生物质燃料成型前后及煤的燃烧特性实验分析

生物质燃料成型前后及煤的燃烧特性实验分析

徐美平

（上海电力股份有限公司吴泾热电厂）

摘要：

现今世界能源紧缺，污染严重。生物质能作为一种可再生能源，储量大、污染小，对解决能源、生态环境问题将起到十分积极的作用。人们正在积极探索更加高效的利用各种生物质能。其中燃烧特性的科学研究对生物质锅炉的设计和优化运行等至关重要。

本文采用TG-DTG-DTA热重实验的方法，对原始秸秆、压缩成型后秸秆及原煤的燃烧特性进行了实验研究，比较并得出了各种燃料的燃烧、着火、燃尽和燃烧稳定等特性。并对典型的燃烧组织方式--层燃链条炉燃烧方式进行了分析，结合煤的燃烧特性和过程，对生物质燃料燃烧过程中的燃料给料和送风量进行了调整，为生物质锅炉的锅炉设计、优化运行等奠定了基础。

关键词：生物质成型燃料；燃烧特性；热重分析

ABSTRACT：

Nowadays, our world is facing a series of problems such as energy resources shortage and serious environmental pollution. As a renewable resource, with a large reservation and less pollution, biomass will play a very positive role in resolving the problems of energy shortage and environmental protection. In this paper ,TG-DTG-DTA thermo-gravimetry experiment was made to study the combustion characteristics of straw stalk, compressed biomass and raw coal. Characteristics such as fuel combustion, fire catching point, burning stability were compared. Also, the chain boiler's combustion has been mainly studied. Compared with the combustion process of coal, some corresponding adjustment in biomass boiler such as fuel feed and air speed have been made. These all have given the foundation to optimized boiler's design and operation.

Key Words: compressed biomass; combustion characteristics; thermo-gravimetry experiment

１、 前言

燃料在锅炉炉内的燃烧稳定性及燃尽特性是锅炉设计及运行过程中人们最为关心的问题。燃料着火特性不仅取决于其挥发分含量，而且与燃料微观结构、挥发份成分、灰分含量、水分含量、发热量等多种因素有关。燃料燃烧稳定性既要反映燃料着火的难易程度，又应该体现燃料着火后的跟进燃烧状况，是锅炉运行特别是低负荷运行工况下能否稳定着火的重要指标。燃料的燃尽特性主要反映燃料燃烧后期的燃尽能力，其特性的优劣直接影响到锅炉机械不完全损失的大小。

若仅仅以特定测试条件下挥发分的释放量作为燃料着火特性优劣的衡量标准，无法反映不同燃料挥发分释放的温度水平、挥发分释放的持续情况及挥发分释放的集中程度，同时，不同燃料由于其内部结构、灰分及水分含量的差异，其固定碳的燃烧过程亦受到不同程度的影响。对于燃料的燃尽 特性，常规分析方法无法进行判别。近年来，热重分析方法被广泛应用于煤种特性的分析研究之中。作者采用德国耐驰公司生产的NETZSCH STA409 PC/PG 差示热重分析仪对秸秆成型前后燃料及煤进行了分析研究，并从中得出了关于秸秆成型前后燃

料及原煤的燃烧过程、着火特性、燃烧稳定性及燃尽 特性等的特性比较。

2、实验材料、装置及条件

实验用生物质及燃料为：原始秸秆、压缩成型后秸秆、原煤 实验装置为：NETZSCH STA 409 PC/PG 差示热重分析仪。

实验条件：在NETZSCH STA 409 PC/PG 差示热重分析仪上对各种工况进行燃烧特性试验，工作气氛为常压、空气条件下，空气流量25 mL／min。主要条件及燃料见表2-1及下图。

3、实验结果与分析

图3-1、3-2、3-3分别为原始秸秆、压缩成型后秸秆及原煤在空气气氛下，升温速度为10 ℃/min 条件下得到的TG、DTG、DTA曲线。

图3-1 原始秸秆失重及燃烧分布曲线图

图3-2 压缩成型后秸秆失重及燃烧分布曲线图

图3-3 煤的失重及燃烧分布曲线图

3.1燃烧特性

从TG-DTA曲线图3-1显示，成型前原始秸秆燃烧过程第一阶段为20～180℃ ，失重约

为10.77％，主要是生物质原料的脱水过程。第二阶段在180～360℃ 之间，是失重的主要阶段，失重达到45.41％ ，这一阶段是生物质中炭和挥发物的燃烧过程。第三阶段为360℃～550℃，这阶段是碳的燃烧，失重为29.37%。当温度大于550℃后，质量基本保持不变,而对应的DTA曲线有一个微弱的放热峰,说明这一阶段是无机物的晶型转变过程。相应的DTA放热峰都滞后于DTG的失重率峰值。这是因为燃烧失重率峰时是挥发份或者碳开始燃烧，要经过一段时间后燃烧才最激烈，放热量最大，DTA曲线达到峰值。

从TG-DTA曲线图3-2显示,压缩成型后秸秆生物质颗粒第一阶段也为20～180℃左右，失重为10.87％,而开始明显失重时刻的温度在250℃附近，失重主要在第二阶段180-360℃，即挥发分的析出与燃烧阶段，这阶段的失重占初始质量的63.60％，和原始秸秆相似,这也反映了生物质颗粒挥发分含量高的特点第三阶段即固定碳燃烧阶段,360～550℃，失重为14.44％.紧密的结构使得样品内部的物质不能即时接触空气，从而使燃烧更趋于平稳。550℃时，基本燃烧完毕，反映出生物质颗粒的整个燃烧过程是迅速。

从TG-DTA曲线图3-3显示,原煤燃烧过程中,第一阶段是20—260℃，该阶段失重很少，为1.97％ .主要是水分和吸附的气体析出；第二阶段是260～440~C左右，热解真正开始，失重越来越明显,达到8.89％。第三阶段为440-700℃，失重最大,达到22.8％．

3.2 着火特性

图3-4 着火点确定切线法

观察图3-1、3-2、3-3的TG-DTA曲线图,我们可以发现,着火点温度从低到高依次为原始秸秆、压缩成型后秸秆、原煤。其原因主要是挥发分的含量有所差异，挥发分的含量为原始秸秆大于压缩成形后秸秆大于原煤，而影响着火温度的主要因素是挥发分，一般挥发分多的燃料易于着火，燃烧稳定，但火焰温度较低。秸秆成型燃料特点是挥发分高而空隙率低、结构密实，其组织结构限制挥发分由内向外的析出速度，热量由外向内的传播速度减慢，由于与氧接触面减少，使得着火所需的氧原生物质点火有所减少，因此其着火性能比原生物质有所降低，但远远高于煤的着火性能。利用切线法我们得出了各燃料的着火点，见表3-1。

3.3燃尽特性

从在氧气环境下热重分析结果看，不同燃料其着火温度t、燃烧峰的最大失重速率(dG/dt)max及最大失重速率下对应温度

t

tmax不同。

着火温度的大小反映了燃料的着火性能或tmax反映了燃料着火的后续燃烧情况，

(dG/dt)max值

燃料活化能的高低，其数值越小，表明该燃料的着火越容易；燃烧峰的最大失重速率(dG/dt)max及最大失重速率下对应温度越大、

tmax值越小，说明燃料着火后的燃烧速度越快、燃料的燃烧稳定性越强。通过对上述

几种燃料分析结果与实际应用情况的比较，以纯碳的测试参数为基准，提出了燃烧稳定性的判别指数R:

dGdG

655763dtmaxdtmaxR57200

tttmax8.73tttmax

式中:

（3-1）

655——碳粉在热天平试验条件下的着火温度， ℃； 763—碳粉燃烧峰最大失重速率下对应温度， ℃； 8.73——碳粉在燃烧峰下的最大失重速率， mg/min

从图3-1、3-2、3-3我们可以得出表3-2三种燃料的最大失重率及对应温度的比较。

经计算，得出结果见表3-3

我们发现R（压缩成型后秸秆）近似略大于R（原始秸秆）远大于R（原煤）。因此我们可以认为着火后秸秆类生物质的燃烧速度越快、燃烧稳定性越强，而燃煤其燃烧速度比较慢，稳定性不够强。

3.4 生物质燃料的放热规律

观察DTA曲线可以看出：燃料在着火以前，为吸热反应，吸收的热量称为预燃热。它包括水份的蒸发潜热；低馏份物质热分解及其产物加热到达着火温度所需要的热量。着火温度以后，生成气相燃烧火焰和圈相表面燃烧的光辉火焰， 为放热反应。燃料的挥发份物质主要是纤维素的热分解产物，燃烧形成第一个放热峰， 燃烧热值比较低，形成的放热面积较小； 而木质素的碳化产物燃烧， 形成第二个放热峰， 燃烧热值比较高，形成的放热面积比较大。图3-5、3-6分别为三种燃料DTA随温度和时间变化曲线图。

图3-5 三种燃料DTA随温度变化比较图

图3-6 三种燃料DTA随时间变化比较图

从图3-5和图3-6可以看到，生物质的燃烧过程基本集中在温度200℃-500℃之间，燃烧过程大约需要30min，压缩后秸秆比原始秸秆燃烧过程时间稍长，但均小于原煤燃烧时间。碳含量比较多的则DTA曲线的第二峰最高，水分含量较大，挥发份燃烧相对落后些。当温度大于600℃时，所有的DTA曲线都比较平缓，趋近于1.5。

图3-7、3-8分别是三种燃料TG随温度、时间变化曲线图。

图3-7 三种燃料TG随温度变化比较图

图3-8 三种燃料TG随时间变化比较图

从图3-7和图3-8可以看到，生物质中的挥发份析出温度、时间基本相同，都是在温度大于200℃后、大约在加热20min后开始的，而且析出的过程的温度范围基本相同，所需的时间大约10min左右。而原煤析出温度大约在360℃，加热时间较长，需35min后才析出，所需时间也比生物质燃料长。

生物质燃烧过程中受温度的影响很大，在较高的温度下，如炉膛内燃烧，生物质挥发份析出时间短，析出量大，原煤由于挥发分含量相对少，析出量也少。在短时间内析出的大量挥发份，不利于燃烧的控制，还可能产生不良效果。大量析出的挥发份，在炉膛内燃烧剧烈，大量消耗空气中的氧气，大大提高炉膛负压，降低锅炉运行的安全性，不仅如此，挥发份燃烧产生大量的热量，使得炉膛温度急剧上升，过高的温度很容易使结渣生成。特别是在循环流化床锅炉中，由于床层温度高，生物质中挥发份析出温度很容易达成，析出时间更短，燃烧造成的后果更严重。

4、实验小结

4.1 挥发份对炉内燃烧的影响分析

挥发分影响点火性能，给料量不同。影响燃料点火的主要因素有挥发分、松弛密度、生物质种类、成型燃料几何尺寸等。挥发分与燃料的有机组成和性质有密切的关系，它是用以反映燃料最好、也是最方便的指标之一。对燃料的着火和燃烧情况有较大影响，一般挥发分多的燃料易于着火，燃烧稳定，但火焰温度较低。

综合原始秸秆、压缩成形后秸秆及原煤进行比较，挥发分含量为原始秸秆大于压缩成形后秸秆大于原煤，秸秆成型燃料特点是挥发分高而空隙率低、结构密实，其组织结构限制挥发分由内向外的析出速度，热量由外向内的传播速度减慢，由于与氧接触面减少，使得点火所需的氧原生物质点火有所减少，因此其点火性能比原生物质有所降低，但远远高于型煤的点火性能。由于燃烧开始阶段是吸热过程,为使燃料着火燃烧,生物质所需的热量少于燃煤,因此对于同一锅炉对于给燃料量,生物质要少于燃煤.

4.2 灰分与结渣对炉内燃烧的影响分析

生物质原料中除了碳、氢、氧等有机物之外，还含有一定数量的无机矿物质。在生物质热化学转化利用过程中，这些残留的无机物质称为灰。原煤中的灰分是指煤在规定条件下完

全燃烧后剩下的固体残渣。灰分越高，热效率越低；燃烧时，熔化的灰分还会在炉内结成炉渣，影响煤的气化和燃烧，同时造成排渣困难。

结渣性能除了受生长秸秆的土质(Si、K等矿物质含量不同)影响，还随着松弛密度增大而趋于严重。试验发现，成型密度1．05 g·cm 的成型燃料燃烧时，由于燃料密度大燃烧持续时间长，造成炉膛中心温度较高，容易结渣，但结渣率与型煤相比仍然是很小的。又由于原煤中灰分的含量一般〉20％，而秸秆中灰分一般不超过重量的10％，因此综合起来结渣的可能性为原始秸秆〈压缩成型后秸秆〈原煤。

4.3 水分对炉内燃烧的影响分析

由于水是维持生物质生存必不可少的物质之一，所以生物制都含有一定的水分，并且随生物质的种类、产地不同友很大的变化。以不同的形态分为游离水分、化合结晶水。游离水又分为外在水分和内在水分。

煤中的水分有外在水分、内在水分和结晶水三种存在状态。一般以煤的内在水分作为评定煤质的指标。煤化程度越低，煤的内部表面积越大，水分含量越高。水分对煤的加工利用是有害物质。在煤的贮存过程中，它能加速风化、破裂，甚至自燃；在运输时，会增加运量，浪费运力，增加运费；炼焦时，消耗热量，降低炉温，延长炼焦时间，降低生产效率；燃烧时，降低有效发热量；在高寒地区的冬季，还会使煤冻结，造成装卸困难。只有在压制煤砖和煤球时，需要适量的水分才能成型。

4.4 固定碳对炉内燃烧的影响分析

固定碳的燃点很高，需要在很高的温度下才能着火点燃，所以燃料中固定碳的含量越高，则燃料愈难燃烧，着火燃烧的温度也就越高。成型燃料与原生物质的化学性质没有明显的变化，只是物理结构重新调整，因此成型前后固定碳含量相似，而生物质成型燃料的含碳量小于煤。这些特点决定了生物质秸秆成型燃料燃烧时与煤相比具有易点燃、易燃烧、低污染等特性。

5、生物质在链条炉内的燃烧及调整

5.1生物质在链条炉内的燃烧

通过综合生物质的燃料特性和燃烧特性，结合煤燃烧特性和其在链条炉的燃烧过程，对生物质在链条炉内的燃烧进行分析。

生物质在链条炉内的燃烧过程与煤的燃烧相同，也分为四个过程，分别是预热区、挥发份析出和燃烧区、焦炭燃烧区和燃尽区。

在预热区里，生物质被高温的烟气和砖墙的辐射热加热，水分逐渐蒸发。由于生物质中含有大量的水分，因此，这个阶段吸收的热量将比煤在这个阶段里吸收的热量要多；也由于生物质的热解温度较低，可能有一小部分的挥发份析出。

被蒸干大量水分的生物质燃料随炉排缓慢前移而进入下个区段。由于生物质中的挥发份含量很大，达到65%，挥发份在这个阶段大量析出并急剧燃烧，造成氧气的急速消耗，空气中的氧气含量迅速下降。在这个阶段里，这是与煤燃烧不同的地方。由于空气中的氧气大量的被消耗，造成挥发份不完全燃烧现象产生。

图5-1 挥发份和焦炭燃烧

当达到一定的温度后，挥发份析出后剩下的焦炭开始由颗粒外向里燃烧。在这个区段里，焦炭燃烧温度相对较高，达到800℃以上。焦炭区燃烧与煤的焦炭区相同。

在燃尽区，燃料已基本燃料形成灰渣，并随着炉排的移动而进入灰渣斗。在这里，可能出现的是，生物质燃烧后的灰渣问题，它与煤有一定程度上的差别。由于上个阶段，即焦炭燃烧区里，燃烧温度较高，而生物质中的碱金属可能会析出，和生物质中的非金属元素硅、硫、氯等以及沙粒发生反应，生成玻璃状的共晶化合物和熔融状的灰渣。这些熔渣会粘合在一起，冷却后，即在燃尽区里形成块状的灰渣。一方面，它将一部分没有完全燃烧的碳夹在中间，从而造成不完全损失；另一方面，熔融状的灰渣会粘结在炉排上，这种现象在焦炭燃烧区可能会发生了，到了燃尽区，这种现象或许将更严重。

5.2生物质燃料在链条炉内燃烧的调整

(1) 给料量调整

在固定的锅炉负荷下,煤层愈厚时,煤在炉内停留的时间就愈长,但对燃烧不一定有利.煤层通风阻力大,炉排下风压增高,火床层由于煤块大小不一，阻力分布不均，阻力大的地方容易压火，使机械不完全燃烧损失增加，阻力小的地方容易穿孔漏风，使炉膛内空气过剩系数增加。燃料层厚度及炉排速度与燃料性质及炉膛热负荷有关，大部风煤在正常运行下，每层厚度不应该超过70——180毫米。由于生物质燃料和煤的化学成分含量不同，造成了燃烧性能的不同，入炉后我们要对给料量作一定的调整。由于生物质的挥发分含量远远大于煤，着火比较容易，在初阶段所需的热量比较少，因此我们要适当地加大投料量。此外，我们应加快炉排的速度，提高生物质燃料的燃烧效率。

(2)送风调整

链条炉炉排下的分段送风门的开度或风压通常决定于煤种、炉排和炉拱的结构。为保证链条炉的燃烧过程，配风方式应该是炉排前、后端风量小，中间风量大。运行中应维持适当的火床长度，一般为炉排长度的3/4以上。挥发分多的生物质易于引燃，而且着火后就需要供给充足的空气，故送风是最大的部位在炉排中间偏前，该区段的分段送风门应该全开。为了保证大量的挥发份燃尽，炉排上部空间还需要有合理的二次风系统。燃烧区产生的烟气利用通过布置有大量蒸发受热面的炉膛后降到的温度水平后进入尾部烟道进行换热。在整个燃烧过程中，占燃烧主要份额的挥发份燃烧发生在燃料给入段和炉排的上部空间。在这里，燃烧温度很高，燃烧强度猛烈，结渣现象很容易发生。

燃料燃烧过程中，燃料层的温度高于灰的软化温度是造成结渣的一个重要原因。在灰的

变形温度下, 灰粒一般不会结渣, 但达到软化温度时, 熔融的灰渣形成的共熔体冷却不充分便粘在水冷壁上造成结渣。壁管表面粗糙可能是造成结渣的另一个重要原因。这是因为壁管表面粗糙, 易粘结灰分, 使其达到软化温度, 从而使燃烧室温度和管壁温度都因传热受阻而升高, 这时局部燃料的还原层温度达到灰熔点, 从而呈熔融或软化状态, 相邻的高温熔体就粘结在一起, 从而造成结渣。燃烧过程中空气量不足, 燃料层中的Fe3+ 将还原成Fe2+ , 而铁以Fe2+ 存在时的熔点比以Fe3+ 的形式存在时低, 也会使燃料的灰熔点大大降低, 造成结渣。

6、总结与展望

生物质能是重要的可再生资源，预计到21世纪，世界能源消费的40％将会来自生物质能。我国有丰富的生物质能资源。随着经济的发展．人们生活水平的提高，环境保护意识的加强，化石能源逐渐减少，对包括生物质能在内的可再生资源的合理、高效地开发利用，必然愈来愈受到人们的重视。因此，科学地利用生物质能源，加强应用基础和应用技术的研究，具有十分重要的意义。

为研究生物质燃料特性，本文对生物质原料、压缩成型后燃料及原煤进行热重分析。生物质挥发份析出温度低、时间短，与原煤燃烧特性有较大不同，因此入炉燃烧应作相应得调整。

（1）生物质挥发分含量较高，易于着火，入炉给料量应大于给煤量。

(2) 着火点较低，前期燃烧速度较快，需调整炉排速度，快于原煤。

以后工作建议：

（1）研究并掌握更多生物质燃料的特性，相互比较，来了解燃烧各个阶段的温度与时间。

（2）结合燃烧各阶段的优缺点，将生物质和原煤按一定比例相结合，来更好地扬长避短。

从国外生物质能利用技术的研究开发现状来看，结合我国现有研究开发技术水平和实际情况，作者认为我国生物质应用技术将主要在以下几方面发展。

1、高效直接燃烧技术和设备的开发

2、生物质气化和发电

3、能源植物的开发

4、生物质的液化技术

生物质能有广泛的利用前景，要更有效的利用生物质能，就要解决好生物质在利用过程产生的问题。相信在不久的将来，生物质能会被更好的利用起来，为人类社会的发展发挥积极作用。

参考文献

[1]J.Werther，M.Saenger，E.U.Hartge，T.Ogada，Z.Siagi.农业残留物在能量燃烧过程和燃烧科学中的点火(J) (2000) 1–27.

[2] C.h. López， S. Unterberger， J. Maier， K.R.G. Hein.描述灰沉淀特性的方法， ECI会议关于热转换器的污染和清洗的实际方法概要： 根本性和应用，Santa Fé，新墨西哥州 2003年，38号文件.

[3] R.P. Gupta， C. Beacher， A. Bhargava， T.F. Wall.无机问题在生物量燃烧时和再次点火时的状态, PCC中第19个，匹兹堡的涵义2002年.

[4] D. Gort.被改进的生物量的化学平衡演算. MSc 理论ET-2170. TU德尔福特. 荷兰.2004年

[5] A.A. Tortosa Masiá， B.J.P. Buhre， R.P. Gupta， T.F.WALL.对TMA的用途预测生物量燃料的沉淀行为，燃料(2007) 10.1016/j. fuel.2007.01.024.

[6] T.R. Miles Sr., T.R. Miles Jr., L.L. Baxter, R.W. Bryers, B.M. Jenkins, L.L.Oden.燃烧中的

生物燃料、生物量和生物能的锅炉沉淀10 (2-3) (1996) 125–138.

作者简介：徐美平、1986.6、女、上海电力股份有限公司吴泾热电厂、汽机检修、上海市龙吴路5060号、200241、[email protected]、[1**********]