烟煤/生物质混燃特性实验研究

减工程POWER ENGINEERINC第28卷第2期电力科学与工程Vol 28. No. 22012 F2 Electric Power Science and Engineering Feb, 2012烟煤/生物质混燃特性实验研究王金星,李超,刘慧敏,黄江城,王春波(华北电力大学能源动力与机械工程学院,河北保定071003)摘要:利用热重分析法,对烟煤/生物质混燃动力学进行了实验研究。进行了不同掺混比、不同温度、不同生物质等因素的探讨。结果表明,在恒温条件下煤粉与生物质混燃不存在阶段性。生物质对煤粉有促进燃烧和燃烬的作用,随着掺混比的加大,燃烧越剧烈,越易燃烬;温度的增加有利于燃烧的进行,温度越高,燃烧强度越大;不同生物质对煤粉的促进作用不同,挥发分含量高且灰分含量低的生物质促进煤粉燃烧作用更明显关键词:生物质;煤;热重分析;混燃中图分类号:TK16文献标识码:A越性,但在实际锅炉中,煤与生物质却是在恒温0引言条件下燃烧的。显然恒温条件下研究煤与生物质混燃特性对实际生产更具有指导意义。为了丰富生物质能是太阳能以化学能形式存储在生物恒温条件下对煤粉与生物质混燃动力学特性的实之中的能量形式。据专家测算,我国生物质能理验研究,本文采用恒温热重分析法,研究了生物论资源量相当于50亿t标准煤。随着仳石能源的质掺混比、温度、生物质对混燃特性的影晌。逐渐枯竭和人类对全球环境问题的日益关注,生物质作为一种可再生、低污染的能源形式必将在1实验仪器与设备未来的能源中占有不可估量的地位"。近年来,国内外对生物质与煤混燃特性都做本实验所用的设备为:恒温热重分析仪、真了大量研究。王玉召等利用热重分析仪进行了空干燥箱、马弗炉、电子分析天平。实验煤种冷压成型生物质麦秆与煤混燃实验,研究表明,塔山烟煤,粒度80目到120目。生物质:玉米掺入生物质有助于改善煤的燃烧特性,随掺混比芯、玉米秸秆,粒瘦80目到120目。工业分析如的增加,燃料的着火温度和燃烬温度均降低。表1。Edward Lester等利用一些燃烧特性参数对生物表1试样的工业分析质与煤混燃进行了判定,得出了生物质掺混比对Tab. I Proximate analysis of test samples燃料的着火温度和燃烬温度的影响结论。工业分析/(%)低位发热量M.V.Gi等利用逐渐升温的方法进行了煤粉与试样生物质混燃实验研究,得到了挥发分析出的温度W A FC/(M·kg)区间及固定碳开始燃烧的温度区间。 Chunxiang塔山烟煤1.38124.5272.9%649.18623.641Chen等”在N2/O2气氛下对小球藻进行了热重实玉米芯7.98573.9483.41214.65515.980验,分析出小球藻燃烧的最佳氧浓度。在逐渐升温条件下对煤与生物质混燃的研究有着一定的优玉米秸秆119656352112.5531.96117.673中国煤化工收稿日期:2011-12-13。CNMHG作者简介:王金星(1985-),男,硕土研究生,研究方向为洁净煤燃烧,E-mail: wangruoguang860928@126.cm动力道POWER ENGINEERING第2期王金星,等烟煤/生物质混燃特性实验硏究芯的工业分析,推测失去的80%可失重额主要为2实验结果与讨论水分的蒸发和挥发分的析出与燃烧。第40s呈现的拐点可能是因为玉米芯的水分蒸发和挥发分的除灰分外的成分,在燃烧过程剩余的质量与析出与燃烧非常迅速,致使在挥发分燃烬时的失燃烧前的所含有的质量百分比,定义为可失重额重速度有了明显的减弱造成的。余量。可失重额余量为2%时所对应的时刻定义2.2温度的影响为燃烬时刻。为了探讨温度对煤粉/生物质混燃特性的影2.1掺混比的影响响,选取700℃,800℃,900℃,对掺混10%玉掺混比是研究煤/生物质混燃特性人们最关注米芯的塔山烟煤试样进行了恒温条件下的比对实的问题。在800℃恒温条件下,测量了塔山烟煤验。试样的可失重额余量随时间的变化情况如与玉米芯及掺混比为9:1,8:2,7:3试样的可图2。失重额余量随时间的变化情况,如图1。100一塔山烟煤800℃●9:1邮疑水同食一玉米芯0201005080100006008001000七较2塔山烟煤摻混10%玉米芯不同温度下比较1恒温800℃条件下不同摻混比Fig 2 Comparison with 90% Tashan bitumite and 10%Fig 1 Comparison with different blending ratios at 800Ccorncob blends at different temperatures如图1所示,塔山烟煤的失重曲线平稳光滑,如图2所示,在不同的恒定温度下,掺混并没有像逐渐升温那样出现明显的拐点,即没有10%玉米芯的塔山烟煤呈现出较大的燃烧特性差呈现出水分蒸发、挥发分的析出与燃烧及固定碳异。主要表现出以下几个特征:首先,试样的失的燃烧那样的阶段性。据此推断:燃料突然置于重曲线随温度的升高逐渐下移。例如,试样燃烧恒定的高温条件下,很可能出现的反应是水分、400s时,在700℃恒温条件下可失重额余量约为挥发分的析出几乎同步;挥发分、焦炭的燃烧存35%,而在900℃恒温条件下为25%左右。这是在一定时间的并行。从3条玉米芯与烟煤不同掺因为随着温度的增加,试样的水分蒸发和挥发分混比的失重曲线上也有类似的现象。另外,3条的析出速率均能加快。挥发分的析出和燃烧释放掺混玉米芯的失重曲线与塔山烟煤比较可以清晰出大量的热,又促进了固定碳的燃烧。其次,试地看到,随着玉米芯掺混比的加大,曲线明显下样的失重差异在700℃与800℃之间和800℃与移,燃烬时刻不断提前。例如,塔山烟煤的燃烬900℃之间存在一定的不同,特别是在初始阶段时刻约为950s,摻混30%玉米芯后的燃烬时刻在800℃与900℃恒温条件下的失重曲线几乎吻合。600s左右。这说明玉米芯对煤粉的燃烧有促进作虽然试样在恒温条件下燃烧没有明显的阶段性用,有助于其燃烬。与文献[6]的实验结果是但挥发分的中国煤化工烧温度差异比致的。纯玉米芯可失重额余量在40内就降到较大",使道CNMHG段,水分的析了约20%,并存在一个较明显的拐点。结合玉米出和挥发分的析出与燃烧占失重份额的主要比例。确力工程POWER ENGINEERING电力科学与工程2012年推测温度在700℃与800℃之间,水分的析出和由于生物质的水分和挥发分的析出温度较低,挥挥发分的析出与燃烧速度是影响试样失重的主要发分比较易燃,挥发分的燃烧放出的大量热对固因素。而温度在800℃与900℃之间,固定碳的定碳的燃烧有很强的促进作用9。进而推测生物燃烧是产生失重差异的主要原因。另外一个特征质挥发分的含量是影响燃烧初始阶段的主要因素。是,试样的燃烬时刻均随温度升高而有所提前。两种生物质对塔山烟煤的促进燃烬也有所不同例如,掺混10%的塔山烟煤在700℃恒温条件下掺混玉米芯燃烬更为提前。由于玉米芯的灰分明燃烧时,燃烬时刻约为900s,而在900℃恒温条显小于玉米秸秆,生物质与煤混合,生物质可能件下时为700s左右。这可能是在高温条件下固定覆盖在煤表面,堵塞煤孔隙,不利于煤挥发分的碳更易燃烧造成的。可见,温度的升高,使试逸出和扩散。进而可以推测,生物质灰分含量样更易燃烧并有助于燃烬。是影响生物质促进煤粉燃烬的重要因素。含灰分2.3生物质种类的影响高的生物质促进煤粉燃烬的效果较差,含灰分低生物质对煤粉/生物质混燃特性的影响是混燃的生物质促进煤粉燃烬的效果较明显。特性研究的前沿。为了探讨生物质的影响规律,选取两种典型的生物质:玉米芯、玉米秸秆,对3结论掺混10%不同生物质的塔山烟煤试样进行了800℃恒温条件下的比对实验。试样的可失重额(1)生物质与煤在恒温条件下混燃不存在阶余量随时间的变化情况如图3所示。段性。生物质对煤粉的燃烧和燃烬有促进作用。生物质掺混比越大,燃烧越剧烈,试样失重越快。(2)温度对生物质与煤混燃也存在较明显的塔山烟煤一掺混10%玉米秸秆影响,温度越高,失重曲线越下移,燃烧更剧烈,混10%玉米芯失重越明显。(3)生物质种类对生物质与煤混燃特性的影响较显著。挥发分含量高的生物质促进燃烧的作用明显,灰分含量高的生物质促进燃烬的作用较差。0200400600801000参考文献:图3恒温800℃条件下不同生物质与煤掺混比较[]曹金珍,张璧光,赵广杰.木质生物质在能源方面的开Fig 3 Comparison with 90% Tashan bitumite and 10%发与利用[J.华北电力大学学报,2003,30(5)different biomass blends at 800 C102-104.108从图3中可以看出,塔山烟煤掺混生物质的Cao Jinzhen, Zhang Biguang, Zhao Guangjie. Development两条失重曲线明显比掺混前下移,且燃烬时刻均and appfication of wooden biom ass [J]. Jourmal of North有所提前。进而也证实了掺混生物质对煤粉有促China Electric Power University, 2003, 30(5)进燃烧和燃烬作用。但是塔山烟煤掺混10%不同102-104,108的生物质得到的失重曲线存在一定的差异。例如,[2]王玉召,李江鹏.生物质与煤混燃的燃烧特性实验研究掺混⑩0%玉米秸秆对塔山烟煤的燃烧影响较弱[J].锅炉技术,2010,41(5):72-74而掺混10%玉米芯呈现的促进燃烧和燃烬更为明Wang Yuzhao co-combustion显。从两种生物质的工业分析成分上来看,玉米中国煤化工Boiler technol-秸秆的水分和挥发分含量少灰分含量较大,而玉CNMHG米芯的水分和挥发分的总额较大且灰分含量较小。[3] Edward Lester, Meigong, Alan Thompson. A method forPOWER ENGINEERING第2期王金星,等烟煤/生物质混燃特性实验研究Sourcea PPortion-mentin biomass/ coal blends using thermo-Characteristics of co-combustion of low-rank coal with bio-gravimetric analysis [J]. Journal of Analytieal and APmass[J]. Energy& Fuels,2005,19(4):1652-1659Plied Pyrolysis, 2007, 80: 111-117.[8 Katherine Le Manquais, Colin Snape, lan McRobbie,et[4 Gil M V, Casal D, Pevida C, et al. Thermal behaviour andal. Comparison of the combustion reactivity of TGA andkinetics of coal/ biomass blends during co-combustion [JIdrop tube furnace chars from a bituminous coal [J]. EnergyBioresource Technology 2010, 101(14): 5601-5608Fuels,2009,23(9):4269-4277[5] hen Chunxiang, Ma Xiaoqian, Liu ka. Thermogravimetric[9]徐朝芬,陈汉平.生物质与煤共燃特性的研究[J·实analysis of microalgae combustion under different oxygen验技术与管理,2006,23(9):35-38supply concentrations [J]. Applied Energy, 2011, 88Xu Chaofen, Chen Hanping. Study on co-fire combustion(9):3189-3196performance of biomass with coal [J]. Experimental Tech6]孙俊威,徐程宏,安敬学,等.生物质与煤掺烧的实验nology and Management, 2006, 23(9): 35-38.研究[J.电力科学与工程,2010,26(8):34-39.[10]阎维平,陈吟颖,生物质混合物与煤共热解的协同特Sun Junwei, Xu Chenghong, An Jingxue, et al. Experi性[J].中国电机工程学报,2007,27(2):80-86mental research on biomass and coal co-firing [J].ElectricYan Weiping, Chen Yinying. Interaction performance ofPower Science and Engineering, 2010, 26(8): 34-39co-pyrolysis of biomass mixture and coal of different rank[7] Asri Gani, Keiju Morishita, Kunihiro Nishikawa, et al.[J. Proceedings of the CSEE, 2007, 27(2): 80-86Experimental Study on Combustion Characteristics of Bitumite/Biomass BlendsWang Jinxing, Li Chao, Liu Huimin, Huang Jiangcheng, Wang ChunboSchool of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)Abstract: The effects of mixing ratio, temperature and biomass on the kinetics of bituminous coal and biomass co-combustion were investigated by thermo-gravimetric analysis. Results show that there is no noticeable stage duringthe co-combustion of coal and biomass at a constant temperature. The presence of biomass promotesand burnout of pulverized coal, with the increase of mixing ratio, the burning rate of coal increases and burnouttime is shortened. Higher temperature is also conducive to the combustion and with the temperature increases; thecombustion property becomes more intense. Furthermore, different kinds of biomass showus promotcoal combustion, the influence is more obvious in biomass that contains high volatile matter and low ashKey words: biomass; coal; thermo-gravimetric; co-combustion电力科学与工程》欢迎学术讨论及技术交流中国煤化工CNMHG看三看三看看三看看子你·你乘看日春要