生物质与煤混燃研究分析

生物质与煤混燃研究分析
摘要:通过对生物质与煤混燃的研究方法、优势、燃烧特性以及研究结论的介绍,阐明充分开发生物质资源,进行生物质与煤共燃的研究对解决我国能源问题具有现实意义。

关键词:生物质;煤;混燃
作为清洁的可再生能源,生物质能的利用已成为全世界的共识。

我国生物质资源丰富,生物质占一次能源总量的33% ,是仅次于煤的第二大能源。

同时,我国又是一个由于烧煤而引起的污染排放很严重的发展中国家,生物质被喻为即时利用的绿色煤炭,具有挥发分和炭活性高,N和S含量低,灰分低,与煤共燃可以降低其硫氧化物、氮氧化烟尘的含量.同时生物质燃烧过程具有CO2零排放的特点。

这对于缓解日益严重的“温室效应”有着特殊的意义。

因此发展生物质与煤混合燃烧这种既能脱除污染,又能利用再生能源的廉价技术是非常适合中国国情的。

一、共燃的主要方式:
(1)直接共燃:即直接将生物质混入煤中进行燃烧或生物质与煤使用不同的预处理装置与燃烧器。

(2)生物质焦炭与煤共燃:通过将生物质在300~400℃下热解,可以将生物质转化为高产率(60%~80%)的生物质焦炭,然后将生物质焦炭与煤共燃。

生物质与煤共燃燃烧性质的研究主要是利用热分析技术所得的TG-DTG曲线进行。

利用TG-DTG曲线可以方便的获取着火温度Th,最大燃烧速(dw/dt)max平均燃烧速度dw/dt)mean,燃尽温度Th等参数。

可以对一种煤和几种生物质以及它们以不同的比例所得的混合试样进行燃烧特性分析。

比如在STA409C型热综合分析仪上对各试样进行燃烧特性试验,工作气氛为N2和O2,流量分别为80ml/min、20ml/min ,升温速率为30℃/min ,温度变化范围为20~1200℃。

每个试样重量约5.0mg。

其数值根据自己的实验需要进行修改。

2 生物质与煤共燃的优势
2.1 CO2等温室气体的减排
由于生物质在燃烧过程中排放出的CO2与其生长过程中所吸收的一样多,所以生物质燃烧对空气CO2的净排放为零。

同时由于燃烧生物质剩余物减少了其自然腐烂所产生的CH4,进一步减少了温室气体的排放,因而它是目前最经济可行的减排CO2手段之一。

2.2 NOx的排放
加入生物质与煤共燃能够降低NOx的排放浓度主要原因:①生物质含有大量挥发分,在低温下迅速析出进而燃烧,形成生物质挥发分与煤
抢氧燃烧,从而形成较低氧气浓度,有利于还原物质(C和CO等)对NOx 的还原分解反应,减少NOx的生成;②生物质本身N含量比煤少得多,故生物质与煤O2共燃过程中生成NOx的数量也会降低;③燃烧过程中生物质释放出的挥发分与煤相比更富NH3,而后者则更富HCN。

NH3能够分解成NH2和NH,它们能够将NO还原成N2,从而起到降低NOx作用而HCN能在O2的作用下分解成NCO,它进一步与NO反应会生成污染物N2O。

2.3 SO2的排放
SO2的排放量主要决定于燃料中S的输入量,因为在煤的燃烧过程中80%~100%的燃料S会转变成SO2。

据研究,大部分生物质含硫量极少或不含(如木质燃料的S含量约为0.01%~0.04%,谷壳为0.05%,花生壳为0.02%),因而通过将生物质与煤共燃能够有效降低SO2的排放量减排的效果因共燃生物质和煤种S含量的不同而不同。

同时,多数生物质灰分中含有大量碱金属或碱土金属的氧化物,能够与SO2反应生成硫酸盐,起到固硫剂的作用。

3 共燃的燃烧特性分析
3.1 着火温度
着火温度是燃料氧化反应速度突变的温度,表现反映现象是燃料发生着火时的温度,采用不同实验仪器去测定着火温度方法也不相同。

着火温度在热天平上的确定方法最常用的是TG-DTG法,在DTG曲线上,过峰值作垂线与TG交于一点A,过A点作TG曲线的切线,该切线与过始终开始点平行于温度轴的直线的交点B所对应的温度定义为着火温度。

如图1所示。

生物质燃料挥发分比例一般都较高,通常可
达60%~90%,且热解释放挥发分的温度较低(约250~350℃),因而生物质与煤共燃可以大大降低煤的点火温度。

表1列出了部分煤与生物质的挥发分含量与着火温度。

一般认为当不同燃料混合燃烧时,着火特性偏于易着火的燃料,因而在混燃中,即使混入小部分生物质也可大大降低煤的着火温度,提高煤点火性能。

表1煤种和生物质与着火温度的关系[12、13]
V/%Ti/℃
煤种
褐煤45~63 280~370
烟煤21~47 380~480
贫煤11~19 420~510
无烟煤3~9 500~610
V/%Ti/℃
生物质
白松树皮69.78 290
落叶松树皮64.80 300
白桦树树皮74.48 280
从TGA和DTGA曲线可以看出,对于单纯的生物质来说,在600℃以后, TGA曲线趋于平直,DTGA曲线波动于零值附近,为便于进行比较以树枝的初始燃尽温度565℃作为参比温度,用f表示燃尽率。

图2给出的温度为565℃时的各种试样的燃尽率来看,在煤中加入生物质后,较低的温度下即可获得较好的燃尽性,混合燃料的燃尽率高于两种单一燃料的加权平均值。

这是因为在煤中加入生物质后,燃烧的最大速率有前移的趋势,因此燃尽所需的时间较煤来说缩短,所处的温度降低。

图3中给出了各种试样的最大燃烧速率和相应的温度曲线,对于单一的生物质来说,燃烧的最大速率出现在燃烧前期,所处的温度低于350℃;而对于单一的煤来说,燃烧的最大速率出现的时间较晚,所处的温度较高,大于550℃。

生物质和煤混烧的情形介于两者之间,随着煤粉混合的比例增大,燃烧的最大速率出现的时间和温度后移。

图2 各种试样的燃尽曲线
图3 个种试样最大燃烧失重速率和对应温度
3.3 发热量
生物质的发热比煤低,从5000kJ/kg(人畜粪便)到20000kJ/kg(木材)不等,而煤可达30000kJ/kg以上。

因此,在生物质与煤共燃时会造成锅炉输出功率的下降,效率的降低,因而也限制了掺混比例。

在原有锅炉设备上掺混生物质燃烧,掺混比例一般为3%,最高不超过5%。

4 结论
(1)单一生物质燃烧主要集中于燃烧前期,单一煤燃烧主要集中于燃烧后期。

在生物质与煤混烧的情况下,燃烧过程明显地分成两个燃烧阶段,随着煤的混合比重加大,燃烧过程逐渐集中于燃烧后期。

(2)生物质的挥发分初析温度要远低于煤的挥发分初析温度,使得着火燃烧提前。

在煤中掺入生物质后,可以改善煤的着火性能。

在煤和生物质混烧时,最大燃烧速率有前移的趋势,同时可以获得更好的燃尽特性。

(3)生物质的发热量低,在燃烧的过程中放热比较均匀,单一煤燃烧放热几乎全部集中于燃烧后期。

在煤中加入生物质后,可以改善燃烧放热的分布状况,对于燃烧前期的放热有增进作用,可以提高生物质的利用率。

5 结语
用可再生能源的生物质来提高不可再生能源煤的使用效率,减少其环境污染,增加其使用年限,即生物质与煤共燃的研究,正是实现能源可持续发展的有效措施之一。

充分开发生物质资源,进行生物质与煤共燃的研究对解决我国能源污染问题有重要作用。

参考文献
[1] 段菁春,肖军,王杰林,庄新国.生物质与煤共燃研究[J].电站系统工程,2004(20):1.
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[3] 刘豪,邱建荣,董学文,熊方丽.生物质与煤混烧的燃烧特性研究[J].热能动力工程,2002,17(101).
[4] 刘豪,邱建荣,董学文,李骏.生物质与煤混合燃烧实验[J].燃烧科学与技术,2002,8(4).。