生物质与煤混烧燃烧特性研究

第33卷第1期煤炭转化Vol 33 No. 12010年1月COAL CONVERSION生物质与煤混烧燃烧特性硏究马爱玲1)谌伦建2)黄光许3)朱孔远4摘要利用 TG-DTG热分析技术对煤、生物质及二者混合物的燃烧过程进行分析,研究了煤种、生物质、生物质添加比例、升温速率及氧气流量等因素对燃烧特性的影响.结果表明,生物质的着火特性、燃尽特性和燃烧性能明显优于原煤;添加生物质可以改善原煤的燃烧特性,随着生物质添加量的增加,燃烧性能改善越显著;升温速率增加,着火特性指数和综合燃烧特性指数升高,燃尽性能降低;增加氧气流量,可以显著改善燃料的燃烧性能.关键词煤,生物质,混烧,热分析,燃烧特性中图分类号TQ5340引言409PC型热分析仪,该仪器采用微机程序自动控制实验可以用空气、N2或O2为载体气体流量、升温生物质能是仅次于煤、石油和天然气之后的第速度及终温均可通过计算机设置.盛装样品坩埚为四大能源,具有来源广、污染低、可再生和CO2零D6mm×4mm的氧化铝坩埚.排放等优点.专家认为,生物质能将成为未来可再生能源的重要组成部分,到2015年,全球总能耗将有1.2样品制备40%来自生物质能,2我国生物质能资源十分丰富实验煤样为义马煤(YM)、鹤壁煤(HB)和赵固按热当量计算约为2.0亿t标准煤3,但转化利用煤(ZG),生物质为玉米秸秆和锯末,原料煤粒径为率低,大量的生物质被废弃,不仅污染环境,而且造0.2mm~0.4mm,生物质粒径为0.4mm~1mm成大量的能源浪费用分析天平称取煤样和生物质样品,按生物质占混我国是世界煤炭生产和消费第一大国,煤炭产合物总重量的20%,40%和60%配比混合均匀,然量连续5年创历史最高,2008年全国煤炭产量达后取15mg~20mg的混合物或纯样品进行热分27.16亿t自20世纪90年代以来煤炭在我国析.原料的工业分析和热值分析见表1.次能源消费结构中的比例一直保持在75%~1原料的工业分析和热值分析(ad)76%51在相当长的一个时期内,我国以煤为主的能Tbe1 Proximate and heating value analysis of material( ad)源结构将难以改变我国大部分煤炭用于直接燃烧Sample M/% v/% A/% FC/% Qer/(k].kg")燃煤产生大量烟尘、SO2和CO2等污染物,致使我 YM coal7.0523.0237.62323117458国大气环境呈典型的煤烟型污染,由此带来严重的1.5112.5915.9569.9529384经济损失.生物质与煤共燃可以降低硫氧化物、氮氧col3297.3815.0874.25化物及烟尘的排放,因此从减轻污染和利用可再生Cornstalk8.9568.236.8216.011624l能源方面看,研究生物质与煤混合燃烧技术具有重Sawdust9.0874952.5413.431444要意义1.3实验条件及过程1实验部分实验初始温度为室温,终温为950℃,工作气氛为N2和O2,气体总流量为100mL/min.除特别说明1.1实验设备外,N2流量为80m/min,O2流量为20mL/min,升实验采用德国NET2SCH公司生产的STA温速V山中国煤化工了煤种、生物质种河南省重点科技攻关项目(082102340028),河南理工大学博士基金资助项CNMHG位论文创新基金资助项目(2008-M12)1)硕士生、工程师;2)教授、博士生导师;3)讲师;4)硕士生河南理工大学材料学院,454000河南焦作收稿日期:2009-11-17;修回日期:2009-12-16煤炭转化2010年类、生物质添加比例、升温速率和氧气流量等对燃烧之;Vd(dm/dt)(1)过程的影响2结果与讨论式中:Z1—着火特性指数,%/(℃·min);VM—分析基挥发分,%;(dm/dt)m-最大燃着火温度是燃料氧化反应速度突变的温度,表烧失重速率,%/mim;T—着火温度,℃观现象是燃料发生着火时的温度,是衡量着火特性由式(1)可知,挥发分越高,最大燃烧失重速率的重要特征点本文采用 TG-DTG联合定义法确定越大,着火指数越大;着火温度越高,着火指数越小着火温度(见图1),在DTG曲线上,过峰值点E作因此着火指数越大燃料越容易着火为了全面评价燃料的燃烧情况,本文采用文献[9,10]中所述的综合燃烧特性指数SN对实验结果进行分析.SN可按式(2)计算Th200400600800-10式中:Sx—综合燃烧特性指数;(dm/d)。最大燃烧失重速率,%/min;(dm/d)-——平均燃图1 TG-DTG法定义着火温度烧速率,%/min;T着火温度,℃;T燃尽Fig1 Ignition temperature according to TG-DTG curves温度,℃C垂线与TG曲线交于一点F,过F点作TG曲线的SN值越大,燃料的燃烧特性越好.本次实验由切线该切线与失重开始时平行线的交点G所对应DTG曲线上的最大极值点来确定最大燃烧速率的温度T定义为着火温度,该点可由计算机直(dm/d),其对应的温度为T灬;燃尽温度T取接在 TGDTG曲线上作出有多个峰值的DTG曲DTG值基本为0时的温度线,着火点采用过第一个峰作垂线与TG曲线的交本实验中各样品的T,Z,SN值见第57页表2点来确定和表3,第58页表4和表5~第59页表6和表7.着火特性反映燃料的着火难易程度,着火性能的好坏可用着火特性指数来衡量.8着火特性指数2.1原煤和生物质的燃烧过程可按式(1)计算:原煤和生物质燃烧的 TG-DTG曲线见图2图图2原煤与生物质燃烧的 TG-DTG曲线Fig 2 Combustion TG-DTG curves of mine coals and biomassesfine coal+b--BiomassYM coal▲— HB coal:b— ZG coal;◆— Cornstalk;、— Sawdust2a为原煤的燃烧过程,原煤的燃烧过程分为脱水干150℃,主要是脱水干燥阶段;第二阶段为200℃~燥(90℃~180℃)和挥发分析出及固定碳燃烧340℃,主要是生物质中的纤维素和木质素裂解以及(280℃~850℃)两个阶段.由于原煤固定碳远高挥发分释放燃憾阶卧:一阶卧为340℃~500℃,于其挥发分,因此DTG曲线上除了失水峰外只有主要中国煤化工DTG曲线上除个明显的失重峰,燃烧过程中挥发分的析出几乎了失CNMHG分别为挥发分释直伴随着煤焦的燃烧.图點b为生物质的燃烧过放燃烧峰及固定碳燃烧峰.前者远大于后者,这是由程,生物质的燃烧分为三个阶段:第一阶段为70℃于生物质挥发分远大于其固定碳所致第1期马爱玲等生物质与煤混烧燃烧特性研究三种煤与两种生物质的燃烧特性参数见表2由表2可以看出,原煤燃烧的着火点比生物质高表2三种煤与两种生物质的燃烧特性指数Table 2 Combustibility parameters of the three kinds of coal and two kinds of biomassSample T/C(dm/d)mx/(%·min-1)Tm/C(dm/d)-/(%·min1)Th/CSs/×10-8z/(%2·(c·min)-1)YM co.424.76.92495.31.59691.0866698845.0Cornstalk 273.521.31303.22.015110112.06514.0127.2℃~318.3℃,最大燃烧失重温度比生物质高154.8℃~366.6℃,燃尽温度比生物质高177℃334℃,综合燃烧特性指数比生物质高两个数量级,着火特性指数是生物质的1/56~1/14.这说明生物质的着火特性、燃尽性能和燃烧性能明显优于原煤,这主要是由于生物质质地疏松,且挥发分和含氧量高于原煤,易于燃烧和燃尽图3不同煤种混合物燃烧的 TGDTG曲线2.2煤种对燃烧过程的影响Fig 3 Combustion TG-DTG curves of different实验中将20%的玉米秸秆分别与义马煤、鹤壁coal and biomass mixtureYM coal+20% cornstalk:0--HB coal+20% cornstalk煤和赵固煤进行混合燃烧,其燃烧的 TG-DTG曲线▲— ZG coal+20% cornstalk见图3.图3中DTG曲线上除了失水峰外,有三个燃烧失重峰.第一个失重峰是玉米秸秆的挥发分析第三个失重峰是原料煤固定碳燃烧峰,峰的绝对值出燃烧形成的,第二个失重峰是玉米秸秆的固定碳随着煤中固定碳的增加而增加和煤中挥发分共同作用的结果,后者受原料煤挥发20%玉米秸秆分别与三种煤混合后混合物的燃分的影响较大,原料煤挥发分越高,其绝对值越大.烧特性参数见表3.320%玉米秸杆与三种煤混合物的燃烧特性参数Table 3 Combustibility parameters of mixture of 20% cornstalk with different coalsT;/℃(dm/dt)m/(%·min-1)Tmas/C(dm/d)-n/(%·min-1)Th/CSy/x10-8Z,/(%2·(℃·min)-1)YM coal+ 20%cornstalk 273. 6633.02.51HB coal+20%cornstalk 274.17l.85775,02.31ZG coal+20%cornstalk 277.5644.20.57由表2和表3可知,三种煤中加入玉米秸秆后,火温度趋向于接近玉米秸秆的着火温度所致.原煤其着火点均大幅度降低,接近玉米秸秆的着火点;燃的挥发分越高,燃烧过程中和玉米秸秆的固定碳共尽温度也降低了39℃~58℃,着火特性指数也有同燃烧放出的热量越多,有利于及时引燃煤中的固所增大综合燃烧特性指数提高了一个数量级,说明定碳,从而使燃尽温度降低越多生物质的加入可以有效改善原料煤的燃烧特性从表2和表3还可看出,煤种不同,玉米秸秆的2.3生物质对燃烧过程的影响加入对其燃烧过程的影响也有所不同.本实验中,义将玉米秸秆和锯末分别以20%的添加量与义马煤着火温度降低了151.1℃,鹤壁煤着火温度降马煤混合燃烧,其燃烧特性曲线见第58页图4,第低了258.7℃,赵固煤降低了314.3℃;义马煤燃尽58页表4给出了两种混合物的燃烧特性参数.由图温度降低了58℃,鹤壁煤燃尽温度降低了50℃,赵4可以看岀,两种混合物的燃烧规律基本符合所加固煤降低了39℃;着火特性指数增加的幅度大致相生物质的燃烧规律DTG曲线卜挥发分析出峰随生同综合燃烧特性指数赵固煤增加的较多.原煤的物质中国煤化工固定碳含量越高,加入玉米秸秆后,混合物的着火温CNMH马煤相比锯末与度降低的越多综合燃烧特性改善的越多,这是由原义马煤混合物的着火特性指数和综合燃烧特性指数煤固定碳含量越高,其着火温度越高,而混合物的着比玉米秸秆与义马煤混合物的着火特性指数和综合煤炭转化2010年义马煤混合物降低得多,只有着火点的增加值小于后者.这说明混合物着火温度的变化主要取决于生物质本身的着火温度,而其他指标受生物质挥发分含量的影响较大,挥发分含量越高,对燃烧性能的影响越大.总的来说,玉米秸秆和锯末都可以改善义马煤的燃烧性能图4不同生物质与煤混合燃烧的 TG-DTG曲线2.4生物质潘加量对燃烧过程的影响Fig 4 Combustion TG-DTG curves of differentbiomass and coal mixture将义马煤和玉米秸秆按不同比例混合燃烧,其YM coal+20% cornstalk;▲— YM coal+20% sawdust燃烧的 TGDTG曲线见图5.图5DTG曲线上第一燃烧特性指数增加的多,燃尽温度也比玉米秸秆与个失重峰为失水峰,第二个峰为玉米秸秆挥发分的表4玉米秸杆和锯末与义马煤混合物的燃烧特性参数Table 4 Combustibility parameters of mixture of cornstalk and sawdust with YM coalT/c(dm/dt)msx(%·min")T/℃(dm/d)an/(%·min-1)T/CS/×10-8z/(%2·(℃·min)-1)YM coal-+20% cornstalk 273.67.01450.02.510.82YM coal +20%sawdust 302.20r12析出峰,第三个峰为玉米秸秆固定碳燃烧和义马煤挥发分析出共同作用所致,随后较为平缓的峰肩为冒求2义马煤固定碳燃烧所致.玉米秸秆的水分和挥发分高于义马煤,因此,随着玉米秸秆添加量的增加,混合物中水分和挥发分含量逐渐增加,固定碳含量逐渐降低,导致DTG曲线上水分析出峰、玉米秸秆挥发分析出峰和玉米秸秆固定碳燃烧及义马煤挥发分图5不同生物质含量样品燃烧的 TG-DTG曲线Fig 5 Combustion TG-DTG curves of different析出峰逐渐增强,而义马煤固定碳燃烧失重作用逐渐减弱.不同生物质添加量样品的燃烧特性参数见20% cornstalk;●60m69mk表5表5不同生物质添加量样品的燃烧特性参数Table 5 Combustibility parameters of different ratio biomass sampleT/℃(dm/d)m/(%·min-1)Tm/℃(dm/dr)-/(%·min-1)Th/CS/×10-8z/(%2·(℃·min)-1)al+20%cornstalk 274.40.82YM coal +40%cornstalk 273.48.68432.6623,03.4330YM coal+60% cornstalk272.612.053060由表5可知,随着生物质添加量的增加,着火温度和燃尽温度逐渐降低,着火特性指数和综合燃烧特性指数逐渐增大,这说明生物质添加量增加混合物中挥发分含量也随之增加,而挥发分含量越高,其燃烧放出的热越多,可以更利于义马煤中固定碳的燃烧,从而更有效地改善义马煤的燃烧性能2004006002.5升温速率对燃烧过程的影响图6不同升温速率燃烧的 TGDTG曲线Fig 6 Combustion TG-DTG curves of different heating rate燃烧过程的升温速率不同,所得到的燃烧特性中国煤化工 eat~rate3omin曲线也有所不同,本文考察了义马煤和20%玉米秸CNMH过程有后移的趋min秆混合物在三种升温速率下的燃烧过程,结果见图温速,4T6.燃烧特性参数见第59页表6.从图6可以看出,升势;升温速率越大,DTG曲线上失水峰、挥发分析出马爱玲等生物质与煤混烧燃烧特性研究表6不同升温速率燃烧过程的燃烧特性参数Table 6 Combustibility parameters of different heating rate(℃min-)T/C(dm(d)-(%,min)Tm/c(dm/d)-m(%,mn1)T/℃Sx/×1022(%,(C·m))633.08.442.53675.04027.6442.6峰以及固定碳燃烧峰越明显.这是由于升温速率增大,达到同样温度的时间越短,水分、挥发分及固定碳在达到自己的析出燃烧温度之前来不及挥发,而在较短时间内集中析出由表6可知,升温速率增大,着火温度没有多大变化燃尽温度升高,着火特性指数和综合燃烧特性指数增大.因此,升温速率增大可以改善燃料的燃烧性能,但升温速率加快,达到高温的时间缩短,燃料图7不同氧气流量燃烧过程的 TG-DTG曲线Fig 7 Combustion TG-DTG curves of different在高温区停留的时间也缩短,反应尚未来得及进行oxygen flowi就进人更高的温度,造成反应滞后,使得燃尽性能有一 Oxygen flowing rate20mL/min;●— Oxygen flowing所降低rate30mL/min■—0 xygen flowing rate40mL/min2.6氧气流量对燃烧过程的影响发分的析出基本不受氧气流量的影响,而玉米秸秆固定碳和煤中挥发分及煤焦的燃烧受氧气流量的影实验中气体总流量均为100mL/min,氧气流响较大氧气流量为20mL/min时,玉米秸秆固定量分别为20mL/min,30mL/min和40mL/min.碳和义马煤中挥发分的析出燃烧阶段在DTG线上不同氧气流量的燃烧过程曲线见图7,燃烧特性参还能看得出来,随着氧气流量的增大,它们和义马煤数见表7.图7中TG曲线随氧气流量的增加而渐固定碳的燃烧阶段也合并为一个阶段,在DTG线趋陡峭,DTG曲线上燃料水分和玉米秸秆挥上表现为一个渐窄而高的失重峰表7不同氧气流量燃烧过程的燃烧特性参数Table 7 Combustibility parameters of different oxygen flowing rateOxygen(mL. min ")T/c(dm/d)-/(%·min-1)Ta/C(dm/d)-/(%·min-1)Th/CSy/×10-8z/(%·(℃·min)-1)273.6450.030271.2443.42.01由表7可知,随着氧气流量的增加,着火温度、性、燃烧性能和燃尽特性明显优于原煤.燃尽温度和最大燃烧速率对应的温度逐渐降低,而2)生物质的加入使原煤的着火温度降低,改善最大燃烧速率、着火特性指数和综合燃烧特性指数了原煤的着火特性、综合燃烧特性及燃尽性能而且逐渐增大.由此说明提高氧气流量能够明显提高燃生物质添加越多,对原煤燃烧性能的改善程度越大料的燃烧性能3)加入生物质后,原煤固定碳含量越高,混合3结论物着火温度降低得越多;原煤挥发分越高,混合物燃尽温度降低得越多.1)原煤燃烧的DTG曲线除了失水峰外,只有4)生物质挥发分含量越高,对其与煤混合物的个明显的失重峰,燃烧过程中挥发分的析出燃烧燃烧性能的改善程度越大几乎一直伴随着焦炭的燃烧.生物质燃烧的DTG5)升温速率增加,燃烧过程后移,燃料的着火曲线除了失水峰外,有两个明显的失重峰,分别为挥特性中国煤化工性能降低发分析出燃烧嶂和固定碳燃烧峰.生物质的着火特CNMHG燃料的燃烧性能2010年[1]袁振宏,吴创之,马隆龙等.生物质能利用原理与技术[M].北京:化学工业出版社,2005.[2]马隆龙吴创之,孙立.生物质气化技术及其应用[M]北京:化学工业出版社,2003[3]乔滨生物质能的利用及生物质型煤[门.应用能源技术,200381(3):1011[4]中国冶金网.2008年我国煤炭产量完成27.16亿t同比增长7.65%[EB].htp://www,mmi.gov.cn/show,php?newsid[5]潘兰英冯千武赵静等.生物质型煤灰熔融性的实验研究[门河南理工大学学报,2006,25(2):16616[6]周军张海,吕俊复,不同升温速率下石油焦燃烧特性的热重分析[.煤炭转化,2006,29(2):39-43[7]邹学权,王新红,武建军等用热重差热红外光谱技术研究煤粉的燃烧特性[门]煤炭转化,2003,26(1):71-73[8]谌伦建,赵跃民.工业型煤燃烧与固硫[M]徐州:中国矿业大学出版社,2001[9]肖军段菁春,王华等生物质与煤共燃研究(Ⅱ)燃烧性质分析[冂.煤炭转化,2003,26(2):43-47[10]姜秀民,李巨斌,邱健荣等超细化煤粉燃烧特性的研究[中国电机工程学报,200020(6):71-74STUDY ON THE CO-FIRING CHARACTERISTICSOF BIOMASS AND COALMa Ailing Chen Lunjian Huang Guangxu and Zhu Kongyuan(He'nan Polytechnic University, 454000 Jiaozuo, He'nan)ABSTRACt The TG-DTG thermal analysis technology was applied to analyzetion process of the coal, biomass and their mixture, and the influence of coal kinds, biomasskinds, biomass addition ratio, heating rate, oxygen flowing rate to the combustion characteristicof mixture was also studied. The results show that the biomass's ignition, burnout and combus-tion characteristics are better than the coals. biomass can improve the combustion characteristicsof coal. With the increase of the biomass addition, the combustion characteristics improve moreobviously. With the increase of heating rate, the ignition characteristic parameters and combustion characteristic parameters are increased, while burnout characteristic is reduced, with the in-crease of oxygen flowing rate, the combustion performances of flue can be improved.KEY WORDS coal, biomass, co-firing, thermal analysis, combustion characteristic中国煤化工CNMHG