王春波， 王金星， 雷 鳴

（華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，保定 071003）

在生物質(zhì)利用技術(shù)中，純生物質(zhì)直燃技術(shù)存在效率低、區(qū)域性以及難以大型化等問(wèn)題.在燃煤電廠中，利用原有燃煤鍋爐對(duì)生物質(zhì)和煤粉進(jìn)行混燃，相對(duì)于純生物質(zhì)燃燒技術(shù)，不僅提高了生物質(zhì)利用率，而且能夠?qū)崿F(xiàn)大型化且易于靈活調(diào)節(jié)，具有十分廣闊的應(yīng)用前景［1］.我國(guó)華電十里泉電廠是一個(gè)比較成功的采用煤粉與生物質(zhì)混燃發(fā)電的示范.

在煤粉與生物質(zhì)混燃中，燃料的著火特性是影響其燃燒效果的關(guān)鍵因素.近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外科研工作者針對(duì)燃料著火特性進(jìn)行了大量研究工作.Otero等［2］利用（TG－MS）方法發(fā)現(xiàn)糞肥生物質(zhì)與煤共燃可以有效降低著火溫度，改善煤的燃燒性能，Haykiri－Acma等［3］也得出了類似結(jié)論.Li Qingzhao等［4］利用熱重分析儀對(duì)氧氣質(zhì)量濃度、燃料顆粒大小以及加熱速率對(duì)燃燒的影響進(jìn)行了深入研究.王玉召等［5］和Lester等［6］分別采用燃燒特性參數(shù)判定的方法對(duì)生物質(zhì)與煤混燃著火特性進(jìn)行判定，得出了隨著生物質(zhì)摻混比的增大，燃料的著火溫度和燃盡溫度都有所降低的結(jié)論.此外，還有其他一些科研工作者也對(duì)燃料的著火特性進(jìn)行了很多有益的探索［7-9］.

雖然針對(duì)煤粉和生物質(zhì)的著火特性已有很多研究成果，但研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的一些新問(wèn)題表明，尚有大量的研究工作需要深入開(kāi)展，如目前研究著火特性常用的方法是逐漸升溫的熱重法（TGA），又例如Gil等［10］利用逐漸升溫的方法進(jìn)行了煤粉與生物質(zhì)混燃的試驗(yàn)研究，得到了揮發(fā)分析出的溫度區(qū)間及固定碳開(kāi)始燃燒的溫度區(qū)間.Wang Cuiping等［11］利用升溫?zé)嶂胤▽?duì)煤與生物質(zhì)混燃著火特性進(jìn)行了研究，定性地判定出混合物燃燒的難易程度.由于傳熱、傳質(zhì)方面的差異，采用逐步升溫的方法對(duì)煤粉和生物質(zhì)混燃的著火特性進(jìn)行研究有一定的局限性，尤其在低溫條件下尤為明顯，如逐步升溫的方法未考慮升溫到所要求的溫度時(shí)前面升溫過(guò)程的影響.考慮到在工程實(shí)際上，燃料是噴入爐內(nèi)突然在高溫環(huán)境下著火和燃燒的，因此應(yīng)盡可能在真實(shí)工況下研究燃料的著火特性.筆者用恒溫?zé)嶂胤椒▽?duì)煤粉和生物質(zhì)低溫著火特性進(jìn)行分析，目的是在更真實(shí)的工況下獲得煤粉和生物質(zhì)低溫下的著火特性.

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)和樣品

圖1為管式爐恒溫?zé)嶂卦囼?yàn)系統(tǒng)示意圖.在圖1中，溫控儀的溫度控制范圍為0～1300℃.空氣采用氣泵供應(yīng)，氣泵的流量為1L／min.瓷舟的尺寸為7cm×1cm.筆者采用自制的質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)試樣質(zhì)量信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè).質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的傳感器精度為0.1mg.管式爐恒溫?zé)嶂卦囼?yàn)系統(tǒng)中的熱電偶與溫控儀相連，當(dāng)爐溫穩(wěn)定后可以認(rèn)為恒溫.

圖1 管式爐恒溫?zé)嶂卦囼?yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Diagram of the tube furnace constant－temperature thermogravimetric system

在試驗(yàn)中，選取3種典型煤種：無(wú)煙煤、塔山煙煤和印尼褐煤，煤粉粒徑為0.12～0.18mm；生物質(zhì)為玉米芯、玉米秸稈和樹(shù)皮，粒徑為0.12～0.18 mm.表1給出了煤和生物質(zhì)試驗(yàn)樣品的工業(yè)和元素分析.試驗(yàn)樣品的灰成分分析見(jiàn)表2.

表1 煤和生物質(zhì)樣品的工業(yè)和元素分析Tab.1 Ultimate and proximate analysis of coal and biomass samples

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)時(shí)，先向管式爐內(nèi)通入流量為1L／min的空氣，同時(shí)將管式爐升溫至設(shè)定溫度，待反應(yīng)區(qū)域溫度恒定后，取（0.1±0.005）g的試樣均勻平鋪于長(zhǎng)7cm、寬1cm的瓷舟底部，將瓷舟支架沿金屬導(dǎo)軌迅速送入管式爐內(nèi)恒溫區(qū)域，并利用質(zhì)量監(jiān)測(cè)軟件對(duì)試樣的質(zhì)量信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè).重復(fù)性試驗(yàn)表明，在同一工況下，同一試樣的試驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差均小于2%.此外，多次不同流量的試驗(yàn)表明，向管式爐內(nèi)通入1L／min的氣體流量已經(jīng)能消除反應(yīng)過(guò)程中氣體擴(kuò)散的影響.

表2 煤和生物質(zhì)樣品的灰成分分析Tab.2 Ash analysis of coal and biomass samples %

2 結(jié)果與討論

為了便于描述試樣的燃盡程度，引入可失重額余量η，它是除灰分以外試樣燃燒過(guò)程中剩余質(zhì)量占原試樣中該部分質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)，定義為

式中：η為可失重額余量，%；m0為試樣的初始質(zhì)量，g；mt為試驗(yàn)過(guò)程中的試樣質(zhì)量，g；m∞為試樣中的灰分質(zhì)量，g.

2.1 摻混比的影響

生物質(zhì)的摻混比是影響煤與生物質(zhì)混燃時(shí)著火特性的主要因素.在450℃恒溫條件下，分別測(cè)量了無(wú)煙煤、玉米芯及其摻混比分別為9∶1、8∶2和7∶3等5種情況下試樣的著火特性（見(jiàn)圖2）.

圖2 450℃下不同摻混比無(wú)煙煤與玉米芯試樣的著火特性Fig.2 Ignition characteristics of anthracite／corncob blends at different blending ratios at 450℃

從圖2可知，摻混比對(duì)煤粉與生物質(zhì)混燃時(shí)著火特性的影響呈現(xiàn)出以下特征：（1）在反應(yīng)初始階段，摻混比增大后，可失重額余量的失重速率顯著加快，如在500s時(shí)，無(wú)煙煤的可失重額余量約為90%，而摻混10%玉米芯后試樣的可失重額余量下降為70%左右，這是由于玉米芯的揮發(fā)分含量高且易析出，燃燒放出的熱量促進(jìn)了煤粉中揮發(fā)分的析出和隨后部分焦炭燃燒造成的.（2）無(wú)煙煤在反應(yīng)開(kāi)始2000s后仍未能燃盡，甚至當(dāng)玉米芯摻混比達(dá)到30%時(shí)也未能燃盡.結(jié)合表1中的工業(yè)分析可知，此時(shí)的試樣應(yīng)為無(wú)煙煤揮發(fā)分析出燃燒后剩余的焦炭，表明雖然玉米芯的加入加快了試樣燃燒反應(yīng)初期的失重速率，但由于玉米芯很快燃盡，燃燒放熱很快損失，此外反應(yīng)溫度較低，因此剩余的焦炭很難在該溫度下著火燃燒.

為了進(jìn)一步獲得恒溫條件下?lián)交毂葘?duì)煤粉與生物質(zhì)混合物在低溫段著火特性的影響規(guī)律，選取另外2個(gè)溫度500℃和550℃，并對(duì)混合物的著火特性進(jìn)行了試驗(yàn)（見(jiàn)圖3）.

圖3 500℃、550℃下不同摻混比無(wú)煙煤和玉米芯試樣的著火特性Fig.3 Ignition characteristics of anthracite／corncob blends at different blending ratios at 500℃and 550℃

從圖3可知，在500℃和550℃恒溫條件下無(wú)煙煤與玉米芯不同摻混比時(shí)的著火特性呈現(xiàn)出與450℃恒溫條件下（圖2）類似的趨勢(shì)：隨著玉米芯摻混比的增大，在反應(yīng)前期試樣的失重曲線明顯左移，在反應(yīng)后期不同摻混比失重曲線之間的差別逐漸變小.綜合圖2和圖3可得出：在反應(yīng)初期，生物質(zhì)摻混比的增大能夠明顯改善煤粉與生物質(zhì)混合物的著火特性；但在反應(yīng)后期，由于生物質(zhì)在反應(yīng)初期已經(jīng)燃盡，因此對(duì)殘焦的燃燒和燃盡影響較小.通過(guò)對(duì)圖2和圖3的比較還可以發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高，無(wú)煙煤與玉米芯混合物的失重曲線逐漸向左移動(dòng)，說(shuō)明溫度對(duì)混燃著火特性也有顯著影響.

2.2 溫度的影響

為了更全面地研究溫度對(duì)煤粉與生物質(zhì)混燃時(shí)低溫著火特性的影響，分別對(duì)450℃、500℃、550℃和600℃恒溫條件下無(wú)煙煤摻混20%玉米芯試樣的著火特性進(jìn)行了對(duì)比與分析（見(jiàn)圖4）.

圖4 不同溫度下80%無(wú)煙煤＋20%玉米芯試樣的著火特性Fig.4 Ignition characteristics of 80%anthracite and 20%corncob blends at different temperatures

從圖4可知，溫度對(duì)煤粉與生物質(zhì)混燃低溫著火特性的影響主要表現(xiàn)在：（1）溫度升高總會(huì)加快試樣的燃燒失重速率，特別會(huì)加快試樣反應(yīng)初期的燃燒失重速率，這是由于溫度升高加快了生物質(zhì)與煤粉揮發(fā)分的析出［12-13］，而析出揮發(fā)分的燃燒放熱又進(jìn)一步加快了剩余煤與生物質(zhì)的熱解，因而使低溫段時(shí)煤粉與生物質(zhì)混合物的著火特性得到改善.（2）450℃和500℃恒溫條件下，在2000s內(nèi)試樣始終未能燃盡.但當(dāng)溫度高于550℃時(shí)，試樣不僅燃盡且燃盡時(shí)間隨著溫度的升高而逐漸縮短.（3）焦炭的燃燒是影響煤粉與生物質(zhì)混合物后期燃燒速率的關(guān)鍵因素.溫度升高有利于揮發(fā)分的析出與燃燒，揮發(fā)分的析出與燃燒釋放出大量的熱又促進(jìn)了固定碳的燃燒，從而加快了焦炭的燃盡；另外，溫度升高也減少了焦炭燃燒所需要的熱量.

2.3 煤種的影響

試驗(yàn)結(jié)果表明，揮發(fā)分對(duì)煤粉與生物質(zhì)混燃時(shí)的著火特性有很大影響.為了獲得更全面的煤粉與生物質(zhì)混燃時(shí)的低溫著火特性，筆者對(duì)無(wú)煙煤、塔山煙煤和印尼褐煤3種揮發(fā)分差異較大的煤種與生物質(zhì)混燃時(shí)的低溫著火特性進(jìn)行了研究.圖5給出了450℃下不同煤種摻混20%玉米芯時(shí)混合物的著火特性.

從圖5（a）可以看出，3種煤的失重曲線差異很大.當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行2000s后，無(wú)煙煤和塔山煙煤均未能燃盡且無(wú)煙煤的未燃盡程度較高，而印尼褐煤在不到900s時(shí)就已燃盡.由表1可知：無(wú)煙煤的揮發(fā)分含量最低，印尼褐煤的揮發(fā)分含量最高，塔山煙煤介于二者之間.顯然，煤種揮發(fā)分含量的差別是造成不同煤種未燃盡程度差異的主要原因.揮發(fā)分含量高的煤種，反應(yīng)活性高，較易燃盡，因此在較短時(shí)間內(nèi)即可燃盡，而揮發(fā)分含量低的煤種，在其揮發(fā)分析出燃盡后，若反應(yīng)溫度不夠高，則剩余的焦炭很難著火燃燒.摻混玉米芯后，3種煤的低溫著火特性均得到了不同程度的改善，其中無(wú)煙煤最為明顯.但在20%玉米芯摻混比下，反應(yīng)結(jié)束時(shí)無(wú)煙煤和塔山煙煤仍未能燃盡，而印尼褐煤的燃盡時(shí)間卻進(jìn)一步縮短，這與前面得出的摻混生物質(zhì)能夠改善試樣的著火特性和燃盡特性的結(jié)論相符.

圖5 450℃下不同煤種摻混20%玉米芯時(shí)混合物的著火特性Fig.5 Ignition characteristics of different kinds of coal blended with 20%corncob at 450℃

2.4 生物質(zhì)種類的影響

工程實(shí)際中摻燒生物質(zhì)種類的多樣性決定了研究生物質(zhì)種類對(duì)煤粉與生物質(zhì)混燃時(shí)低溫著火特性影響的必要性.為此，筆者對(duì)玉米芯、玉米秸稈和樹(shù)皮3種常見(jiàn)生物質(zhì)與煤粉混燃時(shí)的低溫著火特性進(jìn)行了研究和分析.

圖6給出了450℃下無(wú)煙煤摻混20%不同生物質(zhì)時(shí)的著火特性.從圖6可知，不同煤種摻混生物質(zhì)均會(huì)改善試樣的著火特性，圖6中的失重曲線均向左移動(dòng).但是，3種不同生物質(zhì)對(duì)煤粉著火的促進(jìn)作用卻不盡相同：玉米芯對(duì)混燃時(shí)著火特性的促進(jìn)作用最明顯，玉米秸稈居中，樹(shù)皮的促進(jìn)作用最弱.結(jié)合3種生物質(zhì)的工業(yè)分析可以發(fā)現(xiàn)：在初始階段，試樣燃燒反應(yīng)速率的快慢與3種生物質(zhì)揮發(fā)分和水分的量成正比，這是由于在反應(yīng)的初始階段，試樣的失重以水分蒸發(fā)和揮發(fā)分的析出與燃燒為主造成的.從3種生物質(zhì)的工業(yè)分析還發(fā)現(xiàn)，樹(shù)皮的灰分含量最高，玉米芯的灰分含量最低，玉米秸稈介于二者之間.在燃燒后期，摻混生物質(zhì)的灰分含量越高，對(duì)煤粉燃燒的促進(jìn)作用越差，這可能是由于生物質(zhì)灰分容易堵塞焦炭孔隙［14］，因而減小了燃燒反應(yīng)表面積，降低了氣體擴(kuò)散速率，最終阻礙了剩余焦炭的燃盡.

圖6 450℃下無(wú)煙煤摻混20%不同生物質(zhì)時(shí)的著火特性Fig.6 Ignition characteristics of anthracite blended with 20%biomass of different kinds at 450℃

3 燃燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

由質(zhì)量作用定律得到如下反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程

式中：α為轉(zhuǎn)化率，%；t為燃燒進(jìn)行的時(shí)間，s；A為指前因子，1／s；E 為活化能，kJ／mol；R 為氣體常數(shù)，Pa·m3／（mol·K）；T 為絕對(duì)溫度，K；n為反應(yīng)級(jí)數(shù).

采用lnln分析法，反應(yīng)級(jí)數(shù)取n＝1［15］，對(duì)式（2）進(jìn)行積分得

式中：Z為某一常數(shù).

由式（3）求得不同恒定溫度下的ln K.在較小的溫差區(qū)間內(nèi)，活化能E和指前因子A可以近似看做定值，進(jìn)而求得不同溫度區(qū)間的活化能E和指前因子A.

燃燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)計(jì)算選取的時(shí)間范圍為開(kāi)始著火和燃盡時(shí)刻之間，這個(gè)過(guò)程包括揮發(fā)分的析出和焦炭的著火.表3列出了經(jīng)計(jì)算得到的試樣的燃燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù).

表3 試樣的燃燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)Tab.3 Calculated kinetic data for various samples

由表3可知：隨著試樣中玉米芯摻混比的增大，試樣的活化能值在2個(gè)溫度區(qū)間均呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)，說(shuō)明隨著玉米芯摻混比的增大，混合物的著火難度逐漸降低，試樣更容易著火.此外，試樣在不同溫度區(qū)間的活化能不同.對(duì)于同一試樣，溫度區(qū)間越大，活化能值越小，說(shuō)明試樣在高溫區(qū)間的著火越容易.

4 結(jié) 論

（1）隨著生物質(zhì)摻混比的增大，試樣的活化能逐漸降低，反應(yīng)速率加快且燃盡程度提高.溫度升高，試樣的活化能逐漸降低，著火更容易，燃盡程度提高或燃盡時(shí)間縮短.

（2）摻混生物質(zhì)對(duì)難燃煤種著火特性的影響比對(duì)易燃煤種更加明顯.對(duì)于某一煤種，摻混水分和揮發(fā)分含量高的生物質(zhì)，在反應(yīng)初期失重較快，摻混灰分高的生物質(zhì)，在反應(yīng)后期對(duì)燃燒的促進(jìn)作用不明顯.

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