福建无烟煤和木业污泥混合燃烧特性分析

张自丽1,2,3

（1 福建省锅炉压力容器检验研究院，福建 福州 350008）

（2 国家工业锅炉质量监督检验中心（福建），福建 福州 350008)

（3 厦门大学，福建 厦门361000）

福建无烟煤和木业污泥混合燃烧特性分析

张自丽1,2,3

（1 福建省锅炉压力容器检验研究院，福建 福州 350008）

（2 国家工业锅炉质量监督检验中心（福建），福建 福州 350008)

（3 厦门大学，福建 厦门361000）

燃料分析检测结果表明，福建无烟煤具有挥发分低、热值高等特性，木业污泥具有挥发分高、着火温度较低等特性；在贫氧条件下，三种无烟煤都较难燃烬，木业污泥燃烧性能受到影响；在空气燃烧氛围条件下，三种无烟煤和木业污泥燃烧性能得到改善，龙岩无烟煤和木业污泥掺烧比例确定为50%；较低的升温速率有利于燃料受热的均匀性，有利于燃料的分解燃烧。

福建无烟煤；木业污泥；燃烧；热重分析

作为煤化程度最大的煤种，无烟煤具有挥发分高、硬度高、含碳量高、杂质含量少等特性[1]。福建省地质条件复杂，矿产资源匮乏，煤炭资源品种相对单一，主要为难燃煤种无烟煤。有关资料表明，福建省已探明资源储量为11.5亿吨，其中无烟煤11.07亿吨，占全省煤炭资源储量的97%[2]。与其他地区无烟煤类似，福建无烟煤一般具有燃烧化学反应性能差、热传导能力低、着火温度高、燃尽时间长等特性[3-5]。福建无烟煤种类众多，从不同地区角度来说，龙岩和三明地区煤炭资源较好，上述两地区也是全省煤炭资源勘探和开发的重点地区，其中龙岩无烟煤保有可采储量高达2265万吨。

作为我国经济较为发达、工业产值较高、能源需求较多的省份，福建省鲜污泥年产生量约为310万吨，折成干污泥约65万吨，污泥处置方法主要是卫生填埋[6]。目前，我国正处于城镇快速发展阶段，城市土地已经是稀缺资源，而填埋需要大面积土地，污泥卫生填埋不仅占用大量土地，还会带来填埋后的二次污染问题。因此，对于可用于焚烧的污泥，可采用污泥循环流化床（Circulating Fluidized Bed,CFB）燃烧等方式将生物质能向热能的转化，实现污泥的减量化和资源化[7]。

在“稳定省内自给能力，合理利用省外资源”的煤炭能源发展战略下，为分析福建无烟煤和典型污泥燃烧特性，获得有较高热值和较好燃烧特性的混合燃料，文中拟选取龙岩、三明等地区无烟煤和木业污泥进行燃料分析，探讨各燃料在非等温热重条件下的燃烧分解特性，研究福建无烟煤和木业污泥高效清洁燃烧技术。

1 材料和方法

1.1 实验材料

根据福建省煤炭分布和煤质情况，项目研究煤种为龙岩、天湖山、大田等地区无烟煤。从行业和污泥特性角度考虑，典型污泥选择福州市某厂木业污泥。上述木业厂家是利用山林场剩余物，生产高档中纤板的企业，其污泥中除含有大量水分外，也还有一定量的木屑和纤维板材。实验用煤样和污泥样品经磨制筛分后，粒径＜2mm。实验用氮气（N2）、氧气（O2）、氩气（Ar）等气体由福州某气体有限公司提供，均为高纯气体，纯度＞99.995%。

1.2 实验仪器和方法

实验所用仪器主要为DGG-9123AD电热恒温鼓风干燥箱、WS-SDRS无尘制样系统、5E-MF6000智能马弗炉、SECURA6102-1CN电子天平、AL 104电子分析天平、5E-MAG6700工业分析仪、5E-CHN2000元素分析仪、5E-S3100A库仑定硫仪、5E-KCIV快速量热仪、DTU-2微机差热天平等。

在室温25℃，湿度60%的实验室条件下，分别利用上述仪器对福建无烟煤和木业污泥进行工业分析、元素分析〔空干基碳（Cad）、空干基氢（Had）和空干基氮（Nad）、空干基硫（Sad）〕、恒容低位发热量Qnet,ar等燃料特性分析。根据以上元素分析数据，按式（1）计算空干基氧（Oad）含量：

然而，知识型员工作为知识存储、传递、创造的主体在企业中获得了更加主动的地位，这不仅体现在劳资双方的博弈过程中，也同样体现在企业的管理方式和企业文化的选择中。由于知识型员工对某一具体企业的经济依附性下降，能够凭借其拥有的技术、知识在劳动力市场中获得更多的发展机会，因而，现代企业往往面临着核心知识员工流失的困境。在知识密集、创新导向的企业中，知识员工的流失给企业造成的损失十分巨大，甚至会削弱企业的核心竞争能力。

在保证仪器可靠性和燃料混合均匀性的基础上，为进一步获得福建无烟煤和木业污泥混合燃烧特性，分别在高纯N2和高纯空气氛围下采用非等温燃烧法对单组份样品和混合样品进行相同实验工况下的重复性热重分析（thermosgravimetry analysis，TGA）检测[8]，测试结果可以作为燃烧特性分析的依据。

2 燃料分析

取1.1所述样品分别进行元素分析和工业分析平行实验，分析数据如表1所示。

表1 样品元素分析和工业分析

由表1数据可知，福建无烟煤具有挥发分极低、碳化程度高、难燃烬等特性。在三种福建无烟煤中，龙岩无烟煤Cad和Oad含量、热值最高，天湖山无烟煤次之，大田无烟煤最低；在灰分含量方面，龙岩无烟煤灰分含量最低，天湖山无烟煤较高，大田无烟煤最高。另外，污泥燃料分析结果表明，木业污泥挥发分较高，灰分较低，Cad、Had及Oad较高。因此，可利用木业污泥的挥发分较高等特性，研究福建无烟煤与木业污泥混烧，进一步改善着火和燃烬条件。

3 非等温热重分析

3.1 贫氧条件

3.1.1 福建无烟煤在贫氧条件下的热重实验

贫氧条件分析即在高纯N2保护条件下，分别对龙岩无烟煤（Longyan Anthracite,LYA）、大田无烟煤（Datian Anthracite,DTA）和天湖山无烟煤（Tianhushan Anthracite,THSA）进行热重分析实验。实验条件为：室温25℃，氮气50ml/min，样品质量0.01g，采样间隔2s（0.033min），程序升温速率分别为10℃/min、20℃/min及30℃/min。因CFB锅炉燃烧温度约为850℃～950℃，实验最终温度设为1000℃。福建无烟煤TGA结果如图1所示。

图1 福建无烟煤热重分析. a: LYA; b: DTA; c: THSA; d: 福建无烟煤TGA对比图

由图1a～1c可知，在不同的升温速率条件下，10℃/min的升温条件更有利于福建无烟煤的燃烧分解；随着升温速率的加快，煤样受热的均匀性受到影响，分解速率下降。在25℃～300℃范围内，随着实验温度升高，由于煤样中水分等成分的蒸发和分解，龙岩无烟煤和大田无烟煤均出现小幅失重；在600℃～700℃范围内，煤样中挥发分开始燃烧分解，释放热量，并且燃烧分解趋势一直持续到实验最终温度1000℃。由图1d可知，在0℃～1000℃燃烧条件下，龙岩无烟煤燃烧分解特性优于其他两种无烟煤。考虑到CFB锅炉实际燃烧温度，同时结合煤质分析数据，选择龙岩无烟煤作为本课题后续研究的煤种燃料。

3.1.2 木业污泥在贫氧条件下的热重实验

图2 木业污泥热重分析. a: TGA; b: 10℃/min 条件下TGA和DTG图

由图2a可知，不同升温速率条件下，木业污泥均出现较大失重，并在10℃/min的升温速率下出现最大失重坡度。结合图2b的DTG曲线可知，在25℃～100℃范围内，由于污泥中水分等气体组分的蒸发，污泥DTG曲线出现小幅失重。由于污泥中纤维和木屑来源于山林场不同树种的剩余物，纤维和木屑组分存在一定差异，因此，在150℃～900℃范围内，污泥DTG曲线出现多个失重峰，即在150℃～900℃范围内，污泥中挥发分燃烧分解，释放热量[9]。由10℃/min条件下的TG曲线可知，在贫氧条件下，木业污泥在900℃左右可缓慢燃烬，这也从一定程度上反映了污泥在CFB锅炉中的燃烬特性。

3.1.3 龙岩无烟煤和木业污泥在贫氧条件下的热重分析对比

根据以上分析结果，分别取贫氧条件下龙岩无烟煤和木业污泥在10℃/min下的TGA数据进行对比，结果如图3所示。

图3 龙岩无烟煤和木业污泥贫氧条件对比

图3表明，在贫氧条件下，当实验温度从25℃升高到1000℃时，木业污泥在900℃左右基本燃烬，龙岩无烟煤在此温度范围内极难燃烬。在进行CFB锅炉燃烧密相区模拟和技术研究时，要注意龙岩无烟煤难燃和极难燃烬等问题。为改善龙岩无烟煤难燃特性，将研究向龙岩无烟煤中添加较高挥发分的木业污泥等易燃燃料，使污泥中挥发分率先释放，并利用其燃烧释放的热量加热混合燃料，促使煤中焦炭着火燃烧[9]。

3.2 空气条件分析

3.2.1 龙岩无烟煤和木业污泥在空气条件下的热重分析

为得到龙岩无烟煤和木业污泥在空气条件下的燃烧特性数据，分别取以上两种燃料样品进行非等温有氧热重实验，即在空气氛围条件下，对龙岩无烟煤和木业污泥进行非等温热重分析。实验条件为：室温25℃，空气20ml/min，样品质量0.01g，采样间隔2s（0.033min），升温速率分别为10℃/min，实验最终温度1000℃。龙岩无烟煤和木业污泥单一燃料热重分析结果如图4和图5所示。

图4 龙岩无烟煤热重分析 a-有空气；b-无空气

由图4a可知，相较于贫氧条件，在空气燃烧氛围下，龙岩无烟煤燃烧特性具有较大改善，着火温度由700℃提前到600℃左右，燃烬温度由1000℃提前到约800℃，说明在充足的空气燃烧氛围条件下，龙岩无烟煤可在CFB锅炉中实现良好稳定燃烧。

图5 木业污泥热重分析 a-有空气；b-无空气

图5表明，在贫氧和空气条件下，木业污泥着火温度在220℃～300℃范围内，且在空气条件下，由于污泥中纤维和木屑成分复杂，TG曲线都出现多个下降坡度；与贫氧条件相比，污泥在空气条件下燃烧较为充分，并且燃烬温度由贫氧条件下约900℃提前到500℃左右，实现了木业污泥的快速充分燃烧。

3.2.2 不同掺烧比例的龙岩无烟煤和木业污泥热重分析

为进一步研究龙岩无烟煤和木业污泥掺烧性能，确定二者掺烧比例——以污泥在混合燃料（mixed fuel,MF）中的质量分数表示，即FSS:MF=0,30%,50%,70%,100%，对龙岩无烟煤和木业污泥进行了混合燃料的热重分析，实验条件同3.2.1部分。结果如图6所示。

图6 不同掺烧比例的龙岩无烟煤和木业污泥热重分析

由图6中的TG和DTG曲线可知，在空气燃烧氛围条件下，向龙岩无烟煤中加入木业污泥，可大大降低龙岩无烟煤着火和燃烬温度；当木业污泥和龙岩无烟煤掺烧比例由0增加到100%时，混合燃料的着火温度和燃烬温度都提前，即混合燃料的燃烧速率加快，着火和燃烬性能较单一龙岩无烟煤得到较大改善；当掺烧比例为50%和70%时，混合燃料具有相近的燃烧性能。考虑到污泥热值较低，较高的掺烧比例可能会影响龙岩无烟煤在CFB锅炉中的燃烧稳定性。因此，为充分利用无烟煤资源，解决典型污泥处理问题，保证龙岩无烟煤和木业污泥在CFB锅炉中的掺烧稳定性，二者最佳掺烧比例控制在50%。

4 结论与展望

在当前节能减排形势下，有关无烟煤和污泥高效清洁燃烧技术研究，一直是科研领域的难题。通过对龙岩、大田、天湖山等福建地区无烟煤和木业污泥进行燃料和热重分析，结果表明：

（1）龙岩无烟煤Cad、Oad含量及热值最高，灰分含量最低；木业污泥Cad、Had、Oad含量及挥发分含量最高，灰分含量最低；

（2）与空气燃烧条件相比，福建无烟煤和木业污泥在贫氧条件下的燃烧分解性能均受到一定限制；在三种无烟煤中，龙岩无烟煤具有较优的燃烧特性；较低的升温速率（10℃/min）有利于燃料的均匀受热，有助于燃料燃烧分解；

（3）在空气燃烧氛围条件下，龙岩无烟煤和木业污泥燃烧性能都得到了较大改善，混合燃料的掺烧比例确定在50%。

将具有高挥发分的木业污泥与龙岩无烟煤进行掺烧，不仅降低了龙岩无烟煤的着火温度，加快了龙岩无烟煤的燃烬，也从一定程度上解决了污泥处置问题，实现了典型污泥的减量化和资源化。研究福建无烟煤和典型污泥高效清洁燃烧技术，对于利用福建省无烟煤资源，解决污泥处置问题，促进地区经济具有重要意义。

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Analysis on Co-combustion Properties of Fujian Anthracite and Sawmill Sludge

ZHANG Zi-Li1,2,3
(1 Boiler and Pressure Vessel Inspection and Research Institute of Fujian,Fuzhou 350008,Fujian,China)
(2 National Industrial Boiler Quality Supervision and Inspection Center (Fujian),Fuzhou 350008,Fujian,China)
(3. Xiamen University,Xiamen 361000,Fujian,China)

It was shown from fuel analysis results that Fujian anthracite had the properties of low volatile content and high calorific value,andsawmill sludgehad the features of high volatile content and low ignition temperature. Under the lean oxygen condition,three kinds of anthracite fuel were all dif ficult to combust completely,and sawmill sludgecombustion performance was affected. Under the air condition,the combustion performances of three kinds of anthracite and sawmill sludgewere all improved,and the mixed mass ratio of Longyan anthracite and sawmill sludgewas determined at 50%. The experimental results indicated that the lower heating rate was conducive to the uniform heating of fuel and was helpful to the decomposing combustion of fuel.

Fujian anthracite; Sawmillsludge; Combustion; Thermosgravimetry analysis

2017-03-28

福建省质量技术监督局科技项目（No:FJQI2016014）

张自丽，女，福建省锅炉压力容器检验研究院，国家工业锅炉质量监督检验中心（福建），博士