生物质和煤燃烧特性研究及动力学分析

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煤炭在我国能源结构中占据主体地位,但燃烧过程中会产生大量污染物。生物质为一种清洁可再生的能源,在世界能源消费总量中位居第4位。我国生物质总量丰富,开发利用生物质资源对我国生态建设与能源布局意义重大。煤和生物质或生物质间掺烧技术可实现能源高效清洁利用,不但能减少污染物的释放和优化燃料燃烧性能,同时丰富农林业生物质利用方式和实现能源高效清洁利用。本论文选取4种生物质(烟梗、玉米芯、稻壳和杨木锯末)和2种煤(兰炭和大同无烟煤)为研究对象,采用热重分析法研究预处理前后煤和生物质单独燃烧性能及动力学参数的影响,同时探究生物质掺混种类和掺混比例及系统升温速率对混合燃料的燃烧性能参数、动力学参数及协同作用的影响。实验研究表明,生物质、煤炭及混合燃烧过程均分为失水干燥阶段、挥发分析出燃烧阶段和焦炭燃烧阶段,生物质的燃烧特性比煤好;预处理使稻壳燃烧TG-DTG热重曲线向高温区移动,最大失重速率及对应温度提高。水洗使稻壳综合燃烧特性指数提高2.5×10-7~5.9×10-7,而酸洗下降11×10-7~11.9×10-7。预处理(水洗和酸洗)使稻壳在挥发分析出燃烧阶段高于原样,酸洗使焦炭燃烧阶段活化能降低16.94kJ/mol,而水洗后提高;兰炭水洗和酸洗后最大燃烧速率减小,燃尽温度和最大燃烧温度升高,综合燃烧特性指数减小,但酸洗降低程度较小。经液固比为30、45水洗后,活化能提高4.56kJ/mol左右,经40℃、70℃热水水洗后,活化能降低5.06kJ/mol左右。经不同质量分数盐酸洗涤后,活化能降低幅度差异较大;对于草本生物质和木本生物质混合燃料而言,提高草本生物质掺混比例,燃料的着火温度和燃尽温度降低,挥发分析出燃烧阶段活化能增加,焦炭燃烧阶段活化能降低。提高升温速率,燃料综合燃烧特性指数和残余率升高。70%稻壳和30%杨树锯末混合燃料在升温速率40℃/min下燃烧产生协同效应。结果表明,相比于煤单独燃烧,生物质与煤掺烧的着火温度和燃尽温度降低,煤燃烧性能得到优化;随着生物质掺混比例的提高,煤与生物质掺烧特性得到进一步提升,混合燃料反应活化能降低;不同比例的兰炭和稻壳构成的燃料经水洗后,挥发分析出峰值变大;30%稻壳和70%兰炭混合燃料在升温速率20℃/min下燃烧产生协同效应。生物质、煤及混合物燃烧反应动力学模型为一级反应且相关系数达0.955以上,挥发分析出燃烧阶段活化能均大于焦炭燃烧阶段。该实验结果为煤和生物质在火力发电行业的应用提供参考和理论依据。
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