IssN1002-4956實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理第23卷第9期2006年9月CNII-2034/1Experimental Technology and ManagemenVol 23 No 9 Sept. 2006生物質(zhì)與煤共燃特性的研究徐朝芬,陳漢平華中科技大學(xué)煤燃燒國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢430074)摘要:利用TG-DG〔熱重-微分熱重)熱分析技術(shù)研究了生物質(zhì)、煤及其混合物燃燒的燃燒性質(zhì)?？疾炝怂鼈兏髯缘闹饻囟取⒆畲笫е厮俣群腿急M溫度等燃燒特征參數(shù),計(jì)算了著火性能指數(shù)和綜合燃燒特性指數(shù)。結(jié)果表明,生物質(zhì)的燃燒分為250~350℃之間和350~450℃之間兩個(gè)階段;生物質(zhì)的燃燒性能相近,結(jié)構(gòu)相似;生物質(zhì)旳綜合燃燒特性指數(shù)眀顯高于煤的綜合燃燒特性;生物質(zhì)與煤樣混燃可有效地降低著火溫度,改善煤樣的燃燒性能。關(guān)鍵詞∶煤;生物質(zhì);混燃;燃燒特性中圖分類號(hào):TQ517文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B文章編號(hào):10024956(2006)9-0035-04Study on co-fire combustion performance of biomass withXU Chao-fen, ChEn Han-pingState Key Lab. of Coal Combustion, Huazhong University of Science and Technology 430074, ChinaAbstract: The TG -DTG thermalanalysis technology was applied to study the co-fire combustion characteristics of bio-mass with coal. Combustion characteristics of them were analyzed according to combustion characteristics parameterssuch as ignition temperature maximum rate of combustion and burnout temperature etc. Ignition parameters and combustibility parameters were calculated. It shows that the ignition temperature of biomasses are two phases between 250350C and 350-450C The combustion performances of biomass are near and the structures are similar. The combus-tibility performances parameters are higher than the coal s; it reduced the ignition temperature and improved the com-bustion performances of co-fire combustion characteristics of biomass with coalKey words: coal biomass co-fire combustion performance能源是人類社會(huì)進(jìn)步最為重要的物質(zhì)基礎(chǔ)1,所用生物質(zhì)樣和煤樣的工業(yè)分析和元素分析結(jié)果如在世界能源消耗中,生物質(zhì)能作為其中的一種再生表1所示。資源,是僅次于煤、石油、天然氣的第4大能源,表1生物質(zhì)及煤樣的工業(yè)分析及元素分析結(jié)果約占13%~14%2。我國生物質(zhì)能占一次能源的工業(yè)分析/%33%左右,是僅次于煤的第2大能源3],這主要是樣品由于我國農(nóng)村人口占總?cè)丝跀?shù)的70%以上,而生物棉桿質(zhì)是農(nóng)村的主要能源。由于生物質(zhì)資源量豐富,加上它對(duì)環(huán)境保護(hù)的各種優(yōu)勢,已日趨為世界各國所油桿14.59重視←3],因此,進(jìn)行生物質(zhì)燃燒特性和燃燒機(jī)理的褐煤31.6353研究,為生物質(zhì)高效利用提供依據(jù),具有重要的理無煙煤24.199.92論意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。元素分析/%樣品1實(shí)驗(yàn)部分H中國煤化工1861.40.0191.1實(shí)驗(yàn)樣品CNMHG實(shí)驗(yàn)時(shí),把生物質(zhì)制成粒度小于0.2mm的分析油桿38.8110.9830.095樣品,把煤制成粒度小于120μm的分析煤樣,實(shí)驗(yàn)褐煤68,905.131.406無煙煤67.232.6030.6691.1450.403收稿日期:2005-11-23修改日期:2006-07-14作者簡介:徐朝芬(1965-),女,重慶市人,工程師實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理1.2實(shí)驗(yàn)儀器及實(shí)驗(yàn)過程重明顯地分為2個(gè)階段:第1階段在250~350℃之本實(shí)驗(yàn)采用德國 NETZSCH公司STA409型熱綜間,這一階段主要是生物質(zhì)中的纖維和木質(zhì)裂解以合分析儀進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)時(shí),將5.0mg具有代表性的樣及揮發(fā)分釋放燃燒階段;第2階段在350~450℃之品置于熱天平支架的AO3坩堝內(nèi),用模擬空氣間,這一階段主要是生物質(zhì)裂解后焦碳燃燒階段?！睴3:N2=1:4〕氣氛,采用計(jì)算機(jī)控制對(duì)樣品進(jìn)行程由于生物質(zhì)的揮發(fā)分含量較高,所以第1階段均較序升溫,直至燃盡為止,微量天平系統(tǒng)記錄了樣品第2階段失重多且失重速度大,尤其是稻桿樣品重量隨溫度變化的整個(gè)燃燒過程的情況,從而得到其第一階段的最大失重速度是第2階段最大失重度樣品的燃燒特性曲線。不同的樣品有不同的燃燒特的3倍之多。性曲線,通過對(duì)樣品燃燒特性曲線的形狀和不同特由圖1還可看出,生物質(zhì)的揮發(fā)分燃燒和焦碳征的分析,了解不同樣品旳著火性能和燃燒特性。燃燒的起始溫度、燃盡溫度和最大燃燒失重溫度都實(shí)驗(yàn)采用如下升溫程序:升溫速度為20℃/min,相差不大,說明生物質(zhì)在結(jié)構(gòu)上相似。空氣流量為100mL/min;從室溫到終止溫度700~從圖2可看岀,煤樣旳揮發(fā)分燃燒和焦碳燃燒900℃的起始溫度和最大燃燒失重溫度都比生物質(zhì)的高。2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論從圖3煤樣和生物質(zhì)混合燃燒的TG和DIG曲線來看,由于煤樣和生物質(zhì)燃燒性質(zhì)差異較大,明2.1熱重分析顯是分別燃燒,而且有效地降低著火溫度。燃盡溫2種煤樣、3種生物質(zhì)以及煤樣與生物質(zhì)分別按度分別比各單一生物質(zhì)樣品燃燒時(shí)高出80~220℃,80%比20%的混合樣品的TG和DrG曲線圖見說明混燃時(shí)延長了燃盡時(shí)間,提高了燃燒性能。圖1~圖3所示。從圖1中可以看出生物質(zhì)的燃燒失桿度r℃溫度/℃圖1純生物質(zhì)稻桿、麥杄、油杄燃燒的TG、DTG曲線無煙煤無煙煤中國煤化工CNMH00200300400500600700800溫度/℃溫度℃圖2褐煤、無煙煤燃燒的TG、DIG曲線徐朝芬,等:生物質(zhì)與煤共燃特性的研究2度注:ZD_80%褐煤與20%稻桿混合;ZM-80%褐煤與20%麥桿混合80%褐煤與20%油杄混合;Y-80%無煙煤與20%油桿混合。(后面文中相同,不再注明)圖3煤與生物質(zhì)混合燃燒的TG、DIG曲線2.2著火溫度時(shí),由于它們都是分別燃燒,分別著火,著火溫度確定著火溫度的方法有多種,本文將采用熱分都比煤單燃時(shí)的著火溫度低了許多,有效地降低了析曲線TG和mrG的方法來確定6η。其做法是在圖煤樣的著火溫度,改善了煤樣的著火性能。1~圖3的DTG曲線上,過峰值E點(diǎn)作垂線與TG曲2.3著火性能指數(shù)線相交于一點(diǎn)F,過F點(diǎn)作TG曲線的切線與TG開著火性能指數(shù)F2用傅維標(biāo)提出的公式來定始曲線的平行線交于G點(diǎn),G點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度就是81,F2=(Va+Wa)C×100通常所說的著火溫度T。有多個(gè)峰值的DTG曲線的F是與煤質(zhì)有關(guān)的一個(gè)參數(shù),F2越大,煤的著著火點(diǎn)則采用過第一個(gè)峰作垂線與TG曲線的交點(diǎn)火性能就越好,主要是因?yàn)槠鋼]發(fā)分(V)和內(nèi)水來確定,見圖4。煤樣、生物質(zhì)及其混合樣品的著(M)釋放后,增大了焦碳內(nèi)部碳粒之間的空隙度,火溫度對(duì)比如表2所示。利于著火。由此可見,樣品揮發(fā)分和內(nèi)水的釋放對(duì)其反應(yīng)的影響具有同樣的效果;而含碳量(C)高DSC/mw.mgDIG/%時(shí),其發(fā)生反應(yīng)時(shí)放出的熱量就高,同樣也有利于DIG著火。根據(jù)表1和上述公式算得各樣品的著火性能指數(shù)F值如表3所示。表3各樣品的著火性能指數(shù)F,值樣品稻桿棉桿油桿褐煤無煙煤樣品002003004005000070012.7813.6113.434.38圖4著火溫度定義示意圖從表3中F的值可以看出,3種生物質(zhì)的揮發(fā)表2各樣品的著火溫度分含量都很高,所以著火性能都很好,其中麥桿的樣品稻桿棉桿油桿褐煤無煙煤含碳量比稻杄和油杄的都高,其著火性能也高于稻著火溫度T/℃254,4262,2260.7432.3573.1杄和油杄;褐煤旳揮發(fā)分和含碳量也較高,也具有較好的著火性能:無煙煤的揮發(fā)分含量和水分含量著火溫度T/℃259.7269.4257.1300.9都非中國煤化工急。將煤樣和生物質(zhì)混合CNMH⑦改善。根據(jù)著火性能從熱重分析所得到的著火溫度可以看出,生物指數(shù)F的判別準(zhǔn)則可知,F在1.0~1.5之間著火質(zhì)的著火溫度相差不大,大約在250~270℃之間;性能屬于中等,大于2.0的著火性能屬于很好的樣褐煤的著火溫度為432.3℃,高于生物質(zhì)而低于無品?？梢娚鲜龈鳂悠烦裏o煙煤著火性能屬中等外煙煤的著火溫度573.1℃;生物質(zhì)與煤樣混合燃燒其余都有很好的著火性能。實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理2.4燃燒特性指數(shù)續(xù)表從實(shí)驗(yàn)熱重曲線來看,各樣品的熱分解過程主樣品dm/dt)a( dm/dtT℃T/℃S/10要是受化學(xué)動(dòng)力學(xué)因素控制反應(yīng)速度,其燃燒速度可根據(jù) Arrhenius定律來描述,即432.3549.58.34dm/dt= Aexp[ -E/RT)]無煙煤10.978,42566655.24,39式中:dm/dt一燃燒速度;A-指前因子;E一活化從表4可以看出,各單一樣品中,生物質(zhì)的S能;R—?dú)怏w常數(shù);T一溫度值最大,褐煤的次之,無煙煤的最小,表明從生物對(duì)上式求導(dǎo)并整理后,得質(zhì)到褐煤到無煙煤,其燃燒性能依次減弱。盡管煤rde d樣的燃燒性能遠(yuǎn)比生物質(zhì)的差,而且煤樣和生物質(zhì)若在著火點(diǎn),則有混合比中煤樣占了80%,但其混燃的S值都分別比單煤樣的提高了許多,從而改善了煤樣的燃燒性能。r ddme d dt lt-r或3結(jié)論r d dm( dm/dt )max dm/dte d dt. dm/dt )ar1)生物質(zhì)的燃燒分為2個(gè)階段:第1階段在dm/dt),( dm/dt)250~350℃之間,這一階段主要是生物質(zhì)中的纖維和木質(zhì)裂解和揮發(fā)分釋放燃燒階段;第2階段在式中:(dm/d)-最大燃燒速度;(dm/d)=n350~450℃之間,這一階段主要是生物質(zhì)裂解后著火溫度對(duì)應(yīng)的燃燒速度;(dmd)--平均燃燒焦碳燃燒階段。煤的揮發(fā)分燃燒不明顯,主要以煤速度;T一著火溫度;T燃盡溫度焦燃燒為主2)生物質(zhì)燃燒的起始溫度、燃盡溫度和最大在上式中,E值越小,反應(yīng)能力越強(qiáng)d;燃燒失重溫度都相差不大,說明生物質(zhì)在結(jié)構(gòu)上相似。為燃燒速度在著火點(diǎn)的轉(zhuǎn)化率,其值越大da3)生物質(zhì)與煤樣混燃時(shí),由于燃燒性質(zhì)相差表明著火越猛烈(dm/d)為燃燒峰值與著火時(shí)較大而產(chǎn)生分別燃燒。油桿與褐煤混燃時(shí)可有效地dm/dt )T=t降低著火溫度。燃燒速度之比dm/dt7為平均燃燒速度與燃盡4)生物質(zhì)與煤樣混燃時(shí)能夠有效地改善煤樣的燃燒性能。溫度之比,其值越大,表明燃盡越快。這幾項(xiàng)的乘積綜合反映了樣品的著火與燃盡特性。參考文獻(xiàn)( References):把S定義為燃燒特性指標(biāo)”,則上式可簡寫為[1]張無敵,董錦艷,宋洪川,等生物質(zhì)能利用[J1太陽能( dm/dt) dm/dt)2000(1):6-72]鐘浩,謝建,楊宗濤,等.生物質(zhì)熱解氣化技術(shù)的研究現(xiàn)狀及S值越大,表明樣品的燃燒特性越好。各樣品其發(fā)展[南師范大學(xué)學(xué)報(bào),2001,21(1):41-45汋燃燒特性指數(shù)S值見表4。[3]朱清時(shí)峰,郭慶祥.生物質(zhì)潔凈能源[M]北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002表4各樣品的燃燒特性指數(shù)S值4]從德奇,侯金華,金龍生物質(zhì)能開發(fā)與吉林省利用現(xiàn)狀研究J]農(nóng)業(yè)與技術(shù),1999,19(6):1-4樣品(dm/d)am、(dm/d)mm/℃7℃S/10-【5]修雙寧,易維明,何芳.幾種生物質(zhì)熱重曲線的分析[J%0/min%0/min博學(xué)院學(xué)報(bào)〔自然科學(xué)與工程版14.76254.4464.830.23[6]聶其紅,孫紹增,李爭起,等.褐煤混煤燃燒特性的熱重分析麥桿62.2450.637.68中國煤化工,7(1):72-76油桿2.9160.7418.671.11[7[M]北京:科學(xué)CNMHl1.89259.7[8]付維標(biāo),衛(wèi)景彬.燃燒物理學(xué)基礎(chǔ)[M]北京:機(jī)械工業(yè)出版10,81257,140.75,013009637.71463[9]孫學(xué)信燃煤鍋爐燃燒試驗(yàn)技術(shù)與方法[M]北京:中國電力出版社,20