生物质型煤燃烧特性

第38卷第6期吉林大学学报(工学版Vol 38 No 62008年11月Journal of Jilin University(Engineering and Technology EditionNov.2008生物质型煤燃烧特性陈华艳2,苏俊林1,矫振伟(1.吉林大学汽车工程学胱,长春130022;2.北京世宗智能有展责任公司,北京100029)摘要:以无烟煤、玉米秸秆和黄土为原料,研究了玉米秸秆含量为5%~35%的生物质型煤在不同试验条件下的燃烧特性。通过热重试验获取了温度与质量间的关系,找出了各阶段燃烧特征温度和挥发分最大失重速率,计算了燃烧全过程温度范围,燃烬率和失重速率所占面积。通过与传统型煤的试验结果比较,生物质型煤燃烧特性好,挥发分初始析出温度降低了50℃,到最后燃烧基本结東温度降低了186℃,燃烬率提高了10%。关键词:热能工程;生物质型煤;热重分析;燃烧特性中图分类号:TK16,TK6,TQ534文献标识码:A文章编号:1671-5497(2008)03-128106Combustion characteristic of biomass compound coalCHEN Hua-yan", sU Jun-lin,JIAO Zhen-wei(l College of automotive Engineering, Jilin University, Changchun 130022, China: 2. Beijing Shizong IntelligentInstrument Co LTD, Beijing 100029, China)Abstract: The biomass compound coal (BCC) composed of anthracite coal, corn haulm and loess wastaken as the object of study. The combustion characteristic of the bcc containing 5%-35% of thecorn haulm was studied by the thermo gravimetry under different experiment conditions. Therelationships between the temperature and the sample mass were obtained and the characteristictemperatures at different combustion stages and the maximum mass loss rate of the volatile fractionwere found. The whole temperature range of the combustion process, the burn-up rate and the areaoccupied by the mass loss rate curve were calculated. Comparing with the results of the traditionalcoal briquette, the combustion characteristic of the BCC appears better, the initial separationtemperature is reduced by 50C, the final burn-up temperature is reduced by 186C, the burn-up rateis enhanced by 10%.Key words: thermal power engineering: biomass compound coal BCC); thermogravimentrycombustion characteristi目前常生物质经预处理,与原煤摻混技术的中在成型和燃烧设备上,对于燃烧特性和机理的研究受到各国的普遍重视1,但制造成本较高。研究却很欠缺。作者着重讨论了生物质型煤的燃生物质和原煤的粉末依靠高压成型,制备的生物烧特性和机理,为生物质型煤的实际应用和普及质型煤相继出现5,但目前研兖的重点主要集提供依据。中国煤化工收稿日期:2007-03-10.基金项目:吉林省科技发展重大项目(20060403)CNMHG作者简介:陈华艳(1981-),女,硕士研究方向:强化传热与节能技术E-mail:cheney122@163.com讯联系人:苏俊林(1953-),男教授研究方向:强化传热与节能技术 E-mail: sujl@ jlu. edu1282·吉林大学学报(工学版)第38卷1试验配方作者设计制作了适合生物质型煤的热重试验台,其结构简图如图1所示。生物质型煤由原煤、生物质和添加剂组成由于原料物理和化学性质的复杂性和差异性,使得生物质型煤具有了自身的特性,该特性并不是各原料特性的简单叠加。因此,采用试验优化设计和分析方法中二元二次回归正交组合设计,从挥发分和发热量两个关键性的特性指标入手,确定生物质型煤的优化配方。试验设计得到生物质型煤发热量回归方程为y=-176+2476621+158生物质型煤挥发分回归方程为y=4.651+7.396z1+81.94z21气源;2流量计;3炉体;4电热丝;5-坩埚及支撑杆;6式中:z1为原煤质量分数,%;为生物质质量分试样;7热电俩;8温控仪;9机电保护、控制系统;10计算机:11电子天平;12反射屏:13-支架根据市场对工业型煤的需求,将发热量划分图1实验装量简图为三等:14644、16736和18828kJ/kg,挥发分也Fig 1 Schematic diagram of the experimental划分为三等:15%、25%和35%,相互配比结合后通过回归方程获取了生物质型煤的优化配方,3试验结果及分析如表1所示衰1生物质型煤优化配方3.1试验结果Table 1 Optimal formula of BCC热重曲线TG和微商热重曲线DTG见图2图9试验指标各组分所占比例编号发热量挥发分无烟煤玉米秸秆/(kJ·kg-1)/%167362555.6119.8124.58P20 MPa2167361563.906.862924P-33 MPa47.3332.7719.90p-46 MPa4146442546.6520.6232.7364.5819.0016.422热重试验台设计表2为生物质型煤热重试验设计。图2成型压力不同时的TG曲线褒2生物质型煤热量试验设计Fig 2 TG curves from different molding pressureTable 2 Thermal gravimetry experiment of BCC试验成型压力升温速率挥发分发热量编号/MPa/(℃·mn-1)/%/kJ·kg)16736167362345678908600000016736-46 MPa16736中国煤化工16736CNMH14644图3成型压力不同时的DTG曲线Fig. 3 DTG curves from different molding pressure第6期陈华艳,等:生物质型煤燃烧特性·12831101007=5°cminT=l0°min=15%T-15Cmin=25%T°C图4升温速率不同时的TG曲线图7捍发分含量不同时的DG曲线Fig. 4 TG curves from different calefactive velocityg 7 DTG curves from different volatile capacity214 644 u/kgYasMin000000Q=18828k/kg10°min7=15°Cmn003004005006000100200300400500600700T/C图5升温速率不同时的DTG曲线图8发热量不同时的TG曲线Flg. s DTG curves from different calefactive velocityFig 8 TG curves from different calorific capacity0∞9800F=25%=35%Q=14644kkg0-16736 kI/kg2=18828kkg图6捍发分含量不同时的TG曲线图9发热量不同时的DG曲线6 TG curves from different volatile capacityFlg. 9 DTG curves from different calorific capacity3生物质型煤燃烧特征参数Table 3 Combustion characteristic parameter of BCC试验编号T/℃T=/℃T./℃T/cT/cv/%(dm/dr)-/%minD/%℃min231.00245.70260.70414.50183.5059.3824.802231.00247.20263.50416.90185.9059.40464.87247.702.80522.70275.0059.26234.60246,60261.00452.70218.10224.60239中国煤化工227.00240.80258.20387.70160,70CNMHG.1930.49245.03259.0009.50179.01936.28·1284吉林大学学报(工学版)第38卷3.2生物质型煤燃烧特征参数V为燃烬率;(dm/dt)m为挥发分最大失重速试验得到的燃烧特征参数如表3所示。其率;D为失重速率所占面积。中,T为挥发分初始析出温度;Tm为最大失重3.3试验特征参数影响分析温度;T为挥发分析出和燃烧结束时温度;Tt为生物质型煤不同试验条件下特征参数的变化燃烧基本结束温度;Tb为燃烧全过程温度范围;趋势如表4所示。衰4生物质型煤不同试验条件下特征参数的变化趋势Table 4 Variety trend of the characteristic parameter of BCC under different experiment condition试验条件试验编号图示.TmT, Tr Tb Va(dm/dt)mD成型压力↑1、2、3升温速率↑4、1、5挥发分↑6、1、7发热量↑注:↑表示增大或升高;表示减小或降低;=表示基本不变;++表示大大减小或降低;↑↑表示大大增大或升高;表示结论不确定试验特征参数影响分析如下:(4)失重速率所占面积D此项是燃烧过程温(1)试验特征温度(T、Tmx、T、T、T)与升度和DTG曲线围成的面积。因此燃烧温度区间温速率和挥发分含量关系密切。随着升温速率的广,可燃质含量大这部分面积自然就大。所以,增大,试验特征温度大幅度提高,炉膛内的温度升升温速率、挥发分含量、发热量质增大,它的面积高。这是因为升温速率增大,试样内部与外部温都会增大,而与成型压力无关度梯度增大挥发分挥发的程度也随着试样的温3.4传统型煤与生物质型煤的对比研究度梯度发生变化,内部的挥发分不能及时地充分与传统型煤燃烧特征参数的对比如表5所挥发,相同的温度下,升温速率高的,挥发分含量示。表中传统型煤数据来自参考文献[7];传统型较小,滞后了着火温度,同时也延迟了其他的试验煤和生物质型煤的试验特性参数均是试验数据的特征温度。也是这个原因,随着挥发分含量升高,平均值。试验特征温度降低。随着成型压力增大,挥发分表5传统型煤与生物质型煤燃烧特征参数对比析出和燃烧结東时温度T,和燃烧全过程温度范Table 5 Combustion characteristic parameter compar围T略有增大,这是因为成型压力增大,试样的between BCC and traditional briquette密度增大,结构变得紧密,导致挥发分的析出及向T, T Tb V试样内部传递热量比较缓慢。发热量对试验特征煤型c℃C℃%温度的影响不是很明显。综上所述,试验特征温传统型煤28032534559631650度随挥发分析出量的增大而降低。生物质型煤230245260410179(2)燃烬率V。与挥发分含量和发热量值关通过对传统型煤和生物质型煤热重试验数据系密切。燃烬率V。为实际燃烧物质与可燃物质的分析后发现:热解和燃烧失重明显地分为两个的质量比,燃烬率V∞随着挥发分含量和发热量阶段:第一个阶段,传统型煤在280~345℃之值增大而增大。挥发分含量增大和发热量值增大间,生物质型煤在230~260℃之间,这一阶段主的共同点在于试样的可燃质含量增大。因此得到要是生物质中纤维素和半纤维素热裂解,煤和生结论:试样的燃烬率随着可燃质含量的增大而增物质中的挥发分析出和燃烧阶段;第二个阶段,传大。至于人们担心的随着成型压力增大会发生烧统型煤在345~596℃之间,生物质型煤在260~不透的情况,在本试验中没有发生。这是因为成410℃之间。这一阶段主要是生物质型煤挥发分型压力还不够大及生物质型煤燃烧时出现孔隙结析出后的焦炭燃烧阶段。构的原因中国煤化工现以下几个特(3)挥发分最大失重速率(dm/d)m仅与挥点:CNMHG发分含量有关。挥发分含量大挥发分最大失重1)生物质型煤着火温度较低。从数据比较速率(dm/dt)-也大。和文献[8]实验分析知生物质型煤的着火点处于6期陈华艳,等:生物质型煤然烧特性·1285·生物质和煤的着火点之间,且随着生物质加入量成型的生物质型煤中,其组织结构保证了挥发分的增多,生物质型煤点火温度有降低的趋势。煤的析出及向型煤内部传递热量比较缓慢,挥发分的着火点随着煤炭中挥发分的增多而降低,由于点火逐步进行生物质含有大量挥发分,而且生物质着火点低,所生物质型煤燃烧温度低,对于解决生物质灰以生物质的加入使生物质型煤的着火点降低。从分熔点低的不足很有帮助总体趋势上分析,生物质型煤的着火温度更趋向(3)虽然生物质型煤燃烧时间短,但燃烬率于生物质的着火温度。(V)却提高了。生物质型煤在燃烧过程中呈多生物质型煤的着火温度低,可以让锅炉点火孔隙燃烧,传热传质好,保证了充分燃烧,因而不时不用耗用大量木柴引火并改善型煤着火延迟会产生煤热解过程中因为局部供氧不充分发生的现象。热解析碳冒烟现象;生物质型煤燃烬率高,灰渣中(2)生物质型煤第一阶段和第二阶段的出现碳的含量也很低。均较传统型煤的温度低,但并没有影响焦炭的燃(4)生物质型煤燃烧产生的飞灰少。高压成烧;而且从热解开始到燃烧结束,生物质型煤温度型的生物质型煤将生物质燃烧产生的少量飞灰和范围(T)仅是传统型煤的一半,因此燃烧持续的原煤的煤灰紧紧地锁在了型煤块中。而高压成型时间也缩短一半。分析其主要原因是:使燃烧的生物质型煤如同一个立体的网,不但不①生物质型煤挥发分含量大。挥发物产率的会阻隔可燃物与氧气的接触,反而加强了气体的高低是固体燃料着火难易的关键,一般地说固体流通,燃烬灰依然保持立体的网状骨架结构,大大燃料的燃烧均是从挥发物的着火燃烧开始的。在改善了燃煤飞灰现象。在型煤锅炉上的测试结果挥发物着火燃烧以后,型煤碳粒能否着火就主要也证实生物质型煤燃烧产生的飞灰少取决于碳粒的表面温度能否迅速提高以致加热生物质型煤燃烧充分,改善了型煤灰渣粘结然而,碳粒表面温度的迅速提高又依赖于型煤挥成片造成通风不良的情况发物燃烧后所放出的热量来实现,即只有挥发物(5)生物质型煤热重曲线无表观增重现象。产率足够大时,才会有足够的燃烧热量来加热碳热重曲线由于浮力影响导致的表观增重现象,对粒,使其表面温度急剧上升而达到着火燃烧,从而于传统型煤现象是很明显的,但在生物质型煤热实现型煤的可靠着火和稳定燃烧。重曲线上却没有表现。这是由于生物质型煤挥发②生物质型煤在燃烧过程中生物质挥发分析分主要来自生物质,而生物质挥发分挥发的温度出,优先着火燃烧,并迅速燃尽,只残留少量灰末,比较低。随着温度的升高,已经逐渐有挥发分开使得生物质燃料原占有的体积迅速缩小,在生物始挥发。再加上生物质型煤从空气中吸附的水分质型煤体上出现无数孔道空隙,实心体变成多孔比传统型煤多因此水分的蒸发较多。所以试样体,有利于氧气向型煤内部渗透;燃烧产物向型煤质量的降低掩盖了表观增重现象外部扩散;保证点火能深入到型煤表层下一定深度,形成稳定的点火燃烧;增大了型煤与空气的接4结论触面积,加速传热传质,加快煤的燃烧过程。与此(1)生物质型煤燃烧特性优于传统型煤的主同时,生物质型煤中的木质素已全部炭化,煤也几要原因为:生物质型煤挥发分含量高成型压力较乎全部焦化,生物质不断深入地带动其周围焦炭大及燃烧时可形成孔隙结构。更迅速燃烧。(2)生物质型煤具有着火点低、着火性能好、③通常,为了使非生物质型煤在燃烧过程中试验特征温度低、传热传质好、燃烬率高、燃烧效得以烧透,往往要控制型煤的成型压力使其不超率高、燃烧时几乎无冒黑烟现象、烟气含尘量少、过某一个数值,以求型煤不要压得过实而难烧。灰渣中含碳量少、热重曲线无表观增重现象等特然而,生物质易燃燃点温度低,与原煤的燃点温点。度差距较大,因此要求生物质在较低温度、较短的中国煤化工很高:使劣质燃烧时间内将原煤加热到足够高的燃烧温度,并煤的CNMH变得更好烧放慢生物质型煤受热后挥发分的析出速度,因此相应扩入煤的迫用孢;初质型煤的着火需要生物质和原煤“亲密接触”。在较高的压力下温度低,可以让锅炉点火时不用耗用大量木柴引1286·吉林大学学报(工学版)38喜火,并改善型煤着火延迟现象;燃烧温度低,可以[5] Maruyama T, Takemichi S. Combustion character解决生物质灰分熔点低的不足;燃烧充分,改善了istics of biocoal (coalwood briquette)[C]//In: In型煤灰渣粘结成片造成通风不良的情况;低污染,tentionnal Symposium on Coal C环保;充分利用了现有成型和燃烧设备等。Science Press, 1987 987-994.(4)生物质型煤可以有效缓解能源紧缺问题。[6] Maruyama T, Kamide M. Development of bio-briquette from Chinese raw material(construction参考文献of biobriquette factory in Shandong province)[C]In: Proceedings of the 3rd International Symposium[I J Kleisa K, Lehmann J, Verfuss F, et al. Developon Coal Combustion Science and Technology, Beiment of environmentally friendly briquettes [J].jing: Science Press, 1995, 561-567.Glueckauf-Forschungshefte,1994,55(4/5);117-[7]王文生工业蟑窝型煤的配比及燃烧特性研究[D]122.长春:吉林大学汽车工程学院,2005[2] Beker U G. Briquetting of afsinelbistan lignite ofWang Wensheng. Study on the component ratio andturkey using different waste materials]. Fuel Prothe combustion characteristic of the industrial honcessing Technology, 1997, 51(1/2): 137-144eycomb briquette[D]. 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