基于热重分析的煤与生物质耦合燃烧特性及动力学研究

吕兵兵; 美合日阿依·穆太力普; 周昊威; 刘欣甜; 汪佳乐; 李赓

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2600521

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (30) :13158-13169 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2600521

论文：化学工业

基于热重分析的煤与生物质耦合燃烧特性及动力学研究

吕兵兵 ¹^,² ,
美合日阿依·穆太力普 ¹^,²^,^* ,
周昊威 ¹^,² ,
刘欣甜 ¹^,² ,
汪佳乐 ¹^,² ,
李赓 ³

作者信息 +

Co-combustion Characteristics and Kinetics of Coal and Biomass Based on Thermogravimetric Analysis

LÜ Bing-bing ¹^,² ,
MEIHERIAYI Mutailipu ¹^,²^,^* ,
ZHOU Hao-wei ¹^,² ,
LIU Xin-tian ¹^,² ,
WANG Jia-le ¹^,² ,
LI Geng ³

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摘要

“双碳”目标下,煤电清洁高效利用与生物质耦合燃烧已成为能源领域重要研究方向。准东煤、哈密煤作为新疆重要动力煤种,存在燃烧特性差异与燃尽性能提升需求;沙柳作为典型荒漠生物质,具备高挥发分、低污染排放优势,开展其与煤的耦合燃烧特性及动力学研究对优化燃料配比、提升燃烧效率具有重要理论与工程价值。采用热重分析法研究了准东煤、哈密煤与沙柳单独及不同比例耦合燃烧时的燃烧特性,并用Coats-Redfern方法进行动力学特性分析。结果表明:燃料单独燃烧时的综合燃烧特性指数由大到小依次为沙柳、哈密煤、准东煤;与单一准东煤燃烧相比准东煤/哈密煤掺混燃烧时大大提高了综合燃烧特性指数及燃尽特性指数。耦合燃烧时,沙柳的加入使得煤的综合燃烧性能提高,燃烧反应的活化能明显降低。准东煤、哈密煤所需活化能分别为15.67×10⁸、43.67×10⁸ kJ/mol,沙柳与准东煤、哈密煤掺烧后,当沙柳的掺混比例在30%左右时,各方面的综合性能达到最优,此时准东煤/沙柳、哈密煤/沙柳、准东煤/哈密煤/沙柳耦合燃烧综合燃烧特性指数保持较高水平;同时,反应活化能及指前因子协同匹配最优。该实验结果对改善煤的燃烧性能以及实现煤的清洁高效燃烧提供了一种可行的解决方案。

Abstract

Under the dual carbon goals, the clean and efficient utilization of coal and its co-combustion with biomass have become important research directions in the energy field. As important power coal types in Xinjiang, Zhundong coal and Hami coal show differences in combustion characteristics and require improvements in burnout performance. Salix psammophila, as a typical desert biomass, is characterized by high volatile matter and low pollutant emissions. Investigating the combustion characteristics and kinetics of its co-combustion with coal is of great theoretical and engineering value for optimizing fuel blending ratios and improving combustion efficiency. The combustion characteristics of Zhundong coal, Hami coal and Salix psammophila when they were burned alone and in different proportions were studied by thermogravimetric analysis, and the kinetic characteristics were analyzed by the Coats-Redfern method. The results show that the comprehensive combustion performance index of the fuels when burned alone is in the descending order of Salix psammophila, Hami coal and Zhundong coal. Compared with the combustion of pure Zhundong coal, the comprehensive combustion performance index and burnout performance index were greatly improved when Zhundong coal and Hami coal were mixed. When coupled combustion occurred, the addition of Salix psammophila improved the comprehensive combustion performance of coal and significantly reduced the activation energy of the combustion reaction. The activation energies required by Zhundong coal and Hami coal are 15.67×10⁸ kJ/mol and 43.67×10⁸ kJ/mol, respectively. When Salix psammophila was mixed with Zhundong coal and Hami coal, the comprehensive performance reached the optimum when the mixing ratio of Salix psammophila was about 30%. At this ratio, the comprehensive combustion performance indices of Zhundong coal/Salix psammophila, Hami coal/Salix psammophila, and Zhundong coal/Hami coal/Salix psammophila coupled combustion remain at relatively high levels, and the activation energy and pre-exponential factor achieve the optimal synergistic matching. The experimental results provide a feasible solution for improving the combustion performance of coal and achieving clean and efficient combustion of coal.

Graphical abstract

关键词

准东煤 / 哈密白石湖煤 / 热重分析 / 燃烧特性 / 动力学分析 / 指前因子

Key words

Zhundong coal / Hami Baishihu coal / thermogravimetric analysis / combustion characteristics / kinetic analysis / pre-exponential factor

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吕兵兵, 美合日阿依·穆太力普, 周昊威, 刘欣甜, 汪佳乐, 李赓. 基于热重分析的煤与生物质耦合燃烧特性及动力学研究[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(30): 13158-13169 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2600521

LÜ Bing-bing, MEIHERIAYI Mutailipu, ZHOU Hao-wei, LIU Xin-tian, WANG Jia-le, LI Geng. Co-combustion Characteristics and Kinetics of Coal and Biomass Based on Thermogravimetric Analysis[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(30): 13158-13169 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2600521

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鉴于中国能源结构呈现“富煤、贫油、气资源相对匮乏”的特点,煤炭长期以来一直作为中国能源供应的核心支撑^[1]。能源结构转型进程中,煤炭清洁高效利用与可再生能源协同开发是中国能源领域的核心议题。新疆作为中国煤炭资源核心产区,新疆准东煤田、哈密白石湖煤田作为中国储量最丰富、开发潜力最大的整装煤田,其低硫、低磷、高挥发分特性使其成为西北能源基地电力生产与工业供热的核心原料^[2],但二者均存在燃烧特性差异显著、单独燃烧易出现结渣或燃尽率低等问题^[3-4]。中国西北干旱半干旱地区的沙柳作为典型抗逆性灌木,具有生长周期短、生物量大、燃烧性能优良等优势,是极具潜力的生物质能源。将沙柳与煤耦合燃烧,可借助生物质高挥发分、高灰熔点特性改善煤燃烧性能,同时实现沙生植物资源化利用,契合“双碳”目标下能源低碳化发展需求^[5-8]。

混合燃烧是目前广泛采用的燃烧调控方法^[9-10]。现有煤与生物质耦合燃烧研究证实,生物质掺混可降低煤炭燃烧活化能、提升反应活性^[11],但燃料特性的地域性差异导致耦合效应显著不同^[12-13]。付史祖等^[14]以神木烟煤与玉米秸秆为研究对象,利用热重分析法分析不同掺混比例及升温速率对二者掺混燃烧过程中质量变化、失重速率及吸放热效应的影响,发现玉米秸秆掺混在一定范围内提高了升温速率,利于提升燃烧充分性与热转化效率。罗勇军等^[15]基于热重分析系统研究了煤泥、煤矸石、风化煤等低热值煤与玉米芯生物质在单独燃烧及耦合燃烧条件下的动力学特性,发现玉米芯可降低低热值煤的着火温度、燃尽温度及燃烧活化能,提升综合燃烧性能。余武高等^[16]通过掺烧不同比例木屑颗粒的试验发现,随着掺烧比增加,混合燃料燃尽性改善,配风优化后NO_x排放量降低。目前关于煤与生物质耦合燃烧的研究多集中于常见烟煤与农林废弃物的组合,针对新疆特色高储量煤种(准东煤、白石湖煤)与沙柳耦合燃烧的动力学特性研究仍存在空白,二者耦合过程中是否存在显著协同效应、动力学参数随混合比例的演变规律及燃料间相互作用机制尚未明确^[17]。

因此,现以新疆准东煤、哈密白石湖煤及荒漠典型生物质沙柳为研究对象,采用热重分析(thermogravimetric analysis,TG)技术开展单烧、耦合与三元耦合的全维度燃烧实验。构建新疆特色低阶煤与荒漠生物质的耦合燃烧研究体系,通过绘制分析不同掺混比例下的热重-微商热重(thermogravimetry-derivative thermogravimetry,TG-DTG)曲线,明确耦合燃烧各阶段质量损失规律与特征温度变化。之后,通过运用Coats-Redfern模型与OFW(Ozawa-Flynn-Wall)法拟合求解动力学参数,量化沙柳掺混比例对燃烧反应活性的影响。最终,揭示煤与生物质耦合燃烧协同机制,为新疆煤电清洁高效利用与荒漠生物质资源化利用提供精准量化的理论支撑与工程方案,以完善低阶高碱煤与生物质耦合燃烧的性能评价体系。

1 实验材料和方法

1.1 实验装置

实验选取新疆准东地区五彩湾矿区的高碱煤、新疆哈密地区淖毛湖矿区白石湖露天煤矿动力煤等典型煤样以及沙柳进行实验测量,根据《煤的工业分析方法》(GB/T212—2008)和《煤中碳和氢的测定方法》(GB/T476—2008)对样品进行了工业及元素组成分析,结果如表1所示。

由表1可知,哈密煤具有较低的灰分含量(4.944%)和较高的挥发分含量(42.016%),较高的挥发分有利于燃料在加热过程中快速释放可燃气体,从而促进着火及初期燃烧反应,表现出较好的燃烧反应性。相比之下,准东煤虽然具有更低的灰分含量(4.410%),但其挥发分含量仅为28.210%,同时固定碳含量较高(53.620%),表明其燃烧过程需要更多依赖固定碳的氧化反应,因此燃烧反应性相对较弱。与之形成明显对比的是,沙柳的挥发分达到77.528%,灰分仅为3.931%。实验前,各样品被破碎至100目以下,置于干燥箱中于105 ℃干燥24 h以去除水分。随后,对混合燃料按配比进行制备,并采用四分法确保样品均匀性。

实验样品的制备依次经过破碎、研磨和筛分。首先将样品破碎至粒径小于1 cm;然后,用小型粉碎机粉碎至粉状;最后采用孔径125 μm的标准筛筛分,选取粒径小于125 μm的粉样用于实验。

燃烧特性测定采用HITACHI STA7300热重-差热分析仪进行。样品质量为10 mg±0.2 mg,置于氧化铝坩埚中,在空气气氛下以20 ℃/min升温至 1 000 ℃,空气流量保持30 mL/min。为保证数据可靠性,每组实验重复3次,并取平均值作为实验结果。

1.2 燃烧特性

样品的着火温度、燃尽温度、最大失重速率及其对应温度、可燃性指数以及综合燃烧特性指数均采用TG-DTG联合定义法^[18-20]进行表征。着火温度T_i的测定如图1所示:从DTG(derivative thermogravimetric)曲线极值点A引垂线至TG(thermogravimetric)曲线交点B,再于B点作切线L₁,该切线与失重起始平行线L₂交点i所对应的温度即为样品着火温度。如DTG曲线存在多个峰值,则以第一个峰的交点确定着火温度。燃尽温度T_h定义为样品可燃物燃烧至98%时的对应温度。点A的横坐标与纵坐标分别对应最大燃烧速率温度T_max和最大失重速率(dx/dt)_max^[21]。可燃性指数C用于表征样品点燃的难易程度,其值越大,燃料的燃烧和着火稳定性越好^[22]。可燃性指数C计算公式为

(1)C=$\frac{{(\mathrm{d}\mathit{\omega }/\mathrm{d}\mathit{t})}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}}{{\mathit{T}}_{\mathrm{i}}^{2}}$

式(1)中:C为可燃性指数;(dω/dt)_max为最大失重速率;T_i为着火温度。

综合燃烧特性指数S用于表征燃料的着火及燃尽性能,其数值越高,表明燃料燃烧特性越优^[23],综合燃烧特性指数公式为

(2)S=$\frac{{(\mathrm{d}\mathit{\omega }/\mathrm{d}\mathit{t})}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}{(\mathrm{d}\mathit{\omega }/\mathrm{d}\mathit{t})}_{\mathrm{m}\mathrm{e}\mathrm{a}\mathrm{n}}}{{\mathit{T}}_{\mathrm{i}}^{2}{\mathit{T}}_{\mathrm{h}}}$

式(2)中:S为综合燃烧特性指数;(dω/dt)_mean为平均失重速率;T_h为燃尽温度。

燃烧动力学分析旨在确定反应活化能E及指前因子A^[24]。分析采用Coats-Redferm积分法。通过对不同级数反应进行计算对比,得知一级反应模型能够较好地反映所研究燃烧反应的动力学过程。动力学方程为

(3)ln$\left[-\frac{\mathrm{l}\mathrm{n}(1-\mathit{\alpha })}{{\mathit{T}}^{2}}\right]$=ln$\frac{\mathit{A}\mathit{R}}{\mathit{\beta }\mathit{E}}$-$\frac{\mathit{E}}{\mathit{R}\mathit{T}}$

式(3)中:T为温度;A为指前因子;E为活化能;R为通用气体常数,R=8.314;β为升温速率;α为质量转化率。

在恒定升温速率下,ln[-ln(1-α)/T²]关系与1/T呈线性,通过拟合可得到斜率为-E/R、截距为ln[AR/(βE)]的直线方程,进而计算反应的活化能E和指前因子A。

为了评估不同燃料掺混燃烧过程中是否存在协同效应,将实验获得的TG曲线与理论计算的TG曲线进行比较。混合样品的拟合失重量可根据实验结果计算,计算公式为

(4)${\mathit{m}}_{\mathrm{C}\mathrm{A}\mathrm{L}}=\stackrel{\mathit{n}}{\sum _{\mathit{i}=1}}{\mathit{x}}_{\mathit{i}}{\mathit{m}}_{\mathit{i}}$

式(4)中:m_CAL为混合样品的拟合失重量;n为混合燃料组分数目;x_i为第i种组分的质量分数;m_i为第i种组分的实验失重量。

2 实验结果与讨论

2.1 SEM分析

采用HITACHI-SU8600极高分辨冷场发射扫描电镜系统对准东煤、哈密煤、沙柳以及耦合燃料燃烧前和燃烧后的表面微观形貌进行表征,其SEM图如图2所示。通过粒度分析仪检测得到的燃料粒径分布曲线如图3所示。

由图2可知,煤的表面形貌为粒状,与准东煤相比,哈密煤具有更大的粒状结构。沙柳呈条状形貌,其尺寸明显大于颗粒状物质。煤与沙柳混合后,煤颗粒能够均匀附着于生物质表面。燃烧过程中,煤的燃灰呈块状,而生物质燃烧后的灰分则以多孔或团聚的不规则颗粒形式存在,该多孔结构的比表面积大,氧气易扩散至内部,通常着火温度偏低、反应活性好。将煤与生物质进行掺混后产生的灰呈蜂窝状碎片,粒径减小,结果表明,掺烧生物质可改善焦炭的燃烧条件,促进气体扩散与传热传质,从而提高煤的着火和燃烧效率,并加速炭的燃烧转化过程。

由图3可知,与准东煤单独燃烧相比,准东煤/沙柳耦合燃烧的粒径累积分布曲线明显上移,表明细颗粒的体积占比显著增加。这一现象说明沙柳的加入有效促进了煤颗粒的破碎与燃尽,改善了燃烧条件,提升了燃烧效率。

2.2 煤和生物质单独燃烧过程

准东煤、哈密煤和沙柳单独燃烧的TG、DTG曲线如图4所示。

由图4可以看出:煤的燃烧过程基本分为失水干燥、挥发分析出及固定碳燃烧3个阶段,由于固定碳含量高于挥发分,其析出过程伴随着焦炭的燃烧,因此在DTG曲线上可以观察到明显的峰值;准东煤在350 ℃前几乎未发生失重,随着温度的升高,379 ℃开始着火,并在525 ℃达到最大失重速率8.027%/min,燃尽温度达619 ℃。这主要是因为准东煤挥发分较高,煤粉颗粒的着火阶段在380~500 ℃^[25]。哈密白石湖煤着火温度为 354 ℃,低于准东煤,在522 ℃时达到最大失重速率15.21%/min,峰值温度比哈密煤要高100 ℃左右;哈密煤的最大燃烧速率大于准东煤。哈密白石湖煤的矿物质含量较高,矿物质对热传导的影响较大,可以吸收热量并降低煤的加热速率,从而导致煤在加热到一定温度前难以达到自燃条件,所以造成了挥发分高于准东煤但着火温度略高于准东煤。沙柳具有最低着火温度(231 ℃),在351 ℃时失重速率达到最大值27.221%/min,对应挥发分快速释放及燃烧过程,包括纤维素、半纤维素及少量木质素的分解^[26]。350~550 ℃期间出现第二个失重峰,对应焦炭燃烧,至500 ℃样品基本完成燃烧。

表2列出了准东煤、哈密煤及沙柳的燃烧特性参数。准东煤的着火温度最高,这主要归因于其挥发分最低(25.951%),导致其着火较为困难。同时,其燃尽温度最高(525 ℃),因灰分含量较高(5.77%),部分深层可燃组分难以完全燃烧^[27-28]。相比之下,沙柳的着火温度、燃尽温度及失重峰温度均显著低于其他燃料,这归因于其较高的挥发分,使其更早进入快速燃烧阶段^[26]。可燃性指数C及综合燃烧特性指数S的大小顺序分别为沙柳、哈密煤、准东煤,表明生物质的综合燃烧性能优于煤类燃料,而准东煤的综合燃烧性能最差。

2.3 煤和生物质耦合燃烧过程

准东煤、哈密煤及沙柳的耦合燃烧TG和DTG曲线分别如图5~图8所示,其燃烧特征参数见表3,活化能通过Coats-Redfern积分法计算,结果如表4所示。

2.3.1 准东煤/沙柳耦合燃烧过程

准东煤/沙柳耦合燃烧的TG-DTG曲线如图5所示,其燃烧过程整体呈现出双阶段式缓慢分离,可分为3个明显的阶段:首先为沙柳的挥发分的释放及燃烧(240~310 ℃),其次为沙柳焦炭的燃烧(310~545 ℃),最后为准东煤的燃烧(379~619 ℃)。由图5和表3可见,随着沙柳比例的增加,混合燃料的着火温度下降至约310 ℃,接近沙柳自身的着火温度,表明耦合燃烧过程中各燃料的特性得以保持。同时,混合燃料的燃尽温度下降至约504 ℃,表明混合燃料更易完全燃烧。耦合燃烧的可燃性指数及综合燃烧特性指数均明显提高,其中可燃性指数从单独燃烧准东煤的5.598 4×10^-5%/(min·℃²)上升至耦合燃烧的6.228 5×10^-5~33.506 2×10^-5%/(min·℃²),综合燃烧特性指数从15.67×10^-8%²/(min²·℃³)增加至耦合燃烧时的15.667×10^-8~172.647×10^-8%²/(min²·℃³)。结果表明,沙柳的掺入可有效提升准东煤的燃烧性能。随着沙柳比例的增加,燃烧前期的失重峰值增大,而后期的峰值减小,耦合燃烧使燃烧反应整体向前移动,从而改善了煤的燃烧性能^[29]。

2.3.2 哈密煤/沙柳耦合燃烧过程

哈密煤/沙柳耦合燃烧的TG-DTG曲线,如图6所示,其与准东煤/沙柳耦合燃烧类似。但与准东煤/沙柳耦合燃烧不同的是,不同掺混比例呈现出快速集体失重状态,沙柳纯样与哈密煤纯样的快速失重阶段均集中在200~400 ℃,不同掺混比例的曲线近乎“并行下降”,分离度极小;与准东煤相比,混合燃料的着火温度(287~328 ℃)和燃尽温度(432~495 ℃)更低,且所有掺混组均在500 ℃前接近燃尽,燃尽温度跨度小,整体失重同步性强。可燃性指数从哈密煤燃烧的15.21×10^-5%/(min·℃²)上升至耦合燃烧的16.084 8×10^-5~28.292 1×10^-5%/(min·℃²),综合燃烧特性指数显著提高至48.145×10^-8~151.029×10^-8%²/(min²·℃³),体现出哈密煤低碱金属、高挥发分的特性与沙柳燃烧特性高度匹配,二者耦合燃烧的协同性更优,燃烧进程更高效。

2.3.3 准东煤/哈密煤耦合燃烧过程

准东煤/哈密煤耦合燃烧的TG-DTG曲线如图7所示,相较于准东煤、哈密煤单独燃烧,二者掺混燃烧可通过燃烧特性的协同互补,改善燃料的燃烧性能。从着火温度维度,掺混体系依托哈密煤的高反应活性,有效降低了准东煤单独燃烧的偏高着火门槛,使着火点降低40 ℃左右,同时规避了哈密煤单一燃烧的着火后的快速失重。在燃尽温度层面,哈密煤的快速燃尽特性可驱动准东煤的滞后燃尽进程前移,使混合燃料的燃尽温度较准东煤纯样可降低至550 ℃左右,既保留了哈密煤的高效燃尽优势,又提升了准东煤的燃尽效率;针对失重峰特征,混合燃烧可调控失重峰的峰温与峰值,使失重峰提前出现,既缓解了准东煤单一燃烧的峰温滞后、峰值不足问题,又弱化了哈密煤单一燃烧的峰值过高风险,使反应强度更趋均衡,适配燃烧系统的工况需求。在综合燃烧特性方面,混合燃烧的可燃性指数由单一准东煤的5.598 4×10^-5%/(min·℃²)提升11.666 1×10^-5%/(min·℃²),综合燃烧特性指数由单一准东煤燃15.67×10^-8%²/(min²·℃³)提升至23.371×10^-8~45.864×10^-8%²/(min²·℃³),掺烧哈密煤有效地提升了准东煤的燃烧特性。综上,准东煤/哈密煤掺混燃烧通过多维度的性能互补,实现了单一煤种燃烧缺陷的靶向改善,提升了整体燃烧过程的高效性与适配性。

2.3.4 准东煤/哈密煤/沙柳耦合燃烧过程

准东煤/哈密煤/沙柳耦合燃烧的TG-DTG曲线,分别如图8所示,在TG曲线中,准东煤/哈密煤耦合燃烧失重进程平缓、燃尽滞后,而随沙柳掺混比例提升,体系低温段(200~400 ℃)失重速率显著加快,高温段(400~500 ℃)燃尽进程明显提前,高沙柳比例组可快速趋近燃尽点;对应DTG曲线,准东煤/哈密煤耦合燃烧反应强度偏低,沙柳掺混后失重峰峰温前移、峰值显著升高,高比例沙柳组的失重峰更尖锐集中。综上,沙柳的高挥发分特性与双煤体系形成协同效应,其掺混比例的提升可有效强化三元体系的燃烧反应活性、加快燃尽进程。

2.4 动力学分析

随煤中沙柳的掺烧比例增加,反应温度范围、动力学参数、活化能和指前因子均发生变化,结果如表3所示。计算时预设反应级数为1。其相关系数都在97%以上,满足要求,因此预设的反应级数为1是合理。

准东煤、哈密煤和沙柳耦合燃烧的活化能如图9所示,准东煤单独燃烧的活化能为70.348 kJ/mol,哈密煤单独燃烧的活化能为91.429 kJ/mol,沙柳单独燃烧的活化能为19.088 9 kJ/mol,沙柳的活化能低于煤的活化能。准东煤和沙柳耦合燃烧时,其活化能呈现出先降低后升高的非线性变化规律;而哈密煤和沙柳耦合燃烧时,当沙柳掺混比例在0~20%时,反应活化能呈现出降低的趋势,而当掺混比例超过20%时,反应活化能呈现出略显升高的趋势。当准东煤掺烧沙柳比例为45%时,活化能为掺烧组最低,为17.155 1 kJ/mol,之后随着沙柳的掺烧比例增加活化能呈现出上升的趋势,但始终低于哈密煤掺烧沙柳的活化能。沙柳孔隙结构多,利于气体吸附扩散,掺烧沙柳后,可燃物质与空气接触更充分,活化分子增加且准东煤的高碱金属可催化沙柳挥发分反应,降低了燃烧壁垒,提升了反应活性,大大降低了活化能。

掺混后相互作用降低整体反应活化能的潜力更大。准东煤、哈密煤掺混燃烧时,随哈密煤比例的提高,活化能持续降低,指前因子同步升高,当准东煤:哈密煤=1∶3时,活化能最低为E=50.248 9 kJ/mol。相较于单独的准东煤与哈密煤燃烧,反应活化能可降低50%左右,且指前因子可保持较高水平。同时,哈密煤的低碱金属特性可缓解准东煤高碱金属带来的结渣风险,而准东煤的高反应基底则强化了哈密煤挥发分燃烧的稳定性,最终达成燃烧效率提升、运行安全性改善的双重优化。

由表4可知,当准东煤、哈密煤和沙柳三者掺混燃烧时,随着沙柳比例的提高,活化能呈现出先降低后升高的趋势,当准东煤∶哈密煤=1∶1+30%沙柳时,活化能最低为E=38.256 0 kJ/mol。相较于单独的准东煤与哈密煤燃烧,反应活化能可降低50%左右,且指前因子保持了较高的水平,在沙柳掺混比例约为30%时达到动力学最优值,此规律源于沙柳低能垒挥发分燃烧反应对三元体系的主导作用,以及准东煤碱金属组分对反应的催化效应。此外,一级反应模型对该三元体系的拟合相关系数R²均高于0.97,表明模型适配性良好;而三元体系通过燃料间的互补协同,既有效改善了单一煤种着火温度高、燃尽滞后的缺陷,又缓解了高比例沙柳掺烧引发的局部氧扩散受限问题,最终形成活性强化、反应稳定、传质适配的动力学最优状态。

2.5 协同作用分析

准东煤、哈密煤及沙柳耦合燃烧的实验与拟合TG曲线如图10所示。图10(a)、图10(c)及图10(d)显示,各燃料的燃烧过程总体呈相似变化趋势。在低于300 ℃及高于600 ℃的温度范围内,实验曲线与拟合曲线高度重合,表明燃烧前期和后期未出现明显的协同效应。在100 ℃以下的低温段,所有比例的实验与理论曲线几乎完全重叠,质量保留率维持在95%以上,因为此阶段仅发生燃料中水分的蒸发,与燃料化学结构无关,掺混未改变水分的挥发特性,因此,此时无协同作用。在100~300 ℃的中低温段,部分混合比例的实验曲线开始轻微低于理论曲线(质量保留率低1%~3%),因为此温度下沙柳中的小分子挥发分缓慢析出,这些轻组分可轻微降低煤表面的弱键断裂能,形成弱正协同,但因挥发分总量有限,协同效果并不显著。在300~600 ℃的中温段,所有混合比例的实验与理论曲线出现显著分离,这是协同作用的核心区间,因为沙柳中纤维素、半纤维素热解产生的高活性挥发分大量释放,一方面由于沙柳的加入提高了煤的着火性能,促进煤挥发分的析出;另一方面,两种燃料的挥发分在气相中发生自由基链式反应,加速了燃烧进程,因此实验失重量远高于理论拟合值,且沙柳掺混比例越高,曲线分离程度越大,协同的效果越明显。在600~800 ℃的中高温段,曲线分离程度逐渐缩小,但实际剩余质量仍低于计算值,由于挥发分在燃烧初期首先析出并释放热量,可促进固定碳的点燃;同时,煤中固定碳含量较高,其燃烧释放的热量较大,从而有助于维持燃烧后期的稳定过程。

哈密煤/沙柳耦合燃烧的协同效应不显著,主要表现为TG-DTG曲线的简单叠加。图10(b)显示,哈密煤因挥发分较高,其燃烧行为与沙柳单独燃烧类似,从而减弱了混合燃烧的协同效应。实验结果表明,燃料耦合燃烧的协同作用主要集中在燃烧中后期,且当混合燃料化学成分差异较大时,协同效应更为显著。此外,协同强度随沙柳掺混比例增加而增强。总体上准东煤、沙柳耦合燃烧时的协同作用大于其他掺混燃料。

3 结论

(1)准东煤、哈密煤单独燃烧过程中仅有一个明显的失重峰,且前300 ℃时失重量几乎为0;而沙柳在燃烧过程中有2个明显的失重峰,其中在200~400 ℃失重较明显;准东煤、哈密煤与沙柳掺混后,混合物的燃烧过程中均有2个失重峰,各个掺混比例的失重峰均集中在300~550 ℃温度区间。煤单独燃烧以及煤掺混沙柳耦合燃烧,燃烧过程中均未出现增重现象。

(2)准东煤、哈密煤分别与沙柳耦合燃烧时,沙柳的高挥发分特性可显著降低体系着火温度、提前燃尽温度,提升最大失重速率;其中准东煤/沙柳耦合体系在沙柳掺混比例为60%时燃烧性能最优,着火温度降至242 ℃,最大失重速率达19.62%/min;哈密煤/沙柳耦合体系在沙柳掺混比例在45%~60%时燃烧特性与动力学性能协同最优,着火温度降至280 ℃左右,最大失重速率达23.5%/min左右;准东煤/哈密煤/沙柳三元体系在沙柳掺混比例为60%时燃烧性能最优,着火温度降至242 ℃,最大失重速率达21.805%/min。通过燃烧特性指数计算发现,准东煤/沙柳、哈密煤/沙柳、准东煤/哈密煤/沙柳耦合燃烧,当沙柳掺混比例为60%左右,综合燃烧特性指数,分别为172.647×10⁸、151.029×10⁸、120.422×10⁸及燃尽特性指数最大33.506 2×10⁵、28.292 1×10⁵、23.750 4×10⁵,燃烧特性及燃尽特性最佳。

(3)动力学分析发现,准东煤、哈密煤及沙柳耦合燃烧,当沙柳掺烧比例为30%左右时,活化能及指前因子协同匹配最优。将准东煤与哈密煤进行掺烧,与单一煤种燃烧相比大大降低了反应的活化能,最低为50.248 9 kJ/mol,同时指前因子保持着较高的水平。

综上,沙柳的最佳掺混比例为30%左右,准东煤与沙柳掺混的燃烧过程的协同作用较为明显,哈密煤与沙柳掺混的燃烧过程的协同作用并不明显,仅表现为2种TG曲线的简单叠加。该研究明确了不同掺烧比例下混合燃料的着火温度、燃尽特性及燃烧阶段演化规律,揭示了沙柳高挥发分与准东煤固定碳之间的协同燃烧机制,填补了西北荒漠生物质与新疆低阶煤耦合燃烧的基础数据空白。同时,通过可燃性指数、综合燃烧特性指数的量化分析,完善了煤/生物质混合燃料燃烧性能的评价方法,为同类低阶煤与生物质耦合燃烧的动力学模型构建提供了理论依据与数据支撑^[27]。

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基金资助

国家重点研发计划子课题(2024YFB4106101-2)

“天山英才”计划-青年托举人才(2023TSYCQNTJ0035)

新疆维吾尔自治区高校基本科研项目(XJEDU2023P026)

新疆碳中和能源科学与技术研究项目(2022TSYCLJ0001)

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Received	Published	Revised
2026-01-24	2026-10-28	2026-04-27
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2026-11-10

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