O2/CO2条件下半焦-生物质的混燃特性及动力学分析

第一作者简介

张锦萍，博士，工程师。主要从事碳基燃料高效燃烧/污染物控制研究工作。主持国家自然科学基金项目1项，参与国家重点研发计划、国家自然科学基金及省部级项目10余项。发表SCI论文20余篇，授权国家发明专利16项。

通信作者简介

陈磊，博士，副教授，硕士生导师。研究方向为功能性纳米材料制备及大气污染物治理。主持/参与国家自然科学基金、国家重点研发计划、国际（地区）合作研究与交流项目、国家自然科学基金原创探索项目和省部级项目6项，在ACS Catalysis、Applied Catalysis B: Environment and Energy、Chemical Engineering Journal和Fuel等国际权威期刊发表论文20余篇，授权国家发明专利6项。

题目

O₂/CO₂条件下半焦-生物质的混燃特性及动力学分析

作者

张锦萍¹ 陈磊²

王长安¹ 车得福¹

作者单位

1.西安交通大学能源与动力工程学院,710049 西安;

2.西安交通大学化学工程与技术学院,710049 西安

研究背景

以热解为核心的煤炭梯级转化技术是实现煤炭清洁高效利用的有效途径。煤热解在制得热解气和焦油的同时，产生了高热值的半焦，粒度较大的半焦块可在化工、电石、冶金、硅铁等行业得到更高效的利用，而小粒径的半焦末料（0-6 mm）灰分高，附加值低，属于热解副产品，目前半焦末料的主要利用方式是作为高品位燃料燃烧发电，然而半焦的挥发分含量很低，燃烧过程通常存在着火稳燃困难、燃尽率低和NOx排放高等问题。如何实现此类半焦的规模化清洁高效低碳燃烧，已成为制约我国煤炭资源产业化应用的技术瓶颈之一。

作为仅次于煤、石油和天然气的第四大能源，生物质可再生，污染小，且具有碳中性，在“双碳”目标实现中具有举足轻重的作用。然而，生物质热值低，且含有大量易挥发的碱性金属和氯元素，直接燃烧易引起严重的炉内结渣、沉积及腐蚀等与灰分相关的问题，极大地制约了其大规模利用。将半焦末料与生物质混燃有望利用生物质的高挥发分特性改善半焦的难燃特性，同时，有研究指出，半焦灰可以捕获碱金属，缓解生物质引起的与灰分相关的问题。O₂/CO₂燃烧是近年来发展迅速的化石燃料碳捕集技术，将该技术应用于半焦-生物质混燃体系，能够大幅度降低污染物排放，在半焦和生物质安全、高效、清洁、低碳利用方面有明显的技术优势和发展前景。因此，准确掌握半焦-生物质在O₂/CO₂气氛下的混燃特性对发展半焦-生物质混燃优化策略具有重要意义。

目前对半焦-生物质混燃体系的研究还较少，且主要集中在空气气氛下的燃烧特性和交互作用。本文针对以上研究不足，开展O₂/N₂和O₂/CO₂两种气氛下半焦与不同种类生物质的混燃特性、交互作用及燃烧反应动力学的实验研究，以期为半焦和生物质的富氧混燃提供理论指导。

摘要

半焦与生物质在O₂/CO₂条件下混燃是实现碳基燃料清洁高效利用和碳减排的重要途径,准确掌握其混燃特性及动力学特性尤为关键。通过热重分析和正交实验研究了半焦与三种生物质(稻壳、松木、核桃壳)在O₂/N₂和N₂/CO₂气氛下混燃的燃烧特性、交互作用及反应动力学。结果表明:O₂/N₂气氛下掺混生物质可改善半焦的着火和燃尽特性,O₂/CO₂气氛下掺混生物质可改善半焦的着火特性,但会延迟半焦的燃尽。半焦和生物质在主燃区存在明显的交互作用,该作用显著提高了混燃反应性和燃烧强度,降低了着火活化能。生物质掺混比增大,燃烧特性指数提高,混合燃料低温区的活化能E₁和高温区的活化能E₂均逐渐降低;掺混生物质为松木时,混燃特性最好,掺混生物质为稻壳时,混燃特性次之,掺混生物质为核桃壳时,混燃特性再次之。与O₂/N₂气氛相比,O₂/CO₂气氛下的综合燃烧特性指数降低,E₁和E₂都提高,提高O₂/CO₂气氛中的O₂体积分数可小幅改善燃烧特性。燃烧气氛对燃烧特性和活化能的影响最显著,生物质掺混比的影响次之,掺混生物质的种类的影响最小,但若只考虑O₂/CO₂气氛的O₂体积分数变化,燃烧气氛对混燃特性的影响很小。

创新点

针对目前对O₂/CO₂气氛下煤热解半焦-生物质混燃研究不足的现状及半焦的特殊性,采用正交实验+热重分析的研究手段,阐释了燃料本身特性及燃烧条件对交互作用、反应动力学等燃烧特性的影响,为半焦和生物质的高效清洁、低碳利用提供理论参考。

结论

1) O₂/N₂气氛下,掺混生物质可同时促进半焦的着火和燃尽,O₂/CO₂气氛下,掺混生物质可改善半焦的着火特性,但延迟了半焦的燃尽;半焦和生物质在主燃区存在明显的交互作用,该作用显著提高了混燃的反应性和燃烧强度,降低了燃烧活化能。

2) 生物质掺混比增大,燃烧特性指数提高,混合燃料低温区活化能E₁和高温区活化能E₂都逐渐降低;相同气氛下,掺混的生物质为松木时,混燃特性最好,E₁和E₂都最低,掺混稻壳时燃烧特性次之,掺混核桃壳时燃烧特性最差,活化能最高。与20%O₂/80%N₂气氛相比,20%O₂/80%CO₂气氛下的燃烧特性指数显著降低,E₁和E₂都提高,提高O₂/CO₂中的O₂体积分数可小幅提高相应的燃烧特性指数,降低活化能。