生物质水煤浆燃烧特性及动力学分析

第29卷第2期可再生能骠Vol 29 No. 22011年4月Renewable Energy ResourcesApr.2011生物质水煤浆燃烧特性及动力学分析邓晖,林荣英,罗祖云,林诚(福州大学化学工程与技术研究所,福建福州350108)摘要:采用热综合分析仪,利用TG-DTG热分析技术研究了以福建省无烟煤、水葫芦添加剂制备的生物质煤浆的燃娆特性,并与煤粉的燃烧特性进行了对比。结果表明,生物质水煤浆的着火温度比煤粉低,并随着水葫芦添加量的增加呈降低趋势。动力学分析得出的表观活化能从大到小顺序为龙岩无烟煤、大田无烟煤、永安无烟煤、龙岩生物质水煤浆、大田生物质水煤浆、永安生物质水煤浆。关键词:生物质水煤浆;热重分析;着火温度;动力学分析中图分类号:TK6;TQ534.4文献标志码:A文章编号:1671-5292(2011)02-0081-04Combustion characteristic and kinetics analysis onbiomass coal water slurryDENG Hui, LIN Rong-ying, LUO Zu-yun, LIN Cheng(Institute of Chemical Engineering and Technolog, Fuzhou University, Fuzhou 350108, China)Abstract: In this paper, the combustion characteristic of biomass coal water slurry (biomassCWS), which made up of Fujian anthracite, water hyacinth and dispersant was studied by thermalanalysis with TG-DTG method. The combustion characteristic of biomass coal water slurry wascompared with that of coal. The results showed that the kindling point of biomass coal water slurrywas lower than that of coal, and decreased with the increase of biomass content. The order ofparent activation energies was Longyan coal, Datian coal, Yongan coal, Longyan biomass-CWS, Daian biomss-CWS and Yongan -biomss-CWS.Key words: biomass coal water slurry; thermal analysis; kindling point kinetics analysis引言浆是刘世义提出的利用工业上的污泥制煤浆叫福建省98%的煤炭资源均为挥发分低、灰熔本课题提出利用水葫芦、福建无烟煤以及其点低、着火点高、燃烧性差、粉碎性强的低活性无他助剂制备新型生物质水煤浆,作为替代重油用烟煤,限制了其在福建省多种地方工业中的直接于燃烧,以降低燃料成本,既提髙了无烟煤的燃烧应用。气化活性又降低了煤的用量,并且充分利用了生目前,采煤机械化程度的提高使粉煤的产量物质资源急剧增加,世界各国开发了以煤代油的新型洁净前期试验得出的生物质水煤浆具有良好的流燃料——煤浆燃料,种类主要有油煤浆、水煤浆、动性和稳定性,但还需进一步研究生物质水煤浆的油水煤浆、甲醇煤浆、生物质水煤浆。已开发的各燃烧特性,为其应用于工业生产作出评价。热重分析种煤浆一般都选用挥发分含量高、活性好的煤。甲是研究煤的燃烧特性最常用的方法之一,它利用热醇煤浆由于甲醇的来源限制以及成本高,使其开天平在一定气氛和一定程序升温的条件下,研究发应用受到限制。目前文献上査到的生物质水煤煤的重量随温度变化的规律—燃烧特性曲线收稿日期:201003-25。基金项目:福建省科技厅青年人才项目资助(2006F3070)作者简介:邓晖(1983-),男,福建明人,硕士,主要从事煤化T的研究工LE中国煤化工CNMHG通讯作者:林荣英(1972-),女,福建建瓯人,博士,副教授,主要从事煤化工、生切m配wus:y@fzu.edu.cn可再生能源0l1,29(2)从而确定煤的着火温度等,并且通过特征数据可时平行线的交点C所对应的温度T定义为着火以确定煤样的燃烧性能。利用TG-DIG直接确定温度。煤粉及其在不同条件下制得的生物质水煤浆在空本试验中,经 NETZSCH409测量的热分析曲气气氛下的着火点,具有快捷、简便的特点国。线即为TG曲线,其一阶导数即为DTG曲线,利试验内容用 NETZSCH409自带分析软件能够准确地确定1.1样品制备生物质水煤浆燃烧时的着火温度。试验采用的煤样为福建3种不同产地的无烟在3种福建无烟煤中,分别添加2.5%,3%和煤:大田无烟煤(DT)、永安无烟煤(YA)、龙岩无35%的生物质,以1%木质素磺酸钠作为分散剂烟煤(LY),煤样的工业分析和元素分析见表1。试制备生物质水煤浆,利用热天平在空气气氛下,以验选用3种阴离子分散剂:聚苯乙烯磺酸(PSS)、程序升温法进行燃烧试验,可以得到生物质水煤亚甲基萘磺酸盐甲醛缩合物(NSF)、木质素磺酸浆的重量随温度变化的燃烧特性曲线。以同样的钠(LS)。测试条件对生物质(水葫芦)进行热重分析,二者褒1煤样的工业分析和元素分析的燃烧特性曲线如图1所示。通过TG-DTG法可Table I Proximate analysis and ultimate analysis of coal以得到不同配比的生物质水煤浆的着火温度(表工业分析元素分析F M, A V va C H 0 N S2)。大田72.1004921.2826934473.321.232680.57043永安80.190.7113.722482908098140247064008物盾龙岩66730.9719075.887.3572.861693510.801.10制备生物质水煤浆的步骤如下:将新鲜水葫芦洗净,经120℃干燥24h后,通过德国 IKA AI1分析研磨机研磨,所得水葫芦粉状物作为生物质。30将无烟煤用球磨机研磨至粒度小于0.075mm,占10020030040050060070080075%,称取质量分数为55%的无烟粉煤,分散剂用温度量为整个试样质量的1%(质量分数)。将干燥研图1生物质水煤浆燃烧特性曲线(大田无烟煤Fig 1 Combustion characteristic curves for磨后的水葫芦按整个试样的2%,3%,35%(质Datian biomass-CWS量分数)掺入,其余为水,恒温25℃,搅拌速率为表2煤粉与不同配比生物质水煤浆的著火温度1200rmin,搅拌时间为10min,从而制得生物质Table 2 Kindling point of experimental coal and biomass水煤浆CWS of different biomass ratio1.2仪器及条件煤粉煤种添加剂生物质量采用德国 NETZSCH公司STA409PG热综合55379514.14965分析仪,根据热重技术检测生物质水煤浆燃烧过大田无烟煤5708NSF547.953535225程的失重曲线来研究和分析生物质水煤浆的燃烧PSs560254765303特性LS519.65151506.l测试条件:工作气氛为压缩空气,气体流量为永安无烟煤5897NSF5460538.52150ml/min,升温速率为15℃/min,终止温度为PSS569.2562.255874.15021499890℃mn,试样重量为(50±1)m龙岩无烟煤5903NF5134499.348552结果与讨论PSS5165509.0497.72.1燃烧特性分析由表2可以看出,添加生物质后,由不同产地2.11着火温度无烟煤制得的生物质水煤浆着火温度均小于煤粉本文应用TC-DTG联合定义法,即在DTG的着CHs中国煤化工加量的增加,着曲线上,过峰值点A作垂线与TG曲线交于一点火温CNMH,生物质着火B,过B点作TG曲线的切线,该切线与失重开始温度J及生物质煤浆的82邓晖,等生物质水煤浆燃烧特性及动力学分析着火温度,并且生物质的挥发分初析温度要远低式(4)即为 Coats- Redfern法的表达式。于煤的挥发分初析温度,能够使着火燃烧提Coats- Redfern法只需要一条热分析曲线就前。对煤的燃烧着火特性研究发现随着挥发分可以求得活化能的值,结合本试验利用热重分析含量的增加,着火点温度降低网。这主要是因为挥仪进行动力学测试得到热分析曲线,采用单一升发分越多就越能引燃煤颗粒;另外,挥发分析出改温速率法— Coast- Redfern法计算生物质水煤变了焦炭的相结构,使剩余焦炭呈多孔状,挥发分浆燃烧动力学参数。越多,剩下焦炭比表面积越大,与空气接触面积越222Fynn-Wal-Oawa法和 Friedman- Reich大,也就越容易点燃。在生物质水煤浆燃烧过程Levi法中,生物质着火温度以及挥发分初析温度均低于Flynn-Wll-0awa(FWO)法通过多条升温速煤浆,尽管无烟煤挥发分低,但是由于生物质的加率曲线确定动力学参数,是等转化率法、积分法的人,增加了挥发分含量,从而降低了生物质水煤浆一种。对式(4)进行移项积分,并采用 Doyle积分的着火温度并且,随着生物质添加量的增加着火近似后可得温度也随之降低。lg-gRG(a)/-2.315-04567(6)22燃烧动力学参数目前,等转化率法被认为是比较可靠的动力式(6)即为FWO法的表达式。 Friedman法是学分析方法,包括 Friedman法 Kissinger- Akahi种无模式法,与FWO相似,也是通过多条升温ra- Sunos法以及 Flynn-Wa- Ozawa法等。速率曲线确定动力学参数,但不需要进行积分近动力学分析方法主要分为两大类,一类是基似,属于微分法。由式(4)移项取对数即可得于阿累尼乌斯公式如上述几种方法;另外一类是 Friedman方程:不基于阿累尼乌斯公式。前一类方法通过对基本1m=mMa)勺(7)公式进行整理,可以得到积分法(如单条升温速率取同一反应深度α,找到不同升温速率β对曲线的 Coats- Redfern法以及多条升温速率曲线应的(da/dT)以及温度T,对1T作图,由直线斜的 Flynn-Wall-Ozawa法等)和微分法(如 Kissinger率得到活化能E,同时也可以得到活化能随反应法以及 Friedman- Reich-lev法等)两类。深度的变化趋势。22.1 Coats- Redfern法根据 Coast- Redfern法的基本原理,假设水煤描述动力学问题,一般可采用下面的方程如=a)浆的反应级数n=1时,ln对1/T作图应为直线,斜率为-ER,可以得到表观活化能式中:t为时间,s;a为失重率,%;a为转化率;f(a)为动力学机理函数E。其直线的方程式可表达为h(=2由阿累尼乌斯方程可知:k=Aexp(-E/RTb·,其中a=hn(ABβE),b=E/R。令Y=式中:A为指前因子;E为表观活化能,Jmd;l=a)1,x=1r,则ya+bx,求出活化能E。R为气体常数,R=8.314J/(moK);k为反应速率以LS为分散剂,生物质添加量为35%时制常数;T为热力学温度K。得的生物质水煤浆为例,根据TG曲线的特征数联合式(1)和式(2),并由升温速率β=dTd,据进行燃烧动力学曲线拟合得到图2。3种福建可得无烟煤在不同生物质添加量以及不同分散剂种类dr B exp(-E/RT)f(a)(3)配比下得到的生物质水煤浆的燃烧动力学参数,假设∫(a)=(1-a)",可得见表3。da(4)中国煤化工P无烟煤原煤的燃烧式中:B为升温速率K/min;n为反应级数。有很HCNMHG以看出,与x094以上,表83可再生能骠2011,29(2)120-13513.514015.015.51.01.l1.213141.51000T/K4000T/K图2生物质水煤浆燃烧动力学拟合曲线Fig2 Linear fit curves of biomass-CwS表3生物质水煤浆燃烧动力学参数( Coast-- Redfern法)明生物质水煤浆燃烧动力学可用一级反应表示。Table 3 Kinetic analysis results of biomass-CWS生物质水煤浆表观活化能的大小顺序为大田无烟Coast-Redlfern method)煤分散水葫芦燃烧动力学煤>龙岩无烟煤>永安无烟煤。对比表3,4可以看活化能相关系数种剂含量出,添加生物质后,3种无烟煤制备的生物质水煤5gY=-872l.05X4.03777247150.9441浆表观活化能明显低于原煤。由此可知,从燃烧性6gY=-753446x-5.16076261170.9600能来说,利用水葫芦干燥研磨后直接掺混水煤浆7gy=7117.69X-5.52125914810.9726制备生物质水煤浆是可行有效的。5gY=-9129.79X-386037586860.94633结论NSF6g￥=-8190.93x476446806640.9606在3种福建无烟煤中添加生物质制备的生物7gY=-7473.65X-541476210640.96035gY=-9347.89X-3.926077681009470质水煤浆,其表观活化能明显低于原煤生物质水煤Rs6gY=-915571X-4.02627599230.9447浆着火温度都随着水葫芦量的增加而降低。由此可7gY=-8870.81X-3.907273.71630.9653见,在水煤浆中适当地加入生物质对其燃烧性能5gy=-7349.26x-54789610727是有利的,能够解决福建无烟煤着火难的问题6g￥=-7053.86X-5.70795861790.94527ga675696x-5.941656.15070.9614参考文献:5gY=-77793X-5.56086463430.9549[刘世义生物质水煤浆及其相关技术(上小节能与环YANSF6gY=-732397X-61513608624095727gy=677098X-6.234956.26700.9465[2]邓晖,生物质水煤浆的研制[D福州:福州大学,20105gY=-892106X-4.9362741343[3]方立军,高正阳,阎维平利用热天平对电厂混煤燃尽Ps6g￥=-851899X-4.961770.79290.9532特性的试验研究U华北电力技术,2001(1):7-97gY=-8128.05X-537426754450.94264]喻秋梅,庞亚军,陈宏国煤燃烧试验中着火点确定方5gF=-825857X-4.600868629009406法的探讨华北电力技术,2001(7):9-10.Ls6gY=-747691X-5200762133009555[5]周军,张海,吕俊复不同升温速率下石油焦燃烧特性7gy=6911.15x-5.68575743120.9407的热重分析门煤炭转化,2006,29(2):3943.5gY=-80113x-4.737666.577209748[6]邹学权,王新红,武建军等用热重-差热-红外光谱技术NSF6gy=-7703.50X-4884964016109767研究煤粉的燃烧特性煤炭转化,2003,26(1):71-737gY=-734582X-522156104360.97817]朱瑞,黄定国,吴玉敏,等新型黑液水煤浆的燃烧特5gY=-9145.55X-3464075999909831性及动力学分析[小煤炭转化,2007,30(3):49-52Fs6gy=-8866.86X-3650473.68390.9749[8]胡文斌,杨海瑞,吕俊复煤着火特性的热重分析研究7gY=-833777X-4092769.28710.9855门电站系统工程,2005,21(2):8-9,12.表4福建无烟煤原煤燃烧动力学参数9]宋国庆,王志珣生物质与煤混燃研究分析卩应用能Table 4 Kinetic analysis results of Fujian anthracites源技术,2008(4):19-21煤种燃烧动力学方程[0]赵卫东,刘建忠,张保生,等水焦浆燃烧动力学参数DTY=-1266671X-1.79410.94651053110中国煤化工刘8.28(30):559YAy=-1204978X-2.724409423[l1究工业废水水煤LYy=-128605X-1.38050.97111068678CNMH2002,30(11):7-9