生物质煤炭复合燃料动力学分析

摘 要：全球生态环境因为化石燃料的燃烧而遭到严重的破坏，并且这一问题变得越来越突出。我们迫切需要化石燃料的洁净燃烧，尤其是煤炭的洁净燃烧，实现能源利用的可持续发展。冬季在我国的北方地区，有大量燃烧秸秆的现象，产生的空气悬浮颗粒会加剧空气的二次污染。文章重点研究了国内大量存在的生物质杨木和秸秆煤炭复合燃料动力学相关特征，分析其应用于实际锅炉利用的可能性。

关键词：生物质；杨木；秸秆；煤炭；复合燃料；动力学

中图分类号：F416.21 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）30-0009-04

引言

近年来，可再生能源因其灵活性好、燃烧效率高、传热性高和NOX、SOX、CO2排放量低而廣泛获得关注。生物质可以转化成能量，这被认为是潜在的可再生能源[1]。生物质的主要的应用是使用锅炉单独燃烧或与煤联合燃烧。在我国的北方地区，秸秆燃烧排放大量污染物，导致雾霾等严重空气污染过程的发生或加强。国家已制定了禁烧的相关法案，但目前尚无有效替代燃烧处理秸秆的方法，不少地区燃烧仍很普遍。因此，有必要进一步探讨解决秸秆燃烧污染效应的其他途径[2]。因此，秸秆作为生物质煤炭复合被视为混烧过程的一种备选方案。文献[3]指出，在我国的大环境下生物质成型燃料与煤炭价格的比价，表明生物质的合理利用可促进两者比价的合理化，生物质完全取代煤炭是很难实现的，混合使用可更好的提高其燃烧效率。同时，混烧生物质与煤可以更好的克服并解决个别缺陷样品，如含有高挥发分的生物量和高硫分高灰分的煤[4]。除此之外，混合后由于灰分的存在，会有协同作用的效果。富碳材料的热化学设施工业发展的转换主要需要全面的燃烧参数数据及其对过程动力学的影响。在这种情况下，热分析方法如热重量分析法（TG）、微分热重量分析法（DTG）、示差热分析（DTA）、差示扫描量热法（DSC），傅里叶变换红外光谱与热重联用（TG-FTIR）和热重质谱联用（TG-MS）技术被以日益增长的用于评价和表征化石燃料和可再生能源，并作为一种测定燃烧特性及动力学参数的重要手段[5]。

不同的生物质和生物质混合燃料通过热分析技术对其点火和燃烧行为进行了研究。点火研究的结果显示点火温度的降低，粒径也随之减小。不同的煤，生物质和污水污泥样本显示两个不同温度阶段即燃烧和气化阶段[6]。生物质煤炭复合燃料有三个不同阶段，称为水分损失，热解和燃烧。在混合燃烧过程中，使用TG-FTIR和TG-MS设备实时监测主要的气态污染物CO、CO2，CH4，NO和SO2释放。另外，从活化能角度，使用不同的方法进行动力学研究。

在这项研究中，使用热重分析（TG-DTG）技术在空气环境下研究了煤（原始煤和洁净煤）和两个生物质样品（杨木和秸秆）及其混合物的燃烧特性。本研究的主要目的是研究生物质煤炭复合燃料燃烧特性和动力学特征。该研究还产生了生物质煤炭复合燃料燃烧适用性的数据。除此之外，这些结果可以有助于更好地了解生物质煤炭复合燃料燃烧特征的系统要求。

1 试验

在这项研究中，使用了两种不同的生物质样品（杨木和秸秆）和烟煤（原始煤和洁净煤）。所有样品均按照ASTM标准进行制备。煤和生物质分别以不同的重量（0，25，50，75和100wt%）共混。煤和生物质样品的最终分析见表1。

实验使用热分析仪（TG-DTG）进行研究。在所有进行的实验中，从环境温度升高至95℃使用50mL/min的空气流速和20℃/min的加热速率。在实验之前，将约10mg的样品平坦地分散在坩埚上。使用少量的样品来避免传热限制并最小化传质效应。进行了两次实验以测试重复性，并且观察到±1℃的标准误差具有良好的一致性。

2 实验结果及分析

煤炭生物质复合燃料是使用可再生燃料的有希望的短期选择之一，这提供了额外的环境优势。理论上，当煤-生物质混合物经受热时，它们遵循平行和连续的反应并经历永久的分子变化。这种变化的程度取决于反应环境的分子结构的复杂性[7]。

可以使用从热重分析（TG-DTG）获得的样品的燃烧特性来有效地比较燃烧器中煤，生物质及其混合物的反应性和燃烧特性。

燃料的近似和最终分析结果如表1所示。可以看出，与原煤相比，生物质样品的碳，氢和氧浓度较高，这也导致较高的发热量。一方面，除了发热量之外；与生物质样品相比，洁净煤的碳，氢和氧浓度显着变化。所有样品的硫含量非常低；表明SOX排放量是燃烧过程中可以忽略。另一方面，生物质样品中较高的氧含量表明比原始煤和洁净煤具有更高的热反应性[8]。

图1和2提出了煤的质量损失和衍生特征；生物质及其混合物在空气下分别以20℃/min进行试验。在所有研究的样品中，初始质量损失阶段发生在室温至110℃阶段，水分蒸发取决于样品性质。在这个初始质量损失阶段之后，生物质样品中观察到两个阶段的质量损失，而原始煤和洁净煤样品只有一个阶段。生物质样品的第二阶段是由于半纤维素，纤维素和木质素的分解，而第三阶段是燃烧更复杂，主要为热稳定结构和炭氧化。在原始和洁净的煤样中观察到的主要质量损失阶段是二氧化碳和氢气释放的初级碳化阶段。在煤-生物质混合物的情况下，观察到三个不同阶段的质量损失。如预期，经过水分运转，由于生物量燃烧，发生了两个连续的阶段，这取决于混合比（25，50和75wt%），而最后一个阶段主要是由于煤的燃烧。取决于混合浓度，这一阶段生物质含量导致了质量损失。一般来说，共混物的曲线峰值位于各种燃料（原始和洁净的煤和生物质样品）之间。

表2显示了煤和生物质样品的温度范围，峰值温度，质量损失，残留和质量损失率。样品的主要特征来自TG-DTG曲线，如To（初始温度），Tf（最终或燃烧温度），Tp（峰值温度），反应区域和相应的质量损失值用于定义煤、生物质和其混合物的热行为和燃烧特性。观察到洁净煤的主燃烧阶段的反应区域，峰值温度和质量损失值较高，而剩余残留物则低于预期值。对于秸秆，每个阶段的质量损失都高于白杨木。

表3和表4显示了生物质煤炭复合燃料的温度范围，峰值温度，质量损失，残留物和质量损失率（25，50和75wt%）。

在生物质样品和原始洁净煤混合物的情况下，主要观察到，随着生物质含量的增加，第一阶段质量损失增加，而第二阶段质量损失随着生物质含量的增加而降低。

随着生物质含量的增加，第一阶段生物质含量的增加主要是由于生物质样品的挥发物含量较高。类似地，随着煤含量的增加，第二阶段的较高的质量损失可能是由于煤样中焦炭含量较高。還观察到，随着混合物中生物质含量的增加，相应的燃尽温度由于煤样的燃烧温度较高而降低。混合物燃烧温度较低的另一个参数是生物质样品挥发物含量较高。

从TG-DTG曲线得到的另一个参数是与样品的反应性成正比的最大质量损失速率。在生物质煤炭复合燃料（25，50和75wt%）中，观察到随着煤-生物质共混物中生物量的百分比增加，最大质量损失率增加，表明样品的反应性更高。另一方面，洁净煤和杨木的质量损失率较高，表明在较低温度下可以提前完成燃烧。从残留物的观点来看，观察到随着共混物中生物量的增加，残留量在燃烧过程的最后阶段降低。最后，为了评估煤样的点火和燃烧性能，还使用下述方法计算点火指数（D），燃烧指数（S）和反应性（R）方程式：

还观察到共混物的燃烧指数值随着共混物中生物量比的增加而略微增加，这与洁净煤的混合物更可观察到（表2-4）。可以得出结论，煤样（低阶煤）的燃烧行为可以通过不同的生物量添加来改善。

3 结束语

在空气条件下，水分损失阶段后，生物质TG-DTG曲线代表两个阶段的质量损失，而原始和洁净煤样品分别只有一个阶段。在生物质煤炭燃料中，观察到三种不同阶段的质量损失。共混物的TG-DTG曲线位于原始清洁煤和生物质样品之间。洁净煤样品的反应区域，峰值温度和质量损失值较高。每个阶段的秸秆质量损失高于杨木。另一方面，共混物的燃烧指数值随着生物质比例的增加而略有增加。经试验研究表明，煤粉和生物质复合可充分填充分子间空隙，使其燃烧更充分，增加其热值。

参考文献：

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