焦粉与秸秆混合成型燃料等温燃烧特性研究_余欣月.pdf

第 39 卷第 1 期2023 年 2月上海电力大学学报JournalofShanghaiUniversityofElectricPowerVol39，No 1Feb2023DOI:10 3969/j issn 2096 8299 2023 01 003收稿日期:2022-02-18通信作者简介:刘海玉(1981)，男，博士，教授。主要研究方向为污染物脱除、微波介电特性、燃烧工程。E-mail:liuhaiyu tyut edu cn。基金项目:山西省重点研发计划资助项目(201903D321075)。焦粉与秸秆混合成型燃料等温燃烧特性研究余欣月，刘海玉，牛俊天，乔晓磊，金燕，樊保国(太原理工大学 电气与动力工程学院，山西 太原030024)摘要:利用自制的恒温热重实验装置对焦粉与秸秆混合成型燃料进行等温燃烧试验，分别研究了焦粉与秸秆掺混比为 90 10、85 15、80 20、75 25、70 30 时，在 800、900、1 000 下的燃烧特性，并根据等温燃烧法得到成型燃料的反应动力学参数。结果表明:温度上升和秸秆比例增加都会使燃料的燃烧速度加快，燃尽时间显著减少;5 种混合成型燃料等温燃烧的反应级数在 0 9 2 0;反应活化能和指前因子都随着秸秆掺混比例的增加而降低，从 25%增加到 30%时两者会有一个大幅度降低的突变。关键词:焦粉;秸秆;成型燃料;等温燃烧;反应动力学中图分类号:TQ 534 2文献标志码:A文章编号:2096 8299(2023)01 0012 07Study on Isothermal Combustion Characteristics of CokePowder and Straw Blended FuelYU Xinyue，LIU Haiyu，NIU Juntian，QIAO Xiaolei，JIN Yan，FAN Baoguo(School of Electrical and Power Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan，Shanxi030024，China)Abstract:The customized thermogravimetric analysis system was used to conduct isothermalcombustion experiment on the coke powder and straw blended fuels The combustion characteristicsof coke powder and straw at 800，900 and 1 000 were studied when the mixing ratio of cokepowder and straw was 90 10，85 15，80 20，75 25 and 70 30，respectively And the reaction kinet-ics parameters of briquette fuel were calculated by isothermal method The results show that in-creasing of temperature and straw mixing ratio can improve the burning rate and shorten the burn-out time The reaction order of the 5 kinds of briquette fuels burning at a constant temperature va-ries between 0 9 and 2 Both the activation energy and the pre-exponential factor decrease with theincrease of the blending ratio of the straw When the ratio increases from 25%to 30%，there willbe a sudden change in both of them，which is greatly reducedKey words:coke powder;straw;briquette fuel;isothermal combustion;reaction kinetics我国焦炭产量巨大，焦炭生产过程中伴随着大量碎末(即焦粉)的产生，约占半焦总产量的3%5%。为实现资源的最大化利用，国内外学者针对焦粉的不同应用场景进行了大量研究工作。方顺利等人1 采用传统的热重方法对褐煤半焦与松木颗粒冷压成型后的半焦型煤进行燃烧特余欣月，等:焦粉与秸秆混合成型燃料等温燃烧特性研究性研究，认为其易着火、易燃尽。WANG P 等人2 发现在半焦的燃烧过程中会产生比烟煤更多的未燃碳，添加沥青可以改善半焦的燃烧特性。焦粉单独作为燃料时存在着火困难、难以燃尽等问题，但其热值较高，可与生物质掺混制备成型燃料。干燥的农作物有易燃、污染物排放量少、残碳率低等特点3，从前人的研究4-6 中可以看出，生物质能改善煤的着火和燃尽性能。将一定比例的生物质和焦粉在高压下压缩成型，所得到的燃料在保障了热值的同时，也能提高燃烧效率和减轻环境污染。由于焦粉黏结性差，改性生物质还可以作为成型燃料的黏结剂7。尽管对于煤粉和生物质掺烧已有不少深入的研究，但关于焦粉和秸秆混燃相关问题的探讨还较少，对于其混合成型燃料的研究则更加有限，因此有必要对其进行更深的探索。目前，有关生物质与煤的燃烧动力学研究大多采用传统的热重分析仪(Thermal GravimetricAnelyzer，TGA)方法，将粉末状燃料以一定的升温速率由室温升高到某一终止温度。但在实际的应用过程中，燃料直接进入高温状态下的炉膛，升温极快，一般可达(0 5 1 0)104K/s，可以看出传统 TGA 方法与实际应用的情况明显存在很大差别，并且常规 TGA 方法只适用于粉末状燃料。本文利用自制的恒温热重实验装置，分析焦粉和秸秆混合压制的成型燃料在恒定高温下的燃烧过程，并对其燃烧动力学进行研究，旨在为焦粉与秸秆混合成型燃料的开发和利用提供一些理论支撑。1实验部分1 1实验原料与样品制备实验中使用的焦粉来自河南济源某炼焦厂，原料是山西晋城的高硫煤，生物质则是来自山西太原周边农村的小麦秸秆。秸秆用质量分数为20%的 NaOH 溶液在 80 下水浴 2 h 并烘干，改性后的秸秆对于成型燃料具有黏结作用。对焦粉和改性秸秆进行破碎、筛分、干燥等预处理，筛选后两者粒径均为 74 106 m。焦粉和改性前秸秆的元素分析与工业分析见表 1。表 1试样的元素分析与工业分析种类元素分析/%CadHadOadNadSt，ad工业分析/%MadVadFCadAad发热量 Qad，net/(MJkg1)焦粉76860 432 180 53256028341791517162653改性前秸秆42735 5836 861 140575686904178474416 13将焦粉与改性后的小麦秸秆分别按 90 10、85 15、80 20、75 25、70 30 的质量比(经多次实验发现秸秆掺混比例小于 10%时焦粉难以成型)掺混均匀后，称取 1 g 放入直径为 8 mm 的圆柱状模具中，在 30 MPa 的压力下压制成型得到直径为8 mm，高度为 11 13 mm 的柱状样品分别表示为CP90WS10、CP85WS15、CP80WS20、CP75WS25、CP70WS30。制备的成型颗粒如图1 所示。1 2实验系统及实验条件首先分别对成型前的粉末状焦粉和改性秸秆在传统的商用 TGA(北京恒久科学仪器厂的HTG-1 系列)上进行热重实验。实验时每次称取10 mg 样品，实验气氛为 200 mL/min 的空气，以10 K/min 的升温速率从室温升至 1 000。焦粉与秸秆混合成型燃料的等温燃烧实验在自主搭建的热重实验台上开展。实验装置系统图1焦粉与秸秆混合成型燃料主要组成部分为管式炉、电子天平(ME303E型)、支架、升降装置以及供气系统，如图 2 所示。管式炉可以提供燃烧所需的恒定高温，升降装置控制样品进出管式炉，电子天平(精度0 001 g)对燃料质量的变化进行实时监测并将数据传输到计算机上。成型燃料的样品质量为 1 g，实验气氛为0 16 m3/h(标准状态下)的空气，选取800 、31上海电力大学学报2023 年图 2实验装置系统900、1 000 这 3 个实验温度对 5 种掺混比的混合成型燃料进行燃烧实验。实验时先将管式炉升至所需实验温度(如 800)，然后通入空气吹扫 10 min，将装有样品的石英坩埚放到支架上通过升降装置将样品快速送入炉膛中心恒温段。2实验结果与分析2 1焦粉与秸秆的燃烧特性焦粉和秸秆的热重(Thermogravimetry，TG)曲线和微商热重(Differential Thermogravimetry，DTG)曲线分别如图 3 和图 4 所示。其中，w 表示质量分数，v 表示失重速率(一阶微商)，表示实验温度。分析图 3 和图 4 中焦粉和秸秆的 TG-DTG 曲线，发现焦粉仅有 1 个失重峰，而秸秆有3 个失重峰。结合表 1 的工业分析可知，焦粉的水分和挥发分都很少，固定碳则达到了 79 15%，所以在低温阶段几乎不失重，失重峰对应的是高温阶段固定碳的燃烧。秸秆初期失重是由水分蒸发引起的，该过程在 130 内完成;随着温度继续升高，挥发分析出并着火燃烧，失重速率急剧增大，因其挥发分含量很高，秸秆的主要失重发生在这一阶段;随后固定碳开始燃烧，直至样品中可燃物燃尽，质量稳定。对 TG-DTG 曲线上的特征点和特性参数的说明如下。(1)着火温度 i:采用常见的 TG-DTG 切线法确定，过 DTG 曲线最低点作垂线与 TG 曲线相交，在交点作 TG 曲线的切线，与失重起始平行线的交点所对应的温度，。(2)最大失重速率点温度 max:DTG 曲线的最大峰值点对应温度，。图 3秸秆的燃烧特性曲线图 4焦粉的燃烧特性曲线(3)燃尽温度 h:取失重速率为 1%/K 时对应的温度为燃尽温度，。(4)燃烧特性指数 S8:反映燃料着火和燃尽的综合指标，S 值越大代表燃烧性能越好，定义为(S=dmd)tmax(dmd)tmean2i h(1)式中:(dm/dt)max 最大燃烧速率，mg/min;(dm/dt)mean 平均燃烧速率，mg/min。焦粉和秸秆的燃烧特性参数如表 2 所示。着火温度 i反映了燃料的着火特性，主要受挥发分含量的影响。焦粉的着火温度很高，接近 600，明显焦粉不易点燃，而秸秆的着火温度不到300。max的规律与 i相符，焦粉的最大失重速率点温度远大于秸秆，这是因为秸秆中挥发分较多，挥发分析出燃烧的同时也会加速点燃固定碳，而焦粉已经过高温炭化，其结构致密，反应性低9。h反映了燃料的燃尽性能，主要取决于固定碳，固定碳含量高则燃尽温度高，故焦粉的燃尽温度高于秸秆，同时焦粉的灰分较多，燃烧时会在燃料表面形成外壳从而隔绝空气与可燃物质的接触，使燃料难以燃尽。根据燃烧特性指数 S 来看，秸秆的燃烧性能优于焦粉。将改性秸秆与焦粉混41余欣月，等:焦粉与秸秆混合成型燃料等温燃烧特性研究合成型得到的燃料既能改善焦粉的着火性能和燃尽性能，也能保证较长时间的稳定燃烧。表 2焦粉和秸秆的燃烧特性参数样品imaxh(dm/dt)max(dm/dt)meanmg/minS焦粉5906847810 5260 091176 1010秸秆2742904482 3650 1007 03 1092 2焦粉和秸秆混合成型燃料的燃烧特性定义以下两个特性参数，以便更好地对试样的失重特性进行表征。(1)可失重余额量 10:样品除灰分外质量与可失重质量的比值，即=mt mAm0 mA 100%(2)式中: