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马辉1,2，汪潮洋1,2，韩辉3，杨先亮3，秦志明3，雷鸣3，张磊3，贾永会1,2
（1.国网河北能源技术服务有限公司，河北石家庄050000；2.国网河北省电力有限公司电力科学研究院，河北石家庄050000；3.华北电力大学能源动力与机械工程学院，河北保定071003）
摘要：采用热重分析法研究了煤和污泥、秸秆、药渣3种生物质掺烧时的燃烧特性。结果表明：煤在燃烧过程中仅有1个明显的失重峰，为挥发分和焦炭同时燃烧形成；而污泥、秸秆和药渣均有3个明显的失重峰，其中第1个峰是水分析出引起，第2个峰为挥发分的析出与燃烧阶段，第3个峰为固定碳的燃烧阶段；秸秆挥发分和固定碳燃烧对应的失重峰相邻较近，而污泥和药渣对应的2个失重峰相距较远，因此秸秆的挥发分和固定碳在燃烧过程中的相互作用更强一些，而污泥和药渣的挥发分和固定碳的相互作用较弱；煤与各生物质掺烧时，秸秆的掺混改善了煤的着火性能和综合燃烧特性，而污泥燃烧特性较差，掺混比例超过20%不利于混合物的着火与燃烧，药渣的掺混使混合物的燃烧和着火性能降低。
生物质燃料均具有水分和挥发分含量高但发热量低的特点，因此生物质单独燃烧经济性较低[1]。将煤与生物质混合掺烧，可在降低电厂燃料成本的同时，解决污泥、秸秆和药渣等固体废弃物的处理问题。
李洋洋等[2]通过热重分析法研究了煤掺烧不同比例干污泥的燃烧特性，研究表明混合燃烧时，随着干污泥掺烧比例的增加，混合样的挥发分失重速率峰值增大，失重速率峰出现的时间提前，出现时的温度降低。唐子君等[3]研究表明升温速率提高有助于污泥的快速处理及热能的利用，但总失重率较小，减量化较差。Niu等人[4]在城市污水污泥与烟煤共燃特性研究中表明，随着污泥配比和升温速率的增加，混合物的着火燃尽指标均有所提高。傅杰文等[5]研究表明氧浓度增加，污泥与煤混合样的燃烧速率增大，燃烧更加剧烈。庄修政等[6]研究表明污泥经过水热处理后其有机结构和燃烧行为均提升至与煤相似的水平，相比于中高阶煤而言，低阶煤的主要燃烧区间与水热污泥相近，因而在混燃过程中的协同作用最为明显。武宏香等[7]通过热天平分析装置对城市污水污泥、煤及木屑单独或混合燃料的燃烧行为进行研究，结果表明污泥单独燃烧性能较差，加入煤或木屑后能明显改善其燃烧性能，缩短燃烧温度范围，提高燃烧速率，降低灰分产率，但同时使挥发分与固定碳燃烧的活化能增加，燃烧对温度的敏感度增加。
Liao等人[8]研究表明生物质与煤泥在共燃过程中存在显著的相互作用，且不同温度区间、不同掺混比例下所表现的相互作用不同。Rago等人[9]研究了碳化生物质-塑料废物与煤共燃时的协同作用，研究表明废料类型和废混料共烧过程中的相互作用影响了废焦与煤共烧过程中的协同作用。
本实验采用热重分析方法对煤与污泥、秸秆、药渣3种生物质掺烧的失重过程进行分析，确定各样品的燃烧特性参数，对其进行燃烧特性分析，为生物质与煤在燃煤电厂应用时的掺混燃烧提供理论依据。
1实验部分
1.1工业分析与元素分析
实验用污泥（WN）样品来自污水处理厂的脱水污泥，秸秆（JG）为水稻秸秆，药渣（YZ）为中药材提取有效成分后所剩的菌丝渣，其工业分析和元素分析见表1。
由表1可见：贫煤（PM）与各生物质之间的煤质特性差异较大，煤具有高固定碳、高热值和低挥发分的特点；污泥与药渣的煤质特性较为相近，灰分含量和挥发分含量均较高，固定碳含量低，热值低；秸秆挥发分含量高，灰分含量低，热值较污泥和药渣偏高；各生物质的氢和氧含量偏高，秸秆和污泥硫含量较低，而药渣硫含量偏高，与煤的硫含量相同。
原煤、污泥、秸秆和药渣经破碎和研磨后，筛取粒径75~96μm的样品。由于生物质发热量低，与煤混合后的混合灰样的灰熔融温度降低而导致结渣[10-12]等问题，使得在电厂实际运行过程中，不会掺烧过高比例的生物质。因此，将污泥、秸秆和药渣均分别按10%、20%和30%的质量分数与煤进行掺混[1]。
实验采用日本日立公司的TG/DTA7300热重-差热综合热分析仪，取10mg左右样品放入坩埚内，气体流量为100mL/min，气氛为空气，升温区间为从室温至1000℃，升温速率为20℃/min。
1.2燃烧特性参数
本文采用TG-DTG法确定着火温度[13-14]，燃尽温度Th为样品失重占总失重98%时所对应的温度。着火温度只能反映燃烧初期的反应能力，不能概括整个燃烧过程，因此还需要根据可燃性指数C、综合燃烧特性指数S来综合评价各样品的着火难易程度和燃烧性能的优劣。
可燃性指数C可反应样品点燃的难易程度，可燃性指数越大，燃料的燃烧和着火稳定性越好[17]。
2结果分析
2.1煤及秸秆等生物质的单一燃烧特性
图1为煤和秸秆等生物质单独燃烧的TG、DTG曲线。由图1可以看出：4种样品在超过800℃时已基本燃尽，其中秸秆的总失重量最大，其次为煤、药渣、污泥，该结果与表1中工业分析结果一致；煤只有1个明显的失重峰，而秸秆、污泥和药渣均有多个失重峰。
因为原煤为贫煤属于劣质煤，着火时为非均相着火，挥发分和焦炭同时燃烧，因此仅在400~650℃出现了1个明显的失重峰，对应的峰值温度为517℃，由于固定碳燃烧较为缓慢，故煤的失重峰呈低且宽的形状。此外，煤粉在升温初期出现了轻微的表观增重现象，这主要是因为其对氧的物理及化学吸附作用。秸秆、污泥和药渣的燃烧过程均出现了3个失重峰，第1个失重峰是由于水分的析出引起；第2个峰分别出现在270、320、230℃附近，为挥发分的析出与燃烧阶段；第3个峰分别出现在360、740、770℃附近，为固定碳的燃烧阶段。而药渣除了3个主要的失重峰外，在320~675℃有几个较小的失重峰，各峰之间没有明显的界限。这可能与药渣自身各物质成分的析出燃烧温度不同有关。
污泥和药渣的固定碳燃烧阶段温度区间基本一致。秸秆、污泥、药渣三者挥发分析出燃烧阶段的失重峰均高于固定碳燃烧阶段的失重峰，挥发分的燃烧速度比固定碳燃烧速度快。秸秆的挥发分与固定碳燃烧的失重峰温度区间较为接近，二者在燃烧过程中相互作用更加明显，而污泥、药渣的挥发分与固定碳燃烧的失重峰温度区间相距较远，二者在燃烧过程中的相互作用会弱一些。
表2为煤与各生物质的燃烧特性参数。由表2可知：煤粉的着火温度最高，生物质的着火温度均低于煤粉的着火温度，药渣的燃尽温度最高；秸秆的最大燃烧速率和平均燃烧速率均为最大，而污泥和药渣的燃烧速率比煤粉的小；生物质的可燃性指数和综合燃烧特性指数均大于煤粉的对应指数，其中秸秆所对应的各燃烧特性参数最大。
2.2煤、秸秆混合
图2为煤和秸秆掺混燃烧的TG、DTG曲线。
由图2的TG曲线可以看出，混合物的失重曲线介于秸秆与煤单独样品TG曲线之间，秸秆在较低的掺混比例时，燃烧后期的TG曲线与煤单独燃烧的TG曲线基本一致，由于秸秆的灰分较小，随着秸秆掺混比例的增加，混合物总失重量逐渐增大。
当秸秆掺入煤粉后，掺混样品在300℃左右出现第1个失重峰，而且随着掺混比例的增加，其失重速率不断增大。主要原因是，秸秆反应活性高，温度升高后其首先着火燃烧，而且掺混量越多，其燃烧速率越快，导致失重峰值逐渐升高。在燃烧后期，随着秸秆掺混量的增加对煤焦的燃烧影响较大，代表煤焦燃烧过程的第2失重峰峰值减小，峰宽变窄，且有着向低温端移动的趋势。混合物中挥发分的析出燃烧改善了煤的燃烧，使其燃烧提前。
表3为煤与秸秆掺混样品的燃烧特性参数。由表3可见：随秸秆掺混比例的增大，混合物的着火温度和燃尽温度减小，平均燃烧速率增大，但最大燃烧速率减小；可燃性指数与综合燃烧指数均未随秸秆的掺混比例线性变化，秸秆掺混比例为30%时，混合物可燃性指数与综合燃烧指数为秸秆掺混比例10%时的将近4倍，这是由于秸秆含量较高时挥发分的析出使混合物着火性能和综合燃烧特性有较大改善。
2.3煤、污泥混合
图3为煤和污泥掺混燃烧的TG、DTG曲线。由图3可见：掺混样品的失重曲线介于污泥与煤单独样品TG曲线之间，由于污泥的灰分含量较高，随着污泥掺混比例的增加，混合物总失重量逐渐减少；当污泥掺混量为10%时，混合物有一大一小2个失重峰，较高的失重峰的温度区间与煤粉单独燃烧热重曲线的温度区间相近，说明该区间处以煤粉的燃烧为主，水分及挥发分析出阶段的失重峰不明显；随着污泥掺混比例的增加，较小的失重峰峰值逐渐增大，其对应的温度升高，与污泥中固定碳的燃烧阶段DTG曲线形状相似，且在300℃左右随污泥含量的增加逐渐出现新的失重峰，该失重峰的出现与污泥挥发分的析出燃烧有关；在污泥掺混比例增加过程中，混合物燃烧主要的失重峰始终与煤粉燃烧的失重峰相似，峰值减小，峰宽逐渐变窄。
表4为煤与污泥掺混样品的燃烧特性参数。由表4可见：随着污泥掺混比例增加，混合物着火温度降低，着火提前，燃尽温度升高，燃尽所需时间增加，但平均燃烧速率减小，不利于混合物的稳定燃烧；可燃性指数在高掺混比例时有所降低，着火性能降低；综合燃烧指数减小，综合燃烧性能降低；污泥燃烧特性较差，掺混比例超过20%不利于混合物的着火与燃烧。
2.4煤、药渣混合
图4为煤和药渣掺混燃烧的TG、DTG曲线。由图4的TG曲线可以看出，混合物的失重曲线介于药渣与煤单独样品TG曲线之间，掺混20%较掺混10%药渣的总失重量有所减少，但差别不大，随着掺混比例的继续增加，混合物总失重量有较为明显的减少。另外，DTG曲线中，各混合物在400~650℃有1个主要的失重峰，与煤粉热重曲线的主要失重峰相近，该温度区间内主要为混合物中可燃质的燃烧。随着药渣掺混比例的增加，DTG曲线除400~650℃处的失重峰外，在90、280、700℃附近，混合物依次出现了药渣单独燃烧过程中水分析出、挥发分析出燃烧及固定碳燃烧相对应的失重峰，这些峰的出现体现出混合物燃烧过程中药渣的燃烧特点。煤粉和药渣混合后仍在各自主要的失重温度附近出现与其单独燃烧形状相似的失重峰，因此在燃烧过程中药渣和煤粉保持着各自相对独立的燃烧特性。随药渣掺混量的增加，400~650℃处的失重峰峰值减小，峰宽变窄，最大燃烧速率减小，且其对应的燃烧温度有所降低。
表5为煤与药渣掺混样品的燃烧特性参数。由表5可见：随着药渣的掺混比例增加，混合物着火温度有所降低，燃尽温度升高，最大燃烧速率、平均燃烧速率减小，燃尽时间变长；可燃性指数和综合燃烧指数减小，因此药渣的掺混没有改善混合物的着火性能，使混合物的燃烧和着火稳定性降低。
3结论
1）煤在单独燃烧过程中仅有一个明显的失重峰，且在170~345℃出现增重现象；而秸秆、污泥和药渣均有3个明显的失重峰，药渣在320~675℃有几个较小的失重峰，各峰之间没有明显的界限。各生物质与煤掺混后，混合物的燃烧过程中均未出现增重现象。
2）煤与各生物质掺烧时，秸秆的掺混改善了煤的着火性能和综合燃烧特性；污泥燃烧特性较差，掺混比例超过20%不利于混合物的着火与燃烧；药渣的掺混使混合物的燃烧和着火性能降低。
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