生物质与煤掺烧的实验研究

第26卷第8期电力科学与工程010年8月Electric Power Science and Engineering生物质与煤掺烧的实验研究孙俊威’,徐程宏2,安敬学',阎维平(1.华北电力大学电站设备状态监测与控制教育部重点实验室,河北保定071003;2.广东电网公司电力科学研究院,广东广州510000摘要:利用热重分析法,在不同条件下,对单一生物质、煤及其混合物的燃烧特性进行分析,研究了阳泉煤、稻壳、麦秆和松木屑的挥发分初析温度、挥发分最大释放速率、固定碳最大燃烧速率、燃尽温度等燃烧特性参数。由实验得知,生物质的燃烧时间比媟提前,生物质在燃烧过程中有两个明显的失重阶段,而煤只有一个明显的失重阶段。通过掺混可以使煤的着火时间缩短,着火温度降低,延长了整个燃烧的温度区间,使煤能更好地燃尽,使燃料的燃烧特性得到了优化。关键词:生物质;煤;热重分析;混燃中图分类号:TM619;TK16文献标识码:A设备不需要进行太大的改动,直接利用原有设备即可,降低了整个投资的费用,并且也优化了生物质和矿物燃料的燃烧性质,具有非常重要的现随着世界经济持续快速的发展和人口数量的实意义。发展生物质与煤的掺混燃烧,既能减不断增长,人类对能源的需求也在不断的增加,轻污染又能利用可再生能源的廉价技术,是非常而人类赖以生存的化石能源却在不断的减少,据适合我国的国情3。°。黄海珍、刘豪、程树仁等很预测,可以开发利用的煤和石油能源将分别在多人对生物质与煤掺烧进行过研究,他们的研究220年、40年以内耗竭,天然气也只能用60年左都是在单一的升温速率,掺混比(按质量计)比右。由化石燃料的开采和使用所带来的社会和较低的工况下进行的,取得了很好的结果。为了环境问题日趋严重,人们深刻地认识到这一问题非富研究内容,本文采用热重分析法,研究了单的严重性,如何解决这些问题成为当务之急。被一煤、单一生物质及煤与生物质不同比例混合以誉为绿色煤炭的生物质,是唯一可以运输和储存及不同升温速率下燃料的燃烧特性,分析了单的可再生能源,可转化为常规的固态、液态和气燃料和混合燃料的异同及升温速率、掺烧比变化态燃料以及其他化工原料或产品2。生物质具有对混合燃料燃烧特性的影响。高挥发分、高炭活性,N,S含量低,灰分低的特点。与化石燃料相比,可降低硫化物、氮化物以及烟尘的含量1实验仪器和设备现有的生物质能利用方法中有很多的弊端,和传统的化石能源相比,没有市场竞争的优势,本实验所用的设备为:热重分析仪、真空干效率低,而且技术不够成熟。另外,我国的生物燥箱、马弗炉、电子分析天平、空气气体。实验质分布比较分散,直接建大型的生物质发电厂,在空气氛围下进行,实验样品为阳泉煤、稻壳、还存在生物质收集难、成本高等问题。利用生物麦秆和松木屑,粒度均为100目。实验样品的燃质在现有大型燃煤电厂中进行混燃,可有效地解料特性见表1,生物质的化学组成如表2,实验工决生物质高效、大规模利用的难题,对电厂现有况如表3所示。中国煤化工CNMHG收稿日期:2010-03-17。作者简介:孙俊威(1985-),男,硕士研究生,研究方向为生物质能的气化利用, E-mail: yunxiao046@163.cm。第8期孙俊威,等生物质与煤掺烧的实验研究表1实验样品燃料特性Tab 1 Elemental analysis and industry analysis of experimental samples低位发热量工业分析/(%)元素分析/(%)燃料种类/M·kg流壳11.963.416.739.7300.490.089.8261.2340.550.11松木屑16.8925.2813.22793.6355.86.8137.110.050.25阳泉煤表2不同生物质化学组成具有明显的挥发分释放过程;而煤中挥发分含量Tab2 Chemical composition of biomas(%)较少,只有在高温区因焦炭燃烧而造成失重。图样品纤维素半纤维素木质素其他3还显示了不同生物质间燃烧特性的不同,3种生稻壳物质在燃烧初期无太大变化,而直至温度上升到麦秆275℃左右时,挥发分开始明显脱除,大约282松木屑163416334℃时,产生第一个失重速率峰值。此过程主表3实验工况表要为生物质中纤维素、木质素的反应变化阶段。Tab 3 Experimental condition由图2至图4知,在升温速率为20K/min时,纯工况参数煤、稻壳、麦秆和松木屑开始明显失重的温度分别是510℃,275℃,272℃和286℃,说明3物料种类阳泉煤、稻壳、麦秆、松木屑种生物质的燃烧特性非常接近,而生物质与煤的掺混比例(%)0,15,25,50,100燃烧特性差异较大。单一生物质燃烧时的曲线峰升温速率(K·min)20,30,40狭长,纯煤燃烧时曲线峰低而宽,混烧时的曲线2实验结果峰类似于单独的生物质燃烧时的情况定义挥发分初析温度T,如图1所示,在TG曲线上作两条切线交于点A,过A作温度轴的垂线,与温度轴的交点就是挥发分初析温度T;同理,过松木屑C点作垂线与温度轴的交点就是燃料燃尽温度T;过DTG曲线峰值点B作温度轴垂线与温度轴相交点就是挥发分最大析出速率下对应温度值ta温度/"c2稻壳-麦c:-松木厕图1挥发分初析温度定义Fig. 1 Definition of initial release temperature3结果分析从图2可知,纯煤只有一个明显的失重阶段H中国煤化工100120CNMHGODTA,TG曲线3种生物质均有两个明显的失重阶段,这是因为Fig 2 DTA and TG curves of pure coal生物质本身挥发分含量较高,在低温和高温区,rice husk, rice straw, pine sawdust电力科学与工程2010年图5~图8可以看出,随着升温速率的增大,燃烧反应开始温度会向温度变大的方向移动,这松木膈主要是由于燃烧过程包括热量从反应物质外部向内部的传热过程和燃烧产生的气体从反应物质内部运输至表面的传质过程的影响。升温速率增大会造成反应物质内部和表面之间、表面和热重仪坩锅之间产生温差形成传热传质滞后,使得燃烧开始温度向高温方向推移。6008001随着升温速率的增大,燃料样品燃烧反应开始温度、燃尽温度会向温度增加的方向移动,同时,燃烧反应时间缩短;挥发分最大失重速率及△-松木屑其对应温度和焦炭最大燃烧速率及其对应温度均增加,燃烧反应进行剧烈,反应变得更加容易进行。高的升温速率容易形成较高的燃烧温度,燃烧越稳定,在一定的停留时间内煤燃尽程度也越高)煤与生物质掺混,掺混比例分别为0%25%,50%,100%;按此比例顺序进行分析,当生物质为稻壳时,开始燃烧温度分别为510℃别与15%稻壳、15%麦秆屑摻混的DTA,TG曲线235℃,260℃,267℃和275℃;焦炭最大燃烧速Fig. 3A and TG curves of coal and15%率分别为:12K/min,1.06Kmim,0%4K/min062Kmin,062K/min;焦炭最大燃烧速率下对应松木-20K/m80010001200020040060080010001200温度c20 K/minc麦秆已△-松木啊-O- 30K/min80010001200中国煤化工0100104煤分别与50%稻壳、50%麦秆CNMHTG,DTA曲线50%松木屑摻混的DTA,TG曲线Fig 4 Blending DtA and TG curves of coal andFig 5 TG and DTA curves of pure coal atrice hulls, 50% straw, 50% pine sawdust respectivelydifferent heating rates第8期孙俊威,等生物质与煤掺烧的实验研究■-20Kmia-O- 30Kmin温度/℃80010001200△-40Kmia图650%稻壳在不同升温速率下的DA,TG曲线0001200Fig 6 DTA and TG curves of 50温度°rice husk at different heating rates图850%松木屑在不同升温速率下的DTA,TG曲线12020K/min0 K/minFig8 DTA and TG curves of 50% pine40 K/minwdust at different heating rates温度分别为:581℃,562℃,570℃,426℃;燃尽温度分别为:690℃,672℃,660℃,660℃,490℃;混合燃料随比例增大,挥发分最大燃烧速率分别为:0.36K/min,0.55K/min,1.1K/min0.62K/min;挥发分最大燃烧速率下对应温度分别为:278℃,278℃,275℃,290℃。从上述分析可知随着掺混比例的增加,混合燃料开始燃烧温度与单一稻壳相比温度差别很小;与纯煤差别却很大。Kmin此外,由图9~11可知,随着掺混比例的增加,焦炭最大燃烧速率与焦炭最大燃烧速率下对应温度都呈下降趋势;燃尽温度逐渐减小,燃尽提前;混合燃料挥发分最大燃烧速率逐渐增大;挥发分最大燃烧速率下对应温度逐渐减小。通常情况下,煤的着火点随着煤炭中挥发分的增高而降低,由10001200温度℃于生V凵中国煤化工挥发分在较低的温图750%麦秆在不同升温速率下的DA,TG曲线CNMH动勿质和煤混烧时Fig 7 DTA and TG curves of 50的着火低较大。因此,在实际锅炉混烧煤straw at different heating rates和生物质时,着火较容易。电力科学与工程2010年5%松木50%松木剧一-100%松木40060080010001200一●-15%松木100%松木屑80010001200图9在30Kmin下,稻壳在不同摻混比下的DTA,TG曲线Flg9 Under30Kmn, the dta and tG curves of图1松木屑在3K/mh不同掺混比下的DA,TG曲线the rice husk at different blending ratioFig 11 Under 30 Kmin, the DTA and TG curves4结论v-50%麦杆一100%麦秆(1)纯煤只有一个明显的失重阶段,3种生物质均有两个明显的失重阶段,3种生物质在第一个失重峰值的大小与本身所含纤维素和木质素的多少有关(2)在40K/min的升温速率下,生物质和煤0001200共燃优点比较明显,原因是随着升温速率的增大,燃料样品燃烧反应开始温度、燃尽温度会向温度一*15%麦杆增加的方向移动。50%麦秆(3)掺混比例15%时,生物质和煤共燃的效一·-100%麦秆果比较好,随着掺混比例的增加,焦炭最大燃烧速率呈现下降趋势。(4)燃烧时曲线峰狭长,混烧时曲线的峰类似于单独的生物质燃烧时的情况,只是峰值较低;而高温段随着生物质掺混的比例增加,失重区域温度/°逐渐向涅降的古血敌动中国煤化工图10麦秆在30Kmn下,不同掺混比的DTA,TG曲线參考CNMHGFig 10 Under 30 K/min, the DtA and TG curvesf the straw at different blending ratios[1]马经国.新能源技术[M].南京:江苏科学技术出第8期孙俊威,等生物质与煤掺烧的实验研究版社,1992coal altogether burns characteristic [J]. 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Electric Power Academy of Science of Guangdong ElectricalNetwork Company, Guangzhou 510000, ChinaAbstract: By means of the thermogravimetric analysis, this paper analyses the combustion characteristics of unitarybiomass,coal and their mixture in different conditions, and researches on the combustion characteristic parametersof different samples, such as the initial release temperature and the maximnd the maximum release rate of volatile the maximcombustion rate of fixed carbon as well as the bumout temperature, etc. The experiment shows that the combustiontime of biomass is earlier than that of coal, and during the combustion process, biomass has two obvious weight lossperiods while coal has only one. In addition, it also displays that through mixing biomass and coal together, thecombustion time can be advanced and the combustion temperature can be decreased. As a result, the temperaturerange of the whole combustion process is lengthened. Therefore, the coal can be burning-out, and the combustioncharacteristics of the fuelso be optimized as wellKey words: biomass; coal; thermogravimetric analysis; hybrid combustion中国煤化工CNMHG