稻秸與無煙煤混燃特性試驗研究

張宏博

摘 要：采用熱重實驗測定方法，研究了稻秸、無煙煤和由兩者混合而成的混合燃料的燃燒特性。熱重實驗結果表明，稻秸的燃燒主要集中在燃燒前期，無煙煤的燃燒主要集中在燃燒后期，稻秸的著火溫度比無煙煤的低，著火指數比無煙煤的高；稻秸和無煙煤混燒時，燃燒過程分成兩個階段，隨著稻秸摻混比例的增加，燃燒提前；混合燃料的著火溫度和燃盡溫度與稻秸摻混比例呈現出線性關系，而著火指數與稻秸摻混比例呈現出二次方關系，稻秸的加入使難燃無煙煤能更好地著火和燃盡。

關鍵詞：稻秸；無煙煤；熱重實驗

隨著社會的發展和人口數量的增加，人類對能源的需求也在不斷地增長。而由化石燃料的開采和使用所帶來的社會和環境問題日趨嚴重。生物質能源作為可再生能源，能夠部分緩解人類對煤、石油、天然氣等不可再生資源的依賴。作為僅次于煤、石油和天然氣之后的第四大能源[1]，生物質能存在能量密度低和季節性強的缺陷，純生物質能的大規模工業項目很難有較高的收益，而通過生物質和煤的混燒，可以解決很多單獨燃燒生物質所遇到的問題[2-4]。生物質與煤混合燃燒技術，能充分利用現有技術與設備，是一種低成本、低風險、大規模使用生物質燃燒技術手段[5]。生物質與煤混合燃燒已成為一種發展趨勢，該技術已在火電廠中得到廣泛的應用[6-7]，不同類型生物質和不同煤中的混燃特性對鍋爐的運行有著至關重要的影響，為了非富生物質與煤混合燃燒研究內容，本文采用熱重實驗測定方法，研究了稻秸、無煙煤和兩者組成的混合燃料的燃燒特性，分析了稻秸摻混比例對混合燃料燃燒特性的影響。

1 實驗部分

實驗煤樣選取湖南產劣質無煙煤和稻秸，原料煤粒徑為0.2 mm～0.4 mm，稻秸經破碎后的粒徑為0.4 mm～1 mm，燃料工業分析和熱值分析如表1所示。用分析天平稱取煤樣和稻秸樣品，按生物質分別占混合物總重量的5%，10%，15%和20%配比混合均勻，然后取15 mg～20 mg的混合燃料或純樣品進行熱重實驗，分析不同摻混比例的混合燃料的著火和燃燒特性。

樣品的熱重分析實驗采用德國NETSCH公司的STA-409 C/3F熱重分析儀，該儀器采用微機程序自動控制，在100ml/min的空氣流量氣氛下，以10℃/min的升溫速率加熱，進行試樣的TG和DSC/DTA分析。

2 實驗結果與討論

2.1 熱重分析實驗

試驗得到無煙煤、稻秸和不同摻混比例下的混合燃料的燃燒分布曲線（DTG/TG）如圖1所示。

從圖1中可以看出，由于無煙煤收到基水分和揮發分均很低，而固定碳含量很高，無煙煤的DTG曲線上只有一個明顯的失重峰，燃燒過程中揮發分的析出幾乎一直伴隨著煤焦的燃燒，從曲線上可以分析出該無煙煤是一種極難燃燒的煤。稻秸的DTG曲線上有兩個明顯的失重峰，分別為揮發分釋放燃燒峰及固定碳燃燒峰，燃燒主要集中在前期溫度較低的階段，這是由于稻秸的揮發分含量很高，在較低溫度即開始燃燒并很快燃盡。不同稻秸摻混比例時，隨著摻混比例的增加，燃燒逐漸集中于前期階段，平衡了整個燃燒過程。

由DTG曲線得到各實驗樣品的主要燃燒特性參數如表2所示。

表2中，Ti為著火溫度；Th為燃盡溫度，W1max為最大燃燒速率峰的最大燃燒速度；T1max為最大峰的最大燃燒速度所對應的溫度。

由表2可以看出，無煙煤的著火溫度和燃盡溫度比稻秸分別高303.94℃和304.08℃，稻秸的最大燃燒速率峰的最大燃燒速度高達8.49 mg/min，這說明稻秸的著火和燃盡溫度低、燃燒速度快。隨著稻秸摻混比例的增加，混合燃料的著火和燃盡溫度略有下降，燃燒速度越快。

2.2 著火特性

燃料的著火難易程度和著火性能的好壞可用著火特性指數來衡量[9]。著火特性指數可按式（1）計算

（1）

式中：Zi為著火特性指數，%2/（℃*min）；Vad為分析基揮發分，%；（dm/dt）max為最大燃燒失重速率，%/min；Ti為著火溫度，℃。根據表2的數據，帶入式（1）得到混合燃料不同混合比例的著火指數。混合燃料不同混合比例下的著火溫度、燃盡溫度和著火指數曲線如圖3所示。

從圖2中可以看出，無煙煤的著火溫度高達到了560℃，燃盡溫度為822.74℃，著火指數也很低，僅有0.042。稻秸著火溫度僅為256℃，燃盡溫度為518.66℃，著火指數很高，可達2.27。混合燃料的著火溫度、燃盡溫度與稻秸摻混比例呈現出很明顯的線性關系，而著火指數與稻秸摻混比例呈現出二次方關系。

3 結 論

稻秸的燃燒主要集中在燃燒前期，無煙煤的燃燒主要集中在燃燒后期，稻秸的著火溫度比無煙煤的低，著火指數比無煙煤的高；稻秸和無煙煤混燒時，燃燒過程分成兩個階段，隨著稻秸摻混比例的增加，燃燒提前；混合燃料的著火溫度和燃盡溫度與稻秸摻混比例呈現出線性關系，而著火指數與稻秸摻混比例呈現出二次方關系。稻秸以一定的比例摻入難燃無煙煤可以改善無煙煤的燃燒特性，稻秸的摻入量越大，混合燃料更易著火和燃盡。

參考文獻：

[1]袁振宏，吳創之，馬隆龍等.生物質能利用原理與技術[M].北京：化學工業出版社，2005：3-21

[2]蒲舸，譚波.生物質與高硫劣質煤混燒固硫特性研究[J]，煤炭轉化，2011，34（1）：39-42

[3]劉豪，邱建榮，董學文，等。生物質與煤混燒的燃燒特性研究[J].熱能動力工程，2002，17（101）：451-454

[4]Chungen Yin， A.Lasse， K. Rosendahl，S？ren， et al. Grate-firing of biomass for heat and power production [J]. Progress in Energy and Combustion， 2008，34（6）：725-754

[5]張磊，張世紅. 生物質與煤混燒技術的應用[J]，能源技術，2006，27（4）：158-160

[6]段菁春，肖軍，王杰林，等. 生物質與煤共燃研究[J]. 電站系統工程，2004，20（1）：1-4

[7]孫恩召，李炳熙，于洪彬，等. 關于煤的著火特性的系數[J]. 熱能動力工程，1991，6（6）：333-335