草本类生物质与烟煤混烧特性及其影响因素分析

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引
言
在大型燃煤电厂进行生物质与煤的混合燃烧， 不仅可以提高生物质的利用效率，节约煤炭资源， 减轻污染，同时设备不需要进行太大的改动，降低 了投资费用[1-3]。因此，将生物质与煤合理地结合起 来，对于利用中国的生物质能和煤资源以及减轻环 境污染具有重要意义，符合中国可持续发展的战略 要求。研究生物质与煤混烧的燃烧特性参数，将对 促进燃料的高效燃烧提供一定的指导意义。 相关文献分别对坚果壳类生物质的热解特性 进行了试验研究[4-6]。朱孔远等[7]对 4 种常见天然生 物质和 2 种烟煤在高纯 N2 条件下的热解特性进行 了研究，分析粒度和升温速率对热解特性的影响。 董信光等[8]对麦秆、玉米秆、棉秆和杨木屑分别与 无烟煤、烟煤的混合热解特性进行试验研究。棉花
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农业工程学报
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结果与分析
2.1 混烧过程热重（TG）曲线 通过试验可以得到各混烧样品在升温速率 分 别为 10、30、50、70 和 90℃/min 工况下的燃烧过 程 TG 曲线。限于篇幅，这里仅列出部分工况下的 TG 曲线。 图 1a 和图 1b 分别表示 60%甜菜根、 60% 柳枝稷混合样品在不同升温速率下的 TG 曲线，图
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第 28 卷 2012 年
第 21 期 11 月
农 业 工 程 学 报 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering
Vol.28 No.21 Nov. 2012
草本类生物质与烟煤混烧特性及其影06-01 修订日期：2012-10-11
基金项目：国家自然科学基金（50776007） 作者简介：刘翔（1986－） ，男，安徽桐城人，主要从事生物质燃烧及 利用研究。北京 北京交通大学机械与电子控制工程学院，100044。 Email: 10121583 @ ※通信作者：陈梅倩（1965－） ，女（回族） ，河南南阳人，北京交通大 学机电学院教授，博士，博士生导师，主要从事生物质干燥、燃烧及利 用研究。北京 北京交通大学机械与电子控制工程学院， 100044 。 Email:mqchen@
Fig.1
图 1 生物质与烟煤混烧的 TG 曲线 TG curves of co-combustion of biomasses and bituminous coal
Cb (d m / d t )max 106 Ti 2
（3）
着火温度：通过 TG-DTG 曲线作图法得到，即 在 DTG 曲线的峰值点作垂线与 TG 曲线相交一点， 过此点作 TG 曲线的切线，该切线与失重开始时平 行线的交点即为着火温度。对于多峰值，通常选取 第一峰值进行作图。着火温度是一项体现样品着火 性能的指标。 混合样品及纯生物质、 烟煤的上述燃烧特性指标 通过试验获得的 TG 及 DTG 曲线由上述方法确定。
其中， (dm/dt)max 为最大燃烧速率， mg/min； (dm/dt)m 为平均燃烧速率，mg/min；Ti 为着火温度，℃；Tf 为燃烬温度， ℃； Tmax 为最大燃烧速率对应的温度， ℃；TS 为挥发分初析温度，℃；ΔT1/2 为半峰温度， ℃。 挥发分初析温度：DTG 曲线上对应失重率为 0.1 mg/min 的温度。挥发分初析温度通常作为挥发 分的析出阶段分界点。 燃尽指标 Cb（mg/(min ℃2)）用于判别燃料的 可燃性，定义式为[31]
（北京交通大学机械与电子控制工程学院，北京 100044） 摘 要：为了研究草本类生物质与烟煤的混烧特性，在空气气氛下分别对甜菜根、柳枝稷与烟煤的混烧特性进 行热重试验，分析升温速率和质量配比对混烧特征参数的影响，并与纯烟煤的燃烧特征进行比较。结果表明： 混合样品的着火温度远低于烟煤，但略高于纯生物质的着火温度，随着升温速率的提高，混合燃料着火温度逐 渐提高。当生物质质量比例大于 20%时，提高升温速率才能有效提高混烧样品的挥发分释放性能和综合特性指 数，升温速率一定，生物质质量比例越大，混烧样品的挥发分释放特性指数和综合特性指数也越大，生物质质 量比例为 80%，升温速率为 50℃/min 时，混合样品有较好的燃烧性能。在 10~90℃/min 的升温速率范围内，柳枝 稷混烧样品的燃烧特征参数均大于甜菜根混烧样品。研究结果可以为生物质与烟煤混合燃料的高效燃烧提供参 考。 关键词：生物质，煤，燃烧特性，升温速率，质量配比 doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2012.21.028 中图分类号：TQ517 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2012)-21-0200-08 刘 翔， 陈梅倩， 余 冬， 等. 草本类生物质与烟煤混烧特性及其影响因素分析[J]. 农业工程学报， 2012， 28(21)： 200－207. Liu Xiang, Chen Meiqian, Yu Dong, et al. Analysis of influence factors on co-combustion characteristics of bituminous coal with herbal biomass[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(21): 200－207. (in Chinese with English abstract)
1c、图 1d 分别表示在升温速率为 10℃/min 时，不 同 配 比 混 烧 样 品 的 TG 曲 线 。 定 义 失 重 率 为 =(m0− m)/m0 ， w=1− 表示某时刻剩余样品质量分 数，式中 m0 为样品的起始质量，g；m 为任意时刻 剩余样品的质量，g；当 m 为燃尽时刻对应的质量 时，即为燃尽率。
中 20% 甜菜根表示样品中甜菜根的质量分数为 20%，烟煤的质量分数为 80%，其他类推。
表 1 样品工业分析 Table 1 Proximate analyses for samples
燃料名称 烟煤[26] 20%甜菜根 40%甜菜根 60%甜菜根 80%甜菜根 甜菜根 20%柳枝稷 40%柳枝稷 60%柳枝稷 80%柳枝稷 柳枝稷 水分 2.72 4.89 6.49 6.57 6.77 9.37 5.49 5.60 5.99 6.30 7.58 挥发分 22.42 50.10 51.35 66.14 67.63 71.88 49.80 50.29 68.13 71.70 76.25 灰分 29.16 14.47 13.99 8.96 8.95 2.30 19.58 18.71 12.39 9.00 3.20 固定碳 45.70 30.54 28.17 18.33 16.65 16.45 25.13 25.40 13.49 13.00 12.97
（ 1） （2）
1
材料与方法
d m / d t max
Tmax Ts T1/ 2
1.1 试验仪器与试验方案 采 用 瑞 士 Mettler Toledo 公 司 生 产 的 TGA/SDTA851 型热天平，精度为 1 μ g、0.01℃， 最高温度 1 100℃。燃烧热重试验时，样品每次称 量 10 mg，试验温度范围为 50～800℃，升温速率 分别选取 10、30、50、70 及 90℃/min，生物质与 烟煤的质量配比为 20%、40%、60%及 80%，空气 流 量 为 60 mL/min ， 保 护 性 气 体 氮 气 流 量 为 20 mL/min。 2 种气体都以 0.1 MPa 的恒定压力流入， 以使燃烧处于大气压环境下[26]。工业分析试验时， 先通纯氮气 10 min，以保证样品热解时处于惰性气 氛中，然后称取样品 10 mg，从 25℃开始升温，保 持氮气流量 40 mL/min，到温度 105℃时，保持 20 min，继续通氮气，保持氮气流量 40 mL/min，直到 900℃，恒温 10 min，此时改烧流量为 40 mL/min 氧气，恒温 20 min[27]。 选用草本类中的甜菜根和柳枝稷成型生物质 燃料及大同烟煤。美国奥克兰大学燃烧实验室提供 甜菜根、柳枝稷成型草木类生物质燃料，以便在后 续研究中与国内同类生物质燃烧特性进行比较。将 其粉碎至粒径范围为 0.2～0.6 mm，按比例配好后， 通过试验测得各样品的工业分析，如表 1 所示，表
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翔等：草本类生物质与烟煤混烧特性及其影响因素分析
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更能提高烟煤的燃烧性能。 Haykiri-Acma 等[22]对向 日葵种子、榛果实及褐煤混合样品在空气气氛下混 烧特性进行了试验研究，混烧生物质增加了混和样 品的燃尽率。Liao 等[23]研究了造纸污泥、半无烟煤 及其混合物的燃烧特性，发现在高升温速率下，挥 发分释放过程更早。罗娟等[24]对 8 种典型生物质颗 粒燃料进行试验研究，发现挥发份含量越高，含水 率越低，SO2、NOx 等污染物排放质量浓度远低于 国家标准，但存在着部分生物质颗粒燃料灰分含量 过大、结渣严重等问题。Varol 等[25]研究了栎树片、 油橄榄饼、榛实壳和土耳其褐煤的混烧特性，发现 随着混烧物中生物质比例的增加，混烧物的着火温 度非常接近生物质的着火温度。综上所述可以看 出， 国内外对纯生物质的热解、 燃烧特性研究较多， 生物质与煤的混烧特性研究主要集中在热解、燃烧 产物分析，或集中在热重曲线和微商热重曲线的表 相讨论，对于质量配比、升温速率及生物质种类对 混烧特性的影响研究较少。 本文对甜菜根和柳枝稷 2 种成型草木类生物质 燃料，分别与烟煤混合并进行燃烧特性的试验研 究，分析升温速率和质量配比对混烧特征参数的影 响，并与纯生物质和纯烟煤的燃烧特征进行比较， 为燃料的高效燃烧提供一定的基础数据。
秸秆、城市固体废物等与烟煤混合在 N2、Ar、CO2 等惰性气氛中热解，其中生物质含量对气体产物的 生成量影响较大[9-12]。 Philip 等[13]对稻壳和竹子分别 与煤的混烧特性进行了研究，发现生物质比例为 10%～30%时，CO、CO2、NOX 及 SO2 的排放量较 少。Wang 等[14]发现当小麦秸秆与无烟煤的质量比 例为 3∶2 时，SO2 和 NOx 的排放量最低。Otero 等[15] 发现污泥与煤混烧时 CO2 排放量比 SO2 排放量多。 孙俊威等[16]利用热重分析法对稻壳、 麦秆、 松木屑、 阳泉煤及其混合物的燃烧特性进行分析。马爱玲等[17] 利用热重-傅里叶红外光谱联用技术对生物质、 煤及 其混合物的燃烧过程及燃烧产物进行分析，研究生 物质比例、升温速率等对燃烧过程的影响，发现提 高生物质比例，可以提高燃料利用率，提高升温速 率，可以提高生物质与煤混合物的燃烧速度。王玉 召等 [18] 利用热重分析仪研究了冷压成型生物质麦 秆与煤混燃的燃烧特性，结果表明掺入生物质有助 于改善煤的燃烧特性。孙迎[19]利用热分析仪研究了 生物质与煤的混烧特性，加入麦秆可有效降低贫煤 的着火温度。王宪红[20]应用热分析技术研究了 6 种 常见生物质与煤的混烧特性，分析生物质种类、升 温 速率 和混合 比例 等对样 品燃 烧特性 的影 响 。 Marisamy 等[21]采用热分析法研究了木材、 城市固体 废物与烟煤的混烧特性，发现城市固体废物比木材