煤/生物质恒温混燃的协同特性

王金星，王春波

(华北电力大学 能源动力与机械工程学院，河北 保定 071003)

0 引言

随着化石能源的逐渐枯竭和人类对全球环境问题的日益关注，生物质能源利用的研究和开发，已成为国内外研究的热点[1]。目前，纯生物质直燃技术效率低，而使用生物质和煤粉作为原料进行混燃，相对于纯生物质燃烧提高了生物质的利用率，具有十分广阔的前景。在我国，这方面的工作也逐步在开展。华电十里泉电厂是一个比较成功的示范。

近年来，国内外针对生物质与煤混燃特性开展了大量的研究。M.V.Gil等[2]利用逐渐升温的方法进行了煤粉与生物质混燃实验研究，得到了挥发分析出的温度区间及固定碳开始燃烧的温度区间。徐朝芬[3]等利用TG热分析技术研究了生物质、煤及其混合物燃烧的燃烧性质，发现生物质与煤样共燃可有效地降低着火温度，改善煤样的燃烧性能。闵凡飞等[4]通过生物质与不同变质程度的煤混燃实验也得出了类似的结论。王玉召等[5]和 Edward Lester等[6]分别利用一些燃烧特性参数判定的方法对生物质与煤混燃进行了判定，得出了随着生物质掺混比的加大燃料的着火温度和燃尽温度都有所降低的结论。

煤粉/生物质恒温混燃特性研究，是优化煤粉/生物质混燃技术的基础。目前该方面相关研究，普遍采用是实验结果间的比对。利用比对实验结果的方法，研究煤/生物质混燃特性有着无可比拟的优势，但对于探讨煤/生物质混燃的协同效应，存在着一定的不足。如果能将混燃的实验结果与不同单一燃料加权得到的理论结果进行比对，无疑能在协同效应的层面上更深入地研究煤粉/生物质的恒温混然特性。

本工作对生物质与几种煤及混合试样在恒温条件下进行了混燃协同特性研究，希望能对今后深入研究煤/生物质混燃特性具有一定的参考价值。

1 实验部分

1.1 实验系统与实验样品

为能更好地研究煤粉/生物质恒温混燃的协同特性，自制管式炉实验系统，如图1所示。温控范围为0～1 300℃。空气采用气泵供应，流量量程为2 L/min。瓷舟尺寸7 cm×1 cm。利用自己研发的重量测量系统对样品重量进行实时测量。传感器精度为0.1 mg。热电偶与温控仪相连，炉内稳定后可视为恒温。

图1 管式炉实验系统Fig.1 Tube furnace experimental system

实验选取三种典型电厂用煤:无烟煤、烟煤、褐煤，粒度80目到120目;选取的生物质混合物 (以下简称生物质)由华北地区常见的玉米芯秸秆、树皮、木屑等9种农业或林业废弃物组成，粒度80目到120目。不同煤粉与生物质的工业分析及元素分析，见表1。

表1 工业分析与元素分析Tab.1 Ultimate and proximate analysis of test samples

1.2 实验方法

实验时首先向管式炉内通入流量为1 L/min的空气并稳定该流量，再将固定床反应器升温至设定温度，并保持温度恒定，取0.1±0.005 g样品均匀平铺于长7 cm宽1 cm的瓷舟底部，将瓷舟支架沿金属导轨迅速送入管式炉内，利用重量监测软件对试样进行实时监测。为选择最佳的气体流量，本文针对烟煤掺混10%生物质试样在恒温900℃下分别进行了不同气体流量实验。所选用的气体流量包括:0.6 L/min、0.8 L/min、1 L/min和1.2 L/min。气体流量增加，燃烧失重加快，但当气体流量为1 L/min与1.2 L/min时的失重差异不大。因此表明，本实验的气体流量已经能很好的消除反应过程中气体扩散的影响。

2 结果与讨论

2.1 分析方法

为能准确地描述试样的燃尽程度和可比对性地分析实验结果，引入“可失重额余量”概念:除灰分以外，试样燃烧过程中其余成分剩余的质量占原试样中该部分质量的百分数[7]。即

式中:m0为试样的初始质量;mt为实验过程中试样质量;m∞为试样中灰分质量。

煤/生物质混燃的协同特性是衡量混燃效果的重要指标，对煤/生物质混燃技术的研发具有不可比拟的参考价值。本文采用纯煤与纯生物质的线性加权平均失重曲线 (以下简称加权失重曲线)对混燃协同特性进行研究。加权失重曲线是根据两种纯燃料的失重曲线分别乘上各燃料占试样的百分比得到的失重曲线。即

式中:x为生物质在试样中的百分含量;TGc为混合样的加权失重曲线;TGa为纯煤粉的实验失重曲线;TGb为纯生物质的实验失重曲线。

为更好地说明加权失重曲线取得方法，选用烟煤与生物质及其掺混比为8∶2的混合样为演示实例。在恒温900℃条件下燃烧得到的失重曲线及混合样加权失重曲线，如图2所示。

图2 在恒温900℃条件下煤/生物质加权失重曲线Fig.2 Weighted thermogravimetric curve of coal and biomass blends at 900℃

2.2 掺混比的影响

掺混比是影响煤/生物质混燃特性最主要的因素。在900℃恒温条件下，测量了烟煤与生物质掺混比为9∶1，8∶2，7∶3三种情况下试样可失重额余量随时间的变化情况及通过对烟煤与生物质燃烧失重曲线线性加权得到的三条失重曲线，如图3所示。

图3 在恒温900℃条件下烟煤与生物质不同掺混比的失重曲线Fig.3 Thermogravimetric curves of bitumite and biomass co－combustion at different blending ratios at 900℃

如图3所示，三组不同掺混比下的失重曲线与加权失重曲线均存在一个交点，且交点之前，实验失重曲线比加权失重曲线偏右，交点之后，实验失重曲线比加权失重曲线偏左。其原因可能为:在试样燃烧前期，水分蒸发和挥发分析出是主要影响因素。生物质相对于烟煤而言，其挥发分含量高，且挥发份析出温度远低于煤中挥发份析出温度[8]。生物质挥发分的大量析出、燃烧，消耗了大量的氧气且使燃料局部加强增大，因此对烟煤的挥发分析出与燃烧产生了一定的抑制作用。伴随燃烧的进行，生物质燃烧放出的热量对烟煤中固定碳的燃烧存在一定的促进作用，烟煤中固定碳燃烧逐渐成为失重快慢的制约因素，特别对燃尽时刻的影响更为明显。而混合样的加权失重曲线是由烟煤与生物质单独燃烧失重曲线加权得到，均不能体现抑制和促进作用。因此，实验失重曲线与加权失重曲线交点之前实验失重曲线偏右，交点之后，实验曲线偏左。此外，生物质掺混比增加，交点不断前移。其原因可能是，生物质掺混量加大，大量挥发份析出并燃烧放出的热量使局部温度升高，进而加速了燃料挥发分的析出，致使交点前移。另一个特征是，实验失重曲线比加权失重曲线的燃尽时刻提前，随着生物质掺混比的增加，提前程度加大。其可能是由于掺混生物质量增加，燃烧放出的热量增大，对烟煤的促进燃烧与燃尽作用加强，然而加权失重曲线却未能体现这中促燃作用而造成的。

2.3 温度的影响

为了探讨温度对煤/生物质混燃协同特性的影响，选取800℃，900℃，1 000℃，对20%生物质与80%烟煤的混合样进行了恒温下的比对实验。试样的实验失重曲线与加权失重曲线，如图4所示。

图4 80%烟煤与20%生物质的混合样在不同恒温条件下的失重曲线Fig.4 Thermogravimetric curves of 80%bitumite and 20%biomass co－combustion at different temperatures

图4实验失重曲线与加权失重曲线呈现出了以下几点特征。首先，随着温度的升高，实验失重曲线与加权失重曲线均左移。其可能是由于温度升高，试样中挥发分析出加快且固定碳更易燃烧造成的。其次，随着温度的升高，实验失重曲线与加权失重曲线的交点不断前移。由于生物质挥发分的析出与燃烧是影响燃烧前期失重的主要原因，推测其原因可能为，温度升高，燃料中挥发分析出速度加大，致使生物质挥发分析出与燃烧对烟煤燃烧的抑制作用时间缩短，实验失重曲线与加权失重曲线的交点前移。此外，随着温度的升高，实验失重曲线比加权失重曲线燃尽时刻的提前程度减小。由于燃尽时刻的提前主要是混合样的加权失重曲线未能表现出燃烧后期生物质燃烧放热对煤粉的促进燃烧和燃尽作用引起的。进而推测其原因为，煤焦炭与生物质焦炭相比较难燃烧，受到温度的影响较大，温度升高，煤焦炭燃烧加快显著，因此受到掺混生物质的促进燃烧和燃尽作用相对减弱，进而造成了混合样的实验失重曲线比加权失重曲线燃尽时刻的提前程度减小。

2.4 煤种的影响

上面的研究结果部分表明，试样中的挥发分对混燃协同特性存在一定的影响。选用三种挥发分差异较大的煤种，探讨煤种对煤/生物质混燃协同特性的影响。三种代表性的煤种:无烟煤、烟煤、褐煤。在恒温900℃条件下测试了实验失重曲线及加权失重曲线，如图5所示。

图5 在恒温900℃条件下80%不同煤种与20%生物质掺混的失重曲线Fig.5 Thermogravimetric curves of 80%different coal and 20% biomass co－combustion at 900℃

如图5所示，不同煤种掺混20%生物质得到的实验失重曲线与加权失重曲线交点位置不同。例如褐煤掺混的交点所对应时刻大于200 s，而无烟煤掺混的交点时刻不到180 s。结合三种煤粉的分析 (表1)，推测其原因可能为，生物质的挥发分大量析出，使得混合样的局部加强增大，对煤粉的挥发分析出产生了抑制作用，褐煤的挥发分含量较高，受到的抑制作用较大，而无烟煤的挥发分含量较小，受到的抑制作用较弱，因此产生了燃烧前期的差异。此外，不同煤种掺混得到的混合样，在燃烧后期，实验失重曲线比加权失重曲线的提前程度不同。如，无烟煤掺混的提前较大，褐煤掺混的提前较少。其可能原因是，无烟煤挥发分含量较少，较难燃烧，掺混生物质对其燃烧的促进较明显;而褐煤的挥发分含量较高，能较迅速的燃烧与燃尽，从而受到掺混生物质的促燃作用较弱，因此造成了掺混生物质对不同煤种促进燃尽作用的差异。

3 结论

对煤/生物质混燃进行试验，探讨了掺混比、煤种、及温度等对煤/生物质混燃协同特性的影响规律。研究表明:在煤/生物质混燃初期，煤粉燃烧受到一定的抑制作用，生物质掺混比加大与温度升高均能使抑制作用时间缩短，挥发分含量高的煤种受到的抑制作用较大;在混燃后期，掺混生物质对煤粉的燃烧与燃尽存在促进作用，生物质掺混比增大，促进作用加强，燃尽时刻提前程度增大。温度升高，促进作用减弱，燃尽时刻提前程度减小。此外，难燃的煤种受掺混生物质的促进燃烧和燃尽作用明显，易燃的煤种受促进燃烧和燃尽作用较弱。

[1]程树仁，刘亮.生物质与煤的混合燃烧实验研究[J].电站系统工程，2009，25(4):9－12.ChengXu－ren，LiuLiang.Experimental Research on Cocombustion of Biomass and Coal[J].Power system engineering，2009，25(4):9－12.

[2]Gil M V，Casal D，Pevida C，et al.Thermal behaviour and kinetics of coal/biomass blends during co－combustion[J].Bioresource Technology，2010，101:5601－5608.

[3]徐朝芬，陈汉平.生物质与煤共燃特性的研究[J].实验技术与管理，2006，23(9):35－38.

[4]闵凡飞，张明旭.生物质与不同变质程度煤混合燃烧特性的研究[J].中国矿业大学学报，2005，34(2):236－241.

[5]王玉召，李江鹏.生物质与煤混燃的燃烧特性实验研究[J].锅炉技术，2010，41(5):72－74.

[6]Edward Lester，MeiGong，AlanThompson.A method for Sourcea PPortion－mentin biomass/coalblends using thermogravimetrie analysis[J].Journal of Analytieal and APPlied Pyrolysis，2007，(80):111 －117.

[7]王金星，李超，刘慧敏，等.烟煤/生物质混燃特性实验研究[J].电力科学与工程，2012，28(2):56－59.

[8]黄海珍，陈海波，苏俊林，等.煤与生物质混合燃烧特性及动力学分析[J].2007，25(1):26－29，49.