生物質(zhì)能是僅次于煤、石油、天然氣的第四大能源，在世界能源消耗中占有一定的比例。隨著人們對(duì)能源與環(huán)境的高度重視，高效、清潔的燃燒方式越來(lái)越受到人們的關(guān)注。有專(zhuān)家認(rèn)為生物質(zhì)能源將成為未來(lái)可持續(xù)能源的重要組成部分，到2015年，全球總能耗將有40%來(lái)自生物質(zhì)能源。由于生物質(zhì)燃燒在C02總量上實(shí)現(xiàn)了零排放，消除了產(chǎn)生溫室效應(yīng)的根源。隨著化石燃料的日益短缺和高新技術(shù)的發(fā)展，特別是生態(tài)環(huán)境的需要，世界各國(guó)相繼進(jìn)行了生物質(zhì)能的開(kāi)發(fā)和利用。但是由于生物質(zhì)的發(fā)熱量較低，單獨(dú)使用時(shí)利用效率也較低，因此在一些歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家近年來(lái)研究了將部分生物質(zhì)與煤混合后加以燃燒利用的方法，這樣既可以節(jié)約煤炭等化石燃料，使其更多地應(yīng)用到化工工業(yè)中，同時(shí)也能降低C02等溫室氣體、解決農(nóng)業(yè)廢棄物的處理問(wèn)題。吉林省是農(nóng)業(yè)大省，玉米種植又是其中的重要組成部分，產(chǎn)生的玉米秸桿有的直接廢棄于田地，有的被低效燃燒掉了，既造成能源的巨大浪費(fèi)，也會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染。因此進(jìn)行玉米秸桿與煤混合燃燒的特性研究，將有助于解決這一能源和環(huán)境問(wèn)題。
熱重分析已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到燃料的熱解及燃燒的研究工作中，是研究燃料熱解特性及燃燒特性的重要分析手段。通過(guò)熱重實(shí)驗(yàn)，可以得到失重率及失重速率與溫度的關(guān)系，進(jìn)而分析燃料熱解與燃燒的基本特性及反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的參數(shù)，為進(jìn)一步的實(shí)際應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。本文以吉林市郊區(qū)的玉米秸桿與七臺(tái)河煤為研究對(duì)象，分別作了單質(zhì)煤和生物質(zhì)以及兩者不同混合比例的熱重實(shí)驗(yàn)研究，分析了燃燒特性和燃盡特性，農(nóng)作物秸稈可以經(jīng)過(guò)
秸稈顆粒機(jī)或者
秸稈壓塊機(jī)壓制成生物質(zhì)成型燃料，生物質(zhì)成型燃料與煤相比具有污染少、可再生等很多優(yōu)點(diǎn)。
1、實(shí)驗(yàn)方法及設(shè)備
1.1實(shí)驗(yàn)樣品
將玉米秸稈以及煤樣經(jīng)過(guò)干燥后制成標(biāo)準(zhǔn)試樣，分別將玉米秸稈與煤的試樣按照2:3、3:2的比例（以質(zhì)量計(jì)）混合成二個(gè)混合燃料樣，進(jìn)行熱重實(shí)驗(yàn)，同時(shí)對(duì)單一的煤樣和玉米秸稈也進(jìn)行了熱重分析。
1.2實(shí)驗(yàn)方法及儀器設(shè)備
將實(shí)驗(yàn)樣品置于熱天平支架的坩堝內(nèi)通以空氣，按規(guī)定的升溫速率進(jìn)行升溫，隨著溫度的升高樣品發(fā)生重量變化，直至可燃物燃盡為止。
采用美國(guó)珀金埃爾默( Perkin Elmer)公司生產(chǎn)的Pyris - 1TGA熱重分析儀進(jìn)行燃燒特性實(shí)驗(yàn)，由計(jì)算機(jī)控制和采集數(shù)據(jù)，可以得到TC(熱重)和DTG(微分熱重)兩條曲線。
試驗(yàn)條件為：升溫速率：20℃/min;空氣流量：60 mL/min;樣品用量2.0 mg左右；溫度范圍：室溫至800℃。
2、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
2.1熱重實(shí)驗(yàn)的TG曲線和DTG曲線
在燃燒特性的熱重實(shí)驗(yàn)中，可以得到在升溫速率為20。C/min的情況下各種試樣的TG曲線，對(duì)TG曲線的失重?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算機(jī)微分處理，繪出微分熱重曲線DTG，即試樣的失重速率(AG/AT)隨溫度變化的曲線，各試樣的TG與DTG曲線如圖l、2所示。
在圖1、2中的TG與DTG曲線中，玉米秸稈與煤混合的燃燒過(guò)程大致可以分為四個(gè)階段，即脫水
干燥、揮發(fā)分的析出和燃燒、揮發(fā)分燃燒和焦炭表面燃燒并存的過(guò)渡階段、焦炭的表面燃燒。
從TG曲線可以看出，單質(zhì)的秸桿要比煤開(kāi)始失重的點(diǎn)提前，而隨著生物質(zhì)比例的增加，也呈現(xiàn)出失重點(diǎn)提前的趨勢(shì)，這說(shuō)明加入生物質(zhì)后使燃料更容易燃燒了。從DTG曲線可以看出，在玉米秸稈、玉米秸稈與煤混燒的情況下，其過(guò)程曲線一般出現(xiàn)三個(gè)尖峰或三個(gè)以上尖峰，在220℃出現(xiàn)一個(gè)小的尖峰，這是玉米秸稈揮發(fā)分開(kāi)始析出。在320℃左右出現(xiàn)第二個(gè)峰，這個(gè)階段是玉米秸稈揮發(fā)分的燃燒。第三個(gè)峰出現(xiàn)在500℃~ 650℃之間，這是焦炭表面燃燒。由此可見(jiàn)，混合燃燒明顯分為兩個(gè)階段，即揮發(fā)分的燃燒階段和焦炭的燃燒階段；其尖峰形狀隨試樣混合比例不同而相異。對(duì)于玉米秸稈來(lái)說(shuō)，揮發(fā)分燃燒階段的DTC曲線的峰值遠(yuǎn)大于焦炭燃燒階段的DTG曲線的峰值，燃燒主要集中在較低的溫度下，這是由于生物質(zhì)中含有大量的揮發(fā)分，因而在燃燒初期，揮發(fā)分的大量析出，從而導(dǎo)致了揮發(fā)分燃燒階段的形成。在煤和玉米秸稈混燒的情況下，隨著煤摻混比例的增大(3：2)，燃燒逐漸集中于焦炭燃燒階段；對(duì)于單一的煤燃燒來(lái)說(shuō)，在DTG曲線上只有一個(gè)大的尖峰區(qū)域。
2.2混合燃料的燃燒特性分析
2.2.1著火特性分析
在燃料燃燒的過(guò)程中，揮發(fā)分的析出直接影響燃料的著火燃燒。影響揮發(fā)分析出的主要特性參數(shù)有：揮發(fā)分析出溫度TO、揮發(fā)分最大釋放速率(dC/d T)max、對(duì)應(yīng)于(dG/d T)max的溫度r。。。等。其中T0越小，則表明燃料的著火性能越佳；(dG/d T)m越大，表明揮發(fā)分釋放程度越劇烈；rmax越小，則表明揮發(fā)分釋放越快，此時(shí)燃燒就容易在較低的溫度下進(jìn)行。著火溫度是燃料著火性能的主要指標(biāo)，熱重分析中著火溫度的確定基本有三種：
(1)根據(jù)國(guó)際熱分析協(xié)會(huì)的測(cè)試結(jié)果，有人認(rèn)為，燃料在熱天平中的著火溫度可由微商熱分析DTA曲線中吸熱轉(zhuǎn)變?yōu)榉艧岬霓D(zhuǎn)折點(diǎn)來(lái)定義。
(2)著火溫度由熱重TG曲線與其基線的交點(diǎn)和DTA曲線由吸熱到放熱的轉(zhuǎn)變點(diǎn)（二者對(duì)應(yīng)同一溫度）來(lái)同時(shí)確定。
(3)TG曲線下降段切線與基線交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度定義為著火溫度Ti。
本文采用第三種方法，把TC曲線上發(fā)生明顯失重的曲線段的切線與燃料脫水干燥后的平滑基線的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度定義為著火溫度。該點(diǎn)的溫度可由計(jì)算機(jī)直接在TG曲線上作出。表l給出了上述幾個(gè)特性參數(shù)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果，其中t1為對(duì)應(yīng)于Ti的時(shí)間，t2為對(duì)應(yīng)于的時(shí)間。
從表1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，玉米秸稈的著火溫度遠(yuǎn)低于煤樣的著火溫度。單質(zhì)的玉米秸稈燃燒時(shí)，T1為235℃左右，持續(xù)加熱時(shí)間約為10 min；單質(zhì)的煤燃燒時(shí)，Ti為475℃左右，持續(xù)加熱時(shí)間約為22.8 min；在混燒煤和玉米秸稈（質(zhì)量比2:3）時(shí)，Ti較接近于生物質(zhì)燃燒時(shí)的溫度，隨著煤的摻混比例增大，質(zhì)量比為3:2時(shí)，值有所增加，大約比單一玉米秸稈燃燒時(shí)高出90℃，但是比單一的煤燃燒時(shí)要低150℃。從(dG/d T)ma。的數(shù)據(jù)來(lái)看，玉米秸稈在較低溫度(< 320℃)時(shí)，可劇烈地釋放揮發(fā)分；在混燒時(shí)，(dG/d T)m所對(duì)應(yīng)的溫度也處在320℃左右。同時(shí)，從DTG曲線可以看出，在燃燒前期玉米秸稈的曲線峰狹長(zhǎng)，峰值很高，表明其揮發(fā)分釋放劇烈集中，因而著火最容易，而單質(zhì)的煤燃燒時(shí)并無(wú)明顯的揮發(fā)分析出峰，但在混燒時(shí)所形成的曲線峰類(lèi)似于單質(zhì)的玉米秸稈燃燒時(shí)的情況，只是峰值較低。這說(shuō)明在煤中摻入玉米秸稈后，由于玉米秸稈中的揮發(fā)分在較低的溫度下即可析出，因此改善了煤的著火性能。
2.2.2燃盡特性分析
將DTG曲線上燃燒后期初次為零附近的點(diǎn)作為燃盡點(diǎn)，取這點(diǎn)為G點(diǎn)。在G點(diǎn)以后，DTG曲線趨于平直，曲線波動(dòng)于零值附近，因此本文將G點(diǎn)作為燃盡點(diǎn)，并用其來(lái)表征燃盡特性，G點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的燃燼溫度、燃燼時(shí)間分別用來(lái)表示。表2給出了的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
對(duì)于燃盡點(diǎn)G來(lái)說(shuō)，在煤中加入玉米秸稈后所需要的著火時(shí)間較之單質(zhì)的煤來(lái)說(shuō)有所減少，溫度也有所降低。這是由于加入玉米秸稈后，使得著火燃燒得以在較短的時(shí)間、較低的溫度下發(fā)生，從而延長(zhǎng)了整個(gè)燃燒的溫度區(qū)間，可以獲得更好的燃盡特性。
從TG曲線和DTG曲線可以看出，對(duì)于單純的玉米秸稈來(lái)說(shuō)，在600℃以后，TG曲線趨于平直，DTG曲線波動(dòng)于零值附近，說(shuō)明可燃物已完全燃盡。為便于進(jìn)行比較，本文分別做了在450℃、500℃、540℃下不同比例的試樣與燃燼率的關(guān)系曲線，如圖3所示。
從圖3給出的同一溫度下的各種試樣的燃盡率來(lái)看，在煤中加入玉米秸稈后，在較低的溫度下即可獲得較好的燃盡性，混合燃料的燃盡率高于兩種單一燃料的加權(quán)平均值。這是因?yàn)樵诿褐屑尤胗衩捉斩捄螅紵淖畲笏俾视星耙频内厔?shì)，隨著玉米秸稈所占比例的增加燃燼率也逐漸提高，而且燃盡所需的時(shí)間較煤來(lái)說(shuō)縮短，燃燼溫度降低。
3、結(jié) 論
(1)玉米秸稈與煤混合的燃燒過(guò)程大致可以分為四個(gè)階段，即脫水干燥、揮發(fā)分的析出和燃燒、揮發(fā)分燃燒和焦炭表面燃燒并存的過(guò)渡階段、焦炭的燃燒。
(2)玉米秸稈和煤相比具有較低的著火溫度和較好的燃燒特性，在煤中摻人生物質(zhì)后，可以改善煤的著火性能。
(3)單一玉米秸稈燃燒主要集中于揮發(fā)分燃燒階段，在250℃~400℃之間，是揮發(fā)分的燃燒；而單一煤燃燒主要集中于焦炭燃燒階段，溫度范圍是450℃一700℃之間。在玉米秸稈與煤混燒的情況下，燃燒過(guò)程明顯地分成兩個(gè)燃燒階段，隨著煤的混合比重加大，燃燒過(guò)程逐漸集中于焦炭燃燒。
(4)隨著玉米秸稈在混合燃料中的比例增大，其燃燼率也增大，燃燼溫度前移。
三門(mén)峽富通新能源專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)銷(xiāo)售秸稈顆粒機(jī)、秸稈壓塊機(jī)等生產(chǎn)成型機(jī)械設(shè)備，同時(shí)我們還有大量的楊木木屑顆粒燃料出售。
