生物質(zhì)水煤漿燃燒特性及動(dòng)力學(xué)分析

鄧暉，林榮英，羅祖云，林誠(chéng)

（福州大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)研究所，福建福州350108）

　　摘要：采用熱綜合分析儀，利用TG-DTG熱分析技術(shù)研究了以福建省無(wú)煙煤、水葫蘆、添加劑制備的生物質(zhì)煤漿的燃燒特性，并與煤粉的燃燒特性進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明，生物質(zhì)水煤漿的著火溫度比煤粉低，并隨著水葫蘆添加量的增加呈降低趨勢(shì)。動(dòng)力學(xué)分析得出的表觀活化能從大到小順序?yàn)辇垘r無(wú)煙煤、大田無(wú)煙煤、永安無(wú)煙煤、龍巖生物質(zhì)水煤漿、大田生物質(zhì)水煤漿、永安生物質(zhì)水煤漿。

　　0引言

　　福建省98％的煤炭資源均為揮發(fā)分低、灰熔點(diǎn)低、著火點(diǎn)高、燃燒性差、粉碎性強(qiáng)的低活性無(wú)煙煤，限制了其在福建省多種地方工業(yè)中的直接應(yīng)用。

　　目前，采煤機(jī)械化程度的提高使粉煤的產(chǎn)量急劇增加，世界各國(guó)開(kāi)發(fā)了以煤代油的新型潔凈燃料——煤漿燃料，種類主要有油煤漿、水煤漿、油水煤漿、甲醇煤漿、生物質(zhì)水煤漿。已開(kāi)發(fā)的各種煤漿一般都選用揮發(fā)分含量高、活性好的煤。甲醇煤漿由于甲醇的來(lái)源限制以及成本高，使其開(kāi)發(fā)應(yīng)用受到限制。目前文獻(xiàn)上查到的生物質(zhì)水煤漿是劉世義提出的利用工業(yè)上的污泥制煤漿[1]。

　　本課題提出利用水葫蘆、福建無(wú)煙煤以及其他助劑制備新型生物質(zhì)水煤漿，作為替代重油用于燃燒，以降低燃料成本，既提高了無(wú)煙煤的燃燒氣化活性又降低了煤的用量，并且充分利用了生物質(zhì)資源。

　　前期試驗(yàn)得出的生物質(zhì)水煤漿具有良好的流動(dòng)性和穩(wěn)定性[2]，但還需進(jìn)一步研究生物質(zhì)水煤漿的燃燒特性，為其應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)作出評(píng)價(jià)。熱重分析是研究煤的燃燒特性最常用的方法之一，它利用熱天平在一定氣氛和一定程序升溫的條件下，研究煤的重量隨溫度變化的規(guī)律——燃燒特性曲線，從而確定煤的著火溫度等，并且通過(guò)特征數(shù)據(jù)可以確定煤樣的燃燒性能。利用TG-DTG直接確定煤粉及其在不同條件下制得的生物質(zhì)水煤漿在空氣氣氛下的著火點(diǎn)，具有快捷、簡(jiǎn)便的特點(diǎn)[3]。

　　1試驗(yàn)內(nèi)容

　　1.1樣品制備

　　試驗(yàn)采用的煤樣為福建3種不同產(chǎn)地的無(wú)煙煤：大田無(wú)煙煤（DT）、永安無(wú)煙煤（YA）、龍巖無(wú)煙煤（LY），煤樣的工業(yè)分析和元素分析見(jiàn)表1。試驗(yàn)選用3種陰離子分散劑：聚苯乙烯磺酸（PSS）、亞甲基萘磺酸鹽甲醛縮合物（NSF）、木質(zhì)素磺酸鈉（LS）。

　　制備生物質(zhì)水煤漿的步驟如下：將新鮮水葫蘆洗凈，經(jīng)120℃干燥24h后，通過(guò)德國(guó)IKAA11分析研磨機(jī)研磨，所得水葫蘆粉狀物作為生物質(zhì)。將無(wú)煙煤用球磨機(jī)研磨至粒度小于0.075mm，占75%，稱取質(zhì)量分?jǐn)?shù)為55%的無(wú)煙粉煤，分散劑用量為整個(gè)試樣質(zhì)量的1%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。將干燥研磨后的水葫蘆按整個(gè)試樣的2.5%，3%，3.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）摻入，其余為水，恒溫25℃，攪拌速率為1200r/min，攪拌時(shí)間為10min，從而制得生物質(zhì)水煤漿。

　　1.2儀器及條件

　　采用德國(guó)NETZSCH公司STA409PG熱綜合分析儀，根據(jù)熱重技術(shù)檢測(cè)生物質(zhì)水煤漿燃燒過(guò)程的失重曲線來(lái)研究和分析生物質(zhì)水煤漿的燃燒特性。

　　測(cè)試條件：工作氣氛為壓縮空氣，氣體流量為50mL/min，升溫速率為15℃/min，終止溫度為900℃/min，試樣重量為（50±1）mg。

　　2結(jié)果與討論

　　2.1燃燒特性分析

　　2.1.1著火溫度

　　本文應(yīng)用TG-DTG聯(lián)合定義法，即在DTG曲線上，過(guò)峰值點(diǎn)A作垂線與TG曲線交于一點(diǎn)B，過(guò)B點(diǎn)作TG曲線的切線，該切線與失重開(kāi)始時(shí)平行線的交點(diǎn)C所對(duì)應(yīng)的溫度Ti定義為著火溫度。

　　本試驗(yàn)中，經(jīng)NETZSCH409測(cè)量的熱分析曲線即為T(mén)G曲線，其一階導(dǎo)數(shù)即為DTG曲線，利用NETZSCH409自帶分析軟件能夠準(zhǔn)確地確定生物質(zhì)水煤漿燃燒時(shí)的著火溫度[6]，[7]。

　　在3種福建無(wú)煙煤中，分別添加2.5%，3%和3.5%的生物質(zhì)，以1%木質(zhì)素磺酸鈉作為分散劑制備生物質(zhì)水煤漿，利用熱天平在空氣氣氛下，以程序升溫法進(jìn)行燃燒試驗(yàn)，可以得到生物質(zhì)水煤漿的重量隨溫度變化的燃燒特性曲線。以同樣的測(cè)試條件對(duì)生物質(zhì)（水葫蘆）進(jìn)行熱重分析，二者的燃燒特性曲線如圖1所示。通過(guò)TG-DTG法可以得到不同配比的生物質(zhì)水煤漿的著火溫度（表2）。

　　由表2可以看出，添加生物質(zhì)后，由不同產(chǎn)地?zé)o煙煤制得的生物質(zhì)水煤漿著火溫度均小于煤粉的著火溫度。并且，隨著生物質(zhì)添加量的增加，著火溫度也隨之降低。從圖2可以看出，生物質(zhì)著火溫度在200℃左右，遠(yuǎn)低于原煤及生物質(zhì)煤漿的著火溫度，并且生物質(zhì)的揮發(fā)分初析溫度要遠(yuǎn)低于煤的揮發(fā)分初析溫度，能夠使著火燃燒提前[8]。對(duì)煤的燃燒著火特性研究發(fā)現(xiàn)，隨著揮發(fā)分含量的增加，著火點(diǎn)溫度降低[9]。這主要是因?yàn)閾]發(fā)分越多就越能引燃煤顆粒；另外，揮發(fā)分析出改變了焦炭的相結(jié)構(gòu)，使剩余焦炭呈多孔狀，揮發(fā)分越多，剩下焦炭比表面積越大，與空氣接觸面積越大，也就越容易點(diǎn)燃。在生物質(zhì)水煤漿燃燒過(guò)程中，生物質(zhì)著火溫度以及揮發(fā)分初析溫度均低于煤漿，盡管無(wú)煙煤揮發(fā)分低，但是由于生物質(zhì)的加入，增加了揮發(fā)分含量，從而降低了生物質(zhì)水煤漿的著火溫度。并且，隨著生物質(zhì)添加量的增加著火溫度也隨之降低。

　　2.2燃燒動(dòng)力學(xué)參數(shù)

　　目前，等轉(zhuǎn)化率法被認(rèn)為是比較可靠的動(dòng)力學(xué)分析方法，包括Friedman法、Kissinger-Akahi-ra-Sunose法以及Flynn-Wall-Ozawa法等[10]。

　　動(dòng)力學(xué)分析方法主要分為兩大類，一類是基于阿累尼烏斯公式，如上述幾種方法；另外一類是不基于阿累尼烏斯公式。前一類方法通過(guò)對(duì)基本公式進(jìn)行整理，可以得到積分法（如單條升溫速率曲線的Coats-Redfern法以及多條升溫速率曲線的Flynn-Wall-Ozawa法等）和微分法（如Kissinger法以及Friedman-Reich-Levi法等）兩類。

　　2.2.1Coats-Redfern法

　　以同樣試驗(yàn)方法還可得到3種無(wú)煙煤原煤的燃燒動(dòng)力學(xué)參數(shù)，見(jiàn)表4。從表3可以看出，Y與X有很好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)均在0.94以上，表明生物質(zhì)水煤漿燃燒動(dòng)力學(xué)可用一級(jí)反應(yīng)表示。生物質(zhì)水煤漿表觀活化能的大小順序?yàn)榇筇餆o(wú)煙煤>龍巖無(wú)煙煤>永安無(wú)煙煤。對(duì)比表3，4可以看出，添加生物質(zhì)后，3種無(wú)煙煤制備的生物質(zhì)水煤漿表觀活化能明顯低于原煤。由此可知，從燃燒性能來(lái)說(shuō)，利用水葫蘆干燥研磨后直接摻混水煤漿制備生物質(zhì)水煤漿是可行有效的。

　　3結(jié)論

　　在3種福建無(wú)煙煤中添加生物質(zhì)制備的生物質(zhì)水煤漿，其表觀活化能明顯低于原煤，生物質(zhì)水煤漿著火溫度都隨著水葫蘆量的增加而降低。由此可見(jiàn)，在水煤漿中適當(dāng)?shù)丶尤肷镔|(zhì)對(duì)其燃燒性能是有利的，能夠解決福建無(wú)煙煤著火難的問(wèn)題。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]劉世義.生物質(zhì)水煤漿及其相關(guān)技術(shù)（上）[J].節(jié)能與環(huán)保，2006（1）：12-14.

　　[2]鄧暉.生物質(zhì)水煤漿的研制[D].福州：福州大學(xué)，2010.

　　[3]方立軍，高正陽(yáng)，閻維平.利用熱天平對(duì)電廠混煤燃盡特性的試驗(yàn)研究[J].華北電力技術(shù)，2001（1）：7-9.

　　[4]喻秋梅，龐亞軍，陳宏國(guó).煤燃燒試驗(yàn)中著火點(diǎn)確定方法的探討[J].華北電力技術(shù)，2001（7）：9-10.

　　[5]周軍，張海，呂俊復(fù).不同升溫速率下石油焦燃燒特性的熱重分析[J].煤炭轉(zhuǎn)化，2006，29（2）：39-43.

　　[6]鄒學(xué)權(quán)，王新紅，武建軍，等.用熱重-差熱-紅外光譜技術(shù)研究煤粉的燃燒特性[J].煤炭轉(zhuǎn)化，2003，26（1）：71-73.

　　[7]朱瑞，黃定國(guó)，吳玉敏，等.新型黑液水煤漿的燃燒特性及動(dòng)力學(xué)分析[J]．煤炭轉(zhuǎn)化，2007，30（3）：49-52.

　　[8]胡文斌，楊海瑞，呂俊復(fù).煤著火特性的熱重分析研究[J].電站系統(tǒng)工程，2005，21（2）：8-9，12.

　　[9]宋國(guó)慶，王志珣.生物質(zhì)與煤混燃研究分析[J].應(yīng)用能源技術(shù)，2008（4）：19-21.

　　[10]趙衛(wèi)東，劉建忠，張保生，等.水焦?jié){燃燒動(dòng)力學(xué)參數(shù)求解方法[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2008，28（30）：55-59.

　　[11]張明旭，閔凡飛.程序升溫?zé)嶂胤ㄑ芯抗I(yè)廢水水煤漿的燃燒動(dòng)力學(xué)[J]．煤炭科學(xué)技術(shù)，2002，30（11）：7-9.