煤与油棕榈空果串富氧混烧特性的研究

王 超, 任建兴, 陈申乾

(上海电力学院 能源与机械工程学院, 上海 200090)

煤与油棕榈空果串富氧混烧特性的研究

王 超, 任建兴, 陈申乾

(上海电力学院 能源与机械工程学院, 上海 200090)

利用热重-红外联用(TG-FTIR)分析了Adaro煤与棕榈空果串(EFB)在富氧混烧工况下的特性.热重分析仪记录样品在加热过程中的质量损失,而FTIR则分析其释放的气体产物.对在18%O2/82%CO2,Air(21%O2/79%N2),21%O2/79%CO2,30%O2/70%CO24种工况下Adaro coal+30%EFB样品进行燃烧.热重分析表明,与O2/N2工况相比,O2/CO2条件下CO2气体对燃烧有抑制作用,且空气工况下与30%O2/70%CO2的燃烧特性相当.FTIR分析释放的气体主要是CO2,CO,H2O.

Adaro煤; EFB生质废料; 热重-红外联用; 富氧燃烧

生物质能是一种清洁可再生能源,几乎不含硫,含氮也很少,且具有CO2近零排放的优点.我国拥有丰富的生物质资源,据统计,可供开发的生物质资源至少能达到5.4×108t标准煤[1].生物质燃烧技术作为大规模高效洁净利用生物质能的一种重要方式,也是生物质能的各种利用转化途径中最成熟、最简便可行的方式之一[2].其中棕榈空果串(Oil Palm Empty Fruit Bunch,EFB)是一种生物质废料,将其作为燃料与煤混烧具有重要意义.由于EFB自身具有纤维素含量高、灰分高等特点,使其燃烧不充分,但将其与煤混烧可改善其燃烧特性,为此种废料的回收利用提供依据.目前,应用热重-红外联用(TG-FTIR)系统研究生物质燃料热解及其与煤混烧的实验较多,主要是对其混烧过程中的燃烧特性以及动力学进行分析,为生物质与煤混合燃烧的应用提供实验依据,同时对燃烧的气态产物组分进行分析,从而提出改进燃烧效果的有效措施[3-4].

候静文等人[5]运用热重-红外联用对秸秆类生物质热解进行了分析,表明其热解过程主要分为失水预热、主热解和炭化3个阶段,热解产物主要是H2O,CO2,CO,CH4.然而以生物质废料EFB作为研究对象且在富氧燃烧工况下的燃烧甚少,本文采用TG-FTIR系统,在不同氧浓度工况下对Adaro煤与EFB生质料的混合样品进行了燃烧试验研究.

1 实验部分

本实验用的煤由印尼Adaro公司生产;生质料EFB是东南亚生产棕榈油留下的空果串废料经处理后制成料丸(Pellet),经研磨成规定粒径的粉末状后,对其采用相关国家标准进行工业分析、元素分析和发热量的测定,其基本特性见表1.

表1 煤及生质料EFB样品工业分析和元素分析结果

实验前,将研磨好的样品Adaro煤和EFB以7∶3的比例混合,然后取其混合物5±0.5 mg放入氧化铝坩埚中,在热重分析仪(TGA)炉膛中灼烧.本实验采用的一次吹扫气体是氩气(Ar),作为保护气体;二次吹扫气体是空气和不同比例的O2与CO2混合的气体,并分别设定为实验所需的18%O2/82%CO2,Air,21%O2/79%CO2,30%O2/70%CO24种工况.其流量分别通过计算机和子流量计控制为20 mL/min和80 mL/min,实验以升温速率10 ℃/min从40 ℃加热到900 ℃,连接热重分析仪(TGA)与傅里叶红外光谱仪(FTIR)之间的加热线加热至200 ℃方能试验.FTIR的扫描分辨率设置为1 cm-1,扫描波数范围为700～4 000 cm-1[6].通过控制实验中的升温速率以及混烧样品中煤与EFB比例一致,以观察不同气体氛围的工况以及氧浓度对混烧特性的影响.

实验采用的是美国TA公司的SDT Q600同步热分析仪和布鲁克傅里叶红外光谱仪Tensor27,由计算机控制和采集数据可以得到热重(TG)、微分热重(DTG)曲线,并同时分析其释放的气体产物,燃烧后残留的固体用电子显微镜(SEM)以5 000x的放大倍率进行观测,再用能谱仪(EDS)进行元素分析[7].

2 实验结果及讨论

2.1 煤与生质料EFB富氧混烧特性的实验

实验装置系统如图1所示.实验分别对Adaro煤和EFB的混合物(Adaro coal+30%EFB)在4种工况下进行燃烧,其对应的TG和DTG曲线如图2所示.由图2可以看出,其燃烧主要分为脱水干燥、挥发分析出以及固定碳的燃烧3个阶段.其脱水干燥阶段均发生在40～160 ℃,失重比例较小;第2阶段挥发分的析出,不仅包括生质料EFB和Adaro煤中纤维素的裂解,也有少部分EFB固定碳的燃烧,所以其占比约为48%(这与EFB这种生质废料高纤维素的特点有关);第3阶段发生在410～565 ℃,主要是指Adaro煤中固定碳的燃烧,占比约为36%.剩下的约10%是燃烧后的残留物,其灰分成分主要是SiO2.

此外,第1阶段的TG曲线与DTG曲线最初的那部分失水峰相对应,而第2和第3阶段也是以DTG曲线上最大失重率所对应的温度tmax为分界点划分的.

与在空气工况下燃烧相比,18%O2/82%CO2,21%O2/79%CO2,30%O2/70%CO23种工况下均有着相似的失重比例趋势,但这3种工况下用CO2取代N2后,会使TG曲线向低温侧移动,DTG曲线峰值下降,使其燃烧不充分,这是因为CO2对燃烧有抑制作用.而在O2/CO2气氛下,随着氧浓度的增加,其DTG曲线峰值明显增加,燃烧也变得更加容易.

在我国的农业发展过程中，田园综合体还处于发展探索阶段，各省(市、自治区)对该发展模式的发展途径和模式进行进一步的探索，直到2017年底，已经有18个省申报了国家级田园综合体项目，项目总数达26个(表1)，其中已有11个田园综合体发展项目获得国家审批通过。虽然我国田园综合体仍在不断探索中，但其建设对我国农业有着不可小觑的作用。田园综合体的发展建立在农业发展的基础之上，良好的农业发展态势为田园综合体的发展提供了基石[4]。

图1 实验装置

图2 不同氧浓度工况下燃烧特性示意

2.2 燃烧特性参数的分析

燃烧特性参数主要包括初始分解温度tin,最高温度tmax,着火温度tig,燃尽温度tb,可燃特性指数C,燃烧特性指数S[8].

在TG与DTG曲线中,tin是指燃料开始分解时的温度,以失重速率达到每分钟1%时的温度来判断;tmax是指在DTG曲线上失重速率达到极值时所对应的温度;着火温度tig需要通过切线法来确定,即以过DTG曲线的峰值点作垂线与TG曲线交于一点,过该点作TG曲线的切线与失重开始平行线的交点所对应温度为其着火温度;燃尽温度tb指失重速率开始为零的点所对应的温度[9].可燃特性指数C和燃烧特性指数S分别定义为:

(1)

(2)

式中:(dm/dt)max——最大失重速率; (dm/dt)mean——平均失重速率.

不同燃烧工况下特性参数和指标如表2所示.

由表2可以看出,在O2/CO2工况下,随着氧浓度的增加,tig和tb均下降,但对tin影响不大,同时氧浓度越大,其最大失重速率越大,所对应的tmax向低温处偏移,表明燃烧特性均变好.而C和S也随着氧浓度的增加而增加,表明燃烧更稳定、更充分,其残留固体百分比也会相应减少.与21%O2/79%CO2工况相比,空气燃烧工况下的着火将向前推移,其他特性参数也会变好,这是因为相比于O2/N2工况,O2/CO2中CO2的存在不利于燃烧的进行.此外,由表2还可以看出,空气工况下,其燃烧特性与30%O2/70%CO2工况较相似,即通过提高氧气浓度可以补偿因CO2的热容变大造成的影响.

表2 不同燃烧工况下特性参数和指标

2.3 燃烧过程红外实验结果分析

图3中,600～740 cm-1处和2 280～2 390 cm-1处的峰为CO2吸收峰,2 020～2 220 cm-1处的峰为CO吸收峰,3 480～3 960 cm-1处的峰为H2O吸收峰[10].

由图3可知,煤与EFB生质料混合燃烧后释放的气体产物主要是CO2,CO,H2O,并且CO2的吸收峰是一个较宽的峰,这是由燃料中含碳量较高所导致的.

图3 FTIR红外光谱三维立体示意

为了比较不同燃烧工况下释放气体的规律,将三维红外光谱图中的CO从2 153.5～2 155.5 cm-1积分,CO2从2 359.5～2 360.5 cm-1积分,从而得出富氧混烧过程中CO和CO2随温度变化的规律,如图4所示.

由图4a可以看出,随着氧浓度的增加,CO的百分比含量会相应减少,且相比于21%O2/79%CO2气氛,空气燃烧工况下的CO也会减少,这是因为CO2的存在抑制了其充分燃烧,从而释放出更多的CO.由图4b可以看出,由于O2/CO2气氛中CO2的影响使其燃烧时释放的CO2无法显示出来,两种气体释放量达到最大时的温度均在410 ℃左右,与DTG微分曲线中失重速率达到最大时相对应.

图4 不同氧浓度工况下气体释放量示意

2.4 燃烧后残留固体的分析

将燃烧后的残留固体透过SEM电子显微镜进行观察,以5000x的放大倍率进行试验,结果如图5所示.

由图5可知,随着燃烧工况中氧浓度的升高,混烧后残留固体更加疏松多孔.

采用能谱仪对灰分进行质量百分比分析,其结果如表3所示.

从表3可以看出,在O2/CO2工况下,当氧浓度提高时,残留固体Si元素明显减少,且均含有大量O元素,从而表明灰分中存在较高的SiO2.这是因为SiO2的熔点较高,故其在燃烧过程中会残留,这也是TG曲线中O2/CO2气氛下,增加燃烧工况中氧浓度时残留固体减少的原因.

图5 混烧后残留固体灰分示意

%

3 结 论

(1) Adaro煤与油棕榈空果串的混烧主要分为脱水干燥、挥发分的析出以及固定碳的燃烧3个阶段,其燃烧后释放的气体成分以CO,CO2,H2O为主,残留灰分以高熔点的氧化物SiO2为主.

(2) 燃烧工况中的气体氛围由O2/N2变为O2/CO2时,其着火温度会推迟,燃烧过程中最大失重速率下降,燃烧特性参数变差,CO2的存在不利于燃烧的进行,而空气工况下与30%O2/70%CO2的燃烧特性相当.

(3) 在O2/CO2工况下,随着氧浓度的增加,燃烧特性整体会变好,着火会变得更加容易,TG和DTG曲线的残留固体含量减少,且失重最大速率增加,可燃性指数和燃烧特性指数也会增大,表明提高氧浓度时,燃烧会更完全、更充分.

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(编辑 胡小萍)

Research on the Oxyfuel Combustion Characteristics of Coal and Oil Palm Empty Fruit Bunch

WANG Chao, REN Jianxing, CHEN Shenqian

(SchoolofEnergyandMechanicalEngineering,ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China)

By using TG-FTIR,the oxyfuel combustion characteristics of coal and EFB are analyzed.Weight loss of the sample during the heating process is recorded with thermogravimetry analysis and types of the gaseous product released is simultaneously identified using FTIR.The experiment samples are Adaro coal+30%EFB,which are burned in the 18%O2/82%CO2,air (21%O2/79%N2),21%O2/79%CO2,30%O2/70%CO2conditions respectively.The results of TG analysis shows that the atomosphere of O2/CO2will not be beneficial to the combustion compared to the O2/N2condition,the combustion characteristics in the air condition are similar to the 30%O2/70%CO2condition.From FTIR measurement,major gas types released are CO,CO2and H2O.

Adaro coal; EFB biomass waste; TG-FTIR; oxy-combustion

10.3969/j.issn.1006-4729.2017.02.005

2016-03-04

王超(1992-),男,在读硕士,湖北仙桃人.主要研究方向为生物质燃料的热解与燃烧.E-mail:1508490770@qq.com.

上海市科学技术委员会部分地方院校能力建设项目(13160501000);上海发电环保工程技术研究中心项目(11dz2281700).

TK16;TM621.2

A

1006-4729(2017)02-0129-05