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鄧暉，林榮英，羅祖云，林誠
（福州大學化學工程與技術研究所，福建福州350108）
摘要：采用熱綜合分析儀，利用TG-DTG熱分析技術研究了以福建省無煙煤、水葫蘆、添加劑制備的生物質煤漿的燃燒特性，并與煤粉的燃燒特性進行了對比。結果表明，生物質水煤漿的著火溫度比煤粉低，并隨著水葫蘆添加量的增加呈降低趨勢。動力學分析得出的表觀活化能從大到小順序為龍巖無煙煤、大田無煙煤、永安無煙煤、龍巖生物質水煤漿、大田生物質水煤漿、永安生物質水煤漿。
0引言
福建省98％的煤炭資源均為揮發分低、灰熔點低、著火點高、燃燒性差、粉碎性強的低活性無煙煤，限制了其在福建省多種地方工業中的直接應用。
目前，采煤機械化程度的提高使粉煤的產量急劇增加，世界各國開發了以煤代油的新型潔凈燃料——煤漿燃料，種類主要有油煤漿、水煤漿、油水煤漿、甲醇煤漿、生物質水煤漿。已開發的各種煤漿一般都選用揮發分含量高、活性好的煤。甲醇煤漿由于甲醇的來源限制以及成本高，使其開發應用受到限制。目前文獻上查到的生物質水煤漿是劉世義提出的利用工業上的污泥制煤漿[1]。
本課題提出利用水葫蘆、福建無煙煤以及其他助劑制備新型生物質水煤漿，作為替代重油用于燃燒，以降低燃料成本，既提高了無煙煤的燃燒氣化活性又降低了煤的用量，并且充分利用了生物質資源。
前期試驗得出的生物質水煤漿具有良好的流動性和穩定性[2]，但還需進一步研究生物質水煤漿的燃燒特性，為其應用于工業生產作出評價。熱重分析是研究煤的燃燒特性最常用的方法之一，它利用熱天平在一定氣氛和一定程序升溫的條件下，研究煤的重量隨溫度變化的規律——燃燒特性曲線，從而確定煤的著火溫度等，并且通過特征數據可以確定煤樣的燃燒性能。利用TG-DTG直接確定煤粉及其在不同條件下制得的生物質水煤漿在空氣氣氛下的著火點，具有快捷、簡便的特點[3]。
1試驗內容
1.1樣品制備
試驗采用的煤樣為福建3種不同產地的無煙煤：大田無煙煤（DT）、永安無煙煤（YA）、龍巖無煙煤（LY），煤樣的工業分析和元素分析見表1。試驗選用3種陰離子分散劑：聚苯乙烯磺酸（PSS）、亞甲基萘磺酸鹽甲醛縮合物（NSF）、木質素磺酸鈉（LS）。
制備生物質水煤漿的步驟如下：將新鮮水葫蘆洗凈，經120℃干燥24h后，通過德國IKAA11分析研磨機研磨，所得水葫蘆粉狀物作為生物質。將無煙煤用球磨機研磨至粒度小于0.075mm，占75%，稱取質量分數為55%的無煙粉煤，分散劑用量為整個試樣質量的1%（質量分數）。將干燥研磨后的水葫蘆按整個試樣的2.5%，3%，3.5%（質量分數）摻入，其余為水，恒溫25℃，攪拌速率為1200r/min，攪拌時間為10min，從而制得生物質水煤漿。
1.2儀器及條件
采用德國NETZSCH公司STA409PG熱綜合分析儀，根據熱重技術檢測生物質水煤漿燃燒過程的失重曲線來研究和分析生物質水煤漿的燃燒特性。
測試條件：工作氣氛為壓縮空氣，氣體流量為50mL/min，升溫速率為15℃/min，終止溫度為900℃/min，試樣重量為（50±1）mg。
2結果與討論
2.1燃燒特性分析
2.1.1著火溫度
本文應用TG-DTG聯合定義法，即在DTG曲線上，過峰值點A作垂線與TG曲線交于一點B，過B點作TG曲線的切線，該切線與失重開始時平行線的交點C所對應的溫度Ti定義為著火溫度。
本試驗中，經NETZSCH409測量的熱分析曲線即為TG曲線，其一階導數即為DTG曲線，利用NETZSCH409自帶分析軟件能夠準確地確定生物質水煤漿燃燒時的著火溫度[6]，[7]。
在3種福建無煙煤中，分別添加2.5%，3%和3.5%的生物質，以1%木質素磺酸鈉作為分散劑制備生物質水煤漿，利用熱天平在空氣氣氛下，以程序升溫法進行燃燒試驗，可以得到生物質水煤漿的重量隨溫度變化的燃燒特性曲線。以同樣的測試條件對生物質（水葫蘆）進行熱重分析，二者的燃燒特性曲線如圖1所示。通過TG-DTG法可以得到不同配比的生物質水煤漿的著火溫度（表2）。
由表2可以看出，添加生物質后，由不同產地無煙煤制得的生物質水煤漿著火溫度均小于煤粉的著火溫度。并且，隨著生物質添加量的增加，著火溫度也隨之降低。從圖2可以看出，生物質著火溫度在200℃左右，遠低于原煤及生物質煤漿的著火溫度，并且生物質的揮發分初析溫度要遠低于煤的揮發分初析溫度，能夠使著火燃燒提前[8]。對煤的燃燒著火特性研究發現，隨著揮發分含量的增加，著火點溫度降低[9]。這主要是因為揮發分越多就越能引燃煤顆粒；另外，揮發分析出改變了焦炭的相結構，使剩余焦炭呈多孔狀，揮發分越多，剩下焦炭比表面積越大，與空氣接觸面積越大，也就越容易點燃。在生物質水煤漿燃燒過程中，生物質著火溫度以及揮發分初析溫度均低于煤漿，盡管無煙煤揮發分低，但是由于生物質的加入，增加了揮發分含量，從而降低了生物質水煤漿的著火溫度。并且，隨著生物質添加量的增加著火溫度也隨之降低。
2.2燃燒動力學參數
目前，等轉化率法被認為是比較可靠的動力學分析方法，包括Friedman法、Kissinger-Akahi-ra-Sunose法以及Flynn-Wall-Ozawa法等[10]。
動力學分析方法主要分為兩大類，一類是基于阿累尼烏斯公式，如上述幾種方法；另外一類是不基于阿累尼烏斯公式。前一類方法通過對基本公式進行整理，可以得到積分法（如單條升溫速率曲線的Coats-Redfern法以及多條升溫速率曲線的Flynn-Wall-Ozawa法等）和微分法（如Kissinger法以及Friedman-Reich-Levi法等）兩類。
2.2.1Coats-Redfern法
以同樣試驗方法還可得到3種無煙煤原煤的燃燒動力學參數，見表4。從表3可以看出，Y與X有很好的線性關系，相關系數均在0.94以上，表明生物質水煤漿燃燒動力學可用一級反應表示。生物質水煤漿表觀活化能的大小順序為大田無煙煤>龍巖無煙煤>永安無煙煤。對比表3，4可以看出，添加生物質后，3種無煙煤制備的生物質水煤漿表觀活化能明顯低于原煤。由此可知，從燃燒性能來說，利用水葫蘆干燥研磨后直接摻混水煤漿制備生物質水煤漿是可行有效的。
3結論
在3種福建無煙煤中添加生物質制備的生物質水煤漿，其表觀活化能明顯低于原煤，生物質水煤漿著火溫度都隨著水葫蘆量的增加而降低。由此可見，在水煤漿中適當地加入生物質對其燃燒性能是有利的，能夠解決福建無煙煤著火難的問題。
參考文獻：
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[11]張明旭，閔凡飛.程序升溫熱重法研究工業廢水水煤漿的燃燒動力學[J]．煤炭科學技術，2002，30（11）：7-9. |
