熱重法研究小麥秸稈粘結劑型煤的燃燒特性

煤炭資源與安全開采國家重點實驗室重慶研究中心 ■ 浮愛青* 胡科 盧小海

0 引言

生物質型煤將不可再生的化石能源與可再生的生物質能結合起來，具有綜合利用能源和減少環境污染的雙重功能。生物質型煤在燃燒過程中，生物質先燃燒形成微孔，增大了其與空氣的接觸面積，因而能夠充分燃燒，并能改變煤炭燃燒冒黑煙的現象，還能固硫和降低煙塵生成量。目前，許多國家對生物質型煤進行了大量的研究，如日本[1]、土耳其[2-3]、尼泊爾[4]、美國[5]等國家，我國的清華大學、浙江大學、貴州工業大學、哈爾濱理工大學、河南理工大學等高校[6-13]也分別對高壓力成型設備、粘結劑、燃燒特性等進行了不同程度的研究。

本文主要采用熱重實驗，通過對比分析原煤、粘結劑、生物質型煤的熱重曲線，分析了生物質型煤的燃燒特點，并分析了陜西神木煙煤型煤和焦作無煙煤型煤的差別及相關情況。

1 實驗部分

1.1 實驗樣品

本實驗采用的煤種為陜西神木煙煤和焦作無煙煤，粘結劑為河南理工大學開發的小麥秸稈粘結劑[13]。小麥秸桿特征分析如表1所示，原煤和型煤的煤質特征分別如表 2、表3所示。

表1 小麥秸稈特征分析

表2 原煤的煤質特征

表3 生物質型煤的煤質特征

若原煤與小麥秸稈粘結劑按7∶3的比例混合后，焦作無煙煤較難成型；按 6∶4 的比例混合后，自然風干至水分小于14%后較易成型。

1.2 實驗條件

采用美國TA公司生產的 SDTQ600 熱分析儀進行熱重分析，實驗氣氛為空氣，樣品重量為8.5±0.5 mg，氣體流量為 100 mL/min；實驗從室溫開始，升溫速率為 20 ℃/min，終溫為1000 ℃[14]。

2 實驗結果及分析

圖1～圖10分別為焦作無煙煤、陜西神木煙煤、小麥秸稈粘結劑、陜西神木煙煤型煤及焦作無煙煤型煤的失重-微分(TG-DTG)曲線和失重-熱流(TG-DTA)曲線。

圖1 焦作無煙煤TG-DTG曲線

圖2 陜西神木煙煤TG-DTG曲線

圖3 小麥秸稈粘結劑TG-DTG曲線

圖4 陜西神木煙煤型煤TG-DTG曲線圖

圖5 焦作無煙煤型煤TG-DTG曲線

圖6 焦作無煙煤TG-DTA曲線

圖7 陜西神木煙煤TG-DTA曲線

圖8 小麥秸稈粘結劑TG-DTA曲線

圖9 陜西神木煙煤型煤TG-DTA曲線

圖10 焦作無煙煤型煤TG-DTA曲線

2.1 原煤、粘結劑和生物質型煤的TG-DTG曲線特征分析

圖1～圖5分別為焦作無煙煤、陜西神木煙煤、小麥秸稈粘結劑、陜西神木煙煤型煤、焦作無煙煤型煤整個燃燒過程的TG-DTG曲線變化情況。

對照原煤、粘結劑和生物質型煤的曲線特征可以看出，生物質型煤的TG-DTG曲線受粘結劑的影響，由原煤時的1個失重峰變化為3個，且失重峰所對應的溫度與粘結劑的類似。根據文獻[15]中提到的溫度對不同揮發分含量煤燃燒的影響可知，與原煤相比，型煤的著火溫度將可能降低。實際燃燒過程中，尤其是在升溫速率高的情況下，生物質和煤的燃燒可能交叉進行，無明顯的分界[16]。

根據原煤、粘結劑和生物質型煤的曲線特征，以及文獻[17-18]，并結合實驗結果，將生物質型煤從吸氧氧化到燃燒的整個過程分為水分蒸發失重階段和燃燒階段。其中燃燒階段分為揮發分的燃燒(200～400 ℃)、固定碳的燃燒(400～600℃)及礦物質的分解(600～800 ℃)。

2.2 原煤、粘結劑和生物質型煤的TG-DTA曲線特征分析

圖6～圖10分別為焦作無煙煤、陜西神木煙煤、小麥秸稈粘結劑、陜西神木煙煤型煤、焦作無煙煤型煤整個燃燒過程的TG-DTA曲線變化情況。

分析原煤、粘結劑和生物質型煤的曲線特征可知，陜西神木煙煤型煤和焦作無煙煤型煤TG曲線的失重反應溫度在200～600 ℃，對應的DTA曲線顯示在200～600 ℃之間出現放熱反應；焦作無煙煤型煤DTA曲線出現2個放熱峰，若第1次燃燒放熱后達不到第2次的燃燒溫度，則可能會出現斷火現象。在600～800 ℃之間，陜西神木煙煤型煤的DTA曲線無吸、放熱反應，焦作無煙煤型煤DTA的曲線僅有輕微的吸熱反應；而二者的TG曲線在200～600 ℃有明顯的失重，對應的DTG曲線有明顯的失重峰，證明此溫度段一定發生了反應。

比較原煤、粘結劑和生物質型煤的TG-DTA的曲線，在低于400 ℃時，原煤無吸熱峰而粘結劑有明顯的吸熱峰，原因可能是低于400 ℃時生物質型煤中和了粘結劑的反應特征，也可能是生物質型煤成型后，其結構由以前的有秩序排列變成了混亂的無秩序[19-20]；生物質型煤燃燒過程中，生物質中的Fe、Ca、Mg、Si等微量元素的氧化物會破壞煤膠質體的形成[21]，反映在TG曲線上為重量減少、DTA曲線上為陜西神木煙煤型煤無吸放熱反應特征，焦作無煙煤型煤有輕微的吸熱反應特征。

3 結論

通過分析實驗中生物質型煤的TG-DTG曲線可知：1)生物質型煤的燃燒過程分為4 個階段：水分蒸發失重(起始溫度至200 ℃)、揮發分的燃燒(200～400 ℃)、固定碳的燃燒(400～600 ℃ )、礦物質的分解 (600 ～ 800 ℃ )[17-24]。2)生物質型煤燃燒過程不僅僅是生物質和煤燃燒的疊加。