白浩隆，馮 強，宋 華

(兗礦集團潔凈煤技術工程研究中心，山東 鄒城 273500)

1 引 言

長期以來，我國北方地區(qū)冬季供熱以煤為主要燃料。近年來，由于國家潔凈煤補助政策的推行，無煙煤和型煤的年消耗量比重明顯提高，但煙煤在民用燃煤取暖中仍占很大比重[1-2]。另一方面，作為一個農(nóng)業(yè)大國，我國可利用的生物質(zhì)能資源如農(nóng)作物稻桿、玉米秸桿、小麥桿等來源豐富、成本低、容易獲取[3]，很大一部分被直接焚燒或低效能的應用，造成能源的極大浪費[4]。因此研究中國生物質(zhì)潛能，對促進中國能源健康發(fā)展有著重要的意義[5]。生物質(zhì)具有可再生、量大、來源廣泛等優(yōu)點，而煙煤在我國民用供暖中發(fā)揮著重要的作用，將生物質(zhì)與煙煤兩種能源混合使用，解決生物質(zhì)能量密度低[6]、煙煤污染物排放高[7]等缺點，對于推動我國采暖領域的清潔化水平意義重大。劉豪等[8]將葉、枝與煤按不同比例混合在熱重儀中進行了燃燒動力學分析，表明燃燒階段服從一級反應。祁娟等[9]利用濕法成型技術嘗試將生物質(zhì)與無煙煤混合壓制成生物質(zhì)—煤混合型煤，煤和生物質(zhì)碳化后成型用作民用燃料，能夠提升燃燒效率，減少污染物排放，PM2.5排放因子分別比原煤型煤和生物質(zhì)型料降低89%和80%。劉亮等[10]、劉生玉等[11]均對煙煤的熱解特性和燃燒特性進行了動力學研究，熱重實驗結(jié)果表明，煙煤熱解存在明顯的熱解段和燃燒段。王霞等[12]研究了生物質(zhì)熱解的揮發(fā)分和煤焦之間的相互作用效果和機理。本文結(jié)合前人實驗分析經(jīng)驗，從污染物排放特性和燃燒動力學兩方面針對煙煤和生物質(zhì)混燒的情況進行分析研究，對比優(yōu)劣勢，取長補短，旨在將兩種燃料有機的結(jié)合使用，以拓寬民用散煤治理技術路線，為煙煤和生物質(zhì)的清潔化利用提供參考依據(jù)。

2 實驗設備及測試系統(tǒng)

2.1 燃燒樣品及熱風爐測試系統(tǒng)

參與燃燒實驗的煙煤樣品，是將準備好的煙煤煤粉磨至200目，摻少量水，并用壓煤機制成6 mm直徑棒狀煤燃料。實驗用生物質(zhì)樣品是市場上隨機購置的生物質(zhì)燃料(直徑6 mm)。兩種燃料在美國進口熱風爐Harman P43(如圖1)中進行燃燒對比實驗，在爐具尾部煙囪中開孔，利用MRU紅外煙氣分析儀測試SO2、NOx、煙塵等污染物排放情況。該爐具采用螺旋給料，燃燒器采用下進料方式。利用德國MRU MGA5紅外煙氣分析儀對熱風爐進行煙氣數(shù)據(jù)測試，采樣管線全程伴熱。煙塵測試儀器為青島聚創(chuàng)環(huán)保設備有限公司的JCF-1000直讀式煙塵測試儀。

圖1 Harman P43熱風爐

2.2 熱重樣品及測試條件

樣品與參與熱風爐系統(tǒng)燃燒實驗的樣品為同一批次，分別將生物質(zhì)燃料和煙煤燃料磨至200目以下，將兩種樣品分別利用瑞翔WS-G606型工業(yè)分析儀、Elementar Vario MACRO型元素分析儀、測硫儀進行煤質(zhì)分析，結(jié)果如表1所示。兩種樣品按照5種比例均勻混合成5組熱重樣品，各組樣品生物質(zhì)所占的比例依次是0、25%、50%、75%、100%，在Netzsch熱重分析儀中進行燃燒特性實驗，每組樣品重量為5～10 mg，設定氣體流量為空氣(50 mL/min)，保護氣N2(20 mL/min)，升溫速率為20 K/min，終止溫度為1 100 ℃。

表1 兩種燃料的工業(yè)分析及元素分析

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 熱風爐測試系統(tǒng)的特性分析

控制在相同操作條件下，在Harman熱風爐中進行生物質(zhì)和煤的污染物對比實驗，測試主要煙氣污染指標，如圖2所示。生物質(zhì)的SO2排放遠低于棒狀煤，僅為11 mg/m3，而其NOx排放值為352 mg/m3，高于棒狀煤的298.3 mg/m3。其中，生物質(zhì)SO2較低的原因是由于生物質(zhì)自身的S元素含量與煤基燃料相比極低。

圖2 生物質(zhì)與棒狀煙煤的煙氣排放指標示意

相同情況下，同步測試熱風爐中生物質(zhì)燃料與棒狀煤的煙塵排放指標，如圖3所示，兩種燃料的煙塵排放均小于10 mg/m3，而棒狀煤燃燒的煙塵排放濃度略低于生物質(zhì)，數(shù)據(jù)表明，棒狀煤成型后具有較好的固塵效果。

圖3 不同燃料在熱風爐中的煙塵排放對比

從污染物指標排放角度綜合來看，熱風爐中生物質(zhì)的SO2排放極低，而NOx和煙塵指標卻高于棒狀煤，這說明生物質(zhì)燃料在環(huán)保方面并不比棒狀煤具有清潔燃燒的優(yōu)勢，而棒狀煤可以使煙煤燃燒時的煙塵得到很好的控制。

3.2 生物質(zhì)與煙煤混合的熱重曲線分析

將煙煤粉和生物質(zhì)粉混合均勻后進行熱重實驗，不同生物質(zhì)燃料占比的熱重曲線如圖4和圖5所示。由TG和DTG曲線可以看出，隨著生物質(zhì)的占比越大，燃盡效果越好，樣品的整體著火溫度和燃盡溫度均前移。從DTG曲線可以發(fā)現(xiàn)，純生物質(zhì)粉的峰值有兩個，而前一個峰值大于后一個峰值。第一個峰值的對應溫度為346.5 ℃，為生物質(zhì)與煤粉混合，正是這個峰值的作用，有效降低了煤粉的著火溫度；而煙煤煤粉的峰值只有一個，對應溫度為527 ℃。通過煙煤和生物質(zhì)的混合，DTG曲線仍保持兩個峰值的特點，生物質(zhì)比例越大，則第一個峰值越大，這說明合理的生物質(zhì)比例可以使燃燒階段均衡。

圖4 不同生物質(zhì)比例樣品的TG曲線

圖5 不同生物質(zhì)比例樣品的DTG曲線

3.3 樣品的燃燒特征參數(shù)

樣品的著火溫度Ti定義為樣品脫水、吸氧過程后起始失重時的溫度，燃盡溫度Th定義為煤中可燃物質(zhì)燃燒了99%時對應的溫度，其值的大小與樣品的燃盡特性有關。根據(jù)已知的不同比例生物質(zhì)樣品的TG和DTG曲線，可以求取每組樣品的燃燒特性指數(shù)S、著火穩(wěn)燃指數(shù)Rw等燃燒特征參數(shù)。

燃燒特性指數(shù)S為樣品著火和燃盡的綜合指標，其值越大，燃燒特性越好，著火穩(wěn)定特性指數(shù)Rw為著火后的燃燒穩(wěn)定性，其值越大，著火燃燒穩(wěn)定性越好。兩個參數(shù)的表達式為：

不同樣品的燃燒特征參數(shù)見表2。由表2可見，樣品中生物質(zhì)比例越大，燃燒的著火特性越好，1/2以上的生物質(zhì)比例時，最大特征溫度Tmax大幅度前移；從著火穩(wěn)定特性指數(shù)Rw數(shù)值對比來看，所有樣品燃燒過程的著火穩(wěn)定性均很好，生物質(zhì)比例對煙煤煤粉的著火穩(wěn)定性提升幅度不大。

表2 不同樣品的燃燒特征參數(shù)

3.4 燃燒動力學分析

假設樣品在熱重分析儀中的非等溫燃燒過程遵從Arrhenius定律，失重過程表現(xiàn)出的基本反應速率方程可表達為：

其中，f(α)為一個能夠反映煤反應機理的函數(shù)模型，E為活化能(kJ/mol)，R是氣體常數(shù)8.314J/(mol· K)。對上式中T進行積分，可得到另一個以α為自變量的函數(shù)模型：

表3 反應模型積分函數(shù)

但是在上述方程中，無法對右側(cè)式中包含溫度的自變量進行積分而得到一個精確的解，只能通過近似求解或數(shù)值積分的方法，因此需要通過最小二乘法對模型進行擬合。

為了獲取煤燃燒過程中的積分函數(shù)g(α)和動力學參數(shù)E、A等值，采用Coats-Redfern積分法對模型進行擬合，即通過將實驗中的數(shù)據(jù)代入不同的反應模型(如表3所示)，C-R方程可以表示如下：

右側(cè)第一項括號中由于2RT/E<<1，所以可簡化為右側(cè)第二項形式，以ln[g(α)/T2]對1/T作圖，通過截距a和斜率b即可求得E和A值。

根據(jù)不同反應模型函數(shù)動力學擬合結(jié)果，O1模型的相關系數(shù)最高，因此5組樣品均選用O1反應模型進行動力學分析，計算得到各組樣品的動力學參數(shù)，如表4所示。

表4 不同樣品的燃燒反應動力學參數(shù)

4 結(jié) 論

(1)在熱風爐系統(tǒng)中燃燒時，生物質(zhì)燃料的SO2排放指標遠低于煙煤，NOx和煙塵高于煙煤，因此生物質(zhì)在清潔燃燒方面并不具優(yōu)勢。

(2)煙煤成型后具有較好的固塵效果，加入生物質(zhì)可以提高煙煤的燃燒效率，合理的煤粉和生物質(zhì)比例可以促使燃燒過程更加均衡。

(3)純生物質(zhì)的DTG曲線分為前后兩個峰值，“前大后小”，兩個峰值均在煙煤煤粉的峰值之前，因此可以改善煙煤的著火特性。

(4)將生物質(zhì)與煙煤混合使用，利用適宜的成型技術，可制成燃燒效率高、污染物小的清潔燃料，提高兩種燃料的清潔高效利用水平。