马辉1,2，汪潮洋1,2，韩辉3，杨先亮3，秦志明3，雷鸣3，张磊3，贾永会1,2
（1.国网河北能源技术服务有限公司，河北石家庄050000；2.国网河北省电力有限公司电力科学研究院，河北石家庄050000；3.华北电力大学能源动力与机械工程学院，河北保定071003）
摘要：采用热重分析法研究了煤和污泥、秸秆、药渣3种生物质掺烧时的燃烧特性。结果表明：煤在燃烧过程中仅有1个明显的失重峰，为挥发分和焦炭同时燃烧形成；而污泥、秸秆和药渣均有3个明显的失重峰，其中第1个峰是水分析出引起，第2个峰为挥发分的析出与燃烧阶段，第3个峰为固定碳的燃烧阶段；秸秆挥发分和固定碳燃烧对应的失重峰相邻较近，而污泥和药渣对应的2个失重峰相距较远，因此秸秆的挥发分和固定碳在燃烧过程中的相互作用更强一些，而污泥和药渣的挥发分和固定碳的相互作用较弱；煤与各生物质掺烧时，秸秆的掺混改善了煤的着火性能和综合燃烧特性，而污泥燃烧特性较差，掺混比例超过20%不利于混合物的着火与燃烧，药渣的掺混使混合物的燃烧和着火性能降低。
生物质燃料均具有水分和挥发分含量高但发热量低的特点，因此生物质单独燃烧经济性较低[1]。将煤与生物质混合掺烧，可在降低电厂燃料成本的同时，解决污泥、秸秆和药渣等固体废弃物的处理问题。
李洋洋等[2]通过热重分析法研究了煤掺烧不同比例干污泥的燃烧特性，研究表明混合燃烧时，随着干污泥掺烧比例的增加，混合样的挥发分失重速率峰值增大，失重速率峰出现的时间提前，出现时的温度降低。唐子君等[3]研究表明升温速率提高有助于污泥的快速处理及热能的利用，但总失重率较小，减量化较差。Niu等人[4]在城市污水污泥与烟煤共燃特性研究中表明，随着污泥配比和升温速率的增加，混合物的着火燃尽指标均有所提高。傅杰文等[5]研究表明氧浓度增加，污泥与煤混合样的燃烧速率增大，燃烧更加剧烈。庄修政等[6]研究表明污泥经过水热处理后其有机结构和燃烧行为均提升至与煤相似的水平，相比于中高阶煤而言，低阶煤的主要燃烧区间与水热污泥相近，因而在混燃过程中的协同作用最为明显。武宏香等[7]通过热天平分析装置对城市污水污泥、煤及木屑单独或混合燃料的燃烧行为进行研究，结果表明污泥单独燃烧性能较差，加入煤或木屑后能明显改善其燃烧性能，缩短燃烧温度范围，提高燃烧速率，降低灰分产率，但同时使挥发分与固定碳燃烧的活化能增加，燃烧对温度的敏感度增加。
Liao等人[8]研究表明生物质与煤泥在共燃过程中存在显著的相互作用，且不同温度区间、不同掺混比例下所表现的相互作用不同。Rago等人[9]研究了碳化生物质-塑料废物与煤共燃时的协同作用，研究表明废料类型和废混料共烧过程中的相互作用影响了废焦与煤共烧过程中的协同作用。
本实验采用热重分析方法对煤与污泥、秸秆、药渣3种生物质掺烧的失重过程进行分析，确定各样品的燃烧特性参数，对其进行燃烧特性分析，为生物质与煤在燃煤电厂应用时的掺混燃烧提供理论依据。
1实验部分
1.1工业分析与元素分析
实验用污泥（WN）样品来自污水处理厂的脱水污泥，秸秆（JG）为水稻秸秆，药渣（YZ）为中药材提取有效成分后所剩的菌丝渣，其工业分析和元素分析见表1。
由表1可见：贫煤（PM）与各生物质之间的煤质特性差异较大，煤具有高固定碳、高热值和低挥发分的特点；污泥与药渣的煤质特性较为相近，灰分含量和挥发分含量均较高，固定碳含量低，热值低；秸秆挥发分含量高，灰分含量低，热值较污泥和药渣偏高；各生物质的氢和氧含量偏高，秸秆和污泥硫含量较低，而药渣硫含量偏高，与煤的硫含量相同。
原煤、污泥、秸秆和药渣经破碎和研磨后，筛取粒径75~96μm的样品。由于生物质发热量低，与煤混合后的混合灰样的灰熔融温度降低而导致结渣[10-12]等问题，使得在电厂实际运行过程中，不会掺烧过高比例的生物质。因此，将污泥、秸秆和药渣均分别按10%、20%和30%的质量分数与煤进行掺混[1]。
实验采用日本日立公司的TG/DTA7300热重-差热综合热分析仪，取10mg左右样品放入坩埚内，气体流量为100mL/min，气氛为空气，升温区间为从室温至1000℃，升温速率为20℃/min。
1.2燃烧特性参数