生物质与煤共燃特性的研究

IssN1002-4956实验技术与管理第23卷第9期2006年9月CNII-2034/1Experimental Technology and ManagemenVol 23 No 9 Sept. 2006生物质与煤共燃特性的研究徐朝芬,陈汉平华中科技大学煤燃烧国家重点实验室,武汉430074)摘要:利用TG-DG〔热重-微分热重)热分析技术研究了生物质、煤及其混合物燃烧的燃烧性质。考察了它们各自的着火温度、最大失重速度和燃尽温度等燃烧特征参数,计算了着火性能指数和综合燃烧特性指数。结果表明,生物质的燃烧分为250~350℃之间和350~450℃之间两个阶段;生物质的燃烧性能相近,结构相似;生物质旳综合燃烧特性指数眀显高于煤的综合燃烧特性;生物质与煤样混燃可有效地降低着火温度,改善煤样的燃烧性能。关键词∶煤;生物质;混燃;燃烧特性中图分类号:TQ517文献标识码:B文章编号:10024956(2006)9-0035-04Study on co-fire combustion performance of biomass withXU Chao-fen, ChEn Han-pingState Key Lab. of Coal Combustion, Huazhong University of Science and Technology 430074, ChinaAbstract: The TG -DTG thermalanalysis technology was applied to study the co-fire combustion characteristics of bio-mass with coal. Combustion characteristics of them were analyzed according to combustion characteristics parameterssuch as ignition temperature maximum rate of combustion and burnout temperature etc. Ignition parameters and combustibility parameters were calculated. It shows that the ignition temperature of biomasses are two phases between 250350C and 350-450C The combustion performances of biomass are near and the structures are similar. The combus-tibility performances parameters are higher than the coal s; it reduced the ignition temperature and improved the com-bustion performances of co-fire combustion characteristics of biomass with coalKey words: coal biomass co-fire combustion performance能源是人类社会进步最为重要的物质基础1,所用生物质样和煤样的工业分析和元素分析结果如在世界能源消耗中,生物质能作为其中的一种再生表1所示。资源,是仅次于煤、石油、天然气的第4大能源,表1生物质及煤样的工业分析及元素分析结果约占13%~14%2。我国生物质能占一次能源的工业分析/%33%左右,是仅次于煤的第2大能源3],这主要是样品由于我国农村人口占总人口数的70%以上,而生物棉杆质是农村的主要能源。由于生物质资源量丰富,加上它对环境保护的各种优势,已日趋为世界各国所油杆14.59重视←3],因此,进行生物质燃烧特性和燃烧机理的褐煤31.6353研究,为生物质高效利用提供依据,具有重要的理无烟煤24.199.92论意义和经济价值。元素分析/%样品1实验部分H中国煤化工1861.40.0191.1实验样品CNMHG实验时,把生物质制成粒度小于0.2mm的分析油杆38.8110.9830.095样品,把煤制成粒度小于120μm的分析煤样,实验褐煤68,905.131.406无烟煤67.232.6030.6691.1450.403收稿日期:2005-11-23修改日期:2006-07-14作者简介:徐朝芬(1965-),女,重庆市人,工程师实验技术与管理1.2实验仪器及实验过程重明显地分为2个阶段:第1阶段在250~350℃之本实验采用德国 NETZSCH公司STA409型热综间,这一阶段主要是生物质中的纤维和木质裂解以合分析仪进行。实验时,将5.0mg具有代表性的样及挥发分释放燃烧阶段;第2阶段在350~450℃之品置于热天平支架的AO3坩埚內,用模拟空气间,这一阶段主要是生物质裂解后焦碳燃烧阶段。〔O3:N2=1:4〕气氛,采用计算机控制对样品进行程由于生物质的挥发分含量较高,所以第1阶段均较序升温,直至燃尽为止,微量天平系统记录了样品第2阶段失重多且失重速度大,尤其是稻杆样品重量随温度变化的整个燃烧过程的情况,从而得到其第一阶段的最大失重速度是第2阶段最大失重度样品的燃烧特性曲线。不同的样品有不同的燃烧特的3倍之多。性曲线,通过对样品燃烧特性曲线的形状和不同特由图1还可看出,生物质的挥发分燃烧和焦碳征的分析,了解不同样品旳着火性能和燃烧特性。燃烧的起始温度、燃尽温度和最大燃烧失重温度都实验采用如下升温程序:升温速度为20℃/min,相差不大,说明生物质在结构上相似。空气流量为100mL/min;从室温到终止温度700~从图2可看岀,煤样旳挥发分燃烧和焦碳燃烧900℃的起始温度和最大燃烧失重温度都比生物质的高。2实验结果及讨论从图3煤样和生物质混合燃烧的TG和DIG曲线来看,由于煤样和生物质燃烧性质差异较大,明2.1热重分析显是分别燃烧,而且有效地降低着火温度。燃尽温2种煤样、3种生物质以及煤样与生物质分别按度分别比各单一生物质样品燃烧时高出80~220℃,80%比20%的混合样品的TG和DrG曲线图见说明混燃时延长了燃尽时间,提高了燃烧性能。图1~图3所示。从图1中可以看出生物质的燃烧失杆度r℃温度/℃图1纯生物质稻杆、麦杄、油杄燃烧的TG、DTG曲线无烟煤无烟煤中国煤化工CNMH00200300400500600700800温度/℃温度℃图2褐煤、无烟煤燃烧的TG、DIG曲线徐朝芬,等:生物质与煤共燃特性的研究2度注:ZD_80%褐煤与20%稻杆混合;ZM-80%褐煤与20%麦杆混合80%褐煤与20%油杄混合;Y-80%无烟煤与20%油杆混合。(后面文中相同,不再注明)图3煤与生物质混合燃烧的TG、DIG曲线2.2着火温度时,由于它们都是分别燃烧,分别着火,着火温度确定着火温度的方法有多种,本文将采用热分都比煤单燃时的着火温度低了许多,有效地降低了析曲线TG和mrG的方法来确定6η。其做法是在图煤样的着火温度,改善了煤样的着火性能。1~图3的DTG曲线上,过峰值E点作垂线与TG曲2.3着火性能指数线相交于一点F,过F点作TG曲线的切线与TG开着火性能指数F2用傅维标提出的公式来定始曲线的平行线交于G点,G点所对应的温度就是81,F2=(Va+Wa)C×100通常所说的着火温度T。有多个峰值的DTG曲线的F是与煤质有关的一个参数,F2越大,煤的着着火点则采用过第一个峰作垂线与TG曲线的交点火性能就越好,主要是因为其挥发分(V)和内水来确定,见图4。煤样、生物质及其混合样品的着(M)释放后,增大了焦碳内部碳粒之间的空隙度,火温度对比如表2所示。利于着火。由此可见,样品挥发分和内水的释放对其反应的影响具有同样的效果;而含碳量(C)高DSC/mw.mgDIG/%时,其发生反应时放出的热量就高,同样也有利于DIG着火。根据表1和上述公式算得各样品的着火性能指数F值如表3所示。表3各样品的着火性能指数F,值样品稻杆棉杆油杆褐煤无烟煤样品002003004005000070012.7813.6113.434.38图4着火温度定义示意图从表3中F的值可以看出,3种生物质的挥发表2各样品的着火温度分含量都很高,所以着火性能都很好,其中麦杆的样品稻杆棉杆油杆褐煤无烟煤含碳量比稻杄和油杄的都高,其着火性能也高于稻着火温度T/℃254,4262,2260.7432.3573.1杄和油杄;褐煤旳挥发分和含碳量也较高,也具有较好的着火性能:无烟煤的挥发分含量和水分含量着火温度T/℃259.7269.4257.1300.9都非中国煤化工急。将煤样和生物质混合CNMH⑦改善。根据着火性能从热重分析所得到的着火温度可以看出,生物指数F的判别准则可知,F在1.0~1.5之间着火质的着火温度相差不大,大约在250~270℃之间;性能属于中等,大于2.0的着火性能属于很好的样褐煤的着火温度为432.3℃,高于生物质而低于无品。可见上述各样品除无烟煤着火性能属中等外烟煤的着火温度573.1℃;生物质与煤样混合燃烧其余都有很好的着火性能。实验技术与管理2.4燃烧特性指数续表从实验热重曲线来看,各样品的热分解过程主样品dm/dt)a( dm/dtT℃T/℃S/10要是受化学动力学因素控制反应速度,其燃烧速度可根据 Arrhenius定律来描述,即432.3549.58.34dm/dt= Aexp[ -E/RT)]无烟煤10.978,42566655.24,39式中:dm/dt一燃烧速度;A-指前因子;E一活化从表4可以看出,各单一样品中,生物质的S能;R—气体常数;T一温度值最大,褐煤的次之,无烟煤的最小,表明从生物对上式求导并整理后,得质到褐煤到无烟煤,其燃烧性能依次减弱。尽管煤rde d样的燃烧性能远比生物质的差,而且煤样和生物质若在着火点,则有混合比中煤样占了80%,但其混燃的S值都分别比单煤样的提高了许多,从而改善了煤样的燃烧性能。r ddme d dt lt-r或3结论r d dm( dm/dt )max dm/dte d dt. dm/dt )ar1)生物质的燃烧分为2个阶段:第1阶段在dm/dt),( dm/dt)250~350℃之间,这一阶段主要是生物质中的纤维和木质裂解和挥发分释放燃烧阶段;第2阶段在式中:(dm/d)-最大燃烧速度;(dm/d)=n350~450℃之间,这一阶段主要是生物质裂解后着火温度对应的燃烧速度;(dmd)--平均燃烧焦碳燃烧阶段。煤的挥发分燃烧不明显,主要以煤速度;T一着火温度;T燃尽温度焦燃烧为主2)生物质燃烧的起始温度、燃尽温度和最大在上式中,E值越小,反应能力越强d;燃烧失重温度都相差不大,说明生物质在结构上相似。为燃烧速度在着火点的转化率,其值越大da3)生物质与煤样混燃时,由于燃烧性质相差表明着火越猛烈(dm/d)为燃烧峰值与着火时较大而产生分别燃烧。油杆与褐煤混燃时可有效地dm/dt )T=t降低着火温度。燃烧速度之比dm/dt7为平均燃烧速度与燃尽4)生物质与煤样混燃时能够有效地改善煤样的燃烧性能。温度之比,其值越大,表明燃尽越快。这几项的乘积综合反映了样品的着火与燃尽特性。参考文献( References):把S定义为燃烧特性指标”,则上式可简写为[1]张无敌,董锦艳,宋洪川,等生物质能利用[J1太阳能( dm/dt) dm/dt)2000(1):6-72]钟浩,谢建,杨宗涛,等.生物质热解气化技术的研究现状及S值越大,表明样品的燃烧特性越好。各样品其发展[南师范大学学报,2001,21(1):41-45汋燃烧特性指数S值见表4。[3]朱清时峰,郭庆祥.生物质洁净能源[M]北京:化学工业出版社,2002表4各样品的燃烧特性指数S值4]从德奇,侯金华,金龙生物质能开发与吉林省利用现状研究J]农业与技术,1999,19(6):1-4样品(dm/d)am、(dm/d)mm/℃7℃S/10-【5]修双宁,易维明,何芳.几种生物质热重曲线的分析[J%0/min%0/min博学院学报〔自然科学与工程版14.76254.4464.830.23[6]聂其红,孙绍增,李争起,等.褐煤混煤燃烧特性的热重分析麦杆62.2450.637.68中国煤化工,7(1):72-76油杆2.9160.7418.671.11[7[M]北京:科学CNMHl1.89259.7[8]付维标,卫景彬.燃烧物理学基础[M]北京:机械工业出版10,81257,140.75,013009637.71463[9]孙学信燃煤锅炉燃烧试验技术与方法[M]北京:中国电力出版社,20