王春波， 王金星， 雷 鸣

（华北电力大学 能源动力与机械工程学院，保定 071003）

在生物质利用技术中，纯生物质直燃技术存在效率低、区域性以及难以大型化等问题.在燃煤电厂中，利用原有燃煤锅炉对生物质和煤粉进行混燃，相对于纯生物质燃烧技术，不仅提高了生物质利用率，而且能够实现大型化且易于灵活调节，具有十分广阔的应用前景［1］.我国华电十里泉电厂是一个比较成功的采用煤粉与生物质混燃发电的示范.

在煤粉与生物质混燃中，燃料的着火特性是影响其燃烧效果的关键因素.近年来，国内外科研工作者针对燃料着火特性进行了大量研究工作.Otero等［2］利用（TG－MS）方法发现粪肥生物质与煤共燃可以有效降低着火温度，改善煤的燃烧性能，Haykiri－Acma等［3］也得出了类似结论.Li Qingzhao等［4］利用热重分析仪对氧气质量浓度、燃料颗粒大小以及加热速率对燃烧的影响进行了深入研究.王玉召等［5］和Lester等［6］分别采用燃烧特性参数判定的方法对生物质与煤混燃着火特性进行判定，得出了随着生物质掺混比的增大，燃料的着火温度和燃尽温度都有所降低的结论.此外，还有其他一些科研工作者也对燃料的着火特性进行了很多有益的探索［7-9］.

虽然针对煤粉和生物质的着火特性已有很多研究成果，但研究过程中发现的一些新问题表明，尚有大量的研究工作需要深入开展，如目前研究着火特性常用的方法是逐渐升温的热重法（TGA），又例如Gil等［10］利用逐渐升温的方法进行了煤粉与生物质混燃的试验研究，得到了挥发分析出的温度区间及固定碳开始燃烧的温度区间.Wang Cuiping等［11］利用升温热重法对煤与生物质混燃着火特性进行了研究，定性地判定出混合物燃烧的难易程度.由于传热、传质方面的差异，采用逐步升温的方法对煤粉和生物质混燃的着火特性进行研究有一定的局限性，尤其在低温条件下尤为明显，如逐步升温的方法未考虑升温到所要求的温度时前面升温过程的影响.考虑到在工程实际上，燃料是喷入炉内突然在高温环境下着火和燃烧的，因此应尽可能在真实工况下研究燃料的着火特性.笔者用恒温热重方法对煤粉和生物质低温着火特性进行分析，目的是在更真实的工况下获得煤粉和生物质低温下的着火特性.

1 试验

1.1 试验系统和样品

图1为管式炉恒温热重试验系统示意图.在图1中，温控仪的温度控制范围为0～1300℃.空气采用气泵供应，气泵的流量为1L／min.瓷舟的尺寸为7cm×1cm.笔者采用自制的质量监测系统对试样质量信号进行实时监测.质量监测系统中的传感器精度为0.1mg.管式炉恒温热重试验系统中的热电偶与温控仪相连，当炉温稳定后可以认为恒温.

图1 管式炉恒温热重试验系统示意图Fig.1 Diagram of the tube furnace constant－temperature thermogravimetric system

在试验中，选取3种典型煤种：无烟煤、塔山烟煤和印尼褐煤，煤粉粒径为0.12～0.18mm；生物质为玉米芯、玉米秸秆和树皮，粒径为0.12～0.18 mm.表1给出了煤和生物质试验样品的工业和元素分析.试验样品的灰成分分析见表2.

表1 煤和生物质样品的工业和元素分析Tab.1 Ultimate and proximate analysis of coal and biomass samples

1.2 试验方法

试验时，先向管式炉内通入流量为1L／min的空气，同时将管式炉升温至设定温度，待反应区域温度恒定后，取（0.1±0.005）g的试样均匀平铺于长7cm、宽1cm的瓷舟底部，将瓷舟支架沿金属导轨迅速送入管式炉内恒温区域，并利用质量监测软件对试样的质量信号进行实时监测.重复性试验表明，在同一工况下，同一试样的试验数据误差均小于2%.此外，多次不同流量的试验表明，向管式炉内通入1L／min的气体流量已经能消除反应过程中气体扩散的影响.

表2 煤和生物质样品的灰成分分析Tab.2 Ash analysis of coal and biomass samples %

2 结果与讨论

为了便于描述试样的燃尽程度，引入可失重额余量η，它是除灰分以外试样燃烧过程中剩余质量占原试样中该部分质量的百分数，定义为

式中：η为可失重额余量，%；m0为试样的初始质量，g；mt为试验过程中的试样质量，g；m∞为试样中的灰分质量，g.

2.1 掺混比的影响

生物质的掺混比是影响煤与生物质混燃时着火特性的主要因素.在450℃恒温条件下，分别测量了无烟煤、玉米芯及其掺混比分别为9∶1、8∶2和7∶3等5种情况下试样的着火特性（见图2）.

图2 450℃下不同掺混比无烟煤与玉米芯试样的着火特性Fig.2 Ignition characteristics of anthracite／corncob blends at different blending ratios at 450℃

从图2可知，掺混比对煤粉与生物质混燃时着火特性的影响呈现出以下特征：（1）在反应初始阶段，掺混比增大后，可失重额余量的失重速率显著加快，如在500s时，无烟煤的可失重额余量约为90%，而掺混10%玉米芯后试样的可失重额余量下降为70%左右，这是由于玉米芯的挥发分含量高且易析出，燃烧放出的热量促进了煤粉中挥发分的析出和随后部分焦炭燃烧造成的.（2）无烟煤在反应开始2000s后仍未能燃尽，甚至当玉米芯掺混比达到30%时也未能燃尽.结合表1中的工业分析可知，此时的试样应为无烟煤挥发分析出燃烧后剩余的焦炭，表明虽然玉米芯的加入加快了试样燃烧反应初期的失重速率，但由于玉米芯很快燃尽，燃烧放热很快损失，此外反应温度较低，因此剩余的焦炭很难在该温度下着火燃烧.

为了进一步获得恒温条件下掺混比对煤粉与生物质混合物在低温段着火特性的影响规律，选取另外2个温度500℃和550℃，并对混合物的着火特性进行了试验（见图3）.

图3 500℃、550℃下不同掺混比无烟煤和玉米芯试样的着火特性Fig.3 Ignition characteristics of anthracite／corncob blends at different blending ratios at 500℃and 550℃

从图3可知，在500℃和550℃恒温条件下无烟煤与玉米芯不同掺混比时的着火特性呈现出与450℃恒温条件下（图2）类似的趋势：随着玉米芯掺混比的增大，在反应前期试样的失重曲线明显左移，在反应后期不同掺混比失重曲线之间的差别逐渐变小.综合图2和图3可得出：在反应初期，生物质掺混比的增大能够明显改善煤粉与生物质混合物的着火特性；但在反应后期，由于生物质在反应初期已经燃尽，因此对残焦的燃烧和燃尽影响较小.通过对图2和图3的比较还可以发现，随着温度的升高，无烟煤与玉米芯混合物的失重曲线逐渐向左移动，说明温度对混燃着火特性也有显著影响.

2.2 温度的影响

为了更全面地研究温度对煤粉与生物质混燃时低温着火特性的影响，分别对450℃、500℃、550℃和600℃恒温条件下无烟煤掺混20%玉米芯试样的着火特性进行了对比与分析（见图4）.

图4 不同温度下80%无烟煤＋20%玉米芯试样的着火特性Fig.4 Ignition characteristics of 80%anthracite and 20%corncob blends at different temperatures

从图4可知，温度对煤粉与生物质混燃低温着火特性的影响主要表现在：（1）温度升高总会加快试样的燃烧失重速率，特别会加快试样反应初期的燃烧失重速率，这是由于温度升高加快了生物质与煤粉挥发分的析出［12-13］，而析出挥发分的燃烧放热又进一步加快了剩余煤与生物质的热解，因而使低温段时煤粉与生物质混合物的着火特性得到改善.（2）450℃和500℃恒温条件下，在2000s内试样始终未能燃尽.但当温度高于550℃时，试样不仅燃尽且燃尽时间随着温度的升高而逐渐缩短.（3）焦炭的燃烧是影响煤粉与生物质混合物后期燃烧速率的关键因素.温度升高有利于挥发分的析出与燃烧，挥发分的析出与燃烧释放出大量的热又促进了固定碳的燃烧，从而加快了焦炭的燃尽；另外，温度升高也减少了焦炭燃烧所需要的热量.

2.3 煤种的影响

试验结果表明，挥发分对煤粉与生物质混燃时的着火特性有很大影响.为了获得更全面的煤粉与生物质混燃时的低温着火特性，笔者对无烟煤、塔山烟煤和印尼褐煤3种挥发分差异较大的煤种与生物质混燃时的低温着火特性进行了研究.图5给出了450℃下不同煤种掺混20%玉米芯时混合物的着火特性.

从图5（a）可以看出，3种煤的失重曲线差异很大.当反应进行2000s后，无烟煤和塔山烟煤均未能燃尽且无烟煤的未燃尽程度较高，而印尼褐煤在不到900s时就已燃尽.由表1可知：无烟煤的挥发分含量最低，印尼褐煤的挥发分含量最高，塔山烟煤介于二者之间.显然，煤种挥发分含量的差别是造成不同煤种未燃尽程度差异的主要原因.挥发分含量高的煤种，反应活性高，较易燃尽，因此在较短时间内即可燃尽，而挥发分含量低的煤种，在其挥发分析出燃尽后，若反应温度不够高，则剩余的焦炭很难着火燃烧.掺混玉米芯后，3种煤的低温着火特性均得到了不同程度的改善，其中无烟煤最为明显.但在20%玉米芯掺混比下，反应结束时无烟煤和塔山烟煤仍未能燃尽，而印尼褐煤的燃尽时间却进一步缩短，这与前面得出的掺混生物质能够改善试样的着火特性和燃尽特性的结论相符.

图5 450℃下不同煤种掺混20%玉米芯时混合物的着火特性Fig.5 Ignition characteristics of different kinds of coal blended with 20%corncob at 450℃

2.4 生物质种类的影响

工程实际中掺烧生物质种类的多样性决定了研究生物质种类对煤粉与生物质混燃时低温着火特性影响的必要性.为此，笔者对玉米芯、玉米秸秆和树皮3种常见生物质与煤粉混燃时的低温着火特性进行了研究和分析.

图6给出了450℃下无烟煤掺混20%不同生物质时的着火特性.从图6可知，不同煤种掺混生物质均会改善试样的着火特性，图6中的失重曲线均向左移动.但是，3种不同生物质对煤粉着火的促进作用却不尽相同：玉米芯对混燃时着火特性的促进作用最明显，玉米秸秆居中，树皮的促进作用最弱.结合3种生物质的工业分析可以发现：在初始阶段，试样燃烧反应速率的快慢与3种生物质挥发分和水分的量成正比，这是由于在反应的初始阶段，试样的失重以水分蒸发和挥发分的析出与燃烧为主造成的.从3种生物质的工业分析还发现，树皮的灰分含量最高，玉米芯的灰分含量最低，玉米秸秆介于二者之间.在燃烧后期，掺混生物质的灰分含量越高，对煤粉燃烧的促进作用越差，这可能是由于生物质灰分容易堵塞焦炭孔隙［14］，因而减小了燃烧反应表面积，降低了气体扩散速率，最终阻碍了剩余焦炭的燃尽.

图6 450℃下无烟煤掺混20%不同生物质时的着火特性Fig.6 Ignition characteristics of anthracite blended with 20%biomass of different kinds at 450℃

3 燃烧反应动力学

由质量作用定律得到如下反应动力学方程

式中：α为转化率，%；t为燃烧进行的时间，s；A为指前因子，1／s；E 为活化能，kJ／mol；R 为气体常数，Pa·m3／（mol·K）；T 为绝对温度，K；n为反应级数.

采用lnln分析法，反应级数取n＝1［15］，对式（2）进行积分得

式中：Z为某一常数.

由式（3）求得不同恒定温度下的ln K.在较小的温差区间内，活化能E和指前因子A可以近似看做定值，进而求得不同温度区间的活化能E和指前因子A.

燃烧反应动力学参数计算选取的时间范围为开始着火和燃尽时刻之间，这个过程包括挥发分的析出和焦炭的着火.表3列出了经计算得到的试样的燃烧反应动力学参数.

表3 试样的燃烧反应动力学参数Tab.3 Calculated kinetic data for various samples

由表3可知：随着试样中玉米芯掺混比的增大，试样的活化能值在2个温度区间均呈现出减小的趋势，说明随着玉米芯掺混比的增大，混合物的着火难度逐渐降低，试样更容易着火.此外，试样在不同温度区间的活化能不同.对于同一试样，温度区间越大，活化能值越小，说明试样在高温区间的着火越容易.

4 结 论

（1）随着生物质掺混比的增大，试样的活化能逐渐降低，反应速率加快且燃尽程度提高.温度升高，试样的活化能逐渐降低，着火更容易，燃尽程度提高或燃尽时间缩短.

（2）掺混生物质对难燃煤种着火特性的影响比对易燃煤种更加明显.对于某一煤种，掺混水分和挥发分含量高的生物质，在反应初期失重较快，掺混灰分高的生物质，在反应后期对燃烧的促进作用不明显.

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