楊艷華¹，湯慶飛²，朱光¹

(1.重慶科技學院冶金與材料工程學院，2.東北大學冶金學院)

　　摘要：通過綜合熱重實驗、發熱量實驗、燃燒實驗，對生物質與煤混合燃燒特性及SO₂和CO排放特性進行了實驗研究。研究結果表明，生物質與煤混合燃燒可以改善煤粉的著火溫度、燃盡溫度等燃燒特性；混合燃燒對發熱量有較大影響，故生物質不能單獨使用；混合燃燒煙氣中的SO₂和CO都相應減少，降低污染排放物，提高燃燒效率。

　　我國是燃煤大國，2014年煤的消耗量為35.1億t，占世界煤炭消耗總量的50％，巨大的消耗量不僅會造成能源短缺，而且對環境帶來的危害也越來越不容忽視。同時我國也是農業大國，每年約有6.87億t生物質資源，約折合3.4億tce，但目前利用率卻不足5％，大量生物質資源被廢棄，造成能源的浪費。

　　生物質資源具有清潔性和可再生性，不但能夠彌補化石燃料的短缺，并且可以降低SO₂、NO₂及煙塵的排放，減輕溫室效應。因此從煤的清潔高效利用和生物質能利用方面看，發展生物質與煤的混合燃燒技術是很有必要的。目前，對生物質的研究主要以熱重分析為主，但對于生物質與煤粉混合燃燒的發熱量及燃燒后氣態污染物的分析較少。文章對生物質、煤以及二者不同摻混比的燃料燃燒特性及燃燒氣態污染物SO₂和CO排放特性進行了實驗研究。

　　1實驗研究

　　1.1實驗原料及樣品制備

　　實驗以玉米秸稈、重慶永川煤為研究對象，首先將原料用小型破碎機磨制成粒徑120目以下的實驗樣品，并置于105℃烘箱中烘烤6h除去游離水。然后用分析天平稱量煤粉和生物質，按照摻混比M為0％、10％、20％、30％、40％和50％摻混。生物質和煤粉的工業分析見表1。

　　1.2實驗方法

　　采用上海精密科學儀器有限公司生產的綜合熱重分析儀，加熱終溫1000℃，升溫速率為10℃／min，空氣燃燒氣氛，測定燃料燃燒過程中著火溫度、燃盡溫度等燃燒特性。

　　采用長沙開元儀器有限公司生產的型號為5E一1C／M單體式量熱儀，測定燃料發熱量。

　　采用青島明華電子儀器有限公司生產的型號3000一B的煙氣分析儀，測定燃料燃燒的氣態污染物SO₂和CO排放特性。

　　2結果分析與討論

　　2.1燃燒特性實驗結果分析與討論

　　不同摻混比燃料燃燒的和DTA曲線分別見圖1和圖2。TG曲線是不同摻混比燃料隨溫度變化的曲線，由該曲線可以得到不同燃料在燃燒過程中的失重情況。DTA曲線是在程序溫度控制下，建立被測量物質和參比物的溫度差和溫度變化關系的曲線。根據TG和DTA曲線得出的燃燒特性溫度、最大失重率、可燃性指數隨生物質含量的變化關系，見圖3、圖4和圖5。

　　由圖1和圖2都可知，生物質與煤混合燃燒按溫度分為三個階段，第一階段，當溫度小于200℃時質量略有下降，為水分蒸發階段；第二階段，溫度在200～350℃之間，TG曲線明顯下降，DTA曲線出現第一個放熱峰，為揮發分的析出階段；第三階段，溫度在400—750℃，固定碳大量燃燒，TG曲線下降最為明顯，并且出現第二個放熱峰，為固定碳的燃燒階段。在摻混比為0的TG和DTA曲線中，其與其他摻混比的曲線有兩點不同之處。第一，在固定碳即將燃燒時，曲線有微微上升趨勢，即燃料有所增重，這是因為在煤粉燃燒之初，固定碳和氧氣發生反應，生成CO₂氣體并沒有及時逸出，而是附著在燃料的表面，表現為增重。第二，DTA只有一個放熱峰，這是由于原煤中只含有27.86％的揮發分，比生物質中揮發分含量75.77％少得多，因此揮發分析出峰不明顯。

　　在摻混比較小時，DTA放熱峰寬度大，峰頂不明顯，但有上升趨勢。隨著增加到40％時，可以看到兩個十分突出的峰，峰面變得陡峭，峰的面積減小，峰頂較之前有所下降，DTA曲線向低溫區移動，表明生物質的加入加劇了燃料的燃燒，促進了燃燒反應，使之在較低溫度和較短時間內完成。

　　由圖3可知，隨著生物質含量的增加，著火點溫度、最大燃燒速率對應溫度和燃盡溫度均有所降低，TC,曲線向低溫區移動，提高了燃料的著火性能。這是由于生物質中存在大量的揮發分，在溫度較低時析出，使燃燒時間提前，加快了燃燒速率，燃盡溫度低，燃燒反應更加劇烈。

　　由圖4可知，失重率曲線變化有起伏，原煤燃燒失重率為82.11％，生物質含量增加，失重率增加。失重率越大，燃料燃燒越充分，釋放的熱量越多。當生物質含量增加到30％時，失重率驟然下降。這是由于生物質中的灰分對燃燒反應有雙重影響J。當生物質含量較小時，生物質灰分當中的CaO和H占主導作用，促進了燃料燃燒；當生物質含量較大時，產生的灰分阻塞燃料毛細孔，阻礙揮發分析出和固定碳燃燒。因此，并非加入的生物質越多好，應該將生物質含量控制在30％以下。可燃性指數表征樣品燃燒前期的燃燒性能。可燃性指數越大，表明燃料的燃燒穩定性越好。由圖5可知，原煤的可燃性指數最低，僅為1.71×10-6。隨著生物質含量的增加，可燃性指數增加，表明生物質的加入，改變了煤粉的可燃性，使煤粉燃燒效果更好。

　　2.2發熱量結果分析與討論

　　通過氧彈量熱儀，測定不同摻混比下混合物的發熱量，發熱量隨摻混比的變化關系見圖6。

　　由圖6可知，隨著生物質含量的增加燃料發熱量線性下降，可以看出生物質有較為穩定的發熱量，隨外界條件變化不大，因此化學成分穩定性好。生物質的發熱量相比煤粉要小很多，這是由于生物質中固定碳含量少，雖有較高揮發分燃燒充分，但放熱不足。M=50％時，發熱量僅為煤粉的75.9％。因此在用作鍋爐燃料時，應考慮生物質與煤摻混燃燒，既保證具有足夠的熱值又可以提高燃料燃燒特性。

　　2.3燃燒氣態污染物特性結果分析與討論

　　將生物質與煤的混合燃料加入滴管爐內進行燃燒，通過煙氣分析儀分析煙氣中SO₂和CO的含量，分析其不同摻混比下的SO₂和CO排放特性。煙氣中SO₂和CO隨生物質含量的變化曲線見圖7。

　　由圖7可知，隨著生物質含量的增加，煙氣成分中SO₂含量逐漸減少，主要是因為生物質中S元素很少，而且生物質燃料含有相對較多的K、Ca、Na的活性成分，這些堿金屬也可降低SO₂的排放，由此可見生物質燃料是一種清潔的燃料，燃燒產物對環境污染較小；煙氣中CO含量降低較為明顯，當摻混比增加至40％時，CO含量僅為19.4mg／m³，較原煤含量1419.9mg／m³可忽略，由此說明加入的生物質燃料使煤粉的燃燒更徹底。主要是由于生物質中揮發分的含量遠遠高于煤粉，燃燒過程中，大量的揮發分促進了煤粉的燃燒。

　　3結論

　　(1)生物質與煤混合燃燒可以改善煤粉的著火溫度、燃盡溫度、綜合燃燒指數等燃燒特性，最佳摻混比應控制在20％～30％為宜；

　　(2)生物質的發熱量相比煤粉要小很多，M=50％時，發熱量僅為煤粉的76％，因此單一生物質不宜作為鍋爐燃料；

　　(3)生物質燃料含硫量較低與煤混合燃燒可以減少SO₂排放量；生物質燃料含有相對較多的K、Ca、Na的活性成分，對燃煤固硫也起著積極作用；

　　(4)生物質中揮發分的含量遠遠高于煤粉，生物質與煤粉混合燃燒，隨著摻混比的增加燃燒氣態產物中CO降低，燃燒更加充分。