生物质与煤的混合燃烧实验研究

第25卷第4期站系统工程VoL25 No 42009年7月System Engineering文章编号:1005-006X(200904000904生物质与煤的混合燃烧实验研究程树仁1刘亮2(1.山西电力职业技术学院,2长沙理工大学)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验研究,考察各种试样的着火温度、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数,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,着火燃烧提前时可以获得更好的燃尽特性关键词:生物质;煤;热重实验;动力学参数;实验研究中图分类号:TK16.文献标识码:AExperimental Research on Co-combustion of Biomass and CoalCHENG Xu-ren, LIU LiangAbstract: In order to obtain the co-combustion properties of biomass and coal, the thermalgravimetric analyses wereused to study the properties of blended samples, the combustibility characteristic parameters such as ignition temperature,peak temperature at maximum weight loss rate, burnout temperature, maximum rate of combustion would be investigatedAfter dealing with experimental data, the kinetics parameter E and A were obtained. The experimental results show thatthe lower ignition temperature and better burnout property can be achieved for the biomass than coalKey words: biomass; coal; thermal analysis; kinetics parameters; experimental research能源与环境是当今世界发展的两大主题,是人们关注的焦点,随着全球工业进程不断加快,经济发展飞速增长,化1样品采集石能源消耗不断增加,而化石能源的过度开采和使用给环境本次实验用生物质为花生壳与瓜子壳,干燥后研磨并筛保护带来了巨大的压力,人们深刻地认识到化石能源的有限分,采集140目花生壳粉和瓜子壳粉作为实验的分析样品性和环境污染问題。这就要求开发出有利于改善环境的可再煤样采用宁乡煤碳坝烟煤,140目。生能源,而在各种可再生能源中生物质能是唯一可有效存储太阳能的可再生能源,对其的合理开发和高效利用将有助2生物质与煤的工业分析实验缓解国民经济快速发展对能源需求的压力另外,生物质对煤样、花生壳、瓜子壳试样及其混合试样(按1:1、是一种清洁的可再生能源,它的硫、氮含量均较低,灰分也13的质量比例混合)进行工业分析,工业分析结果见表很少,所以燃烧后SO2、NO2和灰尘的排放量比化石燃料小表1试样工业分析得多。同时,生物质对生态环境具有CO2零排放的特点,这工业分析对减轻日益严重的大气烟尘、酸雨现象、温室效应必将有着分析样品发分固定碳非常重要的作用口煤24.5594426271053930.282花生壳725538387156372017.2027我国是农业大国,生物质资源十分丰富,我国生物质能7479552338673484155175占一次能源总量的33%,是仅次于煤的第二大能源,生物花生壳煤=1:150.063424.0704687421.9788花生壳煤-1335.164833406022618291674质在我国能源消耗中占有举足轻重的地位,在全部能源消耗瓜子壳煤=1:15156702330094471920.6602中约占20%,在农村能源消费中约占生活用能的70%,我巫子壳煤133516723893258362384国生物质资源大部分是单独燃烧,利用效率低,能量损失严3生物质与煤混合燃烧的热重分析实验重,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利用效率具有重要意义在大型的实验在空气气氛中进行,升温速率:20℃/min;试样燃煤电厂中使用生物质与煤混合作为原料,不仅提高了生物质量:10mg;温度变化范围:20-1000℃质的利用效率,同时设备不需要进行太大的改动,降低了投资费用。所以对生物质与煤混烧进行深入的理论研究具有中国煤化工样的To曲线,对TG十分重要的现实意义曲线CNMH〔微分热重曲线DTG收稿日期:200903-19如图1~图7所示程树仁(1967,男,讲师。太原,030021从TG曲线上可以看出,煤的燃烧过程基本集中在一个电站系统工程第25卷温度区间,而生物质、生物质与煤共燃时,存在着较为明显况下,其过程曲线一般出现两个尖峰,燃烧明显分为两个阶的两个区间,即挥发分析出和焦炭燃烧阶段。随着煤在混合段,其尖峰形状随试样混合比不同而相异。对于生物质来说,试样中比例的增大,燃烧过程逐渐向高温区域移动。对应的第一个燃烧阶段的DrG曲线的峰值远大于第二个燃烧阶段DTG曲线上也可以看出,在生物质、生物质与煤混烧的情的DTG曲线的峰值,燃烧主要集中在较低的温度下;但随着煤的掺混比例增大,燃烧逐渐集中于后一阶段:而对于单的煤燃烧来说,在DTG曲线上只有一个大的尖峰区域这是由于生物质中含有大量的挥发分,因而在燃烧初期,挥发分的大量析出,从而导致了燃烧的第一阶段形成。温度(c)图1煤的燃烧特性曲线图5花生壳煤1:3的燃烧特性曲线图2花生壳的燃烧特性曲线温度(℃图6瓜子壳煤1:1的燃烧特性曲线度(℃)图3瓜子壳的燃烧特性曲线温度(℃)图7瓜子壳煤1:3的燃烧特性曲线3.2燃料的燃烧特性和着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中国煤化工的主要特性参数有吗CNMH GG/dry温度c)其中T越小,则表明燃料的着火性能越佳;(dGd’m越大,4花生壳煤1:1的燃烧特性曲线表明挥发分释放程度剧烈;Tm越小,则表明挥发分释放越程树仁等:生物质与煤的混合燃烧实验研究快,此时燃烧就容易在较低的温度下进行使得着火燃烧得以在较短的时间、较低的温度下发生,从而同时将DTG曲线上燃烧后期的G点作为初始燃尽点,延长了整个燃烧的温度区间,可以获得更好的燃尽特性在G点以后DTG曲线趋于平直,曲线波动于零值附近,其3.23燃烧特性指数S所对应的温度用7来表示,7°的大小反应试样的燃尽特性。对于缓慢加热的燃烧过程,燃烧反应初期即在着火阶7越小,则表明燃料试样容易燃尽,其与挥发分初析温度段,可认为是属于化学反应动力学控制区,即由化学反应动T的差值越小,反映该燃料燃烧过程时间越短,燃料放热反力学因素控制反应速度,并可近似地用 Arrhenius定律表达应越集中。表2为燃料燃烧过程中主要燃烧特性参数值燃烧速率,即表2燃料燃烧主要特性参数实验数据dG/dr Aexp[-E/(RTI试拌Tcm( dG/dr)m/mg min式中,d0燃烧速度:A指前因子,对上式求导,花生壳26847305整理得花生壳煤=12676531489花生壳煤132684731723(52339)040瓜子壳39593瓜子壳煤=1:126009293.32在着火点,按文献[8]有燃烧特性指数S瓜子壳煤=1:3261.79295.496692032l挥发分的析出特性和着火特性分析S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℃左式中,(dGd)最大燃烧速度;(dGd)平均燃右;煤单独燃烧时为440℃左右;在生物质和煤混烧时,烧速度;了°燃尽温度:T。—着火温度。它是煤的综合π较接近于生物质燃烧时的温度,与煤比较大大降低,基本特性指标,S值越大,煤的燃烧特性越佳。本文借用S来评可以认为混合物的T是单质生物质的初始燃烧温度。从价试样的燃烧特性,按式(3)可求出各试样的燃烧特性指( dG/dn)的数据来看,生物质在较低温度(300℃左右)数如图8时,释放挥发分剧烈;而在混烧时,(dGid)ymx所对应的温度Tmx基本上也处在300℃左右。在生物质与煤混燃时,随着煤的比例增大挥发分最大释放速率越来越小(混烧花生283-0960.40;混烧瓜子壳637-1,25-0.59),从DTG曲线可以看出,在燃烧前期生物质的曲线峰狭长,峰值很高,表明其挥发分释放剧烈集中,因而着火容易,而单独的煤燃烧时并无明显的峰,但混烧时所形成的曲线峰类似于单独的生物质燃烧时的情况,只是峰值较低。这说明在煤中掺入生物质后,由于生物质中的挥发分在较低的温度下即可析出,因此改善了煤的着火性能花生壳占试样的百分比250E7322最大燃烧速率和燃尽特性分析由DTG曲线上的最大极值点来确定最大燃烧速率(dG/dn)wmx(基本上对应挥发分最大释放速率),其对应的C 200Ea7温度为Tmx,从表2可以看出:对于单一的生物质燃烧来说,燃烧的最大速率出现在燃烧前期,所处的温度低于300℃;对于单一的煤燃烧来说,燃烧的最大速率出现的时间较晚,所处的温度较高,大于500℃;在生物质和煤混烧的情况下,随着混合比例不同,其燃烧的最大速率出现的时间瓜子壳占试禅的百分比和温度也不同。例如煤花生壳=1:1时,最大燃烧速率处于燃烧前期,所处的温度较低(315℃),主要是因为此时挥8燃烧特性指数S跟生物质比例之间的关系从图8可以看出,随着生物质所占比例的增加,燃烧特发分占优;而在挥发分的含量相对较少的情况下(如花生壳:性指数S变化很大(花生壳掺混比从0%到75%时,燃烧特煤=13),最大燃烧速率处于后一燃烧阶段(温度为523性指数从1.06(10° mg/minK3)上升到759(10°℃),所处的温度较高。生物质的最大燃烧速率较大,其中瓜子高达637mgmm,而生物质与煤混合后最大燃烧速率mg2/min)相应地,瓜子壳也从1.06(10°mg/mink3)上升显降低很多。总的来说,在煤中加入生物质后,燃烧的最中国煤化工出在煤中掺混生物质,大速率增大且有前移的趋势,所处的温度较煤来说有所降可以CNMHG的改普低,这表明在煤中加入生物质后,最大燃烧强度有所提前.4生物质与煤混合燃烧的动力学分析对于初始燃尽点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℃)。这是由于加入生物质后生物质采用一级反应机理方程a)(1-a)”,m1式中。一失重百分断a电系王程09年第25卷H-H起始时的明显的两个区间,即挥发分析出和焦炭燃烧阶段随着煤在混合试样中比例的增大,燃烧过程逐渐向高温区域移动质量;最终质量,W—温度T时的质量,根据(3)生物质的挥发分析出温度要远低于煤的挥发分析Coats-Redferm法得:出温度。在煤中掺入生物质,可以使煤着火燃烧提前,并可1EBE E RT(5)以改善煤的着火性能(4)生物质燃烧的最大速率出现在燃烧前期,煤燃烧的对((a)-1作图,应为一直线,进而从该直线的斜率最大速率出现在燃烧后期在煤中掺入生物质,可以使煤燃和截距可得动力学参数E和A。计算结果见表3。烧的最大速率增加且向前移,并可以获得更好的燃尽特性。表3花生壳、瓜子壳和烟煤及混合物热解动力学参数(5)对生物质与煤混烧进行了动力学分析,建立了合理试样温度区间cEnJ. morA/min'的动力学模型,并求得动力学参数。350~64066090510.9943参考文献240~24559834955912-099002花生亮[] Harding N S, Adams BR Biomass as a reburning fuel: a specialized42.591209560.98809cofiring application []. 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