隨著能源與環(huán)境危機(jī)的不斷加劇，合理開(kāi)發(fā)和利用生物質(zhì)能源，已經(jīng)越來(lái)越受到人們的重視。我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，包括秸稈在內(nèi)的生物質(zhì)能資源十分豐富。2000年到2010年每年僅農(nóng)作物產(chǎn)生的秸稈量就達(dá)3.5億~3.7億t，相當(dāng)于1.7億t標(biāo)準(zhǔn)煤。農(nóng)作物秸稈是低碳燃料，又由于其生長(zhǎng)過(guò)程中吸收CO2，因此，被認(rèn)為是可實(shí)現(xiàn)溫室氣體零排放的清潔能源。農(nóng)作物秸稈的含硫量、含氮量低，燃燒過(guò)程中排放的S02，NO。較少。國(guó)際能源機(jī)構(gòu)的研究分析表明，農(nóng)作物秸稈中硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均只有3. 8%，而煤中硫的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)將近1%。因此，開(kāi)發(fā)利用生物質(zhì)秸稈對(duì)于緩解能源、環(huán)境危機(jī)具有重要意義。
根據(jù)我國(guó)新能源和可再生能源發(fā)展綱要提出的目標(biāo)，至2010年，我國(guó)生物質(zhì)能發(fā)電裝機(jī)容量要超過(guò)3 000 MW。為此，從中央到地方的各級(jí)政府都制定了一系列政策，支持生物質(zhì)能技術(shù)的發(fā)展。因此，既有經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益，又能保護(hù)環(huán)境的秸稈發(fā)電技術(shù)的利用前景將會(huì)越來(lái)越廣闊。
研究秸稈類(lèi)生物質(zhì)燃料燃燒及其與煤混燃的燃燒特性、灰熔性，為秸稈發(fā)電運(yùn)行提供可靠的理論基礎(chǔ)和技術(shù)參數(shù)，對(duì)于合理利用秸稈發(fā)電技術(shù)具有重要意義。本文采用熱重分析法，研究了3種常見(jiàn)秸稈的揮發(fā)分著火溫度、析出速率、燃燒特性指數(shù)、揮發(fā)分特性指數(shù)，深入研究了秸稈與煤的混合燃燒及不同燃燒條件對(duì)秸稈燃燒過(guò)程的影響規(guī)律，為秸稈的清潔高效利用提供科學(xué)依據(jù)，農(nóng)作物秸稈可以經(jīng)過(guò)秸稈制粒機(jī)、秸稈壓塊機(jī)壓制成圓柱狀的和塊狀的生物質(zhì)顆粒燃料。
1、試驗(yàn)系統(tǒng)與試驗(yàn)內(nèi)容
試驗(yàn)采用瑞士Mettler - Toledo公司的TGA/SD-TA851e熱分析系統(tǒng)，其原理如圖1所示。溫度低于200℃時(shí)，秸稈幾乎沒(méi)有分解；280℃~370℃之間，秸稈中大分子物質(zhì)分解，產(chǎn)生大量的揮發(fā)性物質(zhì)，燃料質(zhì)量急劇下降，DTG曲線(xiàn)上出現(xiàn)一個(gè)劇烈的下降峰，且秸稈的曲線(xiàn)峰狹長(zhǎng)，峰值很高，表明其揮發(fā)分釋放劇烈集中，對(duì)著火有利，而煤燃燒時(shí)沒(méi)有這樣明顯的峰。這3種秸稈中，揮發(fā)分析出峰最大的是麥稈，最小的是棉稈。揮發(fā)分析出燃盡后，空氣中的氧氣充分與固定碳顆粒的表面接觸，固定碳顆粒開(kāi)始迅速燃燒，但由于秸稈固定碳含量比較低且受到灰燼包裹和空氣滲透困難的影響，固定碳燃燒階段的失重速率低于揮發(fā)分析出和燃燒階段的失重速率。麥稈和棉稈沒(méi)有明顯的固定碳燃燒階段，玉米稈燃燒出現(xiàn)了2個(gè)明顯的峰。
2.2.2著火溫度￡，
由表2可以看出秸稈的著火溫度均比煤低，這是由于生物質(zhì)大多是有機(jī)物，含有大量的揮發(fā)分，因此，秸稈點(diǎn)火時(shí)不必耗用大量燃料引火，靠其自身的熱量就可以維持燃燒。相同升溫速率下，玉米稈的著火溫度最低，而棉稈的最高。玉米稈著火最為容易，麥稈次之，棉稈的著火相對(duì)困難。
2.2.3 揮發(fā)分最大釋放速率”，及其對(duì)應(yīng)溫度￡maxl
揮發(fā)分最大釋放速率越大，揮發(fā)分析出越強(qiáng)烈。半峰寬越小，揮發(fā)分釋放高峰出現(xiàn)得越早、越集中，燃料的揮發(fā)析出特性越好，對(duì)著火越有利，反之則不利于著火。由表2可以看出，麥稈的揮發(fā)分最大釋放速率能達(dá)到0. 1105 mg/s，是3種秸稈中揮發(fā)分析出最強(qiáng)烈的。由圖2可看出，3種秸稈的揮發(fā)分析出峰明顯，半峰寬很小。因此，秸稈有著良好的揮發(fā)分析出特性。
2.2.4燃盡溫度
采用燒掉98%可燃質(zhì)時(shí)的點(diǎn)為燃燼點(diǎn)，并用th表示。秸稈的燃盡溫度均比煤低很多，煤樣要在626℃時(shí)才能燃盡，而大多數(shù)秸稈在400℃時(shí)就能燃盡，棉稈的燃盡溫度只有384℃，可見(jiàn)秸稈比煤更容易燃盡。
2.2.5 綜合燃燒特性指數(shù)S
綜合燃燒特性指數(shù)S[6]是反映燃料的著火和燃盡的綜合性指標(biāo)，S值越大，燃料的燃燒特性越佳。
從各試樣的綜合燃燒特性指數(shù)來(lái)看，秸稈的燃燒特性比煤好，其綜合燃燒特性指數(shù)比煤高一個(gè)數(shù)量級(jí)，說(shuō)明大部分生物質(zhì)的燃燒特性都非常好，其中以棉稈最好，S值最大。
2.3秸稈與煤混燃燃燒特性
2. 3.1秸稈對(duì)煤的燃燒特性的影響
秸稈混煤燃燒過(guò)程分為揮發(fā)分析出階段和固定碳燃燒階段。由表3可以看出，秸稈與煤混燃后，著火溫度均比煤低，說(shuō)明秸稈能提高煤的點(diǎn)火性能。這是由于秸稈的揮發(fā)分含量大，在較低的溫度下即可快速析出，從而有利于煤著火；秸稈的著火點(diǎn)低于煤的著火點(diǎn)，從而對(duì)煤有預(yù)先加熱促進(jìn)煤中的揮發(fā)分釋放，也有利于煤的著火。秸稈與煤混燃時(shí)，固定碳最大燃燒速率均比煤?jiǎn)为?dú)燃燒時(shí)大，且在同一升溫速率下固定碳最大燃燒速率對(duì)應(yīng)的溫度均較煤的低，這是由于生物質(zhì)含有大量的揮發(fā)分而且其著火點(diǎn)低，生物質(zhì)先期著火后有利于煙煤的揮發(fā)分的釋放和燃燒，而且對(duì)后期固定碳的燃燒也起到預(yù)先加熱的作用，從而使煙煤的最大燃燒速率前移，改善了其燃燒性能，促進(jìn)煤的燃燒。同一升溫速率下，混煤的燃盡溫度較煤的低，比單純秸稈的高。這說(shuō)明秸稈的加入有利于煤的完全燃燒和提高煤的利用效率。由于秸稈的加入使得煤的著火點(diǎn)提前，燃燒溫度區(qū)間拉長(zhǎng)，從而使得煤的燃盡特性變好。另外，混煤的S值比煤大，即秸稈的加入能提高煤的燃燒特性。
2. 3.2 升溫速率對(duì)秸稈與煤混燃的影響
混煤在不同升溫速率下燃燒的質(zhì)量微分(DTG)曲線(xiàn)以及燃燒特性參數(shù)的具體數(shù)值分別見(jiàn)圖3和表4。隨升溫速率的升高，秸稈混煤的著火溫度呈降低趨勢(shì)。其中棉稈混煤的著火點(diǎn)降低的幅度最大。著火溫度降低的越多，說(shuō)明升溫速率的升高對(duì)混煤燃燒特性的改善越好。
隨升溫速率的升高，各試樣的揮發(fā)分最大釋放速率、固定碳最大燃燒速率均呈增加趨勢(shì)，它們對(duì)應(yīng)的峰值溫度也呈升高趨勢(shì)。這是由于在燃燒過(guò)程中，升溫速率增大，揮發(fā)分析出過(guò)程中在試樣中停留時(shí)間短，揮發(fā)分析出量高，在較強(qiáng)熱沖擊下，試樣與氧氣的反應(yīng)速度加快，使得失重速率增加；同時(shí)，試樣顆粒內(nèi)外溫差增大，產(chǎn)生熱滯后現(xiàn)象，試樣顆粒內(nèi)部溫度相對(duì)較低，反應(yīng)速率較外部小，導(dǎo)致?lián)]發(fā)分析出延遲，致使向高溫區(qū)移動(dòng)。
混煤的燃燒特性指數(shù)均隨升溫速率的升高而增加，說(shuō)明升溫速率對(duì)提高燃燒特性有利，這與前面的分析結(jié)果是一致的。
2.3.3 混合比例對(duì)混煤燃燒特性的影響
由表5可見(jiàn)，隨比例的增加，著火溫度呈下降趨勢(shì)，各混煤的揮發(fā)分最大析出燃燒速率增大，這顯然是由于秸稈比例的增加使得在相同的時(shí)間內(nèi)有更多的揮發(fā)分參與燃燒而造成的，然而固定碳燃燒峰基本呈減小趨勢(shì)，而它們對(duì)應(yīng)的峰值溫度沒(méi)有明顯的規(guī)律性。秸稈混煤的綜合燃燒特性指數(shù)均隨秸稈比例的增加而增大，各參數(shù)的分析均說(shuō)明增加秸稈的比例對(duì)提高煙煤的燃燒特性是有利的。
3、結(jié)論
秸稈具有揮發(fā)分含量大，灰分低，含碳量少，含硫量低的特點(diǎn)，因而秸稈生物質(zhì)有著良好的燃燒特性。秸稈比煤有著較低的著火溫度，良好的揮發(fā)分析出特性，較低的燃盡溫度，其綜合燃燒特性指數(shù)比煤的高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。秸稈與煤混合后，有利于煤的著火和燃盡，改善煤的燃燒特性。隨著升溫速率的升高，秸稈混煤的著火溫度降低，燃燒速率提高，燃燒特性指數(shù)提高。隨著秸稈混入比例的提高，混煤的燃燒特性變好。
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