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馬輝1,2，汪潮洋1,2，韓輝3，楊先亮3，秦志明3，雷鳴3，張磊3，賈永會1,2
（1.國網河北能源技術服務有限公司，河北石家莊050000；2.國網河北省電力有限公司電力科學研究院，河北石家莊050000；3.華北電力大學能源動力與機械工程學院，河北保定071003）
摘要：采用熱重分析法研究了煤和污泥、秸稈、藥渣3種生物質摻燒時的燃燒特性。結果表明：煤在燃燒過程中僅有1個明顯的失重峰，為揮發分和焦炭同時燃燒形成；而污泥、秸稈和藥渣均有3個明顯的失重峰，其中第1個峰是水分析出引起，第2個峰為揮發分的析出與燃燒階段，第3個峰為固定碳的燃燒階段；秸稈揮發分和固定碳燃燒對應的失重峰相鄰較近，而污泥和藥渣對應的2個失重峰相距較遠，因此秸稈的揮發分和固定碳在燃燒過程中的相互作用更強一些，而污泥和藥渣的揮發分和固定碳的相互作用較弱；煤與各生物質摻燒時，秸稈的摻混改善了煤的著火性能和綜合燃燒特性，而污泥燃燒特性較差，摻混比例超過20%不利于混合物的著火與燃燒，藥渣的摻混使混合物的燃燒和著火性能降低。
生物質燃料均具有水分和揮發分含量高但發熱量低的特點，因此生物質單獨燃燒經濟性較低[1]。將煤與生物質混合摻燒，可在降低電廠燃料成本的同時，解決污泥、秸稈和藥渣等固體廢棄物的處理問題。
李洋洋等[2]通過熱重分析法研究了煤摻燒不同比例干污泥的燃燒特性，研究表明混合燃燒時，隨著干污泥摻燒比例的增加，混合樣的揮發分失重速率峰值增大，失重速率峰出現的時間提前，出現時的溫度降低。唐子君等[3]研究表明升溫速率提高有助于污泥的快速處理及熱能的利用，但總失重率較小，減量化較差。Niu等人[4]在城市污水污泥與煙煤共燃特性研究中表明，隨著污泥配比和升溫速率的增加，混合物的著火燃盡指標均有所提高。傅杰文等[5]研究表明氧濃度增加，污泥與煤混合樣的燃燒速率增大，燃燒更加劇烈。莊修政等[6]研究表明污泥經過水熱處理后其有機結構和燃燒行為均提升至與煤相似的水平，相比于中高階煤而言，低階煤的主要燃燒區間與水熱污泥相近，因而在混燃過程中的協同作用最為明顯。武宏香等[7]通過熱天平分析裝置對城市污水污泥、煤及木屑單獨或混合燃料的燃燒行為進行研究，結果表明污泥單獨燃燒性能較差，加入煤或木屑后能明顯改善其燃燒性能，縮短燃燒溫度范圍，提高燃燒速率，降低灰分產率，但同時使揮發分與固定碳燃燒的活化能增加，燃燒對溫度的敏感度增加。
Liao等人[8]研究表明生物質與煤泥在共燃過程中存在顯著的相互作用，且不同溫度區間、不同摻混比例下所表現的相互作用不同。Rago等人[9]研究了碳化生物質-塑料廢物與煤共燃時的協同作用，研究表明廢料類型和廢混料共燒過程中的相互作用影響了廢焦與煤共燒過程中的協同作用。
本實驗采用熱重分析方法對煤與污泥、秸稈、藥渣3種生物質摻燒的失重過程進行分析，確定各樣品的燃燒特性參數，對其進行燃燒特性分析，為生物質與煤在燃煤電廠應用時的摻混燃燒提供理論依據。
1實驗部分
1.1工業分析與元素分析
實驗用污泥（WN）樣品來自污水處理廠的脫水污泥，秸稈（JG）為水稻秸稈，藥渣（YZ）為中藥材提取有效成分后所剩的菌絲渣，其工業分析和元素分析見表1。
由表1可見：貧煤（PM）與各生物質之間的煤質特性差異較大，煤具有高固定碳、高熱值和低揮發分的特點；污泥與藥渣的煤質特性較為相近，灰分含量和揮發分含量均較高，固定碳含量低，熱值低；秸稈揮發分含量高，灰分含量低，熱值較污泥和藥渣偏高；各生物質的氫和氧含量偏高，秸稈和污泥硫含量較低，而藥渣硫含量偏高，與煤的硫含量相同。
原煤、污泥、秸稈和藥渣經破碎和研磨后，篩取粒徑75~96μm的樣品。由于生物質發熱量低，與煤混合后的混合灰樣的灰熔融溫度降低而導致結渣[10-12]等問題，使得在電廠實際運行過程中，不會摻燒過高比例的生物質。因此，將污泥、秸稈和藥渣均分別按10%、20%和30%的質量分數與煤進行摻混[1]。
實驗采用日本日立公司的TG/DTA7300熱重-差熱綜合熱分析儀，取10mg左右樣品放入坩堝內，氣體流量為100mL/min，氣氛為空氣，升溫區間為從室溫至1000℃，升溫速率為20℃/min。
1.2燃燒特性參數
本文采用TG-DTG法確定著火溫度[13-14]，燃盡溫度Th為樣品失重占總失重98%時所對應的溫度。著火溫度只能反映燃燒初期的反應能力，不能概括整個燃燒過程，因此還需要根據可燃性指數C、綜合燃燒特性指數S來綜合評價各樣品的著火難易程度和燃燒性能的優劣。
可燃性指數C可反應樣品點燃的難易程度，可燃性指數越大，燃料的燃燒和著火穩定性越好[17]。
2結果分析
2.1煤及秸稈等生物質的單一燃燒特性
圖1為煤和秸稈等生物質單獨燃燒的TG、DTG曲線。由圖1可以看出：4種樣品在超過800℃時已基本燃盡，其中秸稈的總失重量最大，其次為煤、藥渣、污泥，該結果與表1中工業分析結果一致；煤只有1個明顯的失重峰，而秸稈、污泥和藥渣均有多個失重峰。
因為原煤為貧煤屬于劣質煤，著火時為非均相著火，揮發分和焦炭同時燃燒，因此僅在400~650℃出現了1個明顯的失重峰，對應的峰值溫度為517℃，由于固定碳燃燒較為緩慢，故煤的失重峰呈低且寬的形狀。此外，煤粉在升溫初期出現了輕微的表觀增重現象，這主要是因為其對氧的物理及化學吸附作用。秸稈、污泥和藥渣的燃燒過程均出現了3個失重峰，第1個失重峰是由于水分的析出引起；第2個峰分別出現在270、320、230℃附近，為揮發分的析出與燃燒階段；第3個峰分別出現在360、740、770℃附近，為固定碳的燃燒階段。而藥渣除了3個主要的失重峰外，在320~675℃有幾個較小的失重峰，各峰之間沒有明顯的界限。這可能與藥渣自身各物質成分的析出燃燒溫度不同有關。
污泥和藥渣的固定碳燃燒階段溫度區間基本一致。秸稈、污泥、藥渣三者揮發分析出燃燒階段的失重峰均高于固定碳燃燒階段的失重峰，揮發分的燃燒速度比固定碳燃燒速度快。秸稈的揮發分與固定碳燃燒的失重峰溫度區間較為接近，二者在燃燒過程中相互作用更加明顯，而污泥、藥渣的揮發分與固定碳燃燒的失重峰溫度區間相距較遠，二者在燃燒過程中的相互作用會弱一些。
表2為煤與各生物質的燃燒特性參數。由表2可知：煤粉的著火溫度最高，生物質的著火溫度均低于煤粉的著火溫度，藥渣的燃盡溫度最高；秸稈的最大燃燒速率和平均燃燒速率均為最大，而污泥和藥渣的燃燒速率比煤粉的小；生物質的可燃性指數和綜合燃燒特性指數均大于煤粉的對應指數，其中秸稈所對應的各燃燒特性參數最大。
2.2煤、秸稈混合
圖2為煤和秸稈摻混燃燒的TG、DTG曲線。
由圖2的TG曲線可以看出，混合物的失重曲線介于秸稈與煤單獨樣品TG曲線之間，秸稈在較低的摻混比例時，燃燒后期的TG曲線與煤單獨燃燒的TG曲線基本一致，由于秸稈的灰分較小，隨著秸稈摻混比例的增加，混合物總失重量逐漸增大。
當秸稈摻入煤粉后，摻混樣品在300℃左右出現第1個失重峰，而且隨著摻混比例的增加，其失重速率不斷增大。主要原因是，秸稈反應活性高，溫度升高后其首先著火燃燒，而且摻混量越多，其燃燒速率越快，導致失重峰值逐漸升高。在燃燒后期，隨著秸稈摻混量的增加對煤焦的燃燒影響較大，代表煤焦燃燒過程的第2失重峰峰值減小，峰寬變窄，且有著向低溫端移動的趨勢。混合物中揮發分的析出燃燒改善了煤的燃燒，使其燃燒提前。
表3為煤與秸稈摻混樣品的燃燒特性參數。由表3可見：隨秸稈摻混比例的增大，混合物的著火溫度和燃盡溫度減小，平均燃燒速率增大，但最大燃燒速率減小；可燃性指數與綜合燃燒指數均未隨秸稈的摻混比例線性變化，秸稈摻混比例為30%時，混合物可燃性指數與綜合燃燒指數為秸稈摻混比例10%時的將近4倍，這是由于秸稈含量較高時揮發分的析出使混合物著火性能和綜合燃燒特性有較大改善。
2.3煤、污泥混合
圖3為煤和污泥摻混燃燒的TG、DTG曲線。由圖3可見：摻混樣品的失重曲線介于污泥與煤單獨樣品TG曲線之間，由于污泥的灰分含量較高，隨著污泥摻混比例的增加，混合物總失重量逐漸減少；當污泥摻混量為10%時，混合物有一大一小2個失重峰，較高的失重峰的溫度區間與煤粉單獨燃燒熱重曲線的溫度區間相近，說明該區間處以煤粉的燃燒為主，水分及揮發分析出階段的失重峰不明顯；隨著污泥摻混比例的增加，較小的失重峰峰值逐漸增大，其對應的溫度升高，與污泥中固定碳的燃燒階段DTG曲線形狀相似，且在300℃左右隨污泥含量的增加逐漸出現新的失重峰，該失重峰的出現與污泥揮發分的析出燃燒有關；在污泥摻混比例增加過程中，混合物燃燒主要的失重峰始終與煤粉燃燒的失重峰相似，峰值減小，峰寬逐漸變窄。
表4為煤與污泥摻混樣品的燃燒特性參數。由表4可見：隨著污泥摻混比例增加，混合物著火溫度降低，著火提前，燃盡溫度升高，燃盡所需時間增加，但平均燃燒速率減小，不利于混合物的穩定燃燒；可燃性指數在高摻混比例時有所降低，著火性能降低；綜合燃燒指數減小，綜合燃燒性能降低；污泥燃燒特性較差，摻混比例超過20%不利于混合物的著火與燃燒。
2.4煤、藥渣混合
圖4為煤和藥渣摻混燃燒的TG、DTG曲線。由圖4的TG曲線可以看出，混合物的失重曲線介于藥渣與煤單獨樣品TG曲線之間，摻混20%較摻混10%藥渣的總失重量有所減少，但差別不大，隨著摻混比例的繼續增加，混合物總失重量有較為明顯的減少。另外，DTG曲線中，各混合物在400~650℃有1個主要的失重峰，與煤粉熱重曲線的主要失重峰相近，該溫度區間內主要為混合物中可燃質的燃燒。隨著藥渣摻混比例的增加，DTG曲線除400~650℃處的失重峰外，在90、280、700℃附近，混合物依次出現了藥渣單獨燃燒過程中水分析出、揮發分析出燃燒及固定碳燃燒相對應的失重峰，這些峰的出現體現出混合物燃燒過程中藥渣的燃燒特點。煤粉和藥渣混合后仍在各自主要的失重溫度附近出現與其單獨燃燒形狀相似的失重峰，因此在燃燒過程中藥渣和煤粉保持著各自相對獨立的燃燒特性。隨藥渣摻混量的增加，400~650℃處的失重峰峰值減小，峰寬變窄，最大燃燒速率減小，且其對應的燃燒溫度有所降低。
表5為煤與藥渣摻混樣品的燃燒特性參數。由表5可見：隨著藥渣的摻混比例增加，混合物著火溫度有所降低，燃盡溫度升高，最大燃燒速率、平均燃燒速率減小，燃盡時間變長；可燃性指數和綜合燃燒指數減小，因此藥渣的摻混沒有改善混合物的著火性能，使混合物的燃燒和著火穩定性降低。
3結論
1）煤在單獨燃燒過程中僅有一個明顯的失重峰，且在170~345℃出現增重現象；而秸稈、污泥和藥渣均有3個明顯的失重峰，藥渣在320~675℃有幾個較小的失重峰，各峰之間沒有明顯的界限。各生物質與煤摻混后，混合物的燃燒過程中均未出現增重現象。
2）煤與各生物質摻燒時，秸稈的摻混改善了煤的著火性能和綜合燃燒特性；污泥燃燒特性較差，摻混比例超過20%不利于混合物的著火與燃燒；藥渣的摻混使混合物的燃燒和著火性能降低。
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