富氧下半焦/秸秆混燃交互作用实验研究

马 仑，陈鑫科，方庆艳，夏 季，张 成，陈 刚

【碳中和专栏】

富氧下半焦/秸秆混燃交互作用实验研究

马 仑1, 2，陈鑫科1，方庆艳1，夏 季2，张 成1，陈 刚1

(1. 华中科技大学煤燃烧国家重点实验室，武汉 430074；2. 武汉华中思能科技有限公司，武汉 430073)

本文对富氧下半焦和秸秆混燃交互作用开展了实验研究，结果表明，掺混秸秆对挥发分混燃阶段交互作用影响相对较弱，对固定碳混燃阶段交互作用影响显著，提高掺混比例会增强固定碳混燃阶段交互作用．与线性计算曲线相比，在O2/N2气氛下挥发分混燃阶段实验反应速率曲线有所提前，而在O2/CO2气氛下滞后；两种气氛下固定碳混燃阶段实验反应速率曲线都明显提前．O2/CO2气氛下增加氧体积分数或提高制焦温度都会轻微增强挥发分混燃阶段交互作用、显著减弱固定碳混燃阶段交互作用．

富氧气氛；半焦；生物质；混燃；燃烧交互作用

随着我国煤化工行业的快速发展，产生了大量煤热解和气化副产品半焦(或残炭)，这类含碳固体燃料燃烧发电是实现其清洁高效利用的有效利用方法之一[1]．然而，这类含碳固体燃料的挥发分含量很低，在燃烧过程中存在着火稳燃困难、燃尽率低等问题[2-3]．

为实现细粉半焦高效清洁燃烧，国内外许多学者开展了大量研究．中国科学院工程热物理研究所提出了细粉半焦预热燃烧技术，取得了较好的实验效果[3-4]．与此同时，将半焦与燃烧特性相对较好的燃料混燃也是解决半焦难着火和燃尽的有效方法之一[5]．这其中，生物质挥发分含量较高、固定碳含量低，而半焦挥发分含量低、固定碳含量高，两者取长补短，半焦掺混生物质能有效改善半焦的着火及燃烧特性．但由于生物质与半焦燃烧特性的差异明显，在混燃过程中组分燃料间会存在燃烧交互作用，进而影响混燃特性．Wang等[6]对玉米秸秆和半焦开展了混燃实验，发现半焦与玉米秸杆的混燃可分为多个阶段，且不同阶段的交互作用会对燃烧产生不同的影响效果；交互作用延迟了玉米秸秆的固定碳的燃烧，但提前了半焦挥发分的燃烧．Liu等[7]对烘烤后玉米秸秆与半焦的混燃开展了热重实验，玉米秸秆与半焦的交互作用主要发生在半焦挥发分与固定碳的燃烧过程中，且随着热处理玉米秸杆的程度增加，半焦和玉米秸秆的共燃协同性增加．Zheng等[8]研究了半焦与烟煤掺混后的燃烧特性，综合考虑着火及燃尽特性，建议掺混半焦比例不能超过45%．Qin等[9]研究结果发现糠渣与半焦混燃过程是一个复杂的过程，整个燃烧过程中都存在燃烧交互作用，当糠渣掺混比例大于80%时，组分燃料之间存在明显的抑制作用，不利于改善混合燃料的燃烧特性．

由于化石燃料的燃烧是CO2排放的重要贡献者，控制CO2排放已越来越受到人们的关注．在化石燃料利用过程中减少和控制CO2排放减少是控制化石燃料(主要指煤炭)利用过程中CO2排放的主要途径之一，这其中典型代表就是富氧燃烧技术．而生物质在整个利用过程的CO2排放量近似于零，半焦掺混生物质也能有效实现CO2减排．但对富氧条件下生物质与半焦混燃过程中交互作用的研究相对较少，基于此，本文开展了富氧条件下半焦和秸秆混燃交互作用的实验研究，以期为半焦和秸秆富氧混燃提供相关理论指导．

1 实验样品及方法

1.1 实验样品

生物质秸秆粒径选取75～150μm，制备半焦所选神华煤粒径为75～150μm．煤焦采用水平管式炉制备，温度分别设定为550℃、750℃、950℃、1150℃，样品分别标记为SHC(550)、SHC(750)、SHC(950)、SHC(1150)．焦样的制备主要流程为：①称取约1g煤粉颗粒均匀地铺于刚玉磁舟底部；②待水平管式炉温度升至设定温度后，以3L/min的流量向刚玉管内通入氩气，待排尽管内空气后，将刚玉磁舟快速推进刚玉管恒温区，反应时间设置为30min；③待反应完成后，将刚玉磁舟从加热区推出，并利用氩气吹刚玉磁舟冷却降温，待其冷却至室温后，取出样品并保存．每次实验前将样品放于105℃的烘箱内，以避免水分的干扰．样品工业分析及元素分析见表1．

表1 样品工业分析与元素分析

Tab.1 Proximate and ultimate analysis of samples

1.2 实验设备

采用德国耐驰热重分析仪开展半焦/秸秆混燃交互作用热重实验．每次实验取(10±0.1)mg样品放置于刚玉干锅中，气体总流量控制为100mL/min，采用程序升温，升温速率为20℃/min，热重设置采样初始温度设定为100℃，终止温度设定为900℃．主要开展如下实验：①不同半焦掺混比例及气氛对燃烧交互作用影响，②富氧气氛下氧体积分数对燃烧交互作用影响；③富氧气氛下半焦制备温度对燃烧交互作用影响．为保证实验结果的准确性，进行了3次重复性实验，并取实验结果的平均值．

1.3 交互作用衡量参数

根据热重曲线(TG)和失重速率曲线(DTG)，本文采用以下主要参数来研究半焦/秸秆富氧混燃下的交互作用[9-11]：

2 实验结果与讨论

2.1 掺混比例及气氛对半焦/秸秆混燃交互作用影响

图1为半焦与秸秆混燃热重曲线典型结果，可以看出，半焦与秸秆单独燃烧时其燃烧特性差异显著．半焦燃烧热重曲线只存在一个明显阶段，主要为少量挥发分与固定碳的燃烧，温度区间为450～650℃；而秸秆燃烧失重存在两个明显阶段，第一阶段主要是大量挥发分的析出与燃烧，温度区间为230～370℃，第二个阶段主要是固定碳的燃烧，温度区间为370～550℃．基于此，为便于交互作用的研究与分析，结合反应区间的差异，本文将混燃过程分为两个主要阶段：挥发分混燃阶段为秸秆挥发分与半焦少量挥发分混燃，固定碳混燃阶段为秸秆固定碳和半焦固定碳混燃．

图1 半焦与秸秆混燃典型热重曲线

O2/N2和O2/CO2气氛下不同掺混比例的热重曲线如图2所示．两种气氛下热重曲线都呈现出相似规律：掺混秸秆后，由于生物质中挥发分含量多，会优先着火燃烧放热，有利于半焦预热与挥发分析出、燃烧．随着秸秆掺混比例的增加，挥发分混燃阶段混燃热重曲线DTG峰值逐渐增大，固定碳混燃阶段DTG峰值逐渐减小，且燃尽终止温度逐渐向低温区移动．以上结果表明掺混秸秆有利于改善半焦的着火及燃尽特性．

对比O2/N2和O2/CO2气氛下热重曲线实验值与计算值(图3)以及交互作用衡量参数MR、RMS值(图4)，可以看出，O2/N2气氛下，挥发分混燃阶段DTG热重曲线实验值相对于线性计算值提前(即向低温区偏移)，MR＞0，这表明O2/N2气氛下掺混生物质秸秆有利于改善半焦与秸秆挥发分混燃阶段混燃特性；而O2/CO2气氛下，挥发分混燃阶段DTG热重曲线实验值相对于线性计算值滞后(即向高温区偏移)，MR＜0，这表明O2/CO2气氛下掺混生物质秸秆会轻微抑制半焦与秸秆挥发分混燃阶段混燃特性．出现以上现象主要是由N2和CO2的物性和化学反应差异造成的：与O2/N2气氛相比，O2/CO2气氛下氧或者秸秆挥发分的扩散速率更低，且半焦与秸秆挥发分燃烧温度更低．

图2 O2/N2和O2/CO2气氛下不同掺混比例样品的热重曲线

图3 O2/N2和O2/CO2气氛下热重曲线实验值与计算值对比

图4 O2/N2和O2/CO2气氛下交互作用指数kMR、kRMS

两种气氛下，随着秸秆掺混比例的提高，挥发分混燃阶段交互作用强度衡量指数RMS有所减小但不明显，这表明秸秆掺混比例对挥发分混燃阶段交互作用影响不明显．但在O2/N2和O2/CO2气氛下，固定碳混燃阶段热重曲线实验值相对于线性计算值都明显提前(即向低温区偏移)，MR＞0，这表明掺混秸秆有利于改善半焦与秸秆固定碳混燃阶段混燃特性；且随着秸秆掺混比例的提高，固定碳混燃阶段交互作用强度衡量指数RMS显著增大，这表明提高生物质秸秆掺混比例会显著增强固定碳混燃阶段燃烧交互作用．

2.2 富氧下氧体积分数对半焦/秸秆混燃交互作用的影响

图5为不同氧体积分数下样品燃烧热重曲线，图6为实验值与计算值对比．从图5可以看出，随着氧体积分数增加，半焦热重曲线显著向低温区移动，秸秆在挥发分燃烧阶段DTG峰值逐渐增加，而在固定碳燃烧阶段DTG曲线变化不明显；半焦与秸秆挥发分混燃阶段DTG曲线变化不明显，半焦/秸秆固定碳混燃阶段DTG曲线显著向低温区移动．这表明，氧体积分数对半焦/秸秆混燃影响主要是通过对组分半焦的影响而引起的．

结合图6和图7可以看出，随着氧体积分数增加，挥发分混燃阶段DTG实验曲线相对于线性计算曲线滞后程度以及两者DTG峰值差异逐渐增加，MR＜0，交互作用强度衡量指数RMS逐渐增大，这表明富氧气氛下提高氧体积分数会增强挥发分混燃阶段交互作用；与此同时，固定碳混燃阶段DTG实验曲线相对于线性计算曲线提前程度以及两者DTG峰值差异逐渐降低，MR＞0，交互作用强度衡量指数RMS逐渐减小，这表明富氧气氛下提高氧体积分数会减弱固定碳混燃阶段交互作用．

图6 不同氧体积分数下热重曲线实验值与计算值对比

图7 不同氧体积分数下交互作用衡量指数kMR和kRMS

2.3 制焦温度对半焦/秸秆混燃交互作用的影响

图8为21%O2/79%CO2气氛下不同温度制备的半焦单独燃烧以及与秸秆混烧时热重曲线，可以看出，随着制焦温度提高，半焦单独燃烧热重曲线逐渐向高温区移动，着火及燃尽温度逐渐显著升高，这主要是由于制焦温度越高，半焦中挥发分含量越低，越难着火燃烧．不同制焦温度制得的半焦与秸秆混烧时，挥发分混烧阶段热重曲线变化不明显，而固定碳混燃阶段热重曲线变化显著．

图8 不同温度制备的半焦及掺混样品热重曲线

图9为不同制焦温度热重曲线实验值与计算值对比，图10为交互作用衡量指数MR、RMS值．可以看出，对挥发分混燃阶段燃烧而言：随着制焦温度提高，DTG曲线实验值相对于计算值曲线滞后程度以及峰值差异变化不明显，MR＜0，且交互作用强度衡量指数RMS变化不明显，这表明制焦温度会增强燃烧交互作用．对固定碳混燃阶段燃烧而言：随着制焦温度提高，DTG曲线实验值相对于计算值曲线提前程度以及峰值差异逐渐增加，MR＞0，且交互作用强度衡量指数RMS逐渐增加，这表明制焦温度会减弱燃烧交互作用．

图9 不同制焦温度下热重曲线实验值与计算值对比

图10 不同制焦温度下交互作用衡量指数kMR、kRMS

3 结 论

生物质挥发分含量高、固定碳含量低，而半焦挥发分含量低、固定碳含量高，半焦掺混生物质能有效改善半焦的着火及燃烧特性，但由于生物质与半焦燃烧特性的差异明显，在混燃过程中组分燃料间会存在燃烧交互作用，进而影响混燃特性．本文利用热分析方法对富氧条件下半焦和秸秆混燃交互作用开展了实验研究，主要结论如下．

(1)由于两种燃料燃烧特性的差异，可将半焦和秸秆混燃分为秸秆挥发分与半焦挥发分共燃阶段、秸秆固定碳与半焦固定碳共燃阶段．

(2)掺混秸秆对挥发分混燃阶段交互作用影响较弱，对固定碳混燃阶段交互作用影响显著，且提高掺混比例会增强固定碳混燃阶段交互作用．

(3)与线性计算曲线相比，在O2/N2气氛下挥发分混燃阶段实验反应速率曲线有所提前，而在O2/CO2气氛下滞后，两种气氛下固定碳混燃阶段实验反应速率曲线都明显提前．

(4)O2/CO2气氛下增加氧体积分数或提高制焦温度都会轻微增强挥发分混燃阶段交互作用、显著减弱固定碳混燃阶段交互作用．

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Experimental Study on Combustion Interaction of Semi-Coke Co-Firing with Straw in Oxy-Fuel Condition

Ma Lun1,2，Chen Xinke1，Fang Qingyan1，Xia Ji2，Zhang Cheng1，Chen Gang1

(1. State Key Laboratory of Coal Combustion，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China；2. Wuhan Huazhong Sineng Technology Co.，Ltd，Wuhan 430073，China)

In this paper，the combustion interaction between semi-coke and biomass straw in oxy-fuel condition was studied experimentally. Results show that the blending straw has a relatively weak effect on the combustion interaction at the volatile co-firing stage，but it has a significant effect on the combustion interaction at the fixed-carbon co-firing stage，and increasing the mixing ratio will enhance the combustion interaction at the fixed-carbon co-firing stage. Compared with the linear calculation results，the experimental results of the thermogravimetric curve at the volatile co-firing stage are advanced in the O2/N2atmosphere，but delayed in the O2/CO2atmosphere. The experimental results of the thermogravimetric curves at the fixed-carbon co-firing stage in these two atmospheres are significantly ahead of the linear calculated values. In the O2/CO2atmosphere，with the increase in the oxygen volume fraction or semi-coke temperature，the combustion interaction at the volatile co-firing stage is slightly enhanced，while that at the fixed-carbon co-firing stage is significantly weakened.

oxy-fuel atmosphere；semi-coke；biomass；co-firing；combustion interaction

TK6

A

1006-8740(2022)03-0247-07

2021-03-02．

中国博士后科学基金资助项目(2019M652639)；武汉市企业技术创新项目(2020020602012150).

马 仑（1990—  ），男，博士，助理研究员.

马 仑，malun3g@126.com.

10.11715/rskxjs.R202204010

(责任编辑：武立有)