王曉鋼¹，魯光武²，路進升¹

　　(1．許繼集團有限公司，河南許昌461000；2．華北電力大學能源動力與機械工程學院，河北保定071003)

　　摘要：利用熱重分析儀，在不同條件下，對單一生物質、煤及其混合物的燃燒特性進行分析，研究了木屑、稻殼、稻草及耒陽白沙煤的著火溫度、燃燒最大速率溫度和燃燼溫度等燃燒特性參數。實驗結果表明，生物質的著火溫度比白沙煤低，生物質在燃燒過程中有兩個明顯的失重階段，而煤只有一個明顯的失重階段。通過摻燒可以使生物質與煤的混合物著火溫度降低．著火時間縮短，延長了整個燃燒的溫度區間，使煤能更好地燃盡，使燃料的燃燒特性得到了優化。隨著生物質摻混比例的提高，摻混樣品著火點溫度降低得更加明顯；且生物質顆粒尺寸由R90變為R200時，同樣的摻混比例下，尺寸R200的摻混樣品著火溫度更低。

　　0前言

　　我國電力生產以煤電特別是煤粉燃燒發電為主。近年來，因電力需求的急劇增加，煤炭相對短缺的現象相當嚴重。我國生物質能占一次能源比重33％左右，是僅次于煤的第二大能源。目前生物質作為能源利用的比例并不高，專門用于發電的則更少。因此開發生物質能用于發電在我國具有重要意義。

　　由于生物質的能量密度低等特性，單燒生物質在處理大量燃料等方面存在著困難，影響其大型化利用，發電效率一般也不高。煤粉爐共燃生物質，既可借用現有煤粉燃燒發電的高效率，實現生物質大量高效利用．又可利用現役電廠，無需大量的投資，被廣泛認為是一種廉價、實用的生物質發電技術。我國火電廠由于燃煤煤種變化大，燃燒劣質煤時鍋爐燃燒穩定性差、低負荷穩燃能力低。

　　生物質揮發分含量高、易著火同，因此有必要研究生物質與煤摻燒。以在一定程度上解決發電廠燃用劣質煤時著火不穩定等問題。

　　生物質混煤燃燒是生物質能利用的一種重要方式，已經引起國內外學者的廣泛關注，Back—reedy曾采用CFD軟件對生物質焦與煤粉的燃燒反應過程進行模擬研究㈣。目前，國內外對生物質與煤的共燃研究主要集中在不同生物質種類與不同生物質摻混比例下混合樣品燃燒特性的變化，而關于生物質與煤的粒徑對混合樣品燃燒特性的影響則鮮見報道。

　　本文采用熱分析技術，不僅考慮生物質種類與生物質比例對混合樣品燃燒特性的影響，而且考慮了不同生物質粒徑下混合樣品著火溫度的變化情況。

　　1實驗裝置與方法

　　1．1實驗樣品

　　選取3種典型成型生物質樣品：稻草、木屑、谷殼及末陽白沙煤為實驗原料。對以上樣品進行了工業分析和元素分析，見表1。

　　由表1可知，稻草、谷殼和木屑的揮發分比白沙煤高許多。但是水分含量較多；由于生物質的揮發分含量多。所以易于點火并能迅速燃燒；水分較多能夠在燃燒初期吸收較多的熱量，不利于燃燒放熱，造成較多的熱量損失；谷殼所含灰分最多，故燃燒殘余物較多。

　　1.2熱重實驗裝置

　　實驗裝置采用德國Netzsch公司的sTA449C綜合熱分析儀，該儀器由循環恒溫單元、功率器、TA系統控制器、氣體控制單元和計算機采集系統等組成．可在室溫至1400℃的溫度范圍內進行固態微量試樣的熱重實驗。本實驗裝置流程圖見圖1，采用A120坩鍋，升溫速率為30K／min，空氣流量為20ml／min(通過控制7氮氣瓶、8氧氣瓶及9二氧化碳氣瓶的流量，模擬空氣1考察反應行為。

　　1.3實驗方案

　　(1)3種生物質與煤的單燒熱重實驗

　　實驗前，用MettlerAE200光電天平(精度0．01mg)分別稱取3種成型生物質樣品與白沙煤質量約為5rng。將加熱爐升溫至設定終溫850℃后停留30min，期間的實驗數據由計算機自動采集，待反應物質量不再變化時，表明反應完畢在該實驗條件下，內、外擴散的影響可以排除，實驗處于動力學控制范圍內。

　　(2)3種生物質與煤混燒實驗方案

　　實驗內容：制定在兩種按熱量不同的摻混比例(1：9，2：8)、不同生物質燃料類型(兩種農業生物質，一種林業生物質)、不同粒徑配比(煤粉和生物質同等粒徑，煤粉小粒徑+生物質大粒徑)條件下的混燃實驗方案。根據設計的混燃實驗方案(表2)在熱重分析儀上開展混燃熱重分析。

　　按照上表比例分別稱取5mg樣品，在如圖1所示熱重上，以空氣為氣氛，流量為20ml／min，以30K／min的升溫速率升溫至1000℃停留30min，由電腦記錄失重數據。

　　1．4實驗數據處理

　　數據處理：從實驗電腦取得熱重失重數據和失重率數據，用origin軟化畫圖，并確定各生物質樣品的著火溫度。燃燒最大速率溫度和燃盡溫度(圖2)。著火溫度確定方法：從失重速率(DTG)最大點做垂線交于失重曲線(TG)一點B，過B點做TG曲線的切線，交于著火前水平線于一點A，A點即為著火點，B點為燃燒最大速率點，燃盡溫度取失重量占總失重量的98％，即C點f見圖2)。煤樣和混燃熱重曲線的處理方法與此相同。

　　2實驗結果與討論

　　2．1生物質與煤單燒的燃燒特性曲線分析3種生物質與煤單燒下燃燒特性見表3。

　　純生物質著火溫度較低(均低于300℃)，最大失重速率溫度為310～340℃。普通生物質一般在600℃左右即可燃燒完全。木屑的著火溫度、最大失重速率溫度均高于谷殼和稻草。而谷殼和木屑由于有較高的灰分，因此燃盡溫度略高一些。

　　從圖3-6可以看出，3種生物質的燃燒過程與白沙煤不同，存在著較為明顯的兩個區間，即揮發分析出和固定碳燃燒階段。

　　2．2生物質與煤混燒的燃燒特性曲線分析

　　混燃結果處理步驟與單一生物質熱重實驗處理步驟相同，見圖7～9。

　　由表4可以看出，原煤的著火點為549℃，混燃生物質后的試樣的著火點下降，其中摻混稻草的樣品著火點最低(528℃)，最大燃燒速率溫度也有所降低，燃盡溫度卻有少量增加，比較圖形可以看出。煤粉單獨燃燒的失重速率只有一個峰值，且在600℃附近，而摻混生物質后，在320℃左右失重速率均出現了另一個峰值，這是因為在320℃附近，生物質中揮發分析出的結果。摻混稻草的煤樣在320℃左右的失重峰較其他兩種生物質的大，這是因為稻草的揮發分含量高于木屑和谷殼。

　　摻混比例升高為2：8后，與表4相比可得。摻混樣品著火點降低得更加明顯，特別是摻燒稻草和木屑時，著火點降低約40℃(表5)。由于摻人了生物質，煤樣燃燒時失重速率出現了兩個峰，這里的最大失重速率溫度取第2個峰，即煤粉燃燒時最大失重速率所對應的溫度，故最大失重速率溫度與煤粉單獨燃燒相比沒有太大的變化，燃盡溫度也沒有明顯的變化。由圖10一12也可以看出，隨著生物質在混合試樣中的摻混比例的逐步增大．燃燒過程逐漸向低溫區域移動。

　　由表6知，當顆粒尺寸由R90顆粒變為R200時，在同樣的摻混比例下，R200的摻混樣品著火溫度更低。由圖13～圖15可以看出，與木屑混燃時，第2個大峰分為兩個小峰，這里取這兩個小峰的平均值575℃為最大失重速率溫度。與煤粉單獨燃燒相比，混燃使煤粉燃燒溫度至少降低了20℃。

　　在顆粒尺寸為R200下，生物質摻混比例由1：9增大至2：8后，著火溫度下降更加明顯，這與粒徑為R90時的結果相吻合。圖16～18中可以看出，摻混木屑樣品的著火溫度與摻混谷殼的樣品相似(490℃左右)，最大燃燒速率溫度以及燃盡溫度下降也較為明顯。因此，由表6和表7可見，粒徑為R200的生物質與煤摻混比粒徑為R90的生物質與煤摻混更能降低著火溫度、最大燃燒速率溫度和燃盡溫度。

　　摻混生物質后，煤的著火溫度下降。相同摻混比例下，摻混粒徑為R200的生物質著火溫度比摻混粒徑為R90的生物質著火溫度低。相同摻混粒徑下，摻混比例越大，著火溫度越低，最大燃燒速率溫度也越低。3種生物質著火溫度的變化規律相同。粒徑均為尺200時，兩種摻混比例下，摻混谷殼的著火溫度最低(501℃，491℃)；粒徑均為R90時，在摻混比例2：8下摻混稻草的著火溫度最低(508℃)，摻混木屑的最大燃燒速率溫度最低(572℃)。

　　3結論

　　(1)生物質的著火溫度比白沙煤低，3種生物質在燃燒過程中均有兩個明顯的失重階段，而白沙煤只有一個明顯的失重階段。

　　(2)摻混生物質后，生物質與煤混合物的著火溫度下降。對于林業生物質木屑，隨著摻混比例的升高，摻混顆粒的增大(含水率降低或揮發分含量增加)，著火溫度逐漸降低，最大燃燒速率溫度及燃盡溫度下降明顯。農業生物質摻混燃燒特性也基本符合這個規律。