|
羅睿1，王智微1，陳華冬2，裴繼興1，符亮2，莫詩(shī)2
（1.西安熱工研究院有限公司，陜西西安710054；2.華能海南發(fā)電股份有限公司海口電廠，海南澄邁571923）
摘要：我國(guó)煤種類(lèi)別繁多，考慮到燃料成本控制及鍋爐機(jī)組靈活性，生物質(zhì)作為可再生資源可與煤摻燒解決或緩解上述問(wèn)題。通過(guò)對(duì)不同類(lèi)型煤質(zhì)和典型生物質(zhì)的熱重動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)，討論燃料的純?nèi)寂c混燃的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特征區(qū)別，分階段選取合適的動(dòng)力學(xué)模型并計(jì)算活化能參數(shù)，從熱重過(guò)程曲線和活化能研究煤與生物質(zhì)摻燒的協(xié)同效應(yīng)，并討論了摻混比、氧濃度、加熱速率對(duì)協(xié)同作用的影響。研究發(fā)現(xiàn)，混燃過(guò)程的3個(gè)階段可分別用一級(jí)化學(xué)反應(yīng)、三級(jí)化學(xué)反應(yīng)和三維擴(kuò)散控制方程描述，生物質(zhì)與優(yōu)質(zhì)煙煤摻燒協(xié)同作用體現(xiàn)在混燃燃盡階段。協(xié)同作用使該階段燃燒強(qiáng)度下降，燃盡時(shí)間延遲。摻混比和氧濃度對(duì)煤摻燒生物質(zhì)的協(xié)同效應(yīng)影響較大，加熱速率影響較小。
0引言
我國(guó)煤種類(lèi)別繁多，鍋爐實(shí)際燃燒燃料與設(shè)計(jì)燃料偏差較大。考慮到煤成本差異和機(jī)組靈活性，可通過(guò)摻燒調(diào)整入爐煤特性。生物質(zhì)來(lái)源廣，作為可再生資源可與煤摻燒解決或緩解上述問(wèn)題[1-2]。通過(guò)生物質(zhì)耦合混燒發(fā)電減少煤炭使用，還可加速我國(guó)煤電低碳轉(zhuǎn)型[3-4]。因此，開(kāi)展生物質(zhì)與煤的混燃動(dòng)力學(xué)分析具有重要基礎(chǔ)意義。
許多學(xué)者對(duì)煤和生物質(zhì)的純?nèi)歼^(guò)程分別從反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理、燃料成分特征、燃燒關(guān)聯(lián)參數(shù)影響、燃燒特性指數(shù)等方面展開(kāi)燃燒動(dòng)力學(xué)研究。彭?yè)P(yáng)凡等[5]發(fā)現(xiàn)大顆粒煤的熱解反應(yīng)級(jí)數(shù)為1.5時(shí)，在高溫段和低溫段與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。朱紅青等[6]研究表明煤樣的揮發(fā)分及氧化程度越高，越有利于煤樣燃燒。申甲等[7]研究發(fā)現(xiàn)煤泥的活化能和指前因子存在互補(bǔ)償效應(yīng)。楊繼元等[8]從著火和燃盡角度得到評(píng)價(jià)煙煤燃燒特性指數(shù)，煙煤指數(shù)越大則燃燒性能越好。林鵬等[9]和司耀輝等[10]對(duì)比了不同生物質(zhì)燃燒動(dòng)力學(xué)的反應(yīng)區(qū)間和活化能，不同溫度區(qū)間的熱重曲線與生物質(zhì)物質(zhì)組成和化學(xué)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。盧洪波等[11]對(duì)生物質(zhì)典型三組分進(jìn)行燃燒特性分析，計(jì)算得到了纖維素、木質(zhì)素和木聚糖在高溫段和低溫段的最佳反應(yīng)級(jí)數(shù)。劉宣佐等[12]構(gòu)建并改進(jìn)了反應(yīng)速率模型，提出采用最大熱解速率處轉(zhuǎn)化率對(duì)應(yīng)的熱解動(dòng)力學(xué)參數(shù)簡(jiǎn)化方法，可減小數(shù)值模擬計(jì)算成本。王華山等[13]研究了水洗方式對(duì)生物質(zhì)燃燒特性的影響，發(fā)現(xiàn)水洗溫度越高，焦炭燃燒階段的活化能越小。
部分學(xué)者對(duì)煤與生物質(zhì)的共熱解與混燃過(guò)程進(jìn)行研究。陳希葉[14]發(fā)現(xiàn)神木煤與玉米秸稈混合物的活化能趨勢(shì)在初期與生物質(zhì)一致。武宏香等[15]對(duì)不同生物質(zhì)與褐煤熱解進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，推測(cè)共熱解過(guò)程存在協(xié)同作用。林博文[16]從焦炭表面碳結(jié)構(gòu)變化解釋生物質(zhì)與煤共熱解協(xié)同效應(yīng)，明確了摻混煤導(dǎo)致原料的傳熱特性變化是共熱解協(xié)同效應(yīng)的影響因素之一。戴重陽(yáng)等[17]分析了加熱速率對(duì)共熱解協(xié)同作用的影響，認(rèn)為慢速熱解下2種反應(yīng)物獨(dú)立熱解，而快速熱解下會(huì)發(fā)生交互作用。劉浪等[18]討論了不同動(dòng)力學(xué)模型對(duì)協(xié)同作用的準(zhǔn)確性描述，認(rèn)為采用CR模型更適合分析混合燃料反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。王健等[19]發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)焦與煤焦混燃速率與摻燒比例呈非線性變化。學(xué)者對(duì)煤與生物質(zhì)混燃從宏觀活化能計(jì)算到微觀的燃料結(jié)構(gòu)變化開(kāi)展討論。但不同煤質(zhì)與生物質(zhì)混燃協(xié)同效應(yīng)的存在依據(jù)、存在階段以及摻混比對(duì)協(xié)同效應(yīng)的影響還未定論。針對(duì)不同煤質(zhì)摻燒生物質(zhì)的熱重試驗(yàn)，研究混燃過(guò)程的協(xié)同效應(yīng)特征及其影響因素具有研究?jī)r(jià)值。
1試驗(yàn)
1.1試驗(yàn)燃料
試驗(yàn)燃料分別選取2種不同煤質(zhì)（煙煤和劣質(zhì)煙煤）以及1種典型生物質(zhì)。試驗(yàn)用煤樣為磨制后平均粒徑小于137μm的煤粉。生物質(zhì)是平均尺寸為長(zhǎng)2cm、直徑1cm的圓柱形顆粒，試驗(yàn)前用粉碎機(jī)粉碎磨制成2000μm以下粉末，如圖1所示。燃料成分分析見(jiàn)表1。
1.2試驗(yàn)裝置
熱重試驗(yàn)在德國(guó)耐馳的連續(xù)熱分析儀（Netzsch STA 449）上進(jìn)行。試驗(yàn)采用線性升溫方式，加熱至1000℃后自然冷卻結(jié)束。通過(guò)調(diào)節(jié)流量計(jì)，控制爐體氣氛氧濃度。試驗(yàn)研究了3種氧氣氛（體積分?jǐn)?shù)10%、21%、40%）、4種摻混比例（0.1、0.2、0.4、0.8）和3種加熱速率（10、20、30K/min）下的熱重特征。摻混比例以生物質(zhì)摻入熱值占混合燃料總熱值的比值λQ計(jì)算。
1.3數(shù)據(jù)分析方法
1.3.1特征參數(shù)定義
煤和生物質(zhì)的典型失重曲線如圖2所示。首次出現(xiàn)的失重區(qū)間為水分干燥階段。然后進(jìn)入著火階段，著火溫度Ti定義為DTG曲線第1個(gè)顯著峰值對(duì)應(yīng)的溫度Tp1。過(guò)該點(diǎn)作TG曲線切線與該峰值前的水平段延長(zhǎng)線交于一點(diǎn)，該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度即燃料的著火溫度Ti。如果有2個(gè)以上峰值，則認(rèn)為燃料在升溫過(guò)程中有明顯分階段燃燒現(xiàn)象。DTG曲線上2個(gè)峰值之間的拐點(diǎn)溫度定義為T(mén)e。
選取DTG曲線最后一個(gè)峰值對(duì)應(yīng)溫度Tp2，找到相應(yīng)TG曲線的點(diǎn)，然后作該點(diǎn)在TG曲線上的切線。此切線與TG尾部結(jié)束燃燒的水平線相交的點(diǎn)對(duì)應(yīng)溫度為燃盡溫度Tb。
2結(jié)果與討論
2.1單一燃料的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特征
生物質(zhì)通常認(rèn)為由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成。半纖維素的反應(yīng)活性最高，依次為纖維素和木質(zhì)素。純?nèi)剂系腡G/DTG曲線如圖3所示。可知生物質(zhì)著火和燃盡性能優(yōu)于煤質(zhì)。生物質(zhì)燃燒過(guò)程可明顯區(qū)分為2個(gè)主要階段，在低溫階段的半纖維素、纖維素燃燒和高溫階段的木質(zhì)素燃燒。煤質(zhì)只體現(xiàn)一個(gè)反應(yīng)階段，揮發(fā)分和焦炭燃燒充分合并成一個(gè)過(guò)程。
用CR模型分析煤質(zhì)熱重試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如圖4所示。煤質(zhì)數(shù)據(jù)的線性度在反應(yīng)過(guò)程較好。生物質(zhì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)在整個(gè)過(guò)程可分成3個(gè)明顯的區(qū)間，各區(qū)間依次用機(jī)理函數(shù)A1、A3、C3描述見(jiàn)表3。
用KAS方法分析3種不同加熱速率得到的熱重?cái)?shù)據(jù)分析，如圖5和6所示。
反應(yīng)初期和末期的轉(zhuǎn)化率下，不同加熱速率試驗(yàn)數(shù)據(jù)的線性擬合度有限，從而造成活化能計(jì)算偏差。圖7比較了KAS模型與CR模型得到的活化能。KAS模型得到的生物質(zhì)活化能不合理，已超過(guò)煤的活化能。因此CR模型作為本研究燃料動(dòng)力學(xué)分析的主要方法。
2.2混合燃料的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特征
混合燃料燃燒過(guò)程依次經(jīng)歷脫水、揮發(fā)分燃燒、圖7各燃料用不同模型得到的反應(yīng)活化能焦炭燃盡3個(gè)階段如圖8所示。在脫水階段，即DTG第1個(gè)小峰值處，失重速率基本隨生物質(zhì)摻混比的增加而變大，且脫水溫度區(qū)間基本保持不變。揮發(fā)分析出及燃燒階段也具有同樣規(guī)律。說(shuō)明在前2個(gè)階段混合燃料遵循物理混合的原則。
但混合燃料第3階段的失重峰值比單一燃料的失重峰值更平緩。燃盡時(shí)間延后，尤其在低摻混比下。生物質(zhì)與優(yōu)質(zhì)煤的摻混降低了平均反應(yīng)速率和燃燒強(qiáng)度，說(shuō)明煤和生物質(zhì)之間有額外的反應(yīng)或作用發(fā)生。隨生物質(zhì)摻混比例增大，第3階段反應(yīng)向低溫區(qū)移動(dòng)，燃盡時(shí)間提前。
劣質(zhì)煙煤煤2摻燒生物質(zhì)如圖9所示。著生物質(zhì)摻混比例增加，脫水階段和揮發(fā)分析出燃燒階段更劇烈，反應(yīng)速率更大。摻混生物質(zhì)提升了燃料在低溫區(qū)的反應(yīng)活性。表4為通過(guò)熱重曲線計(jì)算得到的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)。
2.3混燃協(xié)同效應(yīng)分析
為探討煤與生物質(zhì)混燃的協(xié)同效應(yīng)，對(duì)比了煤摻燒生物質(zhì)的熱重試驗(yàn)曲線和用物理混合質(zhì)量加權(quán)平均計(jì)算得到理論熱重曲線，結(jié)合活化能討論。
2.3.1摻混比對(duì)協(xié)同效應(yīng)的影響
圖10是優(yōu)質(zhì)煙煤煤1與生物質(zhì)的熱重曲線對(duì)比。在混合燃料焦炭燃盡階段，尤其低摻混比時(shí)，試驗(yàn)曲線的燃盡區(qū)間比計(jì)算曲線的燃盡區(qū)間推遲，且反應(yīng)速率更平緩。在該階段，存在生物質(zhì)中殘余纖維素、木質(zhì)素和煤的揮發(fā)分、焦炭的共同燃燒，可能出現(xiàn)了生物質(zhì)焦炭活性向煤質(zhì)焦炭轉(zhuǎn)移的過(guò)程，使反應(yīng)劇烈區(qū)被均勻化，而燃盡時(shí)間的延后是生物質(zhì)燃燒產(chǎn)物對(duì)煤焦的覆蓋包裹作用，延緩了氧擴(kuò)散和煤焦燃盡。
圖11是劣質(zhì)煙煤煤2與生物質(zhì)的熱重曲線。在混合燃料燃盡段初期，生物質(zhì)部分反應(yīng)峰值被融進(jìn)煤質(zhì)反應(yīng)峰值中，在該段試驗(yàn)得到的反應(yīng)速率低于計(jì)算值，說(shuō)明生物質(zhì)中活性好的可燃質(zhì)作為中間產(chǎn)物被煤質(zhì)中活性差可燃質(zhì)吸收，平緩了生物質(zhì)和煤炭燃盡階段的燃燒強(qiáng)度。
總體來(lái)說(shuō)，生物質(zhì)與優(yōu)質(zhì)煤混燃易出現(xiàn)協(xié)同作用，并發(fā)生在低摻混比（λQ≤0.2）混合燃料的燃盡階段，其表現(xiàn)為燃燒強(qiáng)度下降，燃盡時(shí)間推遲。生物質(zhì)與劣質(zhì)煤協(xié)同作用表現(xiàn)微弱，主要體現(xiàn)在燃盡階段的燃燒強(qiáng)度相比單一燃料更平緩。
2.3.2氧濃度對(duì)協(xié)同效應(yīng)的影響
對(duì)3種不同氧氣氣氛對(duì)煤與生物質(zhì)純?nèi)技盎烊嫉挠绊懀x取生物質(zhì)的熱量摻混比為20%。氧濃度對(duì)煤與生物質(zhì)摻燒的影響，如圖12所示，優(yōu)質(zhì)煙煤與生物質(zhì)摻燒，協(xié)同效應(yīng)與反應(yīng)氣氛的氧濃度有關(guān)：
1）貧氧氣氛下，煙煤摻燒生物質(zhì)的協(xié)同效應(yīng)較弱，熱重曲線與計(jì)算曲線吻合度較好。
2）空氣氣氛下，煙煤摻燒生物質(zhì)的協(xié)同效應(yīng)開(kāi)始顯現(xiàn)，混燃物第2階段的反應(yīng)強(qiáng)度降低，燃盡時(shí)間推遲。
3）富氧氣氛下，摻燒協(xié)同效應(yīng)仍存在，但混燃物第2階段的反應(yīng)強(qiáng)度相比物理混合時(shí)增加，燃盡時(shí)間提前。
在貧氧氣氛下，混合燃料活化能在混合前的2種單一燃料的活化能數(shù)值區(qū)間，并與生物質(zhì)摻混比例接近。在空氣氣氛下，混合燃料活化能與生物質(zhì)接近，說(shuō)明氧濃度明顯改變了混合燃料的反應(yīng)進(jìn)程。
在混燃過(guò)程中可明顯看出氧濃度的影響并非是煤和生物質(zhì)影響的簡(jiǎn)單疊加。在空氣氣氛和貧氧氣氛下，混合燃料燃燒行為近似于煤，其氧濃度變化較小，主要是反應(yīng)動(dòng)力學(xué)控制。隨氧濃度增加到富氧燃燒范圍，混合燃料燃燒速率陡增，反應(yīng)溫度區(qū)間提前，進(jìn)入氧擴(kuò)散控制環(huán)節(jié)。可見(jiàn)氧濃度對(duì)煤摻燒生物質(zhì)的混燒機(jī)理有較明顯影響，燃燒過(guò)程中煤與生物質(zhì)相互促進(jìn)或制約的協(xié)同作用與氣氛緊密相關(guān)。
2.3.3加熱速率對(duì)協(xié)同效應(yīng)的影響
圖13是生物質(zhì)摻混比例為0.2的混合燃料在3種加熱速率下熱重曲線及活化能計(jì)算。隨加熱速率增加，在生物質(zhì)揮發(fā)分析出燃燒階段（200~400℃），揮發(fā)分燃燒速率顯著增大；在生物質(zhì)焦炭燃燒階段（400~500℃），混合燃料的試驗(yàn)失重速率高于計(jì)算析出速率；在燃料焦炭燃盡階段（500~700℃），混合燃料的試驗(yàn)失重速率明顯小于計(jì)算析出速率，持續(xù)時(shí)間也更長(zhǎng)。
加熱速率對(duì)混合燃料的協(xié)同作用主要體現(xiàn)在生物質(zhì)焦炭燃燒與煤的燃燒階段。加熱速率增加促使混合物這2個(gè)燃燒階段融合，并使反應(yīng)溫度區(qū)間隨加熱速率的增加而延遲。可得到加熱速率對(duì)混合物活化能的影響：①加熱速率對(duì)煤質(zhì)和生物質(zhì)小摻混比的混合燃料有一定影響，隨加熱速率增加，活化能降低；②對(duì)于生物質(zhì)燃料和大摻混比的混合物，加熱速率對(duì)活化能影響較小；③大摻混比混合物的活化能超過(guò)了其原燃料活化能區(qū)間，摻混比相比加熱速率對(duì)協(xié)同效應(yīng)的影響更直接。
3結(jié)論
1）動(dòng)力學(xué)分析選擇經(jīng)典的Coats-Redfern方法，并分區(qū)求解，對(duì)不同加熱速率熱重過(guò)程的求解結(jié)果取平均，這種處理方法較適用于生物質(zhì)純?nèi)蓟蚧烊驾^為適用。混燃過(guò)程的3個(gè)階段可分別用一級(jí)化學(xué)反應(yīng)、三級(jí)化學(xué)反應(yīng)和三維擴(kuò)散控制方程求取動(dòng)力學(xué)參數(shù)。
2）生物質(zhì)摻燒不同煤質(zhì)表現(xiàn)的協(xié)同作用差異較大。生物質(zhì)與優(yōu)質(zhì)煙煤摻燒協(xié)同作用體現(xiàn)在混燃的燃盡階段，使該階段燃燒強(qiáng)度下降，燃盡時(shí)間延遲。生物質(zhì)與劣質(zhì)煙煤摻燒時(shí)，協(xié)同作用微弱。
3）摻混比和氧濃度對(duì)煤與生物質(zhì)的摻燒協(xié)同效應(yīng)的影響更直接，加熱速率影響較小。
 |
