第25卷第4期站系統(tǒng)工程VoL25 No 42009年7月System Engineering文章編號(hào):1005-006X(200904000904生物質(zhì)與煤的混合燃燒實(shí)驗(yàn)研究程樹仁1劉亮2(1.山西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院,2長(zhǎng)沙理工大學(xué))摘要:為了解生物質(zhì)和煤的混燃特性,利用熱天平對(duì)生物質(zhì)、煤及其混合試樣進(jìn)行了熱重實(shí)驗(yàn)研究,考察各種試樣的著火溫度、燃燒速率最大時(shí)溫度、燃盡溫度和最大燃燒速率等燃燒特征參數(shù),并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析處理,求出了反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)活化能E和頻率因子A.結(jié)果表明,同煙煤比較,生物質(zhì)有較低的燃燒特征溫度和較快的燃燒速率·在煙煤中加入生物質(zhì)共燃后,著火燃燒提前時(shí)可以獲得更好的燃盡特性關(guān)鍵詞:生物質(zhì);煤;熱重實(shí)驗(yàn);動(dòng)力學(xué)參數(shù);實(shí)驗(yàn)研究中圖分類號(hào):TK16.文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:AExperimental Research on Co-combustion of Biomass and CoalCHENG Xu-ren, LIU LiangAbstract: In order to obtain the co-combustion properties of biomass and coal, the thermalgravimetric analyses wereused to study the properties of blended samples, the combustibility characteristic parameters such as ignition temperature,peak temperature at maximum weight loss rate, burnout temperature, maximum rate of combustion would be investigatedAfter dealing with experimental data, the kinetics parameter E and A were obtained. The experimental results show thatthe lower ignition temperature and better burnout property can be achieved for the biomass than coalKey words: biomass; coal; thermal analysis; kinetics parameters; experimental research能源與環(huán)境是當(dāng)今世界發(fā)展的兩大主題,是人們關(guān)注的焦點(diǎn),隨著全球工業(yè)進(jìn)程不斷加快,經(jīng)濟(jì)發(fā)展飛速增長(zhǎng),化1樣品采集石能源消耗不斷增加,而化石能源的過度開采和使用給環(huán)境本次實(shí)驗(yàn)用生物質(zhì)為花生殼與瓜子殼,干燥后研磨并篩保護(hù)帶來了巨大的壓力,人們深刻地認(rèn)識(shí)到化石能源的有限分,采集140目花生殼粉和瓜子殼粉作為實(shí)驗(yàn)的分析樣品性和環(huán)境污染問題。這就要求開發(fā)出有利于改善環(huán)境的可再煤樣采用寧鄉(xiāng)煤碳?jí)螣熋?140目。生能源,而在各種可再生能源中生物質(zhì)能是唯一可有效存儲(chǔ)太陽能的可再生能源,對(duì)其的合理開發(fā)和高效利用將有助2生物質(zhì)與煤的工業(yè)分析實(shí)驗(yàn)緩解國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展對(duì)能源需求的壓力另外,生物質(zhì)對(duì)煤樣、花生殼、瓜子殼試樣及其混合試樣(按1:1、是一種清潔的可再生能源,它的硫、氮含量均較低,灰分也13的質(zhì)量比例混合)進(jìn)行工業(yè)分析,工業(yè)分析結(jié)果見表很少,所以燃燒后SO2、NO2和灰塵的排放量比化石燃料小表1試樣工業(yè)分析得多。同時(shí),生物質(zhì)對(duì)生態(tài)環(huán)境具有CO2零排放的特點(diǎn),這工業(yè)分析對(duì)減輕日益嚴(yán)重的大氣煙塵、酸雨現(xiàn)象、溫室效應(yīng)必將有著分析樣品發(fā)分固定碳非常重要的作用口煤24.5594426271053930.282花生殼725538387156372017.2027我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó),生物質(zhì)資源十分豐富,我國(guó)生物質(zhì)能7479552338673484155175占一次能源總量的33%,是僅次于煤的第二大能源,生物花生殼煤=1:150.063424.0704687421.9788花生殼煤-1335.164833406022618291674質(zhì)在我國(guó)能源消耗中占有舉足輕重的地位,在全部能源消耗瓜子殼煤=1:15156702330094471920.6602中約占20%,在農(nóng)村能源消費(fèi)中約占生活用能的70%,我巫子殼煤133516723893258362384國(guó)生物質(zhì)資源大部分是單獨(dú)燃燒,利用效率低,能量損失嚴(yán)3生物質(zhì)與煤混合燃燒的熱重分析實(shí)驗(yàn)重,不僅造成大氣污染,還嚴(yán)重破壞生態(tài)環(huán)境,因此采用生物質(zhì)與煤混燒的方法提高利用效率具有重要意義在大型的實(shí)驗(yàn)在空氣氣氛中進(jìn)行,升溫速率:20℃/min;試樣燃煤電廠中使用生物質(zhì)與煤混合作為原料,不僅提高了生物質(zhì)量:10mg;溫度變化范圍:20-1000℃質(zhì)的利用效率,同時(shí)設(shè)備不需要進(jìn)行太大的改動(dòng),降低了投資費(fèi)用。所以對(duì)生物質(zhì)與煤混燒進(jìn)行深入的理論研究具有中國(guó)煤化工樣的To曲線,對(duì)TG十分重要的現(xiàn)實(shí)意義曲線CNMH〔微分熱重曲線DTG收稿日期:200903-19如圖1~圖7所示程樹仁(1967,男,講師。太原,030021從TG曲線上可以看出,煤的燃燒過程基本集中在一個(gè)電站系統(tǒng)工程第25卷溫度區(qū)間,而生物質(zhì)、生物質(zhì)與煤共燃時(shí),存在著較為明顯況下,其過程曲線一般出現(xiàn)兩個(gè)尖峰,燃燒明顯分為兩個(gè)階的兩個(gè)區(qū)間,即揮發(fā)分析出和焦炭燃燒階段。隨著煤在混合段,其尖峰形狀隨試樣混合比不同而相異。對(duì)于生物質(zhì)來說,試樣中比例的增大,燃燒過程逐漸向高溫區(qū)域移動(dòng)。對(duì)應(yīng)的第一個(gè)燃燒階段的DrG曲線的峰值遠(yuǎn)大于第二個(gè)燃燒階段DTG曲線上也可以看出,在生物質(zhì)、生物質(zhì)與煤混燒的情的DTG曲線的峰值,燃燒主要集中在較低的溫度下;但隨著煤的摻混比例增大,燃燒逐漸集中于后一階段:而對(duì)于單的煤燃燒來說,在DTG曲線上只有一個(gè)大的尖峰區(qū)域這是由于生物質(zhì)中含有大量的揮發(fā)分,因而在燃燒初期,揮發(fā)分的大量析出,從而導(dǎo)致了燃燒的第一階段形成。溫度(c)圖1煤的燃燒特性曲線圖5花生殼煤1:3的燃燒特性曲線圖2花生殼的燃燒特性曲線溫度(℃圖6瓜子殼煤1:1的燃燒特性曲線度(℃)圖3瓜子殼的燃燒特性曲線溫度(℃)圖7瓜子殼煤1:3的燃燒特性曲線3.2燃料的燃燒特性和著火特性分析在燃料燃燒的過程中,影響揮發(fā)分析出的因素也直接影中國(guó)煤化工的主要特性參數(shù)有嗎CNMH GG/dry溫度c)其中T越小,則表明燃料的著火性能越佳;(dGd’m越大,4花生殼煤1:1的燃燒特性曲線表明揮發(fā)分釋放程度劇烈;Tm越小,則表明揮發(fā)分釋放越程樹仁等:生物質(zhì)與煤的混合燃燒實(shí)驗(yàn)研究快,此時(shí)燃燒就容易在較低的溫度下進(jìn)行使得著火燃燒得以在較短的時(shí)間、較低的溫度下發(fā)生,從而同時(shí)將DTG曲線上燃燒后期的G點(diǎn)作為初始燃盡點(diǎn),延長(zhǎng)了整個(gè)燃燒的溫度區(qū)間,可以獲得更好的燃盡特性在G點(diǎn)以后DTG曲線趨于平直,曲線波動(dòng)于零值附近,其3.23燃燒特性指數(shù)S所對(duì)應(yīng)的溫度用7來表示,7°的大小反應(yīng)試樣的燃盡特性。對(duì)于緩慢加熱的燃燒過程,燃燒反應(yīng)初期即在著火階7越小,則表明燃料試樣容易燃盡,其與揮發(fā)分初析溫度段,可認(rèn)為是屬于化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)控制區(qū),即由化學(xué)反應(yīng)動(dòng)T的差值越小,反映該燃料燃燒過程時(shí)間越短,燃料放熱反力學(xué)因素控制反應(yīng)速度,并可近似地用 Arrhenius定律表達(dá)應(yīng)越集中。表2為燃料燃燒過程中主要燃燒特性參數(shù)值燃燒速率,即表2燃料燃燒主要特性參數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)dG/dr Aexp[-E/(RTI試拌Tcm( dG/dr)m/mg min式中,d0燃燒速度:A指前因子,對(duì)上式求導(dǎo),花生殼26847305整理得花生殼煤=12676531489花生殼煤132684731723(52339)040瓜子殼39593瓜子殼煤=1:126009293.32在著火點(diǎn),按文獻(xiàn)[8]有燃燒特性指數(shù)S瓜子殼煤=1:3261.79295.496692032l揮發(fā)分的析出特性和著火特性分析S從表2可以看出,花生殼、瓜子殼的揮發(fā)分初析溫度遠(yuǎn)低于煤樣的揮發(fā)分初析溫度。生物質(zhì)燃燒時(shí)T為260℃左式中,(dGd)最大燃燒速度;(dGd)平均燃右;煤?jiǎn)为?dú)燃燒時(shí)為440℃左右;在生物質(zhì)和煤混燒時(shí),燒速度;了°燃盡溫度:T?！饻囟取Ｋ敲旱木C合π較接近于生物質(zhì)燃燒時(shí)的溫度,與煤比較大大降低,基本特性指標(biāo),S值越大,煤的燃燒特性越佳。本文借用S來評(píng)可以認(rèn)為混合物的T是單質(zhì)生物質(zhì)的初始燃燒溫度。從價(jià)試樣的燃燒特性,按式(3)可求出各試樣的燃燒特性指( dG/dn)的數(shù)據(jù)來看,生物質(zhì)在較低溫度(300℃左右)數(shù)如圖8時(shí),釋放揮發(fā)分劇烈;而在混燒時(shí),(dGid)ymx所對(duì)應(yīng)的溫度Tmx基本上也處在300℃左右。在生物質(zhì)與煤混燃時(shí),隨著煤的比例增大揮發(fā)分最大釋放速率越來越小(混燒花生283-0960.40;混燒瓜子殼637-1,25-0.59),從DTG曲線可以看出,在燃燒前期生物質(zhì)的曲線峰狹長(zhǎng),峰值很高,表明其揮發(fā)分釋放劇烈集中,因而著火容易,而單獨(dú)的煤燃燒時(shí)并無明顯的峰,但混燒時(shí)所形成的曲線峰類似于單獨(dú)的生物質(zhì)燃燒時(shí)的情況,只是峰值較低。這說明在煤中摻入生物質(zhì)后,由于生物質(zhì)中的揮發(fā)分在較低的溫度下即可析出,因此改善了煤的著火性能花生殼占試樣的百分比250E7322最大燃燒速率和燃盡特性分析由DTG曲線上的最大極值點(diǎn)來確定最大燃燒速率(dG/dn)wmx(基本上對(duì)應(yīng)揮發(fā)分最大釋放速率),其對(duì)應(yīng)的C 200Ea7溫度為Tmx,從表2可以看出:對(duì)于單一的生物質(zhì)燃燒來說,燃燒的最大速率出現(xiàn)在燃燒前期,所處的溫度低于300℃;對(duì)于單一的煤燃燒來說,燃燒的最大速率出現(xiàn)的時(shí)間較晚,所處的溫度較高,大于500℃;在生物質(zhì)和煤混燒的情況下,隨著混合比例不同,其燃燒的最大速率出現(xiàn)的時(shí)間瓜子殼占試禪的百分比和溫度也不同。例如煤花生殼=1:1時(shí),最大燃燒速率處于燃燒前期,所處的溫度較低(315℃),主要是因?yàn)榇藭r(shí)揮8燃燒特性指數(shù)S跟生物質(zhì)比例之間的關(guān)系從圖8可以看出,隨著生物質(zhì)所占比例的增加,燃燒特發(fā)分占優(yōu);而在揮發(fā)分的含量相對(duì)較少的情況下(如花生殼:性指數(shù)S變化很大(花生殼摻混比從0%到75%時(shí),燃燒特煤=13),最大燃燒速率處于后一燃燒階段(溫度為523性指數(shù)從1.06(10° mg/minK3)上升到759(10°℃),所處的溫度較高。生物質(zhì)的最大燃燒速率較大,其中瓜子高達(dá)637mgmm,而生物質(zhì)與煤混合后最大燃燒速率mg2/min)相應(yīng)地,瓜子殼也從1.06(10°mg/mink3)上升顯降低很多?？偟膩碚f,在煤中加入生物質(zhì)后,燃燒的最中國(guó)煤化工出在煤中摻混生物質(zhì),大速率增大且有前移的趨勢(shì),所處的溫度較煤來說有所降可以CNMHG的改普低,這表明在煤中加入生物質(zhì)后,最大燃燒強(qiáng)度有所提前.4生物質(zhì)與煤混合燃燒的動(dòng)力學(xué)分析對(duì)于初始燃盡點(diǎn)G來說,在煤中加入生物質(zhì)后溫度有所降低(如由833℃降低到649℃)。這是由于加入生物質(zhì)后生物質(zhì)采用一級(jí)反應(yīng)機(jī)理方程a)(1-a)”,m1式中。一失重百分?jǐn)郺電系王程09年第25卷H-H起始時(shí)的明顯的兩個(gè)區(qū)間,即揮發(fā)分析出和焦炭燃燒階段隨著煤在混合試樣中比例的增大,燃燒過程逐漸向高溫區(qū)域移動(dòng)質(zhì)量;最終質(zhì)量,W—溫度T時(shí)的質(zhì)量,根據(jù)(3)生物質(zhì)的揮發(fā)分析出溫度要遠(yuǎn)低于煤的揮發(fā)分析Coats-Redferm法得:出溫度。在煤中摻入生物質(zhì),可以使煤著火燃燒提前,并可1EBE E RT(5)以改善煤的著火性能(4)生物質(zhì)燃燒的最大速率出現(xiàn)在燃燒前期,煤燃燒的對(duì)((a)-1作圖,應(yīng)為一直線,進(jìn)而從該直線的斜率最大速率出現(xiàn)在燃燒后期在煤中摻入生物質(zhì),可以使煤燃和截距可得動(dòng)力學(xué)參數(shù)E和A。計(jì)算結(jié)果見表3。燒的最大速率增加且向前移,并可以獲得更好的燃盡特性。表3花生殼、瓜子殼和煙煤及混合物熱解動(dòng)力學(xué)參數(shù)(5)對(duì)生物質(zhì)與煤混燒進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析,建立了合理試樣溫度區(qū)間cEnJ. morA/min'的動(dòng)力學(xué)模型,并求得動(dòng)力學(xué)參數(shù)。350~64066090510.9943參考文獻(xiàn)240~24559834955912-099002花生亮[] Harding N S, Adams BR Biomass as a reburning fuel: a specialized42.591209560.98809cofiring application []. Biomass and Bioenergy, 2000, 19(6): 429--445.花生殼煤=1:145.29101446-0.99358[2]肖軍,段膂春,王華,等.生物質(zhì)與煤共燃研究[煤炭轉(zhuǎn)化200,25.839905126(l)127~135花生亮煤=1:341.442127009936945.163184.790991173]劉豪,邱建榮,董學(xué)文,等.生物質(zhì)與煤混燒的燃燒特性研究門瓜子殼23-308429234×10097628熱能動(dòng)力工程,2002,17(5)451~45450309258454]楊亞平,蔡松.南方地區(qū)秸稈氣化技術(shù)應(yīng)用特點(diǎn)[門中國(guó)能源,瓜子殼煤=1:1230~35604874075852001,(631~33[5】盛昌棟,張軍.煤粉鍋爐共燃生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)門技瓜子殼煤叫3230~3404317417078098838術(shù)經(jīng)濟(jì)綜述,2006,35(3)8~145.49[6]聶其紅,孫紹增,等.褐煤混煤燃燒特性的熱重分析法研究門尷燒科學(xué)與技術(shù),2001,7(1)72~765結(jié)論[門陳鏡泓,李傳儸.熱分析及其應(yīng)用[M]科學(xué)出版社1985()生物質(zhì)較煤而言揮發(fā)分含量高、灰分含量低,易著孫學(xué)信燃煤鍋爐燃燒實(shí)驗(yàn)技術(shù)與方法M中國(guó)電力出版社2029]肖軍,沈賴宏,王澤明,等生物質(zhì)加壓熱重分析研究燃燒科學(xué)與技術(shù)2005,115)415~420(2)從TG曲線上可以看出,煤的燃嬈過程基本集中在[1o李佘增.熱分析M清華大學(xué)出版社,1987個(gè)溫度區(qū)間,而生物質(zhì)、生物質(zhì)與煤共燃時(shí),存在著較為編輯:巨川上接第6頁)參考文獻(xiàn)U]. Catalysis Letter, 1998, 52: 157-161[l] Hong Sun, Xie Quan, Shuo Chen, et al. Preparation of well-adhered 2 Jyh-Chemg Chen, Ming-Yen Wey, Chia-Lin Yeh,et a.SimultaneousY-AlyO, washcoat on metallic wire mesh monoliths by electrophoreticreatment of organic compounds, CO, and No, in the incineration fluedeposition U ]. Applied Surface Science, 2007, 253(6): 3303-331three-way catalyst []. Applied Catalysis B: Environmental,2004,48:25~35Weber r, Plink MⅫ乙" al. Destruction efficiency of catalytic3]毛小波,陳耀強(qiáng),趙明,等,鋯比對(duì)低貴金屬Pt+Rbfilters for polychlorinated dibenzo-p-dioxin and dibenzofurans inlaboratory test and field operation-insight into destruction andce0y+ ZrosYoI019+A1O3三效催化劑性能的影響化學(xué)學(xué)報(bào),adsorption behavior of semi-volatile compounds (J. Applied Catalysis [14] Debora Fino, Nunzio Russo, Guido Saracco, et al. A multifunctional[3]Rushan Bie, Shiyuan Li, Hai Wang Huang, et al. Characterization offilter for the simultaneous removal of fly-ash and NO fromPCDD/Fs and heavy metals from MSw incineration plant in Harbinincinerator flue gases [] Chemical Engineering Science, 2004,U ]. Waste Management, 2007, 27(12): 1860-186959(22-23)5329~5336[4] Panayiota S Lambrou, Angelos M Efstathiou, The e[15] Gomez-garcia M A, Pitchon W, Kiennemann A Removal of NO fromoxygen storage and release properties of modellean exhaust gas by storage/reduction on supported on Ce,Zr4[]three-way catalyst [] Journal of Catalysis, 2006.182~Environmental Science Technology, 2005, 39(2): 638-644[16] J R Hardee, J W Hightower. Nitric oxide reduction by methaRh/AlO, catalysts [J]. Joumal of Catalysis, 1984, 86: 137-146[S]Hatzimouratidis K, Hatzichristou D G. A comparative review of the [17 c J Loughran, D E Resasco. Bifunctionality of palladium-basedoptions for treatment of erectile dysfunction: which treatment foratalysts used in the reduction of nitric oxide by methane in thewhich patient[]. Drugs, 2005, 65(12): 1621-1630esence of oxygen [] Applied Catalysis B, 1995, 7: 113-126.6]郭家秀,龔茂初,袁書華,等PRh型三效催化劑中BO的作用[8] K Shimin, A Satsuma, T Harton. Selective catalytic reduction of NO中國(guó)稀土學(xué)報(bào),2006,24(2)27~31[7]王家明,袁芳芳,諸霞,等金屬載體催化劑的涂層研究中國(guó)hydrocarbons on Ga2 0/AlO catalysts [] Applied Catalysis B,稀土學(xué)報(bào),2004,224)579~584[8] Zhou G Luo T, Gorte R J. An investigation of NO storage on[19]K Masuda, T Sano, F Mizukami, et al. Effect of the type of supportPt-Bao-Alo, []. Applied Catalysis B: Environmental, 2006, 64(1/2):eparation on the thermo stability and the oxidation activity of88~95CeO, BaOVAl2Oj-supported Pd catalysts []. Applied Catalysis[9] Liu Z Q, Anderson J A. Influence of reduction on the thermal stability中國(guó)煤化工ordi Llorca, ef al. Theof stored NO in Pt/Ba/AlO, NO, storage and reduction traps uj]Joumal of Catalysis, 2004, 224(1): 18-27ZrOz mixed oxides by a[1Q]杜小春,劉志敏,羅勇悅,等.整體式Co2O4 YSZ-Y-AlO2+CYZ催CNMHGToda. I998,43:79~化劑上的甲烷催化燃燒[化學(xué)學(xué)報(bào)2005,63(18)1651~1655[21] Do Heui Kin, Seong Ihl Woo, O-Beng Yang. Effect of pH in[11] Y Okimura, H Yokoi, K Ohbayashi, et al. Selective catalytic reductionsynthesis on the physicochemical properties of Pd-Alumina tof nitrogen oxides with hydrocarbons over Zn-Al-Ga complex oxidescatalyst []. Applied Catalysis B: Environmental, 2000, 26: 28編輯:巨川