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李美軍1，2，3
（1.煤科院節(jié)能技術有限公司，北京100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京100013；3.國家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術裝備重點實驗室，北京1000013）
摘要：可再生能源生物質清潔低碳、易于獲取、利于著火，含硫、氮量少且屬于碳中性物質，但其能量密度低。在煤粉中大比例摻混生物質（生物質/煤粉質量比大于5∶5）可有效改善煤粉著火特性，碳排放水平接近燃燒天然氣，且污染物排放顯著降低，進而達到節(jié)能減排目的。目前研究主要集中在低摻混比例（小于5∶5）下生物質與煤粉的混燃特性，針對北方常見的玉米秸稈、稻桿和玉米芯等生物質與煤粉在大摻混比例下的燃燒特性，尚有待深入。筆者利用熱重分析技術分別研究了煤粉與不同生物質種類（玉米秸稈、稻桿及玉米芯）在不同摻混比例下（5∶5、6∶4、7∶3和8∶2）的混燃特性，分析生物質種類和摻混比例對混合燃料的著火溫度、燃盡溫度、交互反應以及燃燒特性指數(shù)等的影響，確定了不同生物質的最佳摻混比例。結果表明：摻混比例對混合樣品失重曲線的影響從大到小依次為玉米秸稈、玉米芯和稻桿。隨摻混比例增加，第1階段最大質量變化速率逐漸增大且燃燒進程前移，第2階段則逐漸減小，這是由于揮發(fā)分相對增加且焦炭相對減少的原因?；旌蠘悠返闹饻囟群腿急M溫度比純煤粉分別下降約100和60℃。隨摻混比例的增加，玉米芯著火溫度逐漸減小，玉米秸稈和稻桿則先減小后增大，且均在7∶3時達到最小；燃盡溫度均呈現(xiàn)下降趨勢，下降幅度由大到小分別為玉米芯、稻桿和玉米秸稈。玉米秸稈和稻桿在8∶2時燃盡性能較差。混合樣品發(fā)生不同程度的交互作用，該交互作用正是生物質的促進和抑制的協(xié)同作用，使3種生物質均在5∶5時對煤粉燃燒抑制作用大；玉米秸稈和稻桿在7∶3時、玉米芯在6∶4、8∶2時促進作用大。同時，3種生物質的燃燒特性指數(shù)遠大于煤粉，隨摻混比例的增大，玉米芯的燃燒特性指數(shù)變化最大并在8∶2時達到最大值，6∶4和7∶3時幾乎相同；稻桿的變化最小且在7∶3時達到最大值；玉米秸稈在7∶3和8∶2時幾乎相同并達到最大值。小范圍改變摻混比例時，燃燒特性指數(shù)變化不大。這可能是由于燃燒特性指數(shù)不僅與著火溫度和燃盡溫度有關，還與樣品在其主要燃燒過程的反應速率有關，而煤粉在焦炭燃燒階段的反應劇烈程度高于生物質揮發(fā)分析出階段，使不同摻混比例的混合樣品出現(xiàn)以上現(xiàn)象。
0引言
生物質能源具有可再生、清潔低碳、易于獲取等優(yōu)點，被認為是全球繼石油、煤炭、天然氣之后的第四大能源[1]。2017年12月國家發(fā)改委、國家能源局聯(lián)合印發(fā)的«關于促進生物質能供熱發(fā)展的指導意見»（發(fā)改能源[2017]2123號）明確指出，生物質能供熱綠色低碳、經濟環(huán)保，是重要的清潔供熱方式[2]。我國生物質資源總量豐富，每年總量約4.6億t，但年利用率不足5%[3]。生物質與煤粉混燃，是一種綜合提高環(huán)境效益和經濟效益的能源利用方式[4]。生物質揮發(fā)分高（60%~90%）、熱解溫度低（250~350℃），且揮發(fā)分和內在水分析出后在碳粒內部形成的空隙度較大，有利于著火[5]；且生物質含硫、氮量少且屬碳中性物質，燃燒后SO2、NOx等污染物排放量少[6-8]，但其能量密度很低。在煤粉中大比例摻混生物質（大于5∶5）燃燒，可快速著火與增強火焰穩(wěn)定性，提高能量密度[9-11]，同時碳排放水平接近天然氣，污染物排放顯著降低。此外，針對生物質能源利用過程中存在堿結渣、腐蝕等問題，采用化學預處理、涂層[12-13]等方法可有效減輕其危害。以逆噴強旋流燃燒器為核心的高效煤粉工業(yè)鍋爐系統(tǒng)具有燃燒效率高、污染物排放低、即開即停等優(yōu)點，在該系統(tǒng)上進一步技術升級，研究煤粉大比例摻混生物質的混燃特性，既可擴大系統(tǒng)燃料適用性，又可達到清潔能源生產、節(jié)能減排的目的。
對于生物質與煤混燃燃燒特性的研究，常見的試驗方法是利用熱重分析技術，研究不同影響因素下混合燃料的著火特性、揮發(fā)分釋放特性、燃盡特性等[14-16]。其中摻混比例作為重要因素，直接決定混合燃料的物理性質及燃燒特性[17]。閔凡飛等[18]研究了不同變質程度煤（褐煤、煙煤和無煙煤）、生物質（小麥秸稈和玉米芯）以及不同摻混比例（1∶9、2∶8、3∶7和4∶6）下混合燃料的燃燒特性。
Edward等[19]、Luo等[20]研究表明，隨著生物質摻混比例的增大，著火溫度和燃盡溫度均降低。馬愛玲等[21]研究同樣表明摻混比例為2∶8、4∶6和6∶4時，煤的著火溫度降低，即生物質對煤的改善程度增大，并與摻混比例的變化呈正相關。黃海珍等[22]對無煙煤與玉米秸稈和木屑進行混燃特性試驗，研究表明煤燃燒集中于燃燒后期，而生物質燃燒集中于前期；且隨著生物質加入，煤的著火性能得到不同程度改善，并使燃燒過程有向低溫區(qū)移動的趨勢，混合燃燒對煤的燃盡性能影響很小。王春波等[23]研究了恒溫下不同生物質和煤粉在不同摻混比例（1∶9、2∶8和3∶7）下的混燃特性，表明摻混比例增大導致燃盡時刻提前，且生物質種類在反應初期對混合燃料燃燒特性的影響不大，含灰量高的生物質對混燃特性的改善作用隨摻混比例增大逐漸減弱。
雖然對煤粉和生物質混燃的著火特性已有很多研究成果，但多針對低摻混比例（小于5∶5）的工況，對于北方常見的玉米秸稈、稻桿和玉米芯等生物質與煤粉在大摻混比例（大于5∶5）的燃燒特性，還有待深入。本文利用熱重分析技術分別研究了煤粉與玉米秸稈、稻桿及玉米芯在不同摻混比例下的混燃特性，分析不同摻混比例對混合燃料的著火溫度、燃盡溫度、交互反應以及燃燒特性指數(shù)的影響，以期對生產實際中生物質煤粉混燃技術的優(yōu)化提供參考。
1試驗
1.1試驗樣品及工況
試驗樣品選用1種煤粉和3種生物質，分別為稻桿、玉米秸稈和玉米芯，其工業(yè)分析和元素分析見表1。3種生物質均經過破碎、研磨和篩分，選擇粒徑0.45mm以下的樣品備用。每種篩分好的生物質分別與煤粉按比例要求均勻混合，摻混比例（生物質質量/煤粉質量）分別為5∶5、6∶4、7∶3和8∶2，以及僅煤粉（0∶10）和僅生物質（10∶0）的工況，共計6種工況。
1.2試驗裝置
試驗采用德國NETZSCH公司綜合熱分析儀（STA449F1/F3），該熱重分析儀主要由加熱系統(tǒng)、高精度稱量系統(tǒng)、給氣系統(tǒng)、保護系統(tǒng)等組成。其溫度范圍是室溫~1450℃，溫度精度為±2℃，升溫速率為0.01~30℃/min。每種工況的樣品量為（13±0.5）mg，平鋪于氧化鋁坩堝中。反應過程為程序升溫，采用20℃/min升溫速率，從40℃升至800℃。試驗采用的保護氣為氮氣，爐內的氣氛為20%O2和80%N2的混合氣，氣體的總流量為50mL/min。為保證數(shù)據的可靠性和重復性，每個試驗工況均重復3~5次。
2結果與討論
2.1失重曲線
TG曲線表征樣品隨溫度變化其質量減少的變化規(guī)律；DTG曲線表征樣品隨溫度變化其瞬間失重速率的變化曲線，反映某一時刻樣品發(fā)生失重的劇烈程度。DTG曲線會至少出現(xiàn)1個燃燒高峰，即失重速率最大的點，該點對應的溫度越小、速率越大說明燃料的燃燒情況越好。
不同摻混比例的玉米秸稈、稻桿和玉米芯與煤粉摻混的TG和DTG曲線如圖1所示。純煤粉的燃燒失重存在1個明顯階段，對應在TG曲線上表現(xiàn)為1個失重臺階，在DTG曲線上表現(xiàn)為單峰，即固定碳的燃燒，溫度區(qū)間350~500℃。與此不同，純生物質燃燒失重存在2個階段，即TG曲線存在2個失重臺階，DTG曲線為雙峰。其中，第1階段主要是大量揮發(fā)分的析出和燃燒，溫度區(qū)間：玉米秸稈200~320℃、稻桿220~320℃、玉米芯220~330℃；第2個階段主要是固定碳的燃燒，溫度區(qū)間：玉米秸稈320~500℃、稻桿320~480℃、玉米芯330~500℃。由于生物質的固定碳含量小于揮發(fā)分，故該階段失重臺階和失重峰遠小于第1階段，其中玉米芯相差最大，這與表1的工業(yè)分析數(shù)值相符。
生物質和煤粉混燃后，由于生物質中揮發(fā)分含量多，煤粉固定碳含量多，二者混燃有利于前期著火及后期固定碳燃燒釋熱。混合樣品的失重曲線同樣表現(xiàn)為較明顯的2個階段，相較于純生物質，第1階段失重峰減小而第2階段增大。摻入生物質后，相較于純煤粉燃燒，TG和DTG曲線都向低溫區(qū)移動，最大失重峰發(fā)生的溫度提前，燃燒進程前移并加快。說明生物質的加入可以促進混合樣品中易燃物質的析出，改善燃燒的反應活性，提高燃燒速率并縮短燃燒時間。同時，摻混比例對混合樣品失重曲線的影響不同。以稻桿為例，隨摻混比例的減小，TG和DTG曲線的變化很小，混合樣品的失重特性更接近于生物質。影響從大到小依次為玉米秸稈、玉米芯和稻桿。隨摻混比例增加，第1階段最大質量變化速率逐漸增大，對應溫度逐漸下降，而第2階段最大質量變化速率逐漸減小，這是由于揮發(fā)分相對增加且焦炭相對減少導致的。對于玉米秸稈和稻桿，摻混比例為8∶2時，失重后的最終質量大于其他比例，燃盡性能較差。
2.2特征溫度
失重特征溫度主要包括著火溫度Ti和燃盡溫度Th。著火溫度直接反映樣品著火的難易程度，數(shù)值越小說明著火越容易，是衡量樣品著火特性的重要參數(shù)。采用TG-DTG外推法確定著火溫度。燃盡溫度代表燃燒后期樣品質量不再發(fā)生變化的起始溫度，燃盡溫度越低，表明樣品可以在較低的溫度下實現(xiàn)完全燃燒，采用樣品失重占總失重98%時對應的溫度為燃盡溫度。
不同摻混比例的玉米秸稈、稻桿和玉米芯與煤粉摻混后的著火溫度和燃盡溫度如圖2所示。3種生物質的著火溫度明顯低于煤粉，煤粉約380℃，玉米芯和稻桿約260℃，玉米秸稈約270℃。這是由于生物質粉中揮發(fā)分較高，在較低溫度下即可開始燃燒反應。煤粉加入大比例生物質粉后，混合樣品的著火溫度明顯下降約100℃，這是因高揮發(fā)分的生物質在燃燒初期析出大量揮發(fā)分并燃燒釋熱，為焦炭燃燒提供大量熱量，促進煤粉著火，使燃料著火向低溫區(qū)偏移，著火溫度降低；同時燃燒初期生物質釋放熱量后，焦炭的表面孔隙率增加，表面氧含量及后期焦炭與氧氣的接觸面積增大，使得煤粉燃燒更加充分，可見生物質加入對改善煤粉燃燒分布情況的影響很大。
此外，隨生物質摻混比例的增加，玉米芯著火溫度逐漸減小，玉米秸稈和稻桿則呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，且均在7∶3時達到最小。這是由于決定混合樣品燃燒特性的是生物質的促進和抑制2種作用的競爭關系[24]。其中，促進作用表現(xiàn)為揮發(fā)分高、燃點低的生物質粉先燃燒，提高燃燒初期局部溫度，促進煤粉的著火，并有利于后期固定碳燃燒；抑制作用表現(xiàn)在生物質粉先燃燒會消耗大量氧氣，導致煤粉燃燒處于欠氧狀態(tài)。2種作用相互協(xié)同，導致不同生物質在不同比例下的著火溫度變化規(guī)律不同。同時，煤粉的燃盡溫度約為520℃，而3種純生物質的燃盡溫度約比煤粉低100℃，表明純生物質的燃燒可以在較低溫度下燃盡，有利于穩(wěn)燃。加入生物質后，混合樣品的燃盡溫度下降約70℃，這從定量角度證明了生物質的加入使煤粉的燃燒進程加快。隨生物質摻混比例的增加，各種混合樣品的燃盡溫度整體均呈現(xiàn)下降趨勢，下降幅度由大到小分別為玉米芯、稻桿和玉米秸稈。
2.3交互反應
為探究不同生物質與煤粉混燃過程中是否發(fā)生交互作用，本文計算了不同摻混比例下混合樣品的理論失重曲線，公式如下：
混合樣品的實際失重曲線相比于理論疊加曲線有不同程度的偏離，說明混合樣品在熱重試驗中發(fā)生了不同程度的交互作用。該交互作用正是生物質的促進和抑制的協(xié)同作用[22]。對于玉米秸稈，6∶4、7∶3和8∶2時試驗和理論計算的最大質量變化速率幾乎相同，5∶5時試驗值明顯小于計算值，同時7∶3時實際著火和燃燒提前。對于稻桿，7∶3時試驗最大質量變化速率明顯大于計算值，且實際著火和燃燒提前。對于玉米芯，5∶5時試驗最大質量變化速率小于試驗值，且實際著火和燃燒推遲，其他摻混比例下實際著火與計算結果幾乎相同，且6∶4和8∶2時實際最大質量變化速率略大于計算值。以上結果表明，3種生物質與煤粉混合，在5∶5時生物質的抑制作用大于促進作用，不利于煤粉的燃燒。玉米秸稈和稻桿在7∶3時、玉米芯在6∶4和8∶2時促進作用大于抑制作用，燃燒特性更好。
2.4綜合燃燒特性指數(shù)
為全面評價各混合樣品的燃燒情況，計算了綜合燃燒特性指數(shù)S，該指標反映燃料著火和燃盡的綜合特性。S值越大，則認為燃料的燃燒特性最好。定義式如下：
3種生物質在不同摻混比例下的綜合燃燒特性指數(shù)如圖4所示。3種生物質的燃燒特性指數(shù)遠大于煤粉，其中玉米芯、玉米秸稈和稻桿的燃燒特性指數(shù)分別約為煤粉的9、6和5倍，說明生物質的燃燒活性遠大于煤粉。隨摻混比例的增大，不同生物質的S總體呈上升趨勢，但變化大小不同。其中玉米芯的變化最大，在8∶2時達到最大綜合燃燒指數(shù)，且6∶4和7∶3的綜合燃燒指數(shù)接近，即2種摻混比例對燃燒性能的影響接近。稻桿的變化最小，且在7∶3時達到最大值。玉米秸稈在7∶3和8∶2時幾乎相同并達到最大值。小范圍改變摻混比例時，燃燒特性指數(shù)變化不大。這可能是由于燃燒特性指數(shù)不僅與著火溫度和燃盡溫度有關，還與樣品在其主要燃燒過程的反應速率有關，而煤粉在焦炭燃燒階段的反應劇烈程度高于生物質揮發(fā)分析出階段，使不同摻混比例的混合樣品出現(xiàn)以上現(xiàn)象。
3結論
1）利用熱重分析技術，對玉米秸稈、稻桿和玉米芯等生物質與煤粉在大摻混比例（5∶5、6∶4、7∶3和8∶2）的燃燒特性進行了試驗測試。研究了生物質種類變化和摻混比例變化對混合樣品熱失重特性的影響，并計算和分析了混合樣品的燃燒特征參數(shù)和交互作用等。摻混比例對混合樣品失重曲線的影響從大到小依次為玉米秸稈、玉米芯和稻桿。隨摻混比例增加，第1階段最大失重速率逐漸增大且燃燒進程前移，第2階段則逐漸減小。玉米秸稈和稻桿在8∶2時燃盡性能較差。
2）混合樣品的著火溫度和燃盡溫度比純煤粉分別下降約100℃和60℃。隨摻混比例的增加，玉米芯著火溫度逐漸減小，玉米秸稈和稻桿則先減小后增大，且均在7∶3時達到最?。蝗急M溫度均呈現(xiàn)下降趨勢，下降幅度由大到小分別為玉米芯、稻桿和玉米秸稈。
3）混合樣品發(fā)生不同程度的交互作用，使3種生物質均在5∶5時對煤粉燃燒抑制作用大；玉米秸稈和稻桿在7∶3時、玉米芯在6∶4、8∶2時促進作用大。
4）3種生物質的燃燒特性指數(shù)遠大于煤粉，隨摻混比例的增大，玉米芯的燃燒特性指數(shù)變化最大并在8∶2時達到最大值，6∶4和7∶3時幾乎相同；稻桿的變化最小且在7∶3時達到最大值；玉米秸稈在7∶3和8∶2時幾乎相同并達到最大值。
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