生物质与煤粉混合试验研究方法

韩娟娟，王金星，周 兴，刘慧敏，王春波

0 引言

我国是一个农业大国，生物质资源相当丰富，因此生物质能作为新型的能源具有广阔的发展前景。生物质与煤混合利用不仅符合我国未来一段时间内仍以煤碳为主的能源发展结构，而且也是降低CO2净排放，改善生态环境的一个最有效的方法［1］。

近年来，国内外对生物质与煤粉混合热解、燃烧、气化均做了大量的试验研究。阎维平等［2］通过分析生物质与煤粉不同掺混热解的试验结果，得出了生物质与煤共热解过程中存在协同作用的结论。朱孔远等［3］通过分析两种煤种分别与生物质不同掺混的试验结果，研究得出煤阶对煤与生物质共同热解的气态产物有明显的影响。同时也揭示了协同作用的存在。王玉召等［4］利用热重分析仪对麦秆与煤粉不同掺混比例进行了混燃特性研究，得到了生物质有助于改善煤粉的燃烧特性，随生物质质量掺混比的增加，燃料的着火温度和燃烬温度降低的结论。张媛等［5］在CO2气氛下对烟煤和小麦秸秆不同掺混比例制成的焦样进行了气化的反应动力学分析，得到了掺混秸秆使制得焦样的其活化能比烟煤焦显著降低，促进了混合焦的CO2气化反应进行的结论。王金星等［6］利用恒温热重法对烟煤/生物质混燃特性进行了试验研究，得到了生物质对煤粉有促进燃烧和燃烬作用的结论。

生物质与煤粉不同掺混比进行试验研究，能较准确地分析出生物质掺混比例对混合利用的影响。但由于生物质与煤粉的工业成分存在很大的差异，使得呈现的试验结果没能排除不参与试验反应部分造成的影响。如能在分析试验结果时将不参与试验反应部分从试样重量中除去，无疑使得呈现的试验结果更具有可比性。

本工作对煤粉与生物质不同比例掺混的试样进行热解、混燃、气化试验结果比对，希望能对生物质与煤粉混合利用的试验分析，有一定的参考价值。

1 试验样品与设备

本试验所用的设备为:恒温热重分析仪、真空干燥箱、马弗炉、电子分析天平、管式炉、热天平。试验煤种:长焰煤，粒度80 目到120 目。生物质:木屑，粒度80 目到120 目。工业分析如表1。

表1 试样的工业分析Tab．1 Proximate analysis of test samples

2 分析方法介绍

在分析生物质与煤混合试验结果中，大多都采用参数质量余量对试验结果进行分析比较。质量余量:试样在试验过程中的质量在原始质量的百分数。

即:

式中:m0为试样的初始质量;m 为试验过程中试样的质量。

该分析试验结果的方法消除了每次取样不均对试验结果的干扰，使得反应出的影响因素比较接近实际情况。但是生物质与煤混合试验研究时，由于试样工业分析成分差异较大，使得不能参加反应的成分对分析试验结果产生了很大的干扰。进而在进行不同掺混比较时存在一定的困难。

为了更具有可比性地分析试验结果，本文定义了一个参数可失重份额:除不能参加反应的成分以外，试样在试验过程中其余成分剩余的质量占原试样中该部分质量的百分数。

即:

式中:m0为试样的初始质量;m 为试验过程中试样的质量;m∞为试样中不参与反应的成分质量，对于煤粉/生物质混合利用的3 种形式，均以燃料工业分析中灰分含量计算得出的试样所含灰分质量为m∞。

3 实例与讨论

3.1 混合热解

热重分析以高纯度氮气 (99.999%)为载体，气体流量为100 mL/min。试验样品为煤粉与木屑及其掺混比例为3∶1，1∶1，1∶3。每次试验试样为(10 ±0.1)mg，升温速率为50 ℃/min，从室温加热到700 ℃。用两种方法分析试验结果，如图1。

如图1 (a)所示，采用参数质量余量得到的生物质与煤粉不同掺混比的热解失重曲线之间存在着很大差异。在热解的初期，五条失重曲线相差不大。温度高于300 ℃后，失重曲线开始出现的明显差异。热解的进行程度是分析热解特性最关心的问题。但由于生物质与煤粉的工业成分的较大差异，使得不同掺混比下的试样所含不可参与试验反应的灰分和固定碳含量不同，进而导致无法判断试样的进行程度。可见，此分析试验结果的方法存在一定的缺陷。

如图1 (b)所示，采用参数可失重份额得到的生物质与煤粉不同掺混比的热解失重曲线之间仍存在着明显差异。与图1 (a)中的失重曲线却有较大的差别。如，图1 (a)中热解的初期五条失重曲线几乎重合，而图1 (b)中五条失重曲线却差别很大。特别是煤粉的失重曲线明显低于其他曲线，呈现出了煤粉在热解初期失重是最快的。这是图1 (a)中所不能表现出的现象。相同的试验结果，在热解的后期却也表现出了更大的不同。如，图1 (a)只表现出了生物质含量越大，试样的最终质量余量越少。而图1 (b)中五条失重曲线所有汇聚，煤粉与生物质的掺混比为3∶1试样的失重曲线最终却低于掺混比为1∶1和1∶3的试样，并没有呈现出图1 (a)中生物质掺混越多失重曲线越低的现象。

比较图1 (a)和图1 (b)不难发现，对分析生物质与煤粉混合热解的试验结果，采用参数可失重份额能更好地呈现出试样的热解进行程度。对研究生物质与煤粉混合热解的试验有一定的实用价值。

3.2 混合燃烧

热重分析选用的气体为空气，气体流量为100 mL/min。试样样品为长焰煤和木屑及其掺混比为9 ∶1，1 ∶1，1 ∶9。每次试验试样为 (10 ±0.1)mg，以升温速率为50 ℃/min，从室温加热到1 200 ℃。用两种方法分析试验结果，如图2。

如图2 (a)所示，采用参数质量余量得到的生物质与煤粉不同掺混比的混燃失重曲线之间呈现出了一定的差异。试样的质量余量随着生物质的掺混比例增大而逐渐下移。如，温度升至600℃时，煤粉的质量余量约为80 %，煤粉与生物质掺混比为1∶1的试样降至50 %左右。由于煤试样的着火点随着试样中挥发分的增高而降低［7］，生物质中含有大量的挥发分，且挥发分在较低温度即可快速析出，因此随着生物质掺混比的加大，试样更易燃烧。固定碳的燃烬程度和试样的燃烧进行程度，是研究煤粉与生物质混燃特性普遍关注的问题，由于生物质与煤粉的工业成分的较大差异，不同掺混比的试样中含有不参与反应成分的百分比不同，进而从图中无法判断试样的燃烬程度。该方法表现出了一定的不足。

如图2 (b)所示，采用参数可失重份额得到的生物质与煤粉不同掺混比的混燃失重曲线之间同样呈现出了明显的差异。但与图2 (a)中的曲线存在一定的不同。首先，纯生物质与掺混90 %的生物质试样的失重曲线在燃烧后期从图2 (a)中表现出了一段间隔，而在图2 (b)中则燃烧结束后均归为零，明显地呈现出试样已燃烬;其次，煤粉与生物质掺混比为1∶1的试样在图2 (a)中仍没有表现出平稳的趋势，因此无法判断试样的燃烬情况，而在图2 (b)中却可以清晰地辨别出它已基本燃烬。

比较图2 (a)和图2 (b)可以得出，对分析生物质与煤粉混合燃烧的试验结果，采用参数可失重份额同样能更好地呈现出试样的混燃进行程度，特别对已燃烬的试样表现的更清晰。

3.3 混合气化

将煤粉与木屑及其掺混比例为3∶1，1∶1，1∶3的试样，放置N2气氛下700 ℃的马弗炉中停留40 min 制取试验焦样。热重分析使用的气体为CO2，气体流量为120 mL/min。每次试验试样为(10 ±0.1)mg，以升温速率为30 ℃/min，从室温加热到1 350 ℃。用两种方法分析试验结果，如图3。

如图3 (a)所示，采用参数质量余量得到的生物质焦与煤焦不同掺混比的气化失重曲线之间呈现出了一定的差异。气化进行的前400 s 时，五条失重曲线明显斜率不同。生物质的掺混比例越大，失重曲线越陡峭。这可能是由于生物质的挥发分明显高于烟煤，挥发分的大量析出，形成了空隙结构［8］，致使反应表面积增大有利于反应造成的。气化进行1 200 s 后质量余量仍存在差别。如，煤粉与生物质掺混比为3 ∶1 的试样剩余约80 %，而掺混比为1∶3的试样不足60 %。因此可以得出，掺混生物质有利于试样气化，生物质掺混比越大，试样气化速度越快。同样，气化的进行程度是研究煤粉与生物质混合气化的核心问题。不同掺混比下的试样不参与反应的成分含量不同，使得不能清晰地辨认出试样的气化程度。进而成了此分析试验结果方法的缺陷。

如图3 (b)所示，采用参数可失重份额得到的生物质与煤粉不同掺混比的气化失重曲线之间也能够表现出图3 (a)差异。从整体看来，与图3 (a)掺混比较图趋势一致。但图3 (b)中排除了试样中不参与反应的成分含量对试验结果的影响，使得各试样的失重曲线在气化结束后均归为零，有助于分析气化的进行程度。例如图3 (b)中，明显可以看出含有煤粉的四条失重曲线均在约2 300 s 后气化结束，而图3 (a)很难观察到这点。

综上所述，采用参数可失重份额对分析生物质与煤粉混合气化的试验结果，同样能够很好地呈现出试验进行程度。对研究不同燃料的气化试验也有一定的参考价值。

4 结论

通过对煤粉与生物质不同掺混比例的试样使用两种分析方法进行热解、燃烧、气化试验结果的比对，分析得出采用参数可失重份额对讨论煤粉与生物质不同掺混比例对热解、燃烧、气化试验结果更具有比较意义。对以后分析两种燃料不同掺混比例的影响有一定的参考价值。

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［2］阎维平，陈吟颖．生物质混合物与煤共热解的协同特性［J］．中国电机工程学报，2007，27 (2):80-86．Yan Weiping，Chen Yinying．Interaction performance of copyrolysis of biomass mixture and coal of different rank ［J］．Proceedings of the CSEE，2007，27 (2):80-86．

［3］朱孔远，谌伦建，黄光许，等．煤与生物质共热解的TGA-FTIR 研 究［J］．煤 炭 转 化，2010，33 (3):10-14．Zhu Kongyuan，Chen Lunjian，Huang Guangxu，et al．Study on co-pyrolysis behavior of coal and biomass blending by using TGA-FTIR ［J］．Coal Conversion，2010，33(3):10-14．

［4］王玉召，李江鹏．生物质与煤混燃的燃烧特性实验研究［J］．锅炉技术，2010，41 (5):72-74．Wang Yuzhao，Li Jiangpeng．Experiment to co-combustion characteristics of of biomass and coal ［J］．Boiler Technology，2010，41 (5):72-74．

［5］张媛，张海亮，蒋雪冬，等．烟煤与生物质秸秆共气化反应动力学研究［J］．西安交通大学学报，2011，45(8):123-128．Zhang Yuan，Zhang Hailiang，Jiang Xuedong，et al．Reactivity and kinetics of blends during bitumite and wheat straw co-gasification ［J］．Journal of Xi'an Jiaotong University，2011，45 (8):123-128．

［6］王金星，李超，刘慧敏，等．烟煤/生物质混燃特性实验研究［J］．电力科学与工程，2012，28 (2):56-59 Wang Jinxing，Li Chao，Liu Huimin，et al．Experimental study on combustion characteristics of bitumite/biomass blends ［J］．Electric Power Science and Engineering，2012，28 (2):56-59．

［7］孙俊威，徐程洪，安敬学，等．生物质与煤掺烧的实验研究［J］．电力科学与工程，2010，26 (8):34-39．Sun Junwei，Xu Chenghong，An Jingxue，et al．Experimental research on biomass and coal co-firing ［J］．Electric Power Science and Engineering，2010，26 (8):34-39．

［8］张科达，步学朋，王鹏，等．生物质与煤在CO2气氛下共气化特性的初步研究［J］．煤炭转化，2009，32(3):9-12．Zhang Keda，Bu Xuepeng，Wang Peng，et al．Experimental study on co-gasification of biomass and coal in an atmosphere of CO2［J］．Coal Conversion，2009，32 (3):9-12．