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郭建忠，李鵬飛
（陜西榆林凱越煤化有限責任公司，陜西榆林719000）
摘要：全球生態環境因為化石燃料的燃燒而遭到嚴重的破壞，并且這一問題變得越來越突出。我們迫切需要化石燃料的潔凈燃燒，尤其是煤炭的潔凈燃燒，實現能源利用的可持續發展。冬季在我國的北方地區，有大量燃燒秸稈的現象，產生的空氣懸浮顆粒會加劇空氣的二次污染。文章重點研究了國內大量存在的生物質楊木和秸稈煤炭復合燃料動力學相關特征，分析其應用于實際鍋爐利用的可能性。
引言
近年來，可再生能源因其靈活性好、燃燒效率高、傳熱性高和NOx、SOx、CO2排放量低而廣泛獲得關注。生物質可以轉化成能量，這被認為是潛在的可再生能源[1]。生物質的主要的應用是使用鍋爐單獨燃燒或與煤聯合燃燒。在我國的北方地區，秸稈燃燒排放大量污染物，導致霧霾等嚴重空氣污染過程的發生或加強。國家已制定了禁燒的相關法案，但目前尚無有效替代燃燒處理秸稈的方法，不少地區燃燒仍很普遍。因此，有必要進一步探討解決秸稈燃燒污染效應的其他途徑[2]。因此，秸稈作為生物質煤炭復合被視為混燒過程的一種備選方案。文獻[3]指出，在我國的大環境下生物質成型燃料與煤炭價格的比價，表明生物質的合理利用可促進兩者比價的合理化，生物質完全取代煤炭是很難實現的，混合使用可更好的提高其燃燒效率。同時，混燒生物質與煤可以更好的克服并解決個別缺陷樣品，如含有高揮發分的生物量和高硫分高灰分的煤[4]。除此之外，混合后由于灰分的存在，會有協同作用的效果。富碳材料的熱化學設施工業發展的轉換主要需要全面的燃燒參數數據及其對過程動力學的影響。在這種情況下，熱分析方法如熱重量分析法（TG）、微分熱重量分析法（DTG）、示差熱分析（DTA）、差示掃描量熱法（DSC），傅里葉變換紅外光譜與熱重聯用（TG-FTIR）和熱重質譜聯用（TG-MS）技術被以日℃增長的用于評價和表征化石燃料和可再生能源，并作為一種測定燃燒特性及動力學參數的重要手段[5]。
不同的生物質和生物質混合燃料通過熱分析技術對其點火和燃燒行為進行了研究。點火研究的結果顯示點火溫度的降低，粒徑也隨之減小。不同的煤，生物質和污水污泥樣本顯示兩個不同溫度階段即燃燒和氣化階段[6]。生物質煤炭復合燃料有三個不同階段，稱為水分損失，熱解和燃燒。在混合燃燒過程中，使用TG-FTIR和TG-MS設備實時監測主要的氣態污染物CO、CO2，CH4，NO和SO2釋放。另外，從活化能角度，使用不同的方法進行動力學研究。
在這項研究中，使用熱重分析（TG-DTG）技術在空氣環境下研究了煤（原始煤和潔凈煤）和兩個生物質樣品（楊木和秸稈）及其混合物的燃燒特性。本研究的主要目的是研究生物質煤炭復合燃料燃燒特性和動力學特征。該研究還產生了生物質煤炭復合燃料燃燒適用性的數據。除此之外，這些結果可以有助于更好地了解生物質煤炭復合燃料燃燒特征的系統要求。
1試驗
在這項研究中，使用了兩種不同的生物質樣品（楊木和秸稈）和煙煤（原始煤和潔凈煤）。所有樣品均按照ASTM標準進行制備。煤和生物質分別以不同的重量（0，25，50，75和100wt％）共混。煤和生物質樣品的最終分析見表1。
實驗使用熱分析儀（TG-DTG）進行研究。在所有進行的實驗中，從環境溫度升高至95℃使用50mL/min的空氣流速和20℃/min的加熱速率。在實驗之前，將約10mg的樣品平坦地分散在坩堝上。使用少量的樣品來避免傳熱限制并最小化傳質效應。進行了兩次實驗以測試重復性，并且觀察到±1℃的標準誤差具有良好的一致性。
2實驗結果及分析
煤炭生物質復合燃料是使用可再生燃料的有希望的短期選擇之一，這提供了額外的環境優勢。理論上，當煤-生物質混合物經受熱時，它們遵循平行和連續的反應并經歷永久的分子變化。這種變化的程度取決于反應環境的分子結構的復雜性[7]。
可以使用從熱重分析（TG-DTG）獲得的樣品的燃燒特性來有效地比較燃燒器中煤，生物質及其混合物的反應性和燃燒特性。
燃料的近似和最終分析結果如表1所示。可以看出，與原煤相比，生物質樣品的碳，氫和氧濃度較高，這也導致較高的發熱量。一方面，除了發熱量之外；與生物質樣品相比，潔凈煤的碳，氫和氧濃度顯著變化。所有樣品的硫含量非常低；表明SOx排放量是燃燒過程中可以忽略。另一方面，生物質樣品中較高的氧含量表明比原始煤和潔凈煤具有更高的熱反應性[8]。
圖1和2提出了煤的質量損失和衍生特征；生物質及其混合物在空氣下分別以20℃/min進行試驗。在所有研究的樣品中，初始質量損失階段發生在室溫至110℃階段，水分蒸發取決于樣品性質。在這個初始質量損失階段之后，生物質樣品中觀察到兩個階段的質量損失，而原始煤和潔凈煤樣品只有一個階段。生物質樣品的第二階段是由于半纖維素，纖維素和木質素的分解，而第三階段是燃燒更復雜，主要為熱穩定結構和炭氧化。在原始和潔凈的煤樣中觀察到的主要質量損失階段是二氧化碳和氫氣釋放的初級碳化階段。在煤-生物質混合物的情況下，觀察到三個不同階段的質量損失。如預期，經過水分運轉，由于生物量燃燒，發生了兩個連續的階段，這取決于混合比（25，50和75wt％），而最后一個階段主要是由于煤的燃燒。取決于混合濃度，這一階段生物質含量導致了質量損失。一般來說，共混物的曲線峰值位于各種燃料（原始和潔凈的煤和生物質樣品）之間。
表2顯示了煤和生物質樣品的溫度范圍，峰值溫度，質量損失，殘留和質量損失率。樣品的主要特征來自TG-DTG曲線，如To（初始溫度），Tf（最終或燃燒溫度），Tp（峰值溫度），反應區域和相應的質量損失值用于定義煤、生物質和其混合物的熱行為和燃燒特性。觀察到潔凈煤的主燃燒階段的反應區域，峰值溫度和質量損失值較高，而剩余殘留物則低于預期值。對于秸稈，每個階段的質量損失都高于白楊木。
表3和表4顯示了生物質煤炭復合燃料的溫度范圍，峰值溫度，質量損失，殘留物和質量損失率（25，50和75wt％）。
在生物質樣品和原始潔凈煤混合物的情況下，主要觀察到，隨著生物質含量的增加，第一階段質量損失增加，而第二階段質量損失隨著生物質含量的增加而降低。
隨著生物質含量的增加，第一階段生物質含量的增加主要是由于生物質樣品的揮發物含量較高。類似地，隨著煤含量的增加，第二階段的較高的質量損失可能是由于煤樣中焦炭含量較高。還觀察到，隨著混合物中生物質含量的增加，相應的燃盡溫度由于煤樣的燃燒溫度較高而降低。混合物燃燒溫度較低的另一個參數是生物質樣品揮發物含量較高。
從TG-DTG曲線得到的另一個參數是與樣品的反應性成正比的最大質量損失速率。在生物質煤炭復合燃料（25，50和75wt％）中，觀察到隨著煤-生物質共混物中生物量的百分比增加，最大質量損失率增加，表明樣品的反應性更高。另一方面，潔凈煤和楊木的質量損失率較高，表明在較低溫度下可以提前完成燃燒。從殘留物的觀點來看，觀察到隨著共混物中生物量的增加，殘留量在燃燒過程的最后階段降低。最后，為了評估煤樣的點火和燃燒性能，還使用下述方法計算點火指數（D），燃燒指數（S）和反應性（R）方程式：
還觀察到共混物的燃燒指數值隨著共混物中生物量比的增加而略微增加，這與潔凈煤的混合物更可觀察到（表2-4)。可以得出結論，煤樣（低階煤)的燃燒行為可以通過不同的生物量添加來改善。
3結束語
在空氣條件下，水分損失階段后，生物質TG-DTG曲線代表兩個階段的質量損失，而原始和潔凈煤樣品分別只有一個階段，在生物質煤炭燃料中，觀察到三種不同階段的質量損失。共混物的 TG-DTG曲線位于原始清潔煤和生物質樣品之間，潔凈渠樣品的反應區域，峰值溫度和質量損失值較高。每個階段的秸稈質量損失高于楊木。另一方面，共混物的燃燒指數值隨著生物質比例的增加而略有增加。經試驗研究表明，煤粉和生物質復合可充分填充分子間空隙，使其燃燒更充分，增加其熱值。
參考文獻
[1]王晶晶,劉海玉,徐樑,等.生物質和煤炭化過程中的介電性能研究[J].科學技術與工程.2016,(14).DOI:10.3969/j.issn.1671-1815.2016.14.033.
[2]趙培濤,葛仕福,張長飛,等.污泥及秸稈生物質固體燃料制備中試工藝及燃燒特性[J].農業工程學報.2012,(9).DOI:10.3969/j.issn.1002-6819.2012.09.028.
[3]楊鸝,馬中.我國生物質成型燃料與煤炭價格的合理比價關系研究[J].經濟問題探索.2013,(9).DOI:10.3969/j.issn.1006-2912.2013.09.002.
[4]王霞.煤/生物質共氣化過程中生物質熱解揮發分與煤焦相互作用的研究[J].太原理工大學.2016.
[5]夏光璧.添加生物質炭對煤氣化反應特性影響研究[J].南京師范大學.2015.
[6]歐鳳林.褐煤與生物質在CO2氣氛下共氣化過程特性的研究[J].長沙理工大學.2015.
[7]孫云娟.生物質與煤共熱解氣化行為特性及動力學研究[J].中國林業科學研究院.2013.
[8]焦李.脫水污泥/生物質共熱解特性研究[J].華中科技大學.2013.
[9]趙淑蘅.生物質與煤炭共熱解特性及協同作用的研究[J].中國林業科學研究院.2012.
[10]馬愛玲.生物質與煤混合燃燒特性的研究[J].河南理工大學.2010.
[11]尚琳琳.生物質與煤混合熱解特性及硫污染物析出特性研究[J].山東大學.2007.DOI:10.7666/d.y1271309.
[12]戴惠玉.生物質與煤混合燃燒特性及動力學分析[D].2013.
[13]王健.平朔煤與生物質共燃燒實驗研究[D].2013.
[14]何方.生物質復合型煤的研制及其燃燒、污染特性研究[D].2001. |
