可再生燃料混合燃烧的实验研究

李涛

摘 要：研究秸秆、污泥等可再生燃料的燃烧特性，结合秸稈、污泥和煤三种燃料各自的优点，分析秸秆、污泥和煤按比例混合的发热量、成分及燃烧产物等数据，选择合适的配比，合理运用达到经济效益及节能环保的双重目的，为电厂的燃料选择及使用提供参考。

关键词：可再生燃料；秸秆；污泥

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.21.078

1 引言

秸秆已经被认为是新能源中最具开发利用规模的一种绿色可再生能源，秸秆的平均含硫量只有千分之3.8，而煤的平均含硫量约达百分之一。且低温燃烧产生的氮氧化物较少，所以除尘后的烟气不进行脱硫，烟气可直接通过烟囱排入大气。秸秆通常含有3%～5%的灰分，这种灰以锅炉飞灰和灰渣/炉底灰的形式被收集，含有丰富的营养成分如钾、镁、磷和钙，可用作高效农业肥料[1，2]。污泥内含有许多有害物质，污泥含有80%的水分，具有500～800大卡/公斤的热值。但是其作为低热值燃料将其加工成形，与高热值煤进行掺烧，可以充分利用污泥中的有机物热值[3]。污泥发电不但可以实现污泥安全处理，同时还可以从污泥中抽取能量，代替部分化石燃料，既节约资源和能源，又保护环境，有利于促进我国向可持续的循环型社会的转变。

总的说来，生物质能发电行业有着广阔的发展前景，可见污泥、秸秆发电发展趋势将会非常好。但目前秸秆、污泥发电技术还尚不成熟，相对国外，国内对该项目的定性分析、定量分析和研究都较少。

2 实验内容

通过对现有运行的污泥发电厂及现有小型秸秆炉实施调查、现场测试，结合实验室对污泥和秸秆的氧弹测量、红外侧硫、工业分析、元素分析等数据进行分析和研究，结合污泥和秸秆燃烧特性，并且对比各种污泥、秸秆和煤配比方式，验证污泥、秸秆和煤掺烧的环保性与经济性。

本实验数据基于一些目前比较先进的仪器，如：5E-IRSII红外测硫仪、5E-C5100A自动量热仪、5E-MAG6700全自动工业分析仪、热重分析仪等等。依据这些仪器进行测量出来的数据能够到达目前先进水平的测试要求。

3 数据分析

3.1 发热量

在一定的实验工况和条件下，针对秸秆、污泥和煤单独燃烧时测量其发热量，根据各自的发热量按照一定的配比进行计算，算出接近接近褐煤的发热量，记下此时的比例。实验中根据计算中的配比比例来进行验证及数据分析。

表1为秸秆、污泥和煤的发热量比较，得到污泥发热量=2261.1

Cal/g，秸秆发热量=4158.7Cal/g，煤发热量=5445.0Cal/g。

按比例混合后发热量为。先预设一个比例，取煤：秸秆：污泥=4：4：2，计算得到=4293.7Cal/g；增大煤的比例，取煤：秸秆：污泥=5：3：2，计算得到=4422.33Cal/g；煤比例不变，相比污泥，增大秸秆的比例，取煤：秸秆：污泥=5：4：1，计算得到=4612.09Cal/g；污泥热值相对较低，选取一个污泥比例较高的配比，与前面的计算做对比，取煤：秸秆：污泥=3：3：4，计算得到=3785.55Cal/g。按照如上的四种比例进行试验分析，得到了各种比例下的发热量的数据，见表2。

由表2可以看到，在同一个比例配比下，实际测量的发热量比理论计算的发热量值有减少，一方面可能是由于单独测量秸秆、污泥和煤的发热值和按比例混合后测量时存在实验误差，一方面可能是三种燃料混合后燃烧特性会互相影响，导致最后实测与理论计算值有较大误差。但是不管是理论计算还是实测发热量的结果，煤：秸秆：污泥=5：4：1这个比例下的发热量最大，其次是煤：秸秆：污泥=5：3：2，再其次是煤：秸秆：污泥=4：4：2，发热量最低的是煤：秸秆：污泥=3：3：4。

在三种燃料中，由表1可以看出，污泥的发热量最低，秸秆的居中，煤最高。从发热量看，秸秆的燃烧发热量比污泥高得多，所以在配比中，秸秆的比例相比污泥高时，混合燃料的总体发热量提高；同等条件下，煤的配比比例提高，混合燃料的总体发热量提高，污泥的配比比例提高，故发热量最大的配比是煤：秸秆：污泥=5：4：1，发热量最低的配比是煤：秸秆：污泥=3：3：4。

按一定比例混合的煤、秸秆、污泥的发热量最高可达4248.9Cal/g，比直接燃烧秸秆发热量大。另外，还掺杂了污泥，带着低发热量的污泥不仅处理了城市污染，还延长煤的使用年限。秸秆、污泥、煤混合燃烧的理论计算发热量最大可达4612.09Cal/g。如果改变混合燃烧的方式，或者充分混合程度可能达到最大理论计算发热量。最佳配比下的发热量是四种配比中发热量最大的。发热量是燃烧的前提条件，发热量越大质量越高，燃烧所需的燃料量相对越少，为锅炉的稳定燃烧提供了保障。

3.2 成分分析

氮在锅炉中燃烧时生成氧化氮已气体形式从烟气中排走，不会对灰渣成份造成影响，但在烟气排放中的氧化氮主要是会造成温室效应。但从表3中看出氮在污泥中含量为4.14%，氮在秸秆中含量为0.78%，氮在煤中含量为1.4%。按煤：秸秆：污泥混合后氮的比例与煤差不多，四种情况下煤：秸秆：污泥=5：4：1这个配比氮的含量最低，同时这个配比下的碳氢含量最高，在此也验证了这种最佳配比的发热量最高。

在高温下燃烧，所含的氮一部分将于氧化合而生成氮氧化物，造成严重的大气污染。根据上述碳氮氢含量数据报告，最佳配比下的氮含量非常少可以导致在电厂脱硝装置中，使用那些脱硝效果一般的或者脱硝电耗大大减少，将为电厂减少一大笔使用费用。

表4为各种配比下工业分析成分含量数据表。由表4中数据显示煤的挥发分比较低，标煤的干燥无灰基挥发分含量只有30%多，而秸秆和污泥的干燥无灰基挥发分含量均超过80%。所以导致混合后的燃料挥发分含量也很高，在60%到70%之间。挥发分含量越高越容易燃烧，高的挥发分含量为锅炉燃烧提供了便利条件。另外我们看到四种配比中煤：秸秆：泥配比为5：4：1的灰分含量最少，空气干燥基只有27.37%，焦炭的含量最高。这些都证明了煤：秸秆：泥配比为5：4：1是最佳配比。

挥发分是气体可燃物，其着火温度较低，着火容易；挥发分多，相对来说，煤中难燃的固定碳含量便少，使煤易于燃烧完全，大量挥发分析出，其着火燃烧后可放出大量热量，有助于固定碳的迅速着火和燃烧，因而挥发分多的煤也易于燃烧完全；挥发分越多的燃料，越容易着火，燃烧也易于完全。所以最佳配比下的高挥发分是非常好的。灰分是煤中有害成分，灰分熔融要吸收热量，并由排渣带走大量的物理显热；灰分多，使理论燃烧温度降低，而且煤粒表面往往形成灰分外壳，妨碍煤中可燃物质和氧气接触，使煤不易燃尽，增加不完全燃烧热损失；灰分多，会降低锅炉效率，产生炉内结渣，腐蚀金属，同时造成环境污染。所以最佳配比的灰分含量最少是非常好的优势。

3.3 产物分析

表5是燃烧产物硫的对比。由表5可以看出，煤中含硫最多，导致硫污染最严重。秸秆和污泥含硫都非常少。所以混合燃烧后大大减少了硫的含量，使硫产生的高温腐蚀、低温腐蚀等一系列硫污染大大减少。而且我们看到最佳混合燃烧的配比的硫面积为1.7976，仅比最小硫面积大了一点，这个最佳配比较为理想。硫的氧化产物二氧化硫、三氧化硫与烟气中的水蒸气结合成硫酸蒸汽，将对金属受热面造成强烈腐蚀；随烟气排入大气的二氧化硫、三氧化硫，将造成环境污染，损害人体健康及其他动物和植物的生长。所以最佳配比下混合煤比原煤含硫量大为减少是非常有利的。

故相比其它三种配比，煤：秸秆：污泥=5：4：1时混合燃料的发热量最大，碳氢含量较高，挥发分较高，利于燃烧；灰分较低，氮的含量较低，燃烧产物的含硫量相对较低，有利于提高燃烧效率，降低腐蚀和环境污染。

4 结论及展望

秸秆、污泥和煤混合燃烧结合了秸秆、污泥、煤三大优点。经过试验及分析，相比三种燃料单独燃烧和其它三种配比，煤：秸秆：污泥为5：4：1时混合燃料燃烧效率较高，有利于燃烧发热及环境保护。

目前秸秆、污泥在储存、收购、运输、取用等方面还存在一定问题，但是随着研究深入，技术的不断发展，这些问题都可解决。煤、秸秆、污泥混合燃烧发电具有良好的经济效益，同时能有效处理农林废弃物和城市生活污泥，大大减少秸秆就地焚烧的燃烧产物PM2.5、颗粒物、SO2、NOx、CO、VOC的污染，明显改善环境。总之，煤、秸秆和污泥混合燃烧发电不但可以解决我国能源危机，改善能源结构，而且对污染控制、缓解环境压力、减排温室气体都有巨大作用。

参考文献：

[1]吴荫津.木材废料燃烧分析及锅炉结构简介[J].装备制造技术，

2008（10）：122-126.

[2]曹金珍，张壁光，赵广杰.木质生物质在能源方面的开发与利用[J].华北电力大学学报，2003，30（05）：102-108.

[3]劉亮，楼波，王小聪.生活污泥和煤混烧的热重试验研究[J].热能动力工程，2011，26（01）：114-116.

[4]段菁春，肖军等.生物质与煤共燃研究[J].电站系统工程，2004，

20（01）：1-4.

[5]刘圣勇，陈开碇等.国内外生物质成型燃料及燃烧设备研究与开发现状[J].可再生能源，2002（04）：14-15.