生物質與煤混燒燃燒特性參數研究

2020-06-03 13:56:56馬愛玲

山西焦煤科技 2020年3期

馬愛玲

(河南工業和信息化職業學院，河南焦作 454000)

我國煤多油少，全球已探明煤炭儲量中,我國煤炭占33.8%[1].2016年、2017年、2018年，煤炭在我國能源結構中占比分別為62%[2]、60%[3]、59%[4].新形勢下，我國已明確提出構建清潔低碳安全高效能源體系的發展戰略，煤炭是不可再生的化石燃料，在燃燒過程中產生的大量煙塵、CO2、SO2等污染物[5]，帶來嚴重的環境污染。

雖然按照國家能源發展目標的要求，在我國能源消費結構中，煤炭的占比在逐年降低，但我國能源結構的基本特點，決定了在今后相當長的時期內，煤炭還將繼續處于能源消費結構的主導地位。

生物質能是可再生的潔凈能源，種類多，污染小，引起了許多國家的高度關注。在煤中摻入一定量的生物質進行混合燃燒，不但可以很好地改善煤的燃燒，減少煙塵的排放和CO2、SO2等污染氣體的生成量，減輕環境壓力，而且可以很好地利用生物質資源，符合國家的能源發展戰略要求。因而，研究生物質與煤混燒的燃燒特性參數，在煤、生物質的利用和環境保護方面具有重要的現實意義。

1 實驗部分

1.1 實驗方法

采用熱重分析法，將實驗樣品裝在用Al2O3材料制成的坩堝內，放入德國NETZSCH公司生產的STA409PC型熱重分析儀中，以一定體積比的氮氣、氧氣混合氣體為實驗工作氣氛，在不同條件下進行生物質和煤的混合燃燒實驗，以期獲得有益的燃燒特性參數。

1.2 實驗材料

實驗生物質選用焦作地區的農村玉米秸稈(JG)，加工成粒徑0.4～1 mm；煤樣選用義馬煤(YM)，加工成粒徑0.2～0.4 mm.

1.3 實驗過程

實驗初溫為室溫，終溫為950 ℃，按照實驗要求將O2和N2按照一定的體積比混合作為載體，氣體總流量100 mL/min.

用分析天平精準稱取(17±0.1)mg 所需混合物樣品，將其放入實驗所用熱重分析儀中，進行燃燒實驗。

原料的工業及熱值分析見表1.

表1 原料的工業分析和熱值分析表

2 結果及討論

2.1 燃燒特性參數

揮發分初析溫度、揮發分釋放特性指數是表征揮發分析出難易程度的重要參數，通常在DTG曲線上，取開始恒定出現負值對應的溫度，作為揮發分初析溫度，數值越小，表明燃料的著火性能越好。揮發分釋放特性指數數值越大，低溫下燃料越容易燃燒。

著火溫度、著火特性指數表征燃料著火特性的重要參數[8].采用TG-DTG切線法，在TG曲線上由計算機直接得出著火溫度[9].著火溫度越低，著火特性指數越大，燃料越容易著火燃燒[8].

燃料燃盡性能的好壞主要用燃盡溫度與燃盡特性指數來評價[11].燃盡溫度指燃料燃燒結束時的溫度，實驗中，取DTG曲線上基本為零的點對應的溫度。燃盡特性指數越大，燃盡性能越好[11].

綜合燃燒特性指數是衡量燃料的著火性能和燃盡綜合性能的指標，數值越大，表示燃料越容易著火，燃盡越完全，燃燒性能越好[7].

2.2 生物質占比對燃燒特性參數的影響

分別將0%、20%、40%、60%和100%(質量比)的玉米秸稈與義馬煤摻混均勻，在升溫速率20 ℃/min、氧氣濃度20%的條件下進行燃燒，其TG-DTG曲線見圖1.

圖1 不同生物質含量樣品燃燒的TG-DTG曲線圖

由表1可知，生物質的水分、揮發分都比原煤高，而固定碳含量比原煤低，因此，隨著生物質占比變大，混合物所含水分、揮發分變大，固定碳含量變小，前期燃燒放熱變多，加快了煤中揮發分的釋放燃燒與固定碳的燃燒，使圖1中混合物燃燒的TG曲線，隨著生物質占比的變大向低溫區移動；DTG曲線上的混合物失水峰(第一個峰)小幅度增強，生物質揮發分燃燒失重峰(第二個峰)明顯增強，生物質固定碳及原煤揮發分的混合燃燒峰(第三個峰)峰值越來越大，原煤固定碳燃燒造成的失重(最后的峰肩)愈來愈弱，當生物質含量大于60%時峰肩基本和第三個峰合二為一。混合物燃燒的燃燒特性參數見表2，參數對比見圖2.

表2 生物質、煤及其混合物的燃燒特性參數表

由表2可知，混合物中生物質占比為20%時，和原煤相比較，混合物的著火溫度下降151.1 ℃、揮發分初析溫度下降71 ℃、燃盡溫度下降65 ℃、最大燃燒速率對應溫度下降45.3 ℃。其中著火溫度下降最為明顯，揮發分初析溫度次之，燃盡溫度第三，說明生物質的加入有利于混合物的燃燒。由圖2可以看出，當混合物中生物質占比大于20%后，混合物的著火溫度靠近于生物質自身的著火溫度，幾乎不受生物質占比的影響；揮發分初析溫度下降遲緩；混合物的最大燃燒速率對應溫度在生物質添加比例從20%增加到40%時下降較慢，從40%增加到60%時下降顯著，大于60%時和生物質自身的相同，基本不受生物質占比變化的影響；伴隨混合物中生物質占比的增加，混合物的燃盡溫度接近呈線性下降。混合物的著火特性指數、燃盡特性指數，在混合物中生物質占比小于40%時，呈線性較慢上升，當生物質占比大于40%時上升明顯變快。揮發分釋放特性指數，在生物質占比小于40%時，上升較慢，當生物質占比大于40%時上升顯著。綜合燃燒特性指數，在生物質占比小于60%時，上升較慢，當生物質占比大于60%時上升明顯變快。

圖2 不同生物質添加量混合物燃燒特性參數對比圖

綜上，燃料的揮發分越高，燃料越易著火燃燒[12].因而，混合物中生物質占比變大，混合物揮發分含量變大，致使混合物著火特性指數、燃盡特性指數、綜合燃燒性能指數隨之變大，促進了燃燒的進行。

2.3 O2濃度對燃燒特性參數的影響

將質量比20%的玉米秸稈和義馬煤摻混均勻，在20 ℃/min的升溫速率、20%、30%、40%的氧氣濃度條件下燃燒，TG-DTG曲線見圖3.

圖3 不同氧氣濃度燃燒過程的TG-DTG曲線圖

由圖3可知，混合物燃燒的TG、DTG曲線，隨著O2濃度的變大向低溫區移動；DTG曲線上失水峰(第一個峰)、生物質揮發分釋放燃燒峰(第二個峰)，基本不隨O2濃度的變大而變化；而生物質固定碳、煤中揮發分和固定碳的燃燒峰(第三個峰)，則伴隨O2濃度的增加順次增強。原因是混合物中固定碳的燃燒受O2濃度的影響比較大，而生物質揮發分的燃燒受O2濃度的影響較小。混合物燃燒的燃燒特性參數見表3，參數的直觀對比見圖4.

表3 不同氧氣濃度燃燒過程的燃燒特性參數表

由表3數據和圖4可知，混合物揮發分初析溫度幾乎不受O2濃度變化的影響；揮發分最大燃燒速率隨O2濃度的變大略微上升；著火溫度隨O2濃度的變大略微下降；燃盡溫度當O2濃度從20%上升到40%時，先平緩下降而后下降程度加大；最大燃燒速率隨O2濃度的變大明顯上升；著火特性指數當O2濃度從20%上升到40%時，上升得先慢后快，近似呈線性上升，揮發分釋放特性指數、綜合燃燒特性指數的變化規律與其相同；燃盡特性指數伴隨O2濃度的變大更接近呈線性上升。

圖4 不同氧氣濃度主要燃燒特性參數對比圖

總的來說，O2濃度變大，促進了混合物的分解燃燒，改善了燃料的綜合燃燒性能，導致混合物的燃燒速率變快，燃燒時間變短，燃燒在較低溫度下完成，有助于燃燒過程的進行。

2.4 升溫速率對燃燒特性參數的影響

將質量比20%的玉米秸稈和義馬煤摻混均勻，在氧氣濃度20%、升溫速率分別為20 ℃/min、30 ℃/min、40 ℃/min的條件下燃燒，TG-DTG曲線見圖5.

圖5 不同升溫速率燃燒的TG-DTG曲線圖

升溫速率變大，一方面，使得混合物外部顆粒溫度較高，內部顆粒溫度較低，導致混合物內部反應速率比外部小，從而揮發分釋放燃燒滯后，造成圖5a)中的TG曲線向高溫側移動[13]，DTG曲線上失水峰(第一個峰)、生物質揮發分燃燒失重峰(第二個峰)和生物質固定碳及原煤揮發分混合燃燒峰(第三個峰)逐漸增強變寬。另一方面，混合物達到相同溫度需要的時間減少，使得混合物中揮發分、固定碳、水分無法正常析出或燃燒，而集中在較短時間內析出燃燒，導致燃燒速率上升，造成圖5中DTG曲線上3個峰的峰值變大。

從圖5b)TG-DTG和時間的關系可知，升溫速率變大，混合物水分的失去、揮發分的釋放燃燒及固定碳的燃燒前移，燃燒結束時間也隨之前移。

實驗混合物燃燒的燃燒特性參數見表4，參數的直觀對比見圖6.

表4 不同升溫速率燃燒過程的燃燒特性參數表

圖6 不同升溫速率主要燃燒特性參數對比圖

由表4和圖6可知，混合物的著火溫度基本等于生物質本身的著火溫度，基本不受升溫速率的影響；混合物的揮發分初析溫度伴隨升溫速率變大平緩上升，燃盡溫度也是如此；揮發分最大燃燒速率當升溫速率從20 ℃/min升到30 ℃/min時上升較慢，當升溫速率從30 ℃/min升到40 ℃/min時上升較快，揮發分釋放特性指數變化規律與其相同；最大燃燒速率當升溫速率從20 ℃/min上升到30 ℃/min時，上升較快，當升溫速率從30 ℃/min上升到40 ℃/min時上升變慢，著火特性指數和燃盡特性也有類似規律；而綜合燃燒特性指數，當升溫速率從20 ℃/min升到40 ℃/min時接近似呈線性上升。

這表明，隨著混合物的升溫速率變大，雖然其揮發分初析溫度和燃盡溫度會隨之升高，達到著火溫度的時間縮短，但是揮發分在混合物中停留時間減少，集中析出量增加，燃燒速率加快，致使混合物與O2的反應速度加快，縮短混合物的燃燒時間，使得燃燒變得更容易，有助于燃燒的進行。