煤粉與生物質(zhì)混燃的低溫著火特性

王春波， 王金星， 雷 鳴

（華北電力大學(xué) 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院，保定 071003）

在生物質(zhì)利用技術(shù)中，純生物質(zhì)直燃技術(shù)存在效率低、區(qū)域性以及難以大型化等問題.在燃煤電廠中，利用原有燃煤鍋爐對生物質(zhì)和煤粉進(jìn)行混燃，相對于純生物質(zhì)燃燒技術(shù)，不僅提高了生物質(zhì)利用率，而且能夠?qū)崿F(xiàn)大型化且易于靈活調(diào)節(jié)，具有十分廣闊的應(yīng)用前景［1］.我國華電十里泉電廠是一個比較成功的采用煤粉與生物質(zhì)混燃發(fā)電的示范.

在煤粉與生物質(zhì)混燃中，燃料的著火特性是影響其燃燒效果的關(guān)鍵因素.近年來，國內(nèi)外科研工作者針對燃料著火特性進(jìn)行了大量研究工作.Otero等［2］利用（TG－MS）方法發(fā)現(xiàn)糞肥生物質(zhì)與煤共燃可以有效降低著火溫度，改善煤的燃燒性能，Haykiri－Acma等［3］也得出了類似結(jié)論.Li Qingzhao等［4］利用熱重分析儀對氧氣質(zhì)量濃度、燃料顆粒大小以及加熱速率對燃燒的影響進(jìn)行了深入研究.王玉召等［5］和Lester等［6］分別采用燃燒特性參數(shù)判定的方法對生物質(zhì)與煤混燃著火特性進(jìn)行判定，得出了隨著生物質(zhì)摻混比的增大，燃料的著火溫度和燃盡溫度都有所降低的結(jié)論.此外，還有其他一些科研工作者也對燃料的著火特性進(jìn)行了很多有益的探索［7-9］.

雖然針對煤粉和生物質(zhì)的著火特性已有很多研究成果，但研究過程中發(fā)現(xiàn)的一些新問題表明，尚有大量的研究工作需要深入開展，如目前研究著火特性常用的方法是逐漸升溫的熱重法（TGA），又例如Gil等［10］利用逐漸升溫的方法進(jìn)行了煤粉與生物質(zhì)混燃的試驗(yàn)研究，得到了揮發(fā)分析出的溫度區(qū)間及固定碳開始燃燒的溫度區(qū)間.Wang Cuiping等［11］利用升溫?zé)嶂胤▽γ号c生物質(zhì)混燃著火特性進(jìn)行了研究，定性地判定出混合物燃燒的難易程度.由于傳熱、傳質(zhì)方面的差異，采用逐步升溫的方法對煤粉和生物質(zhì)混燃的著火特性進(jìn)行研究有一定的局限性，尤其在低溫條件下尤為明顯，如逐步升溫的方法未考慮升溫到所要求的溫度時前面升溫過程的影響.考慮到在工程實(shí)際上，燃料是噴入爐內(nèi)突然在高溫環(huán)境下著火和燃燒的，因此應(yīng)盡可能在真實(shí)工況下研究燃料的著火特性.筆者用恒溫?zé)嶂胤椒▽γ悍酆蜕镔|(zhì)低溫著火特性進(jìn)行分析，目的是在更真實(shí)的工況下獲得煤粉和生物質(zhì)低溫下的著火特性.

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)和樣品

圖1為管式爐恒溫?zé)嶂卦囼?yàn)系統(tǒng)示意圖.在圖1中，溫控儀的溫度控制范圍為0～1300℃.空氣采用氣泵供應(yīng)，氣泵的流量為1L／min.瓷舟的尺寸為7cm×1cm.筆者采用自制的質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)對試樣質(zhì)量信號進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測.質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)中的傳感器精度為0.1mg.管式爐恒溫?zé)嶂卦囼?yàn)系統(tǒng)中的熱電偶與溫控儀相連，當(dāng)爐溫穩(wěn)定后可以認(rèn)為恒溫.

圖1 管式爐恒溫?zé)嶂卦囼?yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Diagram of the tube furnace constant－temperature thermogravimetric system

在試驗(yàn)中，選取3種典型煤種：無煙煤、塔山煙煤和印尼褐煤，煤粉粒徑為0.12～0.18mm；生物質(zhì)為玉米芯、玉米秸稈和樹皮，粒徑為0.12～0.18 mm.表1給出了煤和生物質(zhì)試驗(yàn)樣品的工業(yè)和元素分析.試驗(yàn)樣品的灰成分分析見表2.

表1 煤和生物質(zhì)樣品的工業(yè)和元素分析Tab.1 Ultimate and proximate analysis of coal and biomass samples

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)時，先向管式爐內(nèi)通入流量為1L／min的空氣，同時將管式爐升溫至設(shè)定溫度，待反應(yīng)區(qū)域溫度恒定后，取（0.1±0.005）g的試樣均勻平鋪于長7cm、寬1cm的瓷舟底部，將瓷舟支架沿金屬導(dǎo)軌迅速送入管式爐內(nèi)恒溫區(qū)域，并利用質(zhì)量監(jiān)測軟件對試樣的質(zhì)量信號進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測.重復(fù)性試驗(yàn)表明，在同一工況下，同一試樣的試驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差均小于2%.此外，多次不同流量的試驗(yàn)表明，向管式爐內(nèi)通入1L／min的氣體流量已經(jīng)能消除反應(yīng)過程中氣體擴(kuò)散的影響.

表2 煤和生物質(zhì)樣品的灰成分分析Tab.2 Ash analysis of coal and biomass samples %

2 結(jié)果與討論

為了便于描述試樣的燃盡程度，引入可失重額余量η，它是除灰分以外試樣燃燒過程中剩余質(zhì)量占原試樣中該部分質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)，定義為

式中：η為可失重額余量，%；m0為試樣的初始質(zhì)量，g；mt為試驗(yàn)過程中的試樣質(zhì)量，g；m∞為試樣中的灰分質(zhì)量，g.

2.1 摻混比的影響

生物質(zhì)的摻混比是影響煤與生物質(zhì)混燃時著火特性的主要因素.在450℃恒溫條件下，分別測量了無煙煤、玉米芯及其摻混比分別為9∶1、8∶2和7∶3等5種情況下試樣的著火特性（見圖2）.

圖2 450℃下不同摻混比無煙煤與玉米芯試樣的著火特性Fig.2 Ignition characteristics of anthracite／corncob blends at different blending ratios at 450℃

從圖2可知，摻混比對煤粉與生物質(zhì)混燃時著火特性的影響呈現(xiàn)出以下特征：（1）在反應(yīng)初始階段，摻混比增大后，可失重額余量的失重速率顯著加快，如在500s時，無煙煤的可失重額余量約為90%，而摻混10%玉米芯后試樣的可失重額余量下降為70%左右，這是由于玉米芯的揮發(fā)分含量高且易析出，燃燒放出的熱量促進(jìn)了煤粉中揮發(fā)分的析出和隨后部分焦炭燃燒造成的.（2）無煙煤在反應(yīng)開始2000s后仍未能燃盡，甚至當(dāng)玉米芯摻混比達(dá)到30%時也未能燃盡.結(jié)合表1中的工業(yè)分析可知，此時的試樣應(yīng)為無煙煤揮發(fā)分析出燃燒后剩余的焦炭，表明雖然玉米芯的加入加快了試樣燃燒反應(yīng)初期的失重速率，但由于玉米芯很快燃盡，燃燒放熱很快損失，此外反應(yīng)溫度較低，因此剩余的焦炭很難在該溫度下著火燃燒.

為了進(jìn)一步獲得恒溫條件下?lián)交毂葘γ悍叟c生物質(zhì)混合物在低溫段著火特性的影響規(guī)律，選取另外2個溫度500℃和550℃，并對混合物的著火特性進(jìn)行了試驗(yàn)（見圖3）.

圖3 500℃、550℃下不同摻混比無煙煤和玉米芯試樣的著火特性Fig.3 Ignition characteristics of anthracite／corncob blends at different blending ratios at 500℃and 550℃

從圖3可知，在500℃和550℃恒溫條件下無煙煤與玉米芯不同摻混比時的著火特性呈現(xiàn)出與450℃恒溫條件下（圖2）類似的趨勢：隨著玉米芯摻混比的增大，在反應(yīng)前期試樣的失重曲線明顯左移，在反應(yīng)后期不同摻混比失重曲線之間的差別逐漸變小.綜合圖2和圖3可得出：在反應(yīng)初期，生物質(zhì)摻混比的增大能夠明顯改善煤粉與生物質(zhì)混合物的著火特性；但在反應(yīng)后期，由于生物質(zhì)在反應(yīng)初期已經(jīng)燃盡，因此對殘焦的燃燒和燃盡影響較小.通過對圖2和圖3的比較還可以發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高，無煙煤與玉米芯混合物的失重曲線逐漸向左移動，說明溫度對混燃著火特性也有顯著影響.

2.2 溫度的影響

為了更全面地研究溫度對煤粉與生物質(zhì)混燃時低溫著火特性的影響，分別對450℃、500℃、550℃和600℃恒溫條件下無煙煤摻混20%玉米芯試樣的著火特性進(jìn)行了對比與分析（見圖4）.

圖4 不同溫度下80%無煙煤＋20%玉米芯試樣的著火特性Fig.4 Ignition characteristics of 80%anthracite and 20%corncob blends at different temperatures

從圖4可知，溫度對煤粉與生物質(zhì)混燃低溫著火特性的影響主要表現(xiàn)在：（1）溫度升高總會加快試樣的燃燒失重速率，特別會加快試樣反應(yīng)初期的燃燒失重速率，這是由于溫度升高加快了生物質(zhì)與煤粉揮發(fā)分的析出［12-13］，而析出揮發(fā)分的燃燒放熱又進(jìn)一步加快了剩余煤與生物質(zhì)的熱解，因而使低溫段時煤粉與生物質(zhì)混合物的著火特性得到改善.（2）450℃和500℃恒溫條件下，在2000s內(nèi)試樣始終未能燃盡.但當(dāng)溫度高于550℃時，試樣不僅燃盡且燃盡時間隨著溫度的升高而逐漸縮短.（3）焦炭的燃燒是影響煤粉與生物質(zhì)混合物后期燃燒速率的關(guān)鍵因素.溫度升高有利于揮發(fā)分的析出與燃燒，揮發(fā)分的析出與燃燒釋放出大量的熱又促進(jìn)了固定碳的燃燒，從而加快了焦炭的燃盡；另外，溫度升高也減少了焦炭燃燒所需要的熱量.

2.3 煤種的影響

試驗(yàn)結(jié)果表明，揮發(fā)分對煤粉與生物質(zhì)混燃時的著火特性有很大影響.為了獲得更全面的煤粉與生物質(zhì)混燃時的低溫著火特性，筆者對無煙煤、塔山煙煤和印尼褐煤3種揮發(fā)分差異較大的煤種與生物質(zhì)混燃時的低溫著火特性進(jìn)行了研究.圖5給出了450℃下不同煤種摻混20%玉米芯時混合物的著火特性.

從圖5（a）可以看出，3種煤的失重曲線差異很大.當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行2000s后，無煙煤和塔山煙煤均未能燃盡且無煙煤的未燃盡程度較高，而印尼褐煤在不到900s時就已燃盡.由表1可知：無煙煤的揮發(fā)分含量最低，印尼褐煤的揮發(fā)分含量最高，塔山煙煤介于二者之間.顯然，煤種揮發(fā)分含量的差別是造成不同煤種未燃盡程度差異的主要原因.揮發(fā)分含量高的煤種，反應(yīng)活性高，較易燃盡，因此在較短時間內(nèi)即可燃盡，而揮發(fā)分含量低的煤種，在其揮發(fā)分析出燃盡后，若反應(yīng)溫度不夠高，則剩余的焦炭很難著火燃燒.摻混玉米芯后，3種煤的低溫著火特性均得到了不同程度的改善，其中無煙煤最為明顯.但在20%玉米芯摻混比下，反應(yīng)結(jié)束時無煙煤和塔山煙煤仍未能燃盡，而印尼褐煤的燃盡時間卻進(jìn)一步縮短，這與前面得出的摻混生物質(zhì)能夠改善試樣的著火特性和燃盡特性的結(jié)論相符.

圖5 450℃下不同煤種摻混20%玉米芯時混合物的著火特性Fig.5 Ignition characteristics of different kinds of coal blended with 20%corncob at 450℃

2.4 生物質(zhì)種類的影響

工程實(shí)際中摻燒生物質(zhì)種類的多樣性決定了研究生物質(zhì)種類對煤粉與生物質(zhì)混燃時低溫著火特性影響的必要性.為此，筆者對玉米芯、玉米秸稈和樹皮3種常見生物質(zhì)與煤粉混燃時的低溫著火特性進(jìn)行了研究和分析.

圖6給出了450℃下無煙煤摻混20%不同生物質(zhì)時的著火特性.從圖6可知，不同煤種摻混生物質(zhì)均會改善試樣的著火特性，圖6中的失重曲線均向左移動.但是，3種不同生物質(zhì)對煤粉著火的促進(jìn)作用卻不盡相同：玉米芯對混燃時著火特性的促進(jìn)作用最明顯，玉米秸稈居中，樹皮的促進(jìn)作用最弱.結(jié)合3種生物質(zhì)的工業(yè)分析可以發(fā)現(xiàn)：在初始階段，試樣燃燒反應(yīng)速率的快慢與3種生物質(zhì)揮發(fā)分和水分的量成正比，這是由于在反應(yīng)的初始階段，試樣的失重以水分蒸發(fā)和揮發(fā)分的析出與燃燒為主造成的.從3種生物質(zhì)的工業(yè)分析還發(fā)現(xiàn)，樹皮的灰分含量最高，玉米芯的灰分含量最低，玉米秸稈介于二者之間.在燃燒后期，摻混生物質(zhì)的灰分含量越高，對煤粉燃燒的促進(jìn)作用越差，這可能是由于生物質(zhì)灰分容易堵塞焦炭孔隙［14］，因而減小了燃燒反應(yīng)表面積，降低了氣體擴(kuò)散速率，最終阻礙了剩余焦炭的燃盡.

圖6 450℃下無煙煤摻混20%不同生物質(zhì)時的著火特性Fig.6 Ignition characteristics of anthracite blended with 20%biomass of different kinds at 450℃

3 燃燒反應(yīng)動力學(xué)

由質(zhì)量作用定律得到如下反應(yīng)動力學(xué)方程

式中：α為轉(zhuǎn)化率，%；t為燃燒進(jìn)行的時間，s；A為指前因子，1／s；E 為活化能，kJ／mol；R 為氣體常數(shù)，Pa·m3／（mol·K）；T 為絕對溫度，K；n為反應(yīng)級數(shù).

采用lnln分析法，反應(yīng)級數(shù)取n＝1［15］，對式（2）進(jìn)行積分得

式中：Z為某一常數(shù).

由式（3）求得不同恒定溫度下的ln K.在較小的溫差區(qū)間內(nèi)，活化能E和指前因子A可以近似看做定值，進(jìn)而求得不同溫度區(qū)間的活化能E和指前因子A.

燃燒反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)計算選取的時間范圍為開始著火和燃盡時刻之間，這個過程包括揮發(fā)分的析出和焦炭的著火.表3列出了經(jīng)計算得到的試樣的燃燒反應(yīng)動力學(xué)參數(shù).

表3 試樣的燃燒反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)Tab.3 Calculated kinetic data for various samples

由表3可知：隨著試樣中玉米芯摻混比的增大，試樣的活化能值在2個溫度區(qū)間均呈現(xiàn)出減小的趨勢，說明隨著玉米芯摻混比的增大，混合物的著火難度逐漸降低，試樣更容易著火.此外，試樣在不同溫度區(qū)間的活化能不同.對于同一試樣，溫度區(qū)間越大，活化能值越小，說明試樣在高溫區(qū)間的著火越容易.

4 結(jié) 論

（1）隨著生物質(zhì)摻混比的增大，試樣的活化能逐漸降低，反應(yīng)速率加快且燃盡程度提高.溫度升高，試樣的活化能逐漸降低，著火更容易，燃盡程度提高或燃盡時間縮短.

（2）摻混生物質(zhì)對難燃煤種著火特性的影響比對易燃煤種更加明顯.對于某一煤種，摻混水分和揮發(fā)分含量高的生物質(zhì)，在反應(yīng)初期失重較快，摻混灰分高的生物質(zhì)，在反應(yīng)后期對燃燒的促進(jìn)作用不明顯.

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