煤与生物质掺混燃烧特性实验

王华山，孙 环，王跃康，王春生，刘 华



煤与生物质掺混燃烧特性实验

王华山，孙 环，王跃康，王春生，刘 华

（燕山大学车辆与能源学院，河北 秦皇岛 066000）

为缓解煤炭资源紧张，在煤中掺烧生物质是一种很好的解决方式。本文利用综合热分析仪，在不同条件下，对煤（兰炭、神府烟煤、大同无烟煤）和生物质（大豆秆、小麦秆）以及二者混合物的燃烧过程进行了实验研究。结果表明：在一定范围内，随着生物质添加比例增大，兰炭的燃烧特征温度降低，综合燃烧特性指数增大；当生物质添加比例为50%时，混合样品的着火温度基本接近生物质的着火温度；升温速率增大，兰炭与大豆秆的掺烧向高温区移动，综合燃烧特性指数和燃尽特性指数增大。该实验结果对降低煤的着火温度以及改善煤炭资源紧张提供了依据。

生物质；兰炭；掺混；热重分析；燃烧特性；升温速率

近年来，因电力需求急剧增加，煤炭相对短缺的现象非常严重[1]。随着我国能源紧张，煤炭价格上涨，兰炭的生产受到越来越多的关注。兰炭是煤转换的产品，是无黏性或弱黏性的高挥发分烟煤在低温条件下干馏热解，得到的较低挥发分的固体炭制产品，具有固定碳高、电阻率高、化学活性高、灰分低、硫低、磷低、水分低等“三高四低”的优点[2]，可单独作为大型煤粉锅炉燃料或者掺烧燃料，但防结渣是需重点考虑的问题[3-5]。生物质与煤的掺混燃烧是生物质能利用的一种重要方式[6-7]，已经引起了国内外学者的广泛关注。Edward Lester等[8]研究了升温速率对生物质与煤掺混燃烧特性的影响。高佳佳等[9]对新型低煤分生物质混合燃料进行实验研究，结果表明掺混可以改善燃料的燃烧、燃尽及污染物的排放特性。马爱玲等[10]对生物质、煤单烧及混烧进行了热重分析。王晓钢等[11]对冷压成型麦秆与煤混烧进行了研究。杜一帆等[12]研究了稻壳与不同煤种混燃的燃烧特性。

本文利用综合热分析仪，在考虑生物质种类和生物质比例对煤燃烧特性影响的基础上，重点对兰炭与大豆秆的掺混燃烧特性进行研究。

1 实验装置与方法

1.1 实验装置

本文对兰炭、神府烟煤以及大同无烟煤3种煤，小麦秆、大豆秆2种生物质进行实验研究，其工业分析见表1。

表1 样品工业分析

Tab.1 Industrial analysis result of the samples w/%

实验样品的制备主要经过破碎、研磨和筛分3个过程。首先将样品敲碎成粒径小于1 cm；然后用小型粉碎机对其进行粉碎，得到粉状样品；最后用孔径200mm的标准试验筛对得到的粉状样品进行筛分，取粒径小于200mm的样品进行实验研究。

综合热分析仪将热重分析和差热分析合为一体，可以在1次实验中同步得到被测物质的热重信息和差热信息。每次实验样品的质量控制在（10±0.5）mg。实验气氛为空气，气体压力为0.1 MPa，流量为40 mL/min。通常情况下，以20 ℃/min的升温速率由室温升至1 000 ℃。

1.2 实验方法

采用TG-DTG联合定义法[13-15]确定一些特征参数。着火温度定义如图1所示。过DTG曲线的极值点作垂线与TG曲线交于点，过点作TG曲线的切线1，该切线与失重开始时平行线2的交点所对应的温度为着火温度。若DTG曲线有多个峰值，过第1个峰作垂线与TG曲线的交点来确定。燃尽温度指切线1与TG曲线上燃烧结束后的水平线3的交点所对应的温度。最大燃烧速率温度即为点所对应横坐标的温度。最大燃烧失重率为点的纵坐标所对应的值。

图1 着火温度定义

着火特性指数按式(1)计算：

式中：i为着火特性指数，%2/(℃·min)；ad(V)为分析基挥发分，%；(d/d)max为最大燃烧速率，%/min；i为着火温度，℃。

综合燃烧特性指数[16-17]按式(2)计算：

式中：(d/d)mean为平均燃烧速率，%/min；h为燃尽温度，℃。

平均燃烧速率由式(3)计算：

式中：为升温速率，℃/min；i为试样着火时的质量分数，%；h为试样燃尽时的质量分数，%；h为燃尽温度，℃。

燃尽特性指数b[18]综合考虑了燃料着火和燃烧稳定性等因素对燃尽的影响。燃尽特性指数越大，燃料的燃尽特性越好。燃尽特性指数b可用 式(4)计算：

式中：1为初始燃尽率，指热重曲线上着火点对应的燃料失重量与燃料中可燃质质量的比值；0为燃尽时间，指燃料燃烧失重从开始到燃烧98%可燃质的时间；2为后期燃尽率，2=–1，为0时刻所对应的燃料失重量与燃料可燃质质量的比值，称总燃尽率。

2 实验结果与分析

2.1 煤和生物质单独燃烧过程

煤和生物质单独燃烧的TG、DTG曲线如图2、图3所示。

图2 不同煤种燃烧TG-DTG曲线

由图2可以看出：煤的燃烧过程基本分为失水干燥、挥发分析出及固定碳燃烧两个阶段，由于固定碳含量高于挥发分的含量，挥发分的析出伴随着焦炭的燃烧，因此在DTG曲线看到一个明显的峰；神府烟煤的峰值温度比兰炭和大同无烟煤要低150 ℃左右；兰炭与大同无烟煤的燃烧趋势相似，大同无烟煤的最大燃烧速率最大。

由图3可以看出：生物质的燃烧过程分为失水干燥、生物质中的纤维素木质素裂解以及挥发分释放燃烧、焦炭燃烧3个阶段；生物质中固定碳的含量比挥发分少，2种生物质的第2个峰值比第1个峰值小；小麦秆的挥发分比大豆秆的大，所以其第1个峰值也较大。

3种煤和2种生物质单独燃烧时的燃烧特性参数见表2。

由表2可知：生物质的着火温度比煤低159~ 290 ℃，这是因为生物质的挥发分比较多，易燃；生物质的着火特性指数比煤高一个数量级，燃尽特性指数是煤的2倍左右；小麦秆的综合燃烧特性指数非常高；小麦秆的最大反应速率最大，大豆秆、神府烟煤、大同无烟煤比较接近，兰炭最低；神府烟煤比兰炭、大同无烟煤的燃烧性能更好。

表2 3种煤和2种生物质的燃烧特性参数

Tab.2 The combustion characteristics of three coals and two biomasses

2.2 煤种对燃烧过程的影响

用大豆秆分别与兰炭、大同无烟煤和神府烟煤按2:8的比例混合燃烧。在升温速率为20 ℃/min，氧体积分数为21%的条件下，3种煤与大豆秆掺烧的TG-DTG曲线如图4所示。

从图4可以看出：掺混燃烧有2个明显的峰，在320 ℃左右出现了第1个峰，这个峰的出现是由于生物质的挥发分析出；另一个峰是固定碳的燃烧过程，与煤单独燃烧时的峰值相差不大，峰值大小取决于煤中固定碳的含量。

图4 3种煤与大豆秆掺烧的TG-DTG曲线

3种煤与大豆秆掺烧的燃烧特性参数见表3。

对比表3与表2可见：煤与大豆秆掺烧的着火温度比煤单独燃烧时明显降低，接近大豆秆的着火温度；煤与大豆秆掺烧的燃尽温度、最大反应速率温度比煤单独燃烧时降低，综合燃烧特性指数有所增加，说明掺混生物质利于燃烧；掺烧的燃尽特性指数稍有降低，说明掺烧后需要注意燃尽问题。

表3 3种煤与大豆秆掺烧的燃烧特性参数

Tab.3 The combustion characteristics of three kinds of coal co-fired with soybean stalk

2.3 生物质对燃烧过程的影响

兰炭分别与大豆秆、小麦秆按8:2进行混合。在其他条件不变的情况下，探究生物质的种类对兰炭燃烧的影响。兰炭与2种生物质掺烧的TG-DTG曲线如图5所示，掺烧特性参数见表4。由图5可以看出：对于生物质而言，加入兰炭之后，TG曲线向高温区偏移；DTG曲线的波峰也有了很大的变化，第1个波峰明显低于第2个波峰，这是因为生物质的含量较少，所以其挥发分燃烧占的比例较小；第2个波峰表示兰炭的挥发分和焦炭的含量。

图5 兰炭与2种生物质掺烧的TG-DTG曲线

表4 兰炭与2种生物质掺烧特性参数

Tab.4 The combustion characteristics of two kinds of biomasses co-fired with blue-coal

对比表4与表2可见：掺混燃烧时着火温度相比兰炭单独燃烧时降低了很多；但比大豆秆和小麦秆单独燃烧时的着火温度要高一些，其中小麦和兰炭掺烧的着火温度更接近小麦单独燃烧的着火温度；燃尽温度比煤单独燃烧的燃尽温度低；综合燃烧特性指数比兰炭单独燃烧高很多，但比生物质单独燃烧低；燃尽特性指数和兰炭单独燃烧相近。

2.4 生物质添加比例对燃烧过程的影响

其他条件不变，大豆秆的添加比例为10%、20%、30%、40%、50%时，掺混燃烧的TG-DTG曲线如图6所示。

由图6可以看出：随着大豆秆比例的增加，TG曲线向低温方向移动；DTG曲线上有很明显的2个波峰。第1个波峰是随着掺烧比例增加，峰值变大，因为大豆秆挥发分的比重变大；第2个峰值则随着大豆秆比例的增加变小，因为兰炭的含量降低，固定碳所占的比例降低。

不同比例大豆秆和兰炭掺烧的燃烧特性参数对比如图7所示。从图7可以看出：掺烧的着火温度、燃尽温度、最大燃烧速率温度均较单独燃烧时有所降低，但最大燃烧速率温度和燃尽温度降低幅度不大，与加入大豆秆的比例基本上成正比降低；当掺烧比例大于50%时，混合样品的着火温度接近大豆秆的着火温度；随着大豆秆比例的增加，综合燃烧特性指数增大；当掺烧比例低于40%时，燃尽指数低于兰炭单独燃烧，大于40%时，燃尽指数大于兰炭燃尽指数，表明大豆秆和兰炭的掺烧可能会产生某种不易燃尽的物质；随着掺烧比例的增加最大反应速率温度降低，最大反应时间点提前。

2.5 升温速率对燃烧过程的影响

以兰炭、大豆秆（8:2）为例，其他条件不变，升温速率为10、15、20 、40 ℃/min时兰炭和大豆秆混燃特性的TG-DTG曲线如图8所示。由图8可以看出，随着升温速率的增大，燃烧反应的TG曲线向温度高的方向偏移，DTG曲线上每个峰的峰值变大。因为升温速率增大，达到相同的温度，所需要的时间变短，样品中的成分（水分、灰分、固定碳等）在达到析出的时间或燃烧温度之前来不及挥发，而在较短的时间内集中析出，所以燃烧速率变快，峰值变大。

不同升温速率燃烧特性参数对比如图9所示。由图9可以看出：随着升温速率的增大，着火温度、燃尽温度和最大燃烧速率温度都升高，说明反应向高温区域移动；当升温速率达到40 ℃/min时，温度增加的比例较大；升温速率增大，综合燃烧特性指数增大，当升温速率大于20 ℃/min时，综合燃烧特性指数基本上稳定；燃尽指数大致随着升温速率增大呈线性增加，说明升温速率有利于混合物质的燃尽，提高燃烧速率。

3 结 论

1）生物质的燃烧过程和煤的燃烧过程有所差别，生物质的着火温度比煤低150~290 ℃，燃尽特性指数、综合燃烧特性指数较高。

2）3种煤中加入生物质后，煤的燃烧特性参数变化趋势一致，但是对不同的煤种，燃烧特性参数的变化量不同。兰炭中加入大豆秆后，比兰炭单独燃烧时，着火温度降低了253.4 ℃，综合燃烧特性指数增加了4.71´10–7。添加生物质后，混合样品的着火温度接近生物质的着火温度。煤中固定碳的含量越大，煤的综合燃烧性能改善得越多。

3）随着生物质掺入比例的增大，兰炭和大豆掺烧的着火温度、燃尽温度降低，综合燃烧特性指数、燃尽特性指数升高，整个反应的燃烧向低温区移动，改善了兰炭的燃烧特性。

4）综合各燃烧特性指数来看，兰炭中添加生物质的比例为20%较好。随着升温速率增大，反应向高温区偏移，反应速率增大，但是升温速率不宜过大，升温速率为20 ℃/min时比较适宜。

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Experimental study on co-combustion characteristics of coal and biomass

WANG Huashan, SUN Huan, WANG Yuekang, WANG Chunsheng, LIU Hua

(College of Vehicles and Energy, Yanshan University, Qinhuangdao 066000, China)

In order to alleviate the shortage of coal resources, blending biomass during coal combsution is a good solution. The combustion process of coals (blue-coal, Shenfu bituminous coal, Datong anthracite) and biomasses (soybean stalk, wheat stalk) and their mixtures were experimentally studied by integrated thermal analyzer under different conditions. The results show that, in a certain range, as the proportion of biomass increased, the characteristic temperature of blue carbon combustion reduced, and the comprehensive combustion characteristic index increased. When the biomass blending ratio was 50%, the ignition point of the mixed sample was very close to that of the biomass. As the heating rate increased, the blending of blue-coal and soybean stalk moved towards the high temperature zone, and both the comprehensive combustion characteristic index and the burnout characteristic index increased. The results of this experiment provide a basis for reducing the ignition point of coal and alleviating the tightness of coal resources.

biomass, blue-coal, blending, thermogravimetric analysis, combustion characteristics, heating rate

TK16

A

10.19666/j.rlfd.201811219

王华山, 孙环, 王跃康, 等. 煤与生物质掺混燃烧特性实验[J]. 热力发电, 2019, 48(5): 64-70. WANG Huashan, SUN Huan, WANG Yuekang, et al. Experimental study on co-combustion characteristics of coal and biomass[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(5): 64-70.

2018-11-20

河北省自然科学基金青年科学基金项目(E2017203025)；河北省教育厅高等学校科技计划青年基金项目(QN2018230)；燕山大学基础研究专项课题(16LGA013)

Youth Science Foundation of Natural Science Foundation of Hebei Province (E2017203025);Youth Foundation of University Science and Technology Program of Hebei Education Department (QN2018230);Special Topic of Basic Research of Yanshan University (16LGA013)

王华山(1979—)，男，副教授，主要研究方向为燃烧污染物排放控制及检测，wanghsh@ysu.edu.cn。

刘华(1984—)，男，讲师，liuhua@ysu.edu.cn。

（责任编辑 马昕红）