王 超, 任建興, 陳申乾

(上海電力學(xué)院 能源與機(jī)械工程學(xué)院, 上海 200090)

煤與油棕櫚空果串富氧混燒特性的研究

王 超, 任建興, 陳申乾

(上海電力學(xué)院 能源與機(jī)械工程學(xué)院, 上海 200090)

利用熱重-紅外聯(lián)用(TG-FTIR)分析了Adaro煤與棕櫚空果串(EFB)在富氧混燒工況下的特性.熱重分析儀記錄樣品在加熱過程中的質(zhì)量損失,而FTIR則分析其釋放的氣體產(chǎn)物.對(duì)在18%O2/82%CO2,Air(21%O2/79%N2),21%O2/79%CO2,30%O2/70%CO24種工況下Adaro coal+30%EFB樣品進(jìn)行燃燒.熱重分析表明,與O2/N2工況相比,O2/CO2條件下CO2氣體對(duì)燃燒有抑制作用,且空氣工況下與30%O2/70%CO2的燃燒特性相當(dāng).FTIR分析釋放的氣體主要是CO2,CO,H2O.

Adaro煤; EFB生質(zhì)廢料; 熱重-紅外聯(lián)用; 富氧燃燒

生物質(zhì)能是一種清潔可再生能源,幾乎不含硫,含氮也很少,且具有CO2近零排放的優(yōu)點(diǎn).我國擁有豐富的生物質(zhì)資源,據(jù)統(tǒng)計(jì),可供開發(fā)的生物質(zhì)資源至少能達(dá)到5.4×108t標(biāo)準(zhǔn)煤[1].生物質(zhì)燃燒技術(shù)作為大規(guī)模高效潔凈利用生物質(zhì)能的一種重要方式,也是生物質(zhì)能的各種利用轉(zhuǎn)化途徑中最成熟、最簡便可行的方式之一[2].其中棕櫚空果串(Oil Palm Empty Fruit Bunch,EFB)是一種生物質(zhì)廢料,將其作為燃料與煤混燒具有重要意義.由于EFB自身具有纖維素含量高、灰分高等特點(diǎn),使其燃燒不充分,但將其與煤混燒可改善其燃燒特性,為此種廢料的回收利用提供依據(jù).目前,應(yīng)用熱重-紅外聯(lián)用(TG-FTIR)系統(tǒng)研究生物質(zhì)燃料熱解及其與煤混燒的實(shí)驗(yàn)較多,主要是對(duì)其混燒過程中的燃燒特性以及動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析,為生物質(zhì)與煤混合燃燒的應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)依據(jù),同時(shí)對(duì)燃燒的氣態(tài)產(chǎn)物組分進(jìn)行分析,從而提出改進(jìn)燃燒效果的有效措施[3-4].

候靜文等人[5]運(yùn)用熱重-紅外聯(lián)用對(duì)秸稈類生物質(zhì)熱解進(jìn)行了分析,表明其熱解過程主要分為失水預(yù)熱、主熱解和炭化3個(gè)階段,熱解產(chǎn)物主要是H2O,CO2,CO,CH4.然而以生物質(zhì)廢料EFB作為研究對(duì)象且在富氧燃燒工況下的燃燒甚少,本文采用TG-FTIR系統(tǒng),在不同氧濃度工況下對(duì)Adaro煤與EFB生質(zhì)料的混合樣品進(jìn)行了燃燒試驗(yàn)研究.

1 實(shí)驗(yàn)部分

本實(shí)驗(yàn)用的煤由印尼Adaro公司生產(chǎn);生質(zhì)料EFB是東南亞生產(chǎn)棕櫚油留下的空果串廢料經(jīng)處理后制成料丸(Pellet),經(jīng)研磨成規(guī)定粒徑的粉末狀后,對(duì)其采用相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行工業(yè)分析、元素分析和發(fā)熱量的測定,其基本特性見表1.

表1 煤及生質(zhì)料EFB樣品工業(yè)分析和元素分析結(jié)果

實(shí)驗(yàn)前,將研磨好的樣品Adaro煤和EFB以7∶3的比例混合,然后取其混合物5±0.5 mg放入氧化鋁坩堝中,在熱重分析儀(TGA)爐膛中灼燒.本實(shí)驗(yàn)采用的一次吹掃氣體是氬氣(Ar),作為保護(hù)氣體;二次吹掃氣體是空氣和不同比例的O2與CO2混合的氣體,并分別設(shè)定為實(shí)驗(yàn)所需的18%O2/82%CO2,Air,21%O2/79%CO2,30%O2/70%CO24種工況.其流量分別通過計(jì)算機(jī)和子流量計(jì)控制為20 mL/min和80 mL/min,實(shí)驗(yàn)以升溫速率10 ℃/min從40 ℃加熱到900 ℃,連接熱重分析儀(TGA)與傅里葉紅外光譜儀(FTIR)之間的加熱線加熱至200 ℃方能試驗(yàn).FTIR的掃描分辨率設(shè)置為1 cm-1,掃描波數(shù)范圍為700～4 000 cm-1[6].通過控制實(shí)驗(yàn)中的升溫速率以及混燒樣品中煤與EFB比例一致,以觀察不同氣體氛圍的工況以及氧濃度對(duì)混燒特性的影響.

實(shí)驗(yàn)采用的是美國TA公司的SDT Q600同步熱分析儀和布魯克傅里葉紅外光譜儀Tensor27,由計(jì)算機(jī)控制和采集數(shù)據(jù)可以得到熱重(TG)、微分熱重(DTG)曲線,并同時(shí)分析其釋放的氣體產(chǎn)物,燃燒后殘留的固體用電子顯微鏡(SEM)以5 000x的放大倍率進(jìn)行觀測,再用能譜儀(EDS)進(jìn)行元素分析[7].

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 煤與生質(zhì)料EFB富氧混燒特性的實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)如圖1所示.實(shí)驗(yàn)分別對(duì)Adaro煤和EFB的混合物(Adaro coal+30%EFB)在4種工況下進(jìn)行燃燒,其對(duì)應(yīng)的TG和DTG曲線如圖2所示.由圖2可以看出,其燃燒主要分為脫水干燥、揮發(fā)分析出以及固定碳的燃燒3個(gè)階段.其脫水干燥階段均發(fā)生在40～160 ℃,失重比例較小;第2階段揮發(fā)分的析出,不僅包括生質(zhì)料EFB和Adaro煤中纖維素的裂解,也有少部分EFB固定碳的燃燒,所以其占比約為48%(這與EFB這種生質(zhì)廢料高纖維素的特點(diǎn)有關(guān));第3階段發(fā)生在410～565 ℃,主要是指Adaro煤中固定碳的燃燒,占比約為36%.剩下的約10%是燃燒后的殘留物,其灰分成分主要是SiO2.

此外,第1階段的TG曲線與DTG曲線最初的那部分失水峰相對(duì)應(yīng),而第2和第3階段也是以DTG曲線上最大失重率所對(duì)應(yīng)的溫度tmax為分界點(diǎn)劃分的.

與在空氣工況下燃燒相比,18%O2/82%CO2,21%O2/79%CO2,30%O2/70%CO23種工況下均有著相似的失重比例趨勢,但這3種工況下用CO2取代N2后,會(huì)使TG曲線向低溫側(cè)移動(dòng),DTG曲線峰值下降,使其燃燒不充分,這是因?yàn)镃O2對(duì)燃燒有抑制作用.而在O2/CO2氣氛下,隨著氧濃度的增加,其DTG曲線峰值明顯增加,燃燒也變得更加容易.

在我國的農(nóng)業(yè)發(fā)展過程中，田園綜合體還處于發(fā)展探索階段，各省(市、自治區(qū))對(duì)該發(fā)展模式的發(fā)展途徑和模式進(jìn)行進(jìn)一步的探索，直到2017年底，已經(jīng)有18個(gè)省申報(bào)了國家級(jí)田園綜合體項(xiàng)目，項(xiàng)目總數(shù)達(dá)26個(gè)(表1)，其中已有11個(gè)田園綜合體發(fā)展項(xiàng)目獲得國家審批通過。雖然我國田園綜合體仍在不斷探索中，但其建設(shè)對(duì)我國農(nóng)業(yè)有著不可小覷的作用。田園綜合體的發(fā)展建立在農(nóng)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)之上，良好的農(nóng)業(yè)發(fā)展態(tài)勢為田園綜合體的發(fā)展提供了基石[4]。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖2 不同氧濃度工況下燃燒特性示意

2.2 燃燒特性參數(shù)的分析

燃燒特性參數(shù)主要包括初始分解溫度tin,最高溫度tmax,著火溫度tig,燃盡溫度tb,可燃特性指數(shù)C,燃燒特性指數(shù)S[8].

在TG與DTG曲線中,tin是指燃料開始分解時(shí)的溫度,以失重速率達(dá)到每分鐘1%時(shí)的溫度來判斷;tmax是指在DTG曲線上失重速率達(dá)到極值時(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度;著火溫度tig需要通過切線法來確定,即以過DTG曲線的峰值點(diǎn)作垂線與TG曲線交于一點(diǎn),過該點(diǎn)作TG曲線的切線與失重開始平行線的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)溫度為其著火溫度;燃盡溫度tb指失重速率開始為零的點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度[9].可燃特性指數(shù)C和燃燒特性指數(shù)S分別定義為:

(1)

(2)

式中:(dm/dt)max——最大失重速率; (dm/dt)mean——平均失重速率.

不同燃燒工況下特性參數(shù)和指標(biāo)如表2所示.

由表2可以看出,在O2/CO2工況下,隨著氧濃度的增加,tig和tb均下降,但對(duì)tin影響不大,同時(shí)氧濃度越大,其最大失重速率越大,所對(duì)應(yīng)的tmax向低溫處偏移,表明燃燒特性均變好.而C和S也隨著氧濃度的增加而增加,表明燃燒更穩(wěn)定、更充分,其殘留固體百分比也會(huì)相應(yīng)減少.與21%O2/79%CO2工況相比,空氣燃燒工況下的著火將向前推移,其他特性參數(shù)也會(huì)變好,這是因?yàn)橄啾扔贠2/N2工況,O2/CO2中CO2的存在不利于燃燒的進(jìn)行.此外,由表2還可以看出,空氣工況下,其燃燒特性與30%O2/70%CO2工況較相似,即通過提高氧氣濃度可以補(bǔ)償因CO2的熱容變大造成的影響.

表2 不同燃燒工況下特性參數(shù)和指標(biāo)

2.3 燃燒過程紅外實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖3中,600～740 cm-1處和2 280～2 390 cm-1處的峰為CO2吸收峰,2 020～2 220 cm-1處的峰為CO吸收峰,3 480～3 960 cm-1處的峰為H2O吸收峰[10].

由圖3可知,煤與EFB生質(zhì)料混合燃燒后釋放的氣體產(chǎn)物主要是CO2,CO,H2O,并且CO2的吸收峰是一個(gè)較寬的峰,這是由燃料中含碳量較高所導(dǎo)致的.

圖3 FTIR紅外光譜三維立體示意

為了比較不同燃燒工況下釋放氣體的規(guī)律,將三維紅外光譜圖中的CO從2 153.5～2 155.5 cm-1積分,CO2從2 359.5～2 360.5 cm-1積分,從而得出富氧混燒過程中CO和CO2隨溫度變化的規(guī)律,如圖4所示.

由圖4a可以看出,隨著氧濃度的增加,CO的百分比含量會(huì)相應(yīng)減少,且相比于21%O2/79%CO2氣氛,空氣燃燒工況下的CO也會(huì)減少,這是因?yàn)镃O2的存在抑制了其充分燃燒,從而釋放出更多的CO.由圖4b可以看出,由于O2/CO2氣氛中CO2的影響使其燃燒時(shí)釋放的CO2無法顯示出來,兩種氣體釋放量達(dá)到最大時(shí)的溫度均在410 ℃左右,與DTG微分曲線中失重速率達(dá)到最大時(shí)相對(duì)應(yīng).

圖4 不同氧濃度工況下氣體釋放量示意

2.4 燃燒后殘留固體的分析

將燃燒后的殘留固體透過SEM電子顯微鏡進(jìn)行觀察,以5000x的放大倍率進(jìn)行試驗(yàn),結(jié)果如圖5所示.

由圖5可知,隨著燃燒工況中氧濃度的升高,混燒后殘留固體更加疏松多孔.

采用能譜儀對(duì)灰分進(jìn)行質(zhì)量百分比分析,其結(jié)果如表3所示.

從表3可以看出,在O2/CO2工況下,當(dāng)氧濃度提高時(shí),殘留固體Si元素明顯減少,且均含有大量O元素,從而表明灰分中存在較高的SiO2.這是因?yàn)镾iO2的熔點(diǎn)較高,故其在燃燒過程中會(huì)殘留,這也是TG曲線中O2/CO2氣氛下,增加燃燒工況中氧濃度時(shí)殘留固體減少的原因.

圖5 混燒后殘留固體灰分示意

%

3 結(jié) 論

(1) Adaro煤與油棕櫚空果串的混燒主要分為脫水干燥、揮發(fā)分的析出以及固定碳的燃燒3個(gè)階段,其燃燒后釋放的氣體成分以CO,CO2,H2O為主,殘留灰分以高熔點(diǎn)的氧化物SiO2為主.

(2) 燃燒工況中的氣體氛圍由O2/N2變?yōu)镺2/CO2時(shí),其著火溫度會(huì)推遲,燃燒過程中最大失重速率下降,燃燒特性參數(shù)變差,CO2的存在不利于燃燒的進(jìn)行,而空氣工況下與30%O2/70%CO2的燃燒特性相當(dāng).

(3) 在O2/CO2工況下,隨著氧濃度的增加,燃燒特性整體會(huì)變好,著火會(huì)變得更加容易,TG和DTG曲線的殘留固體含量減少,且失重最大速率增加,可燃性指數(shù)和燃燒特性指數(shù)也會(huì)增大,表明提高氧濃度時(shí),燃燒會(huì)更完全、更充分.

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(編輯 胡小萍)

Research on the Oxyfuel Combustion Characteristics of Coal and Oil Palm Empty Fruit Bunch

WANG Chao, REN Jianxing, CHEN Shenqian

(SchoolofEnergyandMechanicalEngineering,ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China)

By using TG-FTIR,the oxyfuel combustion characteristics of coal and EFB are analyzed.Weight loss of the sample during the heating process is recorded with thermogravimetry analysis and types of the gaseous product released is simultaneously identified using FTIR.The experiment samples are Adaro coal+30%EFB,which are burned in the 18%O2/82%CO2,air (21%O2/79%N2),21%O2/79%CO2,30%O2/70%CO2conditions respectively.The results of TG analysis shows that the atomosphere of O2/CO2will not be beneficial to the combustion compared to the O2/N2condition,the combustion characteristics in the air condition are similar to the 30%O2/70%CO2condition.From FTIR measurement,major gas types released are CO,CO2and H2O.

Adaro coal; EFB biomass waste; TG-FTIR; oxy-combustion

10.3969/j.issn.1006-4729.2017.02.005

2016-03-04

王超(1992-),男,在讀碩士,湖北仙桃人.主要研究方向?yàn)樯镔|(zhì)燃料的熱解與燃燒.E-mail:1508490770@qq.com.

上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)部分地方院校能力建設(shè)項(xiàng)目(13160501000);上海發(fā)電環(huán)保工程技術(shù)研究中心項(xiàng)目(11dz2281700).

TK16;TM621.2

A

1006-4729(2017)02-0129-05