生物质与煤炭共燃的热重特性、反应动力学及灰分形成行为

《Journal of the Indian Chemical Society》：Thermogravimetric characteristics, kinetics, and ash-forming behavior of biomass and coal co-combustion

煤与生物质共燃特性研究显示，生物质掺量（20%-80%）显著降低点火（-28°C至-15°C）和燃尽（-5°C至-10°C）温度，综合燃烧指数提升8.89倍，且存在燃烧阶段协同效应（80%掺量时3.39）。但灰熔温度下降导致低熔点硅酸盐/硫化物生成，结渣风险增加。

　　

张兰鹏|黄雅吉|魏宏旗|张军|邱一卓|江新怡

教育部能源热转换与控制重点实验室，东南大学能源与环境学院，南京210096，中国

摘要

在能源格局持续转型和全球迈向碳中和的背景下，煤炭与生物质的联合利用已成为逐步淘汰传统燃煤发电的关键策略。本文采用热重分析（TGA）研究了烟煤与两种不同生物质（苹果木和玉米秸秆）的共燃特性。结果表明，随着生物质比例的增加，点火温度和燃尽温度均有所下降，表明混合燃料的燃烧性能显著提升。当生物质混合比例从20%增加到80%时，综合燃烧特性指数分别提高了8.89倍和7.72倍。在燃烧的初始和最终阶段，观察到两种燃料之间存在积极的协同作用。在生物质比例为80%时，协同效应指数分别为3.47和3.39。动力学分析显示，随着生物质比例的增加，挥发分释放阶段的表观活化能增加，而炭燃烧阶段的活化能降低，表明活化能随燃烧阶段和生物质比例的变化而变化。灰分成分分析表明，生物质共燃会导致低温共晶硅酸盐和硫酸盐的形成。这些低熔点化合物的形成和积累显著降低了灰分熔点，增加了炉内结渣和腐蚀的风险。

引言

长期以来，煤炭一直是全球电力生产的基石^[1]。截至2024年，全球仍有超过34%的电力来自煤炭，这得益于其丰富的储量、稳定的供应和成熟的燃烧技术^[2]。然而，煤炭燃烧会产生大量二氧化碳，占全球化石燃料产生的二氧化碳排放量的约40%。此外，这一过程还会释放二氧化硫（SO₂）、微量重金属、颗粒物和氮氧化物（NOx）^[3]，从而导致空气污染、酸雨和生态退化。在全球气候变暖、能源和环境挑战日益严峻以及全球追求碳中和的背景下，减少燃煤发电的环境影响已成为能源和环境科学中的关键问题。

生物质被广泛认为是第四大能源，仅次于煤炭、石油和天然气。生物质来源于农业废弃物、城市固体废物、工业废物、专门种植的能源作物和林业废弃物，是一种具有巨大发展潜力的多功能能源^{[4], [5]}。它是可再生的，通常被认为是碳中性的^[6]，高效利用生物质资源是实现碳峰值和碳中和目标的重要途径^[7]。此外，生物质通常含有较低的硫和氮含量^[8]，可以显著减少SO₂和NOx的排放。其高挥发分含量和强反应性也有助于燃料的点火和燃尽。然而，生物质的特点是能量密度低、水分含量高以及灰分特性不佳，这可能阻碍锅炉的长期运行^[9]，从而限制了其作为独立能源的大规模应用。

煤与生物质的共燃被认为是一种平衡环境效益和经济可行性的过渡性清洁能源利用技术^{[10], [11]}。这种方法涉及将一定比例的生物质引入现有的粉煤或循环流化床锅炉中，无需进行大规模的设备改造即可减少CO₂和传统污染物的排放^[12]。利用生物质的高挥发分和反应性已被认为可以提高燃烧效率^[13]。在某些条件下，煤-生物质共燃过程中可能会产生协同效应^[14]，从而进一步优化燃烧过程。因此，对煤-生物质共燃的热化学行为进行深入研究对于优化工业锅炉性能、减少排放和推动向更清洁能源系统的过渡具有重要意义。

国内外许多研究人员都对生物质与煤炭的联合燃烧进行了实验研究。Ma等人^[7]通过热重分析研究了煤与柳树的共燃特性。他们发现，随着柳树比例的增加，混合燃料的点火温度从444°C（纯煤）降至393°C（30%柳树），最低降至288°C（纯柳树）。燃尽温度也呈下降趋势，表明燃烧过程更加完全和迅速。Si等人^[15]研究了三种典型生物质与煤共燃的动力学参数。他们的动力学机制分析表明，混合物的活化能随着生物质比例的增加而降低。Ashraf等人^[16]研究了四种农业废弃物与煤的共燃，发现添加生物质有助于减少NOx、SO₂和CO的排放，尽管不同类型生物质的减排程度有所不同。Sun等人^[17]研究了烟煤与林业废弃物的燃烧过程，发现添加松木后，综合燃烧指数（S）从纯煤的5.0提高到了混合燃料的14.4。点火温度降低了10～15°C，燃尽温度降低了5～10°C。生物质与煤的混合物在点火前表现出抑制作用，随着温度的升高逐渐转变为协同作用^[18]。Guo等人^[19]研究了秸秆与低阶煤的共燃行为，发现两种材料之间既有协同作用也有抑制作用，其中协同作用占主导。Zhu等人^[20]进行了灰分熔点（AFT）测试，发现三种基于秸秆的生物质具有中等程度的结渣倾向，而无烟煤的结渣倾向相对较低。然而，生物质与无烟煤共燃后，结渣倾向增加。

总之，尽管煤-生物质共燃已得到广泛研究，但燃烧阶段相互作用/动力学与灰分高温行为（灰分熔化和结渣倾向）之间的机制联系仍不够明确，特别是在比较不同结构和成分的生物质类型时。这一差距具有实际意义，因为共燃性能不仅受点火/燃尽行为的影响，还受生物质类型依赖的矿物转化的影响，这些转化可能会产生低熔点共晶产物，从而增加结渣/腐蚀的风险。因此，在本研究中，我们对比了烟煤与玉米秸秆和苹果木的共燃，结合了（i）基于TGA的燃烧特性分析和阶段解析的相互作用分析，（ii）Coats-Redfern动力学建模，以及（iii）系统化的灰分化学/矿物分析与传统的结渣指数，以揭示生物质类型和混合比例如何共同影响燃烧性能和灰分形成途径。研究结果依次将燃烧特性和动力学演变与相互作用行为及相应的灰分形成/结渣影响联系起来。本研究为工业共燃中的生物质选择和混合比例优化提供了连贯的证据链。

材料

本研究使用了来自电厂的烟煤（BC），以及从江苏省农村地区收集的两种生物质样本：玉米秸秆（CS）和苹果木（AW）。干燥过程在105°C的强制空气烤箱中进行，持续时间为24小时。之后，对样品进行了粉碎、研磨和筛分处理，以获得直径小于75μm的颗粒。每种生物质样本都进行了混合

生物质和煤的基本特性

表2展示了AW、CS和BC的初步分析和最终分析结果。初步分析表明，AW和CS的挥发分含量高于BC，而BC的固定碳含量较高。最终分析显示，AW和CS的氮和硫含量低于BC，而氢和氧含量较高。这些特性表明AW和CS可能具有更高的热反应性

结论

本研究对比了烟煤与AW和CS的共燃情况。这两种生物质具有不同的灰分化学性质，因此具有不同的灰分形成倾向。通过结合热重分析、动力学建模和基于灰分化学/矿物的评估，我们明确地将燃烧阶段的相互作用（协同作用和活化能演变）与控制灰分熔化行为和结渣倾向的灰分形成转变联系起来

CRediT作者贡献声明

邱一卓：撰写——审稿与编辑，方法学。江新怡：可视化，形式分析。张军：撰写——审稿与编辑，研究。张兰鹏：撰写——审稿与编辑，初稿撰写，可视化，方法学，形式分析。魏宏旗：撰写——审稿与编辑，研究。黄雅吉：监督，资源获取

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

利益冲突声明

? 作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

致谢

本研究部分得到了国家自然科学基金（项目编号：52476108）的资助。