第33卷第1期煤炭轉(zhuǎn)化Vol 33 No. 12010年1月COAL CONVERSION生物質(zhì)與煤混燒燃燒特性硏究馬愛玲1)諶倫建2)黃光許3)朱孔遠4摘要利用 TG-DTG熱分析技術(shù)對煤、生物質(zhì)及二者混合物的燃燒過程進行分析,研究了煤種、生物質(zhì)、生物質(zhì)添加比例、升溫速率及氧氣流量等因素對燃燒特性的影響.結(jié)果表明,生物質(zhì)的著火特性、燃盡特性和燃燒性能明顯優(yōu)于原煤;添加生物質(zhì)可以改善原煤的燃燒特性,隨著生物質(zhì)添加量的增加,燃燒性能改善越顯著;升溫速率增加,著火特性指數(shù)和綜合燃燒特性指數(shù)升高,燃盡性能降低;增加氧氣流量,可以顯著改善燃料的燃燒性能.關(guān)鍵詞煤,生物質(zhì),混燒,熱分析,燃燒特性中圖分類號TQ5340引言409PC型熱分析儀,該儀器采用微機程序自動控制實驗可以用空氣、N2或O2為載體氣體流量、升溫生物質(zhì)能是僅次于煤、石油和天然氣之后的第速度及終溫均可通過計算機設(shè)置.盛裝樣品坩堝為四大能源,具有來源廣、污染低、可再生和CO2零D6mm×4mm的氧化鋁坩堝.排放等優(yōu)點.專家認為,生物質(zhì)能將成為未來可再生能源的重要組成部分,到2015年,全球總能耗將有1.2樣品制備40%來自生物質(zhì)能,2我國生物質(zhì)能資源十分豐富實驗煤樣為義馬煤(YM)、鶴壁煤(HB)和趙固按熱當量計算約為2.0億t標準煤3,但轉(zhuǎn)化利用煤(ZG),生物質(zhì)為玉米秸稈和鋸末,原料煤粒徑為率低,大量的生物質(zhì)被廢棄,不僅污染環(huán)境,而且造0.2mm~0.4mm,生物質(zhì)粒徑為0.4mm~1mm成大量的能源浪費用分析天平稱取煤樣和生物質(zhì)樣品,按生物質(zhì)占混我國是世界煤炭生產(chǎn)和消費第一大國,煤炭產(chǎn)合物總重量的20%,40%和60%配比混合均勻,然量連續(xù)5年創(chuàng)歷史最高,2008年全國煤炭產(chǎn)量達后取15mg~20mg的混合物或純樣品進行熱分27.16億t自20世紀90年代以來煤炭在我國析.原料的工業(yè)分析和熱值分析見表1.次能源消費結(jié)構(gòu)中的比例一直保持在75%~1原料的工業(yè)分析和熱值分析(ad)76%51在相當長的一個時期內(nèi),我國以煤為主的能Tbe1 Proximate and heating value analysis of material( ad)源結(jié)構(gòu)將難以改變我國大部分煤炭用于直接燃燒Sample M/% v/% A/% FC/% Qer/(k].kg")燃煤產(chǎn)生大量煙塵、SO2和CO2等污染物,致使我 YM coal7.0523.0237.62323117458國大氣環(huán)境呈典型的煤煙型污染,由此帶來嚴重的1.5112.5915.9569.9529384經(jīng)濟損失.生物質(zhì)與煤共燃可以降低硫氧化物、氮氧col3297.3815.0874.25化物及煙塵的排放,因此從減輕污染和利用可再生Cornstalk8.9568.236.8216.011624l能源方面看,研究生物質(zhì)與煤混合燃燒技術(shù)具有重Sawdust9.0874952.5413.431444要意義1.3實驗條件及過程1實驗部分實驗初始溫度為室溫,終溫為950℃,工作氣氛為N2和O2,氣體總流量為100mL/min.除特別說明1.1實驗設(shè)備外,N2流量為80m/min,O2流量為20mL/min,升實驗采用德國NET2SCH公司生產(chǎn)的STA溫速V山中國煤化工了煤種、生物質(zhì)種河南省重點科技攻關(guān)項目(082102340028),河南理工大學博士基金資助項CNMHG位論文創(chuàng)新基金資助項目(2008-M12)1)碩士生、工程師;2)教授、博士生導師;3)講師;4)碩士生河南理工大學材料學院,454000河南焦作收稿日期:2009-11-17;修回日期:2009-12-16煤炭轉(zhuǎn)化2010年類、生物質(zhì)添加比例、升溫速率和氧氣流量等對燃燒之;Vd(dm/dt)(1)過程的影響2結(jié)果與討論式中:Z1—著火特性指數(shù),%/(℃·min);VM—分析基揮發(fā)分,%;(dm/dt)m-最大燃著火溫度是燃料氧化反應速度突變的溫度,表燒失重速率,%/mim;T—著火溫度,℃觀現(xiàn)象是燃料發(fā)生著火時的溫度,是衡量著火特性由式(1)可知,揮發(fā)分越高,最大燃燒失重速率的重要特征點本文采用 TG-DTG聯(lián)合定義法確定越大,著火指數(shù)越大;著火溫度越高,著火指數(shù)越小著火溫度(見圖1),在DTG曲線上,過峰值點E作因此著火指數(shù)越大燃料越容易著火為了全面評價燃料的燃燒情況,本文采用文獻[9,10]中所述的綜合燃燒特性指數(shù)SN對實驗結(jié)果進行分析.SN可按式(2)計算Th200400600800-10式中:Sx—綜合燃燒特性指數(shù);(dm/d)。最大燃燒失重速率,%/min;(dm/d)-——平均燃圖1 TG-DTG法定義著火溫度燒速率,%/min;T著火溫度,℃;T燃盡Fig1 Ignition temperature according to TG-DTG curves溫度,℃C垂線與TG曲線交于一點F,過F點作TG曲線的SN值越大,燃料的燃燒特性越好.本次實驗由切線該切線與失重開始時平行線的交點G所對應DTG曲線上的最大極值點來確定最大燃燒速率的溫度T定義為著火溫度,該點可由計算機直(dm/d),其對應的溫度為T灬;燃盡溫度T取接在 TGDTG曲線上作出有多個峰值的DTG曲DTG值基本為0時的溫度線,著火點采用過第一個峰作垂線與TG曲線的交本實驗中各樣品的T,Z,SN值見第57頁表2點來確定和表3,第58頁表4和表5~第59頁表6和表7.著火特性反映燃料的著火難易程度,著火性能的好壞可用著火特性指數(shù)來衡量.8著火特性指數(shù)2.1原煤和生物質(zhì)的燃燒過程可按式(1)計算:原煤和生物質(zhì)燃燒的 TG-DTG曲線見圖2圖圖2原煤與生物質(zhì)燃燒的 TG-DTG曲線Fig 2 Combustion TG-DTG curves of mine coals and biomassesfine coal+b--BiomassYM coal▲— HB coal:b— ZG coal;◆— Cornstalk;、— Sawdust2a為原煤的燃燒過程,原煤的燃燒過程分為脫水干150℃,主要是脫水干燥階段;第二階段為200℃~燥(90℃~180℃)和揮發(fā)分析出及固定碳燃燒340℃,主要是生物質(zhì)中的纖維素和木質(zhì)素裂解以及(280℃~850℃)兩個階段.由于原煤固定碳遠高揮發(fā)分釋放燃憾階臥:一階臥為340℃~500℃,于其揮發(fā)分,因此DTG曲線上除了失水峰外只有主要中國煤化工DTG曲線上除個明顯的失重峰,燃燒過程中揮發(fā)分的析出幾乎了失CNMHG分別為揮發(fā)分釋直伴隨著煤焦的燃燒.圖點b為生物質(zhì)的燃燒過放燃燒峰及固定碳燃燒峰.前者遠大于后者,這是由程,生物質(zhì)的燃燒分為三個階段:第一階段為70℃于生物質(zhì)揮發(fā)分遠大于其固定碳所致第1期馬愛玲等生物質(zhì)與煤混燒燃燒特性研究三種煤與兩種生物質(zhì)的燃燒特性參數(shù)見表2由表2可以看出,原煤燃燒的著火點比生物質(zhì)高表2三種煤與兩種生物質(zhì)的燃燒特性指數(shù)Table 2 Combustibility parameters of the three kinds of coal and two kinds of biomassSample T/C(dm/d)mx/(%·min-1)Tm/C(dm/d)-/(%·min1)Th/CSs/×10-8z/(%2·(c·min)-1)YM co.424.76.92495.31.59691.0866698845.0Cornstalk 273.521.31303.22.015110112.06514.0127.2℃~318.3℃,最大燃燒失重溫度比生物質(zhì)高154.8℃~366.6℃,燃盡溫度比生物質(zhì)高177℃334℃,綜合燃燒特性指數(shù)比生物質(zhì)高兩個數(shù)量級,著火特性指數(shù)是生物質(zhì)的1/56~1/14.這說明生物質(zhì)的著火特性、燃盡性能和燃燒性能明顯優(yōu)于原煤,這主要是由于生物質(zhì)質(zhì)地疏松,且揮發(fā)分和含氧量高于原煤,易于燃燒和燃盡圖3不同煤種混合物燃燒的 TGDTG曲線2.2煤種對燃燒過程的影響Fig 3 Combustion TG-DTG curves of different實驗中將20%的玉米秸稈分別與義馬煤、鶴壁coal and biomass mixtureYM coal+20% cornstalk:0--HB coal+20% cornstalk煤和趙固煤進行混合燃燒,其燃燒的 TG-DTG曲線▲— ZG coal+20% cornstalk見圖3.圖3中DTG曲線上除了失水峰外,有三個燃燒失重峰.第一個失重峰是玉米秸稈的揮發(fā)分析第三個失重峰是原料煤固定碳燃燒峰,峰的絕對值出燃燒形成的,第二個失重峰是玉米秸稈的固定碳隨著煤中固定碳的增加而增加和煤中揮發(fā)分共同作用的結(jié)果,后者受原料煤揮發(fā)20%玉米秸稈分別與三種煤混合后混合物的燃分的影響較大,原料煤揮發(fā)分越高,其絕對值越大.燒特性參數(shù)見表3.320%玉米秸桿與三種煤混合物的燃燒特性參數(shù)Table 3 Combustibility parameters of mixture of 20% cornstalk with different coalsT;/℃(dm/dt)m/(%·min-1)Tmas/C(dm/d)-n/(%·min-1)Th/CSy/x10-8Z,/(%2·(℃·min)-1)YM coal+ 20%cornstalk 273. 6633.02.51HB coal+20%cornstalk 274.17l.85775,02.31ZG coal+20%cornstalk 277.5644.20.57由表2和表3可知,三種煤中加入玉米秸稈后,火溫度趨向于接近玉米秸稈的著火溫度所致.原煤其著火點均大幅度降低,接近玉米秸稈的著火點;燃的揮發(fā)分越高,燃燒過程中和玉米秸稈的固定碳共盡溫度也降低了39℃~58℃,著火特性指數(shù)也有同燃燒放出的熱量越多,有利于及時引燃煤中的固所增大綜合燃燒特性指數(shù)提高了一個數(shù)量級,說明定碳,從而使燃盡溫度降低越多生物質(zhì)的加入可以有效改善原料煤的燃燒特性從表2和表3還可看出,煤種不同,玉米秸稈的2.3生物質(zhì)對燃燒過程的影響加入對其燃燒過程的影響也有所不同.本實驗中,義將玉米秸稈和鋸末分別以20%的添加量與義馬煤著火溫度降低了151.1℃,鶴壁煤著火溫度降馬煤混合燃燒,其燃燒特性曲線見第58頁圖4,第低了258.7℃,趙固煤降低了314.3℃;義馬煤燃盡58頁表4給出了兩種混合物的燃燒特性參數(shù).由圖溫度降低了58℃,鶴壁煤燃盡溫度降低了50℃,趙4可以看岀,兩種混合物的燃燒規(guī)律基本符合所加固煤降低了39℃;著火特性指數(shù)增加的幅度大致相生物質(zhì)的燃燒規(guī)律DTG曲線卜揮發(fā)分析出峰隨生同綜合燃燒特性指數(shù)趙固煤增加的較多.原煤的物質(zhì)中國煤化工固定碳含量越高,加入玉米秸稈后,混合物的著火溫CNMH馬煤相比鋸末與度降低的越多綜合燃燒特性改善的越多,這是由原義馬煤混合物的著火特性指數(shù)和綜合燃燒特性指數(shù)煤固定碳含量越高,其著火溫度越高,而混合物的著比玉米秸稈與義馬煤混合物的著火特性指數(shù)和綜合煤炭轉(zhuǎn)化2010年義馬煤混合物降低得多,只有著火點的增加值小于后者.這說明混合物著火溫度的變化主要取決于生物質(zhì)本身的著火溫度,而其他指標受生物質(zhì)揮發(fā)分含量的影響較大,揮發(fā)分含量越高,對燃燒性能的影響越大.總的來說,玉米秸稈和鋸末都可以改善義馬煤的燃燒性能圖4不同生物質(zhì)與煤混合燃燒的 TG-DTG曲線2.4生物質(zhì)潘加量對燃燒過程的影響Fig 4 Combustion TG-DTG curves of differentbiomass and coal mixture將義馬煤和玉米秸稈按不同比例混合燃燒,其YM coal+20% cornstalk;▲— YM coal+20% sawdust燃燒的 TGDTG曲線見圖5.圖5DTG曲線上第一燃燒特性指數(shù)增加的多,燃盡溫度也比玉米秸稈與個失重峰為失水峰,第二個峰為玉米秸稈揮發(fā)分的表4玉米秸桿和鋸末與義馬煤混合物的燃燒特性參數(shù)Table 4 Combustibility parameters of mixture of cornstalk and sawdust with YM coalT/c(dm/dt)msx(%·min")T/℃(dm/d)an/(%·min-1)T/CS/×10-8z/(%2·(℃·min)-1)YM coal-+20% cornstalk 273.67.01450.02.510.82YM coal +20%sawdust 302.20r12析出峰,第三個峰為玉米秸稈固定碳燃燒和義馬煤揮發(fā)分析出共同作用所致,隨后較為平緩的峰肩為冒求2義馬煤固定碳燃燒所致.玉米秸稈的水分和揮發(fā)分高于義馬煤,因此,隨著玉米秸稈添加量的增加,混合物中水分和揮發(fā)分含量逐漸增加,固定碳含量逐漸降低,導致DTG曲線上水分析出峰、玉米秸稈揮發(fā)分析出峰和玉米秸稈固定碳燃燒及義馬煤揮發(fā)分圖5不同生物質(zhì)含量樣品燃燒的 TG-DTG曲線Fig 5 Combustion TG-DTG curves of different析出峰逐漸增強,而義馬煤固定碳燃燒失重作用逐漸減弱.不同生物質(zhì)添加量樣品的燃燒特性參數(shù)見20% cornstalk;●60m69mk表5表5不同生物質(zhì)添加量樣品的燃燒特性參數(shù)Table 5 Combustibility parameters of different ratio biomass sampleT/℃(dm/d)m/(%·min-1)Tm/℃(dm/dr)-/(%·min-1)Th/CS/×10-8z/(%2·(℃·min)-1)al+20%cornstalk 274.40.82YM coal +40%cornstalk 273.48.68432.6623,03.4330YM coal+60% cornstalk272.612.053060由表5可知,隨著生物質(zhì)添加量的增加,著火溫度和燃盡溫度逐漸降低,著火特性指數(shù)和綜合燃燒特性指數(shù)逐漸增大,這說明生物質(zhì)添加量增加混合物中揮發(fā)分含量也隨之增加,而揮發(fā)分含量越高,其燃燒放出的熱越多,可以更利于義馬煤中固定碳的燃燒,從而更有效地改善義馬煤的燃燒性能2004006002.5升溫速率對燃燒過程的影響圖6不同升溫速率燃燒的 TGDTG曲線Fig 6 Combustion TG-DTG curves of different heating rate燃燒過程的升溫速率不同,所得到的燃燒特性中國煤化工 eat~rate3omin曲線也有所不同,本文考察了義馬煤和20%玉米秸CNMH過程有后移的趨min稈混合物在三種升溫速率下的燃燒過程,結(jié)果見圖溫速,4T6.燃燒特性參數(shù)見第59頁表6.從圖6可以看出,升勢;升溫速率越大,DTG曲線上失水峰、揮發(fā)分析出馬愛玲等生物質(zhì)與煤混燒燃燒特性研究表6不同升溫速率燃燒過程的燃燒特性參數(shù)Table 6 Combustibility parameters of different heating rate(℃min-)T/C(dm(d)-(%,min)Tm/c(dm/d)-m(%,mn1)T/℃Sx/×1022(%,(C·m))633.08.442.53675.04027.6442.6峰以及固定碳燃燒峰越明顯.這是由于升溫速率增大,達到同樣溫度的時間越短,水分、揮發(fā)分及固定碳在達到自己的析出燃燒溫度之前來不及揮發(fā),而在較短時間內(nèi)集中析出由表6可知,升溫速率增大,著火溫度沒有多大變化燃盡溫度升高,著火特性指數(shù)和綜合燃燒特性指數(shù)增大.因此,升溫速率增大可以改善燃料的燃燒性能,但升溫速率加快,達到高溫的時間縮短,燃料圖7不同氧氣流量燃燒過程的 TG-DTG曲線Fig 7 Combustion TG-DTG curves of different在高溫區(qū)停留的時間也縮短,反應尚未來得及進行oxygen flowi就進人更高的溫度,造成反應滯后,使得燃盡性能有一 Oxygen flowing rate20mL/min;●— Oxygen flowing所降低rate30mL/min■—0 xygen flowing rate40mL/min2.6氧氣流量對燃燒過程的影響發(fā)分的析出基本不受氧氣流量的影響,而玉米秸稈固定碳和煤中揮發(fā)分及煤焦的燃燒受氧氣流量的影實驗中氣體總流量均為100mL/min,氧氣流響較大氧氣流量為20mL/min時,玉米秸稈固定量分別為20mL/min,30mL/min和40mL/min.碳和義馬煤中揮發(fā)分的析出燃燒階段在DTG線上不同氧氣流量的燃燒過程曲線見圖7,燃燒特性參還能看得出來,隨著氧氣流量的增大,它們和義馬煤數(shù)見表7.圖7中TG曲線隨氧氣流量的增加而漸固定碳的燃燒階段也合并為一個階段,在DTG線趨陡峭,DTG曲線上燃料水分和玉米秸稈揮上表現(xiàn)為一個漸窄而高的失重峰表7不同氧氣流量燃燒過程的燃燒特性參數(shù)Table 7 Combustibility parameters of different oxygen flowing rateOxygen(mL. min ")T/c(dm/d)-/(%·min-1)Ta/C(dm/d)-/(%·min-1)Th/CSy/×10-8z/(%·(℃·min)-1)273.6450.030271.2443.42.01由表7可知,隨著氧氣流量的增加,著火溫度、性、燃燒性能和燃盡特性明顯優(yōu)于原煤.燃盡溫度和最大燃燒速率對應的溫度逐漸降低,而2)生物質(zhì)的加入使原煤的著火溫度降低,改善最大燃燒速率、著火特性指數(shù)和綜合燃燒特性指數(shù)了原煤的著火特性、綜合燃燒特性及燃盡性能而且逐漸增大.由此說明提高氧氣流量能夠明顯提高燃生物質(zhì)添加越多,對原煤燃燒性能的改善程度越大料的燃燒性能3)加入生物質(zhì)后,原煤固定碳含量越高,混合3結(jié)論物著火溫度降低得越多;原煤揮發(fā)分越高,混合物燃盡溫度降低得越多.1)原煤燃燒的DTG曲線除了失水峰外,只有4)生物質(zhì)揮發(fā)分含量越高,對其與煤混合物的個明顯的失重峰,燃燒過程中揮發(fā)分的析出燃燒燃燒性能的改善程度越大幾乎一直伴隨著焦炭的燃燒.生物質(zhì)燃燒的DTG5)升溫速率增加,燃燒過程后移,燃料的著火曲線除了失水峰外,有兩個明顯的失重峰,分別為揮特性中國煤化工性能降低發(fā)分析出燃燒嶂和固定碳燃燒峰.生物質(zhì)的著火特CNMHG燃料的燃燒性能2010年[1]袁振宏,吳創(chuàng)之,馬隆龍等.生物質(zhì)能利用原理與技術(shù)[M].北京:化學工業(yè)出版社,2005.[2]馬隆龍吳創(chuàng)之,孫立.生物質(zhì)氣化技術(shù)及其應用[M]北京:化學工業(yè)出版社,2003[3]喬濱生物質(zhì)能的利用及生物質(zhì)型煤[門.應用能源技術(shù),200381(3):1011[4]中國冶金網(wǎng).2008年我國煤炭產(chǎn)量完成27.16億t同比增長7.65%[EB].htp://www,mmi.gov.cn/show,php?newsid[5]潘蘭英馮千武趙靜等.生物質(zhì)型煤灰熔融性的實驗研究[門河南理工大學學報,2006,25(2):16616[6]周軍張海,呂俊復,不同升溫速率下石油焦燃燒特性的熱重分析[.煤炭轉(zhuǎn)化,2006,29(2):39-43[7]鄒學權(quán),王新紅,武建軍等用熱重差熱紅外光譜技術(shù)研究煤粉的燃燒特性[門]煤炭轉(zhuǎn)化,2003,26(1):71-73[8]諶倫建,趙躍民.工業(yè)型煤燃燒與固硫[M]徐州:中國礦業(yè)大學出版社,2001[9]肖軍段菁春,王華等生物質(zhì)與煤共燃研究(Ⅱ)燃燒性質(zhì)分析[冂.煤炭轉(zhuǎn)化,2003,26(2):43-47[10]姜秀民,李巨斌,邱健榮等超細化煤粉燃燒特性的研究[中國電機工程學報,200020(6):71-74STUDY ON THE CO-FIRING CHARACTERISTICSOF BIOMASS AND COALMa Ailing Chen Lunjian Huang Guangxu and Zhu Kongyuan(He'nan Polytechnic University, 454000 Jiaozuo, He'nan)ABSTRACt The TG-DTG thermal analysis technology was applied to analyzetion process of the coal, biomass and their mixture, and the influence of coal kinds, biomasskinds, biomass addition ratio, heating rate, oxygen flowing rate to the combustion characteristicof mixture was also studied. The results show that the biomass's ignition, burnout and combus-tion characteristics are better than the coals. biomass can improve the combustion characteristicsof coal. With the increase of the biomass addition, the combustion characteristics improve moreobviously. With the increase of heating rate, the ignition characteristic parameters and combustion characteristic parameters are increased, while burnout characteristic is reduced, with the in-crease of oxygen flowing rate, the combustion performances of flue can be improved.KEY WORDS coal, biomass, co-firing, thermal analysis, combustion characteristic中國煤化工CNMHG