第38卷第6期吉林大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版Vol 38 No 62008年11月Journal of Jilin University(Engineering and Technology EditionNov.2008生物質(zhì)型煤燃燒特性陳華艷2,蘇俊林1,矯振偉(1.吉林大學(xué)汽車工程學(xué)胱,長春130022;2.北京世宗智能有展責(zé)任公司,北京100029)摘要:以無煙煤、玉米秸稈和黃土為原料,研究了玉米秸稈含量為5%~35%的生物質(zhì)型煤在不同試驗(yàn)條件下的燃燒特性。通過熱重試驗(yàn)獲取了溫度與質(zhì)量間的關(guān)系,找出了各階段燃燒特征溫度和揮發(fā)分最大失重速率,計算了燃燒全過程溫度范圍,燃燼率和失重速率所占面積。通過與傳統(tǒng)型煤的試驗(yàn)結(jié)果比較,生物質(zhì)型煤燃燒特性好,揮發(fā)分初始析出溫度降低了50℃,到最后燃燒基本結(jié)東溫度降低了186℃,燃燼率提高了10%。關(guān)鍵詞:熱能工程;生物質(zhì)型煤;熱重分析;燃燒特性中圖分類號:TK16,TK6,TQ534文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1671-5497(2008)03-128106Combustion characteristic of biomass compound coalCHEN Hua-yan", sU Jun-lin,JIAO Zhen-wei(l College of automotive Engineering, Jilin University, Changchun 130022, China: 2. Beijing Shizong IntelligentInstrument Co LTD, Beijing 100029, China)Abstract: The biomass compound coal (BCC) composed of anthracite coal, corn haulm and loess wastaken as the object of study. The combustion characteristic of the bcc containing 5%-35% of thecorn haulm was studied by the thermo gravimetry under different experiment conditions. Therelationships between the temperature and the sample mass were obtained and the characteristictemperatures at different combustion stages and the maximum mass loss rate of the volatile fractionwere found. The whole temperature range of the combustion process, the burn-up rate and the areaoccupied by the mass loss rate curve were calculated. Comparing with the results of the traditionalcoal briquette, the combustion characteristic of the BCC appears better, the initial separationtemperature is reduced by 50C, the final burn-up temperature is reduced by 186C, the burn-up rateis enhanced by 10%.Key words: thermal power engineering: biomass compound coal BCC); thermogravimentrycombustion characteristi目前常生物質(zhì)經(jīng)預(yù)處理,與原煤摻混技術(shù)的中在成型和燃燒設(shè)備上,對于燃燒特性和機(jī)理的研究受到各國的普遍重視1,但制造成本較高。研究卻很欠缺。作者著重討論了生物質(zhì)型煤的燃生物質(zhì)和原煤的粉末依靠高壓成型,制備的生物燒特性和機(jī)理,為生物質(zhì)型煤的實(shí)際應(yīng)用和普及質(zhì)型煤相繼出現(xiàn)5,但目前研兗的重點(diǎn)主要集提供依據(jù)。中國煤化工收稿日期:2007-03-10.基金項(xiàng)目:吉林省科技發(fā)展重大項(xiàng)目(20060403)CNMHG作者簡介:陳華艷(1981-),女,碩士研究方向:強(qiáng)化傳熱與節(jié)能技術(shù)E-mail:cheney122@163.com訊聯(lián)系人:蘇俊林(1953-),男教授研究方向:強(qiáng)化傳熱與節(jié)能技術(shù) E-mail: sujl@ jlu. edu1282·吉林大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)第38卷1試驗(yàn)配方作者設(shè)計制作了適合生物質(zhì)型煤的熱重試驗(yàn)臺,其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。生物質(zhì)型煤由原煤、生物質(zhì)和添加劑組成由于原料物理和化學(xué)性質(zhì)的復(fù)雜性和差異性,使得生物質(zhì)型煤具有了自身的特性,該特性并不是各原料特性的簡單疊加。因此,采用試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計和分析方法中二元二次回歸正交組合設(shè)計,從揮發(fā)分和發(fā)熱量兩個關(guān)鍵性的特性指標(biāo)入手,確定生物質(zhì)型煤的優(yōu)化配方。試驗(yàn)設(shè)計得到生物質(zhì)型煤發(fā)熱量回歸方程為y=-176+2476621+158生物質(zhì)型煤揮發(fā)分回歸方程為y=4.651+7.396z1+81.94z21氣源;2流量計;3爐體;4電熱絲;5-坩堝及支撐桿;6式中:z1為原煤質(zhì)量分?jǐn)?shù),%;為生物質(zhì)質(zhì)量分試樣;7熱電倆;8溫控儀;9機(jī)電保護(hù)、控制系統(tǒng);10計算機(jī):11電子天平;12反射屏:13-支架根據(jù)市場對工業(yè)型煤的需求,將發(fā)熱量劃分圖1實(shí)驗(yàn)裝量簡圖為三等:14644、16736和18828kJ/kg,揮發(fā)分也Fig 1 Schematic diagram of the experimental劃分為三等:15%、25%和35%,相互配比結(jié)合后通過回歸方程獲取了生物質(zhì)型煤的優(yōu)化配方,3試驗(yàn)結(jié)果及分析如表1所示衰1生物質(zhì)型煤優(yōu)化配方3.1試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Optimal formula of BCC熱重曲線TG和微商熱重曲線DTG見圖2圖9試驗(yàn)指標(biāo)各組分所占比例編號發(fā)熱量揮發(fā)分無煙煤玉米秸稈/(kJ·kg-1)/%167362555.6119.8124.58P20 MPa2167361563.906.862924P-33 MPa47.3332.7719.90p-46 MPa4146442546.6520.6232.7364.5819.0016.422熱重試驗(yàn)臺設(shè)計表2為生物質(zhì)型煤熱重試驗(yàn)設(shè)計。圖2成型壓力不同時的TG曲線褒2生物質(zhì)型煤熱量試驗(yàn)設(shè)計Fig 2 TG curves from different molding pressureTable 2 Thermal gravimetry experiment of BCC試驗(yàn)成型壓力升溫速率揮發(fā)分發(fā)熱量編號/MPa/(℃·mn-1)/%/kJ·kg)16736167362345678908600000016736-46 MPa16736中國煤化工16736CNMH14644圖3成型壓力不同時的DTG曲線Fig. 3 DTG curves from different molding pressure第6期陳華艷,等:生物質(zhì)型煤燃燒特性·12831101007=5°cminT=l0°min=15%T-15Cmin=25%T°C圖4升溫速率不同時的TG曲線圖7捍發(fā)分含量不同時的DG曲線Fig. 4 TG curves from different calefactive velocityg 7 DTG curves from different volatile capacity214 644 u/kgYasMin000000Q=18828k/kg10°min7=15°Cmn003004005006000100200300400500600700T/C圖5升溫速率不同時的DTG曲線圖8發(fā)熱量不同時的TG曲線Flg. s DTG curves from different calefactive velocityFig 8 TG curves from different calorific capacity0∞9800F=25%=35%Q=14644kkg0-16736 kI/kg2=18828kkg圖6捍發(fā)分含量不同時的TG曲線圖9發(fā)熱量不同時的DG曲線6 TG curves from different volatile capacityFlg. 9 DTG curves from different calorific capacity3生物質(zhì)型煤燃燒特征參數(shù)Table 3 Combustion characteristic parameter of BCC試驗(yàn)編號T/℃T=/℃T./℃T/cT/cv/%(dm/dr)-/%minD/%℃min231.00245.70260.70414.50183.5059.3824.802231.00247.20263.50416.90185.9059.40464.87247.702.80522.70275.0059.26234.60246,60261.00452.70218.10224.60239中國煤化工227.00240.80258.20387.70160,70CNMHG.1930.49245.03259.0009.50179.01936.28·1284吉林大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)第38卷3.2生物質(zhì)型煤燃燒特征參數(shù)V為燃燼率;(dm/dt)m為揮發(fā)分最大失重速試驗(yàn)得到的燃燒特征參數(shù)如表3所示。其率;D為失重速率所占面積。中,T為揮發(fā)分初始析出溫度;Tm為最大失重3.3試驗(yàn)特征參數(shù)影響分析溫度;T為揮發(fā)分析出和燃燒結(jié)束時溫度;Tt為生物質(zhì)型煤不同試驗(yàn)條件下特征參數(shù)的變化燃燒基本結(jié)束溫度;Tb為燃燒全過程溫度范圍;趨勢如表4所示。衰4生物質(zhì)型煤不同試驗(yàn)條件下特征參數(shù)的變化趨勢Table 4 Variety trend of the characteristic parameter of BCC under different experiment condition試驗(yàn)條件試驗(yàn)編號圖示.TmT, Tr Tb Va(dm/dt)mD成型壓力↑1、2、3升溫速率↑4、1、5揮發(fā)分↑6、1、7發(fā)熱量↑注:↑表示增大或升高;表示減小或降低;=表示基本不變;++表示大大減小或降低;↑↑表示大大增大或升高;表示結(jié)論不確定試驗(yàn)特征參數(shù)影響分析如下:(4)失重速率所占面積D此項(xiàng)是燃燒過程溫(1)試驗(yàn)特征溫度(T、Tmx、T、T、T)與升度和DTG曲線圍成的面積。因此燃燒溫度區(qū)間溫速率和揮發(fā)分含量關(guān)系密切。隨著升溫速率的廣,可燃質(zhì)含量大這部分面積自然就大。所以,增大,試驗(yàn)特征溫度大幅度提高,爐膛內(nèi)的溫度升升溫速率、揮發(fā)分含量、發(fā)熱量質(zhì)增大,它的面積高。這是因?yàn)樯郎厮俾试龃?試樣內(nèi)部與外部溫都會增大,而與成型壓力無關(guān)度梯度增大揮發(fā)分揮發(fā)的程度也隨著試樣的溫3.4傳統(tǒng)型煤與生物質(zhì)型煤的對比研究度梯度發(fā)生變化,內(nèi)部的揮發(fā)分不能及時地充分與傳統(tǒng)型煤燃燒特征參數(shù)的對比如表5所揮發(fā),相同的溫度下,升溫速率高的,揮發(fā)分含量示。表中傳統(tǒng)型煤數(shù)據(jù)來自參考文獻(xiàn)[7];傳統(tǒng)型較小,滯后了著火溫度,同時也延遲了其他的試驗(yàn)煤和生物質(zhì)型煤的試驗(yàn)特性參數(shù)均是試驗(yàn)數(shù)據(jù)的特征溫度。也是這個原因,隨著揮發(fā)分含量升高,平均值。試驗(yàn)特征溫度降低。隨著成型壓力增大,揮發(fā)分表5傳統(tǒng)型煤與生物質(zhì)型煤燃燒特征參數(shù)對比析出和燃燒結(jié)東時溫度T,和燃燒全過程溫度范Table 5 Combustion characteristic parameter compar圍T略有增大,這是因?yàn)槌尚蛪毫υ龃?試樣的between BCC and traditional briquette密度增大,結(jié)構(gòu)變得緊密,導(dǎo)致?lián)]發(fā)分的析出及向T, T Tb V試樣內(nèi)部傳遞熱量比較緩慢。發(fā)熱量對試驗(yàn)特征煤型c℃C℃%溫度的影響不是很明顯。綜上所述,試驗(yàn)特征溫傳統(tǒng)型煤28032534559631650度隨揮發(fā)分析出量的增大而降低。生物質(zhì)型煤230245260410179(2)燃燼率V。與揮發(fā)分含量和發(fā)熱量值關(guān)通過對傳統(tǒng)型煤和生物質(zhì)型煤熱重試驗(yàn)數(shù)據(jù)系密切。燃燼率V。為實(shí)際燃燒物質(zhì)與可燃物質(zhì)的分析后發(fā)現(xiàn):熱解和燃燒失重明顯地分為兩個的質(zhì)量比,燃燼率V∞隨著揮發(fā)分含量和發(fā)熱量階段:第一個階段,傳統(tǒng)型煤在280~345℃之值增大而增大。揮發(fā)分含量增大和發(fā)熱量值增大間,生物質(zhì)型煤在230~260℃之間,這一階段主的共同點(diǎn)在于試樣的可燃質(zhì)含量增大。因此得到要是生物質(zhì)中纖維素和半纖維素?zé)崃呀?煤和生結(jié)論:試樣的燃燼率隨著可燃質(zhì)含量的增大而增物質(zhì)中的揮發(fā)分析出和燃燒階段;第二個階段,傳大。至于人們擔(dān)心的隨著成型壓力增大會發(fā)生燒統(tǒng)型煤在345~596℃之間,生物質(zhì)型煤在260~不透的情況,在本試驗(yàn)中沒有發(fā)生。這是因?yàn)槌?10℃之間。這一階段主要是生物質(zhì)型煤揮發(fā)分型壓力還不夠大及生物質(zhì)型煤燃燒時出現(xiàn)孔隙結(jié)析出后的焦炭燃燒階段。構(gòu)的原因中國煤化工現(xiàn)以下幾個特(3)揮發(fā)分最大失重速率(dm/d)m僅與揮點(diǎn):CNMHG發(fā)分含量有關(guān)。揮發(fā)分含量大揮發(fā)分最大失重1)生物質(zhì)型煤著火溫度較低。從數(shù)據(jù)比較速率(dm/dt)-也大。和文獻(xiàn)[8]實(shí)驗(yàn)分析知生物質(zhì)型煤的著火點(diǎn)處于6期陳華艷,等:生物質(zhì)型煤然燒特性·1285·生物質(zhì)和煤的著火點(diǎn)之間,且隨著生物質(zhì)加入量成型的生物質(zhì)型煤中,其組織結(jié)構(gòu)保證了揮發(fā)分的增多,生物質(zhì)型煤點(diǎn)火溫度有降低的趨勢。煤的析出及向型煤內(nèi)部傳遞熱量比較緩慢,揮發(fā)分的著火點(diǎn)隨著煤炭中揮發(fā)分的增多而降低,由于點(diǎn)火逐步進(jìn)行生物質(zhì)含有大量揮發(fā)分,而且生物質(zhì)著火點(diǎn)低,所生物質(zhì)型煤燃燒溫度低,對于解決生物質(zhì)灰以生物質(zhì)的加入使生物質(zhì)型煤的著火點(diǎn)降低。從分熔點(diǎn)低的不足很有幫助總體趨勢上分析,生物質(zhì)型煤的著火溫度更趨向(3)雖然生物質(zhì)型煤燃燒時間短,但燃燼率于生物質(zhì)的著火溫度。(V)卻提高了。生物質(zhì)型煤在燃燒過程中呈多生物質(zhì)型煤的著火溫度低,可以讓鍋爐點(diǎn)火孔隙燃燒,傳熱傳質(zhì)好,保證了充分燃燒,因而不時不用耗用大量木柴引火并改善型煤著火延遲會產(chǎn)生煤熱解過程中因?yàn)榫植抗┭醪怀浞职l(fā)生的現(xiàn)象。熱解析碳冒煙現(xiàn)象;生物質(zhì)型煤燃燼率高,灰渣中(2)生物質(zhì)型煤第一階段和第二階段的出現(xiàn)碳的含量也很低。均較傳統(tǒng)型煤的溫度低,但并沒有影響焦炭的燃(4)生物質(zhì)型煤燃燒產(chǎn)生的飛灰少。高壓成燒;而且從熱解開始到燃燒結(jié)束,生物質(zhì)型煤溫度型的生物質(zhì)型煤將生物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的少量飛灰和范圍(T)僅是傳統(tǒng)型煤的一半,因此燃燒持續(xù)的原煤的煤灰緊緊地鎖在了型煤塊中。而高壓成型時間也縮短一半。分析其主要原因是:使燃燒的生物質(zhì)型煤如同一個立體的網(wǎng),不但不①生物質(zhì)型煤揮發(fā)分含量大。揮發(fā)物產(chǎn)率的會阻隔可燃物與氧氣的接觸,反而加強(qiáng)了氣體的高低是固體燃料著火難易的關(guān)鍵,一般地說固體流通,燃燼灰依然保持立體的網(wǎng)狀骨架結(jié)構(gòu),大大燃料的燃燒均是從揮發(fā)物的著火燃燒開始的。在改善了燃煤飛灰現(xiàn)象。在型煤鍋爐上的測試結(jié)果揮發(fā)物著火燃燒以后,型煤碳粒能否著火就主要也證實(shí)生物質(zhì)型煤燃燒產(chǎn)生的飛灰少取決于碳粒的表面溫度能否迅速提高以致加熱生物質(zhì)型煤燃燒充分,改善了型煤灰渣粘結(jié)然而,碳粒表面溫度的迅速提高又依賴于型煤揮成片造成通風(fēng)不良的情況發(fā)物燃燒后所放出的熱量來實(shí)現(xiàn),即只有揮發(fā)物(5)生物質(zhì)型煤熱重曲線無表觀增重現(xiàn)象。產(chǎn)率足夠大時,才會有足夠的燃燒熱量來加熱碳熱重曲線由于浮力影響導(dǎo)致的表觀增重現(xiàn)象,對粒,使其表面溫度急劇上升而達(dá)到著火燃燒,從而于傳統(tǒng)型煤現(xiàn)象是很明顯的,但在生物質(zhì)型煤熱實(shí)現(xiàn)型煤的可靠著火和穩(wěn)定燃燒。重曲線上卻沒有表現(xiàn)。這是由于生物質(zhì)型煤揮發(fā)②生物質(zhì)型煤在燃燒過程中生物質(zhì)揮發(fā)分析分主要來自生物質(zhì),而生物質(zhì)揮發(fā)分揮發(fā)的溫度出,優(yōu)先著火燃燒,并迅速燃盡,只殘留少量灰末,比較低。隨著溫度的升高,已經(jīng)逐漸有揮發(fā)分開使得生物質(zhì)燃料原占有的體積迅速縮小,在生物始揮發(fā)。再加上生物質(zhì)型煤從空氣中吸附的水分質(zhì)型煤體上出現(xiàn)無數(shù)孔道空隙,實(shí)心體變成多孔比傳統(tǒng)型煤多因此水分的蒸發(fā)較多。所以試樣體,有利于氧氣向型煤內(nèi)部滲透;燃燒產(chǎn)物向型煤質(zhì)量的降低掩蓋了表觀增重現(xiàn)象外部擴(kuò)散;保證點(diǎn)火能深入到型煤表層下一定深度,形成穩(wěn)定的點(diǎn)火燃燒;增大了型煤與空氣的接4結(jié)論觸面積,加速傳熱傳質(zhì),加快煤的燃燒過程。與此(1)生物質(zhì)型煤燃燒特性優(yōu)于傳統(tǒng)型煤的主同時,生物質(zhì)型煤中的木質(zhì)素已全部炭化,煤也幾要原因?yàn)?生物質(zhì)型煤揮發(fā)分含量高成型壓力較乎全部焦化,生物質(zhì)不斷深入地帶動其周圍焦炭大及燃燒時可形成孔隙結(jié)構(gòu)。更迅速燃燒。(2)生物質(zhì)型煤具有著火點(diǎn)低、著火性能好、③通常,為了使非生物質(zhì)型煤在燃燒過程中試驗(yàn)特征溫度低、傳熱傳質(zhì)好、燃燼率高、燃燒效得以燒透,往往要控制型煤的成型壓力使其不超率高、燃燒時幾乎無冒黑煙現(xiàn)象、煙氣含塵量少、過某一個數(shù)值,以求型煤不要壓得過實(shí)而難燒?；以泻剂可佟嶂厍€無表觀增重現(xiàn)象等特然而,生物質(zhì)易燃燃點(diǎn)溫度低,與原煤的燃點(diǎn)溫點(diǎn)。度差距較大,因此要求生物質(zhì)在較低溫度、較短的中國煤化工很高:使劣質(zhì)燃燒時間內(nèi)將原煤加熱到足夠高的燃燒溫度,并煤的CNMH變得更好燒放慢生物質(zhì)型煤受熱后揮發(fā)分的析出速度,因此相應(yīng)擴(kuò)入煤的迫用孢;初質(zhì)型煤的著火需要生物質(zhì)和原煤“親密接觸”。在較高的壓力下溫度低,可以讓鍋爐點(diǎn)火時不用耗用大量木柴引1286·吉林大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)38喜火,并改善型煤著火延遲現(xiàn)象;燃燒溫度低,可以[5] Maruyama T, Takemichi S. 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