生物质对粉煤燃烧特性的影响

第35卷第4期煤炭转化2012年10月COAL CONⅴ ERSIONOct.2012生物质对粉煤燃烧特性的影响邢康1)唐庆杰2)张强3)摘要采用热分析技术详细研究了生物质玉米秸秆及牛粪对粉煤燃烧特性的影响.结果表明,在粉煤中添加一定量的玉米秸秆或牛粪,能显著改善粉煤的燃烧性能.生物质与粉煤混合料的着火点明显低于粉煤,混合料达到最大燃烧速度时的温度范围明显小于粉煤,使粉煤在一个较窄的温度区间内迅速完全燃烧.随着混合料中粉煤比例的逐漸增加,生物质的促燃效果逐渐减弱.玉米秸秆对粉煤燃烧性能的优化效果明显好于牛粪.关键词热分析技术,玉米秸秆,牛粪,粉煤,燃烧性能中图分类号TK62,TQ5340引言实验部分生物质与煤混燃技术是在传统燃煤锅炉中将生1.1原料与设备物质与煤混合燃烧的技术.我国是一个燃煤污染重的国家,发展生物质与煤混合燃烧技术既能减轻实验原料:登封煤、玉米秸秆和牛粪污染,又能充分利用大量生物质资源生物质与煤混主要实验设备:颚式破碎机PE100×100,北京燃技术不需要对现有燃煤设备作较大的改动且费用独创科技有限公司制造;振筛机XSB88,北京独低,特别适合资金技术缺乏的发展中国家或现阶段创科技有限公司制造;密封式对辊破碎机D200×其他技术还不太成熟的条件下使用.生物质与煤混,北京独创科技有限公司制造;微机全自动量热仪燃技术能给化石能源及可再生能源利用带来益处QTF-600,鹤壁市淇天仪器仪表有限公司制造;热对于化石能源利用系统,生物质与煤混燃是一种能重红外光谱分析仪STA409PC,德国 NETZSCH降低CO2净排放量的低成本、低风险的利用方式;公司制造而对于可再生能源利用系统,混燃发电与单纯生物1.2实验方法质发电相比,发电量增加至少两个数量级同时,混1.2.1原料工业分析值的测定燃使生物质的利用在更大规模上进行,因而能够获原料的工业分析包括水分、灰分和挥发分的测得更高的燃烧效率和稳定性.根据生物质燃料资源定及固定碳的计算按照国家标准(GB/T212分布与火电站广泛布局的特点,充分利用火电厂热2001)分别对登封煤和生物质(玉米秸秆和牛粪)进力系统各种余热,燃煤锅炉连续或断续利用较小比行工业分析,结果见表1.例的生物质燃料,可大大提高生物质燃料的利用效表1煤及生物质的工业分析值率,降低利用成本,节约煤炭资源,减轻污染.生物质Table 1 Proximate analysis value of coal and biomass燃料C,H和O含量水分及挥发分含量较大,远大Proximate analysis /%,adamp于煤,而大量挥发分提前析出能够促进后续燃烧过AFC(J·g-1)ng coa1.1311.2112.6874.9830569.8程的进行生物质与煤混燃可以在一定程度上改善236.8317.0714569煤的燃烧特性,同时,生物质N和S含量较煤少,灰Cow dung6.4646.2132.4014.938966.7分含量小,与煤混燃可以减少污染物的排放.由于生1.2.2原料发热量的测定物质生长过程中消耗的CO2与其燃烧过程中排放采用氧弹法测量发热量,首先称取一定煤样放的CO2基夲相互抵消,因而将生物质与煤混合燃烧入氧弹,把点火丝埋入煤样中,然后氧弹充入氧气浸可以减少温室气体的排放没在盛水的内桶中,点火使煤样完全燃烧.根据量热河南理工大学博士基金资助项目(B2011-059)1)硕土生;2)博士、副教授、硕士生导师(通讯作者);3)本科生,河南理工大学材料科学工程学院,454000河南焦作收稿日期:2012-04-09修回日期:2012-08-3070煤炭转化2012年仪的热容量和氧弹周围水温的升高值以及系统吸收了,而牛粪则在近500℃才出现失重,而且燃烧缓的热量,再经过一系列的校正计算出煤样的发热量.慢.这充分证明玉米秸秆挥发分含量高于牛粪而灰不同配比生物质与煤混合料的热值实验结果见表2.分低于牛粪的事实,与前面的工业分析值一致同时表2不同配比生物质与煤混合料的热值也说明,玉米秸秆等生物质经牲畜消化吸收后,排出Table 2 Calorific value of mixture for biomass and coal物的纤维素及半纤维素含量显著下降.因生物质中Q/(J·gSampleQ/(J·g"1)固定碳含量均较低,在固定碳燃烧阶段,牛粪与玉米Ao(cow dung)8996.7Bo(corn straw) 14 569 3A1(l:1)19704.5B1(1:1)22476.4秸秆的燃烧情况没有太显著的区别,但根据灰分含A2(1:2)23304.5B2(1:2)25162.3量推断,玉米秸秆的燃烧情况应好于牛粪.因此可以A3(1:3)25182.2B3(1:3)26357.1A4(1:4)26267.4B4(1:4)27208.7断定,玉米秸秆的着火温度明显低于牛粪,具有更低As(pure coal) 30 569.8Bs(pure coal) 30 569.8的着火点牛粪与玉米秸秆燃烧的DTG曲线见图2表2表明,生物质燃料的燃烧热值远远低于粉煤,而且生物质粉煤混合料的燃烧热随着粉煤含量…的增加而增加;同时,牛粪与粉煤混合料的燃烧热值-10152低于同配比的玉米秸秆与粉煤混合料的燃烧热值.这主要是因为生物质中固定碳含量远远低于粉煤,导致生物质燃烧的能量密度远低于粉煤;同时牛粪200500800的固定碳含量尽管与玉米秸秆接近,但灰分含量远Temperature/℃高于玉米秸秆,灰分不仅对燃烧没有贡献,还要吸收图2生物质的DTG曲线大量的系统热能.因此,就燃烧能量密度而言,混合Fig. 2 DTG curves of biomass料中生物质含量越少,燃烧热量越高1--Cow dung: 2----Corn straw2结果与讨论由图2可知,在低于100℃阶段,牛粪与玉米秸秆的失重速率几乎没有区别说明两者因水分含量相2.1牛粪与秸秆燃烧特性比较差不大而干燥速率几乎相同;在挥发分析出阶段,玉牛粪与秸秆燃烧的TG曲线见图1.米秸秆的失重速率明显高于牛粪,出现失重的温度显著低于牛粪,说明玉米秸秆不仅比牛粪挥发分含量高,而且易于析出,且析出速率大于牛粪;在挥发分燃烧阶段区别尤其显著,玉米秸秆的失重速率显著高于50牛粪,而且产生最大失重速率的温度也显著低于牛40粪,说明相对于牛粪而言,玉米秸秆不仅易燃,而且瞬间就能完成燃烧过程,发热量可以在瞬间达到一个极100200300400500600700800Te℃C大值.因此可以断定,玉米秸秆的挥发分析出速率和燃烧速率都明显优于牛粪,具有更显著的燃烧性能图1生物质的TG曲线Fig 1 Tg curves of biomass2.2牛粪对粉煤燃烧特性的影响1— Cow dung;2— Corn straw由图1可知,玉米秸秆和牛粪在热解过程中都牛粪与粉煤混合物的TG曲线见第71页图3经历了三段失重过程:低温干燥除水阶段、挥发分析由图3可知,燃料从燃烧开始到结束,牛粪的质量损岀及快速燃烧阶段、固定碳燃烧阶段.在低温干燥除失明显低于粉煤;牛粪的挥发分析岀温度明显低于水阶段,玉米秆中水分含量低且含灰分量少,尽管失粉煤;对于牛粪与粉煤的混合料,随着粉煤含量的增重率与牛粪相近,但干燥速度明显优于牛粪,这从后加,挥发分析出温度逐渐升高,质量损失逐渐增大面的DTG曲线也得到证明.在挥发分析出及燃烧原因主要是牛粪的挥发分含量远远高于粉煤,而固阶段,玉米秸秆失重率达到近80%,近乎牛粪两倍;定碳含量却远远低于粉煤因此,在粉煤中添加一定玉米秸秆挥发分析出温度明显低于牛粪;最重要的量的牛粪,尽管燃烧热在一定程度上降低,但却能在是,通过TG曲线发现,玉米秸秆在440℃~450℃一定程度上降低粉煤的着火温度,提高粉煤的着火之间的重量几乎是直线下降,说明燃烧瞬间即完成性能.牛粪及粉煤的DTG曲线见第71页图4第4期邢康等生物质对粉煤燃烧特性的影响的完全程度高于单一的生物质及粉煤,原因可能是生物质中高的碱金属含量促进了燃烧,这有待于今后的进步研究.秸秆、粉煤及其混合料的DTG曲线见图6.3080203100200300400500600700800Te图3牛粪与粉煤混合物的TG曲线Fig 3 TG curves of mixture for cow dung and coal01---Cow dung: 2---Dung/coal=1: 1: 3---Dung/ coal=1: 21002003004005006007008004--Dung/ coal=1 :3; 5--Dung/coal=1 4: 6-Pure coal图5秸秆与粉煤混合物的TG曲线0Fig. 5 TG curves of mixture for corn straw and coal1— Corn straw;2— Corn straw/coal=1:2;3-10Corn straw/coal=1 : 3: 4.-Corn straw/coal=1: 4155—— Pure coal20-25100200300400500600700800Temperature/℃344-45由线图4牛粪类及粉煤混合物的DTG曲50Fig 4 DtG curves of mixture for cow dung and coal1002003004005006007008009001--Cow dung: 2-Dung/coal=1 1; 3-Dung/coal=1 :2;Temperature/℃4--Dung/coal=1 : 3; 5----Dung/coal =1: 4: 6---Pure coal图6秸秆与粉煤混合物的DTG曲线由图4可知,在干燥阶段,失重速率与生物质配比Fig. 6 DTG curves of mixture for corn straw and coal没有明显的关系;在挥发分析出阶段,随着混合料中煤1 Corn straw:2 Corn straw/al=1:2:3- Corn strawcoal=1 :3:4- Corn straw/coal=1 4: 5- Pure coal含量的增加,挥发分析出的失重速率显著减小,而析出由图6可知,玉米秸秆达到最大挥发分析出速率达到最大失重速率时的温度则逐渐升高;在固定碳燃时的温度远远低于粉煤,而且随着混合料中粉煤含量烧阶段,粉煤达到最大燃烧速率时的温度较混合料低,的增加,达到最大挥发分析出时的温度也逐渐升高;而生物质牛粪固定碳燃烧速率达到最大时的温度最高粉煤达到最大燃烧速率时的温度低于混合料,玉米秸生物质中高挥发分含量使生物质粉煤混合料的秆达到最大燃烧速率时的温度最髙;粉煤达到最大燃着火温度降低,燃烧变得更加容易,燃烧效果更好烧速率时的温度区间最大,随着粉煤中生物质含量的但生物质同样存在两个影响燃烧的重要因素:低固增加,达到最大燃烧速率的温度区间逐渐减小,生物定碳含量和高灰分.固定碳含量越低,灰分越高,则质达到最大燃烧速率时温度区间最小.产生如此结果燃烧速率就越小,达到最大燃烧速率的温度要求就越高所以,随着混合料中牛粪含量的降低混合料的原因是生物质的高挥发分含量和粉煤的高固定碳含量.生物质高的挥发分含量使其燃烧过程瞬间完达到最大燃烧速率所要求的温度也下降.成,而煤的燃烧主要是固定碳的燃烧过程,因此燃烧2.3秸秆对粉煤燃烧特性的影响过程不仅包括燃料的氧化还原反应,还包括氧化剂在秸秆、粉煤及其混合料的TG曲线见图5粉煤颗粒中的扩散过程,因此具有很宽的温度范围由图5可知,秸秆挥发分析出温度远远低于粉煤,3结论在粉煤中添加生物质秸秆后,混合料的挥发分析出温度显著降低.说明在粉煤中添加高挥发分的生物质秸1)在粉煤中添加高挥发分的生物质,能降低粉秆,能显著降低粉煤的着火温度,使粉煤更易于着火燃煤的着火温度,提高粉煤的着火性能烧,提髙粉煤的燃烧性能.由图5还可知,因玉米秸秆2)玉米秸秆因其灰分含量低,对提高粉煤燃烧与粉煤灰分含量都低因此燃烧同样非常充分.而且在性能的效果要显著优于牛粪本实验研究中,生物质与粉煤配比达到1:3时,燃烧(下转第76页)76煤炭转化2012年INFLUENCE OF CALCINATION TEMPERATURE ONTHE PERFORMANCE OF METHANATIONININ SLURRY BED REACTORHe long Wang Yonggang Gong Weibo Xu Deping Yang Fangfang and Zhang Haiyong(School of Chemical and Environmental Engineering, China Universityof mining and Technology, 100083 Beijing)abStRact Effects of the calcination temperatures on the activity of Ni-siO2 for catalyzingmethanation reaction was studied. The experiments were conducted in a slurry bed reactor. Theprepared catalysts were characterized by TPR, XRD and BET. The results showed that the activespecies Ni in catalysts could completely form NiO at 350 C. Thed temperature was a veryimportant factor, affecting both catalyst's specific area and particle size of active species. Theparticle sizes of active components increased while the specific surface area decreased as calcine-tion temperature increased. However, the CH, yield from the catalysts increased and then de-creased with increasing the calcination temperature from 350 C to 700 C. It illustrated that, forthe experimental conditions examined, the optimal calcination temperatures of Ni-SiO2 catalystwere among 450 C-550 C, and higher or lower than that would reduce the catalytic activity.KEY WORDS calcination temperature, slurry bed reactor, methanation catalyst, Ni-SiO2公r分(上接第71页)3)牛粪因其资源相对集中,若能在燃烧前合理进行灰分处理,其应用前景要好于秸秆参考文献[1]肖军段菁春,王华等生物质与煤共燃研究(I):燃烧性质分析[J煤炭转化,2003,26(2):43-47.[2]段菁春,肖军,王杰林等,生物质与煤共燃研究[J].电站系统工程,2004,20(1):1-4[3]黄光许,刘全润,文成等.BCFC的制备和成型机理及燃烧特性[J]煤炭转化,2012,35(3):84-86[4]魏学锋,刘建平.生物质燃料的利用现状与展望[]].云南环境科学,2005,24(2):16-19.EFFECT OF THE BIOMASS ON THE COMBUSTIONCHARACTERISTIC OF THE POWDERED COALXing Kang Tang Qingjie and Zhang Qiang( School of Materials Science and Engineering, He'nan PolytechnicUniversity, 454000 Ja,He’naABSTRACt Effect of the corn straw and cow dung on the combustion characteristic of thepowdered coal was studied by thermal analysis technology in this paper. The results show thatthe combustion characteristic of the powdered coal improved significantly by adding a certain amount of corn straw or cow dung. The fire point of mixture for biomass and coal is lower thanpowdered coal obviously, and the temperature range reaching maximum combustion speed is lessthan the powdered coal obviously. The powdered coal could completely combust in a narrowrange of temperature quickly. The effect of biomass is gradually decreased with the content ofpowdered coal increasing. The corn straw is better than cow dung in the combustion characteristic of the mixture for coal and biomassKEY WORDS thermal analysis technology, corn straw, cow dung, powdered coal,combustion characteristic