外文翻譯--麥秸燃燒和二氧化碳氣化的加壓熱重分析反應(yīng)研究 中文版

1、<p>　　麥秸燃燒和二氧化碳氣化的加壓熱重分析反應(yīng)研究</p><p>　　Ole rathmann and Jytte B lllerup</p><p>　　Riso 國家實驗室燃燒研究所</p><p>　　DK-400 Rodkide,DENMARK</p><p>　　關(guān)鍵詞：麥秸生物質(zhì)，加壓，氣化反應(yīng)</p>

2、;<p><b>　　摘要</b></p><p>　　由于生物質(zhì)如麥秸等是一種用于先進加壓發(fā)電廠且不排放二氧化碳的相關(guān)燃料，因此生物燃料的特性正在引起人們的關(guān)注。在這項研究中，通過等溫?zé)崃糠治觯瑢⒀芯垦心コ煞鄣柠溄赵诩訅旱?0巴的情況下的燃燒和二氧化碳氣化反應(yīng)，得到的結(jié)果將和一種典型的亞煙煤進行比較。最近，已建成的臥式加壓熱量分析儀器投入使用，它可在1200℃，45巴的操作條

3、件下工作。在這項研究中，濕度和特定壓力對反應(yīng)物氧氣和二氧化碳各自的影響是很明顯的。因為氣化反應(yīng)也有一氧化碳的抑制作用，所以，具體的總壓力作用不能被觀測到。還有對使用未完全研磨成粉的秸稈片的研究。</p><p><b>　　介紹</b></p><p>　　生物燃料用于發(fā)電和提供熱量有許多好處，其中最明顯的是不產(chǎn)生二氧化碳和節(jié)約將用盡的化石燃料。此外，在丹麥，國家立法

4、去推動使用當(dāng)?shù)乜衫玫纳镔|(zhì)，如廢棄木材、秸稈等。鑒于將來，生物質(zhì)燃料的特性研究將與它的燃燒和氣化相關(guān)，為高效率的加壓類電廠服務(wù)，如IGCC。因此，在斯堪的納維亞和其他地方，研究團隊已經(jīng)在各自的國家行動起來，研究生物質(zhì)燃料的相關(guān)特性，主要問題是氣壓、溫度和氣體混合物對反應(yīng)效率的影響。</p><p>　　利用大樣品垂直加壓熱量分析儀器，人們已經(jīng)研究了特別是木材、秸稈和黑色液炭在適度反應(yīng)率下的氣化反應(yīng)。布萊克德和瑞

5、瑟福特（1985）研究木材、纖維素和木質(zhì)素在溫度達到800℃、氣壓在1到40巴的情況下的高溫分解。莫萊等人（1993）研究在充滿蒸汽條件下，木炭、炭和黑色液炭的氣化反應(yīng)，以及把它與煤和褐煤進行比較。但懷特等人（1993b）研究質(zhì)地粗糙的壓制木材和泥炭在850℃、1-20巴條件下的高溫分解和炭汽化為二氧化碳的氣化反。施特勞斯等人（1993）研究了在充滿蒸汽、750－950℃條件下，大量樣品秸稈炭的氣化反應(yīng)。白克曼等人和懷特（1993）研究

6、了黑色液炭，它上關(guān)于在650－800℃、1－30巴情況下，加壓二氧化碳和蒸汽的氣化反應(yīng)研究，同時存在一氧化碳。從下面的圖可以看出：在高溫分解中，木炭產(chǎn)量隨高溫分解壓力的增加而明顯增加，但反應(yīng)特性有稍微降低。木炭同泥炭和褐煤的反應(yīng)相似，大約比煤的反應(yīng)快一個數(shù)量級,黑色液炭的反應(yīng)比木材快兩個數(shù)量級,有蒸汽的氣化反應(yīng)比有二氧化碳的反應(yīng)快４倍。反應(yīng)特性隨溫度的增加而急劇增加，這可以從煤的反應(yīng)中看出來。持續(xù)增加總統(tǒng)壓力，氣體百分比有所降低，這增加

7、了對木材的</p><p>　　在這項工作中，我們已經(jīng)研究了秸稈燃燒和二氧化碳氣化反應(yīng)的效率，而秸稈被認為是一種在將來丹麥先進電站和供熱站中重要的生物質(zhì)燃料。這項工作已簽下協(xié)議并被執(zhí)行，并且丹麥在利用在歐洲聯(lián)盟APAS項目中的埃斯和?？死氐膸椭驳玫降溎茉床康闹С?。</p><p><b>　　實驗</b></p><p>　　燃料樣品

8、是從丹麥發(fā)電站或直接供熱站得到的普通使用的麥秸。所有秸稈被粉末，秸稈樣品的顆粒直徑小于0.2㎜，在一個爐子中，經(jīng)過7分鐘900℃的高溫分解熱實驗，且在常壓和無氧氣進條件下，得到粉末秸稈炭、秸稈節(jié)點塊、秸稈節(jié)點和顆粒。在表１中給出的位加工的復(fù)合燃料和近似復(fù)合物極其相似，但和灰復(fù)合物不同，特別是關(guān)于K2O和P2O5。</p><p>　　PTGA儀用于這項研究，它是一種杜邦臥式熱量分析儀的改進型，最近在RISO建成。

9、燃料樣品被放在一個直徑１㎝的小鉑盤上，鉑盤懸掛在一個水平平衡臂上，同時把它置于和熱天平連在一起的反應(yīng)試管中。反應(yīng)試管通過加熱器從外部加熱，且整個熱天平操作被置于一個壓力為351的器皿中。壓力和流控制通過許多閥和流控制操作。測試氣體從惰性氣體氮氣或預(yù)先混合好的氣體中選擇，通過填充器把測試氣體送到反應(yīng)試管的尾部，通過加熱測試氣體去控制溫度。在測試試管中，一種氣體對應(yīng)一種反應(yīng)速率，在1000℃、1厘米每秒時被看作轉(zhuǎn)換時間,在樣品狀態(tài)，混合氣體

10、的轉(zhuǎn)換時間大約是100s。平衡系統(tǒng)是來自杜邦公司的部件，且反應(yīng)試管爐子和所有外部系統(tǒng)都是新的。PTGA儀能在45巴和1200℃條件下工作。樣品可加到150㎎來研究，但是對于低密度的燃料，它的顆粒大小的極限由燃料的量決定，一般5-10g。數(shù)據(jù)資料每2s記錄1次。</p><p>　　高溫分解實驗在一種惰性測試氣體和變化的溫度下進行。燃燒和氣化反應(yīng)實驗在等溫情況下進行，溫度的控制通過采用惰性氣體來控制，它可采用氮氣、

11、氧氣或氮氣、二氧化碳和一氧化碳的混合氣體。能夠測得最大轉(zhuǎn)化率，它由測試氣體的轉(zhuǎn)換時間和反應(yīng)物到樣品的最大擴散速率及樣品的最大擴散速率設(shè)定。試驗重量信號通過浮力和平衡臂長度延伸可以補償，它在標(biāo)準(zhǔn)化測試基礎(chǔ)上進行。對于反應(yīng)實驗，重量補償之后，X和R有一個變化：</p><p><b>　　(1)</b></p><p><b>　　(2)</b>&l

12、t;/p><p>　　在干燥無灰基的條件下，mc和mc0是瞬時和初始各自的炭量。</p><p>　　每一個實驗具有各自的特征：反應(yīng)轉(zhuǎn)化到50%時，R0.5和隨X變化的變值R。X是一個約數(shù),用來表達每個反應(yīng)類型,它被一個標(biāo)準(zhǔn)化的反應(yīng)式f(x)（當(dāng)x=0.5時標(biāo)準(zhǔn)值取0.1）表示。一定的反應(yīng)度對應(yīng)一個估計的反應(yīng)時間，它可通過下面式子算得：</p><p><b>

13、;　　(3)</b></p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　少部分高溫分解實驗用原始的粉末秸稈樣品在溫度為150-1000℃的范圍內(nèi)進行，可以看到熱效率和壓力的影響。氣壓在20巴，熱速率為10℃/min、30℃/min或50℃/min時，對炭產(chǎn)量沒有影響。當(dāng)熱速率為30℃/min時，炭產(chǎn)量有些許增長：1.5巴、20巴、40巴對應(yīng)的

14、炭增量為15%、20%和22%（±2.5%），最大的高溫分解率發(fā)生在一個狹小的范圍內(nèi)：342-355℃。為了明確壓力對炭產(chǎn)量的影響，更多的精確的實驗結(jié)果是必須的。如這些結(jié)果表明的那樣：常壓下，高溫分解對炭產(chǎn)量毫無影響。</p><p>　　燃燒反應(yīng)在溫度為300-410℃間，壓強為1.5巴-40巴間，同時氧氣在0.08-0.8間測量時，R0.5的結(jié)果如圖例2所示。反應(yīng)隨轉(zhuǎn)化度的增加而增加，X=0.2時的

15、值是X=0.5時的值的0.6倍，X=0.8是的值是X0.5是值的1.7倍。但是，在低溫時，這些結(jié)果不能直接應(yīng)用于實際情況，不能和相應(yīng)的煤的數(shù)據(jù)進行比較。在40℃，氧氣為0.26巴時，其反應(yīng)效率是0.002s-1，大約是相應(yīng)煤的反應(yīng)效率的30倍。依靠溫度和氧氣部分的壓力得到110KJ/mole的反應(yīng)能和0.61的反應(yīng)級數(shù)。反應(yīng)能量和相關(guān)煤的能量近似，但反應(yīng)級數(shù)較低。沒有觀察到總壓力發(fā)揮重大影響。</p><p>　

16、　二氧化碳的氣化反應(yīng)在流態(tài)化床上測量，相關(guān)的溫度范圍在850-1050℃，氣壓在20巴，反應(yīng)中是3中氣體的混合物，包括一種抑制化合物一氧化碳，數(shù)據(jù)如圖例3所示。一些實驗稱：在4和40巴時，CO2/CO部分的壓力沒有改變。在1000℃時，R0.5被測定為0.006s-1,二氧化碳為0.7巴，一氧化碳不存在。隨著轉(zhuǎn)換程度增加，反應(yīng)效率也增加，X值為0.2、0.8時，R0.5的值分別是X=0.5時R0.5的0.6和2倍。根據(jù)懷特等人1993年

17、測定的結(jié)果，此時，秸稈的反應(yīng)效率大約比相應(yīng)的煤的反應(yīng)效率快16倍，比木材的反應(yīng)效率快1.5-2倍。R0.5的結(jié)果根據(jù)朗繆爾-欣謝爾伍德的反應(yīng)動力學(xué)公式可以算得，即：</p><p>　　R0.5=k1Pco2/(1+aPco+bPco2)</p><p>　　式中k1、a、b依據(jù)阿列紐斯參數(shù)，然而，對于a、b,采用負的活化能。盡管實驗中的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)非系統(tǒng)的變化，飽和度（用參數(shù)b來表示）被清楚

18、的觀測到,在缺乏一氧化碳和二氧化碳,壓力從0.7巴增加到2.2巴的條件下,反應(yīng)效率的增加低于按比例的增加。而且當(dāng)CO2/CO測試氣體由2/0巴變?yōu)?/2巴時，反應(yīng)效率有明顯降低，從1.5-5倍。這清楚地表明在測試溫度下的抑制作用（用參數(shù)a來表示）。在飽和度和抑制作用的雙重影響下，隨著溫度的升高有一個預(yù)期的下降。目前，結(jié)論太少而不能決定一個明確的關(guān)于熱力學(xué)的參數(shù)，但是如圖例3所示，根據(jù)朗繆爾-欣謝爾伍德的反應(yīng)動力學(xué)公式，從相關(guān)的煤的燃燒中

19、，結(jié)合參數(shù)k1的值，能夠得到有用的a和b的值。然而，參數(shù)k1的值和濕度有關(guān)，且依據(jù)參數(shù)a和b的實際應(yīng)用。測試表明，隨著總壓力增大，反應(yīng)效率有適當(dāng)降低，當(dāng)持續(xù)供給二氧化碳和一氧化碳混合氣體，從4巴增加到40巴時，反應(yīng)效率可能降低達2倍。相反，現(xiàn)今數(shù)據(jù)表明，黑色液體炭的反應(yīng)，當(dāng)持續(xù)供給混合氣體時，會增加反應(yīng)效率。</p><p>　　在900-1000℃，氣壓在20巴，CO2/CO混合氣體為2/2巴條件下，測量未磨成

20、粉末的秸稈顆粒的反應(yīng)。相對于一般炭，粉末的節(jié)點顆粒達到反應(yīng)比它快2.5倍，節(jié)點顆粒在900℃比它慢2倍，但在950℃和1000℃，他是粉末秸稈反應(yīng)的3倍。谷物的反應(yīng)率比粉末快2.5倍。節(jié)點和節(jié)點顆粒令人驚奇的較快的反應(yīng)，可能是由于樣品不緊密結(jié)構(gòu)的原因，但是對于節(jié)點這種行為也可能是由于灰中，催化劑K2O較為集中的緣故。</p><p><b>　　討論和結(jié)論</b></p>&l

21、t;p>　　在目前的麥秸研究中，PTGA儀器已經(jīng)被證明是一種在適當(dāng)反應(yīng)率下對生物質(zhì)燃料反應(yīng)分析的有價值的儀器。</p><p>　　粉末秸稈高溫分解表明：隨著壓力的增加，炭產(chǎn)量僅有很小的增長。秸稈炭樣品的加壓燃料和氣化反應(yīng)研究表明在40巴高溫分解只有很低的發(fā)熱率，但是研究大多在20巴條件下進行。</p><p>　　秸稈燃燒反應(yīng)在低溫（大約350℃）且氧氣為0.08-0.8巴情況下，

22、相應(yīng)煤在同樣條件下反應(yīng)高一個等級。依靠氧氣部分壓力是較弱的，且沒有觀測的總體壓力（分壓是一個常數(shù)）的重大作用。</p><p>　　在大約950℃，CO2/CO壓力約為1巴條件下，研究二氧化碳的氣化反應(yīng)。它表明在二氧化碳飽和及一氧化碳抑制狀態(tài)下，根據(jù)朗繆爾-欣謝爾伍德的反應(yīng)動力學(xué)公式，這些結(jié)果能夠被理解，但是更多精確的測試必須去精確確定熱力學(xué)參數(shù)。毫無疑問，秸稈炭反應(yīng)的能量被發(fā)現(xiàn)比相干的煤高一個級數(shù)，也比木材生物