熱重法研究小麥秸稈粘結(jié)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(zhì)型煤將不可再生的化石能源與可再生的生物質(zhì)能結(jié)合起來，具有綜合利用能源和減少環(huán)境污染的雙重功能。生物質(zhì)型煤在燃燒過程中，生物質(zhì)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(xiàn)象，還能固硫和降低煙塵生成量。目前，許多國家對生物質(zhì)型煤進(jìn)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(xué)、浙江大學(xué)、貴州工業(yè)大學(xué)、哈爾濱理工大學(xué)、河南理工大學(xué)等高校[6-13]也分別對高壓力成型設(shè)備、粘結(jié)劑、燃燒特性等進(jìn)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(jié)劑、生物質(zhì)型煤的熱重曲線，分析了生物質(zhì)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(guān)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(jié)劑為河南理工大學(xué)開發(fā)的小麥秸稈粘結(jié)劑[13]。小麥秸桿特征分析如表1所示，原煤和型煤的煤質(zhì)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(zhì)特征

表3 生物質(zhì)型煤的煤質(zhì)特征

若原煤與小麥秸稈粘結(jié)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(fēng)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(chǎn)的 SDTQ600 熱分析儀進(jìn)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(jié)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(jié)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(jié)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(jié)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(jié)劑和生物質(zhì)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(jié)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(jié)劑和生物質(zhì)型煤的曲線特征可以看出，生物質(zhì)型煤的TG-DTG曲線受粘結(jié)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(yīng)的溫度與粘結(jié)劑的類似。根據(jù)文獻(xiàn)[15]中提到的溫度對不同揮發(fā)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(zhì)和煤的燃燒可能交叉進(jìn)行，無明顯的分界[16]。

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

2.2 原煤、粘結(jié)劑和生物質(zhì)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(jié)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(jié)劑和生物質(zhì)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(yīng)溫度在200～600 ℃，對應(yīng)的DTA曲線顯示在200～600 ℃之間出現(xiàn)放熱反應(yīng)；焦作無煙煤型煤DTA曲線出現(xiàn)2個放熱峰，若第1次燃燒放熱后達(dá)不到第2次的燃燒溫度，則可能會出現(xiàn)斷火現(xiàn)象。在600～800 ℃之間，陜西神木煙煤型煤的DTA曲線無吸、放熱反應(yīng)，焦作無煙煤型煤DTA的曲線僅有輕微的吸熱反應(yīng)；而二者的TG曲線在200～600 ℃有明顯的失重，對應(yīng)的DTG曲線有明顯的失重峰，證明此溫度段一定發(fā)生了反應(yīng)。

比較原煤、粘結(jié)劑和生物質(zhì)型煤的TG-DTA的曲線，在低于400 ℃時，原煤無吸熱峰而粘結(jié)劑有明顯的吸熱峰，原因可能是低于400 ℃時生物質(zhì)型煤中和了粘結(jié)劑的反應(yīng)特征，也可能是生物質(zhì)型煤成型后，其結(jié)構(gòu)由以前的有秩序排列變成了混亂的無秩序[19-20]；生物質(zhì)型煤燃燒過程中，生物質(zhì)中的Fe、Ca、Mg、Si等微量元素的氧化物會破壞煤膠質(zhì)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(yīng)特征，焦作無煙煤型煤有輕微的吸熱反應(yīng)特征。

3 結(jié)論

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