王華山，孫環(huán)，王躍康，王春生，劉華

（燕山大學(xué)車輛與能源學(xué)院，河北秦皇島066000）

　　摘要：為緩解煤炭資源緊張，在煤中摻燒生物質(zhì)是一種很好的解決方式。本文利用綜合熱分析儀，在不同條件下，對煤（蘭炭、神府煙煤、大同無煙煤）和生物質(zhì)（大豆稈、小麥稈）以及二者混合物的燃燒過程進(jìn)行了實驗研究。結(jié)果表明：在一定范圍內(nèi)，隨著生物質(zhì)添加比例增大，蘭炭的燃燒特征溫度降低，綜合燃燒特性指數(shù)增大；當(dāng)生物質(zhì)添加比例為50%時，混合樣品的著火溫度基本接近生物質(zhì)的著火溫度；升溫速率增大，蘭炭與大豆稈的摻燒向高溫區(qū)移動，綜合燃燒特性指數(shù)和燃盡特性指數(shù)增大。該實驗結(jié)果對降低煤的著火溫度以及改善煤炭資源緊張?zhí)峁┝艘罁?jù)。

　　近年來，因電力需求急劇增加，煤炭相對短缺的現(xiàn)象非常嚴(yán)重^[1]。隨著我國能源緊張，煤炭價格上漲，蘭炭的生產(chǎn)受到越來越多的關(guān)注。蘭炭是煤轉(zhuǎn)換的產(chǎn)品，是無黏性或弱黏性的高揮發(fā)分煙煤在低溫條件下干餾熱解，得到的較低揮發(fā)分的固體炭制產(chǎn)品，具有固定碳高、電阻率高、化學(xué)活性高、灰分低、硫低、磷低、水分低等“三高四低”的優(yōu)點^[2]，可單獨(dú)作為大型煤粉鍋爐燃料或者摻燒燃料，但防結(jié)渣是需重點考慮的問題^[3-5]。生物質(zhì)與煤的摻混燃燒是生物質(zhì)能利用的一種重要方式^[6-7]，已經(jīng)引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。Edward Lester等^[8]研究了升溫速率對生物質(zhì)與煤摻混燃燒特性的影響。

　　高佳佳等^[9]對新型低煤分生物質(zhì)混合燃料進(jìn)行實驗研究，結(jié)果表明摻混可以改善燃料的燃燒、燃盡及污染物的排放特性。馬愛玲等^[10]對生物質(zhì)、煤單燒及混燒進(jìn)行了熱重分析。王曉鋼等^[11]對冷壓成型麥稈與煤混燒進(jìn)行了研究。杜一帆等^[12]研究了稻殼與不同煤種混燃的燃燒特性。

　　本文利用綜合熱分析儀，在考慮生物質(zhì)種類和生物質(zhì)比例對煤燃燒特性影響的基礎(chǔ)上，重點對蘭炭與大豆稈的摻混燃燒特性進(jìn)行研究。

　　1實驗裝置與方法

　　1.1實驗裝置

　　本文對蘭炭、神府煙煤以及大同無煙煤3種煤，小麥稈、大豆稈2種生物質(zhì)進(jìn)行實驗研究，其工業(yè)分析見表1。

　　實驗樣品的制備主要經(jīng)過破碎、研磨和篩分3個過程。首先將樣品敲碎成粒徑小于1cm；然后用小型粉碎機(jī)對其進(jìn)行粉碎，得到粉狀樣品；最后用孔徑200μm的標(biāo)準(zhǔn)試驗篩對得到的粉狀樣品進(jìn)行篩分，取粒徑小于200μm的樣品進(jìn)行實驗研究。

　　綜合熱分析儀將熱重分析和差熱分析合為一體，可以在1次實驗中同步得到被測物質(zhì)的熱重信息和差熱信息。每次實驗樣品的質(zhì)量控制在（10±0.5）mg。實驗氣氛為空氣，氣體壓力為0.1MPa，流量為40mL/min。通常情況下，以20℃/min的升溫速率由室溫升至1000℃。

　　1.2實驗方法

　　采用TG-DTG聯(lián)合定義法^[13-15]確定一些特征參數(shù)。著火溫度定義如圖1所示。過DTG曲線的極值點A作垂線與TG曲線交于點B，過點B作TG曲線的切線L1，該切線與失重開始時平行線L2的交點i所對應(yīng)的溫度為著火溫度。若DTG曲線有多個峰值，過第1個峰作垂線與TG曲線的交點來確定。燃盡溫度指切線L1與TG曲線上燃燒結(jié)束后的水平線L3的交點h所對應(yīng)的溫度。最大燃燒速率溫度即為點A所對應(yīng)橫坐標(biāo)的溫度。最大燃燒失重率為點A的縱坐標(biāo)所對應(yīng)的值。

　　2實驗結(jié)果與分析

　　2.1煤和生物質(zhì)單獨(dú)燃燒過程

　　煤和生物質(zhì)單獨(dú)燃燒的TG、DTG曲線如圖2、圖3所示。

　　由圖2可以看出：煤的燃燒過程基本分為失水干燥、揮發(fā)分析出及固定碳燃燒兩個階段，由于固定碳含量高于揮發(fā)分的含量，揮發(fā)分的析出伴隨著焦炭的燃燒，因此在DTG曲線看到一個明顯的峰；神府煙煤的峰值溫度比蘭炭和大同無煙煤要低150℃左右；蘭炭與大同無煙煤的燃燒趨勢相似，大同無煙煤的最大燃燒速率最大。

　　由圖3可以看出：生物質(zhì)的燃燒過程分為失水干燥、生物質(zhì)中的纖維素木質(zhì)素裂解以及揮發(fā)分釋放燃燒、焦炭燃燒3個階段；生物質(zhì)中固定碳的含量比揮發(fā)分少，2種生物質(zhì)的第2個峰值比第1個峰值小；小麥稈的揮發(fā)分比大豆稈的大，所以其第1個峰值也較大。

　　3種煤和2種生物質(zhì)單獨(dú)燃燒時的燃燒特性參數(shù)見表2。

　　由表2可知：生物質(zhì)的著火溫度比煤低159~290℃，這是因為生物質(zhì)的揮發(fā)分比較多，易燃；生物質(zhì)的著火特性指數(shù)比煤高一個數(shù)量級，燃盡特性指數(shù)是煤的2倍左右；小麥稈的綜合燃燒特性指數(shù)非常高；小麥稈的最大反應(yīng)速率最大，大豆稈、神府煙煤、大同無煙煤比較接近，蘭炭最低；神府煙煤比蘭炭、大同無煙煤的燃燒性能更好。

　　2.2煤種對燃燒過程的影響

　　用大豆稈分別與蘭炭、大同無煙煤和神府煙煤按2:8的比例混合燃燒。在升溫速率為20℃/min，氧體積分?jǐn)?shù)為21%的條件下，3種煤與大豆稈摻燒的TG-DTG曲線如圖4所示。

　　從圖4可以看出：摻混燃燒有2個明顯的峰，在320℃左右出現(xiàn)了第1個峰，這個峰的出現(xiàn)是由于生物質(zhì)的揮發(fā)分析出；另一個峰是固定碳的燃燒過程，與煤單獨(dú)燃燒時的峰值相差不大，峰值大小取決于煤中固定碳的含量。

　　3種煤與大豆稈摻燒的燃燒特性參數(shù)見表3。

　　對比表3與表2可見：煤與大豆稈摻燒的著火溫度比煤單獨(dú)燃燒時明顯降低，接近大豆稈的著火溫度；煤與大豆稈摻燒的燃盡溫度、最大反應(yīng)速率溫度比煤單獨(dú)燃燒時降低，綜合燃燒特性指數(shù)有所增加，說明摻混生物質(zhì)利于燃燒；摻燒的燃盡特性指數(shù)稍有降低，說明摻燒后需要注意燃盡問題。

　　2.3生物質(zhì)對燃燒過程的影響

　　蘭炭分別與大豆稈、小麥稈按8:2進(jìn)行混合。在其他條件不變的情況下，探究生物質(zhì)的種類對蘭炭燃燒的影響。蘭炭與2種生物質(zhì)摻燒的TG-DTG曲線如圖5所示，摻燒特性參數(shù)見表4。由圖5可以看出：對于生物質(zhì)而言，加入蘭炭之后，TG曲線向高溫區(qū)偏移；DTG曲線的波峰也有了很大的變化，第1個波峰明顯低于第2個波峰，這是因為生物質(zhì)的含量較少，所以其揮發(fā)分燃燒占的比例較小；第2個波峰表示蘭炭的揮發(fā)分和焦炭的含量。

　　對比表4與表2可見：摻混燃燒時著火溫度相比蘭炭單獨(dú)燃燒時降低了很多；但比大豆稈和小麥稈單獨(dú)燃燒時的著火溫度要高一些，其中小麥和蘭炭摻燒的著火溫度更接近小麥單獨(dú)燃燒的著火溫度；燃盡溫度比煤單獨(dú)燃燒的燃盡溫度低；綜合燃燒特性指數(shù)比蘭炭單獨(dú)燃燒高很多，但比生物質(zhì)單獨(dú)燃燒低；燃盡特性指數(shù)和蘭炭單獨(dú)燃燒相近。

　　2.4生物質(zhì)添加比例對燃燒過程的影響

　　其他條件不變，大豆稈的添加比例為10%、20%、30%、40%、50%時，摻混燃燒的TG-DTG曲線如圖6所示。

　　由圖6可以看出：隨著大豆稈比例的增加，TG曲線向低溫方向移動；DTG曲線上有很明顯的2個波峰。第1個波峰是隨著摻燒比例增加，峰值變大，因為大豆稈揮發(fā)分的比重變大；第2個峰值則隨著大豆稈比例的增加變小，因為蘭炭的含量降低，固定碳所占的比例降低。

　　不同比例大豆稈和蘭炭摻燒的燃燒特性參數(shù)對比如圖7所示。從圖7可以看出：摻燒的著火溫度、燃盡溫度、最大燃燒速率溫度均較單獨(dú)燃燒時有所降低，但最大燃燒速率溫度和燃盡溫度降低幅度不大，與加入大豆稈的比例基本上成正比降低；當(dāng)摻燒比例大于50%時，混合樣品的著火溫度接近大豆稈的著火溫度；隨著大豆稈比例的增加，綜合燃燒特性指數(shù)增大；當(dāng)摻燒比例低于40%時，燃盡指數(shù)低于蘭炭單獨(dú)燃燒，大于40%時，燃盡指數(shù)大于蘭炭燃盡指數(shù)，表明大豆稈和蘭炭的摻燒可能會產(chǎn)生某種不易燃盡的物質(zhì)；隨著摻燒比例的增加最大反應(yīng)速率溫度降低，最大反應(yīng)時間點提前。

　　2.5升溫速率對燃燒過程的影響

　　以蘭炭、大豆稈（8:2）為例，其他條件不變，升溫速率為10、15、20、40℃/min時蘭炭和大豆稈混燃特性的TG-DTG曲線如圖8所示。由圖8可以看出，隨著升溫速率的增大，燃燒反應(yīng)的TG曲線向溫度高的方向偏移，DTG曲線上每個峰的峰值變大。因為升溫速率增大，達(dá)到相同的溫度，所需要的時間變短，樣品中的成分（水分、灰分、固定碳等）在達(dá)到析出的時間或燃燒溫度之前來不及揮發(fā)，而在較短的時間內(nèi)集中析出，所以燃燒速率變快，峰值變大。

　　不同升溫速率燃燒特性參數(shù)對比如圖9所示。由圖9可以看出：隨著升溫速率的增大，著火溫度、燃盡溫度和最大燃燒速率溫度都升高，說明反應(yīng)向高溫區(qū)域移動；當(dāng)升溫速率達(dá)到40℃/min時，溫度增加的比例較大；升溫速率增大，綜合燃燒特性指數(shù)增大，當(dāng)升溫速率大于20℃/min時，綜合燃燒特性指數(shù)基本上穩(wěn)定；燃盡指數(shù)大致隨著升溫速率增大呈線性增加，說明升溫速率有利于混合物質(zhì)的燃盡，提高燃燒速率。

　　3結(jié)論

　　1）生物質(zhì)的燃燒過程和煤的燃燒過程有所差別，生物質(zhì)的著火溫度比煤低150~290℃，燃盡特性指數(shù)、綜合燃燒特性指數(shù)較高。

　　2）3種煤中加入生物質(zhì)后，煤的燃燒特性參數(shù)變化趨勢一致，但是對不同的煤種，燃燒特性參數(shù)的變化量不同。蘭炭中加入大豆稈后，比蘭炭單獨(dú)燃燒時，著火溫度降低了253.4℃，綜合燃燒特性指數(shù)增加了4.71×10^-7。添加生物質(zhì)后，混合樣品的著火溫度接近生物質(zhì)的著火溫度。煤中固定碳的含量越大，煤的綜合燃燒性能改善得越多。

　　3）隨著生物質(zhì)摻入比例的增大，蘭炭和大豆摻燒的著火溫度、燃盡溫度降低，綜合燃燒特性指數(shù)、燃盡特性指數(shù)升高，整個反應(yīng)的燃燒向低溫區(qū)移動，改善了蘭炭的燃燒特性。

　　4）綜合各燃燒特性指數(shù)來看，蘭炭中添加生物質(zhì)的比例為20%較好。隨著升溫速率增大，反應(yīng)向高溫區(qū)偏移，反應(yīng)速率增大，但是升溫速率不宜過大，升溫速率為20℃/min時比較適宜。