-mil:wangruoguang860928@126.com力工程電力科學(xué)與工程2012年表1試樣的工業(yè)分析3實(shí)例與討論Tab. I Proximate analysis of test samples工業(yè)分析/(%)低位發(fā)熱量試樣3.I混合熱解M。VAFC,(M·kg-)熱重分析以高純度氮氣(99.99%)為載長(cháng)焰煤7.0523.0237.6232.3114.441體,氣體流量為100mL/min。試驗樣品為煤粉與木屑9.0874952.5413.4315.980木屑及其摻混比例為3:1,1:1,1:3。每次試驗試樣為(10±0.1)mg,升溫速率為50℃/min,從2分析方法介紹室溫加熱到700℃。用兩種方法分析試驗結果,如圖1。100燕在分析生物質(zhì)與煤混合試驗結果中,大多都采用參數質(zhì)量余量對試驗結果進(jìn)行分析比較。質(zhì)量余量:試樣在試驗過(guò)程中的質(zhì)量在原始質(zhì)量的百分數。剩余質(zhì)量=600式中:m0為試樣的初始質(zhì)量;m為試驗過(guò)程中試溫度/C樣的質(zhì)量。煤粉3:11:11:3生物質(zhì)該分析試驗結果的方法消除了每次取樣不均(a)采用參數質(zhì)量余量對試驗結果的干擾,使得反應出的影響因素比較接近實(shí)際情況。但是生物質(zhì)與煤混合試驗研究時(shí),由于試樣工業(yè)分析成分差異較大,使得不能參加反應的成分對分析試驗結果產(chǎn)生了很大的干擾。進(jìn)而在進(jìn)行不同摻混比較時(shí)存在一定的困難。為了吏具有可比性地分析試驗結果,本文定義了一個(gè)參數可失重份額:除不能參加反應的成200分以外,試樣在試驗過(guò)程中其余成分剩余的質(zhì)量溫度/℃占原試樣中該部分質(zhì)量的百分數。質(zhì)即(b)采用參數可失重份額圖1生物質(zhì)與煤混合熱解分析方法比較圖可失重份額=Fig 1 Pyrolysis results of biomass and pulverized式中:m為試樣的初始質(zhì)量;m為試驗過(guò)程中試coal blends with two analytical method樣的質(zhì)量;m。為試樣中不參與反應的成分質(zhì)量如圖1(a)所示,采用參數質(zhì)量余量得到的對于煤粉/生物質(zhì)混合利用的3種形式,均以燃料生物質(zhì)與煤粉不同摻混比的熱解失重曲線(xiàn)之間存工業(yè)分析中灰分含量計算得出的試樣所含灰分質(zhì)在著(zhù)很大差異。在熱解的初期,五條失重曲線(xiàn)相量為m。差不士音千3m后、失重曲線(xiàn)開(kāi)始出現引用該參數消除了試樣中不可參加反應的成的明In中國煤化工分析熱解特性最分對不同摻混比對試驗的干擾,進(jìn)而使分析試驗關(guān)心CNMH集粉的工業(yè)成分的結果更具有參考價(jià)值。較大差異,使得不同摻混比下的試樣所含不可參動(dòng)力POWER ENGINEERING第4期韓娟娟,等生物質(zhì)與煤粉混合試驗研究方法與試驗反應的灰分和固定碳含量不同,進(jìn)而導致無(wú)法判斷試樣的進(jìn)行程度?？梢?jiàn),此分析試驗結果的方法存在一定的缺陷如圖1(b)所示,采用參數可失重份額得到的生物質(zhì)與煤粉不同摻混比的熱解失重曲線(xiàn)之間仍存在著(zhù)明顯差異。與圖1(a)中的失重曲線(xiàn)卻有較大的差別。如,圖1(a)中熱解的初期五條03006009001200失重曲線(xiàn)幾乎重合,而圖1(b)中五條失重曲線(xiàn)溫度/C▲一卻差別很大。特別是煤粉的失重曲線(xiàn)明顯低于其棋粉9:11:9生物質(zhì)他曲線(xiàn),呈現出了煤粉在熱解初期失重是最快的。(a)采用參數質(zhì)量余量這是圖1(a)中所不能表現出的現象。相同的試驗結果,在熱解的后期卻也表現出了更大的不同。如,圖1(a)只表現出了生物質(zhì)含量越大,試樣的最終質(zhì)量余量越少。而圖1(b)中五條失重曲線(xiàn)所有匯聚,煤粉與生物質(zhì)的摻混比為3:1試樣的失重曲線(xiàn)最終卻低于摻混比為1:1和1:3的試樣,并沒(méi)有呈現出圖1(a)中生物質(zhì)摻混越多失9001200溫度rc重曲線(xiàn)越低的現象比較圖1(a)和圖1(b)不難發(fā)現,對分煤粉1:9生物質(zhì)析生物質(zhì)與煤粉混合熱解的試驗結果,采用參數(b)采用參數可失重份額可失重份額能更好地呈現出試樣的熱解進(jìn)行程度圖2生物質(zhì)與煤混合逐漸升溫分析方法比較圖對研究生物質(zhì)與煤粉混合熱解的試驗有一定的實(shí)ig 2 Combustion results of biomass and pulverized用價(jià)值。coal blends with two analytical method3.2混合燃燒注的問(wèn)題,由于生物質(zhì)與煤粉的工業(yè)成分的較大熱重分析選用的氣體為空氣,氣體流量為差異,不同摻混比的試樣中含有不參與反應成分I00m/min。試樣樣品為長(cháng)焰煤和木屑及其摻混的百分比不同,進(jìn)而從圖中無(wú)法判斷試樣的燃燼比為9:1,1:1,1:9。每次試驗試樣為(10±程度。該方法表現出了一定的不足。0.1)mg,以升溫速率為50℃/min,從室溫加熱如圖2(b)所示,釆用參數可失重份額得到到1200℃。用兩種方法分析試驗結果,如圖2。的生物質(zhì)與煤粉不同摻混比的混燃失重曲線(xiàn)之間如圖2(a)所示,采用參數質(zhì)量余量得到的同樣呈現出了明顯的差異。但與圖2(a)中的曲生物質(zhì)與煤粉不同摻混比的混燃失重曲線(xiàn)之間呈線(xiàn)存在一定的不同。首先,純生物質(zhì)與摻混90%現出了一定的差異。試樣的質(zhì)量余量隨著(zhù)生物質(zhì)的生物質(zhì)試樣的失重曲線(xiàn)在燃燒后期從圖2的摻混比例增大而逐漸下移。如,溫度升至600中表現出了一段間隔,而在圖2(b)中則燃燒結℃時(shí),煤粉的質(zhì)量余量約為80%,煤粉與生物質(zhì)束后均歸為零,明顯地呈現出試樣已燃燼;其次摻混比為1:1的試樣降至50%左右。由于煤試樣煤粉與生物質(zhì)摻混比為1:1的試樣在圖2(a)中的著(zhù)火點(diǎn)隨著(zhù)試樣中揮發(fā)分的增高而降低,生仍沒(méi)有表現出平穩的趨勢,因此無(wú)法判斷試樣的物質(zhì)中含有大量的揮發(fā)分,且揮發(fā)分在較低溫度燃燼情況,而在圖2b)中卻可以清晰地辨別出即可快速析出,因此隨著(zhù)生物質(zhì)摻混比的加大,它已中國煤化工試樣更易燃燒。固定碳的燃燼程度和試樣的燃燒CNMHG可以得出,對分進(jìn)行程度,是研究煤粉與生物質(zhì)混燃特性普遍關(guān)析生物質(zhì)與煤粉混合燃燒的試驗結果,采用參數POWER ENGINEEPING電力科學(xué)與工程2012年可失重份額同樣能更好地呈現出試樣的混燃進(jìn)行80%,而摻混比為1:3的試樣不足60%。因此可程度,特別對已燃燼的試樣表現的更清晰以得出,摻混生物質(zhì)有利于試樣氣化,生物質(zhì)摻3.3混合氣化混比越大,試樣氣化速度越快。同樣,氣化的進(jìn)將煤粉與木屑及其摻混比例為3:1,1:1,I:3行程度是研究煤粉與生物質(zhì)混合氣化的核心問(wèn)題。的試樣,放置N2氣氛下700℃的馬弗爐中停留40不同摻混比下的試樣不參與反應的成分含量不同,min制取試驗焦樣。熱重分析使用的氣體為CO2,使得不能清晰地辨認出試樣的氣化程度。進(jìn)而成氣體流量為120mL/min。每次試驗試樣為(10±了此分析試驗結果方法的缺陷。0.1)mg,以升溫速率為30℃/min,從室溫加熱如圖3(b)所示,采用參數可失重份額得到到1350℃。用兩種方法分析試驗結果,如圖3。的生物質(zhì)與煤粉不同摻混比的氣化失重曲線(xiàn)之間也能夠表現出圖3(a)差異。從整體看來(lái),與圖3(a)摻混比較圖趨勢一致。但圖3(b)中排除了試樣中不參與反應的成分含量對試驗結果的影響,使得各試樣的失重曲線(xiàn)在氣化結束后均歸為零,有助于分析氣化的進(jìn)行程度。例如圖3(b)中,明顯可以看出含有煤粉的四條失重曲線(xiàn)均在約2300s后氣化結束,而圖3(a)很難觀(guān)察到一★這點(diǎn)。煤粉3:11:11:3生物質(zhì)綜上所述,采用參數可失重份額對分析生物(a)采用參數質(zhì)量余量質(zhì)與煤粉混合氣化的試驗結果,同樣能夠很好地呈現出試驗進(jìn)行程度。對研究不同燃料的氣化試驗也有一定的參考價(jià)值。結論通過(guò)對煤粉與生物質(zhì)不同摻混比例的試樣使用兩種分析方法進(jìn)行熱解、燃燒、氣化試驗結果★的比對,分析得出采用參數可失重份額對討論煤煤粉3:1生物質(zhì)粉與生物質(zhì)不同摻混比例對熱解、燃燒、氣化試(b)采用參數可失重份額驗結果更具有比較意義。對以后分析兩種燃料不圖3生物質(zhì)與煤混合氣化分析方法比較圖同摻混比例的影響有一定的參考價(jià)值Fig 3 Gasification results of biomass and pulverizedcoal blends with two analytical method如圖3(a)所示,采用參數質(zhì)量余量得到的考文獻:生物質(zhì)焦與煤焦不同摻混比的氣化失重曲線(xiàn)之間1]王泉斌,徐明厚,姚洪,等,生物質(zhì)與煤的混燒特性及呈現出了一定的差異。氣化進(jìn)行的前400s時(shí)其對可吸入顆粒物排放的影響[J].中國電機工程學(xué)條失重曲線(xiàn)明顯斜率不同。生物質(zhì)的摻混比例越大,失重曲線(xiàn)越陡峭。這可能是由于生物質(zhì)的揮Wang Quanbin, Xu Minghou, Yao Hong, et al. Co-com-發(fā)分明顯高于煙煤,揮發(fā)分的大量析出,形成了中國煤化工 h coal and its effect oil空隙結構°,致使反應表面積增大有利于反應造CNMHGJJ Proceedings of the成的。氣化進(jìn)行1200s后質(zhì)量余量仍存在差別。LE. 2如,煤粉與生物質(zhì)摻混比為3:1的試樣剩余約[2]閻維平,陳吟穎.生物質(zhì)混合物與煤共熱解的協(xié)同特性動(dòng)POWER ENGINEERING第4期韓娟娟,等生物質(zhì)與煤粉混合試驗研究方法[J].中國電機工程學(xué)報,2007,27(2):80-86tivity and kinetics of blends during bitumite and wheat strawan Weiping, Chen Yinying. Interaction performance of co-regasification [J]. Journal of Xi'an Jiaotong Universipyrolysis of biomass mixture and coal of different rank [J2011,45(8):123-128Proceedings of the CSee, 2007, 27(2):80-86[6〕王金星,李超,劉慧敏,等.煙煤/生物質(zhì)混燃特性實(shí)3]朱孔遠,諶倫建,黃光許,等.煤與生物質(zhì)共熱解的驗研究[J].電力科學(xué)與⊥程,2012,28(2):56-59TGA-FTIR研究[J].煤炭轉化,2010,33(3)Wang Jinxing, Li Chao, Liu Huimin, et al. Experiment0-14.study on combustion characteristics of bitumite/biomassZhu Kongyuan, Chen Lunjian, Huang Honour et alblends[ J]. Electric Power Science and Engineeringtudy on co-pyrolysis behavior of coal and biomass blending2012,28(2):56-59by using TGA-FTIR[J]. Coal Conversion,2010,33[7]孫俊威,徐程洪,安敬學(xué),等.生物質(zhì)與煤摻燒的實(shí)驗(3):10-14研究[J].電力科學(xué)與工程,2010,26(8):34-3[4]王玉召,李江鵬.生物質(zhì)與煤混燃的燃燒特性實(shí)驗研究ong, An Jingxue, et al. Experimen-[J].鍋爐技術(shù),2010,41(5):72-74tal research onand coal co-firing [J]. ElectricWang Yuzhao, Li Jiangpeng. Experiment to co-combustionPower Science and Engineering, 2010, 26(8): 34-39.characteristics of of biomass and coal[J]. Boiler technolo-[8]張科達,步學(xué)朋,王鵬,等.生物質(zhì)與煤在CO2氣氛下gy,2010,41(5):72-74.共氣化特性的初步研究[J].煤炭轉化,200,32[5]張媛,張海亮,蔣雪冬,等.煙煤與生物質(zhì)秸稈共氣化(3):9-12反應動(dòng)力學(xué)研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報,2011,45Zhang Keda, Bu Xuepeng, Wang Peng, et al. Experimental(8):123-128.co-gasification of biomZhang Yuan, Zhang Hailiang, Jiang Xuedong, et al. Reacof CO2 [J]. Coal Conversion, 2009, 32(3):9-12Analysis Method to Experiments of biomass and pulverized coal blendsHan Juanjuan, Wang Jinxing, Zhou Xing, Liu Huimin, Wang ChunboSchool of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)Abstract: The experimental results of co-utilization of pulverized coal and biomass blends generally are difficult tobe analysed. In order to compare these results distinctly, mass residue was replaced by effaceable share. The ex-perimental results of pyrolysis, co-combustion and gasification were analysed and compared. The following conclusions were obtained. Introducing the parameter of effaceable share not only has greater significance on evaluatingthe experimental results of co-utilization of pulverized coal and biomass blends, but also contributes to further studthe co-utilization of different fuelsKey words: thermogravimetric; Pyrolysis; co-combustion; gasification; effaceable share《電力科學(xué)與工程》網(wǎng)址:htt:!!epse, ncepu. edu.cn中國煤化工CNMHG