O2/CO2条件下生物质焦和煤焦燃烧动力学特性

樊孝华,米翠丽,安国银,魏刚,张勇胜

(国网河北省电力公司电力科学研究院，河北 石家庄 050021)

O2/CO2条件下生物质焦和煤焦燃烧动力学特性

樊孝华,米翠丽,安国银,魏刚,张勇胜

(国网河北省电力公司电力科学研究院，河北 石家庄 050021)

为得到富氧条件下生物质焦和煤焦的燃烧动力学特性规律，利用热重研究了麦秆焦，木屑焦以及烟煤焦在富氧气条件下的燃烧特性。实验结果表明：无论是生物质焦还是煤焦，相同的O2浓度下，O2/CO2气氛下焦样的着火相对于O2/N2气氛均发生了延迟，燃烧特性指数也均低于O2/N2气氛下对应值；在O2/CO2气氛和O2/N2气氛下，随着O2浓度的增加，焦样的着火温度均降低，燃烧特性指数增大，且提高O2浓度对煤焦着火的改善程度显著优于木屑焦。

生物质焦；TG热分析；O2/CO2燃烧；燃烧特性；动力学机理

IPCC(2007)报告认为CO2是导致全球温室效应的主要原因[1]。在大型电站CO2的减排技术中，生物质被普遍认为是能够实现CO2零排放的燃料；此外，富氧燃烧也是便于实现CCS的关键技术[2]。考虑到如果将生物质利用和基于富氧燃烧的CCS技术相结合，则有望能够实现CO2的“负排放”。

近年来，国内外学者对生物质燃料以及煤焦的富氧燃烧进行了较多研究：罗思义[3]等研究发现富氧条件下随着氧气体积分数增加，生物质燃料的着火温度、燃尽温度等燃烧特征参数均降低，可燃性增强，同时燃烧特性指数变大；唐强等[4]对O2/N2和O2/CO2条件下的煤粉燃烧特性研究发现CO2代替N2后煤粉着火温度和燃尽温度均提高，燃烧时间延长，综合燃烧特性指数下降，此结论与Li等[5]利用DTG-TGA对煤粉燃烧的研究结果一致。毛玉如、牛胜利等通过TG实验发现在同样体积比下的O2/CO2气氛与O2/N2气氛中煤焦的失重曲线基本上重合[6-7]，Kim等[8]利用一个层流的EFR系统研究两种亚烟煤焦的燃烧特性发现富氧条件下的火焰长度比空气下的短5%-10%，说明煤焦的燃烧特性在富氧条件下要优于O2/N2气氛下，此研究结果与Murphy等[9]在一个EFR中研究富氧条件下煤焦的燃烧动力学特性所得的结论存在差异。

由上可见，现阶段有关富氧燃烧技术的研究主要集中在生物质燃料、煤粉以及煤焦领域，且对于煤焦的富氧燃烧动力学特性还存在争议。由于生物质焦特性与煤焦差异较大，很有必要对富氧条件下生物质焦炭的动力学特性进行研究，以有助于解释生物质焦的反应影响因素。本文采用动力学分析方法，利用TG研究不同种类生物质焦炭和煤焦在不同富氧气氛下的燃烧特性，同时对生物质焦炭燃烧的动力学进行分析，并对比富氧条件下的生物质焦和煤焦的动力学特性。

1 实验分析及方法

1.1 燃料及焦炭特性

试验选取麦秆、木屑、烟煤作为燃料，原料的元素分析和工业分析如表1所示。试验时将试样粉碎研磨，生物质粒度小于90目，烟煤粒度小于180目。热重实验所采用的焦样均在800℃下制成，采用程序升温法制焦，升温速率为20℃/min，采用流量为0.5 L/min的氩气作为保护气。

表1燃料的工业和元素分析

样品工业分析元素分析Qnet，ad/MJ·kg-1MadAadVadFCadCadHadOadNadSt，adClad麦秆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烟煤7．0318．7327．8946．3565．473．4310．380．840．580．01423．03

1.2 TGA仪器及分析方法

热重分析仪采用德国Netzsch公司生产的STA409型热重分析仪；试验采用的升温方式为线性升温，采用的升温速率为25 ℃/min；试验气氛按照工况设计设定：分别为O2/N2，O2/CO2气氛，O2浓度百分比变化范围为10%，20%，40%，80%。为保证热重分析仪内气氛达到试验要求，每次试验进行前，用所设定工况的气氛吹扫30 min，试验所采用的气体均为高纯气体(99.999%)。着火温度，燃尽温度，峰值温度是表征燃烧特性的重要的特征温度，本文采用TG-DTG传统方法来确定着火温度和燃尽温度[10,11]。燃烧特性指数S[12]是反映燃料的着火和燃烧的综合性指标，S值越大，表明燃料的燃烧特性越佳，其定义式为

(1)

式中Ti——着火温度/℃；

Th——燃尽温度/℃；

(dw/dt)max——最大燃烧速度/mg·min-1；

(dw/dt)mean——平均燃烧速度/mg·min-1。

2 结果与讨论

2.1 燃料种类的影响

在O2/N2和O2/CO2气氛下，三种燃料焦样燃烧的TG-DTG特性曲线如图1所示：在4种气氛下，麦秆焦的TG-DTG失重曲线相对于木屑焦和煤焦显著提前，靠近较低的温度区间；而在图1 (a)和(c)对应较低的O2浓度0.1时，木屑焦的TG-DTG失重曲线比煤焦更靠前，但在图1(b)和(d)对应较高的O2浓度0.8时，木屑焦的失重曲线则显著滞后于煤焦；其意味着提高O2浓度对烟煤焦着火特性的改善程度高于木屑焦。

2.2 O2/N2气氛和O2/CO2气氛的影响

相同O2浓度下，O2/N2和O2/CO2气氛对三种燃料焦样的TG-DTG特性曲线的影响如图2所示，试验工况的结果表明：不论是生物质焦还是煤焦，在相同的O2浓度下，O2/CO2气氛下焦样的着火均相对于O2/N2气氛发生了延迟。这与唐强等[4]对煤焦的研究结果一致。Murphy等[9]认为CO2取代N2后，焦着火和燃烧的滞后主要是由于O2在CO2气氛中扩散传质能力低于其在N2气氛中的扩散传质能力导致。同时Rodriguez等[13]还指出焦炭与CO2的气化过程是一个显著的吸热过程，因此在高浓度的CO2气氛下，气化反应会使得燃烧过程中焦颗粒表面的实际温度显著低于O2/N2燃烧环境下的颗粒表面温度，从而在动力学控制反应区内降低了焦颗粒的燃烧速率。

图1 O2/N2和O2/CO2条件下三种焦样燃烧的TG-DTG曲线

图2 三种焦样在相同O2浓度O2/N2气氛和O2/CO2气氛下燃烧的TG-DTG曲线对比

图3 麦秆焦在不同O2浓度下燃烧的TG-DTG曲线对比

图4 木屑焦在不同O2浓度下燃烧的TG-DTG曲线对比

图5 烟煤焦在不同O2浓度下燃烧的TG-DTG曲线对比

图6 O2浓度对焦样燃烧特性参数的影响

2.3 O2浓度的影响

在O2/N2和O2/CO2气氛下，改变O2浓度对三种燃料的焦样燃烧TG-DTG特性曲线的影响如图3，图4，图5所示。随着O2浓度的升高，TG-DTG曲线均不断向低温区移动。同时值得注意的是，三种燃料焦样的TG曲线均在某O2浓度以上才开始出现明显的分段现象：当氧气浓度较低(<0.2)时，三种焦样的整个TG曲线均较为平缓，燃烧处于比较缓慢的氧化过程；但当氧气浓度较高(>0.4)时，焦样在经历了一个较短的缓慢氧化过程后，开始出现剧烈的失重阶段，由DTG曲线也可以看出随着O2浓度的升高，DTG峰值显著增大；两种生物质焦当氧气浓度升高到0.4后就已经开始出现剧烈的失重，而煤焦则到氧气浓度为0.8后才较为明显。

三种燃料焦样的着火温度及燃烧特性指数在O2/N2和O2/CO2气氛下随O2浓度的变化曲线如图6所示。根据图6可进一步看出，随着O2浓度的增大，三种焦样在O2/N2和O2/CO2气氛下的着火温度单调降低，对应的燃烧特性指数则呈指数关系迅速增大，说明O2浓度的升高显著的改善了焦碳的着火和燃烧特性。麦秆和木屑两种生物质焦的燃烧特性指数均显著高于烟煤焦，尽管较高氧气浓度下(>0.4)麦秆焦的燃烧特性指数显著高于木屑焦，但对较低氧气浓度下二者进行比较可见，在较低氧气浓度下(<0.2)两种生物质焦的燃烧特性指数的差异并不显著。

3 结论

用热重研究了麦秆焦，木屑焦以及烟煤焦在富氧气条件下的燃烧特性，得到了富氧条件下生物质焦和煤焦的燃烧动力学特性规律，主要得到以下结论：

(1)无论是生物质焦还是煤焦，相同的O2浓度下，O2/CO2气氛下焦样的着火相对于O2/N2气氛均发生了延迟，燃烧特性指数也均低于O2/N2气氛下对应值；在O2/CO2气氛和O2/N2气氛下，随着O2浓度的增加，焦样的着火温度均降低，燃烧特性指数增大，且提高O2浓度对煤焦着火的改善程度显著优于木屑焦。

(2)试验条件下麦秆焦的着火特性最佳，木屑焦的着火特性低于烟煤焦；两种生物质焦的燃烧特性指数显著高于烟煤焦；提高O2浓度对烟煤焦着火特性的改善程度显著高于木屑。

[1]Parry, M.L., O.F. Canziani, J.P. Palutikof, et al. IPCC, 2007: climate change 2007: impacts, adaptation and vulnerability. Contribution of working group II to the fourth assessment report of the intergovernmental panel on climate change[R]. Cambridge University Press, Cambridge,2007.

[2]Hack, H.,M. Shah. Oxy-fuel coal-fired combustion power plant system integration[J].Yokohama,Japan,2008.

[3]罗思义,肖波,郭献军.生物质微米燃料富氧燃烧特性分析[J].东北林业大学学报,2009(5):86-87.

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[5]Li, X., R.K. Rathnam,J.Yu,et al. Pyrolysis and Combustion Characteristics of an Indonesian Low-Rank Coal under O2/N2and O2/CO2Conditions[J].Energy & Fuels,2009,24(1):160-164.

[6]牛胜利,路春美,赵建立,等.O2/CO2气氛下煤粉的燃烧规律与动力学特性[J].动力工程,2008,28(5):769-773.

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[9]Murphy, J.J.,C.R. Shaddix, Combustion kinetics of coal chars in oxygen-enriched environments[J]. Combustion and Flame,2006,144(4):710-729.

[10]孙明,莫言学,李梅,等.混煤燃烧特性的热重分析法研究[J].能源技术与管理,2005(2):50-51.

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[12]马爱玲,谌伦建,黄光许,等.生物质与煤混烧燃烧特性研究[J].煤炭转化,2010(1):55-60.

[13]Rodriguez M, Raiko R. Effect of O2and CO2content on particle surface temperature and size of coal char during combustion[J].Finnish-Swedish Flame Days 2009,January 28-29,2009,Naantali,Finland,2009.

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修订稿日期2014-05-04

樊孝华(1985～)，男，硕士，工程师，主要从事电站煤粉锅炉掺烧生物质技术及锅炉安全经济运行技术研究。

TK16

A

1002-6339 (2014) 06-0496-04