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      不同比例小麥秸稈與煙煤混燃特性研究

      2018-12-04 09:14:44馬秋林楊振東韓魯佳黃光群
      關(guān)鍵詞:煙煤燃料秸稈

      馬秋林 楊振東 韓魯佳 黃光群

      (中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院, 北京 100083)

      0 引言

      基于環(huán)境和能源的雙重壓力,以及生物質(zhì)和煤單獨(dú)利用過程中存在的問題,生物質(zhì)與煤混燃成為發(fā)展趨勢[1-3]?;烊技夹g(shù)既能降低CO2的排放、緩解能源緊缺,而且也符合國家“十三五”規(guī)劃對環(huán)保的發(fā)展要求[4]。從經(jīng)濟(jì)效益方面分析,以年消耗秸稈1.294 5×105t規(guī)模的混燃熱電聯(lián)產(chǎn)計算,年發(fā)電量1.44×108kW·h,年供熱量4.32×105GJ,年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤6.877×104t,具有較好的經(jīng)濟(jì)效益[5]。

      據(jù)2017年國家統(tǒng)計局?jǐn)?shù)據(jù),小麥產(chǎn)量為1.297 7×108t[6],由小麥草谷比[7]折算小麥秸稈當(dāng)年產(chǎn)量約為1.772 6×108t。我國農(nóng)作物秸稈資源的綜合利用方式大致為工業(yè)原料、畜牧飼料、造肥還田和能源利用[8]。在燃煤鍋爐中添加生物質(zhì)(如秸稈),能夠減少CO2、SO2、NOx及其他有害氣體的排放[9]。在已有小麥秸稈與煤混燃的研究中,HCl、 SO2、CO2和NOx排放與揮發(fā)分及固定碳燃燒階段相關(guān)聯(lián)[10]。

      已有文獻(xiàn)研究發(fā)酵殘?jiān)c煤混合燃燒的比例(發(fā)酵殘?jiān)c煤質(zhì)量比)為1/6、1/3、1/2、2/3和5/6。結(jié)果表明,比例為2/3的樣品表現(xiàn)出很低的燃盡溫度和較好的燃燒特性指數(shù)[11]。然而,秸稈生物質(zhì)物理化學(xué)特性與煤存在顯著差異,比如生物質(zhì)一般熱值較低,且存在引起結(jié)渣的礦質(zhì)元素等[12],導(dǎo)致其利用受到限制。為了通過混燃來高效、環(huán)保利用秸稈等生物質(zhì)能源,應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行燃料熱特性等相關(guān)研究,為小麥秸稈探索更加高效、環(huán)保的利用方式。

      本文以小麥秸稈和煙煤為研究對象,基于同步熱分析技術(shù),研究小麥秸稈在不同摻混比例下與煙煤混燃的燃燒特性,并優(yōu)化最優(yōu)比例,以期為小麥秸稈環(huán)境友好型高效能源化利用提供方法學(xué)支撐。

      1 材料與方法

      1.1 試驗(yàn)材料與制備方法

      所選小麥秸稈樣品采集自河北省邯鄲市。煙煤產(chǎn)自陜西省神木縣。所選小麥秸稈樣品參照美國試驗(yàn)材料學(xué)會(American Society for Testing Material, ASTM) 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)方法,經(jīng)105℃干燥12 h后,粉碎并過20目篩獲得粉末狀樣品。煙煤樣品經(jīng)粉碎過60目篩。所得樣品一部分用于工業(yè)分析、元素分析、灰分分析和燃燒試驗(yàn),一部分備用。

      影響秸稈與煤混合燃燒的重要影響因素是混合比例[10]。本文中小麥秸稈與煙煤摻混比例(小麥秸稈與煙煤質(zhì)量比)及樣品編號分別為:小麥秸稈(WS);60%小麥秸稈+40%煙煤(WS60%);40%小麥秸稈+60%煙煤(WS40%);20%小麥秸稈+80%煙煤(WS20%);10%小麥秸稈+90%煙煤(WS10%);煙煤(BTC)。

      1.2 基礎(chǔ)特性測定方法

      小麥秸稈以及煙煤工業(yè)組成的水分、揮發(fā)分以及灰分含量根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM Method D5373 & D4239測定,固定碳含量由差減法得出。元素分析根據(jù)歐盟標(biāo)準(zhǔn)BS EN 15104:2011采用Vario Macro元素分析儀 (德國Elementar Analysensyteme公司) 測定。采用干法灰化法測定樣品中的堿金屬以及其他無機(jī)元素含量,秸稈樣品置于575℃馬弗爐中灰化4 h,而煙煤灰化溫度為815℃?;一瘶悠坊瘜W(xué)成分分析采用ARL DVAN’XP+ 型X射線熒光光譜儀(美國Thermo公司) 測定。

      1.3 燃燒試驗(yàn)

      采用SDTQ600型同步熱分析儀(美國TA公司)測定分析供試樣品熱失重和吸放熱特性。稱取10 mg樣品置于熱天平支架的氧化鋁坩堝內(nèi),用氮?dú)夂脱鯕獾暮铣蓺怏w模擬空氣氛圍,以恒定升溫速率20℃/min由室溫(20℃)升溫至1 000℃,氣流速率為100 mL/min。得到3條曲線:TG曲線表現(xiàn)樣品質(zhì)量隨溫度的變化;DTG曲線表現(xiàn)樣品失重速率隨溫度的變化(即TG曲線的一階導(dǎo)數(shù)曲線);DSC曲線表現(xiàn)樣品燃燒過程中的熱量變化。

      1.4 數(shù)據(jù)處理方法

      將同步熱分析儀獲取數(shù)據(jù)導(dǎo)出,運(yùn)用Origin 8.6 (美國OriginLab公司)軟件繪制燃燒特性曲線。燃燒過程的部分特征參數(shù)由TA Universal Analysis 2000 (美國TA 公司) 軟件分析得到,其他參數(shù)在Excel 2010 (美國Microsoft 公司) 表格中計算。

      2 結(jié)果與討論

      2.1 基礎(chǔ)特性分析

      2.1.1工業(yè)和元素分析

      小麥秸稈與煙煤樣品的基礎(chǔ)特性如表1所示。

      表1 樣品的基礎(chǔ)特性Tab.1 Basic properties of samples used

      由表1可知,小麥秸稈樣品揮發(fā)分含量明顯高于煙煤,但其固定碳含量是煙煤的約1/5。因而煙煤燃料比(固定碳與揮發(fā)分含量比值)遠(yuǎn)大于小麥秸稈,表明煙煤可燃成分豐富,有利于燃燒。元素組成中小麥秸稈的氫碳比與氧碳比均明顯高于煙煤,由于C—C鍵所含能量高于C—H以及C—O[13],因此煤能量密度較高。小麥秸稈中N及S含量均低于煙煤,因此混合燃燒有利于減少煙煤單獨(dú)燃燒產(chǎn)生的NOx及SOx。

      2.1.2灰分組成分析

      采用目前廣泛應(yīng)用且較為準(zhǔn)確的預(yù)判經(jīng)驗(yàn)參數(shù):酸堿比(Rb/a)[14]和結(jié)渣指數(shù)(SR)[14]對小麥秸稈和煙煤的積灰結(jié)渣傾向性進(jìn)行預(yù)判。

      圖1 混合燃料的燃燒特性曲線Fig.1 Combustion characteristics of blended sample

      酸堿比計算式為

      (1)

      式中,ε為下角標(biāo)所表示物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。當(dāng)Rb/a<0.5,表明燃料的積灰可能性很低;當(dāng)0.5≤Rb/a≤1,表明燃料存在一定的積灰可能性;當(dāng)Rb/a>1,表明燃料存在很高的積灰可能性。

      結(jié)渣指數(shù)計算式為

      (2)

      當(dāng)SR>78,表明燃料的結(jié)渣可能性很低;當(dāng)66.1≤SR≤78,表明燃料存在一定的結(jié)渣可能性;當(dāng)SR<66.1,表明燃料存在很高的結(jié)渣可能性。小麥秸稈與煙煤的灰分基礎(chǔ)組成如表2所示。

      表2 樣品灰分的基礎(chǔ)特性Tab.2 Basic properties of samples’ ash

      小麥秸稈灰分中主要無機(jī)元素為鉀及硅元素,其氧化物質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別達(dá)到25.77%和23.9%。而煙煤灰分中主要無機(jī)元素為硅及鋁元素,其氧化物質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為50.07%和27.78%。從積灰預(yù)判參數(shù)Rb/a以及結(jié)渣預(yù)判參數(shù)SR可以看出,小麥秸稈積灰和結(jié)渣可能性極大,而煙煤幾乎無積灰和結(jié)渣的可能。因此,小麥秸稈與煤混合燃燒可大大降低秸稈單獨(dú)燃燒產(chǎn)生的積灰及結(jié)渣風(fēng)險。

      2.2 燃燒特性分析

      2.2.1混合燃燒動態(tài)過程分析

      在不同混合比例下,混合燃料燃燒過程的TG和DTG曲線如圖1所示。

      由圖1可知,小麥秸稈燃燒主要分為揮發(fā)分和固定碳燃燒兩個階段。揮發(fā)分燃燒主要集中在200~350℃之間,固定碳燃燒易形成尖且窄的失重峰,集中在400~450℃。與已有研究中秸稈生物質(zhì)燃燒曲線結(jié)果相近[15]。而單純煤燃燒時,DTG曲線表現(xiàn)為單峰,即燃燒主體為固定碳。煙煤的失重峰相比秸稈寬且平滑。煙煤燃燒區(qū)間為300~600℃。

      當(dāng)小麥秸稈與煙煤摻混時,DTG曲線結(jié)果表明沒有出現(xiàn)明顯分界的失重峰,過渡過程為明顯的肩峰。總結(jié)分析不同比例的混合燃料揮發(fā)分與固定碳峰值與對應(yīng)溫度,結(jié)果如表3所示。

      表3 混合燃料燃燒特征參數(shù)Tab.3 Combustion characteristic parameters of blended samples

      從表3可以看出,小麥秸稈與煤摻混對揮發(fā)分燃燒的最大速率產(chǎn)生顯著影響,而其對應(yīng)溫度并無明顯偏移。隨著小麥秸稈質(zhì)量分?jǐn)?shù)的減小,揮發(fā)分的燃燒逐漸減弱,最大速率從20.79%/min下降到2.08%/min。小麥秸稈與煤摻混對固定碳燃燒產(chǎn)生了顯著影響。小麥秸稈固定碳燃燒階段最大速率(40.33%/min)出現(xiàn)在419℃。由于煙煤比例的增加,混合燃料熱穩(wěn)定性提高,固定碳燃燒階段逐漸向高溫方向移動至525℃,并在過渡階段出現(xiàn)2個燃燒峰。由于燃料的反應(yīng)活性與峰值溫度成反比[16],添加小麥秸稈提高了混合燃料的反應(yīng)活性。其對應(yīng)燃燒速率也呈逐漸下降趨勢,由小麥秸稈固定碳的燃燒逐漸轉(zhuǎn)移至煙煤固定碳燃燒方向。

      2.2.2著火、燃盡以及綜合燃燒特性分析

      本文采用外推法[17-18]確定著火點(diǎn)溫度。圖2為外推分析方法示意圖[13]。過DTG曲線峰值點(diǎn)對溫度軸作垂線,其與TG曲線交于一點(diǎn)M。過M點(diǎn)作TG曲線的切線,與失重起始平行線交于點(diǎn)I,定義為著火溫度(Ti)。著火溫度是衡量燃料著火性能的主要參數(shù),著火溫度越低,燃料越容易燃燒,燃燒性能越好[19]。同理燃盡點(diǎn)溫度也采用外推法確定。

      圖2 混合燃料的燃燒著火點(diǎn)、燃盡點(diǎn)分析方法示意圖Fig.2 Analysis method of ignition and burn out temperature of blended samples

      綜合燃燒特征指數(shù)SN[20-21]能夠全面表征燃料的燃燒特性,數(shù)值越高表明燃料越易點(diǎn)燃、易燃盡,燃燒效率越高,計算公式為

      (3)

      Tb——燃盡溫度,K

      幾項(xiàng)乘積全面涵蓋了燃燒的主要過程,開始階段、快速進(jìn)行階段和結(jié)束階段的主要特征參數(shù)均有體現(xiàn),全面地反映了燃燒特性。綜合燃燒特征指數(shù)越大,表明燃燒特性越好。根據(jù)DTG曲線,計算分析著火點(diǎn)溫度、燃盡點(diǎn)溫度以及綜合燃燒特征指數(shù),如圖3所示。

      圖3 混合燃料的燃燒著火點(diǎn)、燃盡點(diǎn)及綜合特征指數(shù)Fig.3 Ignition, burn out temperature and SN of blended samples

      由圖3可知,混合燃料的著火點(diǎn)、燃盡點(diǎn)溫度以及綜合燃燒特征指數(shù)均呈現(xiàn)規(guī)律性變化。小麥秸稈質(zhì)量分?jǐn)?shù)降到10%之前,著火點(diǎn)溫度并無明顯升高,分布在260~268℃溫度范圍。說明著火性能在小麥秸稈質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%以上無明顯下降。小麥秸稈的揮發(fā)分在混燃的著火階段起到重要作用。而單純煤燃燒的著火點(diǎn)溫度在444℃,表明較難著火。

      燃盡溫度則隨著秸稈質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低由520℃緩慢上升至596℃,隨著煙煤比例增加并不斷增加,固定碳含量更高的煙煤占主導(dǎo)地位。整體來看,加入煤延長了燃燒區(qū)間,使混合燃料不易燃盡,燃燒過程困難。

      對于綜合燃燒特征指數(shù),隨著小麥秸稈質(zhì)量分?jǐn)?shù)減小,SN逐漸由8.78×10-7%2/(K3· min2)下降至1.17×10-7%2/(K3· min2)。由于易燃的揮發(fā)分含量下降,混合燃料的燃燒性能逐漸降低。在小麥秸稈質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于20%時,SN均大于2.11×10-7%2/(K3· min2),在秸稈質(zhì)量分?jǐn)?shù)不小于40%時,SN值大于3.60×10-7%2/(K3·min2),表現(xiàn)出可接受的較好的燃燒特性[22]。考慮到綜合燃燒性能,因此小麥秸稈質(zhì)量分?jǐn)?shù)不低于40%,能夠保證較好的燃燒性能。已有對不同混合比例小麥秸稈和褐煤研究[10]表明,混合燃燒可以減少污染性氣體的釋放,并且混合比例(小麥秸稈與褐煤質(zhì)量比)2∶3產(chǎn)生的HCl、SO2、NOx氣體最少,與本文從燃燒特性角度評價得出的混合比例相近。

      2.3 燃燒過程熱量分析

      DSC曲線能夠反映混合燃料燃燒過程中熱流的變化,如圖4所示。

      圖4 混合燃料燃燒熱流釋放曲線Fig.4 DSC curves of blended samples

      混合燃料燃燒過程中熱量變化呈現(xiàn)出與DTG曲線相似的規(guī)律。隨著小麥秸稈質(zhì)量分?jǐn)?shù)的降低,小麥秸稈揮發(fā)分與固定碳對應(yīng)放熱峰逐漸減弱。在秸稈質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%和40%時,混合燃料出現(xiàn)3個放熱峰。由于煤含量增加,混合燃料放熱區(qū)域向高溫方向偏移。主要是由于反應(yīng)主體由揮發(fā)分的氣相燃燒轉(zhuǎn)移為固定碳與空氣的異相反應(yīng)[23]。

      由于燃燒過程中質(zhì)量連續(xù)變化,DSC曲線與時間積分面積可以用來比較不同燃料的放熱量[24]。放熱量曲線如圖5所示。

      隨著秸稈質(zhì)量分?jǐn)?shù)的減小,混合燃料釋放能量整體呈現(xiàn)升高的趨勢。在秸稈質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時,放熱量呈線性劇烈增加趨勢,相比單獨(dú)小麥秸稈增長約110.16%。而在秸稈質(zhì)量分?jǐn)?shù)由20%降至0時,放熱量增長趨勢平緩,增長約3.14%。與煙煤相比,小麥秸稈質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時整體放熱量為煙煤的96.95%。而當(dāng)小麥秸稈質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%和60%時,分別為煙煤的84.14%和74.27%。為保證盡量提高混合燃料的整體放熱量,達(dá)到煙煤的80%,推薦小麥秸稈質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于等于40%。

      圖5 混合燃料燃燒熱量釋放曲線Fig.5 Heat released during combustion of blended samples

      綜上所述,在提高整體放熱量并保證較好燃燒特性的原則下,與煙煤摻混的小麥秸稈添加40%為較優(yōu)比例。

      3 結(jié)論

      (1)隨著混合燃料中小麥秸稈質(zhì)量分?jǐn)?shù)的下降,揮發(fā)分燃燒峰值溫度無明顯移動,固定碳燃燒峰值溫度明顯向高溫區(qū)偏移。小麥秸稈質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%和40%時,出現(xiàn)明顯的過渡肩峰。

      (2)混合燃料的著火點(diǎn)、燃盡點(diǎn)溫度以及綜合燃燒特征指數(shù)均呈現(xiàn)規(guī)律性變化。燃盡溫度隨著秸稈比例降低由520℃緩慢上升至596℃,表明加入煤使燃燒區(qū)間延長。隨著小麥秸稈質(zhì)量分?jǐn)?shù)減小,綜合燃燒指數(shù)不斷下降,燃燒性能逐漸降低。在小麥秸稈質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于20%時,SN均大于2.11×10-7%2/(K3·min2),在秸稈質(zhì)量分?jǐn)?shù)不小于40%時,SN大于3.60×10-7%2/(K3·min2),因此,小麥秸稈質(zhì)量分?jǐn)?shù)不小于40%,能夠保證較好的燃燒性能。

      (3)由于煤含量增加,混合燃料放熱區(qū)域向高溫方向偏移。小麥秸稈質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%時,放熱量為煙煤的84.14%。為保證較好的燃燒特性,與煙煤摻混的小麥秸稈添加40%為較優(yōu)比例。

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