生物质与煤的混合燃烧实验研究

科苹惘报开发与经济SCI-TECH INFORMATION DEVELOPMENT & ECONOMY2009年第19卷第1l期文章编号:1005-6033(2009)11-014004生物质与煤的混合燃烧实硏究程树仁!,刘亮2(1.山西电力职业技术学院山西太原,030021;2长沙理工大学湖南长沙,410076)摘要:为了解生物质和煤的混燃特性,利用热天平对生物质、煤及其混合试样进行了热重实脸研究,考察各试样的着火温度、燃烧速率最大时温度、燃尽温度和最大燃烧速率等燃烧特征参數,并对实验数据进行了分析处理,求出了反应的动力学参数活化能E和频率因子A。结果表明同烟煤比较,生物质有较低的燃烧特征温度和较快的燃烧速率;在烟煤中加入生物质共燃后,着火燃烧提前,同时可以获得更好的燃尽特性。关键词:生物质;煤;混燃特性;热重实验;动力学参数;实验研究中图分类号:TK16文献标识码:A能源与环境是当今世界发展的两大主题,是人们关注的焦衰1试样工业分析点。随着全球工业进程不断加快经济发展飞速增长,化石能源分析工业分析%消耗不断增加,而化石能源的过度开采和使用给环境保护带来样品挥发分灰分了巨大的压力,人们深刻地认识到化石能源的有限性和环境污24554227[10539301282染问题这就要求开发出有利于改善环境的可冉生能源。而在各花生壳7255838715637017027种可冉生能源中,生物质能是唯一可有效存储太阳能的可再生955239673484155175能源、,对其的合理开发和高效利用将有助于缓解国民经济快速花生先煤=1500424043674219388发展对能源需求的压力。另外,生物质是一种清洁的可再生能花生壳煤=13351648334062261829.1674源它的硫氮含量均较低灰分也很少,所以燃烧后S02,NO2和瓜子壳煤=15567023009441920602灰尘的排放量比化石燃料小得多。同时生物质对生态环境具有[子壳煤=1335172389325836284199CO2零排放的特点这对减轻日益严重的大气烟尘酸雨现象、温失重数据进行微分处理绘出微分热重曲线DG,见图1-图7。室效应必将有着非常重要的作用2我国是农业大国,生物质资源十分丰富我国生物质能占0次能源总量的33%,是仅次于煤的第二大能源习。生物质在我国能源消耗中占有举足轻重的地位在全部能源消耗中约占20%,在农村能源消费中约占生活用能的70%4。我国生物质资源大部分是单独燃烧,利用效率低能量损失严重不仅造成大气污染还严重破坏生态环境因此采用生物质与煤混烧的方法提高-2345利用效率具有重要意义。在大型的燃煤电厂中使用生物质与煤混合作为原料不仅提高了生物质的利用效率同时设备不需要020040060080010001200进行太大的改动降低了投资费用。所以对生物质与煤混烧进温度rC行深入的理论研究具有十分重要的现实意义图1煤的燃烧特性曲线1样品采集本次实验用生物质为花生壳与瓜子壳干燥后研磨并筛分采集140日花生壳粉和瓜子壳粉作为实验的分析样品;煤样采用宁乡煤炭坝烟煤,140目。2生物质与煤的工业分析实验对煤样、花生壳、瓜子壳单独试样及其混合试样(按1:1,13的质量比例混合进行工业分析,工业分析结果见表1。5006003生物质与煤混合燃烧的热重分析实验中国煤化工CNMHG性曲线实验在空气气氛中进行,升温速率:20℃min;试样质量:10从TG曲线上可以看出煤的燃烧过程基本集中在一个温度mg;温度变化范围:20℃-1000℃。间,而生物质、生物质与煤共燃时存在着较为明显的两个区31实验结果间即挥发分的析出和焦炭的燃烧阶段。随着煤在混合试样中比在燃烧特性实验中得到各种试样的TG曲线对T曲线的例的增大,燃烧过程逐渐向高温区域移动。对应的DTG曲线上也140程树仁刘亮生物质与煤的混合燃烧实验研究本刊E- mail:bjb@ bsxinfo nel科技论坛0100200300400500600温度图3瓜子壳的燃烧特性曲线图7瓜子壳煤13的燃烧特性曲线初期挥发分的大量析出,从而导致了燃烧的第一阶段形成。3.2燃料的燃烧特性和火特性分析在燃料燃烧的过程中,影响挥发分析出的因素也直接影响燃料的着火燃烧。影响挥发分析出的主要特性参数有6:挥发分初析温度T;挥发分最大释放速率即峰值(dGdn)-;对应于(dC)的温度T。等。其中;T越小,则表明燃料的着火性能越佳;(dG/d)越大,表明挥发分释放程度剧烈;T越小,则表明挥发分释放越快,此时燃烧就容易在较低的温度下进行。010020030040050060070080同时,将DG曲线上燃烧后期的G点作为初始燃尽点,在G点以后,DTG曲线趋于平直曲线波动于零值附近;其所对应图4花生壳煤1:1的燃烧特性曲线的温度用T来表示,T的大小反应试样的燃尽特性—7越小劂表明燃料试样容易燃尽;其与挥发分初析温度T的差值越小06反映该燃料燃烧过程时间越短燃料放热反应越集中。表2为燃料燃烧过程中主要燃烧特性参数值。表2燃料燃烧主要特性参数实验数据试样∧~【心 C/dt)/(mg/min)/花生壳2684730538283花生壳煤12676531489花生壳煤=13268473172523300.40665.56瓜子壳瓜子壳煤1[200209332图5花生壳煤1:3的燃烧特性曲子壳煤:13261712546692042p32.1挥发分的析出特性和着火特性分析从表2可以看出,花生壳、瓜子壳的挥发分初析温度远低于煤样的挥发分初析温度。生物质燃烧时T为260℃左右;煤单独燃烧时,T为40℃左右;在生物质和煤混烧时,T较接近于生物0000质燃烧时的温度,与煤比较大大降低,基木可以认为混合物的T是单质生物质的初始燃烧温度。从(dG)的数据来看,生物质在较低温度(300℃左右)时,释放挥发分剧烈;而在混烧时(dGd)所对应的温度T基本上也处在300℃左右。在生物0.2100200300400500600700800质与煤混燃时随着煤的比例增大挥发分最大释放速率越来温度PC越小(混烧花生壳283-096040;混烧瓜子壳637→1.250.59)。从DTG曲线可以看出,在燃烧前期生物质的曲线峰狭长6瓜子壳煤1:1的燃烧特性曲线峰值很高,表明其挥发分释放剧烈集中,因而着火容易,而单独可以看出在生物质生物质与煤混烧的情况下其过程曲线一的煤燃門冒,沮龀叶所亚成的曲线峰类似于单独般出现两个尖峰燃烧明显分为两个阶段其尖峰形状随试样混的生物中国煤化工这说明在煤中掺入生物合比不同而相异对于生物质来说第一个燃烧阶段的DG曲线质后CNMHG度下即可析出因此改的峰偵远大于第二个燃烧阶段的DTG曲线的峰值,燃烧主要集善了煤的看火性鹿。中在较低的温度下;但随着煤的掺混比例增大燃烧逐渐集中322最大燃烧速率和燃尽特性分析后一阶段;而对于单一的煤燃烧来说,在DTG曲线上只有一个大由DTG曲线上的最大极值点来确定最大燃烧速率(dCd的尖峰区域这是由于生物质中含有大量的挥发分,因而在燃烧(基本上对应挥发分最大释放速率)其对应的温度为T。从从程树仁,刘亮生物质与煤的混合燃烧实验研究本刊E-mail:bjb@sxinfo.net科技论坛表2可以看出:对于单一的生物质燃烧来说燃烧的最大速率出从图8可以看出,随着生物质所占比例的增加燃烧特性指现在燃烧前期所处的温度低于300℃;对于单一的煤燃烧来说,数S变化很大(花生壳摻混比从0%到75%时,燃烧特性指数从燃烧的最大速率出现的时间较晚所处的温度较高大于500℃;1.06上升到759;相应的,瓜子壳也从106上升到10.1,反映出在生物质和煤混烧的情况下,随着混合比例不同,其燃烧的最大在煤中掺混生物质,可以使燃料的着火和燃烧特性得到明显的速率出现的时间和温度也不同。例如煤:花生壳=1:1时,最大燃烧改善速率处于燃烧前期,所处的温度较低(315℃),主要是因为此时挥发分占优;而在挥发分的含量相对较少的情况下(如花生壳:4生物质与煤混合燃烧的动力学分析煤=1:3),最大燃烧速率处于后一燃烧阶段(温度为523℃),所处生物质采用一级反应机理方程的温度较高。生物质的最大燃烧速率较大,其中瓜子高达637fa)=(1-a),n=1mg/min,而生物质与煤混合后最大燃烧速率明显降低很多。总的来说在煤中加入生物质后,燃烧的最大速率增大且有前移的趋式中:a为失重百分数,a=W票,为起始时的质量甲势,所处的温度较煤来说有所降低,这表明在煤中加入生物质为最终质量W为温度T时的质量。根据Coas- Redfern法得:后,最大燃烧强度有所提前。对于初始燃尽点G来说,在煤中加入生物质后温度有所降低(如由833℃降低到649℃),这是由于l"只2)-是(1-2x2)加入生物质后,使得着火燃烧得以在较短的时间、较低的温度下对l(2)-}作图应为一直线进而从该直线的斜率和发生,从而延长了整个燃烧的温度区间,可以获得更好的燃尽特性截距可得动力学参数E和A,计算结果见表33.23燃烧特性指数S表3花生壳、瓜子壳和烟煤及混合物热解动力学参数对于缓慢加热的燃烧过程,燃烧反应初期(即在着火阶段)试样温度间rEJ·mol_Mmin1_R可认为是属于化学反应动力学控制区,即由化学反应动力学因煤350-640846560051-09438素控制反应速度,并可近似地用 Arrhenius定律表达燃烧速率刀花生亮40-2455983495912-0990425956-09809花生壳煤240-30101446-0.99358dG/dT=Aexp[-E/(RT)]43025.83式中:dGdT为燃烧速度;A指前因子。对上式求导,整理得:82209905花生壳煤240-3454421270-099169E(:1:)(2)163瓜子壳8429在着火点按文献[8有燃烧特性指数S:925845(dG/dT)(dG/dT)瓜子壳煤2035604874073815090式中:(dC/dT)为最大燃烧速度;(dG/dT)为平均燃烧速瓜子壳:煤230-34070.98838度;Tc为燃尽温度;T为着火温度。S是煤的综合特性指标,S值=13「45060454919033-0912越大,煤的燃烧特性越佳。本文中借用S来评价试样的燃烧特性按式(3)可求出各试样的燃烧特性指数(见图8)5结论700E-008(1)生物质较煤而言挥发分含量高,灰分含量低,易着火燃600E-008500E-008(2)从TG曲线上可以看出,煤的燃烧过程基本集中在一个400E-008温度区间,而生物质、生物质与煤共燃时,存在着较为明显的两300E-008个区间,即挥发分的析出和焦炭燃烧阶段。随着煤在混合试样中20比例的增大,燃烧过程逐渐向高温区域移动。(3)生物质的挥发分析出温度要远低于煤的挥发分析出温000E+0001度。在煤中掺入生物质,可以使煤着火燃烧提前,并可以改善煤0204080100花生壳%的着火性能(4)生物质燃烧的最大速率出现在燃烧前期煤燃烧的最大速率出现在燃烧后期。在煤中掺入生物质,可以使煤燃烧的最大300E-0速率增加且向前移,并可以获得更好的燃尽特性。2.50E-007(5)对生物质与煤混烧进行了动力学分析,建立了合理的动2.00E-007力学模型并求得动力学参数1.00E-007[1]中国煤化工500E-008CN Ge and Bioenergy, 2000, 19020406080100[2]肖军,段菁春,王华,等生物质与煤共燃研究[小]煤炭转化瓜子壳伟%2003,26(1):127-135图8燃烧特性指数S跟生物质比例之间的关系[3]刘豪邱建荣董学文,等生物质与煤混烧的燃烧特性研究142科技情报开发与经济SCI-TECH INFORMATION DEVELOPMENT ECONOMY2009年第19卷第1期文章编号:10056033(2009)-0143-03收稿日期:2009-02-20数控机床可靠性的评定与提高途泾赵建英(1太原理工大学机械工程学院山西太原,030024;2太原铁路机械学校山西太原,030006)摘要:讨论了数控机床可靠性的评定指标,分析了影响数控机床可靠性的因素,提出了提高数控机床可靠性的有效途关键词:数控机床;可靠性;评定指标中图分类号:TG659文献标识码:A可靠性是指系统、机械设备或零部件在规定的工作条件下“可靠”或“不可靠”这样笼统的评价上,而必须具体确定可靠性和规定的时间内保持与完成规定功能的能力。一个系统、一台设的数量。由于可靠性不能用仪表测定,所以衡量可靠性必须进行备,无论其如何先进功能如何全面精度如何高级,如果故障频研究、试验和分析,从而做出正确的估计和评定。繁可靠程度差,不能在规定时间内可靠地工作,那么它的使用目前可靠性已从一个模糊的定性概念发展为以概率论及价值就不高,经济效果就不佳。从设计规划制造安装、使用维数理统计为基础的定量概念。表示产品总体可靠性水平高低的护、更新改造到修复报废,可靠性始终是系统和设备的灵魂。可各种可靠性数量指标称为可靠性特征量。其真值是理论上的数靠性是评定系统和设备好坏的主要指标之一,它体现了产品的值实际上是未知的。根据样本观测值经一定的统计分析可得耐用和可靠程度。到特征量的真值估计值。可靠性是每个产品都有的客观属性,数控机床是现代制造技术的基础装备,其技术水平高低是是产品到了用户手中随着时间的推移,稳定保持原有功能的能衡量一个国家工业现代化水平的重要标志,而数控机床的可靠力,也就是对一个产品投入生产使用后无故障工作能力的量性是机床质量的关键。目前国产数控机床的可靠性水平与国外度相比明是偏低,严重影响了国产数控机床的竞争能力,如何合对于机械设备,可靠性的特征量主要有:可靠度、失效率理、准确地评定数控机床的可靠性提高国产数控机床的可靠性故障率、平均无故障间隔时间、平均寿命、有效度等。任何一个特已成为当务之急。征量只能表示可靠性的某一个特征方面,所以对不同的设备要使用不同的特征量描述。对于可维修的复杂系统,常用可靠度1数控机床可靠性的评定指标平均无故障间隔时间MTBF( Mean Time Between Failures)等指标可靠性只是一个定性的概念在研究可靠性问题时,还需要来衡址。有定量的指标。一台设备的可靠性不能停留在“好或“不好”或对于数控机床来说,如何客观、正确地评价其状态,目前尚[]热能动力工程,2002,17(5):451-454出版社,2002[4]杨亚平,蔡松南方地区秸秆气化技术应用特点门中国能9]肖军沈赖宏,王泽明,等生物质加压热重分析研究[门燃源,2001(6):31-33.烧科学与技术,2005,11(5)415-420[5]盛昌栋张军煤粉锅炉共燃生物质发电技术的特点和优势[10]李余增热分析[M]北京:清华大学出版社,1987门]技术经济综述,2006,35(3)8-11(责任编辑:戚米莎)[6]聂其红,孙绍增褐煤混煤燃烧特性的热重分析法研究[].燃烧科学与技术,20017(1):72-76第一作者简介:程树仁,男,1967生,1991年毕业于长沙电[7]陈镜泓李传儒热分析及其应用[M]北京科学出版社,1985力学院电力系电气技术专业政工师,山西电力职业技术学院,[8]孙学信燃煤锅炉燃烧实验技术与方法[M]北京:中国电力山西省太原市晋祠路三段160号,030021Experimental Research on Co-combustion of Biomass and CoalCHENG Shu-ren, LIU LiangABSTRACT: In order to obtain the co-combustion properties of biomass and coal, the thermal gravimetric analyses wereused to study the properties of blended samples, the combustibility中国煤化工 8 gnition temperature,peak temperature at maximum weight loss rate, burnout temperainvestigated. After dealing with experimental data, the kinetics paranCNMHGhe experimental resultsshow that the lower ignition temperature and better bumout property can be achieved for the biomass than ceKEY WORDS: biomass; coal; co-combustion properties; thermal gravimetric experiment; kinetics. parametersexperimental research