不同比例小麦秸秆与烟煤混燃特性研究

马秋林 杨振东 韩鲁佳 黄光群

(中国农业大学工学院， 北京 100083)

0 引言

基于环境和能源的双重压力，以及生物质和煤单独利用过程中存在的问题，生物质与煤混燃成为发展趋势[1-3]。混燃技术既能降低CO2的排放、缓解能源紧缺，而且也符合国家“十三五”规划对环保的发展要求[4]。从经济效益方面分析，以年消耗秸秆1.294 5×105t规模的混燃热电联产计算，年发电量1.44×108kW·h，年供热量4.32×105GJ，年节约标准煤6.877×104t，具有较好的经济效益[5]。

据2017年国家统计局数据，小麦产量为1.297 7×108t[6]，由小麦草谷比[7]折算小麦秸秆当年产量约为1.772 6×108t。我国农作物秸秆资源的综合利用方式大致为工业原料、畜牧饲料、造肥还田和能源利用[8]。在燃煤锅炉中添加生物质(如秸秆)，能够减少CO2、SO2、NOx及其他有害气体的排放[9]。在已有小麦秸秆与煤混燃的研究中，HCl、 SO2、CO2和NOx排放与挥发分及固定碳燃烧阶段相关联[10]。

已有文献研究发酵残渣与煤混合燃烧的比例(发酵残渣与煤质量比)为1/6、1/3、1/2、2/3和5/6。结果表明，比例为2/3的样品表现出很低的燃尽温度和较好的燃烧特性指数[11]。然而，秸秆生物质物理化学特性与煤存在显著差异，比如生物质一般热值较低，且存在引起结渣的矿质元素等[12]，导致其利用受到限制。为了通过混燃来高效、环保利用秸秆等生物质能源，应系统进行燃料热特性等相关研究，为小麦秸秆探索更加高效、环保的利用方式。

本文以小麦秸秆和烟煤为研究对象，基于同步热分析技术，研究小麦秸秆在不同掺混比例下与烟煤混燃的燃烧特性，并优化最优比例，以期为小麦秸秆环境友好型高效能源化利用提供方法学支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料与制备方法

所选小麦秸秆样品采集自河北省邯郸市。烟煤产自陕西省神木县。所选小麦秸秆样品参照美国试验材料学会(American Society for Testing Material, ASTM) 相关标准方法，经105℃干燥12 h后，粉碎并过20目筛获得粉末状样品。烟煤样品经粉碎过60目筛。所得样品一部分用于工业分析、元素分析、灰分分析和燃烧试验，一部分备用。

影响秸秆与煤混合燃烧的重要影响因素是混合比例[10]。本文中小麦秸秆与烟煤掺混比例(小麦秸秆与烟煤质量比)及样品编号分别为：小麦秸秆(WS)；60%小麦秸秆+40%烟煤(WS60%)；40%小麦秸秆+60%烟煤(WS40%)；20%小麦秸秆+80%烟煤(WS20%)；10%小麦秸秆+90%烟煤(WS10%)；烟煤(BTC)。

1.2 基础特性测定方法

小麦秸秆以及烟煤工业组成的水分、挥发分以及灰分含量根据标准ASTM Method D5373 & D4239测定，固定碳含量由差减法得出。元素分析根据欧盟标准BS EN 15104:2011采用Vario Macro元素分析仪 (德国Elementar Analysensyteme公司) 测定。采用干法灰化法测定样品中的碱金属以及其他无机元素含量，秸秆样品置于575℃马弗炉中灰化4 h，而烟煤灰化温度为815℃。灰化样品化学成分分析采用ARL DVAN’XP+ 型X射线荧光光谱仪(美国Thermo公司) 测定。

1.3 燃烧试验

采用SDTQ600型同步热分析仪(美国TA公司)测定分析供试样品热失重和吸放热特性。称取10 mg样品置于热天平支架的氧化铝坩埚内，用氮气和氧气的合成气体模拟空气氛围，以恒定升温速率20℃/min由室温(20℃)升温至1 000℃，气流速率为100 mL/min。得到3条曲线：TG曲线表现样品质量随温度的变化；DTG曲线表现样品失重速率随温度的变化(即TG曲线的一阶导数曲线)；DSC曲线表现样品燃烧过程中的热量变化。

1.4 数据处理方法

将同步热分析仪获取数据导出，运用Origin 8.6 (美国OriginLab公司)软件绘制燃烧特性曲线。燃烧过程的部分特征参数由TA Universal Analysis 2000 (美国TA 公司) 软件分析得到，其他参数在Excel 2010 (美国Microsoft 公司) 表格中计算。

2 结果与讨论

2.1 基础特性分析

2.1.1工业和元素分析

小麦秸秆与烟煤样品的基础特性如表1所示。

表1 样品的基础特性Tab.1 Basic properties of samples used

由表1可知，小麦秸秆样品挥发分含量明显高于烟煤，但其固定碳含量是烟煤的约1/5。因而烟煤燃料比(固定碳与挥发分含量比值)远大于小麦秸秆，表明烟煤可燃成分丰富，有利于燃烧。元素组成中小麦秸秆的氢碳比与氧碳比均明显高于烟煤，由于C—C键所含能量高于C—H以及C—O[13]，因此煤能量密度较高。小麦秸秆中N及S含量均低于烟煤，因此混合燃烧有利于减少烟煤单独燃烧产生的NOx及SOx。

2.1.2灰分组成分析

采用目前广泛应用且较为准确的预判经验参数：酸碱比(Rb/a)[14]和结渣指数(SR)[14]对小麦秸秆和烟煤的积灰结渣倾向性进行预判。

图1 混合燃料的燃烧特性曲线Fig.1 Combustion characteristics of blended sample

酸碱比计算式为

(1)

式中，ε为下角标所表示物质的质量分数。当Rb/a<0.5，表明燃料的积灰可能性很低；当0.5≤Rb/a≤1，表明燃料存在一定的积灰可能性；当Rb/a>1，表明燃料存在很高的积灰可能性。

结渣指数计算式为

(2)

当SR>78，表明燃料的结渣可能性很低；当66.1≤SR≤78，表明燃料存在一定的结渣可能性；当SR<66.1，表明燃料存在很高的结渣可能性。小麦秸秆与烟煤的灰分基础组成如表2所示。

表2 样品灰分的基础特性Tab.2 Basic properties of samples’ ash

小麦秸秆灰分中主要无机元素为钾及硅元素，其氧化物质量分数分别达到25.77%和23.9%。而烟煤灰分中主要无机元素为硅及铝元素，其氧化物质量分数分别为50.07%和27.78%。从积灰预判参数Rb/a以及结渣预判参数SR可以看出，小麦秸秆积灰和结渣可能性极大，而烟煤几乎无积灰和结渣的可能。因此，小麦秸秆与煤混合燃烧可大大降低秸秆单独燃烧产生的积灰及结渣风险。

2.2 燃烧特性分析

2.2.1混合燃烧动态过程分析

在不同混合比例下，混合燃料燃烧过程的TG和DTG曲线如图1所示。

由图1可知，小麦秸秆燃烧主要分为挥发分和固定碳燃烧两个阶段。挥发分燃烧主要集中在200～350℃之间，固定碳燃烧易形成尖且窄的失重峰，集中在400～450℃。与已有研究中秸秆生物质燃烧曲线结果相近[15]。而单纯煤燃烧时，DTG曲线表现为单峰，即燃烧主体为固定碳。烟煤的失重峰相比秸秆宽且平滑。烟煤燃烧区间为300～600℃。

当小麦秸秆与烟煤掺混时，DTG曲线结果表明没有出现明显分界的失重峰，过渡过程为明显的肩峰。总结分析不同比例的混合燃料挥发分与固定碳峰值与对应温度，结果如表3所示。

表3 混合燃料燃烧特征参数Tab.3 Combustion characteristic parameters of blended samples

从表3可以看出，小麦秸秆与煤掺混对挥发分燃烧的最大速率产生显著影响，而其对应温度并无明显偏移。随着小麦秸秆质量分数的减小，挥发分的燃烧逐渐减弱，最大速率从20.79%/min下降到2.08%/min。小麦秸秆与煤掺混对固定碳燃烧产生了显著影响。小麦秸秆固定碳燃烧阶段最大速率(40.33%/min)出现在419℃。由于烟煤比例的增加，混合燃料热稳定性提高，固定碳燃烧阶段逐渐向高温方向移动至525℃，并在过渡阶段出现2个燃烧峰。由于燃料的反应活性与峰值温度成反比[16]，添加小麦秸秆提高了混合燃料的反应活性。其对应燃烧速率也呈逐渐下降趋势，由小麦秸秆固定碳的燃烧逐渐转移至烟煤固定碳燃烧方向。

2.2.2着火、燃尽以及综合燃烧特性分析

本文采用外推法[17-18]确定着火点温度。图2为外推分析方法示意图[13]。过DTG曲线峰值点对温度轴作垂线，其与TG曲线交于一点M。过M点作TG曲线的切线，与失重起始平行线交于点I，定义为着火温度(Ti)。着火温度是衡量燃料着火性能的主要参数，着火温度越低，燃料越容易燃烧，燃烧性能越好[19]。同理燃尽点温度也采用外推法确定。

图2 混合燃料的燃烧着火点、燃尽点分析方法示意图Fig.2 Analysis method of ignition and burn out temperature of blended samples

综合燃烧特征指数SN[20-21]能够全面表征燃料的燃烧特性，数值越高表明燃料越易点燃、易燃尽，燃烧效率越高，计算公式为

(3)

Tb——燃尽温度，K

几项乘积全面涵盖了燃烧的主要过程，开始阶段、快速进行阶段和结束阶段的主要特征参数均有体现，全面地反映了燃烧特性。综合燃烧特征指数越大，表明燃烧特性越好。根据DTG曲线，计算分析着火点温度、燃尽点温度以及综合燃烧特征指数，如图3所示。

图3 混合燃料的燃烧着火点、燃尽点及综合特征指数Fig.3 Ignition, burn out temperature and SN of blended samples

由图3可知，混合燃料的着火点、燃尽点温度以及综合燃烧特征指数均呈现规律性变化。小麦秸秆质量分数降到10%之前，着火点温度并无明显升高，分布在260～268℃温度范围。说明着火性能在小麦秸秆质量分数10%以上无明显下降。小麦秸秆的挥发分在混燃的着火阶段起到重要作用。而单纯煤燃烧的着火点温度在444℃，表明较难着火。

燃尽温度则随着秸秆质量分数降低由520℃缓慢上升至596℃，随着烟煤比例增加并不断增加，固定碳含量更高的烟煤占主导地位。整体来看，加入煤延长了燃烧区间，使混合燃料不易燃尽，燃烧过程困难。

对于综合燃烧特征指数，随着小麦秸秆质量分数减小，SN逐渐由8.78×10-7%2/(K3· min2)下降至1.17×10-7%2/(K3· min2)。由于易燃的挥发分含量下降，混合燃料的燃烧性能逐渐降低。在小麦秸秆质量分数大于20%时，SN均大于2.11×10-7%2/(K3· min2)，在秸秆质量分数不小于40%时，SN值大于3.60×10-7%2/(K3·min2)，表现出可接受的较好的燃烧特性[22]。考虑到综合燃烧性能，因此小麦秸秆质量分数不低于40%，能够保证较好的燃烧性能。已有对不同混合比例小麦秸秆和褐煤研究[10]表明，混合燃烧可以减少污染性气体的释放，并且混合比例(小麦秸秆与褐煤质量比)2∶3产生的HCl、SO2、NOx气体最少，与本文从燃烧特性角度评价得出的混合比例相近。

2.3 燃烧过程热量分析

DSC曲线能够反映混合燃料燃烧过程中热流的变化，如图4所示。

图4 混合燃料燃烧热流释放曲线Fig.4 DSC curves of blended samples

混合燃料燃烧过程中热量变化呈现出与DTG曲线相似的规律。随着小麦秸秆质量分数的降低，小麦秸秆挥发分与固定碳对应放热峰逐渐减弱。在秸秆质量分数为60%和40%时，混合燃料出现3个放热峰。由于煤含量增加，混合燃料放热区域向高温方向偏移。主要是由于反应主体由挥发分的气相燃烧转移为固定碳与空气的异相反应[23]。

由于燃烧过程中质量连续变化，DSC曲线与时间积分面积可以用来比较不同燃料的放热量[24]。放热量曲线如图5所示。

随着秸秆质量分数的减小，混合燃料释放能量整体呈现升高的趋势。在秸秆质量分数为20%时，放热量呈线性剧烈增加趋势，相比单独小麦秸秆增长约110.16%。而在秸秆质量分数由20%降至0时，放热量增长趋势平缓，增长约3.14%。与烟煤相比，小麦秸秆质量分数为20%时整体放热量为烟煤的96.95%。而当小麦秸秆质量分数为40%和60%时，分别为烟煤的84.14%和74.27%。为保证尽量提高混合燃料的整体放热量，达到烟煤的80%，推荐小麦秸秆质量分数小于等于40%。

图5 混合燃料燃烧热量释放曲线Fig.5 Heat released during combustion of blended samples

综上所述，在提高整体放热量并保证较好燃烧特性的原则下，与烟煤掺混的小麦秸秆添加40%为较优比例。

3 结论

(1)随着混合燃料中小麦秸秆质量分数的下降，挥发分燃烧峰值温度无明显移动，固定碳燃烧峰值温度明显向高温区偏移。小麦秸秆质量分数为60%和40%时，出现明显的过渡肩峰。

(2)混合燃料的着火点、燃尽点温度以及综合燃烧特征指数均呈现规律性变化。燃尽温度随着秸秆比例降低由520℃缓慢上升至596℃，表明加入煤使燃烧区间延长。随着小麦秸秆质量分数减小，综合燃烧指数不断下降，燃烧性能逐渐降低。在小麦秸秆质量分数大于20%时，SN均大于2.11×10-7%2/(K3·min2)，在秸秆质量分数不小于40%时，SN大于3.60×10-7%2/(K3·min2)，因此，小麦秸秆质量分数不小于40%，能够保证较好的燃烧性能。

(3)由于煤含量增加，混合燃料放热区域向高温方向偏移。小麦秸秆质量分数为40%时，放热量为烟煤的84.14%。为保证较好的燃烧特性，与烟煤掺混的小麦秸秆添加40%为较优比例。