煤与生物质

∙煤与生物质（稻秸秆）共热解反应及动力学分析

∙发布时间：2009-10-16 阅读次数：218 字体大小: 【小】【中】【大】

煤与生物质（稻秸秆）共热解反应及动力学分析摘要：本文利用综合热分析仪，对煤（褐煤、无烟煤）与稻秸秆按不同比例混合及各自单独热解反应进行了热解实验。结果表明，生物质与煤的热解过程可简化看作是在较低温度段（400℃以下）热解以生物质为主；在高温段（600℃～850℃）热解以煤为主。生物质对煤的热解过程有促进作用，随着生物质参混比例的上升，使煤的热解高峰区的温度向低温区移动。但是促进程度是随着生物质的量的增加而减小的，并且对褐煤的促进作用要比对无烟煤的作用明显。在动力学分析中，发现褐煤和生物质单独热解过程在整个热解温度范围内可用

coats-Redfern法按反应级数n=1的过程来计算出热力学参数；但是两者混合后的热解过程，由于反应机理及过程发生了变化，并不能用简单的热解动力学模型来描述；最后，对无烟煤与稻秸秆（质量比例3：2）的混合物按升温速率分别为10℃/min和20℃/min的热解过程作了对比试验，总结出升温速率对热解反应的影响。

关键词：煤与生物质稻秸秆热重分析动力学参数

中图分类号：TK6

一引言

生物质是人类利用最早、最多、最直接的能源，同时也是低碳燃料和唯一可运输及储存的可再生能源，可实现CO2的零排放。我国生物质储量丰富，因此生物质能的开放和利用有着重大意义[1]。同时我国煤炭资源丰富，在今后很长一段时间内对煤炭的依赖性还很大。生物质与煤混合燃烧发电和热解转化技术是高效洁净合理利用我国两大优势能源的有效途径之一，不但可降低CO2、NOX 、SOX 的排放量，而且可以有效解决生物质单独使用时的焦油问题。

对于煤与生物质共热解的问题，国内外的学者作了不同结论的实验研究。对于其协同性问题，存在两个对立的观点。Chatphol.M[2]、Collot.A.G[3]等人，各自在实验中得到无协同作用的结论；而Nikkhah.K[4]、McGee.B[5]等人则在共热解试验中得出有协同性的结论。阎维平[6]用生物质混合物与褐煤的共热解试验证明生物质粉末对煤的热解有一定的促进和抑制的作用，两者间有协同性存在；而李文[7]、李世光[8]等人则通过试验说明两者无明显的协同作用。虽然各国学者对煤与生物质的共热解，做了很多实验研究，但是对反应机理和有无协同性等问题并未作出结论。

由于煤的种类众多，生物质与煤共热解的特性与煤的种类也应该有关，且还没学者对共热解过程进行深入的动力学分析，因此，本实验选用稻秸秆作为生物质试样，与褐煤及无烟煤分别进行了共热解的实验研究，寻求共热解的影响因素并进行了动力学分析。

二实验部分

1 实验样品

实验所考察的稻秸秆来自常州地区的稻子，褐煤选自云南富源煤矿，无烟煤来自山西长治的潞安矿。三者粒径均在20目到60目之间，将物料干燥后制成不同比例的试样，以备热重实验使用。表1为三种物料的工业分析参数；

名称M

ad A

ad

V

ad

Fc

ad

稻秸杆18.16 15.97 53.52 11.85

褐煤14.16 24.63 10.32 50.89

无烟煤0.84 6.27 14.50 78.39

表1 试样的工业分析

Table 1 Industrial analysis of test samples

2 实验方法及仪器

采用德国制STA-49综合热分析仪，进行实验。将试样置于热天平支架的坩埚内，通入足量纯氮气，按规定的升温速率进行升温（10℃/min和一组20℃/min），由计算机控制和采集数据。气体流量为200mg/min，试样用量不超过1.5mg，温度范围由室温到1100℃左右。

三实验结果与分析

1 生物质（稻秸秆）与煤单独实验结果及分析

对生物质及煤的热重实验已有很多学者研究过[9-12]。本次实验主要用来作对比试验。

图 2 稻秸秆与煤（褐煤及无烟煤）不同混合比热解TG及DTG曲线

Fig.2 The TG 、DTG curves of corn stalk and coal (lignite or hard coal) pyrolysis in different mass ratios.

质量比例t

v t

s

t

max1

/t

max2

v % 质量比例t

v

t

s

t

max1

/t

max2

v

稻秸杆184℃380℃285.2℃/325.5℃ 52.3

褐煤430℃ 850℃453.9℃/731.2℃ 32.4 无烟煤470℃1190℃531.3℃/692.6℃ 23

20%稻秸杆与褐煤175℃850℃321.9℃/718.1℃ 40.1

20%稻秸杆

与无烟煤

175℃990℃316℃/516℃25

40%- 170℃820℃311.9℃/709℃56 40%- 180℃800℃336℃/523℃42 60%- 170℃720℃322.9℃/702.1℃ 57.1 60%- 170℃650℃324℃/520℃52 80%- 170℃400℃324℃/-- 63.6 80%- 170℃321℃321℃/-- 65

表2 不同混合比例的稻秸杆和煤（褐煤和无烟煤）的热解参数

Table.2 Pyrolysis characteristic parameter of corn stalk and coal

（其中tv是热解挥发开始时温度，ts为热解稳定失重时温度，tmax1/tmax2分

别为最大失重速率对应的温度，V%为试样中挥发分含量（包括水分）。）

表2中列出了不同混合比例的稻秸秆与煤（褐煤及无烟煤）的热解参数。由

表可以看出，稻秸秆的参入有利于这两种煤的热解向低温段移动。但是随着稻秸

秆参混比例的上升，这种促进作用反而下降。归其原因是由于生物质的加入对煤

的热解过程同时有促进和抑制两方面的作用[7]：一方面，在生物质热解后的灰

中碱金属含量比较高。稻秸秆热解后，灰中K20、N2O、Ca2O含量较高。这些碱

金属对煤的热解起到一定的催化作用；其次，稻秸秆中H/C为0.16 ,煤约为0.07。

在煤热解过程中，如果氢能够适当地分配给碳原子，则煤中的氢量几乎足以使之

全部挥发。但由于煤的结构特点，氢主要以化合水(来源于羟基)和高度稳定的轻

质脂肪烃(如甲烷及乙烷)的形式逸出，因而使急需氢的其余碳原子无缘与氢结

合。在煤化工中，加氢热解可以提高煤热解转化率，提高焦油产量，改善焦油质

量。生物质的H/C比率高，内部氢足以使其完全挥发，氢气气氛对煤的热解影响

较大，可以作为煤很好的供氢剂。在生物质混合物与煤共热解过程中，生物质混

合物提前热解产生氢，而煤是贫氢物质，在共热解中，生物质中的氢有可能转移

到褐煤中，有利于褐煤的热解；另一方面，由于生物质密度仅为褐煤的一半左右，