稻壳与煤混合燃烧特性试验

余 万，刘骁纬，廖 雷，王 岗，高振军，ISHNAZAROV Oybek

稻壳与煤混合燃烧特性试验

余 万1,2，刘骁纬1,2，廖 雷1,2，王 岗1,2※，高振军1,2，ISHNAZAROV Oybek3

（1. 水电机械设备设计与维护湖北省重点实验室（三峡大学），宜昌 443002；2. 三峡大学机械与动力学院，宜昌 443002；3. Institute of Energy Problems of the Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan, Tashkent 100125, Uzbekistan）

采用非等温热重法对稻壳、煤及其混合燃料进行燃烧试验，使用Flynn-Wall-Ozawa（FWO）和Kissinger- Akahira-Sunose（KAS）2种方法分析了样品的燃烧反应动力学参数，分析了掺混比、升温速率对燃烧特性参数的影响，探讨了燃烧过程中混合燃料成分间的协同效应。结果表明：混合燃料的点火温度与纯煤相比有明显降低，燃烧特性有明显改善，随着稻壳掺混比由10%升至70%，燃尽温度从730℃降低至650℃，燃尽程度也逐渐变大，失质量从86.1%增至91.5%，综合燃烧特性指数从2.153×10-8增加到1.183×10-7；随着升温速率的增加，混合燃料的燃尽温度和综合燃烧指数均会增大，但点火温度和燃尽程度几乎不变；稻壳与煤混合燃烧时组分间会发生协同作用，且随着稻壳掺混比的增加，协同效应参数逐渐增大，协同效应越来越明显；FWO和KAS法得到的煤的活化能分别为37.66和31.00 kJ/mol，稻壳的活化能分别为20.96和16.30 kJ/mol；混合燃烧过程中，活化能随着温度和转化比而改变，随着稻壳掺混比的增加呈现出先增大后减小的趋势。

动力学；燃料；稻壳；燃烧特性；掺混比

0 引 言

生物质是唯一可再生的含碳资源，发展生物质能是实现“双碳”目标的重要途径[1]。作为农业大国，中国每年生产大量的生物质资源，然而，稻壳和秸秆等生物质通常被视为农业废弃物，被留在耕地或直接焚烧，这可能造成空气和水的污染以及能源损失[2-3]。若将这些生物质废料作为能源利用起来，预计有4.02亿t标准煤当量，相当于全国煤炭消费量的13%[4]。但是生物质热值低，密度低，含水量高等缺点也限制了生物质能源的大规模应用[5]。所以将煤和生物质混合燃烧被认为是促进生物质利用和减轻碳排放最有效的方法之一，研究煤和生物质的混合燃烧特性对于实现“双碳”目标具有重要意义[6]。

对于生物质与煤的混合燃烧特性研究包括分析燃料的特征温度、反应性、动力学参数，并分析混合燃料成分对所列特性的影响。梅艳阳等[7-8]发现生物质经过初步热处理（炭化）后能使其特性更接近于煤的特性，从而能在不需要对锅炉进行重大改造的情况下实现生物质燃料在燃煤锅炉中的混燃，也不会对锅炉效率有负面影响[9-10]。陈继辉等[11]认为生物质与煤的混合可以更好地控制整个燃烧过程，主要有以下两点：在混燃中，生物质的加入不仅能降低点火温度还能提供更稳定的火焰，这是由于生物质内含有较高比例的挥发分[12]。其次，煤和生物质的混合燃烧可以减少纯生物质燃烧时灰烬沉积和结垢的问题[13]。刘翔等[14]分析了草本类生物质的质量对烟煤混烧特性的影响，罗娟等[15]研究了生物质颗粒的种类对燃烧特性及燃烧产物影响，杨洺溦[16]分析了煤与生物质混合燃烧对于NOX排放的影响。对于生物质与煤混合燃料特性的研究主要集中在燃料的热解、燃烧及动力学分析[17-19]。

本文选用农业生物质中产量较大的稻壳为对象，采用热重法对稻壳与煤的混合燃料在不同掺混比和不同升温速率下的燃烧特性进行试验分析，并与纯稻壳和纯煤的燃烧特性进行比较。在此基础上，利用热重分析曲线结合Flynn-Wall-Ozawa（FWO）和Kissinger-Akahira-Sunose（KAS）动力学方法计算混合燃料的活化能，分析影响因素和反应机理，旨在为稻壳的高效燃烧提供的数据参考。

1 试验材料和方法

1.1 试验样品的制备

试验所用煤为华能平凉煤，简称煤（Huaneng coal, HC），所用稻壳（rice husk, RH）为重庆地区2021年稻谷所产，使用小型粉碎机分别对其进行粉碎，经筛分后进行工业分析和元素分析，结果如表1所示。然后通过物理混合得到稻壳质量掺混比10%、30%、50%、70%的四种混合燃料样品。

表1 稻壳与煤的工业分析和元素分析

注：ad为空气干燥基样品。

Note: ad is an air-dried base sample.

1.2 试验方法及仪器

热重试验采用的仪器是北京恒久科学仪器厂生产的综合热分析仪HCT-4型。单次样品质量为（10±0.5）mg，陶瓷坩埚采用Al2O3材料，气体为干燥空气，流量100 mL/min，试验温度范围在25～1 500 ℃。在10、20、30 ℃/min三种不同升温速率下，对煤（HC）、稻壳（RH）及混合燃料（10%RH90%HC、30%RH70%HC、50%RH50%HC、70%RH30%HC）分别进行燃烧试验。

1.3 燃烧特性分析

本文采用点火温度、燃尽温度和综合燃烧特性指数作为燃烧特性的评价指标。

点火温度由TG-DTG（thermogravimetric-derivative thermogravimetry）曲线作图法得到，DTG曲线最大峰值处作垂线与TG曲线相交，过交点作TG曲线的切线，然后在TG曲线上失质量开始处作水平线交切线于一点，此点对应的温度即为点火温度（T，℃）。

燃尽温度（T，℃）为样品质量损失达到总失质量的98%时所对应的温度。

点火温度高意味着燃料的热稳定性好，难以点燃。燃尽温度值高是由于燃料的固定碳含量较高，需要更长的加热时间和更高的温度才能完全转化。

综合燃烧特性指数是综合表征燃料的着火和燃尽特性的参数，其值越高意味着燃料拥有更好的燃烧性能。综合燃烧特性指数由式（1）计算[20]：

式中max是样品燃烧过程中的最大失质量速率，%/min；mean是样品点火温度和燃尽温度之间的平均失质量速率DTGmean，%/min；由式（2）计算[20]：

1.4 协同效应分析

为探讨混合燃料燃烧过程中各成分间的协同效应，可对混合燃料热重曲线的试验值、理论值及协同效应参数进行分析。

首先基于组分的加权平均值计算每种混合燃料的理论DTG曲线[21]：

理论值=1稻壳+2煤（3）

式中1和2分别是混合燃料中稻壳与煤的质量分数，%；为各组分失质量速率。

将稻壳与煤燃烧过程中的最大失质量速率点对应的温度、燃尽温度及点火温度到最大失质量速率点温度所用的时间结合起来，得到协同效应参数，通过参数数值大小来判断燃烧过程中是否存在协同作用。协同效应参数S可由式（4）计算[22]：

式中blend为混合燃料的协同效应指数，HC为HC的协同效应指数，℃-3·min-1/2。协同效应指数I可通过下式求解

式中t为点火温度到最大失质量速率点温度所用的时间，min；T为最大失质量速率点温度，℃。

为了保证参数的准确性，基于混合燃料的理论结果创建基线，通过比较确定燃烧过程中是否会发生协同效应；当S＞1.15时，燃烧过程会发生明显的协同效应；当0.8≤S≤1.15时，燃烧过程的协同效应不明显；当S小于0.8时，说明混合燃料的燃烧性能变差[22]。

1.5 动力学分析

动力学分析是研究燃烧反应机理的基础。对热重试验结果进行定量分析，可以得到热分解过程的动力学参数[23]。在试验测量中，参数r为质量百分数，%；为测试时的质量，0为样品初始质量，g。

式（7）和（8）这两个通用动力学表达式通常用来计算在气-固反应中的整个反应速率，其中()是作为时间函数的无量纲质量转化比[24]：

式中()为时刻样品的质量，g；m为样品燃烧后的最终质量，g。

的变化率由下式给出：

式中为温度，℃；为指前因子，为理想气体常数（8.314 J/mol·K），为活化能，kJ/mol；()为微分反应机理函数。()表示反应过程中材料的化学或物理特性的变化[25]。

函数()表示为等式

式中是非等温试验中的反应级数。

式（8）可以转换为非等温的反应速率，将其描述在恒定加热速率(=d/d)下的温度函数：

积分上式得到非等温速率定律的积分形式：

式中()是转化的积分函数，0是燃烧反应的初始温度, ℃。

根据式（6）可以使用各种方法来获得动力学参数和，kJ/mol。

1.5.1 Flynn–Wall–Ozawa(FWO)法

FWO法基于Doyle近似[26]。将反应速率定律变为对数形式，得到式（12）：

对于给定的转化比，从lg与1/的线性相关关系中可以得到不同加热速率的活化能。在这种方法中，右侧的对数也是常数。即通过绘制lg与1/的关系，可以从所得直线的斜率获得活化能，kJ/mol。

1.5.2 Kissinger–Akahira–Sunose(KAS)法

KAS方法的原理与FWO方法类似。该模型基于式（13）：

所以，对于KAS来说，根据ln(2)和1/，可以从试验数据中获得一条直线来计算不同转化比对应的活化能，kJ/mol。

2 结果与分析

2.1 混合燃料的基础特性

表1显示了稻壳与煤的物理化学特性。工业分析表明，稻壳相比于煤具有更高的挥发分含量，这意味着稻壳的加入有利于提高混合燃料在温度较低时的反应性，从而提高着火性能；而煤中更高的固定碳含量会使混合燃料的燃烧过程更稳定。同样，稻壳较低的灰分含量不会影响混合燃料的燃烧速度并造成结垢。从元素分析来看，稻壳更高的氢含量和氧含量，使得其具有较强的热反应性，而稻壳中较低的硫含量使得其在热分解过程中仅有少量硫氧化物的释放。对比稻壳与煤的基本特性发现两种燃料在燃烧方面具有互补性，因此稻壳与煤的混合燃料具有一定的燃烧潜力。

2.2 掺混比对燃烧特性的影响

图1和图2分别为煤（HC）和稻壳（RH）及混合燃料在20 ℃/min的升温速率下燃烧获得的失质量（TG）和失质量速率（DTG）曲线。

从图1可以发现，不同掺混比下，样品的燃烧特性存在着显著差异。当温度升至580 ℃时，稻壳（RH）几乎完全燃烧完毕，而此时煤（HC）的失质量仅为62%。煤（HC）和稻壳（RH）在燃烧结束后的失质量分别为84.5%和92.2%，残余质量与其灰分含量近乎一致。而4种混合燃料的TG曲线位于煤（HC）和稻壳（RH）曲线之间。

注：图例中百分数为质量分数，下同。

图2 稻壳/煤混合燃料的微商热重曲线

结合图1和图2曲线分析，稻壳(RH)的燃烧过程分为3个阶段。在温度从25 ℃到140 ℃的区间为第一个阶段，这与其固有水分的蒸发有关，失质量为总质量的7%左右，与工业分析的水分含量6.46%相近。第二阶段约从140 ℃到370 ℃，这个阶段主要为挥发分的释放，失质量为67%左右。文献研究表明，稻壳主要由纤维素（34%～42%）、半纤维（16%～22%）、木质素（21%～26%）、二氧化硅（10%～21%）以及少量粗蛋白和粗脂肪组成[27-29]。由于半纤维素、纤维素和木质素的分解分别发生在225～325、305～375和250～500 ℃的范围内[30]。因此，第二阶段有大量半纤维素、纤维素和木质素等有机物热解生成挥发性物质和燃烧形成生物质炭，在此阶段TG曲线急剧下降，DTG曲线在297.9 ℃时出现显著峰值，失质量为总质量的38.5%。第三个阶段为370到580 ℃的区间，此阶段的失质量为总质量的28%。这是木质素分解最多的阶段，木质素是生物质受热分解中最稳定的成分，也是形成生物质炭的主要成分[31]。由于反应性与DTG曲线峰值对应的温度值成反比并且与峰高成正比，失质量率的小峰值也表明木质素的低反应性。

由于水分的失去，煤（HC）在25到235 ℃的温度范围内出现了初始失质量阶段。煤的热反应在240到780 ℃的温度区间内仅有一个主峰，其最大失质量率对应的温度约为505 ℃。这是由于煤（HC）的挥发分和固定碳的含量占总成分的75%左右，且这两种成分受热反应的温度区间重合，所以整个失质量过程中的唯一主峰即煤质量损失基本取决于挥发分释放和固定碳燃烧，这与他人的研究结论相吻合[32]。由表1可知，因为煤（HC）的挥发分含量低于稻壳（RH），其燃烧的放热量对固定碳燃烧的促进作用不明显，使得煤（HC）的最大失质量速率远小于稻壳（RH）。

由图1和图2中混合燃料样品燃烧的TG曲线和DTG曲线与煤（HC）对比得出，混合燃料具有2个氧化过程，第一个过程在180到370 ℃的温度区间，这个过程主要为半纤维素和纤维素降解生成挥发性物质，使得DTG曲线出现峰值；在370到700 ℃这个较大的温度区间内为第二个氧化过程，这是由于煤中挥发物的释放，连同生物质炭在整个温度范围内缓慢燃烧。由图可知，随着稻壳掺混比的增加：混合燃料的曲线向稻壳（RH）靠拢，失质量占样品质量的比例随之增大，分别为86.1%、86.2%、89.2%、91.5%，且燃尽温度也随之减小，表明燃烧反应逐渐提前完成且燃尽程度也逐渐变大，这是由于稻壳的掺混减少了混合燃料中灰分的含量，降低了灰分阻燃的影响，使得反应可以提前完成；混合燃料的DTG曲线向低温区移动即低温时燃烧失质量速率增大，说明燃烧过程的反应性越来越好，这是由于稻壳的掺混增加了混合燃料中的挥发分含量，挥发分析出后增大了样品的孔隙率，增大了与反应气体的接触面积，且挥发分燃烧所产生的热量对混合物中固定碳起到了预加热和结构疏松的作用，使得混合物燃烧向低温区移动。

图3显示了煤（HC）、稻壳（RH）及混合燃料的燃烧特性参数。从图中看出，随着稻壳（RH）的加入，混合燃料的点火温度和燃尽温度相比于煤（HC）都出现大幅降低。随着稻壳掺混比由10%升至70%，点火温度维持在纯稻壳点火温度250 ℃左右，远低于煤的点火温度360 ℃，混合燃料的燃尽温度从730降低至650 ℃。值得注意的是，在混合燃料仅有10%稻壳掺混比例时，其点火温度与稻壳（RH）相差甚微，这是由于在较低温度时，高挥发分的稻壳（RH）点火燃烧引起了混合燃料整体点火；而少量的稻壳掺混对燃尽温度和综合燃烧指数的影响不及较高掺混比例的混合燃料。在较高掺混比时，混合燃料的燃尽温度趋于定值，这是由于其中较少量的煤固定碳对燃烧过程延迟影响有限。70%掺混比混合燃料的燃烧指数相比于30%和50%时具有更大增幅，同时70%掺混比混合燃料的点火温度和纯稻壳几乎一致，而其燃尽温度相较纯稻壳又有较大增幅，这意味着较高掺混比混合燃料拥有更宽泛的燃烧温度区间，明显改善了纯稻壳燃烧过快的特性。同样较高的掺混比混合燃料提高了纯煤的燃烧特性，综合燃烧指数由2.153×10-8增加到1.183×10-7。综上，较高反应性稻壳（RH）的加入有助于启动煤的燃烧过程。

图3 稻壳/煤混合燃料的燃烧特性参数

2.3 升温速率对燃烧特性的影响

升温速率是影响燃料燃烧过程十分重要的因素。70%RH30%HC混合燃料在10、20和30 ℃/min升温速率下的TG和DTG曲线如图4、图5所示。由图可知，样品在不同升温速率下的TG、DTG曲线变化趋势相似。由TG曲线可知，样品在不同升温速率下的最大失质量几乎一致，说明升温速率对燃料的燃尽程度影响不大，最大失质量主要取决于燃料的灰分含量。由DTG曲线可知，混合燃料的失质量过程中2个峰值点都出现增大，第一个峰值点增大是由于提高升温速率使得半纤维素和纤维素热降解加快，第二个峰值点是由于提高升温速率对固定碳燃烧具有促进作用。

图4 不同升温速率下混合燃料的热重曲线

图5 不同升温速率下混合燃料的微商热重曲线

图6为不同升温速率下混合燃料的燃烧特性参数，由图可知，随着升温速率从10增加至30 ℃/min，混合燃料的点火温度（T）变化甚微，仍在250 ℃左右，而燃尽温度（T）从562.3升至700 ℃。这是由于生物质炭燃烧是一个缓慢氧化过程，需要较长的时间，因此高升温速率也具有更高的燃尽温度，意味着样品的燃烧过程的温度区间更宽泛。升温速率的提高对混合燃料的综合燃烧指数（）有着增益作用，综合燃烧指数从3.8×10-8增加到1.923×10-7。这是由于样品的非等温行为，较高的升温速率意味着达到特定环境温度的时间更短，这会导致表面与颗粒核心之间的温差相对较大。因此，加热速率肯定会增强从颗粒表面到核心的热传递。然而随着升温速率的增加，样品的内部温差随之变大，燃烧过程的产物不能够及时逸出，从而限制了样品内部的燃烧进程，造成了燃烧热滞后的现象，与ZHUO等[33]的研究相吻合。

2.4 稻壳与煤混合燃烧中的协同效应

4种混合燃料在20 ℃/min的升温速率下的DTG理论和试验曲线如图7所示，试验与理论曲线的变化趋势比较相似。

相比于理论曲线，试验曲线主要偏差为燃烧过程的DTG峰值更大且燃烧温度范围更小，这是由于半纤维素和纤维素热分解产生的挥发物质加速了煤的脱挥发分过程，其次稻壳中存在的一些碱金属或碱土金属对煤的燃烧起到了促进作用。

煤（HC）和不同掺混比的混合燃料的协同效应参数如表2所列。由表2可知，不同掺混比例的混合燃料协同效应参数都在比较基线以上，说明了不同掺混比的混合燃料在燃烧过程中都发生了明显的协同作用，而且随着稻壳掺混比的增加，协同效应参数逐渐增大，协同效应越来越明显，其中70%RH30%HC混合燃料的协同效应最为明显。

图6 不同升温速率下混合燃料的燃烧特性参数

图7 混合燃料的试验和理论DTG曲线比较

表2 煤和不同掺混比的混合燃料的协同效应参数

综上，理论与试验偏差表明混合燃料的燃烧行为不能通过纯燃料特性的简单线性相加来预测。可以认为，在稻壳与煤的混燃过程中确实存在协同促进作用。

2.5 动力学参数分析

通过FWO和KAS方法评估了掺混比对燃烧反应动力学的影响。其中不同混合燃料活化能的求解由同一转化比时，对应10、20和30 ℃/min升温速率的温度，求出三个数据点，进行线性拟合得到线性方程式解析解，将所得方程式与方程（12）、（13）分别对应比较，根据斜率求解得到两种方法的活化能值。在求解中仅使用转化比在0.2至0.8范围的对应值，这是因为该范围之外数据的相关系数较差，且该范围之外过程为水分损失和燃尽后过程，不具有分析意义。表3显示了每个转换比相应的活化能值和其决定系数（2）。活化能为对应于不同转化比的算术平均值。从表3可发现在转化比()0.2～0.8范围内对样品表观活化能进行计算时具有良好的线性拟合结果，所有决定系数（2）大于0.93，并且大于BURATTI等[34-35]研究中的相关系数，说明本文中FWO和KAS两种方法计算的结果具有可靠性。

需要注意的是，上述两种方法计算的活化能值为聚合值，与任何单个反应步骤无关，其反映了不同转化比时平行反应过程对总反应速率的影响。

由表3得知，FWO法得到的活化能均高于KAS法，但整体趋势相似，这是由于样品和试验条件的不同，不同的动力学方法在计算活化能方面会有不同的值，这与KÖK等[36]的结论一致。表中华能平凉煤（HC）燃烧过程中通过FWO和KAS方法计算的活化能值分别为37.66和31.00 kJ/mol，稻壳(RH)的活化能值分别为20.96和16.30 kJ/mol。

表3 稻壳/煤混合燃料的活化能

在固体燃烧过程中，样品活化能随着温度和转化比而改变。所有样品的活化能都呈现出先增大后减小的趋势。在转化比0.2～0.8的范围内，稻壳的活化能始终小于煤，混合燃料与煤的活化能变化有相似趋势。煤（HC）在转化比0.4～0.5时其活化能减小最多，温度范围在480～525 ℃间，这是由于挥发分释放和固体碳燃烧；稻壳（RH）在转化比0.5～0.6时其活化能减小最多，这是由于挥发性物质生成和燃烧形成生物质炭，温度为300 ℃与上文中所述最大失质量速率点温度一致，因此活化能随转化比的关系证实了DTG曲线显示样品燃烧中的存在多个热分解过程的特性。不同样品活化能随转化比的不同趋势反应了混合燃烧的复杂性。

值得注意的是，对10%RH90%HC混合燃料，活化能呈增大减小再增大减小的趋势，这是因为在0.2～0.4转化比时即温度较低时，稻壳已进行到燃烧阶段，使其活化能出现第一次增大减小趋势；而由于含量较少无法引起整体混合燃料的燃烧反应，所以在0.5～0.7转化比时即煤的燃烧阶段时，活化能呈现再次增大再减小的趋势。

为进一步探讨混合燃料成分间的协同作用，从表3中可以发现，各样品的活化能平均值呈现出先增大后减少趋势，这表明在加入较少量稻壳时，无法促进混合燃料反应，且会出现相比纯煤更难引起燃烧反应的现象，这是因为少量稻壳使得其反应过程分为两个阶段，即低温时少量稻壳已结束热分解，高温时仅有剩余纯煤燃烧，如图7所示，10%RH90%HC混合燃料的试验曲线第二个氧化过程和理论曲线的高度重合也证明了上述观点。其中70%RH30%HC相比几种混合燃料的活化能值最低，同样此种混合燃料相比纯稻壳的活化能差量较小，这意味着此混合燃料燃烧反应是几种混合燃料中最容易的。而在上文分析中，此种混合燃料的综合燃烧指数也是相对最优的，活化能分析也证实了这一点。

3 结 论

1）稻壳的点火温度和燃尽温度均比煤要低。与纯煤相比，稻壳/煤混合燃料的燃烧特性有明显改善，点火温度维持在纯稻壳点火温度250 ℃左右，远低于煤的点火温度360 ℃，但随着稻壳掺混比由10%升至70%，混合燃料的燃尽温度从730 ℃降低至650 ℃，燃尽程度也逐渐变大，失质量从86.1%增至91.5%，综合燃烧特性指数从2.153×10-8增加到1.183×10-7；混合燃料拥有更宽泛的燃烧过程，明显能改善纯稻壳燃烧过快的特性，同时也能提升纯煤的燃烧特性

2）不同的升温速率下，混合燃料的点火温度变化不大，仍维持在纯稻壳点火温度250 ℃左右，燃尽程度也几乎不变，但随着升温速率从10增加至30 ℃/min，混合燃料的燃尽温度从562.3升至700 ℃，综合燃烧指数从3.8×10-8增加到1.923×10-7。

3）混合燃料的燃烧失质量情况不能简单由组分叠加而成，因为组分间会发生协同作用，且随着稻壳掺混比的增加，协同效应参数逐渐增大，协同效应越来越明显。

4）FWO法和KAS法用来计算燃烧过程活化能时，均具有较好的可靠性，两种方法得到的煤的活化能分别为37.66和31 kJ/mol，稻壳的活化能分别为20.96和16.3 kJ/mol；随着燃料转化比的增大，活化能呈现出先增大后减小的趋势，混合燃料的活化能随着稻壳掺混比的增加先增大后减小，在10%掺混比时达到最大。

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Experimental investigation on the co-combustion characteristics of rice husk and coal

YU Wan1,2, LIU Xiaowei1,2, LIAO Lei1,2, WANG Gang1,2※, GAO Zhenjun1,2, ISHNAZAROV Oybek3

(1.,,443002,; 2.,443002,;3.,100125,)

Rice husk is one of the major biomass sources in the boilers and furnaces in modern agriculture. Particularly, the combustion characteristics can be in the appropriate state. It is very essential to the combustion characteristics of rice husk and coal blend fuels, in order to effectively promote the biomass utilization and mitigate carbon emissions. Fortunately, the thermogravimetric analysis can serve as one of the most significant approaches for the combustion characteristics. In this study, a systematic investigation was made to determine the combustion characteristics of rice husk, coal, and their blended fuel using thermogravimetric analysis. The samples of blended fuel were prepared with the rice husk mass ratio of 10%, 30%, 50%, and 70%. A series of combustion experiments were was carried out in the temperature zone of 25℃ to 1200℃ with three heating rates of 10, 20, and 30℃·min-1. The evaluation indexes were selected as the ignition temperature, burnout temperature, and the integrated combustion characteristic index. Furthermore, Flynn-Wall-Ozawa (FWO) and Kissinger-Akahira-Sunose (KAS) methods were used to calculate the combustion kinetic characteristic parameters. The results show that the ignition temperature and burnout temperature of rice husk were lower than those of coal. There were the significantly improved combustion characteristics of rice husk/coal blended fuel, compared with the pure coal. The addition of rice husk with the high volatile matter content was improved the reactivity of the blended fuel at the lower temperatures, and thus improve the ignition performance. The higher content of fixed carbon in the coal was greatly contributed to the more stable combustion process of the blended fuel. There was no influence in of the lower ash content of rice husk on the combustion rate of the blended fuel and fouling. The optimal ignition temperature of rice husk and coal were 250℃ and 360℃, respectively. The ignition temperature of blended fuel was around 250℃, which was independent of the rice husk mass ratio. However, the burnout temperature of the blended fuel decreased from 730℃ to 578℃ with the increase of rice husk blending ratio from 10% to 70%. The burnout degree also gradually increased, with the weight loss increasing from 86.1% to 91.5%. The comprehensive combustion characteristic index also increased from 2.153×10-8to 1.183×10-7. The blended fuel presented a wider combustion process. At the same time, the combustion characteristics of blended fuel were significantly improved, compared with the pure coal and rice husk. There was little effect of the heating rate on the ignition temperature of blended fuel, which was still around 250℃ at different heating rates. The maximum weight loss rate was also unrelated to the heating rate. However, the burnout temperature of the blended fuel increased from 562.3℃ to 700℃, as the heating rate increased from 10℃·min-1to 30℃·min-1. The comprehensive combustion index increased from 3.8×10-8to 1.923×10-7. The experimental curves of blended fuel presented the a larger peak weight loss rate and smaller temperature range, compared with the theoretical TG curves. The combustion weight loss of blended fuel was failed to simply calculate using linear stacking of the components. There was the a synergistic effect between the rice husk and coal during the co-combustion process. Specifically, the synergistic effect parameters gradually increased with the increasing increase of the rice husk mass ratio, indicating the a more outstanding synergistic effect. The combustion activation energy of all samples was calculated by the FWO and KAS, indicating the an excellent correlation coefficient. The activation energy of coal obtained by FWO and KAS were 37.66, and 31 kJ/mol, respectively. The activation energy of rice husk were 20.96, and 16.3 kJ/mol, respectively. The activation energy of blended fuel increased first and then decreased with the increase of combustion temperature, and rice husk mass ratio, respectively. The maximum activation energy was obtained at a 10% blending ratio.

kinetics; fuel; rice husk; combustion characteristics; mass ratio

10.11975/j.issn.1002-6819.202210113

S216.2

A

1002-6819(2023)-01-0203-09

余万，刘骁纬，廖雷，等. 稻壳与煤混合燃烧特性试验[J]. 农业工程学报，2023，39(1)：203-211. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202210113 http://www.tcsae.org

YU Wan, LIU Xiaowei, LIAO Lei, et al. Experimental investigation on the co-combustion characteristics of rice husk and coal[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2023, 39(1): 203-211. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202210113 http://www.tcsae.org

2022-10-17

2022-12-31

湖北省引进外国人才和智力项目（2022EJD023）

余万，博士，副教授，研究方向为新能源利用及强化传热。Email：yuwan@ctgu.edu.cn

王岗，博士，讲师，研究方向为新能源利用及强化传热。Email：gwang2019@126.com