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1、生物质与煤混合燃烧特性研究摘要：通过综合热重实验、发热量实验、燃烧实验，对生物质与煤混合燃烧特性及SO2和CO排放特性进行了实验研究。研究结果表明，生物质与煤混合燃烧可以改善煤粉的着火温度、燃尽温度等燃烧特性；混合燃烧对发热量有较大影响，故生物质不能单独使用；混合燃烧烟气中的SO2和CO都相应减少，降低污染排放物，提高燃烧效率。我国是燃煤大国，2014年煤的消耗量为35.1亿t，占世界煤炭消耗总量的50，巨大的消耗量不仅会造成能源短缺，而且对环境带来的危害也越来越不容忽视。同时我国也是农业大国，每年约有6.87亿t生物质资源，约折合3.4亿tce，但目前利用率却不足5，大量生物质资源被废弃，造
2、成能源的浪费。生物质资源具有清洁性和可再生性，不但能够弥补化石燃料的短缺，并且可以降低SO2、NO2及烟尘的排放，减轻温室效应。因此从煤的清洁高效利用和生物质能利用方面看，发展生物质与煤的混合燃烧技术是很有必要的。目前，对生物质的研究主要以热重分析为主，但对于生物质与煤粉混合燃烧的发热量及燃烧后气态污染物的分析较少。文章对生物质、煤以及二者不同掺混比的燃料燃烧特性及燃烧气态污染物SO2和CO排放特性进行了实验研究。1实验研究1.1实验原料及样品制备实验以玉米秸秆、重庆永川煤为研究对象，首先将原料用小型破碎机磨制成粒径120目以下的实验样品，并置于105烘箱中烘烤6h除去游离水。然后用分析天平称
3、量煤粉和生物质，按照掺混比M为0、10、20、30、40和50掺混。生物质和煤粉的工业分析见表1。1.2实验方法采用上海精密科学仪器有限公司生产的综合热重分析仪，加热终温1000，升温速率为10min，空气燃烧气氛，测定燃料燃烧过程中着火温度、燃尽温度等燃烧特性。采用长沙开元仪器有限公司生产的型号为5E一1CM单体式量热仪，测定燃料发热量。采用青岛明华电子仪器有限公司生产的型号3000一B的烟气分析仪，测定燃料燃烧的气态污染物SO2和CO排放特性。2结果分析与讨论2.1燃烧特性实验结果分析与讨论不同掺混比燃料燃烧的和DTA曲线分别见图1和图2。TG曲线是不同掺混比燃料随温度变化的曲线，由该曲线
4、可以得到不同燃料在燃烧过程中的失重情况。DTA曲线是在程序温度控制下，建立被测量物质和参比物的温度差和温度变化关系的曲线。根据TG和DTA曲线得出的燃烧特性温度、最大失重率、可燃性指数随生物质含量的变化关系，见图3、图4和图5。由图1和图2都可知，生物质与煤混合燃烧按温度分为三个阶段，第一阶段，当温度小于200时质量略有下降，为水分蒸发阶段；第二阶段，温度在200350之间，TG曲线明显下降，DTA曲线出现第一个放热峰，为挥发分的析出阶段；第三阶段，温度在400750，固定碳大量燃烧，TG曲线下降最为明显，并且出现第二个放热峰，为固定碳的燃烧阶段。在掺混比为0的TG和DTA曲线中，其与其他掺混
5、比的曲线有两点不同之处。第一，在固定碳即将燃烧时，曲线有微微上升趋势，即燃料有所增重，这是因为在煤粉燃烧之初，固定碳和氧气发生反应，生成CO2气体并没有及时逸出，而是附着在燃料的表面，表现为增重。第二，DTA只有一个放热峰，这是由于原煤中只含有27.86的挥发分，比生物质中挥发分含量75.77少得多，因此挥发分析出峰不明显。在掺混比较小时，DTA放热峰宽度大，峰顶不明显，但有上升趋势。随着增加到40时，可以看到两个十分突出的峰，峰面变得陡峭，峰的面积减小，峰顶较之前有所下降，DTA曲线向低温区移动，表明生物质的加入加剧了燃料的燃烧，促进了燃烧反应，使之在较低温度和较短时间内完成。由图3可知，随
6、着生物质含量的增加，着火点温度、最大燃烧速率对应温度和燃尽温度均有所降低，TC,曲线向低温区移动，提高了燃料的着火性能。这是由于生物质中存在大量的挥发分，在温度较低时析出，使燃烧时间提前，加快了燃烧速率，燃尽温度低，燃烧反应更加剧烈。由图4可知，失重率曲线变化有起伏，原煤燃烧失重率为82.11，生物质含量增加，失重率增加。失重率越大，燃料燃烧越充分，释放的热量越多。当生物质含量增加到30时，失重率骤然下降。这是由于生物质中的灰分对燃烧反应有双重影响J。当生物质含量较小时，生物质灰分当中的CaO和H占主导作用，促进了燃料燃烧；当生物质含量较大时，产生的灰分阻塞燃料毛细孔，阻碍挥发分析出和固定碳燃
7、烧。因此，并非加入的生物质越多好，应该将生物质含量控制在30以下。可燃性指数表征样品燃烧前期的燃烧性能。可燃性指数越大，表明燃料的燃烧稳定性越好。由图5可知，原煤的可燃性指数最低，仅为1.7110-6。随着生物质含量的增加，可燃性指数增加，表明生物质的加入，改变了煤粉的可燃性，使煤粉燃烧效果更好。2.2发热量结果分析与讨论通过氧弹量热仪，测定不同掺混比下混合物的发热量，发热量随掺混比的变化关系见图6。由图6可知，随着生物质含量的增加燃料发热量线性下降，可以看出生物质有较为稳定的发热量，随外界条件变化不大，因此化学成分稳定性好。生物质的发热量相比煤粉要小很多，这是由于生物质中固定碳含量少，虽有较
8、高挥发分燃烧充分，但放热不足。M=50时，发热量仅为煤粉的75.9。因此在用作锅炉燃料时，应考虑生物质与煤掺混燃烧，既保证具有足够的热值又可以提高燃料燃烧特性。2.3燃烧气态污染物特性结果分析与讨论将生物质与煤的混合燃料加入滴管炉内进行燃烧，通过烟气分析仪分析烟气中SO2和CO的含量，分析其不同掺混比下的SO2和CO排放特性。烟气中SO2和CO随生物质含量的变化曲线见图7。由图7可知，随着生物质含量的增加，烟气成分中SO2含量逐渐减少，主要是因为生物质中S元素很少，而且生物质燃料含有相对较多的K、Ca、Na的活性成分，这些碱金属也可降低SO2的排放，由此可见生物质燃料是一种清洁的燃料，燃烧产物
9、对环境污染较小；烟气中CO含量降低较为明显，当掺混比增加至40时，CO含量仅为19.4mgm3，较原煤含量1419.9mgm3可忽略，由此说明加入的生物质燃料使煤粉的燃烧更彻底。主要是由于生物质中挥发分的含量远远高于煤粉，燃烧过程中，大量的挥发分促进了煤粉的燃烧。3结论(1)生物质与煤混合燃烧可以改善煤粉的着火温度、燃尽温度、综合燃烧指数等燃烧特性，最佳掺混比应控制在2030为宜；(2)生物质的发热量相比煤粉要小很多，M=50时，发热量仅为煤粉的76，因此单一生物质不宜作为锅炉燃料；(3)生物质燃料含硫量较低与煤混合燃烧可以减少SO2排放量；生物质燃料含有相对较多的K、Ca、Na的活性成分，对燃煤固硫也起着积极作用；(4)生物质中挥发分的含量远远高于煤粉，生物质与煤粉混合燃烧，随着掺混比的增加燃烧气态产物中CO降低，燃烧更加充分。9