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。隨著人們對能源與環(huán)境的高度重視，高效、清潔的燃燒方式越來越受到人們的關(guān)注。有專家認為生物質(zhì)能源將成為未來可持續(xù)能源的重要組成部分，到2015年，全球總能耗將有40%來自生物質(zhì)能源。由于生物質(zhì)燃燒在C02總量上實現(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，世界各國相繼進行了生物質(zhì)能的開發(fā)和利用。但是由于生物質(zhì)的發(fā)熱量較低，單獨使用時利用效率也較低，因此在一些歐美等發(fā)達國家近年來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，同時也能降低C02等溫室氣體、解決農(nóng)業(yè)廢棄物的處理問題。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，也會產(chǎn)生環(huán)境污染。因此進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。通過熱重實驗，可以得到失重率及失重速率與溫度的關(guān)系，進而分析燃料熱解與燃燒的基本特性及反應(yīng)動力學的參數(shù)，為進一步的實際應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。本文以吉林市郊區(qū)的玉米秸桿與七臺河煤為研究對象，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驗研究，分析了燃燒特性和燃盡特性，農(nóng)作物秸稈可以經(jīng)過秸稈顆粒機或者秸稈壓塊機壓制成生物質(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。 1、實驗方法及設(shè)備 1.1實驗樣品 將玉米秸稈以及煤樣經(jīng)過干燥后制成標準試樣，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）混合成二個混合燃料樣，進行熱重實驗，同時對單一的煤樣和玉米秸稈也進行了熱重分析。 1.2實驗方法及儀器設(shè)備 將實驗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。 采用美國珀金埃爾默( Perkin Elmer)公司生產(chǎn)的Pyris - 1TGA熱重分析儀進行燃燒特性實驗，由計算機控制和采集數(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、實驗結(jié)果及分析 2.1熱重實驗的TG曲線和DTG曲線 在燃燒特性的熱重實驗中，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TG曲線的失重數(shù)據(jù)進行計算機微分處理，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程大致可以分為四個階段，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)的秸桿要比煤開始失重的點提前，而隨著生物質(zhì)比例的增加，也呈現(xiàn)出失重點提前的趨勢，這說明加入生物質(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，其過程曲線一般出現(xiàn)三個尖峰或三個以上尖峰，在220出現(xiàn)一個小的尖峰，這是玉米秸稈揮發(fā)分開始析出。在320左右出現(xiàn)第二個峰，這個階段是玉米秸稈揮發(fā)分的燃燒。第三個峰出現(xiàn)在500~ 650之間，這是焦炭表面燃燒。由此可見，混合燃燒明顯分為兩個階段，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。對于玉米秸稈來說，揮發(fā)分燃燒階段的DTC曲線的峰值遠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；對于單一的煤燃燒來說，在DTG曲線上只有一個大的尖峰區(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，此時燃燒就容易在較低的溫度下進行。著火溫度是燃料著火性能的主要指標，熱重分析中著火溫度的確定基本有三種： (1)根據(jù)國際熱分析協(xié)會的測試結(jié)果，有人認為，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)折點來定義。 (2)著火溫度由熱重TG曲線與其基線的交點和DTA曲線由吸熱到放熱的轉(zhuǎn)變點（二者對應(yīng)同一溫度）來同時確定。 (3)TG曲線下降段切線與基線交點所對應(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所對應(yīng)的溫度定義為著火溫度。該點的溫度可由計算機直接在TG曲線上作出。表l給出了上述幾個特性參數(shù)的實驗數(shù)據(jù)和計算結(jié)果，其中t1為對應(yīng)于Ti的時間，t2為對應(yīng)于的時間。 從表1的實驗數(shù)據(jù)可以看出，玉米秸稈的著火溫度遠低于煤樣的著火溫度。單質(zhì)的玉米秸稈燃燒時，T1為235左右，持續(xù)加熱時間約為10 min；單質(zhì)的煤燃燒時，Ti為475左右，持續(xù)加熱時間約為22.8 min；在混燒煤和玉米秸稈（質(zhì)量比2:3）時，Ti較接近于生物質(zhì)燃燒時的溫度，隨著煤的摻混比例增大，質(zhì)量比為3:2時，值有所增加，大約比單一玉米秸稈燃燒時高出90，但是比單一的煤燃燒時要低150。從(dG/d T)ma。的數(shù)據(jù)來看，玉米秸稈在較低溫度(< 320)時，可劇烈地釋放揮發(fā)分；在混燒時，(dG/d T)m所對應(yīng)的溫度也處在320左右。同時，從DTG曲線可以看出，在燃燒前期玉米秸稈的曲線峰狹長，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)的煤燃燒時并無明顯的揮發(fā)分析出峰，但在混燒時所形成的曲線峰類似于單質(zhì)的玉米秸稈燃燒時的情況，只是峰值較低。這說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作為燃盡點，取這點為G點。在G點以后，DTG曲線趨于平直，曲線波動于零值附近，因此本文將G點作為燃盡點，并用其來表征燃盡特性，G點所對應(yīng)的燃燼溫度、燃燼時間分別用來表示。表2給出了的實驗數(shù)據(jù)。 對于燃盡點G來說，在煤中加入玉米秸稈后所需要的著火時間較之單質(zhì)的煤來說有所減少，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間、較低的溫度下發(fā)生，從而延長了整個燃燒的溫度區(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，對于單純的玉米秸稈來說，在600以后，TG曲線趨于平直，DTG曲線波動于零值附近，說明可燃物已完全燃盡。為便于進行比較，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。這是因為在煤中加入玉米秸稈后，燃燒的最大速率有前移的趨勢，隨著玉米秸稈所占比例的增加燃燼率也逐漸提高，而且燃盡所需的時間較煤來說縮短，燃燼溫度降低。 3、結(jié) 論 (1)玉米秸稈與煤混合的燃燒過程大致可以分為四個階段，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，燃燒過程明顯地分成兩個燃燒階段，隨著煤的混合比重加大，燃燒過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。 三門峽同創(chuàng)新能源專業(yè)生產(chǎn)銷售秸稈顆粒機、秸稈壓塊機等生產(chǎn)成型機械設(shè)備，同時我們還有大量的楊木木屑顆粒燃料出售。