煤與生物質(zhì)水蒸氣共氣化反應(yīng)特性及機(jī)理研究.pdf

1、生物質(zhì)作為一種可再生清潔能源具有硫含量低、二氧化碳“零排放”等特點(diǎn)，已得到越來越多研究者的關(guān)注。然而生物質(zhì)單獨(dú)作為燃料直接利用（如燃燒）或間接利用（如氣化、液化等熱轉(zhuǎn)化）還存在諸多問題，如單位體積發(fā)熱量低、氣化液化產(chǎn)品品質(zhì)較差等，煤與生物質(zhì)共氣化是解決上述問題的有效途徑之一。由于煤與生物質(zhì)共氣化的交互作用導(dǎo)致反應(yīng)過程非常復(fù)雜，因此開展煤與生物質(zhì)共氣化反應(yīng)特性及機(jī)理研究，對煤與生物質(zhì)的潔凈高效利用十分必要。本文以我國三種典型煤和三種常見生

2、物質(zhì)為研究對象，對煤與生物質(zhì)共熱解、共氣化特性及其動力學(xué)開展研究，探討轉(zhuǎn)化過程中產(chǎn)物釋放，同時對焦炭顆粒的表面形態(tài)結(jié)構(gòu)和焦炭碳骨架的演變機(jī)制進(jìn)行了詳細(xì)分析，揭示了煤與生物質(zhì)共氣化協(xié)同反應(yīng)特性及反應(yīng)機(jī)制。本文主要展開了如下幾個方面的工作。
　　研究了三種煤（褐煤、煙煤和貧煤）與三種生物質(zhì)（木屑、稻稈和玉米稈）及其混合樣的共熱解特性，采用TGA-FTIR聯(lián)用技術(shù)對共熱解產(chǎn)物釋放特性進(jìn)行在線分析，對生物質(zhì)和煤在轉(zhuǎn)化過程中的協(xié)同效應(yīng)和動力

3、學(xué)進(jìn)行了研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)褐煤與木屑共熱解的揮發(fā)分開始析出的溫度和最大失重峰溫度都明顯低于純褐煤；隨著反應(yīng)溫度的升高，生物質(zhì)對共熱解過程的促進(jìn)作用更加顯著；質(zhì)量摻混比在某一范圍內(nèi)，兩者的協(xié)同作用最為顯著；煤與生物質(zhì)共熱解協(xié)同作用對氣態(tài)產(chǎn)物中CO、CO2和CH4等的影響較為明顯，而對含芳環(huán)結(jié)構(gòu)化合物的影響程度較弱；利用DAEM法計算了煤與生物質(zhì)共熱解活化能隨溫度和轉(zhuǎn)化率的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)活化能不是簡單地隨反應(yīng)的加深而單調(diào)遞增，而是隨轉(zhuǎn)化率變化的

4、一個函數(shù)；在相同條件下，共熱解的活化能在木屑和褐煤單獨(dú)熱解所需活化能之間，并根據(jù)褐煤與木屑摻混反應(yīng)活化能的變化特征證明協(xié)同效應(yīng)的存在。
　　研究了三種煤和三種生物質(zhì)及其混合樣的水蒸氣共氣化反應(yīng)特性。研究發(fā)現(xiàn)三種生物質(zhì)中木屑與褐煤混合物共氣化過程中也存在協(xié)同效應(yīng)，并在兩者摻混比在一定范圍時協(xié)同效應(yīng)最顯著；通過比較動力學(xué)參數(shù)發(fā)現(xiàn)褐煤中摻混木屑降低了共氣化反應(yīng)的活化能；煤與生物質(zhì)共氣化協(xié)同作用對氣態(tài)產(chǎn)物中CO釋放的影響較為明顯。

5、　　采用氮?dú)獾葴匚?脫附分析法、傅里葉紅外分析和拉曼光譜分析等對煤與生物質(zhì)共氣化焦的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)表征，深入分析了煤與生物質(zhì)共氣化過程中焦顆粒物理化學(xué)結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)熱解階段混合焦中孔隙特性表現(xiàn)出隨機(jī)生長模式；氣化階段氣化劑首先在中孔和微孔區(qū)域與焦炭上的活性點(diǎn)發(fā)生氣固反應(yīng)并形成中孔，共氣化焦活性點(diǎn)消耗完畢后氣化劑則對焦炭碳骨架進(jìn)行侵蝕，中孔再逐步匯聚直至碳骨架坍塌。促使共氣化反應(yīng)活性點(diǎn)增加的主要原因是生物質(zhì)羥基的引入?；诠矚?/p>

6、化焦理化特性分析，發(fā)現(xiàn)溫度是控制氣化焦炭內(nèi)部結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變路徑的主要因素，得出整個共氣化過程可分為三個階段：a.600℃以前發(fā)生的縮聚反應(yīng)快于小分子氣化反應(yīng)階段；b.600℃~900℃之間發(fā)生的小分子氣化反應(yīng)為主體的氣化階段；c.900℃以上發(fā)生的大分子碳骨架直接被氣化消耗階段。
　　最后在自行設(shè)計搭建的小型臺架上開展了煤與生物質(zhì)的水蒸氣共氣化實(shí)驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著木屑摻混比例的升高，共氣化產(chǎn)氣中 H2和CO2的含量增大，CO和CH4的含量

7、降低，碳轉(zhuǎn)化率和氣化效率隨著木屑摻混比例增加而先升后降，并在質(zhì)量摻混比一定范圍時達(dá)最大值，協(xié)同效應(yīng)表征參數(shù)也在該范圍時達(dá)最大，表明此時木屑與褐煤的共氣化協(xié)同效應(yīng)最顯著；不同煤種和生物質(zhì)種類對共氣化氣體產(chǎn)率影響明顯，其中最低階的褐煤與木屑共氣化協(xié)同作用最為明顯，兩者共氣化氣體產(chǎn)量最高，碳轉(zhuǎn)化率最大。利用 ASPEN PLUS軟件建立了煤與生物質(zhì)小型臺架共氣化的反應(yīng)模型，模擬計算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較好的一致性。
　　本論文通過對煤與生物