第26卷第8期電力科學(xué)與工程010年8月Electric Power Science and Engineering生物質(zhì)與煤摻燒的實(shí)驗(yàn)研究孫俊威’,徐程宏2,安敬學(xué)',閻維平(1.華北電力大學(xué)電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北保定071003;2.廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院,廣東廣州510000摘要:利用熱重分析法,在不同條件下,對(duì)單一生物質(zhì)、煤及其混合物的燃燒特性進(jìn)行分析,研究了陽(yáng)泉煤、稻殼、麥稈和松木屑的揮發(fā)分初析溫度、揮發(fā)分最大釋放速率、固定碳最大燃燒速率、燃盡溫度等燃燒特性參數(shù)。由實(shí)驗(yàn)得知,生物質(zhì)的燃燒時(shí)間比媟提前,生物質(zhì)在燃燒過(guò)程中有兩個(gè)明顯的失重階段,而煤只有一個(gè)明顯的失重階段。通過(guò)摻混可以使煤的著火時(shí)間縮短,著火溫度降低,延長(zhǎng)了整個(gè)燃燒的溫度區(qū)間,使煤能更好地燃盡,使燃料的燃燒特性得到了優(yōu)化。關(guān)鍵詞:生物質(zhì);煤;熱重分析;混燃中圖分類(lèi)號(hào):TM619;TK16文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A設(shè)備不需要進(jìn)行太大的改動(dòng),直接利用原有設(shè)備即可,降低了整個(gè)投資的費(fèi)用,并且也優(yōu)化了生物質(zhì)和礦物燃料的燃燒性質(zhì),具有非常重要的現(xiàn)隨著世界經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速的發(fā)展和人口數(shù)量的實(shí)意義。發(fā)展生物質(zhì)與煤的摻混燃燒,既能減不斷增長(zhǎng),人類(lèi)對(duì)能源的需求也在不斷的增加,輕污染又能利用可再生能源的廉價(jià)技術(shù),是非常而人類(lèi)賴(lài)以生存的化石能源卻在不斷的減少,據(jù)適合我國(guó)的國(guó)情3?！恪｜S海珍、劉豪、程樹(shù)仁等很預(yù)測(cè),可以開(kāi)發(fā)利用的煤和石油能源將分別在多人對(duì)生物質(zhì)與煤摻燒進(jìn)行過(guò)研究,他們的研究220年、40年以?xún)?nèi)耗竭,天然氣也只能用60年左都是在單一的升溫速率,摻混比(按質(zhì)量計(jì))比右。由化石燃料的開(kāi)采和使用所帶來(lái)的社會(huì)和較低的工況下進(jìn)行的,取得了很好的結(jié)果。為了環(huán)境問(wèn)題日趨嚴(yán)重,人們深刻地認(rèn)識(shí)到這一問(wèn)題非富研究?jī)?nèi)容,本文采用熱重分析法,研究了單的嚴(yán)重性,如何解決這些問(wèn)題成為當(dāng)務(wù)之急。被一煤、單一生物質(zhì)及煤與生物質(zhì)不同比例混合以譽(yù)為綠色煤炭的生物質(zhì),是唯一可以運(yùn)輸和儲(chǔ)存及不同升溫速率下燃料的燃燒特性,分析了單的可再生能源,可轉(zhuǎn)化為常規(guī)的固態(tài)、液態(tài)和氣燃料和混合燃料的異同及升溫速率、摻燒比變化態(tài)燃料以及其他化工原料或產(chǎn)品2。生物質(zhì)具有對(duì)混合燃料燃燒特性的影響。高揮發(fā)分、高炭活性,N,S含量低,灰分低的特點(diǎn)。與化石燃料相比,可降低硫化物、氮化物以及煙塵的含量1實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備現(xiàn)有的生物質(zhì)能利用方法中有很多的弊端,和傳統(tǒng)的化石能源相比,沒(méi)有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的優(yōu)勢(shì),本實(shí)驗(yàn)所用的設(shè)備為:熱重分析儀、真空干效率低,而且技術(shù)不夠成熟。另外,我國(guó)的生物燥箱、馬弗爐、電子分析天平、空氣氣體。實(shí)驗(yàn)質(zhì)分布比較分散,直接建大型的生物質(zhì)發(fā)電廠,在空氣氛圍下進(jìn)行,實(shí)驗(yàn)樣品為陽(yáng)泉煤、稻殼、還存在生物質(zhì)收集難、成本高等問(wèn)題。利用生物麥稈和松木屑,粒度均為100目。實(shí)驗(yàn)樣品的燃質(zhì)在現(xiàn)有大型燃煤電廠中進(jìn)行混燃,可有效地解料特性見(jiàn)表1,生物質(zhì)的化學(xué)組成如表2,實(shí)驗(yàn)工決生物質(zhì)高效、大規(guī)模利用的難題,對(duì)電廠現(xiàn)有況如表3所示。中國(guó)煤化工CNMHG收稿日期:2010-03-17。作者簡(jiǎn)介:孫俊威(1985-),男,碩士研究生,研究方向?yàn)樯镔|(zhì)能的氣化利用, E-mail: yunxiao046@163.cm。第8期孫俊威,等生物質(zhì)與煤摻燒的實(shí)驗(yàn)研究表1實(shí)驗(yàn)樣品燃料特性Tab 1 Elemental analysis and industry analysis of experimental samples低位發(fā)熱量工業(yè)分析/(%)元素分析/(%)燃料種類(lèi)/M·kg流殼11.963.416.739.7300.490.089.8261.2340.550.11松木屑16.8925.2813.22793.6355.86.8137.110.050.25陽(yáng)泉煤表2不同生物質(zhì)化學(xué)組成具有明顯的揮發(fā)分釋放過(guò)程;而煤中揮發(fā)分含量Tab2 Chemical composition of biomas(%)較少,只有在高溫區(qū)因焦炭燃燒而造成失重。圖樣品纖維素半纖維素木質(zhì)素其他3還顯示了不同生物質(zhì)間燃燒特性的不同,3種生稻殼物質(zhì)在燃燒初期無(wú)太大變化,而直至溫度上升到麥稈275℃左右時(shí),揮發(fā)分開(kāi)始明顯脫除,大約282松木屑163416334℃時(shí),產(chǎn)生第一個(gè)失重速率峰值。此過(guò)程主表3實(shí)驗(yàn)工況表要為生物質(zhì)中纖維素、木質(zhì)素的反應(yīng)變化階段。Tab 3 Experimental condition由圖2至圖4知,在升溫速率為20K/min時(shí),純工況參數(shù)煤、稻殼、麥稈和松木屑開(kāi)始明顯失重的溫度分別是510℃,275℃,272℃和286℃,說(shuō)明3物料種類(lèi)陽(yáng)泉煤、稻殼、麥稈、松木屑種生物質(zhì)的燃燒特性非常接近,而生物質(zhì)與煤的摻混比例(%)0,15,25,50,100燃燒特性差異較大。單一生物質(zhì)燃燒時(shí)的曲線峰升溫速率(K·min)20,30,40狹長(zhǎng),純煤燃燒時(shí)曲線峰低而寬,混燒時(shí)的曲線2實(shí)驗(yàn)結(jié)果峰類(lèi)似于單獨(dú)的生物質(zhì)燃燒時(shí)的情況定義揮發(fā)分初析溫度T,如圖1所示,在TG曲線上作兩條切線交于點(diǎn)A,過(guò)A作溫度軸的垂線,與溫度軸的交點(diǎn)就是揮發(fā)分初析溫度T;同理,過(guò)松木屑C點(diǎn)作垂線與溫度軸的交點(diǎn)就是燃料燃盡溫度T;過(guò)DTG曲線峰值點(diǎn)B作溫度軸垂線與溫度軸相交點(diǎn)就是揮發(fā)分最大析出速率下對(duì)應(yīng)溫度值ta溫度/"c2稻殼-麥c:-松木廁圖1揮發(fā)分初析溫度定義Fig. 1 Definition of initial release temperature3結(jié)果分析從圖2可知,純煤只有一個(gè)明顯的失重階段H中國(guó)煤化工100120CNMHGODTA,TG曲線3種生物質(zhì)均有兩個(gè)明顯的失重階段,這是因?yàn)镕ig 2 DTA and TG curves of pure coal生物質(zhì)本身?yè)]發(fā)分含量較高,在低溫和高溫區(qū),rice husk, rice straw, pine sawdust電力科學(xué)與工程2010年圖5~圖8可以看出,隨著升溫速率的增大,燃燒反應(yīng)開(kāi)始溫度會(huì)向溫度變大的方向移動(dòng),這松木膈主要是由于燃燒過(guò)程包括熱量從反應(yīng)物質(zhì)外部向內(nèi)部的傳熱過(guò)程和燃燒產(chǎn)生的氣體從反應(yīng)物質(zhì)內(nèi)部運(yùn)輸至表面的傳質(zhì)過(guò)程的影響。升溫速率增大會(huì)造成反應(yīng)物質(zhì)內(nèi)部和表面之間、表面和熱重儀坩鍋之間產(chǎn)生溫差形成傳熱傳質(zhì)滯后,使得燃燒開(kāi)始溫度向高溫方向推移。6008001隨著升溫速率的增大,燃料樣品燃燒反應(yīng)開(kāi)始溫度、燃盡溫度會(huì)向溫度增加的方向移動(dòng),同時(shí),燃燒反應(yīng)時(shí)間縮短;揮發(fā)分最大失重速率及△-松木屑其對(duì)應(yīng)溫度和焦炭最大燃燒速率及其對(duì)應(yīng)溫度均增加,燃燒反應(yīng)進(jìn)行劇烈,反應(yīng)變得更加容易進(jìn)行。高的升溫速率容易形成較高的燃燒溫度,燃燒越穩(wěn)定,在一定的停留時(shí)間內(nèi)煤燃盡程度也越高)煤與生物質(zhì)摻混,摻混比例分別為0%25%,50%,100%;按此比例順序進(jìn)行分析,當(dāng)生物質(zhì)為稻殼時(shí),開(kāi)始燃燒溫度分別為510℃別與15%稻殼、15%麥稈屑摻混的DTA,TG曲線235℃,260℃,267℃和275℃;焦炭最大燃燒速Fig. 3A and TG curves of coal and15%率分別為:12K/min,1.06Kmim,0%4K/min062Kmin,062K/min;焦炭最大燃燒速率下對(duì)應(yīng)松木-20K/m80010001200020040060080010001200溫度c20 K/minc麥稈已△-松木啊-O- 30K/min80010001200中國(guó)煤化工0100104煤分別與50%稻殼、50%麥稈CNMHTG,DTA曲線50%松木屑摻混的DTA,TG曲線Fig 4 Blending DtA and TG curves of coal andFig 5 TG and DTA curves of pure coal atrice hulls, 50% straw, 50% pine sawdust respectivelydifferent heating rates第8期孫俊威,等生物質(zhì)與煤摻燒的實(shí)驗(yàn)研究■-20Kmia-O- 30Kmin溫度/℃80010001200△-40Kmia圖650%稻殼在不同升溫速率下的DA,TG曲線0001200Fig 6 DTA and TG curves of 50溫度°rice husk at different heating rates圖850%松木屑在不同升溫速率下的DTA,TG曲線12020K/min0 K/minFig8 DTA and TG curves of 50% pine40 K/minwdust at different heating rates溫度分別為:581℃,562℃,570℃,426℃;燃盡溫度分別為:690℃,672℃,660℃,660℃,490℃;混合燃料隨比例增大,揮發(fā)分最大燃燒速率分別為:0.36K/min,0.55K/min,1.1K/min0.62K/min;揮發(fā)分最大燃燒速率下對(duì)應(yīng)溫度分別為:278℃,278℃,275℃,290℃。從上述分析可知隨著摻混比例的增加,混合燃料開(kāi)始燃燒溫度與單一稻殼相比溫度差別很小;與純煤差別卻很大。Kmin此外,由圖9~11可知,隨著摻混比例的增加,焦炭最大燃燒速率與焦炭最大燃燒速率下對(duì)應(yīng)溫度都呈下降趨勢(shì);燃盡溫度逐漸減小,燃盡提前;混合燃料揮發(fā)分最大燃燒速率逐漸增大;揮發(fā)分最大燃燒速率下對(duì)應(yīng)溫度逐漸減小。通常情況下,煤的著火點(diǎn)隨著煤炭中揮發(fā)分的增高而降低,由10001200溫度℃于生V凵中國(guó)煤化工揮發(fā)分在較低的溫圖750%麥稈在不同升溫速率下的DA,TG曲線CNMH動(dòng)勿質(zhì)和煤混燒時(shí)Fig 7 DTA and TG curves of 50的著火低較大。因此,在實(shí)際鍋爐混燒煤straw at different heating rates和生物質(zhì)時(shí),著火較容易。電力科學(xué)與工程2010年5%松木50%松木劇一-100%松木40060080010001200一●-15%松木100%松木屑80010001200圖9在30Kmin下,稻殼在不同摻混比下的DTA,TG曲線Flg9 Under30Kmn, the dta and tG curves of圖1松木屑在3K/mh不同摻混比下的DA,TG曲線the rice husk at different blending ratioFig 11 Under 30 Kmin, the DTA and TG curves4結(jié)論v-50%麥桿一100%麥稈(1)純煤只有一個(gè)明顯的失重階段,3種生物質(zhì)均有兩個(gè)明顯的失重階段,3種生物質(zhì)在第一個(gè)失重峰值的大小與本身所含纖維素和木質(zhì)素的多少有關(guān)(2)在40K/min的升溫速率下,生物質(zhì)和煤0001200共燃優(yōu)點(diǎn)比較明顯,原因是隨著升溫速率的增大,燃料樣品燃燒反應(yīng)開(kāi)始溫度、燃盡溫度會(huì)向溫度一*15%麥桿增加的方向移動(dòng)。50%麥稈(3)摻混比例15%時(shí),生物質(zhì)和煤共燃的效一·-100%麥稈果比較好,隨著摻混比例的增加,焦炭最大燃燒速率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。(4)燃燒時(shí)曲線峰狹長(zhǎng),混燒時(shí)曲線的峰類(lèi)似于單獨(dú)的生物質(zhì)燃燒時(shí)的情況,只是峰值較低;而高溫段隨著生物質(zhì)摻混的比例增加,失重區(qū)域溫度/°逐漸向涅降的古血敵動(dòng)中國(guó)煤化工圖10麥稈在30Kmn下,不同摻混比的DTA,TG曲線參考CNMHGFig 10 Under 30 K/min, the DtA and TG curvesf the straw at different blending ratios[1]馬經(jīng)國(guó).新能源技術(shù)[M].南京:江蘇科學(xué)技術(shù)出第8期孫俊威,等生物質(zhì)與煤摻燒的實(shí)驗(yàn)研究版社,1992coal altogether burns characteristic [J]. ExperimentMa jingguo. New energy technology [M]. Nanjing: Pub-Technology and Management, 2006, 23(9): 35-38lishing House of Jiangsu Science and Technology,I992.[6]林鵬.秸稈類(lèi)生物質(zhì)層燃燃燒特性的試驗(yàn)研究[D][2] Franco A, Giannini N. Perspectives for the use of bio-上海:上海交通大學(xué),2008ass as fuel in combined cycle power plants [J]Lin Peng. Experimental study of level burns characteris-national Jourmal Sciences, 2005, 44: 163-177tithe of straws [D]. Shanghai: Shanghai Jiaotong Uni-[3]陳吟穎.生物質(zhì)與煤共熱解試驗(yàn)研究[D].保定:華北電力大學(xué),2007[7]劉豪,邱建榮,董學(xué)文,等.生物質(zhì)與煤混燒的燃燒Experiment of biomass with coal pyrolysi特性研究[J].熱能動(dòng)力工程,2002,17(101):[D]. Baoding: North China Electric Power UniversityLiu Hao, Qiu Jianrong, Dong Xuewe[4]張建安,劉德華.生物質(zhì)能源利用技術(shù)[M].北京: of biomass and化學(xué)工業(yè)出版社,2009Thermal Power Engineering, 2002, 17(101): 451-454Zhang Jianan, Liu Dehua. Biomass energy utilization[8]楊毅櫟.煤與生物質(zhì)共氣化的特性研究[D].保定:technology[M]. Beijing: Chemical Industry Press華北電力大學(xué),2008Yang Yili. Characteristics of coal and biomass gasifica[5]徐朝芬,陳漢平.生物質(zhì)與煤共燃特性的研究[J]tion[D]. Baoding: North China Electric Power Universi-實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2006,23(9):35-382008Xu Chaofen, Chen Hanping. Research of biomass andExperimental Research on Biomass and Coal Co-firingSun Junwei, Xu Chenghong, An Jingxue, Yan Weiping(1. Key Laboratory of Condition Monitoring and Control for Power Plant Equipment ofMinistry of Education, North China Electric Power University, Baoding 071003, China;2. Electric Power Academy of Science of Guangdong ElectricalNetwork Company, Guangzhou 510000, ChinaAbstract: By means of the thermogravimetric analysis, this paper analyses the combustion characteristics of unitarybiomass,coal and their mixture in different conditions, and researches on the combustion characteristic parametersof different samples, such as the initial release temperature and the maximnd the maximum release rate of volatile the maximcombustion rate of fixed carbon as well as the bumout temperature, etc. The experiment shows that the combustiontime of biomass is earlier than that of coal, and during the combustion process, biomass has two obvious weight lossperiods while coal has only one. In addition, it also displays that through mixing biomass and coal together, thecombustion time can be advanced and the combustion temperature can be decreased. As a result, the temperaturerange of the whole combustion process is lengthened. Therefore, the coal can be burning-out, and the combustioncharacteristics of the fuelso be optimized as wellKey words: biomass; coal; thermogravimetric analysis; hybrid combustion中國(guó)煤化工CNMHG