煙煤與生物質混燒基礎實驗分析

白浩隆，馮 強，宋 華

(兗礦集團潔凈煤技術工程研究中心，山東 鄒城 273500)

1 引 言

長期以來，我國北方地區冬季供熱以煤為主要燃料。近年來，由于國家潔凈煤補助政策的推行，無煙煤和型煤的年消耗量比重明顯提高，但煙煤在民用燃煤取暖中仍占很大比重[1-2]。另一方面，作為一個農業大國，我國可利用的生物質能資源如農作物稻桿、玉米秸桿、小麥桿等來源豐富、成本低、容易獲取[3]，很大一部分被直接焚燒或低效能的應用，造成能源的極大浪費[4]。因此研究中國生物質潛能，對促進中國能源健康發展有著重要的意義[5]。生物質具有可再生、量大、來源廣泛等優點，而煙煤在我國民用供暖中發揮著重要的作用，將生物質與煙煤兩種能源混合使用，解決生物質能量密度低[6]、煙煤污染物排放高[7]等缺點，對于推動我國采暖領域的清潔化水平意義重大。劉豪等[8]將葉、枝與煤按不同比例混合在熱重儀中進行了燃燒動力學分析，表明燃燒階段服從一級反應。祁娟等[9]利用濕法成型技術嘗試將生物質與無煙煤混合壓制成生物質—煤混合型煤，煤和生物質碳化后成型用作民用燃料，能夠提升燃燒效率，減少污染物排放，PM2.5排放因子分別比原煤型煤和生物質型料降低89%和80%。劉亮等[10]、劉生玉等[11]均對煙煤的熱解特性和燃燒特性進行了動力學研究，熱重實驗結果表明，煙煤熱解存在明顯的熱解段和燃燒段。王霞等[12]研究了生物質熱解的揮發分和煤焦之間的相互作用效果和機理。本文結合前人實驗分析經驗，從污染物排放特性和燃燒動力學兩方面針對煙煤和生物質混燒的情況進行分析研究，對比優劣勢，取長補短，旨在將兩種燃料有機的結合使用，以拓寬民用散煤治理技術路線，為煙煤和生物質的清潔化利用提供參考依據。

2 實驗設備及測試系統

2.1 燃燒樣品及熱風爐測試系統

參與燃燒實驗的煙煤樣品，是將準備好的煙煤煤粉磨至200目，摻少量水，并用壓煤機制成6 mm直徑棒狀煤燃料。實驗用生物質樣品是市場上隨機購置的生物質燃料(直徑6 mm)。兩種燃料在美國進口熱風爐Harman P43(如圖1)中進行燃燒對比實驗，在爐具尾部煙囪中開孔，利用MRU紅外煙氣分析儀測試SO2、NOx、煙塵等污染物排放情況。該爐具采用螺旋給料，燃燒器采用下進料方式。利用德國MRU MGA5紅外煙氣分析儀對熱風爐進行煙氣數據測試，采樣管線全程伴熱。煙塵測試儀器為青島聚創環保設備有限公司的JCF-1000直讀式煙塵測試儀。

圖1 Harman P43熱風爐

2.2 熱重樣品及測試條件

樣品與參與熱風爐系統燃燒實驗的樣品為同一批次，分別將生物質燃料和煙煤燃料磨至200目以下，將兩種樣品分別利用瑞翔WS-G606型工業分析儀、Elementar Vario MACRO型元素分析儀、測硫儀進行煤質分析，結果如表1所示。兩種樣品按照5種比例均勻混合成5組熱重樣品，各組樣品生物質所占的比例依次是0、25%、50%、75%、100%，在Netzsch熱重分析儀中進行燃燒特性實驗，每組樣品重量為5～10 mg，設定氣體流量為空氣(50 mL/min)，保護氣N2(20 mL/min)，升溫速率為20 K/min，終止溫度為1 100 ℃。

表1 兩種燃料的工業分析及元素分析

3 實驗結果與討論

3.1 熱風爐測試系統的特性分析

控制在相同操作條件下，在Harman熱風爐中進行生物質和煤的污染物對比實驗，測試主要煙氣污染指標，如圖2所示。生物質的SO2排放遠低于棒狀煤，僅為11 mg/m3，而其NOx排放值為352 mg/m3，高于棒狀煤的298.3 mg/m3。其中，生物質SO2較低的原因是由于生物質自身的S元素含量與煤基燃料相比極低。

圖2 生物質與棒狀煙煤的煙氣排放指標示意

相同情況下，同步測試熱風爐中生物質燃料與棒狀煤的煙塵排放指標，如圖3所示，兩種燃料的煙塵排放均小于10 mg/m3，而棒狀煤燃燒的煙塵排放濃度略低于生物質，數據表明，棒狀煤成型后具有較好的固塵效果。

圖3 不同燃料在熱風爐中的煙塵排放對比

從污染物指標排放角度綜合來看，熱風爐中生物質的SO2排放極低，而NOx和煙塵指標卻高于棒狀煤，這說明生物質燃料在環保方面并不比棒狀煤具有清潔燃燒的優勢，而棒狀煤可以使煙煤燃燒時的煙塵得到很好的控制。

3.2 生物質與煙煤混合的熱重曲線分析

將煙煤粉和生物質粉混合均勻后進行熱重實驗，不同生物質燃料占比的熱重曲線如圖4和圖5所示。由TG和DTG曲線可以看出，隨著生物質的占比越大，燃盡效果越好，樣品的整體著火溫度和燃盡溫度均前移。從DTG曲線可以發現，純生物質粉的峰值有兩個，而前一個峰值大于后一個峰值。第一個峰值的對應溫度為346.5 ℃，為生物質與煤粉混合，正是這個峰值的作用，有效降低了煤粉的著火溫度；而煙煤煤粉的峰值只有一個，對應溫度為527 ℃。通過煙煤和生物質的混合，DTG曲線仍保持兩個峰值的特點，生物質比例越大，則第一個峰值越大，這說明合理的生物質比例可以使燃燒階段均衡。

圖4 不同生物質比例樣品的TG曲線

圖5 不同生物質比例樣品的DTG曲線

3.3 樣品的燃燒特征參數

樣品的著火溫度Ti定義為樣品脫水、吸氧過程后起始失重時的溫度，燃盡溫度Th定義為煤中可燃物質燃燒了99%時對應的溫度，其值的大小與樣品的燃盡特性有關。根據已知的不同比例生物質樣品的TG和DTG曲線，可以求取每組樣品的燃燒特性指數S、著火穩燃指數Rw等燃燒特征參數。

燃燒特性指數S為樣品著火和燃盡的綜合指標，其值越大，燃燒特性越好，著火穩定特性指數Rw為著火后的燃燒穩定性，其值越大，著火燃燒穩定性越好。兩個參數的表達式為：

不同樣品的燃燒特征參數見表2。由表2可見，樣品中生物質比例越大，燃燒的著火特性越好，1/2以上的生物質比例時，最大特征溫度Tmax大幅度前移；從著火穩定特性指數Rw數值對比來看，所有樣品燃燒過程的著火穩定性均很好，生物質比例對煙煤煤粉的著火穩定性提升幅度不大。

表2 不同樣品的燃燒特征參數

3.4 燃燒動力學分析

假設樣品在熱重分析儀中的非等溫燃燒過程遵從Arrhenius定律，失重過程表現出的基本反應速率方程可表達為：

其中，f(α)為一個能夠反映煤反應機理的函數模型，E為活化能(kJ/mol)，R是氣體常數8.314J/(mol· K)。對上式中T進行積分，可得到另一個以α為自變量的函數模型：

表3 反應模型積分函數

但是在上述方程中，無法對右側式中包含溫度的自變量進行積分而得到一個精確的解，只能通過近似求解或數值積分的方法，因此需要通過最小二乘法對模型進行擬合。

為了獲取煤燃燒過程中的積分函數g(α)和動力學參數E、A等值，采用Coats-Redfern積分法對模型進行擬合，即通過將實驗中的數據代入不同的反應模型(如表3所示)，C-R方程可以表示如下：

右側第一項括號中由于2RT/E<<1，所以可簡化為右側第二項形式，以ln[g(α)/T2]對1/T作圖，通過截距a和斜率b即可求得E和A值。

根據不同反應模型函數動力學擬合結果，O1模型的相關系數最高，因此5組樣品均選用O1反應模型進行動力學分析，計算得到各組樣品的動力學參數，如表4所示。

表4 不同樣品的燃燒反應動力學參數

4 結 論

(1)在熱風爐系統中燃燒時，生物質燃料的SO2排放指標遠低于煙煤，NOx和煙塵高于煙煤，因此生物質在清潔燃燒方面并不具優勢。

(2)煙煤成型后具有較好的固塵效果，加入生物質可以提高煙煤的燃燒效率，合理的煤粉和生物質比例可以促使燃燒過程更加均衡。

(3)純生物質的DTG曲線分為前后兩個峰值，“前大后小”，兩個峰值均在煙煤煤粉的峰值之前，因此可以改善煙煤的著火特性。

(4)將生物質與煙煤混合使用，利用適宜的成型技術，可制成燃燒效率高、污染物小的清潔燃料，提高兩種燃料的清潔高效利用水平。