樊孝華,米翠麗,安國銀,魏剛,張勇勝

(國網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院，河北 石家莊 050021)

O2/CO2條件下生物質(zhì)焦和煤焦燃燒動(dòng)力學(xué)特性

樊孝華,米翠麗,安國銀,魏剛,張勇勝

(國網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院，河北 石家莊 050021)

為得到富氧條件下生物質(zhì)焦和煤焦的燃燒動(dòng)力學(xué)特性規(guī)律，利用熱重研究了麥稈焦，木屑焦以及煙煤焦在富氧氣條件下的燃燒特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：無論是生物質(zhì)焦還是煤焦，相同的O2濃度下，O2/CO2氣氛下焦樣的著火相對于O2/N2氣氛均發(fā)生了延遲，燃燒特性指數(shù)也均低于O2/N2氣氛下對應(yīng)值；在O2/CO2氣氛和O2/N2氣氛下，隨著O2濃度的增加，焦樣的著火溫度均降低，燃燒特性指數(shù)增大，且提高O2濃度對煤焦著火的改善程度顯著優(yōu)于木屑焦。

生物質(zhì)焦；TG熱分析；O2/CO2燃燒；燃燒特性；動(dòng)力學(xué)機(jī)理

IPCC(2007)報(bào)告認(rèn)為CO2是導(dǎo)致全球溫室效應(yīng)的主要原因[1]。在大型電站CO2的減排技術(shù)中，生物質(zhì)被普遍認(rèn)為是能夠?qū)崿F(xiàn)CO2零排放的燃料；此外，富氧燃燒也是便于實(shí)現(xiàn)CCS的關(guān)鍵技術(shù)[2]?？紤]到如果將生物質(zhì)利用和基于富氧燃燒的CCS技術(shù)相結(jié)合，則有望能夠?qū)崿F(xiàn)CO2的“負(fù)排放”。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對生物質(zhì)燃料以及煤焦的富氧燃燒進(jìn)行了較多研究：羅思義[3]等研究發(fā)現(xiàn)富氧條件下隨著氧氣體積分?jǐn)?shù)增加，生物質(zhì)燃料的著火溫度、燃盡溫度等燃燒特征參數(shù)均降低，可燃性增強(qiáng)，同時(shí)燃燒特性指數(shù)變大；唐強(qiáng)等[4]對O2/N2和O2/CO2條件下的煤粉燃燒特性研究發(fā)現(xiàn)CO2代替N2后煤粉著火溫度和燃盡溫度均提高，燃燒時(shí)間延長，綜合燃燒特性指數(shù)下降，此結(jié)論與Li等[5]利用DTG-TGA對煤粉燃燒的研究結(jié)果一致。毛玉如、牛勝利等通過TG實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在同樣體積比下的O2/CO2氣氛與O2/N2氣氛中煤焦的失重曲線基本上重合[6-7]，Kim等[8]利用一個(gè)層流的EFR系統(tǒng)研究兩種亞煙煤焦的燃燒特性發(fā)現(xiàn)富氧條件下的火焰長度比空氣下的短5%-10%，說明煤焦的燃燒特性在富氧條件下要優(yōu)于O2/N2氣氛下，此研究結(jié)果與Murphy等[9]在一個(gè)EFR中研究富氧條件下煤焦的燃燒動(dòng)力學(xué)特性所得的結(jié)論存在差異。

由上可見，現(xiàn)階段有關(guān)富氧燃燒技術(shù)的研究主要集中在生物質(zhì)燃料、煤粉以及煤焦領(lǐng)域，且對于煤焦的富氧燃燒動(dòng)力學(xué)特性還存在爭議。由于生物質(zhì)焦特性與煤焦差異較大，很有必要對富氧條件下生物質(zhì)焦炭的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行研究，以有助于解釋生物質(zhì)焦的反應(yīng)影響因素。本文采用動(dòng)力學(xué)分析方法，利用TG研究不同種類生物質(zhì)焦炭和煤焦在不同富氧氣氛下的燃燒特性，同時(shí)對生物質(zhì)焦炭燃燒的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析，并對比富氧條件下的生物質(zhì)焦和煤焦的動(dòng)力學(xué)特性。

1 實(shí)驗(yàn)分析及方法

1.1 燃料及焦炭特性

試驗(yàn)選取麥稈、木屑、煙煤作為燃料，原料的元素分析和工業(yè)分析如表1所示。試驗(yàn)時(shí)將試樣粉碎研磨，生物質(zhì)粒度小于90目，煙煤粒度小于180目。熱重實(shí)驗(yàn)所采用的焦樣均在800℃下制成，采用程序升溫法制焦，升溫速率為20℃/min，采用流量為0.5 L/min的氬氣作為保護(hù)氣。

表1燃料的工業(yè)和元素分析

樣品工業(yè)分析元素分析Qnet，ad/MJ·kg-1MadAadVadFCadCadHadOadNadSt，adClad麥稈3．886．0172．118．0143．924．4740．980．440．30．48614．77木屑3．863．0773．3419．7345．834．9439．410．920．120．18617．4煙煤7．0318．7327．8946．3565．473．4310．380．840．580．01423．03

1.2 TGA儀器及分析方法

熱重分析儀采用德國Netzsch公司生產(chǎn)的STA409型熱重分析儀；試驗(yàn)采用的升溫方式為線性升溫，采用的升溫速率為25 ℃/min；試驗(yàn)氣氛按照工況設(shè)計(jì)設(shè)定：分別為O2/N2，O2/CO2氣氛，O2濃度百分比變化范圍為10%，20%，40%，80%。為保證熱重分析儀內(nèi)氣氛達(dá)到試驗(yàn)要求，每次試驗(yàn)進(jìn)行前，用所設(shè)定工況的氣氛吹掃30 min，試驗(yàn)所采用的氣體均為高純氣體(99.999%)。著火溫度，燃盡溫度，峰值溫度是表征燃燒特性的重要的特征溫度，本文采用TG-DTG傳統(tǒng)方法來確定著火溫度和燃盡溫度[10,11]。燃燒特性指數(shù)S[12]是反映燃料的著火和燃燒的綜合性指標(biāo)，S值越大，表明燃料的燃燒特性越佳，其定義式為

(1)

式中Ti——著火溫度/℃；

Th——燃盡溫度/℃；

(dw/dt)max——最大燃燒速度/mg·min-1；

(dw/dt)mean——平均燃燒速度/mg·min-1。

2 結(jié)果與討論

2.1 燃料種類的影響

在O2/N2和O2/CO2氣氛下，三種燃料焦樣燃燒的TG-DTG特性曲線如圖1所示：在4種氣氛下，麥稈焦的TG-DTG失重曲線相對于木屑焦和煤焦顯著提前，靠近較低的溫度區(qū)間；而在圖1 (a)和(c)對應(yīng)較低的O2濃度0.1時(shí)，木屑焦的TG-DTG失重曲線比煤焦更靠前，但在圖1(b)和(d)對應(yīng)較高的O2濃度0.8時(shí)，木屑焦的失重曲線則顯著滯后于煤焦；其意味著提高O2濃度對煙煤焦著火特性的改善程度高于木屑焦。

2.2 O2/N2氣氛和O2/CO2氣氛的影響

相同O2濃度下，O2/N2和O2/CO2氣氛對三種燃料焦樣的TG-DTG特性曲線的影響如圖2所示，試驗(yàn)工況的結(jié)果表明：不論是生物質(zhì)焦還是煤焦，在相同的O2濃度下，O2/CO2氣氛下焦樣的著火均相對于O2/N2氣氛發(fā)生了延遲。這與唐強(qiáng)等[4]對煤焦的研究結(jié)果一致。Murphy等[9]認(rèn)為CO2取代N2后，焦著火和燃燒的滯后主要是由于O2在CO2氣氛中擴(kuò)散傳質(zhì)能力低于其在N2氣氛中的擴(kuò)散傳質(zhì)能力導(dǎo)致。同時(shí)Rodriguez等[13]還指出焦炭與CO2的氣化過程是一個(gè)顯著的吸熱過程，因此在高濃度的CO2氣氛下，氣化反應(yīng)會(huì)使得燃燒過程中焦顆粒表面的實(shí)際溫度顯著低于O2/N2燃燒環(huán)境下的顆粒表面溫度，從而在動(dòng)力學(xué)控制反應(yīng)區(qū)內(nèi)降低了焦顆粒的燃燒速率。

圖1 O2/N2和O2/CO2條件下三種焦樣燃燒的TG-DTG曲線

圖2 三種焦樣在相同O2濃度O2/N2氣氛和O2/CO2氣氛下燃燒的TG-DTG曲線對比

圖3 麥稈焦在不同O2濃度下燃燒的TG-DTG曲線對比

圖4 木屑焦在不同O2濃度下燃燒的TG-DTG曲線對比

圖5 煙煤焦在不同O2濃度下燃燒的TG-DTG曲線對比

圖6 O2濃度對焦樣燃燒特性參數(shù)的影響

2.3 O2濃度的影響

在O2/N2和O2/CO2氣氛下，改變O2濃度對三種燃料的焦樣燃燒TG-DTG特性曲線的影響如圖3，圖4，圖5所示。隨著O2濃度的升高，TG-DTG曲線均不斷向低溫區(qū)移動(dòng)。同時(shí)值得注意的是，三種燃料焦樣的TG曲線均在某O2濃度以上才開始出現(xiàn)明顯的分段現(xiàn)象：當(dāng)氧氣濃度較低(<0.2)時(shí)，三種焦樣的整個(gè)TG曲線均較為平緩，燃燒處于比較緩慢的氧化過程；但當(dāng)氧氣濃度較高(>0.4)時(shí)，焦樣在經(jīng)歷了一個(gè)較短的緩慢氧化過程后，開始出現(xiàn)劇烈的失重階段，由DTG曲線也可以看出隨著O2濃度的升高，DTG峰值顯著增大；兩種生物質(zhì)焦當(dāng)氧氣濃度升高到0.4后就已經(jīng)開始出現(xiàn)劇烈的失重，而煤焦則到氧氣濃度為0.8后才較為明顯。

三種燃料焦樣的著火溫度及燃燒特性指數(shù)在O2/N2和O2/CO2氣氛下隨O2濃度的變化曲線如圖6所示。根據(jù)圖6可進(jìn)一步看出，隨著O2濃度的增大，三種焦樣在O2/N2和O2/CO2氣氛下的著火溫度單調(diào)降低，對應(yīng)的燃燒特性指數(shù)則呈指數(shù)關(guān)系迅速增大，說明O2濃度的升高顯著的改善了焦碳的著火和燃燒特性。麥稈和木屑兩種生物質(zhì)焦的燃燒特性指數(shù)均顯著高于煙煤焦，盡管較高氧氣濃度下(>0.4)麥稈焦的燃燒特性指數(shù)顯著高于木屑焦，但對較低氧氣濃度下二者進(jìn)行比較可見，在較低氧氣濃度下(<0.2)兩種生物質(zhì)焦的燃燒特性指數(shù)的差異并不顯著。

3 結(jié)論

用熱重研究了麥稈焦，木屑焦以及煙煤焦在富氧氣條件下的燃燒特性，得到了富氧條件下生物質(zhì)焦和煤焦的燃燒動(dòng)力學(xué)特性規(guī)律，主要得到以下結(jié)論：

(1)無論是生物質(zhì)焦還是煤焦，相同的O2濃度下，O2/CO2氣氛下焦樣的著火相對于O2/N2氣氛均發(fā)生了延遲，燃燒特性指數(shù)也均低于O2/N2氣氛下對應(yīng)值；在O2/CO2氣氛和O2/N2氣氛下，隨著O2濃度的增加，焦樣的著火溫度均降低，燃燒特性指數(shù)增大，且提高O2濃度對煤焦著火的改善程度顯著優(yōu)于木屑焦。

(2)試驗(yàn)條件下麥稈焦的著火特性最佳，木屑焦的著火特性低于煙煤焦；兩種生物質(zhì)焦的燃燒特性指數(shù)顯著高于煙煤焦；提高O2濃度對煙煤焦著火特性的改善程度顯著高于木屑。

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KineticsInvestigationontheCombustionofBio-charandCoal-charintheAtmosphereofO2/CO2

FANXiao-hua,MICui-li,ANGuo-yin,WEIGang,ZHANYYong-sheng

(HebeiElectricPowerResearchInstitute,Shijiazhuang050021,China)

The characteristics of oxy-fuel combustion of wood-char, straw-char and coal-char were carried out using thermo gravimetry (TG), and the kinetics characteristics of bio-char and coal-char during oxygen combustion was investigated. The TG experiments results show that, compared to O2/N2atmosphere, in the same O2concentration, ignition of bio-char and coal-char were all delayed and the combustibility index was lower than that in O2/N2atmosphere. With the increasing of O2concentration, the ignition temperatures of bio-char were lower and the combustibility index increased both in O2/CO2and O2/N2atmosphere. Besides, it is easier for coal-char than bio-char to improve the ignition behavior by increasing the O2concentration.

bio-char;TG thermal analysis；O2/CO2;combustion characteristics;kinetic

2014-03-04修訂稿日期2014-05-04

樊孝華(1985～)，男，碩士，工程師，主要從事電站煤粉鍋爐摻燒生物質(zhì)技術(shù)及鍋爐安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行技術(shù)研究。

TK16

A

1002-6339 (2014) 06-0496-04