生物質(zhì)型煤燃燒特性

第38卷第6期吉林大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版Vol 38 No 62008年11月Journal of Jilin University(Engineering and Technology EditionNov.2008生物質(zhì)型煤燃燒特性陳華艷2,蘇俊林1,矯振偉(1.吉林大學(xué)汽車(chē)工程學(xué)胱,長(cháng)春130022;2.北京世宗智能有展責任公司,北京100029)摘要:以無(wú)煙煤、玉米秸稈和黃土為原料,研究了玉米秸稈含量為5%~35%的生物質(zhì)型煤在不同試驗條件下的燃燒特性。通過(guò)熱重試驗獲取了溫度與質(zhì)量間的關(guān)系,找出了各階段燃燒特征溫度和揮發(fā)分最大失重速率,計算了燃燒全過(guò)程溫度范圍,燃燼率和失重速率所占面積。通過(guò)與傳統型煤的試驗結果比較,生物質(zhì)型煤燃燒特性好,揮發(fā)分初始析出溫度降低了50℃,到最后燃燒基本結東溫度降低了186℃,燃燼率提高了10%。關(guān)鍵詞:熱能工程;生物質(zhì)型煤;熱重分析;燃燒特性中圖分類(lèi)號:TK16,TK6,TQ534文獻標識碼:A文章編號:1671-5497(2008)03-128106Combustion characteristic of biomass compound coalCHEN Hua-yan", sU Jun-lin,JIAO Zhen-wei(l College of automotive Engineering, Jilin University, Changchun 130022, China: 2. Beijing Shizong IntelligentInstrument Co LTD, Beijing 100029, China)Abstract: The biomass compound coal (BCC) composed of anthracite coal, corn haulm and loess wastaken as the object of study. The combustion characteristic of the bcc containing 5%-35% of thecorn haulm was studied by the thermo gravimetry under different experiment conditions. Therelationships between the temperature and the sample mass were obtained and the characteristictemperatures at different combustion stages and the maximum mass loss rate of the volatile fractionwere found. The whole temperature range of the combustion process, the burn-up rate and the areaoccupied by the mass loss rate curve were calculated. Comparing with the results of the traditionalcoal briquette, the combustion characteristic of the BCC appears better, the initial separationtemperature is reduced by 50C, the final burn-up temperature is reduced by 186C, the burn-up rateis enhanced by 10%.Key words: thermal power engineering: biomass compound coal BCC); thermogravimentrycombustion characteristi目前常生物質(zhì)經(jīng)預處理,與原煤摻混技術(shù)的中在成型和燃燒設備上,對于燃燒特性和機理的研究受到各國的普遍重視1,但制造成本較高。研究卻很欠缺。作者著(zhù)重討論了生物質(zhì)型煤的燃生物質(zhì)和原煤的粉末依靠高壓成型,制備的生物燒特性和機理,為生物質(zhì)型煤的實(shí)際應用和普及質(zhì)型煤相繼出現5,但目前研兗的重點(diǎn)主要集提供依據。中國煤化工收稿日期:2007-03-10.基金項目:吉林省科技發(fā)展重大項目(20060403)CNMHG作者簡(jiǎn)介:陳華艷(1981-),女,碩士研究方向:強化傳熱與節能技術(shù)E-mail:cheney122@163.com訊聯(lián)系人:蘇俊林(1953-),男教授研究方向:強化傳熱與節能技術(shù) E-mail: sujl@ jlu. edu1282·吉林大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)第38卷1試驗配方作者設計制作了適合生物質(zhì)型煤的熱重試驗臺,其結構簡(jiǎn)圖如圖1所示。生物質(zhì)型煤由原煤、生物質(zhì)和添加劑組成由于原料物理和化學(xué)性質(zhì)的復雜性和差異性,使得生物質(zhì)型煤具有了自身的特性,該特性并不是各原料特性的簡(jiǎn)單疊加。因此,采用試驗優(yōu)化設計和分析方法中二元二次回歸正交組合設計,從揮發(fā)分和發(fā)熱量?jì)蓚€(gè)關(guān)鍵性的特性指標入手,確定生物質(zhì)型煤的優(yōu)化配方。試驗設計得到生物質(zhì)型煤發(fā)熱量回歸方程為y=-176+2476621+158生物質(zhì)型煤揮發(fā)分回歸方程為y=4.651+7.396z1+81.94z21氣源;2流量計;3爐體;4電熱絲;5-坩堝及支撐桿;6式中:z1為原煤質(zhì)量分數,%;為生物質(zhì)質(zhì)量分試樣;7熱電倆;8溫控儀;9機電保護、控制系統;10計算機:11電子天平;12反射屏:13-支架根據市場(chǎng)對工業(yè)型煤的需求,將發(fā)熱量劃分圖1實(shí)驗裝量簡(jiǎn)圖為三等:14644、16736和18828kJ/kg,揮發(fā)分也Fig 1 Schematic diagram of the experimental劃分為三等:15%、25%和35%,相互配比結合后通過(guò)回歸方程獲取了生物質(zhì)型煤的優(yōu)化配方,3試驗結果及分析如表1所示衰1生物質(zhì)型煤優(yōu)化配方3.1試驗結果Table 1 Optimal formula of BCC熱重曲線(xiàn)TG和微商熱重曲線(xiàn)DTG見(jiàn)圖2圖9試驗指標各組分所占比例編號發(fā)熱量揮發(fā)分無(wú)煙煤玉米秸稈/(kJ·kg-1)/%167362555.6119.8124.58P20 MPa2167361563.906.862924P-33 MPa47.3332.7719.90p-46 MPa4146442546.6520.6232.7364.5819.0016.422熱重試驗臺設計表2為生物質(zhì)型煤熱重試驗設計。圖2成型壓力不同時(shí)的TG曲線(xiàn)褒2生物質(zhì)型煤熱量試驗設計Fig 2 TG curves from different molding pressureTable 2 Thermal gravimetry experiment of BCC試驗成型壓力升溫速率揮發(fā)分發(fā)熱量編號/MPa/(℃·mn-1)/%/kJ·kg)16736167362345678908600000016736-46 MPa16736中國煤化工16736CNMH14644圖3成型壓力不同時(shí)的DTG曲線(xiàn)Fig. 3 DTG curves from different molding pressure第6期陳華艷,等:生物質(zhì)型煤燃燒特性·12831101007=5°cminT=l0°min=15%T-15Cmin=25%T°C圖4升溫速率不同時(shí)的TG曲線(xiàn)圖7捍發(fā)分含量不同時(shí)的DG曲線(xiàn)Fig. 4 TG curves from different calefactive velocityg 7 DTG curves from different volatile capacity214 644 u/kgYasMin000000Q=18828k/kg10°min7=15°Cmn003004005006000100200300400500600700T/C圖5升溫速率不同時(shí)的DTG曲線(xiàn)圖8發(fā)熱量不同時(shí)的TG曲線(xiàn)Flg. s DTG curves from different calefactive velocityFig 8 TG curves from different calorific capacity0∞9800F=25%=35%Q=14644kkg0-16736 kI/kg2=18828kkg圖6捍發(fā)分含量不同時(shí)的TG曲線(xiàn)圖9發(fā)熱量不同時(shí)的DG曲線(xiàn)6 TG curves from different volatile capacityFlg. 9 DTG curves from different calorific capacity3生物質(zhì)型煤燃燒特征參數Table 3 Combustion characteristic parameter of BCC試驗編號T/℃T=/℃T./℃T/cT/cv/%(dm/dr)-/%minD/%℃min231.00245.70260.70414.50183.5059.3824.802231.00247.20263.50416.90185.9059.40464.87247.702.80522.70275.0059.26234.60246,60261.00452.70218.10224.60239中國煤化工227.00240.80258.20387.70160,70CNMHG.1930.49245.03259.0009.50179.01936.28·1284吉林大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)第38卷3.2生物質(zhì)型煤燃燒特征參數V為燃燼率;(dm/dt)m為揮發(fā)分最大失重速試驗得到的燃燒特征參數如表3所示。其率;D為失重速率所占面積。中,T為揮發(fā)分初始析出溫度;Tm為最大失重3.3試驗特征參數影響分析溫度;T為揮發(fā)分析出和燃燒結束時(shí)溫度;Tt為生物質(zhì)型煤不同試驗條件下特征參數的變化燃燒基本結束溫度;Tb為燃燒全過(guò)程溫度范圍;趨勢如表4所示。衰4生物質(zhì)型煤不同試驗條件下特征參數的變化趨勢Table 4 Variety trend of the characteristic parameter of BCC under different experiment condition試驗條件試驗編號圖示.TmT, Tr Tb Va(dm/dt)mD成型壓力↑1、2、3升溫速率↑4、1、5揮發(fā)分↑6、1、7發(fā)熱量↑注:↑表示增大或升高;表示減小或降低;=表示基本不變;++表示大大減小或降低;↑↑表示大大增大或升高;表示結論不確定試驗特征參數影響分析如下:(4)失重速率所占面積D此項是燃燒過(guò)程溫(1)試驗特征溫度(T、Tmx、T、T、T)與升度和DTG曲線(xiàn)圍成的面積。因此燃燒溫度區間溫速率和揮發(fā)分含量關(guān)系密切。隨著(zhù)升溫速率的廣,可燃質(zhì)含量大這部分面積自然就大。所以,增大,試驗特征溫度大幅度提高,爐膛內的溫度升升溫速率、揮發(fā)分含量、發(fā)熱量質(zhì)增大,它的面積高。這是因為升溫速率增大,試樣內部與外部溫都會(huì )增大,而與成型壓力無(wú)關(guān)度梯度增大揮發(fā)分揮發(fā)的程度也隨著(zhù)試樣的溫3.4傳統型煤與生物質(zhì)型煤的對比研究度梯度發(fā)生變化,內部的揮發(fā)分不能及時(shí)地充分與傳統型煤燃燒特征參數的對比如表5所揮發(fā),相同的溫度下,升溫速率高的,揮發(fā)分含量示。表中傳統型煤數據來(lái)自參考文獻[7];傳統型較小,滯后了著(zhù)火溫度,同時(shí)也延遲了其他的試驗煤和生物質(zhì)型煤的試驗特性參數均是試驗數據的特征溫度。也是這個(gè)原因,隨著(zhù)揮發(fā)分含量升高,平均值。試驗特征溫度降低。隨著(zhù)成型壓力增大,揮發(fā)分表5傳統型煤與生物質(zhì)型煤燃燒特征參數對比析出和燃燒結東時(shí)溫度T,和燃燒全過(guò)程溫度范Table 5 Combustion characteristic parameter compar圍T略有增大,這是因為成型壓力增大,試樣的between BCC and traditional briquette密度增大,結構變得緊密,導致?lián)]發(fā)分的析出及向T, T Tb V試樣內部傳遞熱量比較緩慢。發(fā)熱量對試驗特征煤型c℃C℃%溫度的影響不是很明顯。綜上所述,試驗特征溫傳統型煤28032534559631650度隨揮發(fā)分析出量的增大而降低。生物質(zhì)型煤230245260410179(2)燃燼率V。與揮發(fā)分含量和發(fā)熱量值關(guān)通過(guò)對傳統型煤和生物質(zhì)型煤熱重試驗數據系密切。燃燼率V。為實(shí)際燃燒物質(zhì)與可燃物質(zhì)的分析后發(fā)現:熱解和燃燒失重明顯地分為兩個(gè)的質(zhì)量比,燃燼率V∞隨著(zhù)揮發(fā)分含量和發(fā)熱量階段:第一個(gè)階段,傳統型煤在280~345℃之值增大而增大。揮發(fā)分含量增大和發(fā)熱量值增大間,生物質(zhì)型煤在230~260℃之間,這一階段主的共同點(diǎn)在于試樣的可燃質(zhì)含量增大。因此得到要是生物質(zhì)中纖維素和半纖維素熱裂解,煤和生結論:試樣的燃燼率隨著(zhù)可燃質(zhì)含量的增大而增物質(zhì)中的揮發(fā)分析出和燃燒階段;第二個(gè)階段,傳大。至于人們擔心的隨著(zhù)成型壓力增大會(huì )發(fā)生燒統型煤在345~596℃之間,生物質(zhì)型煤在260~不透的情況,在本試驗中沒(méi)有發(fā)生。這是因為成410℃之間。這一階段主要是生物質(zhì)型煤揮發(fā)分型壓力還不夠大及生物質(zhì)型煤燃燒時(shí)出現孔隙結析出后的焦炭燃燒階段。構的原因中國煤化工現以下幾個(gè)特(3)揮發(fā)分最大失重速率(dm/d)m僅與揮點(diǎn):CNMHG發(fā)分含量有關(guān)。揮發(fā)分含量大揮發(fā)分最大失重1)生物質(zhì)型煤著(zhù)火溫度較低。從數據比較速率(dm/dt)-也大。和文獻[8]實(shí)驗分析知生物質(zhì)型煤的著(zhù)火點(diǎn)處于6期陳華艷,等:生物質(zhì)型煤然燒特性·1285·生物質(zhì)和煤的著(zhù)火點(diǎn)之間,且隨著(zhù)生物質(zhì)加入量成型的生物質(zhì)型煤中,其組織結構保證了揮發(fā)分的增多,生物質(zhì)型煤點(diǎn)火溫度有降低的趨勢。煤的析出及向型煤內部傳遞熱量比較緩慢,揮發(fā)分的著(zhù)火點(diǎn)隨著(zhù)煤炭中揮發(fā)分的增多而降低,由于點(diǎn)火逐步進(jìn)行生物質(zhì)含有大量揮發(fā)分,而且生物質(zhì)著(zhù)火點(diǎn)低,所生物質(zhì)型煤燃燒溫度低,對于解決生物質(zhì)灰以生物質(zhì)的加入使生物質(zhì)型煤的著(zhù)火點(diǎn)降低。從分熔點(diǎn)低的不足很有幫助總體趨勢上分析,生物質(zhì)型煤的著(zhù)火溫度更趨向(3)雖然生物質(zhì)型煤燃燒時(shí)間短,但燃燼率于生物質(zhì)的著(zhù)火溫度。(V)卻提高了。生物質(zhì)型煤在燃燒過(guò)程中呈多生物質(zhì)型煤的著(zhù)火溫度低,可以讓鍋爐點(diǎn)火孔隙燃燒,傳熱傳質(zhì)好,保證了充分燃燒,因而不時(shí)不用耗用大量木柴引火并改善型煤著(zhù)火延遲會(huì )產(chǎn)生煤熱解過(guò)程中因為局部供氧不充分發(fā)生的現象。熱解析碳冒煙現象;生物質(zhì)型煤燃燼率高,灰渣中(2)生物質(zhì)型煤第一階段和第二階段的出現碳的含量也很低。均較傳統型煤的溫度低,但并沒(méi)有影響焦炭的燃(4)生物質(zhì)型煤燃燒產(chǎn)生的飛灰少。高壓成燒;而且從熱解開(kāi)始到燃燒結束,生物質(zhì)型煤溫度型的生物質(zhì)型煤將生物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的少量飛灰和范圍(T)僅是傳統型煤的一半,因此燃燒持續的原煤的煤灰緊緊地鎖在了型煤塊中。而高壓成型時(shí)間也縮短一半。分析其主要原因是:使燃燒的生物質(zhì)型煤如同一個(gè)立體的網(wǎng),不但不①生物質(zhì)型煤揮發(fā)分含量大。揮發(fā)物產(chǎn)率的會(huì )阻隔可燃物與氧氣的接觸,反而加強了氣體的高低是固體燃料著(zhù)火難易的關(guān)鍵,一般地說(shuō)固體流通,燃燼灰依然保持立體的網(wǎng)狀骨架結構,大大燃料的燃燒均是從揮發(fā)物的著(zhù)火燃燒開(kāi)始的。在改善了燃煤飛灰現象。在型煤鍋爐上的測試結果揮發(fā)物著(zhù)火燃燒以后,型煤碳粒能否著(zhù)火就主要也證實(shí)生物質(zhì)型煤燃燒產(chǎn)生的飛灰少取決于碳粒的表面溫度能否迅速提高以致加熱生物質(zhì)型煤燃燒充分,改善了型煤灰渣粘結然而,碳粒表面溫度的迅速提高又依賴(lài)于型煤揮成片造成通風(fēng)不良的情況發(fā)物燃燒后所放出的熱量來(lái)實(shí)現,即只有揮發(fā)物(5)生物質(zhì)型煤熱重曲線(xiàn)無(wú)表觀(guān)增重現象。產(chǎn)率足夠大時(shí),才會(huì )有足夠的燃燒熱量來(lái)加熱碳熱重曲線(xiàn)由于浮力影響導致的表觀(guān)增重現象,對粒,使其表面溫度急劇上升而達到著(zhù)火燃燒,從而于傳統型煤現象是很明顯的,但在生物質(zhì)型煤熱實(shí)現型煤的可靠著(zhù)火和穩定燃燒。重曲線(xiàn)上卻沒(méi)有表現。這是由于生物質(zhì)型煤揮發(fā)②生物質(zhì)型煤在燃燒過(guò)程中生物質(zhì)揮發(fā)分析分主要來(lái)自生物質(zhì),而生物質(zhì)揮發(fā)分揮發(fā)的溫度出,優(yōu)先著(zhù)火燃燒,并迅速燃盡,只殘留少量灰末,比較低。隨著(zhù)溫度的升高,已經(jīng)逐漸有揮發(fā)分開(kāi)使得生物質(zhì)燃料原占有的體積迅速縮小,在生物始揮發(fā)。再加上生物質(zhì)型煤從空氣中吸附的水分質(zhì)型煤體上出現無(wú)數孔道空隙,實(shí)心體變成多孔比傳統型煤多因此水分的蒸發(fā)較多。所以試樣體,有利于氧氣向型煤內部滲透;燃燒產(chǎn)物向型煤質(zhì)量的降低掩蓋了表觀(guān)增重現象外部擴散;保證點(diǎn)火能深入到型煤表層下一定深度,形成穩定的點(diǎn)火燃燒;增大了型煤與空氣的接4結論觸面積,加速傳熱傳質(zhì),加快煤的燃燒過(guò)程。與此(1)生物質(zhì)型煤燃燒特性?xún)?yōu)于傳統型煤的主同時(shí),生物質(zhì)型煤中的木質(zhì)素已全部炭化,煤也幾要原因為:生物質(zhì)型煤揮發(fā)分含量高成型壓力較乎全部焦化,生物質(zhì)不斷深入地帶動(dòng)其周?chē)固看蠹叭紵龝r(shí)可形成孔隙結構。更迅速燃燒。(2)生物質(zhì)型煤具有著(zhù)火點(diǎn)低、著(zhù)火性能好、③通常,為了使非生物質(zhì)型煤在燃燒過(guò)程中試驗特征溫度低、傳熱傳質(zhì)好、燃燼率高、燃燒效得以燒透,往往要控制型煤的成型壓力使其不超率高、燃燒時(shí)幾乎無(wú)冒黑煙現象、煙氣含塵量少、過(guò)某一個(gè)數值,以求型煤不要壓得過(guò)實(shí)而難燒?；以泻剂可?、熱重曲線(xiàn)無(wú)表觀(guān)增重現象等特然而,生物質(zhì)易燃燃點(diǎn)溫度低,與原煤的燃點(diǎn)溫點(diǎn)。度差距較大,因此要求生物質(zhì)在較低溫度、較短的中國煤化工很高:使劣質(zhì)燃燒時(shí)間內將原煤加熱到足夠高的燃燒溫度,并煤的CNMH變得更好燒放慢生物質(zhì)型煤受熱后揮發(fā)分的析出速度,因此相應擴入煤的迫用孢;初質(zhì)型煤的著(zhù)火需要生物質(zhì)和原煤“親密接觸”。在較高的壓力下溫度低,可以讓鍋爐點(diǎn)火時(shí)不用耗用大量木柴引1286·吉林大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)38喜火,并改善型煤著(zhù)火延遲現象;燃燒溫度低,可以[5] Maruyama T, Takemichi S. 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