烟煤与生物质混烧基础实验分析

白浩隆，冯 强，宋 华

(兖矿集团洁净煤技术工程研究中心，山东 邹城 273500)

1 引 言

长期以来，我国北方地区冬季供热以煤为主要燃料。近年来，由于国家洁净煤补助政策的推行，无烟煤和型煤的年消耗量比重明显提高，但烟煤在民用燃煤取暖中仍占很大比重[1-2]。另一方面，作为一个农业大国，我国可利用的生物质能资源如农作物稻杆、玉米秸杆、小麦杆等来源丰富、成本低、容易获取[3]，很大一部分被直接焚烧或低效能的应用，造成能源的极大浪费[4]。因此研究中国生物质潜能，对促进中国能源健康发展有着重要的意义[5]。生物质具有可再生、量大、来源广泛等优点，而烟煤在我国民用供暖中发挥着重要的作用，将生物质与烟煤两种能源混合使用，解决生物质能量密度低[6]、烟煤污染物排放高[7]等缺点，对于推动我国采暖领域的清洁化水平意义重大。刘豪等[8]将叶、枝与煤按不同比例混合在热重仪中进行了燃烧动力学分析，表明燃烧阶段服从一级反应。祁娟等[9]利用湿法成型技术尝试将生物质与无烟煤混合压制成生物质—煤混合型煤，煤和生物质碳化后成型用作民用燃料，能够提升燃烧效率，减少污染物排放，PM2.5排放因子分别比原煤型煤和生物质型料降低89%和80%。刘亮等[10]、刘生玉等[11]均对烟煤的热解特性和燃烧特性进行了动力学研究，热重实验结果表明，烟煤热解存在明显的热解段和燃烧段。王霞等[12]研究了生物质热解的挥发分和煤焦之间的相互作用效果和机理。本文结合前人实验分析经验，从污染物排放特性和燃烧动力学两方面针对烟煤和生物质混烧的情况进行分析研究，对比优劣势，取长补短，旨在将两种燃料有机的结合使用，以拓宽民用散煤治理技术路线，为烟煤和生物质的清洁化利用提供参考依据。

2 实验设备及测试系统

2.1 燃烧样品及热风炉测试系统

参与燃烧实验的烟煤样品，是将准备好的烟煤煤粉磨至200目，掺少量水，并用压煤机制成6 mm直径棒状煤燃料。实验用生物质样品是市场上随机购置的生物质燃料(直径6 mm)。两种燃料在美国进口热风炉Harman P43(如图1)中进行燃烧对比实验，在炉具尾部烟囱中开孔，利用MRU红外烟气分析仪测试SO2、NOx、烟尘等污染物排放情况。该炉具采用螺旋给料，燃烧器采用下进料方式。利用德国MRU MGA5红外烟气分析仪对热风炉进行烟气数据测试，采样管线全程伴热。烟尘测试仪器为青岛聚创环保设备有限公司的JCF-1000直读式烟尘测试仪。

图1 Harman P43热风炉

2.2 热重样品及测试条件

样品与参与热风炉系统燃烧实验的样品为同一批次，分别将生物质燃料和烟煤燃料磨至200目以下，将两种样品分别利用瑞翔WS-G606型工业分析仪、Elementar Vario MACRO型元素分析仪、测硫仪进行煤质分析，结果如表1所示。两种样品按照5种比例均匀混合成5组热重样品，各组样品生物质所占的比例依次是0、25%、50%、75%、100%，在Netzsch热重分析仪中进行燃烧特性实验，每组样品重量为5～10 mg，设定气体流量为空气(50 mL/min)，保护气N2(20 mL/min)，升温速率为20 K/min，终止温度为1 100 ℃。

表1 两种燃料的工业分析及元素分析

3 实验结果与讨论

3.1 热风炉测试系统的特性分析

控制在相同操作条件下，在Harman热风炉中进行生物质和煤的污染物对比实验，测试主要烟气污染指标，如图2所示。生物质的SO2排放远低于棒状煤，仅为11 mg/m3，而其NOx排放值为352 mg/m3，高于棒状煤的298.3 mg/m3。其中，生物质SO2较低的原因是由于生物质自身的S元素含量与煤基燃料相比极低。

图2 生物质与棒状烟煤的烟气排放指标示意

相同情况下，同步测试热风炉中生物质燃料与棒状煤的烟尘排放指标，如图3所示，两种燃料的烟尘排放均小于10 mg/m3，而棒状煤燃烧的烟尘排放浓度略低于生物质，数据表明，棒状煤成型后具有较好的固尘效果。

图3 不同燃料在热风炉中的烟尘排放对比

从污染物指标排放角度综合来看，热风炉中生物质的SO2排放极低，而NOx和烟尘指标却高于棒状煤，这说明生物质燃料在环保方面并不比棒状煤具有清洁燃烧的优势，而棒状煤可以使烟煤燃烧时的烟尘得到很好的控制。

3.2 生物质与烟煤混合的热重曲线分析

将烟煤粉和生物质粉混合均匀后进行热重实验，不同生物质燃料占比的热重曲线如图4和图5所示。由TG和DTG曲线可以看出，随着生物质的占比越大，燃尽效果越好，样品的整体着火温度和燃尽温度均前移。从DTG曲线可以发现，纯生物质粉的峰值有两个，而前一个峰值大于后一个峰值。第一个峰值的对应温度为346.5 ℃，为生物质与煤粉混合，正是这个峰值的作用，有效降低了煤粉的着火温度；而烟煤煤粉的峰值只有一个，对应温度为527 ℃。通过烟煤和生物质的混合，DTG曲线仍保持两个峰值的特点，生物质比例越大，则第一个峰值越大，这说明合理的生物质比例可以使燃烧阶段均衡。

图4 不同生物质比例样品的TG曲线

图5 不同生物质比例样品的DTG曲线

3.3 样品的燃烧特征参数

样品的着火温度Ti定义为样品脱水、吸氧过程后起始失重时的温度，燃尽温度Th定义为煤中可燃物质燃烧了99%时对应的温度，其值的大小与样品的燃尽特性有关。根据已知的不同比例生物质样品的TG和DTG曲线，可以求取每组样品的燃烧特性指数S、着火稳燃指数Rw等燃烧特征参数。

燃烧特性指数S为样品着火和燃尽的综合指标，其值越大，燃烧特性越好，着火稳定特性指数Rw为着火后的燃烧稳定性，其值越大，着火燃烧稳定性越好。两个参数的表达式为：

不同样品的燃烧特征参数见表2。由表2可见，样品中生物质比例越大，燃烧的着火特性越好，1/2以上的生物质比例时，最大特征温度Tmax大幅度前移；从着火稳定特性指数Rw数值对比来看，所有样品燃烧过程的着火稳定性均很好，生物质比例对烟煤煤粉的着火稳定性提升幅度不大。

表2 不同样品的燃烧特征参数

3.4 燃烧动力学分析

假设样品在热重分析仪中的非等温燃烧过程遵从Arrhenius定律，失重过程表现出的基本反应速率方程可表达为：

其中，f(α)为一个能够反映煤反应机理的函数模型，E为活化能(kJ/mol)，R是气体常数8.314J/(mol· K)。对上式中T进行积分，可得到另一个以α为自变量的函数模型：

表3 反应模型积分函数

但是在上述方程中，无法对右侧式中包含温度的自变量进行积分而得到一个精确的解，只能通过近似求解或数值积分的方法，因此需要通过最小二乘法对模型进行拟合。

为了获取煤燃烧过程中的积分函数g(α)和动力学参数E、A等值，采用Coats-Redfern积分法对模型进行拟合，即通过将实验中的数据代入不同的反应模型(如表3所示)，C-R方程可以表示如下：

右侧第一项括号中由于2RT/E<<1，所以可简化为右侧第二项形式，以ln[g(α)/T2]对1/T作图，通过截距a和斜率b即可求得E和A值。

根据不同反应模型函数动力学拟合结果，O1模型的相关系数最高，因此5组样品均选用O1反应模型进行动力学分析，计算得到各组样品的动力学参数，如表4所示。

表4 不同样品的燃烧反应动力学参数

4 结 论

(1)在热风炉系统中燃烧时，生物质燃料的SO2排放指标远低于烟煤，NOx和烟尘高于烟煤，因此生物质在清洁燃烧方面并不具优势。

(2)烟煤成型后具有较好的固尘效果，加入生物质可以提高烟煤的燃烧效率，合理的煤粉和生物质比例可以促使燃烧过程更加均衡。

(3)纯生物质的DTG曲线分为前后两个峰值，“前大后小”，两个峰值均在烟煤煤粉的峰值之前，因此可以改善烟煤的着火特性。

(4)将生物质与烟煤混合使用，利用适宜的成型技术，可制成燃烧效率高、污染物小的清洁燃料，提高两种燃料的清洁高效利用水平。