生物質與煤粉混合試驗研究方法

韓娟娟，王金星，周 興，劉慧敏，王春波

0 引言

我國是一個農業大國，生物質資源相當豐富，因此生物質能作為新型的能源具有廣闊的發展前景。生物質與煤混合利用不僅符合我國未來一段時間內仍以煤碳為主的能源發展結構，而且也是降低CO2凈排放，改善生態環境的一個最有效的方法［1］。

近年來，國內外對生物質與煤粉混合熱解、燃燒、氣化均做了大量的試驗研究。閻維平等［2］通過分析生物質與煤粉不同摻混熱解的試驗結果，得出了生物質與煤共熱解過程中存在協同作用的結論。朱孔遠等［3］通過分析兩種煤種分別與生物質不同摻混的試驗結果，研究得出煤階對煤與生物質共同熱解的氣態產物有明顯的影響。同時也揭示了協同作用的存在。王玉召等［4］利用熱重分析儀對麥稈與煤粉不同摻混比例進行了混燃特性研究，得到了生物質有助于改善煤粉的燃燒特性，隨生物質質量摻混比的增加，燃料的著火溫度和燃燼溫度降低的結論。張媛等［5］在CO2氣氛下對煙煤和小麥秸稈不同摻混比例制成的焦樣進行了氣化的反應動力學分析，得到了摻混秸稈使制得焦樣的其活化能比煙煤焦顯著降低，促進了混合焦的CO2氣化反應進行的結論。王金星等［6］利用恒溫熱重法對煙煤/生物質混燃特性進行了試驗研究，得到了生物質對煤粉有促進燃燒和燃燼作用的結論。

生物質與煤粉不同摻混比進行試驗研究，能較準確地分析出生物質摻混比例對混合利用的影響。但由于生物質與煤粉的工業成分存在很大的差異，使得呈現的試驗結果沒能排除不參與試驗反應部分造成的影響。如能在分析試驗結果時將不參與試驗反應部分從試樣重量中除去，無疑使得呈現的試驗結果更具有可比性。

本工作對煤粉與生物質不同比例摻混的試樣進行熱解、混燃、氣化試驗結果比對，希望能對生物質與煤粉混合利用的試驗分析，有一定的參考價值。

1 試驗樣品與設備

本試驗所用的設備為:恒溫熱重分析儀、真空干燥箱、馬弗爐、電子分析天平、管式爐、熱天平。試驗煤種:長焰煤，粒度80 目到120 目。生物質:木屑，粒度80 目到120 目。工業分析如表1。

表1 試樣的工業分析Tab．1 Proximate analysis of test samples

2 分析方法介紹

在分析生物質與煤混合試驗結果中，大多都采用參數質量余量對試驗結果進行分析比較。質量余量:試樣在試驗過程中的質量在原始質量的百分數。

即:

式中:m0為試樣的初始質量;m 為試驗過程中試樣的質量。

該分析試驗結果的方法消除了每次取樣不均對試驗結果的干擾，使得反應出的影響因素比較接近實際情況。但是生物質與煤混合試驗研究時，由于試樣工業分析成分差異較大，使得不能參加反應的成分對分析試驗結果產生了很大的干擾。進而在進行不同摻混比較時存在一定的困難。

為了更具有可比性地分析試驗結果，本文定義了一個參數可失重份額:除不能參加反應的成分以外，試樣在試驗過程中其余成分剩余的質量占原試樣中該部分質量的百分數。

即:

式中:m0為試樣的初始質量;m 為試驗過程中試樣的質量;m∞為試樣中不參與反應的成分質量，對于煤粉/生物質混合利用的3 種形式，均以燃料工業分析中灰分含量計算得出的試樣所含灰分質量為m∞。

3 實例與討論

3.1 混合熱解

熱重分析以高純度氮氣 (99.999%)為載體，氣體流量為100 mL/min。試驗樣品為煤粉與木屑及其摻混比例為3∶1，1∶1，1∶3。每次試驗試樣為(10 ±0.1)mg，升溫速率為50 ℃/min，從室溫加熱到700 ℃。用兩種方法分析試驗結果，如圖1。

如圖1 (a)所示，采用參數質量余量得到的生物質與煤粉不同摻混比的熱解失重曲線之間存在著很大差異。在熱解的初期，五條失重曲線相差不大。溫度高于300 ℃后，失重曲線開始出現的明顯差異。熱解的進行程度是分析熱解特性最關心的問題。但由于生物質與煤粉的工業成分的較大差異，使得不同摻混比下的試樣所含不可參與試驗反應的灰分和固定碳含量不同，進而導致無法判斷試樣的進行程度。可見，此分析試驗結果的方法存在一定的缺陷。

如圖1 (b)所示，采用參數可失重份額得到的生物質與煤粉不同摻混比的熱解失重曲線之間仍存在著明顯差異。與圖1 (a)中的失重曲線卻有較大的差別。如，圖1 (a)中熱解的初期五條失重曲線幾乎重合，而圖1 (b)中五條失重曲線卻差別很大。特別是煤粉的失重曲線明顯低于其他曲線，呈現出了煤粉在熱解初期失重是最快的。這是圖1 (a)中所不能表現出的現象。相同的試驗結果，在熱解的后期卻也表現出了更大的不同。如，圖1 (a)只表現出了生物質含量越大，試樣的最終質量余量越少。而圖1 (b)中五條失重曲線所有匯聚，煤粉與生物質的摻混比為3∶1試樣的失重曲線最終卻低于摻混比為1∶1和1∶3的試樣，并沒有呈現出圖1 (a)中生物質摻混越多失重曲線越低的現象。

比較圖1 (a)和圖1 (b)不難發現，對分析生物質與煤粉混合熱解的試驗結果，采用參數可失重份額能更好地呈現出試樣的熱解進行程度。對研究生物質與煤粉混合熱解的試驗有一定的實用價值。

3.2 混合燃燒

熱重分析選用的氣體為空氣，氣體流量為100 mL/min。試樣樣品為長焰煤和木屑及其摻混比為9 ∶1，1 ∶1，1 ∶9。每次試驗試樣為 (10 ±0.1)mg，以升溫速率為50 ℃/min，從室溫加熱到1 200 ℃。用兩種方法分析試驗結果，如圖2。

如圖2 (a)所示，采用參數質量余量得到的生物質與煤粉不同摻混比的混燃失重曲線之間呈現出了一定的差異。試樣的質量余量隨著生物質的摻混比例增大而逐漸下移。如，溫度升至600℃時，煤粉的質量余量約為80 %，煤粉與生物質摻混比為1∶1的試樣降至50 %左右。由于煤試樣的著火點隨著試樣中揮發分的增高而降低［7］，生物質中含有大量的揮發分，且揮發分在較低溫度即可快速析出，因此隨著生物質摻混比的加大，試樣更易燃燒。固定碳的燃燼程度和試樣的燃燒進行程度，是研究煤粉與生物質混燃特性普遍關注的問題，由于生物質與煤粉的工業成分的較大差異，不同摻混比的試樣中含有不參與反應成分的百分比不同，進而從圖中無法判斷試樣的燃燼程度。該方法表現出了一定的不足。

如圖2 (b)所示，采用參數可失重份額得到的生物質與煤粉不同摻混比的混燃失重曲線之間同樣呈現出了明顯的差異。但與圖2 (a)中的曲線存在一定的不同。首先，純生物質與摻混90 %的生物質試樣的失重曲線在燃燒后期從圖2 (a)中表現出了一段間隔，而在圖2 (b)中則燃燒結束后均歸為零，明顯地呈現出試樣已燃燼;其次，煤粉與生物質摻混比為1∶1的試樣在圖2 (a)中仍沒有表現出平穩的趨勢，因此無法判斷試樣的燃燼情況，而在圖2 (b)中卻可以清晰地辨別出它已基本燃燼。

比較圖2 (a)和圖2 (b)可以得出，對分析生物質與煤粉混合燃燒的試驗結果，采用參數可失重份額同樣能更好地呈現出試樣的混燃進行程度，特別對已燃燼的試樣表現的更清晰。

3.3 混合氣化

將煤粉與木屑及其摻混比例為3∶1，1∶1，1∶3的試樣，放置N2氣氛下700 ℃的馬弗爐中停留40 min 制取試驗焦樣。熱重分析使用的氣體為CO2，氣體流量為120 mL/min。每次試驗試樣為(10 ±0.1)mg，以升溫速率為30 ℃/min，從室溫加熱到1 350 ℃。用兩種方法分析試驗結果，如圖3。

如圖3 (a)所示，采用參數質量余量得到的生物質焦與煤焦不同摻混比的氣化失重曲線之間呈現出了一定的差異。氣化進行的前400 s 時，五條失重曲線明顯斜率不同。生物質的摻混比例越大，失重曲線越陡峭。這可能是由于生物質的揮發分明顯高于煙煤，揮發分的大量析出，形成了空隙結構［8］，致使反應表面積增大有利于反應造成的。氣化進行1 200 s 后質量余量仍存在差別。如，煤粉與生物質摻混比為3 ∶1 的試樣剩余約80 %，而摻混比為1∶3的試樣不足60 %。因此可以得出，摻混生物質有利于試樣氣化，生物質摻混比越大，試樣氣化速度越快。同樣，氣化的進行程度是研究煤粉與生物質混合氣化的核心問題。不同摻混比下的試樣不參與反應的成分含量不同，使得不能清晰地辨認出試樣的氣化程度。進而成了此分析試驗結果方法的缺陷。

如圖3 (b)所示，采用參數可失重份額得到的生物質與煤粉不同摻混比的氣化失重曲線之間也能夠表現出圖3 (a)差異。從整體看來，與圖3 (a)摻混比較圖趨勢一致。但圖3 (b)中排除了試樣中不參與反應的成分含量對試驗結果的影響，使得各試樣的失重曲線在氣化結束后均歸為零，有助于分析氣化的進行程度。例如圖3 (b)中，明顯可以看出含有煤粉的四條失重曲線均在約2 300 s 后氣化結束，而圖3 (a)很難觀察到這點。

綜上所述，采用參數可失重份額對分析生物質與煤粉混合氣化的試驗結果，同樣能夠很好地呈現出試驗進行程度。對研究不同燃料的氣化試驗也有一定的參考價值。

4 結論

通過對煤粉與生物質不同摻混比例的試樣使用兩種分析方法進行熱解、燃燒、氣化試驗結果的比對，分析得出采用參數可失重份額對討論煤粉與生物質不同摻混比例對熱解、燃燒、氣化試驗結果更具有比較意義。對以后分析兩種燃料不同摻混比例的影響有一定的參考價值。

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［2］閻維平，陳吟穎．生物質混合物與煤共熱解的協同特性［J］．中國電機工程學報，2007，27 (2):80-86．Yan Weiping，Chen Yinying．Interaction performance of copyrolysis of biomass mixture and coal of different rank ［J］．Proceedings of the CSEE，2007，27 (2):80-86．

［3］朱孔遠，諶倫建，黃光許，等．煤與生物質共熱解的TGA-FTIR 研 究［J］．煤 炭 轉 化，2010，33 (3):10-14．Zhu Kongyuan，Chen Lunjian，Huang Guangxu，et al．Study on co-pyrolysis behavior of coal and biomass blending by using TGA-FTIR ［J］．Coal Conversion，2010，33(3):10-14．

［4］王玉召，李江鵬．生物質與煤混燃的燃燒特性實驗研究［J］．鍋爐技術，2010，41 (5):72-74．Wang Yuzhao，Li Jiangpeng．Experiment to co-combustion characteristics of of biomass and coal ［J］．Boiler Technology，2010，41 (5):72-74．

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［6］王金星，李超，劉慧敏，等．煙煤/生物質混燃特性實驗研究［J］．電力科學與工程，2012，28 (2):56-59 Wang Jinxing，Li Chao，Liu Huimin，et al．Experimental study on combustion characteristics of bitumite/biomass blends ［J］．Electric Power Science and Engineering，2012，28 (2):56-59．

［7］孫俊威，徐程洪，安敬學，等．生物質與煤摻燒的實驗研究［J］．電力科學與工程，2010，26 (8):34-39．Sun Junwei，Xu Chenghong，An Jingxue，et al．Experimental research on biomass and coal co-firing ［J］．Electric Power Science and Engineering，2010，26 (8):34-39．

［8］張科達，步學朋，王鵬，等．生物質與煤在CO2氣氛下共氣化特性的初步研究［J］．煤炭轉化，2009，32(3):9-12．Zhang Keda，Bu Xuepeng，Wang Peng，et al．Experimental study on co-gasification of biomass and coal in an atmosphere of CO2［J］．Coal Conversion，2009，32 (3):9-12．