论文摘要
本文应用热分析技术,研究了三种不同变质程度的动力用煤和六种常见生物质（瓜子皮、甘蔗渣、糠醛渣、酒糟、梧桐木和玉米芯）及其混合物的燃烧特性,深入探讨了生物质种类、升温速率和混合比例等参数对样品燃烧特性的影响,进而得到各样品燃烧的动力学特性；应用静态燃烧试验系统对生物质和煤单独燃烧及混合燃烧的污染物排放特性进行了研究,分析了炉温、混合比例等条件对污染物排放特性的影响。首先,本文利用TGA/SDTA851e综合热分析仪对动力用煤混烧生物质的燃烧特性进行了研究。生物质的燃烧失重分为两个阶段：第一阶段（240～380℃）是生物质中纤维和木质裂解以及挥发分释放燃烧阶段；第二阶段（>380℃）是生物质裂解后焦炭燃烧阶段。第一阶段失重范围较大,反应温度区间较窄,为生物质燃烧的主体阶段。在该区域,农业废弃物（瓜子皮、甘蔗渣、梧桐木和玉米芯）的失重率高达70%以上,工业废弃物（糠醛渣和酒糟）失重率亦在50%以上；第二阶段失重相对缓和,反应的温度变化范围较宽,此阶段的失重量和失重速率明显低于第一阶段。生物质以不同比例与煤混合燃烧的燃烧速率试验曲线与按比例折算后的曲线基本吻合,但略有差别：挥发分析出阶段试验值比折算值稍低,而在焦炭燃烧阶段试验值比折算值偏高。随着升温速率的提高,不论是单煤、单生物质还是混煤,TG曲线都向高温区移动,DTG曲线最高峰的位置也向右偏移,最大失重速率相应增大,燃烧时间缩短,可燃性指数增大。其次,本文利用Freeman-Carroll法、改进Coats-Redfern法和Ozawa法等不同热分析曲线处理方法对试验数据进行了计算处理,求解其燃烧反应动力学参数。根据改进Coats-Redfern法,计算得到了六种生物质和三种不同变质程度煤燃烧机理函数的最佳n值,并求出了其各阶段表观活化能。结合三种动力学分析方法,可以得到,对于生物质与煤单独燃烧,在着火初始阶段,生物质和煤的反应活化能和频率因子均较大,而对于其燃烧的主要阶段来说,随着升温速率的升高,活化能和频率因子均逐渐减小,从而使生物质和煤的燃烧速率随升温速率的升高而逐渐增大,说明升温速率的升高有利于生物质和煤活性的提高。Ozawa法求解结果从另一角度进一步表明,在不同的燃烧阶段,生物质与煤燃烧反应的活化能是不同的,随着反应度α的增大,生物质的活化能先增大后减小,而煤及生物质混煤的活化能则逐渐减小。最后,本文利用静态燃烧试验系统研究了动力用煤混烧生物质时的硫、氮污染物排放特性,并考察了炉温及混合比例等因素对其影响规律。研究表明,单一煤燃烧时,SO2排放明显分为两个阶段：第一阶段对应煤挥发分析出着火阶段,为煤中有机硫和部分黄铁矿硫燃烧形成；第二阶段为需要更高温度才能燃烧的有机硫燃烧、黄铁矿硫及少量的硫酸盐硫形成。单一生物质燃烧时,除糠醛渣外,均形成单一SO2释放峰,而糠醛渣的SO2释放特点则与煤相似。除糠醛渣外,生物质与煤混烧时,随着生物质比例增大,SO2释放峰减小,SO2排放总量减小,SO2排放时间缩短；对于糠醛渣,随着糠醛渣比例的增大,当其含硫量低于煤时,SO2排放总量减小；当其含硫量高于煤时,SO2排放总量则增大。对于生物质混煤,在燃烧前期,炉温越低,易分解有机硫析出越快,SO2析出越快,燃烧后期则是炉温越高,难分解有机硫析出越快,SO2析出越快,与单一煤的规律基本一致；除甘蔗渣和梧桐木外,随着炉温的升高,SO2排放总量先增大后减小,而甘蔗渣和梧桐木混煤的SO2排放总量则逐渐增大；随着炉温的升高,SO2排放时间缩短,SO2转化率先增大,后减小。单一煤燃烧时,烟煤形成两个NO释放峰,贫煤和无烟煤均形成较平坦的一个NO释放峰；单一生物质燃烧时,除酒糟和糠醛渣外,生物质皆为一个NO释放峰,而酒糟的NO释放呈明显的双峰结构,糠醛渣的NO释放不均匀,但总体上呈双峰趋势；相对于煤来说,生物质的NO释放时间较短,主要集中在燃烧前期。煤和生物质单独燃烧时,随着样品含氮量的增大,煤和生物质的NO转化率总体呈减小趋势,但NO排放总量与样品自身含氮量之间无明显的规律性。生物质与不同变质程度的煤混烧时,生物质的加入使得NO释放提前,释放所用时间缩短,且随着生物质比例的增大,NO排放时间越来越短。除酒糟外,随着生物质比例的增大,NO排放总量呈下降趋势,而对于含氮量大于煤的酒糟,NO排放总量则是先增大,后减小。